JP2014229680A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】リーク電流に起因するマイノリティー不良の発生を回避できる高誘電率の誘電体膜を備えるキャパシタを有する半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板上に配置される下部電極601と、第2の保護膜602と、第2の保護膜に対向する上面603Sから膜厚方向に進展した欠陥610を有する誘電体膜603と、欠陥610を埋設した絶縁体からなる欠陥埋設膜604Bを少なくとも有する第3の保護膜604と、誘電体膜603および第3の保護膜604を覆う第1の保護膜605と、第1の保護膜605を覆う上部電極606と、を備えるキャパシタを有する半導体装置の構成とする。【選択図】図8

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、詳しくは高誘電率の誘電体膜を備えるキャパシタを有する半導体装置及びその製造方法に関する。
微細かつ高ビット数の記憶素子を備えた半導体装置の需要は益々大きくなってきている。このような記憶素子を構成するキャパシタには、高い誘電率を有する誘電体膜が用いられている。
例えば、特許文献1(特開2006−135339号公報)の図−2に記載されたキャパシタは、下層から、ストレージ電極(15)、ALD(Atomic Layer Deposition)−ZrO(酸化ジルコニウム)膜からなる第1誘電膜(16A)とALD−AlO(酸化アルミニウム)膜からなる第2誘電膜(16B)とからなるAZ構造の誘電膜(16)、CVD(Chemical Vapor Deposition)−TiN(窒化チタン)膜からなるプレート電極(17)とを順に積層した積層構造を備えている。なお、AZ構造とは、上層AlOをAとして、下層ZrOをZとして、上層から下層に向かって表示したものである。例えば、後述のTZT構造とは、TiOのTとZrOのZを組み合わせたもので、上層と下層のTiOの間にZrOを組み合わせた構成を意味する。また、括弧内の番号は、対応する先行技術の図面中の符号を示し、本発明の図面における符号と区別するもので、以下の先行技術も同様である。
上記の構成により、キャパシタ形成後に不可避の熱処理が施された場合でも、リーク電流の少ないキャパシタが形成できることが示されており、AZ構造の他に、ZA構造、ZAZ構造、あるいはそれらをさらに複数回積層した構造などが開示されている。また、AlOの膜厚としては0.5nm〜3nmの範囲であることが、ZrOの膜厚としては0.5nmから10nmの範囲であることが開示されている。また、下部電極となるストレージ電極、及び、上部電極となるプレート電極の材料は、W、Ru、Ir、Ptなどの金属、TiN、TaN、WN、RuO、IrOなどの金属化合物、および不純物がドープされた多結晶シリコンからなる群の中から選択されたいずれかの物質で形成されることが開示されている。さらには、この技術を用いて得られるZrO膜の比誘電率は20〜25であり、AlO膜の比誘電率は9であることが開示されている。
また、特許文献2(特開2012−104719号公報)の図−5Iに記載されたキャパシタは、下層から、コンタクト(12)に接続されたALD−TiN膜からなる下部電極(23)、ALD−ZrO膜からなる第1誘電体膜(32)とALD−AlO膜からなる第2誘電体膜(34)とALD−TiO膜からなる第3誘電体膜(36)のZAT構造の誘電体膜(30)と、ALD−TiN膜からなる上部電極(43)を順次積層した構造を備える。しかし、単に構成と成膜方法が記載されているに過ぎず、高性能のキャパシタを得るための膜厚等の条件が何ら記載されていない。
さらに、本発明者らにより出願された特許文献3(特開2012−80095号公報)、特許文献4(特開2012−80094号公報)、特許文献5(特開2012−69871号公報)には、酸化ジルコニウムを含む誘電体膜と電極との間に酸化チタンの保護膜を形成することが提案されている。
特許文献3のキャパシタは、その図−13に記載されているように、下層からCVD−TiN(窒化チタン)膜からなる下部電極(102)、ALD−TiO(酸化チタン)膜からなる第2の保護膜(114)と、ALD−ZrO膜からなる誘電体膜(115)と、ALD−TiO膜からなる第1の保護膜(116)と、CVD−TiN膜からなる上部電極(117)とを備えるTZT構造で構成されている。下部電極(102)と、誘電体膜(115)の間に酸化チタン膜からなる第2の保護膜(114)を設けることにより、下部電極(102)と誘電体膜(115)の密着性が向上し剥がれにくくなること、および酸化ジルコニウム膜からなる誘電体膜(115)の結晶性が向上し、高誘電率化できることが開示されている。さらに、誘電体膜(115)と上部電極(117)の間に酸化チタン膜からなる第1の保護膜(116)を設けることにより、上部電極(117)の形成時に与えられるダメージ(クラック、ピンホールの発生や、エッチング、酸素欠損の発生)から誘電体膜(115)を保護し、リーク電流が少なく、良好な特性のキャパシタが得られることが開示されている。
特許文献4では、その図−10に記載されているように、キャパシタは、CVD−TiN膜からなる下部電極(102)と、ALD−TiO膜からなる第2の保護膜(108)と、ALD−ZrO膜からなる第1の誘電体膜(105)と、ALD−AlO膜からなる第2の誘電体膜(106)と、ALD−ZrO膜からなる第3の誘電体膜(107)と、ALD−TiO膜からなる第1の保護膜(110)と、CVD−TiN膜からなる上部電極(111)と、を備えるTZAZT構造で構成されている。上記構成において、ZrO膜からなる第1の誘電体膜(105)と第3の誘電体膜(107)とは同じ膜厚であっても良く、第1の誘電体(105)の膜厚を例えば5nm、第3の誘電体(107)の膜厚を例えば1nmとするように異なる膜厚で構成しても良い、とされている。第2の誘電体膜(106)としてAlO膜を介在させるTZAZT構造とすることにより、特許文献3に記載された効果の他に、TZT構造のキャパシタよりもさらにリーク電流を低減したキャパシタが得られることを開示している。
特許文献5では、その図−2に記載されているように、キャパシタは、下層から順に、CVD−TiN膜からなる下部電極(201)と、ALD−TiO膜からなる第2の保護膜(202)と、ALD−ZrO膜からなる第1の誘電体膜(203)と、吸着サイト・ブロッキングALD(Adsorption Site Blocking-ALD:ASB−ALD)法により形成されるAlOを含むAlドープ層(204)と、ALD−ZrO膜からなる第2の誘電体膜(205)と、ALD−TiO膜からなる第1の保護膜(206)と、CVD−TiN膜からなる上部電極(207)と、を備える構造で構成されている。本発明者らが開発したASB−ALD法では、AlをドーピングするALDサイクル1回当たりのAlの量を減らすことができ、Alドープ層の上下に位置するZrO膜の結晶の連続性を良好に保ったまま、耐熱性を向上させることが可能となる。この結果、従来のキャパシタと比べて、同じリーク電流で小さな等価酸化膜厚(EOT:単位面積当たりの容量値を等価な二酸化珪素(SiO、比誘電率:3.9)の膜厚で表したもの)を実現している。ASB−ALD法に用いるジルコニウム(Zr)のプリカーサとしては、「シクロペンタジエニル・トリス(ジメチルアミノ)ジルコニウム」や「メチルシクロペンタジエニル・トリス(ジメチルアミノ)ジルコニウム」が示されており、チタン(Ti)のプリカーサとしては「メチルシクロペンタジエニル・トリス(ジメチルアミノ)チタニウム」が開示されている。
また、本発明者らにより出願された特許文献6(特開2012−248813号公報)には、非晶質ジルコニウム膜上に、チタン原料としてメチルシクロペンタジエニル・トリスジメチルアミノチタンを用いてALD法により非晶質の酸化チタン(TiO)膜を形成し、300℃以上の温度で熱処理する、という特定の条件下において高誘電率のルチル結晶構造を有するTiO膜が得られることが開示されている。
特開2006−135339号公報 特開2012−104719号公報 特開2012−080095号公報 特開2012−080094号公報 特開2012−069871号公報 特開2012−248813号公報
リソグラフィーの解像限界で規定される最小加工寸法をFとした場合、Fが25nmレベル以降のDRAM用キャパシタとして、EOTが0.75nm以下のキャパシタが要求される。また、信頼性を保証する90℃でのリーク電流(漏れ電流)は、±1Vの印加電圧において10(fA/cell)以下が要求される。さらに実際のデバイス上では、各記憶セルが、リフレシュ間隔で決まる、ある一定値以上の記憶保持時間(retention time)を有することが求められる。すなわち、EOTが小さく、リーク電流の少ない信頼性の高いキャパシタが求められている。
絶縁膜のリーク電流の種類としては、ショットキー電流や、プール・フレンケル(Pool-Frenkel)電流や、トンネル電流などが考えられるが、仮にショットキー障壁が十分な高さで、かつ、欠陥の無い理想的な誘電体膜を仮定した場合は、ファウラー・ノルトハイムトンネル(Fowler-Nordheim Tunneling)電流や直接トンネル(Direct tunneling)電流などのトンネル電流が重要となる。
トンネル電流は膜厚に大きく依存し、ある膜厚を下回ると急激に増大するが、上記のリーク電流の規格を満たすには、誘電体膜全体の膜厚は、経験上最低でも5nm以上が必要である。
特許文献1に記載されたキャパシタの形成方法では、特許文献1の中にも示されているように、酸化ジルコニウムの比誘電率が20〜25にしかならない。これは、誘電体膜において、誘電率の低い非晶質や、密度が低く誘電率も低い立方晶の微結晶が支配的であることが原因と考えられる。このように非晶質や微結晶の酸化ジルコニウムを誘電体膜とする場合、誘電体膜には上部電極形成時の熱負荷に伴うクラックやピンホールなどの問題はほとんど起こらないので、比較的良好なリーク電流特性が得られる。しかし、その低い誘電率の為に小さなEOTを得ることが困難である。
たとえば、特許文献1の方法によって、酸化ジルコニウム膜(比誘電率25)と酸化アルミニウム膜(比誘電率9)が積層された誘電体膜を考える。この場合、比誘電率の大きな酸化ジルコニウム膜の厚さを、酸化アルミニウムの膜厚より厚くするほうが、同じ物理膜厚で比較して小さなEOTにすることができる。酸化アルミニウムの膜厚を特許文献1に示されている最小の膜厚として、0.5nmとすると、その酸化アルミニウムのEOTは、およそ0.22nmとなる。残りの物理膜厚4.5nmを比誘電率25の酸化ジルコニウムで形成したとすると、酸化ジルコニウム部分のEOTはおよそ0.70nmとなる。従って、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの積層誘電体膜のEOTは0.92nmとなり、目標のEOT:0.75nm以下を満たすことができない。仮に、酸化アルミニウムの膜厚をゼロとし、比誘電率25の酸化ジルコニウム単膜の誘電体膜(5nm)とした場合でも、EOTは0.78nmとなって目標を満たすことができない。
特許文献2には、キャパシタを構成する誘電体膜30として、ALD−ZrO膜、ALD−AlO膜およびALD−TiO膜を順次積層した積層膜を用いている。高誘電率のTiO膜を用いることによりキャパシタのEOTを小さくできることを期待している。しかし、特許文献2には、各膜の厚さや結晶性、熱処理温度などのキャパシタの特性を律則する詳細条件が何ら記載されていない。発明に提示された半導体製造装置を用いて上記の各膜を成膜する条件が記載されているだけである。したがって、どのような特性を有するキャパシタが形成されるのか不明である。周知のように、TiO膜は、結晶化した段階で、ルチル結晶構造とアナターゼ結晶構造のいずれかを構成する。ルチル結晶構造は80以上という極めて高い比誘電率を示すが、アナターゼ結晶構造は40程度の比誘電率しか示さない。通常の酸化チタン膜は、結晶化の過程でアナターゼ結晶構造を経てルチル結晶構造に転位しており、ルチル結晶構造への転位には700℃以上の高温が必要となる。発明者らが出願した特許文献6に記載されているように、少なくとも下地が所定の結晶構造で構成されている材料の上にTiO膜を形成しなければTiO膜を低温でルチル結晶構造へ結晶化するのは困難である。特許文献2に記載されたキャパシタでは、極めて安定な非晶質絶縁膜であるAlO膜上にTiO膜を形成しており、この状態で熱処理を施してもルチル結晶構造のTiO膜を得ることは困難である。
前述の特許文献1において、小さいEOTを得るためには、AlO膜やZrO膜の薄膜化と、ZrO膜の結晶化による高誘電率化が必要となる。しかし、本発明者らの実験によれば、特許文献1に記載されたキャパシタの誘電体を薄膜化すると、ZrO膜の結晶化が困難となりEOTを小さくできない。また、薄膜化した状態でZrO膜を結晶化させるためにはより高温、長時間の熱処理が必要となり、耐熱性が不足してリーク電流が増大する問題が発生する。本発明者らは、このような問題を回避する方策を種々検討した結果、特許文献3〜5に記載されているように、誘電体膜と上部電極の間および下部電極と誘電体膜の間にTiO膜からなる保護膜を設けることが有効であることを見出している。
例えば、特許文献4や特許文献5に示される技術を用いると、特許文献1の方法では得られなかった比誘電率をZrO膜に付与することができ、かつ、熱安定性をも付与することができる。すなわち、本発明者らの調査では、下部電極の上に0.4nm以上のTiO膜を形成し、さらにZrO膜を膜厚が4nm以上になるように形成して、かつ、その中に不純物として含まれるAlOが、例えばAl/(Al+Zr)で示されるAl濃度で0〜10%程度の場合には、比誘電率として32〜38を得ることができる。これは、特許文献4の中にも示されているように、下部電極上にTiO膜を形成した後にZrO膜の成膜を行うことで、ZrO膜の結晶性が向上し、かつ密度が高くなることにより誘電率の高い正方晶の割合が増加する結果である。特許文献1に関して行ったものと同様な試算を比誘電率が38の酸化ジルコニウム膜について行うと、その物理膜厚がトンネル電流を抑えるために最低限必要な5nmであった場合、EOTはおよそ0.51nmとなる。これは、充分に目標のEOT0.75nmを満足する。一方、リーク電流に関しても、平坦キャパシタや少数の立体キャパシタ等で構成される試験素子群(TEG:Test element group)ベースによる評価では大幅な減少が確認されている。
上記のように、特許文献3、4、5では、下部電極と誘電体との間に酸化チタンからなる第2の保護膜を配置し、誘電体と上部電極の間に酸化チタンからなる第1の保護膜を配置している。特許文献3、4、5に開示されている第2の保護膜および第1の保護膜の効果について、以下にまとめる。
まず、第2の保護膜は、誘電体膜と下部電極の密着性を改善し、誘電体膜が剥がれて不良となるのを防止するとともに、酸化ジルコニウムである誘電体膜の結晶性を改善して、その誘電率を高くする効果がある。たとえば、特許文献1には窒化チタン上に直接酸化ジルコニウムを形成した場合に、酸化ジルコニウム膜の比誘電率が20〜25になることが開示されている。本発明者らの検討でも、概ね再現することが確認されている。これは、誘電体膜が、非晶質又は、誘電率の低い立方晶、あるいはこれらの混合状態であることを示唆している。一方、本発明者らの実験によれば、特許文献4や特許文献5に開示されているように、下部電極の上に酸化チタンからなる第2の保護膜を形成してから酸化ジルコニウムを主成分とする誘電体膜を形成した場合は、比誘電率で32〜38が容易に得られることが判っている。
これは、第2の保護膜に酸化ジルコニウムの結晶化とその結晶粒の成長を促進する効果があることを示唆している。
厚さ6.6nmの酸化ジルコニウム膜について、第2の保護膜(下部電極上の酸化チタン膜)がある場合と、無い場合のX線回折(XRD)のピーク強度を比較した結果を下記表1に示す。なお、これらの結果は特許文献4の表1に示されるアニール前後の結果を再表示(サンプル1の変化率を修正)したものである。サンプル1は、厚さ10nmのTiN膜からなる下部電極上に、約3at%のAlOを含む酸化ジルコニウム膜、および厚さ1nmのTiOからなる第1の保護膜を順次形成した構成を有し、サンプル2は、サンプル1の構成において下部電極と酸化ジルコニウム膜の間に第2の保護膜として厚さ0.5nmのTiO膜が形成されている構成を有するものである(特許文献4の図−18参照)。特許文献4の図−16に示すように、第2の保護膜のあるサンプル2の方が、成膜直後(as deposition)に回折ピーク強度が大きく、良好な結晶性を示している。また、特許文献4の図−17に示すように、450℃、6時間(N雰囲気)のアニール後においても、第2の保護膜があるサンプル2の方が大きなピークになっている。すなわち、下部電極上に第2の保護膜が無い場合に比べて、第2の保護膜がある方が、酸化ジルコニウム膜は良好な結晶性を示していることが判る。
また、ピーク強度のアニール前後での変化率は、サンプル1は2.36、サンプル2は1.15となっている。第2の保護膜のある方が変化率は小さくなることから、結晶性の変化が少ない、すなわち、成膜直後から上部電極形成までの熱負荷(後述)による体積収縮が小さいことが予測される。特許文献4では、これをもって第2の保護膜のある方が上部電極形成以降の熱負荷に対し比較的耐性がある理由の一つとして挙げている。
一方、第1の保護膜は、応力緩和層として、誘電体膜にクラックやピンホールを発生させにくくする効果や、もしクラックやピンホールが発生しても、ガラス工芸品などで使われる「内貫入」の技術のように、クラックやピンホールの表面が上部電極形成時に露出しにくくする効果を有する。その結果、上部電極がクラックやピンホールに侵入するのが抑制され、キャパシタの上部電極と下部電極の間でショート状態になるのを抑制することができる。また、第1の保護膜の存在により、誘電体膜が直接上部電極形成時の還元雰囲気や腐食性雰囲気に曝されなくなるので、誘電体膜中に酸素欠損が発生する問題や、誘電体膜自体がエッチングされる問題を回避できる効果がある。
例えば、窒化チタンの上部電極の形成は、プロセス温度350℃から450℃で既知のALD法、またはCVD法によって実施される。通常、成膜を開始する前に、基板は成膜装置の反応室に搬送され、続いてプロセス温度まで昇温され、基板温度が安定するまで保持される。その後、反応室に原料ガスが所定のシーケンスで導入されて成膜が開始される。原料ガスとしては四塩化チタン(TiCl)とアンモニア(NH)が用いられるが、その際、副生成物として雰囲気中にHCl、Cl、H、N、NHClなどが生成される。
ここで、第1の保護膜を設けずに上部電極を形成した場合について説明する。図1は、下部電極1001上に、TiOからなる第2の保護膜1002、Alドープ層1003aを含有するZrO膜からなる誘電体1003を順次形成し、その後第1の保護膜を設けずに、上記のように上部電極1004を形成した場合を示している。上部電極(TiN)1004の形成前に要するプロセス温度安定化の保持時間中に、その熱負荷によって、誘電体膜1003の結晶粒の成長が進み、それに伴って起こる誘電体膜1003の体積収縮によって誘電体膜1003にクラックやピンホール1005が発生する。誘電体膜1003にクラックやピンホールが存在する状態で、上部電極1004を形成すると、クラックやピンホール1005内に上部電極1004の一部が埋設されてしまう。薄いTiOからなる第2の保護膜1002は誘電体膜としての機能は殆ど無く、その結果、キャパシタはほとんどショート状態となり、その機能を果たすことができなくなる。また、もし、クラックやピンホールが問題にならないレベルであったとしても、TiNの成膜雰囲気に曝された誘電体膜1003は、酸素欠損1006の発生やエッチングなどのダメージを受け、リーク電流が増加する。特許文献3〜5では第1の保護膜を設けることにより、上記の問題を回避している。
しかし、上記のように、EOTの低減およびリーク電流の低減に効果のある特許文献4や特許文献5のキャパシタを立体構造からなるギガビットオーダーの製品に適用すると、高温動作環境の評価試験においてセル単位のマイノリティー不良が観察される場合がある。このマイノリティー不良は誘電体膜中の欠陥が介在する微小リークに起因している。欠陥によるリーク電流が大きな場合は、TEGベースのI−V特性評価により容易に良否の判別が可能であるが、リーク電流が微小である場合は、平坦キャパシタのTEGベースによる評価方法では判別が難しい。また、たとえ立体構造であっても数万個のセルをまとめてリーク電流を測る方法では、平均化されてしまい、やはり観察することが難しい。すなわち、微小リークを伴う欠陥は、平坦キャパシタやTEGベースの評価方法では判別困難で、製品に適用/実装して、室温よりも高温の動作環境において、初めてセル単位のマイノリティー不良として観察される。
そして、本発明者らの検討により、特許文献4、特許文献5の方法を用いてさえも、充分にこのマイノリティー不良を抑制することができていない場合があることが判明した。特に、デバイス動作温度が90℃を超えるような評価試験において記憶保持時間が短いセルとしてこの不良が発現する場合があった。評価試験によって不良と判定されたセルは、予備として冗長(リダンダンシー)に準備されている正常なセルに電子回路的に置換される。しかしながら、この予備のセルも有限であり、さらには他のモードによる不良セルの置換にも使用されるので、マイノリティー不良の発生は、最終的には全体の歩留を悪化させることになり、改善の余地がある。
上記課題に鑑みて、本発明の一実施形態に係る半導体装置は、
半導体基板上に配置される下部電極と、
少なくとも前記下部電極の表面を覆う第2の保護膜と、
前記第2の保護膜の表面を覆い、前記第2の保護膜に対向する上面から膜厚方向に進展した欠陥を有する誘電体膜と、
前記欠陥を埋設し、前記誘電体膜の主成分とは異なる絶縁体からなる欠陥埋設膜を少なくとも有する第3の保護膜と、
前記誘電体膜および前記第3の保護膜を覆う第1の保護膜と、
前記第1の保護膜を覆う上部電極と、
を備えるキャパシタを有することを特徴とする半導体装置
とする。
本発明の半導体装置によれば、第1の保護膜を形成する前の段階で誘電体膜に既にクラック等の欠陥が発生している場合であっても、欠陥を埋設する絶縁体からなる欠陥埋設膜を有する第3の保護膜を設けることで、リーク電流に起因するマイノリティー不良の発生を回避できる。
第1の保護膜を形成しない背景技術の問題点を説明するキャパシタの積層構造を示す概略断面図である。 実験例に用いたサンプルの積層構造を説明する図である。 図2のサンプルでZrOx膜の膜厚を2nmとした試料1の成膜直後のas depo.膜と図中に示した温度でアニールしたアニール膜のXRD法によるX線回折波形の分析結果を示す。 図2のサンプルでZrOx膜の膜厚を4nmとした試料2の成膜直後のas depo.膜と図中に示した温度でアニールしたアニール膜のXRD法によるX線回折波形の分析結果を示す。 図2のサンプルでZrOx膜の膜厚を5nmとした試料3の成膜直後のas depo.膜と図中に示した温度でアニールしたアニール膜のXRD法によるX線回折波形の分析結果を示す。 酸化チタン膜上に膜厚6nmの酸化ジルコニウム膜をALD法で形成したサンプル表面のSEM像を示す。 第1の保護膜を形成した背景技術の問題点を説明するキャパシタの積層構造を示す概略断面図である。 本発明の第1実施形態例によるキャパシタの積層構造を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態例によるDRAMメモリセルのレイアウトの一例を示した平面図である。 図9の平面図におけるA−A’線に対応する断面図である。 図10に対応する半導体装置の工程断面図である。 図10に対応する半導体装置の工程断面図である。 誘電体膜603と第3の保護膜604の成膜を連続的に行う場合のALDフローチャートである。 従来技術のキャパシタと本発明の一実施形態例のTAZT構造のキャパシタについて、リーク電流密度J(A/セル)と等価酸化膜厚EOT(nm)の関係を比較評価した結果を示す図である。 従来技術と本発明の一実施形態例のDRAMについて、データ保持時間の累積度数分布を比較した結果を示す図である。 本発明の第2実施形態例によるキャパシタの積層構造を示す概略断面図である。 本発明の第3実施形態例によるキャパシタの積層構造を示す概略断面図である。 本発明の第4実施形態例によるキャパシタの積層構造を示す概略断面図である。 本発明の第5実施形態例によるキャパシタの積層構造を示す概略断面図である。
以下、第1実施形態を説明する前に、本発明者らが実施した実験例について図2〜図5を用いて説明する。
(実験例)
本発明者らは、上記のマイノリティー不良を対策するに際し、種々の実験検討を行った結果、誘電体膜となる酸化ジルコニウム膜が成膜直後(as deposition、以下「as depo.」という)の段階において既に結晶化していることを知見した。まず、本発明者らは、酸化ジルコニウム膜について、結晶性の膜厚依存性を調査した。
図2は、本実験例に供したサンプルの積層構造を説明する図であり、Si基板2000上に下部電極として膜厚10nmのTiN膜2001を、その上に膜厚0.5nmの酸化チタン膜からなる第2の保護膜2002を、さらに第2の保護膜2002の上に、酸化ジルコニウム膜2003を形成したもので、酸化ジルコニウム膜2003の膜厚を2nm(試料1)、4nm(試料2)、5nm(試料3)とする。又、図3〜5に、それぞれの試料について、成膜直後のas depo.膜と図中に示した温度でアニールしたアニール膜のXRD(X線回折:X-ray diffractometry)法によるX線回折波形の分析結果を示す。試料1のサンプルについては通常のXRD法では信号強度が小さかったので、より感度の高いin plane−XRD法で観察した結果を示している。なお、酸化ジルコニウム膜は、シクロペンタジエニル・トリス(ジメチルアミノ)ジルコニウムをプリカーサとしたALD法を用いて成膜している。
図3〜5の結果から、試料1(2nm)と試料2(4nm)の酸化ジルコニウム膜は、as depo.では非晶質または微結晶の状態であり、アニールして初めてXRDの回折ピークが出現するのに対し、試料3(5nm)の酸化ジルコニウム膜は、成膜温度が250℃と低温であるにも関わらずas depo.で、既に回折ピークが認められる。つまり、酸化ジルコニウム膜の成長過程において、膜厚が4nmから5nmに増加する間に、急速に結晶化とその結晶粒の成長が進むことが判る。なお、膜厚4nmのas depo.のサンプルについてはin plane−XRD法でも測定しているが、酸化ジルコニウム膜の結晶ピークは観察されないことを確認している。
4nm以下では非晶質、又は微結晶の酸化ジルコニウム膜が、5nmの膜厚まで成長する間に、結晶化が進み、結晶粒が成長する際、体積の収縮を伴うので、上部電極形成時の熱負荷(350℃〜450℃)によって起こるほどでは無いにしても、第1の保護膜を形成する前に、既にその表面側にはクラックや、ピンホール等の欠陥が発生していると推察される。
そこで、次に、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて、誘電体膜成膜後の表面観察を試みた。
図6は、Si基板上に形成した膜厚10nmのTiN膜上に、オゾン(O)雰囲気での熱処理によってTiN表面を酸化し、さらに第2の保護膜となる酸化チタン膜を既知のALD法で形成した後、その酸化チタン膜の上に膜厚6nmの酸化ジルコニウム膜をALD法で形成したサンプルの表面を10万倍の倍率を有するSEMで観察したものである。
図6の結果から、酸化ジルコニウム膜の表面に成膜直後に、既にクラックが発生しているのが確認された。
このようなクラックが発生した状態で、特許文献3〜5に示すように、第1の保護膜の酸化チタン膜を形成すると、酸化チタン膜が酸化ジルコニウム膜の表面に形成されているクラックを埋設しているものと推察される。図7は、図6の結果を踏まえて、特許文献3〜5に示すように、第1の保護膜を形成した状態を示している。酸化ジルコニウム膜からなる誘電体膜503の誘電率を高めようとして、下部電極501上に酸化チタン膜からなる第2の保護膜502を形成し、その上に酸化ジルコニウム膜503を成膜すると、酸化ジルコニウム膜503が4nmから5nmに成長する間に急速に結晶化とその結晶粒の成長が進み、成膜直後には酸化ジルコニウム膜に既にクラック506やピンホール等の欠陥が存在している。その状態で、第1の保護膜504となる酸化チタン膜を形成しているので、クラック506内には第1の保護膜504の一部が入り込むと考えられる。なお、第1の保護膜504を形成しているため、その後のTiN膜からなる上部電極505を形成しても、図1に示した酸素欠損1006の発生やエッチングなどのダメージは無い。
酸化チタン膜は、高誘電率の誘電体膜として知られている一方、酸化物半導体としても用いることも公知である。特許文献4に記載されるように1nm以上の酸化チタンは導体的に振る舞い、酸化チタン膜の膜厚が薄い場合にも半導体的に振舞うので、導体の窒化チタンがクラック内に入り込んで起こるショート状態ほどではないにしても、室温より高温のデバイス動作温度において、誘電体膜のクラック506に埋設された第1の保護膜504としての酸化チタン膜は微小なリークパスになり、結果としてセル単位でのマイノリティー不良になると本発明者らは考えた。すなわち、第2の保護膜502となる酸化チタン膜の存在によって酸化ジルコニウム膜503の結晶化が促進される結果、クラックの発生も助長されていると考えられる。
そこで、本発明の半導体装置は、半導体基板上に配置される下部電極と、少なくとも前記下部電極の表面を覆う第2の保護膜と、前記第2の保護膜の表面を覆い、前記第2の保護膜に対向する上面から膜厚方向に進展した欠陥を有する誘電体膜と、前記欠陥を埋設し、前記誘電体膜の主成分とは異なる絶縁体からなる欠陥埋設膜を少なくとも有する第3の保護膜と、前記誘電体膜および前記第3の保護膜を覆う第1の保護膜と、前記第1の保護膜を覆う上部電極と、を備えるキャパシタを有する半導体装置の構成とする。
一般的には、「誘電体」は膜厚方向の誘電率で議論されるもの、「絶縁体」は材料としての絶縁性が議論されるものであり、両者が同じ材料を指す場合もある。また、上記の酸化チタンのように、高誘電率を有する一方、導体或いは半導体的特性を示す材料もある。本発明において、第3の保護膜に含まれる欠陥埋設膜を構成する絶縁体には高い誘電率は特に要求されないが、高い絶縁性が要求される。一方、誘電体膜を構成する誘電体には、比較的高い誘電率が要求され、好ましくは比誘電率として25以上、より好ましくは30以上の誘電体である。又、誘電体膜は、後述するDRAMのように複数の下部電極を連続して覆う場合には、下部電極間で短絡しない所定の絶縁性を有することが好ましい。通常は、欠陥埋設膜を構成する絶縁体には誘電体膜の主成分(例えば、酸化ジルコニウム)とは異なる材料が用いられる。欠陥埋設膜を構成する絶縁体は、好ましくは誘電体膜の主成分よりも結晶化温度の高い材料であり、より好ましくはその後の第1の保護膜、上部電極を形成しても結晶化せずに非晶質となる材料である。第3の保護膜は、膜厚方向に進展する欠陥を埋める欠陥埋設膜自体は、誘電体膜の誘電率への影響は殆ど無いが、欠陥埋設膜を形成する際に誘電体膜表面に堆積する膜(以下、平面保護膜という)は、膜厚方向の誘電率に影響するために注意を要する。
また、誘電体膜には、前記第2の保護膜に対向する上面から膜厚方向に進展した欠陥を有する。この欠陥は、成膜後の誘電体膜表面に現れるクラックやピンホールなどであり、上面から膜厚方向(第2の保護膜方向)に向かって延びている。これは、成膜時或いは成膜後に、誘電体膜の結晶化に伴う体積収縮が、第2の保護膜によって固定される下面側より解放された上面側の方が大きくなることによる。特に、本発明では、誘電体膜の結晶性が上面から下面にかけて良好な連続性を有しており、結晶粒界において多発するこれらの欠陥も上面から下面ないしは下面近傍まで進展し、延在する。
本発明における上記の第1の保護膜及び第2の保護膜としては、特許文献4に記載の第1の保護膜及び第2の保護膜と同等の材料が使用できるが、酸化チタン膜であることが好ましい。
以下、本発明の実施形態例について、具体例を挙げて説明する。
第1実施形態例
(半導体装置)
本実施形態例では、DRAM(Dynamic Random Access Memory)を構成する半導体装置を一例として説明する。しかし、DRAMに限らず、キャパシタを搭載する半導体装置全般に適用することが可能である。以下、図8、図9、図10を用いて、本実施形態例の半導体装置について説明する。図8は、図10に示したDRAMメモリセル断面図に記載されたキャパシタC1、C2の内、下部電極と上部電極の間に位置する膜の構成を一部抜き出し、拡大した断面図である。図9は、DRAMメモリセルのレイアウトの一例を示した平面図である。また、図10は、図9の平面図におけるA−A’線に対応する断面図である。
最初に、図9及び図10を用いて、本実施形態例のキャパシタを有する半導体装置について説明する。
まず、図9の平面図を用いて、DRAMメモリセルのレイアウトについて説明する。なお、DRAMの場合、通常、メモリセルを駆動するための周辺回路領域を有するが、図9では記載を省略している。例えば、p型の単結晶シリコンからなる半導体基板表面に、X’方向(第1方向)に延在する複数の第1素子分離領域730(730a、730b、730c)と、Y方向(第2方向)に延在する複数の第2素子分離領域701(701a、701b)が配置される。これにより、第1素子分離領域730aおよび730bと第2素子分離領域701aおよび701bとで周囲を囲まれる第1活性領域702aが配置される。また、第1素子分離領域730bおよび730cと第2素子分離領域701aおよび701bと、で周囲を囲まれる第2活性領域702bが配置される。第2活性領域702bは第1素子分離領域730bを介して第1活性領域702aに隣接する構成となる。X’方向に延在する第1および第2活性領域702aおよび702bを各々3分割するようにY方向に延在する2本のトレンチが配置され、各々のトレンチ内を埋設する第1ゲート電極705a、第2ゲート電極705bが配置される。各々のゲート電極は、Y方向に整列して配置される複数の活性領域に跨って配置され、DRAMのワード線を構成する。
第1活性領域702aおよび第2活性領域702bは同じ構成を有するので、以下、第1活性領域702aに注目して説明する。2本のゲート電極705a、705bを配置することにより、第1活性領域702aは第1容量拡散層708a、ビット線拡散層707a、第2容量拡散層708bに分割される。第1容量拡散層708aと、第1ゲート電極705aと、ビット線拡散層707aとで第1トランジスタTr1が構成される。また、第2容量拡散層708bと、第2ゲート電極705bと、ビット線拡散層707aとで第2トランジスタTr2が構成される。第1容量拡散層708a上には第1キャパシタC1が配置され、第2容量拡散層708b上には第2キャパシタC2が配置される。また、第1トランジスタTr1および第2トランジスタTr2で共有されるビット線拡散層707a上にはX方向(第3方向)に延在するビット線709が配置される。第2活性領域702bについても同じ構成となり、第3容量拡散層708c上に第3キャパシタC3、第3容量拡散層708d上に第4キャパシタC4、ビット線拡散層707b上にビット線609を有している。
次に、図10の断面図を参照する。本実施形態例のDRAMは、埋め込みゲート電極型のセルトランジスタTr1、Tr2を有している。すなわち、ワード線となるゲート電極705a、705bは半導体基板700内に埋設されている。この構成では、半導体基板700の上面にビット線709が配置され、ビット線709よりも上方に容量コンタクトプラグ714a、714bを介してキャパシタC1およびC2が配置される。第1トランジスタTr1は、半導体基板700内に配置されるゲートトレンチ703の内面を覆うゲート絶縁膜704aと、ゲート絶縁膜704aを介してゲートトレンチ703の下部を埋設するゲート電極705aと、第1容量拡散層708aと、ビット線拡散層707aとで構成される。第2トランジスタTr2も同様の構成となる。半導体基板700上に配置される第1層間絶縁膜710を貫通して、ビット線拡散層707a上に接続されるビット線709が配置される。ビット線709を覆うように配置された第2層間絶縁膜713を貫通する第1容量コンタクトプラグ714a、第2容量コンタクトプラグ714bが設けられ、各々の容量コンタクトプラグの上面に接続する王冠型の第1下部電極601a、第2下部電極601bが配置される。第1下部電極601a、第2下部電極601bの表面に連続膜で構成される酸化チタンからなる第2の保護膜602a、602bが配置される。なお、第2層間絶縁膜713の上面にも下部電極601の表面に形成された第2の保護膜602が、互いに分断された島状の第2の保護膜602cとして形成される。第2の保護膜602を覆うように、誘電体膜603、第3の保護膜604、第1の保護膜605、上部電極606、溝埋設上部電極607、プレート電極608が順次積層配置される。なお、図10では王冠型のキャパシタ構造を例示したが、これに限るものではなく、円柱状のキャパシタであっても良い。さらに、微細化によって、キャパシタが倒壊する問題を回避するために、隣接キャパシタ間にサポート構造を有するものであっても良い。
次にキャパシタの構成について、図8を用いて説明する。本実施形態例のキャパシタは、主に、下部電極601と、少なくとも下部電極601に接して上面601Sを覆う第2の保護膜602と、第2の保護膜602に接して上面602Sを覆い膜厚方向に延在するクラック(欠陥)610を有する誘電体膜603と、前記欠陥を埋設し絶縁膜からなる欠陥埋設膜604Bを少なくとも有する第3の保護膜604と、前記誘電体膜603および前記第3の保護膜604を覆う第1の保護膜605と、前記第1の保護膜605に接して表面605Sを覆う上部電極606とを備える構成となっている。
図8の構成では、第3の保護膜604は、欠陥埋設膜604Bの上面に接すると共に誘電体膜603に接して上面603S(第2の保護膜602に対向する面)を覆う平面保護膜604Aをさらに有する構成となっている。この場合、第1の保護膜605は、平面保護膜604Aを介して誘電体膜603を覆う構成となる。なお、平面保護膜604Aは連続した膜であることは必須ではなく、部分的に誘電体膜604の上面604Sが露出していても良く、従って、第1の保護膜605が誘電体膜604と一部で接していても良い。
別な観点で言えば、本実施形態例の半導体装置は、半導体基板700上に配置される下部電極601と、少なくとも下部電極601に接して上面601Sを覆う第2の保護膜602と、第2の保護膜602に接して上面602Sを覆い膜厚方向に延在するクラック(欠陥)610を有する誘電体膜603と、誘電体膜603の主成分とは異なる絶縁体からなる第3の保護膜604と、第3の保護膜604に接して上面604Sを覆う第1の保護膜605と、第1の保護膜605に接して上面605Sを覆う上部電極606とを備え、第3の保護膜604は誘電体膜603の上面603Sに位置する平面保護膜604Aと、平面保護膜604Aの一面(下部電極側の面)に接しクラック610を埋設するように平面保護膜604Aから突き出す欠陥埋設膜604Bとを含む構成となる。
さらに詳細な構成を説明する。下部電極601は、窒化チタン(TiN)膜で構成される。下部電極601に接して上面601Sを覆うように配置される第2の保護膜602は、酸化チタン膜で構成される。第2の保護膜602の膜厚は0.4〜2.0nmの範囲が好ましく、0.5〜1.0nmの範囲がより好ましい。図10に示したように、第2の保護膜602は下部電極601の上面601Sに接する部分では連続膜を構成するが、隣接するキャパシタの間に位置する第2層間絶縁膜713上では島状に分断された構成となる。
第2の保護膜602に接して上面602Sを覆うように配置される誘電体膜603は、誘電体膜603中に少なくとも1層の不純物ドープ層603Bを有する酸化ジルコニウム膜603Aで構成される。不純物ドープ層の1層における不純物原子の面密度は1.4E+14(atoms/cm)未満が好ましく、1.0E+14(atoms/cm)以下がより好ましい。不純物原子としてはアルミニウム(Al)やシリコン(Si)などが挙げられるが、Alであることが好ましい。また、酸化ジルコニウム(ZrO)膜で構成される誘電体膜603中に含まれる不純物原子の濃度は、ジルコニウム原子数Zと不純物原子数MとのM/(Z+M)で表されるMが0.2から2%となるように構成される。なお、この不純物原子の濃度には第3の保護膜を構成するAlやSiなどの金属原子は含まない。一方、誘電体膜と第3の保護膜を合わせた時のジルコニウム原子濃度は、ジルコニウムを除く金属原子の数をM’とした場合、Z/(Z+M’)で表される原子数比で80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。上記の0.2から2%は、不純物ドープ層603Bが連続膜とならず、酸化ジルコニウム膜面内に酸化アルミニウム(AlO)分子などの不純物分子が点在している状態を意味している。以下、不純物原子としてAlを導入した場合について説明し、不純物ドープ層603BをAlドープ層603Bとする。したがって、Alドープ層603Bを挟んで上下に位置する酸化ジルコニウム膜603AはAlO分子が点在していない部分で接触しており、酸化ジルコニウム膜603Aの結晶成長は誘電体膜603の全体に渡って空間的な連続性を維持しながら同時に進行する。すなわち、Alドープ層603Bは酸化ジルコニウム膜603Aの結晶成長を阻害しない。
一方、前述の特許文献4の図−10に記載されたTZAZT構造のキャパシタにおける酸化アルミニウム膜は酸化ジルコニウム膜の結晶成長を阻害する。TZAZTは、酸化チタン膜(T)/酸化ジルコニウム膜(Z)/酸化アルミニウム膜(A)/酸化ジルコニウム膜(Z)/酸化チタン膜(T)からなる構成を意味している。特許文献4で用いられている酸化アルミニウム膜は、AlO分子が離間した状態で存在する本実施形態例のAlドープ層ではなく、AlO分子が連続膜として存在する酸化アルミニウム膜である。したがって、特許文献4に記載されたTZAZT構造のキャパシタでは、酸化アルミニウム膜を挟んで上下に位置する酸化ジルコニウム膜は酸化アルミニウム膜で完全に分断されており、結晶成長の連続性は保持できない。すなわち、特許文献4で用いられている酸化アルミニウム膜は、酸化ジルコニウム膜の結晶成長を阻害する要因となっている。したがって、TZAZT構造では高い誘電率を得ることに難点がある。
図8の説明に戻って、誘電体膜603の膜厚T1は、後述する第3の保護膜604の平面保護膜604Aの膜厚T2を含めた合計膜厚Tdを5nm以上7nm以下とすることが好ましく、さらには5.3nm以上、6nm以下とすることが好ましい。本実施形態例では、誘電体膜603の膜厚T1を5.0nmとした。
第2の保護膜602上に、厚さ5.0nmの誘電体603を配置しているので、前述のように、誘電体の成膜中にクラック610が生じている。
誘電体膜603に接して上面603Sを覆うように配置される第3の保護膜604は、酸化アルミニウム膜や酸化シリコン膜、窒化シリコン膜などの絶縁膜で構成される。第3の保護膜604は誘電体膜603の上面603S上において0.1nm以上の成膜膜厚となるように設ける。これはALD法では、通常、2サイクル以上に相当する。また、好ましくは0.2nm以上、より好ましくは0.3nm以上の成膜膜厚とする。ここでは約0.3nmとした。0.1nmより薄い膜厚では誘電体膜603に生じているクラック610を埋設する効果が十分に発揮されない。一方、平面保護膜604Aは膜厚方向の誘電率に影響するため、厚くなるとキャパシタの容量を許容値に保持することが困難となる。従って、許容範囲の容量を満たす膜厚となるようにすることが好ましい。第3の保護膜として酸化アルミニウムを形成する場合、平面保護膜604Aの膜厚として1.0nm以下、好ましくは0.6nm以下、より好ましくは0.5nm以下とする。なお、成膜膜厚と平面保護膜604Aの膜厚とは必ずしも一致したものではなく、一旦、欠陥修復に十分な膜厚まで成膜した後、平面保護膜604Aに許容される膜厚まで減じることができる。また、欠陥埋設膜604Bは欠陥(クラック等)を完全に埋設することは必須ではなく、第1の保護膜の欠陥への侵入によるリークパスの形成を阻止できる場合には、欠陥埋設膜604Bは欠陥を完全に埋設していない状態であっても良い。例えば、第1の保護膜形成用のTiプリカーサが侵入できない程度の隙間を残していても良い。
図8に示すように、第3の保護膜604は、誘電体膜603の上面603Sに接して位置する平面保護膜604Aと、平面保護膜604Aに接し、クラック610を埋設するように平面保護膜604Aの裏面から突き出す欠陥埋設膜604Bとで構成される。また、本実施形態例の第3の保護膜604は、欠陥埋設膜604Bと平面保護膜604Aは同一工程で形成され同一材料からなる絶縁膜で構成される。しかし、これに限るものではなく、後述するように、各々別の工程で形成された同一材料からなる絶縁膜で構成しても良い。さらに、各々別の工程で形成された異なる材料からなる絶縁膜で構成しても良い。
第3の保護膜604に接して上面604Sを覆うように配置される第1の保護膜605は、酸化チタン膜で構成される。第1の保護膜605の膜厚は0.4〜3.0nmの範囲が好ましく、0.5〜1.0nmの範囲がより好ましい。ここでは0.6nmとした。
第1の保護膜605に接して上面605Sを覆うように配置される上部電極606は、窒化チタン膜で構成される。上部電極606の膜厚は4nm〜10nmが好ましい。ここでは7nmとした。
上記のように、本実施形態例のキャパシタは、下部電極601、第2の保護膜602、誘電体膜603、第3の保護膜604、第1の保護膜605、上部電極606が、順次積層されて構成される。一方、単純に本実施形態例のキャパシタ構造を上下反転させた構造では、基本的に第3の保護膜604を構成する酸化アルミニウム膜などの絶縁体には誘電体膜603を構成する酸化ジルコニウム膜の結晶化や結晶粒の成長を促進する作用がない。したがって、誘電率の高い誘電体膜603を構成することが困難である。仮に、高温アニールによって酸化アルミニウム膜上の誘電体膜603を強制的に結晶化させても、その高温のアニールで発生したクラック部分に第2の保護膜602を構成する酸化チタン膜が侵入するので、リーク電流低減の効果は平面保護膜604Aの膜厚を増大しない限りは示さない。しかし、平面保護膜604Aの膜厚を増大すれば許容範囲の容量は得られない。
また、誘電体膜603上に、第3の保護膜604と第1の保護膜605を配置せずに上部電極606を配置した場合は、図1に示すように、ショート状態に陥りやすいことは容易に想像でき、実際に発明者はショートに近い不良が発生することを実験で確認している。さらに、誘電体膜603と上部電極606の間に第3の保護膜604を設けるのみの構造でも良好な特性を保持することは困難である。第1の保護膜605を設けない場合は上部電極606形成時の雰囲気(ClやHCl、H、NH等のガスを含む)で、極薄かつ非晶質の第3の保護膜604は比較的容易にエッチングされ、誘電体膜603が上部電極606形成時の雰囲気に暴露されてしまう。その結果、誘電体膜603中に図1に示すような酸素欠損1006の発生やエッチングによるダメージが発生し、リーク電流の増大を回避することが困難なキャパシタになってしまう。
(半導体装置の製造方法)
本実施形態例のキャパシタを有する半導体装置の製造方法は、第1の保護膜である酸化チタン膜を誘電体膜上に形成する前に、第3の保護膜として良質な絶縁体(酸化アルミニウムや酸化シリコン)を成膜することで、クラックやピンホールを埋設し(ALD法による気相含浸(vapor-phase infiltration))、それらの欠陥を修復(repair)した後、第1の保護膜(酸化チタン)を形成する方法を用いることに特徴がある。
以下、図11を参照して本実施形態例のキャパシタを有する半導体装置の製造方法について述べる。図11(A)〜図11(G)(図11−1,11−2)は、それぞれ、図10に対応する工程断面図である。
まず、図11(A)に示すように、半導体基板700内に第1および第2素子分離領域730、701によって囲まれる活性領域702aを形成する。次に、全面に、イオン注入法によりn型不純物を導入し、活性領域702の表面に不純物拡散層708を形成する。次に、図11(B)に示すように、半導体基板700上にマスク膜710Aを形成し、活性領域702に交差してY方向に延在するトレンチ703を形成する。さらに、その内面にゲート絶縁膜704を形成する。トレンチ703を形成することにより、活性領域702aの表面に形成された不純物拡散層708は、第1容量拡散層708a、ビット線拡散層707および第2容量拡散層708bに分割される。次に、図11(C)に示すように、ゲート絶縁膜704を覆い、トレンチ703の下部を埋設するゲート電極705を形成する。ゲート電極705はタングステンなどの金属膜を成膜した後、不純物拡散層708の底部以下までエッチバックして形成する。次に、図11(D)に示すように、ゲート電極705の上面を覆うと共に、トレンチ703の上部を埋設するキャップ絶縁膜706を形成する。次に、図11(E)に示すように、半導体基板700上の残存するマスク膜710Aに、ビット線拡散層707の上面を開口するビット線コンタクトホール710Hを形成する。ビット線コンタクトホール710Hに露出するビット線拡散層707にさらにイオン注入して第1容量拡散層708a及び第2容量拡散層708bより接合の深いビット線拡散層707aを形成する。残存するマスク膜710Aは、第1層間絶縁膜710となる。次に、図11(F)に示すように、ビット線コンタクトホール710Hを含む全面に金属膜および絶縁膜を形成する。その後、金属膜をパターニングし、X方向に延在するビット線709およびカバー絶縁膜711を形成する。次に、ビット線の側面をサイドウォール絶縁膜712で覆う。次に、図11(G)に示すように、半導体基板700上に第2層間絶縁膜713を形成した後、活性領域702a内に形成されている第1および第2容量拡散層708aおよび708bに接続する導電性の容量コンタクトプラグ714(第1および第2容量コンタクトプラグ714aおよび714b)を形成する。その後、容量コンタクトプラグ714の上面にそれぞれ電気的に接続されるようにして、キャパシタC1,C2などを形成する。
(キャパシタの製造方法)
下部電極601(TiN)は既知のCVD法またはALD法によって形成される。たとえば、TiClとNHを反応ガスとして例えば温度350℃から600℃の範囲で形成可能である。下部電極601は、型枠となる犠牲層間膜を形成した後、シリンダーホールを形成し、シリンダーホール内にTiN膜を成膜し、犠牲層間膜上のTiN膜を除去することで個々の下部電極601に分離する。その後、犠牲層間膜を除去する。なお、第2層間絶縁膜613の上面は犠牲層間膜除去に際してストッパー膜となる材料で構成される。
続いて、下部電極601上に第2の保護膜602として酸化チタン(TiO)を形成する。膜厚は0.4nmから2.0nmの範囲が好ましく、さらに好ましくは、0.5nmから1.0nmとする。形成方法としては、下部電極601をオゾン(O)などの酸化性の雰囲気で熱処理する方法や、既知のALD法などを用いることができる。
ところで、第2の保護膜602を形成する際、ALD法を用いる場合は、隣接する下部電極の間、すなわち第2層間絶縁膜713上にもTiOが形成される。TiOは半導体的に振舞い、TiOが厚いと隣接する下部電極間でリークするので、下部電極601の表面を熱酸化してある程度の厚みの酸化チタン膜を形成してから、ALD法で0.20nm以下の厚みの酸化チタン膜を形成することが好ましい。この結果、下部電極601上では、熱酸化による酸化チタン膜を下地としてALD酸化チタン膜が連続して形成されるが、第2層間絶縁膜713上では、熱酸化による酸化チタン膜が存在しないため、島状に分断された構成(602c)となる。
なお、第2の保護膜602を下部電極601の熱酸化のみで形成した場合は、言うまでもなく下部電極上にしかTiOは生成されないので、隣接するセル間でのリーク電流の問題は無い。しかし、熱酸化によってTiOを形成する場合はTiNの結晶粒界にそって酸素が拡散するのに起因して下部電極の電気抵抗が上昇しすぎて電極として弊害の発生する場合がある。
また、熱酸化のみによってTiOを形成する場合は、第2層間絶縁膜713上にTiOが存在しないので、第2層間絶縁膜713上における誘電体膜603の密着性に問題が生じ、誘電体膜603が剥がれる場合もある。
さらに、酸化ジルコニウムからなる誘電体膜603の結晶化とその結晶粒の成長を促進するには、第2の保護膜602の膜厚が0.4nm以上であることが好ましい。従って、第2の保護膜602(TiO)は、下部電極601(TiN)の熱酸化による形成と、ALD法による形成との併用によって形成するのが、より好ましい。下部電極(TiN)601の熱酸化によるTiO形成は、同一の反応室内で、ALDによるTiO形成に先立って、実施することが可能であり、その場合は工程を簡略化できる。
本実施形態例では、第2の保護膜602を形成する為に、下部電極601を250℃のOを含む雰囲気に30分暴露して、下部電極601の表面を酸化し、0.4nmのTiOを形成した後、そのまま、同一の反応室内で既知のALD法を用い、0.1nmに相当するTiO膜を追加形成した(併せて0.5nm)。
ALD法による成膜では、Tiプリカーサとして、メチルシクロペンタジエニル・トリス(ジメチルアミノ)チタニウムを用いた場合は、ALD成膜の1サイクル当たりの成膜レートは約0.1nm/サイクルなので、1〜2サイクルが好ましい。本実施形態例では、1サイクルとした。
Tiプリカーサとしては上記に限られるものではなく、他のTiプリカーサを用いても良い。その場合はALDの成膜レートに合わせて目的の膜厚になるようにALDサイクル数を調整する。
その結果、下部電極601a、601b上にはそれぞれ0.5nm程度の酸化チタンからなる第2の保護膜602a、602bと、隣接する下部電極601a、601b間を電気的に分離する第2層間絶縁膜713の上面には0.1nmの厚さに相当する酸化チタン602cが形成される。
ところで、仮にTiOを一分子とすると、計算上TiOの1分子層の厚さは約0.3nmなので、0.1nmのTiOは、実は一分子層にも満たない。従って、隣接する下部電極601a、601b間に存在する第2層間絶縁膜713と、その上に形成される誘電体膜603との間に島状の第2の保護膜602cを介在させることにより密着性を改善しつつ、隣接する下部電極601a、601b間の絶縁性を保つことが出来る。本実施形態例では、このように、実際に連続した膜になっていないような場合においても、その層が存在する場合には便宜上「膜」または「層」として扱うこととする。
次に、第2の保護膜602の上に酸化ジルコニウム(ZrO)を主成分とする誘電体膜603を形成する。成膜方法としては、特許文献3で示されるような、既知のALD法を用いることができる。本実施形態例では、Zrのプリカーサとして、シクロペンタジエニル・トリス(ジメチルアミノ)ジルコニウムを用い、プロセス温度250℃で実施した。プロセス温度は220℃から280℃が使用できる。酸化性の反応ガスとしては、例えばOを含むガスを用いることができる。
誘電体膜603の厚さは、後述する第3の保護膜の厚さを含めて5.0nm以上に設定することが好ましく、さらには5.5nm以上になることが好ましい。本実施形態例では、誘電体膜603の膜厚を5.0nmとし、第三の保護膜604(酸化アルミニウム)はトリメチルアルミニウム(TMA)を用いたALDで3サイクル(0.3nm相当)、併せて5.3nmとした。
前述の図3,4に示したように、誘電体膜603の膜厚が4nm以下の場合は、酸化ジルコニウムは非晶質、又はXRDではピークを示さないような微結晶であるが、4nmを超えて5nmに成長するまでに、結晶化と、その結晶粒の成長が進んでXRDで明確なピークを示すようになる。そしてそれに伴って誘電体膜603の体積収縮が起こり、図8に示したように、上面603Sから厚み方向に進展したクラックやピンホールなどの欠陥610が発生する。
また、誘電体膜603には、熱安定性を高め、結晶化の度合いを調整する為に、不純物としてAlやSiを不純物としてドーピングしても良い。本実施形態例では、特許文献5に示されるASB−ALD法を用いて、図8に示すようにAlドーピング層603Bを誘電体膜603の膜厚方向の4箇所に均等割りで挿入した。
この不純物の濃度は、誘電体膜603の成膜中に行うASB−ALDを用いたドーピングの回数によって制御することが出来る。例えば、本実施形態例では酸化ジルコニウム膜603Aの厚さに対して4回のAlドーピングをASB−ALD法を用いて、誘電体膜603の膜厚方向に均等割りで導入した。この時、誘電体対膜603全体として見た場合のAl/(Al+Zr)で表せるAlの濃度は、およそ2%となる。
一方、後述するように、必ずしも膜厚方向に均等割りで導入する必要は無く、膜厚方向に間隔を変化させることで、濃度を膜厚方向に変化させてもよい。
発明者らの検討によれば、誘電体膜603中に含有される不純物を平均化した不純物濃度の高い方が結晶成長が進みにくく、他が同じ条件であれば、結晶粒の成長が起こり始める膜厚は、厚いほうにシフトする傾向が認められる。また、5nmを超える同じ膜厚の酸化ジルコニウム膜であっても、成膜直後のXRDのピーク強度は不純物濃度の高いほうが小さくなる傾向がある。
例えば、膜厚7nmのZrO膜に対し、Al/(Al+Zr)で表されるAlの濃度が3%、4%、6%の場合について比較した結果では、成膜直後(as depo.)では、明らかに不純物濃度の高いほうがXRDの回折ピークが小さくなっており、結晶粒の平均粒径が不純物濃度の影響を受けていることが判る。
また、上記3つの不純物濃度で、450℃、N、6hのアニール後では、どの水準も、ほぼ同じXRDの回折ピークを示しており、結晶粒の平均粒径がほぼ揃ったことが判る。すなわち、誘電体膜603への不純物のドーピング濃度やプロファイルによって、誘電体膜603の成膜直後の結晶性や、クラック/ピンホール発生のレベルを制御することができる。
不純物の濃度を増やすことで、誘電体膜603の成膜直後には非晶質で、クラック/ピンホールの発生も抑制された状態を作り、第一の保護膜605と上部電極606を形成した後に結晶化を促進させるために比較的高温(たとえば450℃を超えるような温度)のアニールを行う方法も考えられるが、実際にこのような方法を実施すると、特許文献1と同様に誘電率が大きくならないばかりか、誘電体膜603にその時点(結晶化を促進させた時点)でクラックなどの欠陥610が発生してしまう。発生した欠陥610の表面は、ダングリングボンドを形成し、それがトラップ準位となって、高温(90〜110℃)のデバイス動作温度でリークパスを形成する。
従って、誘電体膜603の緻密化は出来るだけ第3の保護膜604を形成する前に実施し、それ以降の製造工程では出来るだけ熱負荷を掛けないようにするのが好ましい。具体的には450℃を超えないようにすることが好ましく、さらには420℃を超えないようにすることが好ましく、さらには400℃を超えないようにすることが好ましい。
また、特許文献5に開示されているように、通常のALD法やZrプリカーサとAlプリカーサの共吸着ALD法を用いて不純物ドーピングを行った場合は、Alドーピングに用いるALDの1サイクルで付着するAlの面密度が高すぎ、ZrOの結晶成長がその不純物ドーピング領域を乗り越えられなくなる。その結果、誘電体膜603は結晶化しにくくなり、誘電率も下がってしまう。
しかし、特許文献5に開示されているASB−ALD法を用いてドーピングした場合は、Alドーピングに用いるALDの1サイクルで付着するAlの面密度を従来のALD法よりも少なくすることが可能で、このような不純物ドーピング領域(ドープ層)は、ZrOの結晶化を妨げることが無く、5nm程度の成膜直後にはすでにXRDで回折ピークが確認できるほどに結晶化とその結晶粒の成長が進んだ状態になる(図5参照)。
もし、不純物濃度や、成膜条件に依って、誘電体膜603が成膜後に充分に結晶化していない場合は、酸化雰囲気による熱処理を施し、結晶化とその結晶粒の成長をさせても良い。これによって、誘電体膜603の結晶性を高め、誘電体膜603を緻密化させるとともに、制御された状態で意図的にクラックを発生させても良い。
また、誘電体膜603が結晶化している場合であっても、誘電体膜603中に残留する酸素欠損を修復する目的や、より結晶性を高めるなどの目的で必要に応じ酸化性雰囲気による熱処理を施してもよい。酸化性雰囲気での熱処理は250℃から450℃で行えるが、350℃から420℃で行うのがより好ましい。特に、Oを酸化剤として使う場合は誘電体膜603や誘電体膜に存在するクラック・ピンホールを介して下部電極601が異常に酸化されるのを防ぐ為に350℃から400℃で行うのが好ましい。
しかし、N、Ar、Heなどの不活性雰囲気や、特にHなどの還元性のガスを含む雰囲気でのアニールは誘電体膜603中に酸素欠損を誘発するので好ましくない。誘電体膜603中の酸素欠損はトラップ準位を形成し、リーク電流増大の原因になる。さらに、500℃を超える長時間の熱処理も、各層の界面で相互拡散が始まるので好ましくない。
次に、結晶化した誘電体膜603の上に、第3の保護膜604として酸化アルミニウムを既知のALD法によって成膜する。第3の保護膜604は通常のALD法を用い、ASB−ALDは使用しない。
この工程は、誘電体膜603に発生したクラックやピンホールを良質な絶縁膜で埋設することにより欠陥を修復し、後述の第1の保護膜605である酸化チタンがクラックやピンホール内に侵入するのを防ぐ目的がある。
第3の保護膜604の膜厚は、クラックやピンホールを埋設する観点からは厚いほうが良いが、例えばAlは比誘電率が9.0であり、また、SiOは比誘電率が3.9であり、比誘電率32〜38のZrOと比べて遙かに小さいので、これを厚くすると、小さなEOTを得にくくなる。従って無暗に厚くすることはできない。
この第3の保護膜604を酸化アルミニウムで形成する場合は、たとえばTMAとOを用いて220℃から400℃の範囲で行うことができる。この場合の成膜レートは、ALDの1サイクル当たり0.09nmである。
本発明者らの検討により、上記TMAとOを用いたALD法による成膜では、必要な修復レベルに応じて2〜5サイクル行えば充分な効果を発揮することが判った。これは誘電体膜603の上面603Sに形成される膜厚として0.18nm〜0.45nmに相当する。
ちなみに仮にAlを1分子とした場合、1分子層の厚さは計算上約0.35nmであり、4サイクルでおよそ1分子層の厚さとなる。
本実施形態例では、通常のALD法を用いTMAとOを反応ガスとして250℃で、3サイクル分(0.27nm相当)を成膜した。これにより、誘電体膜603の上面に形成される平面保護膜604Aと、前記平面保護膜604Aに接し前記クラック610を埋設するように前記平面保護膜604Aから突き出す欠陥埋設膜604Bとからなる第3の保護膜604が形成される。
この第3の保護膜604によるクラック、ピンホールの埋設は、すでに述べたように気相含浸として行うので、ALDシーケンスによるTMAのALD反応室への供給ステップの時間(ドーズ時間)は、通常のALD成膜よりも数倍(例えば2倍から10倍)長く設定するのが好ましい。具合的には、たとえば60秒〜600秒程度が選択される。
また、Oによる酸化ステップも、クラック・ピンホールの深部まで供給する為にTMAの供給ステップと同様、通常のALDシーケンスより長く設定するのが好ましい。酸化ステップなどの改質は、炭素不純物などが新たなリークパスとなることを抑制するために十分に行うことが肝要である。具体的には、TMAと同様に60秒〜600秒程度が選択される。本実施形態例では、TMAのドーズ時間に120秒、Oのドーズ時間に120秒を用いた。気相含浸による欠陥の修復は、すでに述べたように、誘電体膜603形成後、且つ第1の保護膜605形成の前に行うことが必要である。また、第3の保護膜(欠陥埋設膜604A)として他の絶縁体を使用する場合も同様である。
上記の修復レベルが達成された後は、通常のALD成膜のドーズ時間に戻して平面保護膜604Aを成膜することができる。また、ソースガスのパージを行わずに成膜空間中のプリカーサも酸化するとCVD条件となり1サイクルでの成膜レートを高めることもできる。つまり、欠陥埋設膜604Bと平面保護膜604Aを各々別工程で形成された同一材料からなる絶縁体で構成することができる。
本発明者らの検討によれば、この酸化アルミニウムの気相含浸は、CVD法では十分な効果を示さないことが判っており、少なくとも修復レベルが達成されるまではALD法で行う必要がある。
第3の保護膜604の成膜を誘電体膜603の成膜と同じ温度で行う場合は、同一の反応室内で連続的に行っても良く、工程の簡略化が可能である。また、第3の保護膜604の形成温度を、誘電体膜603の形成温度より高温を選択する場合は、第3の保護膜604の成膜に先立って誘電体膜603を酸化雰囲気に曝すことで、誘電体膜603成膜後に必要に応じて行う酸化雰囲気での熱処理を兼ねることが出来、やはり工程を簡略化することができる。
図12に、誘電体膜603と第3の保護膜604の成膜を連続的に行う場合のALDフローチャートを示す。まず、工程[A]は酸化ジルコニウム膜603Aの成膜ステップであり、Zrソース吸着−パージ−酸化−パージを1サイクルとして所定の膜厚となるまで繰り返す。次に工程[B]はASB−ALD法によるAlドープ層603Bの成膜ステップであり、Zrソース吸着−パージ−Alソース吸着−パージ−酸化−パージを1サイクルとしている。さらに工程[A]、工程[B]を所望回数繰り返す工程[C]により誘電体膜603が形成される。工程[C]の最終工程は、工程[B]を経ずに工程[A]を行う。続く、工程[D]は第3の保護膜604のALDステップであり、Alソース吸着−パージ−酸化−パージを1サイクルとして所望回数繰り返す。工程[B]のZrソース(Zrプリカーサ)は、Alソース(Alプリカーサ)の吸着サイトを制限しうる嵩高い基を有するもので、前述のシクロペンタジエニル・トリス(ジメチルアミノ)ジルコニウムなどが好適に使用できる。工程[A]のZrソース(Zrプリカーサ)は、特に制限されることなく、公知のZrプリカーサが使用できる。
次に、第3の保護膜604の上に、TiOからなる第1の保護膜605を形成する。第1の保護膜605は、上部電極606を形成する際に誘電体膜603と第3の保護膜604にダメージが与えられるのを抑制する働きがある。第1の保護膜605は、既知のALD法によって形成することができる。膜厚は好ましくは0.4nmから3.0nmとし、さらに好ましくは0.6nmから2.0nmとする。本実施形態例では、第1の保護膜605の成膜にALD法を用い、Tiプリカーサとして、メチルシクロペンタジエニル・トリス(ジメチルアミノ)チタニウムを、酸化剤としてOを用い、ALD成膜6サイクルで膜厚を約0.6nmとした。
次に、上部電極606であるTiNを、TiClとNHガスを用いた既知のCVD法やALD法を用いて形成する。膜厚は4nm〜10nmが好ましい。成膜温度は350℃から450℃が好ましい。450℃を超える温度では、誘電体膜603などに、さらに新たなクラックが発生する場合があり、発生したクラックの表面はダングリングボンドを形成してトラップ準位となり、高温のデバイス動作環境においてやはり微小なリークパスとなる場合がある。また、350℃より低い温度の場合は、TiN膜中に残留する塩素の濃度が高くなり、密着性に問題を引き起こす場合がある。上部電極形成後も、キャパシタに掛ける熱負荷は450℃以下とし、好ましくは420℃以下、さらに好ましくは400℃以下とする。本実施形態例では、上部電極606の形成に400℃のALD法を採用し、膜厚7nmとした。
その後、溝埋設上部電極607として、B−SiGe−Polyをジボラン、シラン、ゲルマンを反応ガスとして膜厚100nmに成膜し、さらにプレート電極608として、スパッタ法によりタングステン(W)を形成する。その後、既知のリソグラフィー技術と既知のドライエッチング技術を用いてメモリセル領域以外の領域に形成されたプレート電極608および溝埋設上部電極607を除去してキャパシタを形成した。このようにして形成されたキャパシタのEOTは0.74nmを示し、リーク電流は90℃、±1Vの印加電圧で約8fA/cell(8E−15A/cell)であった。
図13は、特許文献4に記載されたTZAZT構造のキャパシタ(背景技術)と本実施形態例のTAZT構造のキャパシタ(本発明)について、リーク電流密度J(A/セル)と等価酸化膜厚EOT(nm)の関係を比較評価した結果である。TZAZT構造とTAZT構造は同一半導体基板上に同時に製造することはできないので、各々別の半導体基板上に形成したキャパシタの評価結果を併せて示したものである。横軸に示したEOTは、立体構造のキャパシタから直接計測することが困難なので、立体構造と同時に作成した面積が既知の平坦キャパシタの容量値から算出している。縦軸に示したリーク電流密度Jは、図10に示した王冠構造のキャパシタを100万個並列に接続した一つの並列キャパシタを作製した後、リーク電流−印加電圧特性を測定し、+1Vの印加電圧におけるリーク電流値から1個当たりのリーク電流に換算したものである。リーク電流の測定は、90℃の高温で行っている。
図13から明らかなように、TZAZT構造の従来技術では、90℃の高温下において、EOTが0.75nm以下で、且つリーク電流密度が1E−14(A/セル)以下の許容範囲を満足する結果は得られない。一方、TAZTの本実施形態例では、90℃の高温下においてもEOTが0.74nmにおいて、リーク電流密度が8E−15(A/セル)の許容範囲を満足する結果が得られている。
また、図14は、図9および図10に示した2GビットのDRAMを作製し、上記と同様に本発明の技術と、背景技術を用いた場合のデータ保持時間の累積度数分布を比較したものである。いずれも、90℃の高温下における評価結果である。図14に示されるように、従来技術においては、情報保持時間(Retention Time)のスペックを満足しない不良ビットが存在しており、DRAM半導体装置としては不適当であることが示されている。一方、本発明を用いた場合は、情報保持時間のスペックを満たさないマイノリティー不良ビットをゼロにすることができ、DRAM半導体装置として良好な特性を有していることが示されている。
第2実施形態例
第1実施形態例では、図8に示したように、第3の保護膜604は平面保護膜604Aと欠陥埋設膜604Bとで構成されている。本第2実施形態例のキャパシタでは、図15に示すように、誘電体膜603の上面603Sを覆う平面保護膜604Aが存在せず、クラック(欠陥)610を埋設する欠陥埋設膜604Bのみが存在している。第1の保護膜605は誘電体膜603の上面603Sに接すると共に、欠陥埋設膜604Bの上面604BSと接する構成となっている。なお、欠陥埋設膜604Bの上面604BSは誘電体膜603の上面603Sと面一になるように示しているが、これに限定されず、上面604BSが上面603Sより僅かに後退していても良い。
したがって、本実施形態例の半導体装置は、半導体基板上に配置される下部電極601と、少なくとも下部電極601に接して上面601Sを覆う第2の保護膜602と、第2の保護膜602に接して上面602Sを覆い、膜厚方向に延在するクラック(欠陥)610を有する誘電体膜603と、前記欠陥610を埋設し絶縁膜からなる欠陥埋設膜604Bを少なくとも有する第3の保護膜604と、前記誘電体膜603および前記第3の保護膜604を覆う第1の保護膜605と、前記第1の保護膜605に接し上面605Sを覆う上部電極606とを備えるキャパシタを有する構成となっている。
本実施形態例では、欠陥610が欠陥埋設膜604Bで埋設された状態で第1の保護膜605が配置されている。したがって、第1の保護膜605が欠陥610内に形成されることがなく、第1実施形態例と同様に、高温下におけるリーク電流の増大を抑止できる。さらに、誘電体膜603の上面603Sに第3の保護膜604を構成する平面保護膜604Aが存在しないのでEOTを0.2nm程度減少させてキャパシタの容量を増加させることができる。
上記のような構成は、たとえば、第3の保護膜として酸化アルミニウムを使用した場合、ALD法で形成した直後の酸化アルミニウムは非晶質状態であり、結晶質の酸化アルミニウムに比べ、塩素を含有するガスプラズマによって容易にエッチング除去することが可能である。すなわち、誘電体膜603の上面に形成された平面保護膜604Aの厚さは、欠陥を埋設している欠陥埋設膜604Bの誘電体膜603の膜厚方向の厚さに比べて相対的に薄いので平面保護膜604Aのみを選択的に除去することができる。また、第3の保護膜として酸化シリコンや窒化シリコンを使用した場合は、SFやHF雰囲気によって容易にエッチング可能である。
第3実施形態例
第1および第2実施形態例では、誘電体膜603として、ASB−ALD法を用い誘電体膜603の膜厚方向に均等割りで不純物ドーピング層を配置した構成を用いている。本第3実施形態例では、図16に示すように、ASB−ALD法で形成する不純物ドーピング層603Bを膜厚方向に均等割り配置ではなく、誘電体膜603中に偏在させる構成を用いる。すなわち、誘電体膜603は、下部電極601の上面に配置された第2の保護膜602の上面に接し不純物を含有しない第1誘電体膜603aと、第1誘電体膜603aの上面に接し不純物を含有する第2誘電体膜603bとで構成される。また、第2誘電体膜603b中においては、不純物ドーピング層603Bは酸化ジルコニウム膜603A中の膜厚方向に均等配置されている。誘電体膜603中の欠陥は、欠陥埋設膜604Bで埋設され、第2誘電体膜603b上面には平面保護膜604Aが配置される。平面保護膜604Aの上面には第1の保護膜605が配置され、さらにその上面に上部電極606が配置される構成となる。
本実施形態においても、不純物ドーピング層603BはASB−ALD法で形成されるものであり、誘電体膜の結晶化は膜厚方向全体にわたって進行する。したがって、第1および第2実施形態例と同様に誘電体膜603の誘電率を高めながら、欠陥610を欠陥埋設膜604Bで埋設する構成とすることにより、高温下でのリーク電流の増大を抑止することができる。なお、本実施形態例では第2誘電体膜603bを上部電極606側に配置したが、これに限るものではなく、下部電極601側であっても良い。また、中央部分に偏在させても良い。第2実施形態例の図15と同様に平面保護膜604Aを除去した構成としても良い。
第4実施形態例
第3実施形態例では、ASB−ALD法で形成する不純物ドーピング層603Bを有する第2誘電体膜603bを誘電体膜603中に偏在させると共に、第2誘電体膜603b中における不純物ドーピング層603Bを第2誘電体膜603b中で膜厚方向に均等割り配置とする構成を示した。本第4実施形態では、図18に示すように、不純物ドーピング層603Aを含有する偏在誘電体膜中の不純物ドーピング層603Aを均等割りではなく、膜厚方向にさらに偏在させる構成とした。すなわち、本実施形態例のキャパシタは、下部電極601の上面に配置される第2の保護膜602の上面に接し不純物ドーピング層603Bを有する第1誘電体膜603aと、第1誘電体膜603aの上面に接し不純物を含有しない第2誘電体膜603bとで構成され、第1誘電体膜603a中に含有される不純物ドーピング層603Bは、第1誘電体膜603a中において膜厚方向に均等割りではなく、配置間隔が膜厚方向に異なっている構成となっている。その他の構成は前述の実施形態例と同じである。本実施形態例の構成は、第2実施形態例の図15と同様に平面保護膜604Aを除去した構成としても良い。
第5実施形態例
第1から第4実施形態例では誘電体膜603中にASB−ALD法で形成する不純物ドーピング層603Bが少なくとも含有される構成となっている。本実施形態例では、図18に示すように、誘電体膜603中に不純物ドーピング層を有しない構成とする。すなわち、本第5実施形態では、酸化ジルコニウム膜603Aの単層からなる誘電体膜603中に発生する欠陥610を埋設する欠陥埋設膜604Bを形成することにより、誘電体膜603の上面にも同一材料からなる平面保護膜604Aが形成される。前述のように、平面保護膜604Aは通常のALD法で形成され連続膜として存在する。したがって、リーク電流の増大を抑止するという観点では、この平面保護膜604Aを誘電体膜603中に配置する不純物ドーピング層603Bの代役として機能させることができる。この場合、平面保護膜604Aとしては酸化アルミニウム膜が好ましく、欠陥埋設膜604Bとして酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を形成した場合、第2実施形態例に示したように誘電体膜表面のこれらの膜を除去してから、別途酸化アルミニウム膜を平面保護膜604Aとして形成することができる。このように平面保護膜604Aと欠陥埋設膜604Bとを別材料とすることもできる。例えば、欠陥埋設膜604Bとして酸化シリコン膜を形成する場合、反応ガスとしてトリスジメチルアミノシラン(SiH(MeN))やジクロロシラン(SiHCl)とオゾン(O)とを用いたALD法によって、プロセス温度300℃〜400℃(ジクロロシランの場合は350℃〜400℃)で0.1nm以上の膜厚に形成した後、SFやHF雰囲気で誘電体膜603表面の酸化シリコン膜を除去し、その後、ALD法により酸化アルミニウム膜の平面保護膜604Aを0.1〜1.0nmの範囲で形成することができる。上記のSiプリカーサはアンモニア(NH)などの窒化ガスで改質して窒化シリコン膜とすることができる。前述の実施形態例と同様に、誘電体膜603中の欠陥610は欠陥埋設膜604Bで埋設されているので欠陥610内に第1の保護膜605が形成されることはない。これにより、高温下におけるリーク電流の増大を抑止すると共に、欠陥が存在しない部分の誘電体膜603全体のリーク電流は平面保護膜604Aで増大を阻止することができる。
また、以上の説明ではキャパシタの上下電極として窒化チタン(TiN)を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、高容量キャパシタとして有用なMIM容量を形成し得る他の金属材料、特にさらに仕事関数の大きい、例えばPt,Ru,RuOなどの5.1eV以上の高い仕事関数を示す材料を用いることができる。実施形態例で示したシリンダー型(王冠型)の下部電極には段差被覆性に優れたCVD法で形成できるTiNを用いることが好ましい。
601、601a,b.下部電極
601S.下部電極上面
602、602a〜c.第2の保護膜
602S.第2の保護膜上面
603.誘電体膜
603A.酸化ジルコニウム膜
603B.不純物(Al)ドープ層
603a.第1の誘電体膜
603b.第2の誘電体膜
603S.誘電体膜上面
604.第3の保護膜
604A.平面保護膜
604B.欠陥埋設膜
604S.第3の保護膜上面
604BS.欠陥埋設膜上面
605.第1の保護膜
605S.第1の保護膜上面
606.上部電極
607.溝埋設上部電極
608.プレート電極
700.半導体基板
701.第2素子分離領域
702,702a,b.活性領域
703.トレンチ
704.ゲート絶縁膜
705.ゲート電極
706.キャップ絶縁膜
707、707a.ビット線拡散層
708.不純物拡散層
708a.第1容量拡散層
708b.第2容量拡散層
709.ビット線
710.第1層間絶縁膜
710a.マスク膜
710H.ビット線コンタクトホール
711.カバー絶縁膜
712.サイドウォール絶縁膜
713.第2層間絶縁膜
714.容量コンタクトプラグ
714a.第1容量コンタクトプラグ
714b.第2容量コンタクトプラグ
730.第1素子分離領域

Claims (37)

  1. 半導体基板上に配置される下部電極と、
    少なくとも前記下部電極の表面を覆う第2の保護膜と、
    前記第2の保護膜の表面を覆い、前記第2の保護膜に対向する上面から膜厚方向に進展した欠陥を有する誘電体膜と、
    前記欠陥を埋設し、前記誘電体膜の主成分とは異なる絶縁体からなる欠陥埋設膜を少なくとも有する第3の保護膜と、
    前記誘電体膜および前記第3の保護膜を覆う第1の保護膜と、
    前記第1の保護膜を覆う上部電極と、
    を備えるキャパシタを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第3の保護膜は、前記欠陥埋設膜と、前記誘電体膜の前記上面を覆う平面保護膜とを含む請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記欠陥埋設膜と前記平面保護膜は同一の材料で構成される請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記欠陥埋設膜が、酸化アルミニウム、酸化シリコン及び窒化シリコンのいずれかから選択される絶縁体である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記第1および第2の保護膜は酸化チタンを主成分とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記第1の保護膜は0.4〜3.0nmの範囲の厚みを有し、前記第2の保護膜は0.4〜2.0nmの範囲の厚みを有する請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記誘電体膜は、酸化ジルコニウムを主成分とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記酸化ジルコニウムを主成分とする誘電体膜は、ジルコニウム原子数Zと不純物原子数MとのM/(Z+M)で表されるMが2%以下である、請求項7に記載の半導体装置。
  9. 前記不純物は、酸化ジルコニウム中に、面密度1.4E+14(atoms/cm)未満でドープされた1層以上の不純物ドープ層に存在する請求項8に記載の半導体装置。
  10. 前記酸化ジルコニウムを主成分とする誘電体膜が、前記第2の保護膜に接し、不純物を添加されていない酸化ジルコニウム膜からなる4nm以下の第1の誘電体膜上に、不純物が面方向に添加された酸化ジルコニウム膜からなる第2の誘電体膜を積層した構造であり、前記第1の誘電体膜と第2の誘電体膜と第3の保護膜の合計の厚さが5nm以上、7nm以下であることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
  11. 前記酸化ジルコニウムを主成分とする誘電体膜が、前記第2の保護膜に接し、不純物が面方向に不均一な間隔で複数層添加された酸化ジルコニウム膜からなる第1の誘電体膜上に、不純物が添加されていない酸化ジルコニウム膜からなる4nm以下の第2の誘電体膜を積層した構造であり、前記第1の誘電体膜と第2の誘電体膜と第3の保護膜の合計の厚さが5nm以上、7nm以下であることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
  12. 前記欠陥は、前記第2の誘電体膜を貫通し、前記第1の誘電体膜の少なくとも一部まで進展したものである請求項10又は11に記載の半導体装置。
  13. 前記キャパシタは、前記誘電体膜及び第3の保護膜を合わせた等価酸化膜厚EOTが0.75nm以下であり、且つ90℃におけるリーク電流密度が1E−14(A/セル)以下である請求項1乃至12のいずれか1項に記載の半導体装置。
  14. キャパシタを有する半導体装置であって、前記キャパシタが、
    半導体基板に接続されるようにして設けられた、窒化チタンを主成分とする下部電極と、
    前記下部電極に接するようにして設けられた、酸化チタンを主成分とする第2の保護膜と、
    前記第2の保護膜に接するようにして設けられ、かつ結晶化した酸化ジルコニウムを主成分とし、前記第2の保護膜に対向する上面から膜厚方向に進展する欠陥を有する誘電体膜と、
    前記誘電体膜中の欠陥を埋設し、結晶化してない絶縁体からなる欠陥埋設膜を有する第3の保護膜と、
    前記誘電体膜を覆い、前記第3の保護膜に接するようにして設けられた酸化チタンを主成分とする第1の保護膜と、
    前記第1の保護膜に接するようにして設けられた窒化チタンを主成分とする上部電極とを
    少なくとも含んで構成されることを特徴とする半導体装置。
  15. 前記欠陥埋設膜が、酸化アルミニウム、酸化シリコン及び窒化シリコンのいずれかから選択される絶縁体であることを特徴とする請求項14記載の半導体装置。
  16. 前記誘電体膜中に、ジルコニウムとは異なる金属不純物を面方向に含む不純物ドープ層を1層以上有することを特徴とする請求項14又は15に記載の半導体装置。
  17. 前記誘電体膜が、前記不純物ドープ層を含まない第一の誘電体膜と、前記不純物ドープ層を含む第二の誘電体膜から構成されることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。
  18. 前記第3の保護膜が、前記誘電体膜と前記第1の保護膜との間に膜厚0.1nmから1.0nmの範囲の酸化アルミニウムからなる平面保護膜を含むことを特徴とする請求項14乃至17のいずれか1項に記載の半導体装置。
  19. 前記第1の保護膜は0.4〜3.0nmの範囲の厚みを有し、前記第2の保護膜は0.4〜2.0nmの範囲の厚みを有する請求項14乃至18のいずれか1項に記載の半導体装置。
  20. 前記誘電体膜と前記第3の保護膜の膜厚の合計が、5.0nm以上7.0nm以下であることを特徴とする請求項14乃至19のいずれか1項に記載の半導体装置。
  21. キャパシタを備える半導体装置の製造方法であって、
    前記キャパシタの形成方法が、
    半導体基板上に窒化チタンを主成分とする下部電極を形成する工程と、
    前記下部電極上に酸化チタンを主成分とする第2の保護膜を形成する工程と、
    前記第2の保護膜上に結晶化した酸化ジルコニウムを主成分とする誘電体膜を形成する工程と、
    前記誘電体膜に第3の保護膜として絶縁体を気相含浸する工程と、
    前記気相含浸する工程に続いて、酸化チタンを主成分とする第1の保護膜を形成する工程と、
    前記第1の保護膜上に窒化チタンを主成分とする上部電極を形成する工程を、
    少なくとも含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  22. 前記誘電体膜に前記第3の保護膜として絶縁体を気相含浸する工程は、前記誘電体膜の上面から膜厚方向に進展した欠陥部を埋める前記絶縁体からなる欠陥埋設膜を形成する工程と、前記誘電体膜上面に前記絶縁体からなる平面保護膜を堆積する工程とを含むことを特徴とする請求項21に記載の半導体装置の製造方法。
  23. 前記第1の保護膜を形成する前に、前記誘電体膜表面上の前記平面保護膜を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項22に記載の半導体装置の製造方法。
  24. 前記酸化チタンを主成分とする第2の保護膜を形成する工程は、前記窒化チタンを主成分とする下部電極の表面を酸化する工程と、ALD法によって酸化チタンを形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする請求項21乃至23のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  25. 前記酸化ジルコニウムを主成分とする誘電体膜を形成する工程は、酸化ジルコニウム膜中に面密度1.4E+14(atoms/cm)未満でドープされた1層以上の不純物ドープ層を形成する工程を含む、請求項21乃至24のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  26. 前記不純物ドープ層は、前記誘電体膜中でのジルコニウム原子数Zと不純物金属原子数MとのM/(Z+M)で表されるM濃度が2%以下となる範囲で複数層形成される請求項25に記載の半導体装置の製造方法。
  27. 前記不純物ドープ層は、ジルコニウムプリカーサとしてシクロペンタジエニル・トリス(ジメチルアミノ)ジルコニウム又はメチルシクロペンタジエニル・トリス(ジメチルアミノ)ジルコニウムを含む第1のソースガスを供給し、前記ジルコニウムプリカーサを吸着する第1の吸着ステップと、前記第1のソースガスを排気する第1のパージステップと、前記不純物金属原子を含むプリカーサを含む第2のソースガスを供給し、前記ジルコニウムプリカーサによって制限された吸着サイトに前記不純物金属原子を含むプリカーサを吸着させる第2の吸着ステップと、前記第2のソースガスを排気する第2のパージステップを、前記吸着するジルコニウムプリカーサと前記不純物金属原子を含むプリカーサを酸化するステップとを含むALDサイクルによって形成される請求項26に記載の半導体装置の製造方法。
  28. 前記酸化ジルコニウムを主成分とする誘電体膜を形成する工程は、4nm以下の不純物を添加されていない第1の誘電体膜と、不純物を添加された第2の誘電体膜を、この順で積層する工程を含み、前記第1の誘電体膜と前記第2の誘電体膜と前記第3の保護膜の合計の厚さが5nm以上、7nm以下とすることを特徴とする請求項25乃至27のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  29. 前記誘電体膜を形成後、第3の保護膜を形成する前に、前記誘電体膜を酸化性の雰囲気で220℃から450℃の範囲から選択される温度で熱処理する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項21乃至28のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  30. 前記誘電体膜に前記第3の保護膜として絶縁体を気相含浸する工程は、原子層堆積法(ALD法)によって実施されることを特徴とする、請求項21乃至28のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  31. 前記ALD法で実施される気相含浸は、少なくとも前記欠陥埋設膜を形成する間、反応ガスのドーズ時間を60秒〜600秒とすることを特徴とする請求項30に記載の半導体装置の製造方法。
  32. 前記第3の保護膜として前記誘電体膜に気相含浸される絶縁体の主成分が、酸化アルミニウムであることを特徴とする、請求項30又は31に記載の半導体装置の製造方法。
  33. 前記酸化アルミニウムが、反応ガスとしてトリメチルアルミニウムとオゾンを用いたALD法によって、プロセス温度220℃〜400℃で形成されることを特徴とする請求項32記載の半導体装置の製造方法。
  34. 前記第3の保護膜として前記誘電体膜に気相含浸される絶縁体の主成分が、酸化シリコンであることを特徴とする、請求項30又は31に記載の半導体装置の製造方法。
  35. 前記酸化シリコンが、反応ガスとしてトリスジメチルアミノシランとオゾンを用いたALD法によって、プロセス温度300℃〜400℃で形成されることを特徴とする請求項34記載の半導体装置の製造方法。
  36. 前記酸化シリコンが、反応ガスとしてジクロロシランとオゾンを用いたALD法によって、プロセス温度350℃〜400℃で形成されることを特徴とする請求項34記載の半導体装置の製造方法。
  37. 前記酸化チタンを主成分とする第1の保護膜を形成する工程の前に、前記誘電体膜を酸化性の雰囲気において220℃から450℃の範囲で選択される温度で熱処理する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項21乃至36のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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