JP2014502783A

JP2014502783A - 水素障壁で封止された強誘電性キャパシタ

Info

Publication number: JP2014502783A
Application number: JP2013543142A
Authority: JP
Inventors: ジェイアガワルラジニ; アールサマーフェルトスコット; バハルバシムグル; エスモイーズテッド
Original assignee: 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社; テキサスインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2014-02-03
Also published as: CN103250251A; WO2012078162A1

Abstract

強誘電性キャパシタ、下側水素障壁（２０２０）、及び上側水素障壁層（２３３８）を含む集積回路。強誘電性キャパシタ、下側水素障壁（２０２０）、及び上側水素障壁層（２３３８）を含む集積回路を形成するための方法。

Description

本願は集積回路の分野に関し、更に特定して言えば、水素劣化から強誘電性キャパシタを保護することに関連する。

（先行技術の）集積回路の一部を図示する。（先行技術の）集積回路の一部を図示する。集積回路の一部を図示する。集積回路の一部を図示する。

一実施例に従った集積回路プロセス・フローにおける工程を図示する。一実施例に従った集積回路プロセス・フローにおける工程を図示する。一実施例に従った集積回路プロセス・フローにおける工程を図示する。一実施例に従った集積回路プロセス・フローにおける工程を図示する。一実施例に従った集積回路プロセス・フローにおける工程を図示する。

別の実施例に従った水素放出薄膜の付加を図示する。別の実施例に従った水素放出薄膜の付加を図示する。

添付の図面を参照して例示の実施例を説明し、これらの図面において、同様の又は同等の要素は複数の図面にわたって同じ参照符号で示している。これらの図面は一定の縮尺で描いてはおらず、単に例示の実施例を説明するためのものに過ぎない。例証のため、例となる幾つかの応用例を参照して幾つかの側面を説明する。これらの例示の実施例をよく理解するために、多数の特定の細目、関連性、及び方法を記載していることを理解されたい。しかし、当業者であれば、これらの例示の実施例は、１つ又は複数の特定の詳細な細目なしに又は他の方法を用いて、実施され得ることが容易に理解されるであろう。他の例では、これらの実施例を曖昧にすること避けるため、周知の構造又はオペレーションは詳細には示していない。これらの例示の実施例は、図示した行為又は事象の順序に限定されず、幾つかの行為は、異なる順序で及び／又は他の行為／事象と同時に成されてもよい。また、これらの例示の実施例に従った手法を実装するために、図示した行為又は事象全てが必要とされるわけではない。

強誘電性キャパシタ（ＦｅＣａｐ）は、強誘電体（ＦＲＡＭ）メモリ、高ｋキャパシタ、圧電性デバイス、及び焦電性デバイスなどのデバイス内に不揮発性メモリを提供する集積回路においてよく用いられる。強誘電性キャパシタの構築は、集積回路のトランジスタ部分の形成後（例えば、「フロントエンド」処理後）であり、集積回路のメタライゼーション又は相互接続部分の形成前（例えば、「バックエンド」処理前）に、ＣＭＯＳプロセス・フローに実装され得る。

多くのＣＭＯＳバックエンド処理工程は水素の利用を含む。例えば、トレンチ・エッチ・ストップ層の形成、エッチング洗浄、及び銅焼結（例えば、過熱）において水素を用いる可能性がある。これらの処理工程の間、水素は、強誘電性キャパシタ材料内に拡散して、そのデバイスの電気的特性の劣化（ＦＲＡＭメモリ・セルの反転分極（switched polarization）劣化など）を引き起こし得る。水素による劣化からＦｅＣａｐを保護するため、ＦｅＣａｐの底部プレートを形成するために電気的導電性水素障壁層を用いることができ、さらに、そのＦｅＣａｐの上に水素障壁薄膜を堆積してもよい。

「ＦｅＣａｐ」という用語は強誘電性キャパシタを指す。ＦｅＣａｐの強誘電性誘電体は、（これに限定されないが）ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）で構成され得る。

「ＦｅＣａｐ領域」という用語は、２つ又はそれ以上のＦｅＣａｐを有するＦｅＣａｐのアレイを指す。

図１Ａ及び図１Ｂは、従来の手段１０００を用いた水素劣化から保護する水素障壁でのＦｅＣａｐの封止を、本実施例の完全に封止した実施例１１００と比較する。

図１ＡにおいてＦｅＣａｐ１０２２を含む集積回路１０００が、ＳＴＩ（shallow trench
isolation）領域１００４、トランジスタ・ゲート１０１２、トランジスタ・ゲート誘電体１００８、及びトランジスタ・ソース及びドレイン１００６（シリサイド化した１０１０であってもよい）を含む基板１００２上に形成される。集積回路１０００は更に、第１のプリメタル誘電体（pre-metal dielectric）（ＰＭＤ）層１０１４、コンタクト１０１６、ＦｅＣａｐ１０２２、及び水素障壁薄膜１０２６を含む。水素障壁薄膜１０２６は、ＦｅＣａｐ１０２２の上に堆積されており、水素劣化からＦｅＣａｐの誘電体を保護する。

プリメタル誘電体（ＰＭＤ−２）層１０３２が、ＦｅＣａｐ１０２２を含んで基板１００２の上に堆積される。第２のコンタクト１０３０がＰＭＤ−２層１０３２内に形成されて、ＦｅＣａｐ１０２２の頂部プレート１０２４へ、更に、トランジスタ・ソース及びドレイン１００６へのコンタクトを成す。第１のレベルの金属間誘電体（inter-metal dielectric）ＩＭＤ−１１０３６内に第１のレベルの金属相互接続（ｍｅｔ−１）１０３４が形成され、更に、第２のレベルの金属間誘電体ＩＭＤ−２１０３８内に第２のレベルの金属相互接続（ｍｅｔ−２）１０４２及びｍｅｔ−２レベル用のバイア（ｖｉａ−２）１０４０が形成される。なお、上記より少ない或いは多いレベルの金属相互接続及び誘電体パッシベーションを用いて、集積回路１０００を完成させることもできることに注意されたい。

ＦｅＣａｐ１０２２の拡大図を図１Ｂに示す。ＦｅＣａｐ１０２２の底部プレート１０４６は、これらに限定されないが、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、又はＴｉＡｌＯＮなどの導電性水素障壁材料で構成され得る。底部プレート１０４６として水素障壁材料を、及びＦｅＣａｐを覆う水素障壁薄膜１０２６を備えていても、水素は、底部プレート１０４６と水素障壁層１０２６の間にできる継ぎ目１０４８を介して拡散し得る。継ぎ目１０４８を介して拡散した水素は、ＦｅＣａｐの電気的特性を劣化させ得る。

図１Ｃの集積回路構造１１００が一実施例に従って形成され、この集積回路構造１１００は、図１Ｄに示すような差し込み図で示すように、底部プレート１１４６と上側（overlying）水素障壁層１１２６の間の継ぎ目１１４８を介する水素拡散を防ぐ。本実施例に従って、集積回路１１００の上に下側（underlying）水素障壁１１２０が堆積されている。ＦｅＣａｐ領域１００１内のＦｅＣａｐ１１５０の下に下側水素障壁１１２０があることで、図１Ｄに示すように、継ぎ目１１４８を介する水素の拡散を防止することができる。

本実施例の一実施例に従って集積回路を形成するための製造方法を図２Ａ〜図２Ｄに図示する。図２Ａに示す部分的に処理された集積回路２０００は、基板２００２上に構築され、ＳＴＩ２００４、トランジスタ・ゲート誘電体２００８、トランジスタ・ゲート２０１２、トランジスタ・ソース及びドレイン２００６、シリサイド化したソース及びドレイン拡散２０１０、シリサイド化したゲート２０１４、及びＰＭＤ２０１６を含む。ＰＭＤ２０１６上に下側水素障壁２０２０が堆積されている。この下側水素障壁は、ＬＰＣＶＤＳｉＮ、低水素ＰＥＣＶＤＳｉＮ（「ＵＶＳｉｎ」として知られている）、ＡｌＯｘ、ＡｌＯＮｘ、ＳｉＮｘ、及びＳｉＮｘＨｙなど、１つ又は複数の誘電性薄膜から形成され得る。図２Ａに示す例示の実施例において、下側水素障壁層２０２０はＳｉＮｘＨｙである。ＳｉＮｘＨｙ薄膜は典型的に、Ｓｉ−Ｈ及びＮ−Ｈ結合形式の水素を含有する。下側水素障壁ＳｉＮｘＨｙ薄膜２０２０の１つの例示のプロセスは、比較的高い窒素（Ｎ_２）ガス・フロー及び比較的低いアンモニア（ＮＨ_３）フローでのプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）を用いた低Ｓｉ−Ｈ結合材料の形成である。この例示のプロセスを表１で下記に示す。なお、この例示の実施例のＳｉＮｘＨｙ下側水素障壁を生成するために、高密度プラズマ（ＨＤＰ）など代替のプロセスを用いることができることに注意されたい。

図２Ａに図示するように、ＰＭＤ２０１６内の電気的コンタクト形成前にＰＭＤ２０１６がエッチングされる位置を露出するように、集積回路２０００の上にフォトレジスト・コンタクト・パターン２０２１が形成される。図２Ｂは、任意の周知の処理手法を用いて、ＰＭＤ２０１６及び下側水素障壁ＳｉＮｘＨｙ薄膜２０２０を介してコンタクト２０１８が形成された後の集積回路２１００を示す。

図２Ｃは、ＦｅＣａｐ２２３６の形成における例示の工程を示す。底部２２２４及び頂部２２３２キャパシタ・プレートを含むＦｅＣａｐ２２３６を形成するように堆積される層は、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、又はＴｉＡｌＯＮなどの導電性水素障壁材料から形成される。ＦｅＣａｐ２２３６は更に、Ｐｔ、Ｐｄ、ＰｄＯｘ、ＩｒＰｔ合金、Ａｕ、Ｒｕ、ＲｕＯｘ、（Ｂａ、Ｓｒ、ＰＢ）ＲｕＯ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＲｕＯ３、又はＬａＮｉＯ３などの導電性材料から形成される、頂部２２３０及び底部２２２６キャパシタ電極を含む。また、ＦｅＣａｐ２２３６は、（これに限定されないが）ＰＺＴなどの強誘電性誘電体材料２２２８を含む。図２Ｄに示すように、ＦｅＣａｐ薄膜２２３２、２２３０、２２２８、２２２６、２２２４をエッチングする準備において、集積回路２２００の上にＦｅＣａｐフォトレジスト・パターン２２３３が形成されて、ＦｅＣａｐ領域２００１内にＦｅＣａｐ２２３６を形成する。

図２Ｄは、下側水素障壁２０２０をエッチ・ストップとして用いてＦｅＣａｐ２２３６がエッチングされた後の集積回路２３００を示す。次に、ＦｅＣａｐ２２３６の頂部上に上側水素拡散障壁層２３３８が堆積されて、水素障壁材料でＦｅＣａｐ２２３６を完全に封止する。上側水素障壁層２３３８は、ＡｌＯｘ、ＡｌＯＮｘ、ＳｉＮｘ、又はＳｉＮｘＨｙなど、１つ又は複数の水素障壁薄膜で構成され得る。図２Ｄにおいて、上側水素障壁層２３３８は１つの層として示されているが、１つ又は複数の水素障壁層で構成されてもよい。

米国特許公報番号２０１０／０２２４９６１Ａ１に記載されるように、水素障壁薄膜２０２０及び２３３８がパターニングされ、周辺論理領域２００３（図２Ｅ参照）にあるトランジスタの上からエッチングされて、周辺論理領域２００３の本回路内の界面準位（interface states）の水素パッシベーションを可能にし、それによりトランジスタ閾値電圧（Ｖｔ）分布を狭めるようにし得る。
米国特許公報番号２０１０／０２２４９６１Ａ１

別の例示の実施例において、上側水素障壁層２３３８は、２枚の水素拡散障壁薄膜で構成され得る。第１の上側水素障壁薄膜は、物理気相成長（ＰＶＤ）又は原子層蒸着（ＡＬＤ）を用いて堆積され得る、窒化されたアルミニウム酸化物（ＡｌＯＮｘ）であり得る。水素障壁特性を向上させるためのＡｌＯｘの窒化は、ＡｌＯｘを窒素含有プラズマにさらすことにより、又はＡｌＯｘを窒素含有雰囲気内で約４００度でアニールすることによって成され得る。第２の上側水素障壁薄膜は、表１に示した下側水素障壁層と同じＰＥＣＶＤプロセスを用いて形成されるＳｉＮｘＨｙであり得る。

図２Ｅは、ＰＭＤの第２の層２４４４及び第２のコンタクト２４４６（これらは、上側水素障壁層２３３８をエッチ・ストップとして用いることを含むプロセスによって形成され得る）を付加する、付加的な処理後の集積回路２４００を示す。集積回路２４００を完成させるために更なる相互接続層及びパッシベーションがこの後に付加されてもよい。

別の実施例を図３Ａ及び３Ｂに図示する。封止する水素障壁層間の継ぎ目を介して拡散し得る水素からＦｅＣａｐを保護する下側水素障壁層３０２０は更に、水素が界面３０５８まで拡散することにより界面準位をパッシベーションすることも防止し得る。界面準位の不適切な水素パッシベーションは、ＣＭＯＳトランジスタＶｔ分布を広げ、Ｖｔを不安定にし、アナログ・トランジスタ特性を劣化させるため、製造歩留まりを低減させ得る。

２０１０年１２月９日に出願されたＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／＿＿＿、発明の名称、集積回路の水素パッシベーション（Hydrogen Passivation
of Intergrated Circuits）（２０１０年９月２４日に出願された米国出願番号第１２／８９０，１３７号に対応する）に記載されたように、水素放出薄膜３０２２が、集積回路３０００内の下側水素障壁薄膜３０２０の下に形成され得る。水素放出層３０２２は、高濃度のＳｉ−Ｈ結合を備えたＳｉＮｘＨｙ薄膜３０２２を形成するために、下記表２に示すものなどのプロセス条件下のＨＤＰを用いて堆積される、ＳｉＮｘＨｙ薄膜であり得る。
米国出願番号第１２／８９０，１３７号

一般に、Ｓｉ−Ｈ結合は、Ｎ−Ｈ結合（例えば、約４．０５ｅＶ）より結合エネルギーが低い（例えば、約３．３４ｅＶ）。従って、Ｓｉ−Ｈ結合は、熱処理工程（通常水素を放出する銅アニールなど）の間に解離し易い。バックエンド熱工程（銅アニールなど）の間、水素が、この水素放出薄膜３０２２から放出され得、界面３０５８内に拡散し、その後、界面準位及び結晶欠陥をパッシベーションし得る。しかし、本実施例の下側水素障壁３０２０は、この放出された水素が上方へ拡散してＦｅＣａｐを劣化させることを防止し得る。水素放出薄膜３０２２の頂部上に配置される下側水素障壁薄膜３０２０は、水素がその界面から離れて拡散しないようにすることにより、パッシベーションの劣化も防止し得る。

図３Ａ及び図３Ｂの水素放出薄膜３０２２の代わりに、界面準位及び結晶欠陥のパッシベーションに重水素放出薄膜を用いることもできる。重水素は水素より高価であるが、重水素パッシベーションされた界面準位の重水素−シリコン結合は、水素パッシベーションされた界面準位の水素−シリコン結合より強い。従って、重水素パッシベーションされたウエハ上のトランジスタのＶｔは典型的に、水素パッシベーションされたウエハ上のトランジスタのＶｔに比べ、経時的に一層安定的である。水素放出薄膜と同様に、重水素放出薄膜内の重水素は、大部分はシリコンに結合される（Ｓｉ−Ｄ）。Ｓｉ−Ｄ結合は窒素−重水素（Ｎ−Ｄ）結合よりも低エネルギーであるため、Ｓｉ−Ｄ結合は、高温度アニール間に解離し得、それにより、界面準位のパッシベーションに重水素原子を提供する。

フォトレジストがＳｉＮｘＨｙ下側水素障壁３０２０と接触しないように、下側水素障壁３０２０頂部上に任意の酸化物キャップ層３０２４を堆積してもよい。ＳｉＮｘＨｙ薄膜がＮＨ_３を用いて形成される場合（上記表１参照）、残留ＮＨ_３が薄膜内に残り得、コンタクト・フォトレジスト３０２６と反応し得、これにより、コンタクト・フォトレジスト３０２６が成長し難くなり、更に、後の製造プロセスにおいて取り外し難くなる。図３Ａに示す実施例において、コンタクト・フォトレジスト３０２６は、任意の酸化物キャップ層上に形成される。

図３Ｂは、第１のコンタクト３０１８が形成され、かつ、コンタクト・フォトレジスト・パターン３０２６が取り除かれた後の集積回路３１００を示す。更に図示されているのは、ＦｅＣａｐ３１３６、ＰＭＤ−２３４４４、及び第２のコンタクト３４４６である。この集積回路を完成させるために他の相互接続及び誘電体層を付加する付加的な処理が実行されてもよい。

本発明の種々の実施例をこれまで説明してきたが、これらの実施例は単に例示のためであり、これらに制限するものではないことを理解されたい。本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書における開示に従って、本明細書に開示した実施例に種々の変更が成され得る。

Claims

集積回路であって、
強誘電性キャパシタ、
前記強誘電性キャパシタの底面に結合される下側水素障壁、及び
前記下側水素障壁の上部表面の一部に接する上側水素障壁層、
を含む、集積回路。
請求項１に記載の集積回路であって、前記上側水素障壁層が、前記強誘電性キャパシタの側面及び上部表面にも結合される、集積回路。
請求項１に記載の集積回路であって、前記下側水素障壁が前記集積回路のプリメタル（pre-metal）誘電体層に接する、集積回路。
請求項１に記載の集積回路であって、前記下側水素障壁が、ＡｌＯ、ＡｌＯＮ、ＳｉＮｘ、ＳｉＮｘＨｙ、及びそれらの任意の組合せから成るグループから選択される、集積回路。
請求項１に記載の集積回路であって、前記上側水素障壁層が、窒化されたＡｌＯ薄膜及びＳｉＮｘＨｙ薄膜から構成される、集積回路。
請求項１に記載の集積回路であって、前記上側水素障壁層がＳｉＮｘＨｙ薄膜である、集積回路。
請求項１に記載の集積回路であって、前記下側水素障壁が前記強誘電性キャパシタの底部プレートに接し、前記上側水素障壁層が前記強誘電性キャパシタの頂部プレートに接する、集積回路。
請求項１に記載の集積回路であって、前記下側水素障壁の底面に結合される水素放出薄膜を更に含む、集積回路。
請求項８に記載の集積回路であって、前記水素放出薄膜が前記下側水素障壁の前記底面に接する、集積回路。
請求項８に記載の集積回路であって、前記下側水素障壁と前記強誘電性キャパシタの前記底面との間に酸化物キャップ層が結合される、集積回路。
請求項１０に記載の集積回路であって、前記酸化物キャップ層が前記強誘電性キャパシタの底部プレートに接し、前記上側水素障壁層が前記強誘電性キャパシタの頂部プレートに接する、集積回路。
請求項８に記載の集積回路であって、前記下側水素障壁が、ＡｌＯ、ＡｌＯＮ、ＳｉＮｘ、ＳｉＮｘＨｙ、及びそれらの任意の組合せから成るグループから選択される、集積回路。
請求項８に記載の集積回路であって、前記水素放出薄膜が、Ｎ−Ｈ結合より高濃度のＳｉ−Ｈ結合のＳｉＮｘＨｙを含む、集積回路。
請求項１に記載の集積回路であって、前記下側水素障壁の底面に結合される重水素放出薄膜を更に含む、集積回路。
請求項１４に記載の集積回路であって、前記下側水素障壁と前記強誘電性キャパシタの前記底面との間に酸化物キャップ層が結合される、集積回路。
請求項１４に記載の集積回路であって、前記重水素放出薄膜が、Ｎ−Ｄ結合より高濃度のＳｉ−Ｄ結合のＳｉＮｘＤｙを含む、集積回路。
集積回路を形成するプロセスであって、
プリメタル誘電体層を有する、部分的に処理された集積回路を提供する工程、
前記プリメタル誘電体層上に下側水素障壁を堆積する工程、及び、
前記下側水素障壁の上に強誘電性キャパシタを形成する工程、
を含む、プロセス。
請求項１７に記載のプロセスであって、強誘電性キャパシタを形成する前記工程の前に、前記下側水素障壁の上に酸化物キャップ層を堆積する工程を更に含む、プロセス。
請求項１７に記載のプロセスであって、前記下側水素障壁を堆積する工程の前に、水素放出薄膜及び重水素放出薄膜の少なくとも一方を堆積する工程を更に含む、プロセス。
請求項１７に記載のプロセスであって、強誘電性キャパシタを形成する前記工程に続いて、前記集積回路上に上側水素障壁層を堆積する工程を更に含む、プロセス。