JP2015050241A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】容量セル60は、層間絶縁膜42の上に形成された第1電極61及び第2電極62と、第1電極61と第2電極62の間に介在する誘電体膜63を有している。セルキャパシタ50は積層された下部電極51と強誘電体52と上部電極53を有し、強誘電体52の膜厚はメモリセルの動作電圧の低電圧化に応じて設定される。第1電極61と第2電極62の間の距離を設定することにより、誘電体膜63の膜厚に係わらずに設定された容量値の容量セル60が得られる。
【選択図】図3
Description
なお、添付図面は、部分的に拡大して示している場合があり、寸法,比率などは実際と異なる場合がある。また、断面図では、各部材の断面構造を分かりやすくするために、一部のハッチングを省略している。
図3に示すように、半導体基板11の所定領域に素子分離膜21が形成されている。例えば、半導体基板11はシリコン基板であり、素子分離膜21はシリコン酸化膜である。素子分離膜21は、半導体基板11に活性領域を画定する。活性領域にトランジスタ30が形成されている。なお、図3では、1つの活性領域内に2つのトランジスタ30が配置されている。トランジスタ30は例えばNチャネルMOSトランジスタである。トランジスタ30は、不純物領域31、ゲート絶縁膜32、ゲート電極33を含む。不純物領域31は例えば低濃度の不純物領域と高濃度の不純物領域を含む。
層間絶縁膜42には、その上面から不純物領域31まで達するコンタクト43が形成されている。コンタクト43は、例えば、コンタクトホール内に形成されたバリア膜43aと、バリア膜43a内に埋め込まれた導電材43bを含む。バリア膜43aは、例えばチタン(Ti)、窒化チタン(TiN)である。導電材43bは例えばタングステン(W)である。なお、以下の説明において、コンタクト、ビアはコンタクト43と同様であるため、バリア膜及び導電材の符号及び説明を省略する。
セルキャパシタ50は、下部電極51、強誘電体52、上部電極53を含み、層間絶縁膜42の上にこの順番で積層されている。なお、層間絶縁膜42上に保護膜を形成し、その保護膜上にセルキャパシタ50を形成してもよい。なお、図では示されていないが、下部電極51は強誘電体52の端部より外側(例えば、図3の裏面側)に張り出すように形成されている。
保護膜71の上には層間絶縁膜72が形成されている。層間絶縁膜72の上面は平坦化されている。層間絶縁膜72には、コンタクト73が形成されている。層間絶縁膜72は第2の絶縁膜の一例である。コンタクト73は、層間絶縁膜72の上面から下層のコンタクト43まで達するように形成されている。別のコンタクト73は、層間絶縁膜72の上面からセルキャパシタ50の上部電極53まで達するように形成されている。なお、図では省略しているが、層間絶縁膜72には、層間絶縁膜72の上面からセルキャパシタ50の下部電極51まで達するコンタクト73が形成されている。
層間絶縁膜42上の所定領域であって、例えば素子分離膜21の上方には容量セル60が形成されている。
C=ε0・εr・S/d
=ε0・εr・h・L/d ・・・(1)
但し、
S : 対向する側面の総面積
d : 電極部間の距離
h : 電極部の高さ
L : 対向電極長
ε0: 真空の誘電率
εr: 比誘電率
である。なお、対向電極長Lは、電極部102,112の長さと電極部102,112の数に応じた値である。
なお、第1電極61と第2電極62は、セルキャパシタ50の下部電極51とともに、後述する導電体膜をパターニングして形成される。このため、例えば、第1電極61と第2電極62の高さhは、セルキャパシタ50の形状(下部電極51の厚さ)に応じて設定される。
図3に示すように、容量セル60は、層間絶縁膜42上に形成された第1電極61と第2電極62を含む。図4に示すように、第1電極61と第2電極62は、電極基部101,111と、交互に配置された複数の電極部102,112を有している。そして、図5に示すように、誘電体膜63は、交互に配置された電極部102,112の間に充填されている。電極部102,112の側面は、電極面として働く。
図6(a)及び図6(b)は、ここで説明するセルキャパシタと容量セルを示す説明図である。図6(b)に示すように、この半導体装置において、1つの下部電極51と1つの強誘電体52に対して、その強誘電体52上に複数(図では3つ)の上部電極53a〜53cが配置されている。即ち、図6(b)に示す例では、3つのセルキャパシタ50a〜50cが形成されている。
図7(b)に示すように、層間絶縁膜42上に例えば物理気相成長(PVD:Physical Vapor Deposition)法によりプラチナ(Pt)を150nmの厚さに堆積させて、導電体膜201を形成する。次に、導電体膜201の上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することにより、レジスト膜202を形成する。このレジスト膜202は、図6(a)に示す第1電極61と第2電極62の間の間隙に応じた開口部202aを有する。そして、レジスト膜202をマスクとして、この開口部202aから露出した導電体膜201をエッチングして開口部201aを形成する。この開口部201aは、層間絶縁膜42の上面を露出する。
上記のレジスト膜202を灰化処理(アッシング)等により除去する。続いて、上記の導電体膜201の上に、例えば化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法によりPZTを堆積させて誘電体膜203を形成する。誘電体膜203の膜厚は、図6(b)に示すセルキャパシタ50a〜50cの特性に応じて設定される。図8(b)に示すように、その後、酸素含有雰囲気中でRTA(Rapid Thermal Annealing)処理して誘電体膜203を結晶化する。なお、PZTはペロブスカイト構造を有する強誘電体材料の代表的なものであるが、誘電体膜203の材料は強誘電体特性を示すものであれば特に限定されない。次に、誘電体膜203の上に、例えばPVD法によりIrO2(酸化イリジウム)を堆積させて、導電体膜204を形成する。
上記の導電体膜204の上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することにより、レジスト膜205を形成する。このレジスト膜205は、導電体膜204の上面のうち、図6(a)に示す上部電極53a〜53cに応じた領域を覆う。そして、レジスト膜205から露出した導電体膜204をエッチングにより除去して上部電極53a〜53cを形成する。
上記のレジスト膜205を灰化処理(アッシング)等により除去する。続いて、上部電極53a〜53c及び誘電体膜203の上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することにより、レジスト膜206を形成する。このレジスト膜206は、誘電体膜203の上面のうち、図6(a)に示す強誘電体52と誘電体膜63に応じた領域を覆う。そして、レジスト膜206から露出した誘電体膜203をエッチングにより除去して強誘電体52と誘電体膜63を形成する。
上記のレジスト膜206を灰化処理(アッシング)等により除去する。続いて、強誘電体52、誘電体膜63、及び導電体膜201の上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することにより、レジスト膜207を形成する。このレジスト膜207は、導電体膜201の上面のうち、図6(a)に示す下部電極51と第1及び第2電極61,62に応じた領域を覆う。そして、レジスト膜207から露出した導電体膜201をエッチングにより除去して下部電極51と第1及び第2電極61,62を形成する。
(1)容量セル60は、層間絶縁膜42の上に形成された第1電極61及び第2電極62と、第1電極61と第2電極62の間に介在する誘電体膜63を有している。セルキャパシタ50は積層された下部電極51と強誘電体52と上部電極53を有し、強誘電体52の膜厚はメモリセルの動作電圧の低電圧化に応じて設定される。このため、第1電極61と第2電極62の間の距離を設定することにより、誘電体膜63の膜厚に係わらずに容量値を設定することができる。このため、耐圧の高い容量セル60を形成することが可能となる。
・上記実施形態に対し、他の膜等を追加してもよい。
例えば、図12に示すように、層間絶縁膜42の上には下地絶縁膜211が形成されている。下地絶縁膜211の膜厚は、10nm〜50nmである。下地絶縁膜211は、例えば、酸化アルミニウム(アルミナ)膜、アルミニウム窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン窒化酸化膜、チタン酸化膜等である。このような下地絶縁膜211は、層間絶縁膜42に対する誘電体膜63の全体または部分的な剥離を抑制する。また、下地絶縁膜211は、誘電体膜63と層間絶縁膜42の間の相互拡散を抑制し、相互拡散による膜の変質を抑制する。なお、下地絶縁膜211を、例えばアルミナの膜とチタン酸化膜のように、複数種類の膜を含むものとしてもよい。
例えば、距離dを強誘電体52の膜厚tの2倍より大きな値(d>2t)に設定する。このような設定の場合、ゾルゲル法単独、又はスパッタ法又はCVD法とゾルゲル法を組み合わせて誘電体膜を形成することで、電極部102,112の上端まで充填された誘電体63aを形成することができる。
例えば、図13(a)に示すように、電極部102,112間に保護膜71、層間絶縁膜72が介在するようにしてもよい。
・上記各形態は、セルキャパシタ50の下部電極51に対する接続を下部電極51の上方で行う、いわゆるプレーナ型の強誘電体メモリを含む半導体装置を例示した。これに対し、セルキャパシタ50の下部電極51に対する接続を下部電極51の下方で行う、いわゆるスタック型の強誘電体メモリを含む半導体装置に適用してもよい。
42 層間絶縁膜
30 トランジスタ
50 セルキャパシタ
51 下部電極
52 強誘電体
53 上部電極
60 容量セル
61 第1電極
62 第2電極
63 誘電体膜
MC メモリセル
Claims (6)
- 半導体基板に形成された不純物領域と、前記半導体基板の上にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極とを含むトランジスタと、前記半導体基板上方の第1の絶縁膜の上に配置され、下部電極、強誘電体、上部電極を含み、前記下部電極と前記上部電極のいずれか一方が前記不純物領域に接続されたセルキャパシタと、を含むメモリセルと、
前記第1の絶縁膜の上に配置された第1電極及び第2電極と、前記第1電極と前記第2電極の間に介在する誘電体膜と、を含む容量セルと、
を有し、
前記第1電極及び前記第2電極は、前記下部電極と同じ材料により形成されてなり、
前記容量セルの前記誘電体膜は前記セルキャパシタの前記強誘電体と同じ材料により形成されてなること、
を特徴とする半導体装置。 - 前記第1電極及び前記第2電極はそれぞれ、電極基部と、前記電極基部から第1の方向に延びる複数の電極部とを有する櫛歯状に形成され、
前記第1電極の電極部と前記第2電極の電極部は、前記第1の絶縁膜の上面と平行な平面において前記第1の方向と直交する第2の方向に沿って交互に配列され、
前記誘電体膜は、前記第1電極の電極部と前記第2電極の電極部との間に介在されること、
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記誘電体膜は前記電極部を覆うように形成され、
前記第1電極の電極部と前記第2電極の電極部との間の距離は、
前記電極部の上における前記誘電体膜の膜厚の2倍以下に設定されていること、
を特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 - 前記セルキャパシタと前記容量セルを覆う保護膜と、
前記保護膜の上に形成された第2の絶縁膜と、
を含むことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の半導体装置。 - 前記第1の絶縁膜の上に下地絶縁膜が形成され、
前記下部電極、前記第1電極、前記第2電極、前記誘電体膜は、前記下地絶縁膜の上に形成されてなること、
を特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の半導体装置。 - メモリセルのセルキャパシタと容量セルを含む半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の上方に上面を平坦化した第1の絶縁膜を形成し、
前記第1の絶縁膜上に第1の導電体膜を形成し、
前記第1の導電体膜に、前記容量セルに含まれる第1電極と第2電極の間に応じた形状の開口部を形成する工程と、
前記第1の導電体膜上に強誘電体膜を形成するとともに、前記開口部内に前記強誘電体膜を形成し、
前記強誘電体膜上に第2の導電体膜を形成し、
前記第2の導電体膜をパターニングして前記セルキャパシタに含まれる上部電極を形成し、
前記強誘電体膜をパターニングして前記セルキャパシタに含まれる強誘電体と前記容量セルに含まれる誘電体膜を形成すること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
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