JP3309260B2 - キャパシタ - Google Patents
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- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
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- H10B53/00—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors
Description
物からなる強誘電体層)を有するDRAM等に用いられ
るキャパシタに関するものである。
バイス構造の物理的な破壊を伴わないで記憶容量が一時
的に消失する現象は、ソフトエラーと呼ばれている。そ
の主要な原因は、LSIの材料中に含まれる微量の放射
性核種から生じるα線である。
ほう素、燐、砒素、アルミニウム、チタン、タングステ
ン、銅には自然放射性同位体はなく、α線の主な発生源
は不純物として含まれるウラン(U)やトリウム(T
h)である。LSIのソフトエラーを低減するために、
LSIの構成材料中のウラン及びトリウムの成分を ppb
のレベルまで少なくしている。
て強い。このため、酸化膜−窒化膜−酸化膜構造(いわ
ゆるONO構造)を用いた例えばダイナミック・ランダ
ム・アクセス・メモリ(DRAM)のセルキャパシタの
立体形状は複雑化している。なぜなら、ONO構造の実
効的な比誘電率は5程度と定まっているので、減少を続
けるセル面積に対してセルキャパシタの電気容量を確保
するためには、セルキャパシタの形状を工夫してその面
積を確保するしかないからである。そして、このこと
が、DRAMの製造工程に技術的及び経済的な負担をか
けている。
(Ta2 O5 )、チタン酸ストロンチウム(SrTiO
3 )、BST(Bax Sr(1-x) TiO3 )、PZT
(PbZrx Ti(1-x) O3 )などの高誘電率の酸化物
をセルキャパシタの絶縁材料として用いる研究が行われ
ている。
異なる最大の点は、シリコンを酸化する力が高いことで
ある。従って、これらの新しい絶縁材料に対してシリコ
ン電極を用いることはできず、耐酸化性の強い材料を電
極に選ばなければならない。現在は白金の使用が考えら
れている。
用いられてきた元素と異なり、α線を放出する放射性同
位体を含んでいる。それは、半減期 5.4×1011年で運動
エネルギー 3.18MeVのα線を放出するPt190 である。
Pt190 は白金中に 0.013%も含有されており、経済的
に考えてこの成分を分離するのは極めて困難である。何
らかの方法でこのα線の影響を緩和しない限り、白金電
極を用いたDRAMは商品化に必要な程度にまでソフト
エラーの割合を下げることができない。
に形成したとすると、白金膜からシリコン中に放出され
るα線は0.02個/hour・cm2 となり、1cm2 当たり50時
間に1個の割合であることが、計算上求められた。この
割合は、Ptよりシリコン中に向かうα線の数である。
500〜1000FIT(Failure In Time : 1FITとは、
109 デバイス・時間に1デバイスが不良を発生すること
を意味する。)にしなければならない。即ち、1000個の
DRAMにおいて1000時間で1個ソフトエラーが起こる
と、1000FITになる。DRAMのセルアレイ部分の大
きさが約1cm2 の大きさであると、ソフトエラーの起こ
る頻度は10-6個/hour・cm2 のオーダーである。すべて
のα線がソフトエラーを起こすわけではないが、それに
しても上記の0.02個/hour・cm2 という値(実測値は
0.007個/hour・cm2 )はあまりに大き過ぎる。なお、
白金中のUやTh等の放射性元素の量は 10ppb以下にコ
ントロールされているので、その放射線元素によるα線
の影響は考慮しなくてよいものと考えられる。
白金電極から生じるα線の影響を緩和する効果がどの程
度あるのかを述べる。高誘電材料と白金電極をDRAM
に応用する際には、セルキャパシタの面積を確保するこ
とと、セルキャパシタ部分が他の部分の形成に関わる高
温の熱処理工程によって劣化することを防ぐこととの2
つの理由によって、例えば図16に示す如きいわゆるCO
B(Capacitor Over Bitline)構造を採用する。
ト配線BLのさらに上部にスタック型のセルキャパシタ
CAPを形成するものであり、セルキャパシタCAPの
下部(白金)電極16とシリコン基板1のN+ 型拡散層3
(ソース領域)とのコンタクトには多結晶シリコン20を
用いている。なお、同図中、2はフィールド酸化膜、4
はN+ 型拡散層(ドレイン領域)、5はゲート酸化膜、
8は上部電極、10及び10’は層間絶縁膜、11及び12はコ
ンタクトホール、17は誘電体(例えばPZT)膜、TR
はトランスファゲートである。
Pによれば、下部(白金)電極16下に設ける多結晶シリ
コンコンタクト20の高さは高々1μmであり、このシリ
コンの部分によって下部電極16中のPt190 から生じた
α線のエネルギーは3MeV までしか減少しない。このエ
ネルギーは依然として、ソフトエラーを引き起こすのに
十分大きいものである。
の如き導電材料を電極等として用いた場合にも、α線を
効果的に遮蔽し、ソフトエラーを防止することのできる
DRAM等に用いられるキャパシタを提供することにあ
る。
上部電極層と、α線を放射する放射性物質を含有する下
部電極層と、上記上部電極層と上記下部電極層との間に
配置された誘電体層と、上記下部電極層に電気的に接続
されるα線遮断特性を有する導電層とを有し、上記導電
層が、ニッケル、コバルト又は銅の金属単体、ニッケ
ル、コバルト及び銅の中の少なくとも2つを含む化合物
又は合金、若しくはニッケル、コバルト又は銅とシリコ
ンとの化合物又は合金を含有する。ここで、「含有」と
は、対象となる元素、化合物又は合金を主成分として少
なくとも一部分含んでいることを意味し、また、その元
素、化合物又は合金が実質的或いは完全に100%を占め
ている場合も包含するものである(以下、同様)。
タル、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ストロンチウ
ムバリウム又はチタン酸ジルコン酸鉛を含有することが
好ましい。
に配置される第1の拡散バリア層と、上記導電層の上記
第1の拡散バリア層が配置される面と反対側の面に配置
される第2の拡散バリア層とを有し、上記第1及び第2
の拡散バリア層が上記導電層中の金属の拡散を防止する
構成としてもよい。
ましい。
放射されるα線のエネルギーを2.7MeVより小さく減少さ
せることが好ましい。
用いた本発明によるキャパシタの各種の例を概略的に示
すものである。
酸化タンタル、チタン酸ストロンチウム、チタン酸スト
ロンチウムバリウム(BST)又はチタン酸ジルコン酸
鉛(PZT)からなる強誘電体膜17の下部電極16が白金
(Pt)からなり、かつ、この下部電極16下にNi、C
o、Cu、Wからなる金属単体又はこれらの少なくとも
2種の化合物又は合金、或いは上記金属単体とシリコン
との化合物又は合金から選ばれた少なくとも1種からな
る導電層18が設けられていることである。例えば、強誘
電体膜17がPZT膜、下部電極16がPt層、導電層18が
Ni層であってよい。上部電極8はAl又はTiからな
っていてよい。
18と配線層3との間にはそれぞれ、導電層18中の上記の
Ni等が他の部位に拡散するのを防止する拡散係数の小
さな導電性の拡散バリア層13’、13(例えばW層)が設
けられている。配線層3はポリシリコン層からなってい
てよいが、図4のように、例えば、P- 型シリコン基板
1に拡散法で形成されたN+ 型半導体領域3であっても
よい(この場合、導電層18はいわゆるコンタクトとして
用いられる。なお、図中の10は絶縁膜である)。
や、CVD法又はスパッタで膜厚0.05〜10μmに製膜し
てよい。また、上記の下部電極16の膜厚は0.05〜1μm
がよい。
μm、拡散バリア層13' 、13の膜厚は0.01〜1μm、上
部電極8の膜厚は0.01〜10μmとしてよい。上記の各層
18、13’、13、8、16はそれぞれ、公知のスパッタリン
グ法や真空蒸着法によって形成することができる。
リア層の配置は種々変えてよく、例えば、図2及び図5
のように導電層18下にのみ設けたり、図3及び図6のよ
うに導電層18上にのみ設けることができ、或いは図3及
び図7のように設けなくても差支えないことがある。
及びその電極構造は、半導体メモリ装置、例えばダイナ
ミックRAMのメモリセルのキャパシタ(例えばスタッ
ク型のもの)に用いると有利である。図8〜図11に、ダ
イナミックRAMのメモリセルの二例を示す。
ン基板1の一主面に、フィールド酸化膜2で区画された
素子領域が形成され、ここに、MOSトランジスタから
なるトランスファゲートTRとキャパシタCAPとから
なるメモリセルM−CELが設けられている。
ものと基体構造が同じであって、N+ 型拡散領域(ドレ
イン領域)4にコンタクトホール11を介して接続された
ビットラインBLより上部に設けられたいわゆるCOB
構造をなし、また、導電層18はN+ 型拡散領域(ソース
領域)3に対するコンタクトとして用いられている(但
し、10、10’は層間絶縁膜である)。
ットラインBLより下部に設けられたいわゆるCUB
(Capacitor Under Bitline)構造の例を示すが、この点
以外は上記した例と同様である。
タによれば、高誘電率の強誘電体膜17に接して耐酸化性
の強いPt電極を下部電極16として設けているが、既述
した如くPt電極から放出されるα線が特に半導体基板
側へ到達してソフトエラーを起こす現象に対して、その
α線を遮蔽するために上記の導電層18を設けていること
に注目すべきである。以下に、このα線対策について詳
細に説明する。
半導体基板側に到達すると、このα線により生じた電子
によってセルキャパシタCAPの電荷(具体的には、ソ
ース領域3の蓄積電荷)が減少してしまい、セルキャパ
シタCAPに蓄えられていた記憶情報は識別不可能な程
小さくなってしまう。但し、α線が拡散層を通過して
も、セルキャパシタの電荷の変化が少なければ、記憶情
報は消失しない。
ルキャパシタに収集される割合(収集効率)をκ、セル
キャパシタに蓄えられる電気量をQs、電子のもつ電気
量の絶対値をeとする。また、α線が拡散層に入射する
時に有するエネルギーをEaとし、1組の電子−正孔対
を作るのに必要なエネルギーをεpairとする。α線がセ
ルキャパシタの記憶情報を消失しないための条件は、以
下の式で表される。 0.4(Qs/κe)εpair>Ea
が残存していれば、その記憶情報を正しく読み取ること
ができるようにDRAMのセンスアンプの感度は設計さ
れていることを考慮した。収集効率κは構造等に依存す
る値であるが、仮に0.1、即ち10ケの電子のうち1ケが
セルキャパシタに収集されるとする。そしてQsは約3
×10-14Coulomb、e=1.6×10-19Coulomb、εpair=3.6
eVであるから、上記の条件は、 Ea<2.7MeV となる。
3.18MeV である。上記の条件から、このα線が白金電極
を発して基板シリコンの拡散層に到達するまでに、その
エネルギーを2.7MeVまで下げておく必要がある。
材を設けることが有効な対策となる。これとは別のα線
対策として、白金中のPt190 を除くことが考えられる
が、これは精製コストを考えるとほぼ不可能であり、ま
た、電極として白金を使わなければ問題はないものの、
代替の電極を要することとなり、これも実現性に乏し
い。
又は合金を用い、3.18MeV のエネルギーをもって入射し
たα線のエネルギーを2.7MeVまで低下させるのに遮蔽材
にどの程度の厚みが必要かをBethe Blochの公式(培
風館発行「物理学大辞典」“電離損失”の項参照)から
求めたところ、図12の結果が得られた。
るまでのα線の飛程、即ち、遮蔽材の厚みは下記の表−
1及び表−2の如くとなる。そして、α線に対する各元
素又は合金の遮蔽力、即ち、α線阻止能(単位厚みでの
エネルギー減衰量)は図13の通りとなり、3.18MeV を2.
7MeVに低下させる上記の必要減衰量(0.48MeV)を実現す
るα線阻止能は下記の表−1及び表−2に併せて示す。
衰量を実現するには、シリコン、アルミニウム、チタン
についての厚みは、シリコン基板と白金下部電極とを接
続するコンタクトの高さとして高すぎ、不適切である。
これに対し、図13に明示するように、銅、コバルト、ニ
ッケル、Cu55Ni45、Ni3 Siは、このエネルギー
領域のα線阻止能にすぐれている。また、タングステン
やWSi2 、W5 Si3 の阻止能は銅ほど高くはない
が、コンタクトの高さを 1.1μm以上にすれば、電極中
の白金からのα線のエネルギーを必要な大きさまで下げ
ることができる。こうしたα線阻止能は、特に白金電極
からのα線に対して有効であるが、それ以外(半導体装
置の外部も含めて)からのα線に対しても有効である。
く、かつ平均電離エネルギーの低い物質である。そし
て、原子番号が増すと密度が高くなるが、平均電離エネ
ルギーが高くなる。α線阻止能が大きい元素は、上記し
たように、Co(原子番号27)、Ni(同28)、Cu
(同29)であり、これらは高密度で低平均電離エネルギ
ーを示す。但し、それらよりも大きい原子番号のもの:
W(原子番号74)は、α線のエネルギーが高い場合には
α線阻止能が高く、問題とする3MeV 近辺ではα線阻止
能が若干低下するものの比較的高い。なお、原子番号が
Coの隣にあるFe(原子番号26)は、密度があまり高
くはなく、α線阻止能が低くて不適当である。
よる構造(例えば図8のセル)は、従来考えられてきた
コンタクト材料である多結晶シリコン、アルミニウム、
チタンあるいはこれらの元素間の化合物や合金に代わっ
て、薄い膜厚で優れたα線阻止能を示す銅、コバルト、
ニッケル、タングステンからなる金属単体、あるいはそ
の少なくとも2種の合金または化合物、上記金属単体と
シリコンとの合金又は化合物をα線遮蔽材(上記の導電
層18)に用いることを特徴とする、薄膜キャパシタと、
その電極構造又はシリコン基板のコンタクト構造を提供
するものである。
るダイナミックRAMのメモリセルの他の実施例を示す
ものである。
の例)において更に、ビットラインBLに白金が使用さ
れたメモリセルにおいて、そのコンタクト28が、上述し
たと同様のα線遮蔽材であるCu、Co、Ni、W、こ
れらの化合物又は合金、或いはシリコンとの化合物又は
合金によって形成されていることが特徴的である。
した例で述べたと同様の効果が得られる上に、白金のビ
ットラインBLによってその導電性が高くなって動作速
度が向上すると同時に、ビットラインBLからのα線が
遮蔽材(コンタクト)28によって効果的に遮断されるた
めに、N+ 型拡散領域4中に侵入することを防止若しく
は抑制し、ビットラインBLによるソフトエラーも減少
させることができる。
するダイナミックRAMのメモリセルの更に他の実施例
を示すものである。
図8、図14の例)において更に、層間絶縁膜10、10’又
は10”が、上述したと同様のα線遮蔽材であるCu、C
o、Ni又はW(或いは、これらの化合物又は合金又は
シリコンとの化合物又は合金)の酸化物によって形成さ
れていることが特徴的である。こうした層間絶縁膜は、
CuO等のスパッタリング等で容易に形成できる。
した例で述べたと同様の効果が得られる上に、モールド
樹脂21中に熱膨張係数の調整のために添加されるフィラ
ー(SiO2 等)に不可避的に含有されるUやTh等の
放射性元素から放出されるα線が層間絶縁膜を通してシ
リコン基板へ侵入することを防止若しくは抑制すること
ができ、モールド樹脂20によるソフトエラーも減少させ
ることができる。
素の量は 10ppb以下になるようにシリカの前処理がなさ
れているが、このような処理はコスト高にもなるのに対
し、本実施例ではそのような処理をしなくても層間絶縁
膜10、10’又は10”によるα線遮蔽作用によりソフトエ
ラーを減少させることができるので、コスト面でも有利
である。なお、上記のα線遮蔽材は層間絶縁膜10、1
0’、10”のすべてに用いてよいが、少なくとも1層に
用いても効果はある。
の実施例は本発明の技術的思想に基いて更に変形が可能
である。
Cu、Ni、Co、Wのいずれかの金属で形成してよい
し、これらの化合物又は合金又はシリコンとの化合物又
は合金で形成することもできる。また、これらの元素等
は一定の割合で他元素からなる層(例えばSi)中に添
加してα線遮蔽層を形成してもよい。この場合の添加量
は40モル%〜100 モル%がよく、70モル%〜100 モル%
が更によい。
ラインのコンタクト以外にも、Ptからなる他の金属配
線の下部に設けることによっても、α線阻止能を発揮で
きる。これは、上述した如きダイナミックRAM以外の
デバイスにおいて効果的である。
電極16がPtを含有するようにしたが、上部電極8がP
tを含有する場合、或いは両電極ともPtを含有する場
合にも、上述したと同様のα線遮蔽構造を採用してよ
い。
したものに限定されることはなく、例えば図8の例にお
いて、拡散バリア層13、13’を省略したり、一方の拡散
バリア層(例えば13')を省略し、他方のみを設けること
もできる。拡散バリア層を設ける場合、拡散バリア層を
W以外にもTi、ルテニウム(Ru)又はこれらの混合
物で形成することができ、またコンタクトとして用いる
ことができる。
したビットラインや配線においても上述したと同様に設
けることができる。その他、強誘電体膜17の材質や、セ
ルのレイアウト等も種々に変更してよい。また、本発明
は、上述のダイナミックRAMに限らず、種々のデバイ
スに適用可能である。
を有するキャパシタにおいて、ニッケル、コバルト又は
銅、これらの少なくとも2種の化合物又は合金、及びシ
リコンとの化合物又は合金から選ばれた少なくとも1種
を含有する層を設けているので、この層によって効果的
にα線を遮蔽でき、ソフトエラーの発生を抑制すること
ができ、Pt等からなる新しい材料の電極や配線が使用
可能となり、またモールド樹脂のコストダウンも図るこ
とができる。
である。
面図である。
面図である。
面図である。
面図である。
面図である。
略断面図である。
み込んだダイナミックRAMのメモリセルの拡大断面図
(図9のVIII−VIII線断面図)である。
込んだ他のダイナミックRAMのメモリセルの拡大断面
図(図11のX−X線断面図)である。
フである。
フである。
RAMのメモリセルの拡大断面図である。
ックRAMのメモリセルの拡大断面図である。
んだダイナミックRAMのメモリセルの拡大断面図であ
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 上部電極層と、 α線を放射する放射性物質を含有する下部電極層と、 上記上部電極層と上記下部電極層との間に配置された誘
電体層と、 上記下部電極層に電気的に接続されるα線遮断特性を有
する導電層とを有し、 上記導電層が、ニッケル、コバルト又は銅の金属単体、
ニッケル、コバルト及び銅の中の少なくとも2つを含む
化合物又は合金、若しくはニッケル、コバルト又は銅と
シリコンとの化合物又は合金を含有するキャパシタ。 - 【請求項2】 上記誘電体層が酸化タンタル、チタン酸
ストロンチウム、チタン酸ストロンチウムバリウム又は
チタン酸ジルコン酸鉛を含有する請求項1に記載のキャ
パシタ。 - 【請求項3】 上記下部電極層と上記導電層との間に配
置される第1の拡散バリア層と、 上記導電層の上記第1の拡散バリア層が配置される面と
反対側の面に配置される第2の拡散バリア層とを有し、 上記第1及び第2の拡散バリア層が上記導電層中の金属
の拡散を防止する請求項1又は2に記載のキャパシタ。 - 【請求項4】 上記下部電極層が白金を含有する請求項
1、2又は3に記載のキャパシタ。 - 【請求項5】 上記導電層が上記下部電極層から放射さ
れるα線のエネルギーを2.7MeVより小さく減少させる請
求項1、2、3又は4に記載のキャパシタ。
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