JP3663128B2 - 障壁層の形成を含む半導体製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｔａ２Ｏ５キャパシタ誘電体層を具えたキャパシタの形成方法を含む、半導体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＲＡＭのメモリセル密度が増すにつれ、セル領域の減少にもかかわらず、十分に高い蓄積容量を確保するための努力がなされている。これに加えて、セル領域を更に減少するための絶え間ぬ努力がなされている。セル容量を増すための主たる方法は、セルの構造に関する技術による。そのような技術には、トレンチ型キャパシタ、スタック型キャパシタなどの三次元構造のセルキャパシタが含まれる。サイズが小さくなればなるほど、セルの誘電体及びセル構造体のための改良された材料の開発が重要となってくる。２５６ＭのＤＲＡＭの形状は、およそ０．２５ミクロンとなり、この場合、従来の誘電体であるＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４は比誘電率が低いためにその使用が不適切である。
【０００３】
２５６ＭのＤＲＡＭ等の高密度集積メモリ装置には、円筒状スタック又はトレンチ構造の三次元キャパシタのための極めて薄い誘電体フィルムが要求される。この要求を満足させるためには、キャパシタ誘電体フィルムの厚さは、ＳｉＯ２等価厚にして２．５ｎｍ以下とならなければならない。化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によるＴａ２Ｏ５フィルムは、その誘電率が従来のＳｉ３Ｎ４キャパシタ誘電体層の約３倍であるため、その目的を満たすセル誘電体層として非常に好ましいものと考えられる。しかしながら、Ｔａ２Ｏ５誘電体層に関する一つの欠点は、好ましくない漏洩電流特性である。したがって、Ｔａ２Ｏ５材料は本質的に高い誘電率特性を有してはいるが、単に堆積したままのＴａ２Ｏ５は、漏洩電流のために典型的には許容できない結果を生じることになる。
【０００４】
堆積されたままのＴａ２Ｏ５を濃度又は密度調整することにより、その層の電流漏洩特性を許容レベルまで実質的に改善することが報告されている。従来技術の濃度調整には、Ｔａ２Ｏ５層を極限酸化環境のもとに晒すことを含む。しかしながら、この方法によれば、不都合にも、下部電極（典型的にはポリシリコン）とＴａ２Ｏ５層との中間又は間にＳｉＯ２層が形成され易い。さらにそしてこれとは無関係に、Ｔａ２Ｏ５堆積中、酸素が存在することにより、薄いＳｉＯ２層が、ポリシリコン層インターフェイス部分に典型的には本来的に形成されるものである。Ｔａ２Ｏ５層とポリシリコン層との中間に位置するＳｉＯ２層は除去又は排除することが望ましく、そうすることにより、望ましい高濃度化を許容することになる。
【０００５】
一つの従来技術は、Ｔａ２Ｏ５層の堆積の直前に、ポリシリコン層を急速熱窒化処理に晒すことである。そのような技術は、日本電気化学学会誌の１９９３年６月号、第１４０巻、第６号に神山他による題名「減圧化学気相成長に先立つ急速熱窒化処理を用いて形成される極薄タンタル酸化キャパシタ誘電体層」、および８３０−ＩＥＤＭ９１、３２．２．１頁−３２．２．４頁の神山他による題名「２５６ＭビットＤＲＡＭのための高信頼性２．５ｎｍＴａ２Ｏ５キャパシタ処理技術」に報告されている。そのような急速熱窒化処理は、大気圧のもと、アンモニア雰囲気内で８００℃から１１００℃に、対象物であるポリシリコン層を６０秒間晒すことを含む。窒化層は、Ｔａ２Ｏ５層が堆積される間およびその後の下層ポリシリコン電極の酸化を防ぐための高温高密度化処理の間、酸化の障壁層として作用する。しかしながら、その処理では、図１及び図２を参照して説明する他の問題を生じるものである。
【０００６】
図１には、製造中の従来の半導体ウェーハ片が参照符号１０として示されている。該ウェーハ片１０は、その上にワード又はゲート線１４，１６，１８，２０を有するバルク単結晶シリコン基板１２を有する。トランジスタのソース又はドレインを構成する例示的に示す拡散領域１５，１７が、図示のように設けられる。ウェーハ片１０の領域２２のエリアはメモリアレイ領域であり、他方、領域エリア２４は、前記メモリアレイの典型的には周辺部を構成する。例えばボロフォスフォシリケイトグラス（ＢＰＳＧ）からなる第１絶縁層２６は、ゲート線１４−２０上その周辺に形成される。例示的に示す導電性プラグ２８，３０は、基板１２内の拡散領域１５，１７から、絶縁材料層２６内の図示ゲート線の間を通って絶縁層２６の上側表面まで延び上がっている。そのようなプラグは、許容し得る導電性を達成するために、１×１０２１原子／ｃｍ３と同等又はそれ以上の濃度で、リンを高濃度不純物ドープしている。
【０００７】
これもまた典型的にはＢＰＳＧからなる第２絶縁層３２が、第１絶縁層２６及びポリシリコンプラグ２８，３０の上に形成される。キャパシタのための開口３４が、アレイ領域２２内で、ポリシリコンプラグ２８上の層３２内にエッチング開口される。下部又は内側キャパシタ電極３６が、開口３４内に形成される。下部電極もまた、好ましくは、半球粒状のポリシリコン等のリンが高濃度にドープされたポリシリコンから成る。次に、Ｓｉ３Ｎ４の極薄い（即ち、５０Å以下の）層（図示せず）を形成するために、窒化処理が行なわれる。
【０００８】
残念ながら、高い窒化温度により、ポリシリコンプラグが形成され、下部キャパシタ電極材料によって被覆されていないウェーハ上のそれ以外の場所である、プラグ３０等のポリシリコンから層３２に対してリンが外部に拡散してしまうという効果がある。そのような状態が、領域２４内の外形線４０によって示されている。典型的な従来例における層３２はリンをドープしているが、ポリシリコンプラグ内のリン濃度はその濃度より遥かに大きいので、結果として、外部に拡散し、層３２内のリン濃度を局所的に高くすることになる。この種の拡散流出は、ポリシリコンプラグがキャパシタ電極材料の下に横たわっているところでは、両方の層がリンを高い濃度にドープしたポリシリコンを形成するので、問題にはならない。
【０００９】
図２を参照すると、Ｔａ２Ｏ５層４２が基板上に形成され、続いて、下部又は内側キャパシタ電極３６上に前記誘電体層を形成するように、エッチバック又は平坦化が行なわれる。上に述べたように、そのようにしてできた層は次に、前記層が望ましいキャパシタ誘電体層となるように濃度調整を行なう酸化環境のもとに置かれる。残念ながら、ポリシリコンプラグに極めて近いＢＰＳＧ層内の高い濃度にリンをドープした領域４０は、ＢＰＳＧ層３２に空気の泡又は空隙４４を形成することになる。これにより、本来的に層３２を上側に持ち上げ、プラグを剥がすことになる。そのようなことは極めて好ましくないことである。この空気泡／空隙の形成は、ＢＰＳＧ内のストレスと下層の包囲されたゲート線又は外の要素の幾何学的なストレスに関係することとなり、また、窒化処理及びＴａ２Ｏ５層の濃度調整過程に関連した高温処理によりより悪化される。
【００１０】
上記従来技術の処理過程を改善し、Ｔａ２Ｏ５層をキャパシタ構造に利用できるようにすることが好ましい。この発明は上記の観点に鑑みてなされたものではあるが、当業者であれば、添付の請求の範囲のみによっては制限されるが、均等の原則に従って適当に解釈される、半導体製造処理方法の他のエリアにも応用できることは勿論である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施態様を添付図面を参照しながら説明する。本発明の一態様によれば、半導体製造処理方法は、第１絶縁層内に半導体材料からなる導電性にドープされたプラグを形成する過程を有する。半導体材料から不純物物質が外部に拡散するのを防ぐための障壁層が、ドープされたプラグ上に形成される。例には、アンドープの酸化物、例えばシリコン二酸化物、およびＳｉ３Ｎ４が含まれる。第２絶縁層が障壁層の上に形成される。導電性材料が第２絶縁層を通して形成され、そしてこれはドープされたプラグと電気的に接続される。
【００１２】
他の実施例では、半導体物質からなる間隔を置いた第１及び第２の導電性にドープされた領域が形成される。半導体材料から不純物物質が外部に拡散するのを防ぐための障壁層が、第１及び第２領域の少なくとも一方領域上に、好ましくは両方の領域上に形成される。次に、Ｔａ２Ｏ５からなるキャパシタ誘電体層を有するキャパシタが、第１及び第２領域のもう一方の領域上に形成される。導電性材料が第１及び第２領域の一方の領域上に形成され、これは第１及び第２領域の一方の領域と電気的に接続される。
【００１３】
本発明の例であって好ましい実施例を、上の従来技術の図１及び図２によって示される構成に何となく似た構成を示す図３乃至図７を参照して以下説明する。適当である限り、この構成と同一構成部分には同じ参照符号を用い、差のある部分については“a”又はその他の記号を付して示すものとする。
【００１４】
先ず図３を参照すると、半導体材料からなる間隔を置いた第１及び第２の導電性にドープされたプラグ２８，３０が、基板１０ａの第１絶縁層２６内に形成される。本明細書では、用語“半導体基板”は、半導体ウェーハ（これ単体からなるもの又はその上に他の材料が組合されているものの何れでもよい）等のバルク半導体材料を含み、これに限定されるものではない半導体材料からなる如何なる構成、および、半導体材料層（これ単体からなるもの又は他の材料が組合されているものの何れでもよい）を意味するものとして定義される。用語“基板”は、これに限定されるものではないが、上で述べた半導体基板を含む、如何なる支持構造体をも示すものである。プラグ２８，３０は、リンを例えば濃度１×１０２１原子／ｃｍ３となるように導電的にドープしたポリシリコンであることが好ましい。これに代えて考えられるものは、第１及び第２の導電性にドープしたプラグが、半導体材料からなる間隔を置いた第１及び第２の導電性にドープした領域を構成することである。例えば例として、そのような導電性にドープした領域は、バルク半導体基板又は薄膜半導体層の中に形成される拡散領域であってもよい。第１絶縁材料２６は好ましくは、ドープされた酸化物であり、例えば、ＢＰＳＧを含むリンがドープされた酸化物である。
【００１５】
半導体材料から不純物物質が外に拡散するのを防ぐための障壁層２５は、第１及び第２領域２８，３０の少なくとも一方の領域上に形成され、好ましい実施例では、両方の領域上に形成される。本実施例では、それは理想的には、例として挙げればアンドープの酸化物及びＳｉ３Ｎ４である絶縁材料からなる。障壁層２５の例示的な厚さは、約１００Åから約５００Åである。好ましい材料は、ＴＥＯＳを分解することによって堆積したアンドープのシリコン二酸化物であり、約３００Åから約５００Åの厚さに堆積される。層２５がＳｉ３Ｎ４の場合、例示的な厚さは約１００Åから約３００Åである。第２絶縁層３２が障壁層２５の上に形成され、好ましくは、第１絶縁層２６と同じ材料を構成する。ともかく、層３２の例示的な材料は、ＢＰＳＧを含むリンがドープされた酸化物等であるドープされた酸化物である。他の例としては、化学気相堆積前駆体としてＴＥＯＳを用いて堆積したホウ素及び／又はリンがドープされた酸化物である。層３２は適当なリフローアニールに供することができる。
【００１６】
図４を参照すると、開口３４がプラグ２８上の第２絶縁層３２の中に、障壁層２５を通して設けられる。内側キャパシタ電極３６がドープされた第１プラグ２８上に設けられ、そしてこれと電気的に接続される。その際、ドープされた第２プラグ３０上の絶縁障壁層２５の絶縁材料はそのままの状態に維持される。したがって、この構成は第２絶縁層３２を通してそしてドープトプラグ２８と電気的に接続される導電性材料を形成する例を示すものであり、同時にこの例によれば、そのような導電性材料は障壁層２５を通しても形成される例を示すものである。電極３６を形成する例示的な方法は、層３２上及び開口３４内に半球粒状のポリシリコンを先ず形成し、次に基板上にフォトレジストを形成し、そして、開口３４内に導電性ポリシリコンを孤立させるためにフォトレジストエッチバック又は化学機械研磨の何れかが行われる。さらに、図示の容器状電極の最上部面が層３２の上面（図示せず）から僅か下となるように、層３６の材料を引っ込ませるためのエッチングを行なうことができる。フォトレジストを除去すると、図４に示す構成が得られる。
【００１７】
上記によれば、ドープされた第１プラグ２８上の開口３４内に内側キャパシタ電極３６が形成され、これがプラグ２８と電気的に接続される例を示すものであり、その際、絶縁障壁層２５の絶縁材料及び層３２の絶縁材料は第２ドープトプラグ３０上に残ったままである。次に、温度が少なくとも９００℃でＮＨ３等の窒素含有ガスの存在のもと、ドープされた第２プラグ３０上のドープされた酸化絶縁層３２及び絶縁障壁層２５の絶縁材料はそのままの状態で、ウェーハは電極３６の外表面上にシリコン窒化層（図示せず）を形成するために窒化処理される。こうすることは、内側キャパシタ板３６上に酸化障壁層を形成する一つの例を示すものである。そのような窒化処理が行なわれている間、層２５は、高温度処理の間にドープされた第２プラグ３０からドープされた絶縁酸化層３２に向かって不純物物質が拡散流出するのを理想的に制限する。
【００１８】
図５を参照すると、キャパシタ誘電体層４２（Ｔａ２Ｏ５であることが好ましい）が、酸化障壁層及び内側キャパシタ電極３６上に、典型的には化学気相堆積法により形成される。こうして形成された層は次に、ドープされた第２プラグ３０上のドープされた酸化絶縁層３２の絶縁材料及び障壁層２５の絶縁材料はそのままの状態で、少なくとも７５０℃の温度で行なわれる濃度調整処理に晒される。そのような濃度調整処理が行なわれる間、ここでも絶縁障壁層２５によって、ドープされた絶縁酸化層３２に向かってドープされた第２プラグ３０の不純物物質が拡散流出するのが規制され、その結果、従来技術の図２に示すような空隙の形成を完全に無くすことができる。
【００１９】
次に図６を参照すると、セルプレート層５２（即ち、ポリシリコン又はＴｉＮとポリシリコンの化合物）がＴａ２Ｏ５層４２上に堆積され、そして外側キャパシタ板を形成するために図示のようにパターン化される。こうすることは、第１プラグ２８上にそしてこれと電気的に接続される、Ｔａ２Ｏ５からなるキャパシタ誘電体層を有したキャパシタを形成する方法例となる。
【００２０】
図７を参照すると、開口５６が、絶縁層３２の中でここを貫通し、さらに層２５を通って導電性プラグ３０上に設けられる。導電性材料６０（即ち、導電性にドープされたポリシリコン、タングステン、アルミニウム、又はその他の材料）が、ドープされた酸化絶縁層３２を通して、そしてドープされたプラグ３０と電気的に接続されるように、開口５６内に堆積、さもなければ形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は従来技術による製造過程のある過程における従来技術の半導体ウェーハ片の概略図である。
【図２】 図２は図１に示す製造過程の後の従来の製造過程における図１の半導体ウェーハ片の概略図である。
【図３】 図３は本発明による製造過程のある過程における半導体ウェーハ片の概略図である。
【図４】 図４は図３に示す製造過程の後の過程における図３の半導体ウェーハ片の概略図である。
【図５】 図５は図４に示す製造過程の後の過程における図３の半導体ウェーハ片の概略図である。
【図６】 図６は図５に示す製造過程の後の過程における図３の半導体ウェーハ片の概略図である。
【図７】 図７は図６に示す製造過程の後の過程における図３の半導体ウェーハ片の概略図である。

Claims (8)

  1. 半導体製造方法であって、該方法は、
    半導体材料からなる間隔を置いた第１及び第２の導電性にドープされた領域を基板上に形成する過程と、
    少なくとも前記第２領域上に、前記半導体材料から不純物物質が外部に拡散することを規制するための障壁層を形成する過程と、
    前記障壁層を形成した後に、前記第１領域上に、Ｔａ２Ｏ５からなるキャパシタ誘電体層を有するキャパシタを絶縁層を貫通して形成する過程と、
    前記第２領域上にこれと電気的に接続される導電性材料を前記絶縁層を貫通して形成する過程と、
    からなることを特徴とする半導体製造方法。
  2. 半導体製造方法であって、該方法は、
    半導体材料からなる間隔を置いた第１及び第２の導電性にドープされたプラグを基板の上に形成する過程と、
    少なくとも前記第２のドープされたプラグ上に、前記半導体材料から不純物物質が外部に拡散することを規制するための障壁層を形成する過程と、
    前記障壁層、前記第１及び第２のドープされたプラグの上に絶縁層を形成する過程と、
    前記絶縁層を形成した後に、前記第１のドープされたプラグと電気的に接続される内側電極と、該内側電極上のＴａ ２ Ｏ ５ からなる誘電体層と、該誘電体層上の外側電極とを有するキャパシタを、前記第１のドープされたプラグの上に形成する過程と、
    前記絶縁層を貫通し、前記第２のドープされたプラグと電気的に接続される導電性材料を形成する過程と、
    からなることを特徴とする半導体製造方法。
  3. 半導体製造方法であって、該方法は、
    半導体材料からなる間隔を置いた第１及び第２の導電性にドープされたプラグを絶縁層内に形成する過程と、
    少なくも前記第２のドープされたプラグの上に、前記半導体材料から不純物物質が外部に拡散することを規制するための障壁層を形成する過程と、
    前記障壁層、前記第１及び第２のドープされたプラグの上にドープされた酸化絶縁層を形成する過程と、
    前記第１のドープされたプラグ上で、前記ドープされた酸化絶縁層内に開口を形成する過程と、
    前記第１のドープされたプラグの上で、該プラグと電気的に接続される内側キャパシタ電極を前記開口内に形成する過程と、
    前記内側キャパシタ電極の上に酸化障壁層を形成する過程と、
    前記酸化障壁層の上にＴａ２Ｏ５からなるキャパシタ誘電体層を形成する過程と、
    前記Ｔａ２Ｏ５からなるキャパシタ誘電体層の上に外側キャパシタ電極を形成する過程と、
    前記ドープされた酸化絶縁層を貫通し、前記第２のドープされたプラグと電気的に接続する導電性材料を形成する過程と、
    からなることを特徴とする半導体製造方法。
  4. 半導体製造方法であって、該方法は、
    半導体材料からなる間隔を置いた第１及び第２の導電性にドープされたプラグを第１絶縁層内に形成する過程と、
    前記第１及び第２のドープされたプラグの上に、前記半導体材料から不純物物質が外部に拡散することを規制するための絶縁性障壁層を形成する過程と、
    前記絶縁性障壁層、前記第１及び第２のドープされたプラグの上にドープされた酸化絶縁層を形成する過程と、
    前記第１のドープされたプラグの上で、前記ドープされた酸化絶縁層及び絶縁性障壁層内に開口を形成する過程と、
    前記第２のドープされたプラグの上の前記ドープされた酸化絶縁層の絶縁材料及び前記障壁層の絶縁材料を残したまま、前記第１のドープされたプラグ上の前記開口内に該第１プラグと電気的に接続される内側キャパシタ電極を形成する過程と、
    温度が少なくとも９００℃の下で、前記第２のドープされたプラグ上のドープされた酸化絶縁層の絶縁材料及び前記障壁層の絶縁材料をそのままにして、前記内側キャパシタ電極の外表面上にシリコン窒化層を形成するために、前記内側キャパシタ電極の外表面を窒化処理すると共に、該窒化処理の間に、前記絶縁性障壁層により、前記第２のドープされたプラグから前記ドープされた酸化絶縁層に向けて不純物物質が拡散流出するのを規制する過程と、
    前記シリコン窒化層の上に、Ｔａ２Ｏ５からなるキャパシタ誘電体層を堆積する過程と、
    前記第２のドープされたプラグ上のドープされた酸化絶縁層の絶縁材料及び前記障壁層の絶縁材料をそのままにして、前記堆積されたＴａ２Ｏ５層を、温度が少なくとも７５０℃の下で行われる濃度調整処理に晒すと共に、該濃度調整処理の間に、前記絶縁性障壁層により、前記第２のドープされたプラグから前記ドープされた酸化絶縁層に向けて不純物物質が拡散流出するのを規制する過程と、
    前記Ｔａ２Ｏ５からなるキャパシタ誘電体層の上に外側キャパシタ電極を形成する過程と、
    前記外側キャパシタ電極を形成した後、前記ドープされた酸化絶縁層を貫通し、前記第２のドープされたプラグと電気的に接続する導電性材料を形成する過程と、
    からなることを特徴とする半導体製造方法。
  5. 半導体製造方法であって、該方法は、
    半導体材料からなる間隔を置いた第１及び第２の導電性にドープされた領域を第１絶縁層内に形成する過程と、
    前記第１及び第２のドープされた領域の上に、前記半導体材料から不純物物質が外部に拡散することを規制するための障壁層を形成する過程と、
    前記障壁層、前記第１及び第２のドープされた領域上に第２絶縁層を形成する過程と、
    前記第１のドープされた領域の上で、前記第２絶縁層及び障壁層内に開口を形成する過程と、
    前記第２のドープされた領域上の前記第２絶縁層及び前記障壁層を残したまま、前記第１のドープされた領域上の前記開口内に該第１のドープされた領域と電気的に接続される内側キャパシタ電極を形成する過程と、
    温度が少なくとも９００℃の下で、前記第２のドープされた領域上の前記第２絶縁層及び前記障壁層をそのままにして、前記内側キャパシタ電極の外表面上に窒化層を形成するために、前記内側キャパシタ電極の外表面を窒化処理すると共に、該窒化処理の間に、前記障壁層により、前記第２のドープされた領域から前記第２絶縁層に向けて不純物物質が拡散流出するのを規制する過程と、
    からなることを特徴とする半導体製造方法。
  6. 請求項５記載の方法であって、該方法は更に、
    前記窒化層の上にキャパシタ誘電体層を堆積する過程と、
    前記キャパシタ誘電体層の上に外側キャパシタ電極を形成する過程と、
    前記外側キャパシタ電極を形成した後、前記第２絶縁層を貫通し、前記第２のドープされた領域と電気的に接続する導電性材料を形成する過程と、
    からなることを特徴とする半導体製造方法。
  7. 請求項６記載の方法であって、該当方法は更に、前記第２のドープされた領域上の前記第２絶縁層及び前記障壁層をそのままにして、前記堆積された誘電体層を、温度が少なくとも７５０℃の下で行われる濃度調整処理に晒すと共に、該濃度調整処理の間に、前記障壁層により、前記第２のドープされた領域から前記第２絶縁層に向けて不純物物質が拡散流出するのを規制する過程を有することを特徴とする半導体製造方法。
  8. 半導体製造方法であって、該方法は、
    半導体材料からなる間隔を置いた第１及び第２の導電性にドープされた領域を第１絶縁層内に形成する過程と、
    前記第１及び第２のドープされた領域の上に、前記半導体材料から不純物物質が外部に拡散することを規制するための障壁層を形成する過程と、
    前記障壁層、前記第１及び第２のドープされた領域上に第２絶縁層を形成する過程と、
    前記第１のドープされた領域の上で、前記第２絶縁層及び障壁層内に開口を形成する過程と、
    前記第２のドープされた領域上の前記第２絶縁層及び前記障壁層を残したまま、前記第１のドープされた領域上の前記開口内に該第１のドープされた領域と電気的に接続される内側キャパシタ電極を形成する過程と、
    前記内側キャパシタ電極上にキャパシタ誘電体層を堆積する過程と、
    前記第２のドープされた領域上の前記第２絶縁層及び前記障壁層をそのままにして、前記堆積された誘電体層を、温度が少なくとも７５０℃の下で行われる濃度調整処理に晒すと共に、該濃度調整処理の間に、前記障壁層により、前記第２のドープされた領域から前記第２絶縁層に向けて不純物物質が拡散流出するのを規制する過程と、
    からなることを特徴とする半導体製造方法。
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