JP3666877B2 - Semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents

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徹 加賀
健一 庄司
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Description

技術分野
本発明は半導体記憶装置およびその製造方法に関し、特に大規模集積メモリーに好適なダイナミックランダムアクセスメモリー(DRAM)または分極反転型不揮発性メモリーに関する。
背景技術
大規模集積メモリーに好適な小面積かつ大容量のキャパシタを得るためには、キャパシタ絶縁膜としてTa2O5やBSTのような高誘電体絶縁膜を用いることが有効である。キャパシタ絶縁膜としてPZTのような強誘電体絶縁膜を用いれば、自発分極を利用した不揮発性メモリーが得られる。強誘電体物質には、比誘電率が数百から数千と極めて大きなものがあるので、ダイナミックランダムアクセスメモリーのキャパシタ絶縁膜としても有効である。
高誘電体絶縁膜や強誘電体絶縁膜をキャパシタ絶縁膜として用いる場合には、電極材料の選択が重要になる。なぜならば、絶縁膜の形成時に電極材料が酸化されて低誘電率の絶縁物ができると、キャパシタの容量が小さくなってしまうからである。
そこで、電極材料としては酸化されにくいものか、酸化物が導電体になる材料が選択されてきた。酸化されにくいものとしてはPt,Os,Auなどがあり、一般的にはPtが用いられている。酸化物が導電体になる材料にはRuO2,IrO2があり、電極材料としてRu,RuO2,Ir,IrO2などが用いられている。
これらの絶縁膜・電極材料を用いたキャパシタ構造として、第26図に示したような構造が1994年IEDM(International ELECTRON DEVICES Meeting)Technical Digest,P.843-P.846に報告されている。この構造は、複数のマスクが必要であることと、キャパシタ全体の面積に対して実効的な面積が小さい。
また、第27図に示したような、上部電極・絶縁膜・下部電極を1回のリソグラフィー工程で加工する技術が、Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.310(1993)P.127-P.133、特開平05-299601号公報そして特開平6-342774号公報に開示されている。
また、Ptエッチング方法として、Tiマスクを用いてPt再付着を抑えてエッチングする技術が特開平5-89662号公報に開示されている。
さらに、上部電極と下部電極の面積を変えるか、もしくは強誘電体絶縁膜の端部を斜めに加工することにより、分極反転に伴う膜厚変化のひずみを解消する技術が特開平4-159679号公報に開示されている。
そしてさらに、下部電極と強誘電体絶縁膜をエッチングした後、サイドウオールを形成し、その後に上部電極を形成することにより、マスクの合わせマージンを増やし、電極間のショートを防ぐ技術が、特開平6-132482号公報に開示されている。
ところで、第27図に示した構造をドライエッチ加工を行なう場合に、以下の問題点があることが本願発明者等によって認識された。
第28図に示すように、電極材料を主成分とする側壁付着膜113がマスク112,上部金属電極111,キャパシタ絶縁膜109,下部金属電極108の側壁に付着するという問題があった。
これは電極材料として酸化されにくいPt等を用いたときに顕著である。酸化されにくいということは化学反応により揮発性の物質に変えることが困難であるということであり、電極材料は主として物理スパッタによりエッチングされる。このスパッタされた電極材料が、側壁に付着するわけである。酸化物が導電体となるRuO2やIrO2でも、エッチング反応生成物の揮発性が低いため、やはり側壁付着膜113を形成する。
この側壁付着膜113はキャパシタがショートする原因となるので除去する必要があるが、例えば、酸などを用いたwet洗浄では、キャパシタ絶縁膜が劣化してしまうという問題があった。
次に、上述のような問題点の解決策として、本発明に先立って提案された技術を以下に述べる。
提案された技術は、ドライエッチングにおけるエッチ速度が、イオンの入射角度により異なることを利用することにより、電極材料の側壁付着物をドライエッチング中にセルフクリーニングすることにより除去するというものである。
このセルフクリーニングの原理を第29図に示す。エッチ速度は角度θに依存する。これをR(θ)とする。底面ではθ=0なので、電極材料の底面でのエッチ速度をR(0)とする。エッチングされた電極材料のうちの割合αがパターン側壁に付着するとすると、その付着速度はαR(0)である。パターンのテーパー角がθとすると、側壁での付着膜のエッチ速度はR(θ)である。ここでセルフクリーニングよりクリーンな側壁を得るためには、付着膜の垂直方向の厚みαR(0)/cosθ以上に側壁でのエッチ速度R(θ)が速いことが必要である。すなわちαR(0)/cosθ≦R(θ)が、クリーン側壁を得るための条件である。この条件式を変形すると、R(θ)cosθ/R(0)≧αとなり、左辺は文献値から計算できる値であり、右辺は実験から求めることができる値である。これらの計算値および実験値を第30図に示す。実験値から求めたα=0.3を用いると、テーパー角が75度以下のときには、セルフクリーニングにより側壁付着膜のないドライエッチングが可能であることがわかる。すなわち、マスクおよびキャパシタのテーパー角を75度以下にすれば、側壁付着物の問題を解決できるわけである。
以上の知見を基に改善されたキャパシタ構造を第31図に示す。第31図に示された半導体記憶装置は、半導体メモリーのキャパシタまで形成した段階の要部断面図である。
第31図において、半導体基板101にまず素子分離領域102を形成する。次に、ゲート電極104と拡散層105によるMOSトランジスタを形成する。次に層間絶縁膜105で平坦化した後、プラグ106をCVDとドライエッチとを用いて層間絶縁膜105のスルーホール内に形成する。このプラグ上にバリア層107,下部金属電極108,キャパシタ絶縁膜109,上部金属電極111を、各層の堆積とマスク112によるドライエッチングにより形成する。ここでマスク112はあらかじめテーパー角75度以下のテーパー形状としておき、Ar物理スパッタをベースとしたドライエッチング加工で、キャパシタのテーパー角も75度以下に形成できる。このようにして側壁付着膜のないキャパシタを形成することができる。完成されたキャパシタはテーパー形状であるために、キャパシタの各層の膜厚によってはキャパシタの底面積が大きくなることにより集積度に限界があるが、実用上は問題はない。
しかし、ギガビット世代のDRAMの如き半導体メモリーにおいては、大容量化に伴ってセル面積を縮小させ、集積度を向上させることが大きな課題である。
したがって、本発明の代表的な目的は、上記課題を克服することにあり、高集積及び高信頼度の半導体記憶装置を提供することにある。
本発明の他の代表的な目的は、上述した半導体記憶装置を比較的簡単なプロセスにより実現することのできる製造方法を提供することにある。
発明の開示
本発明の代表的な形態による半導体記憶装置によれば、半導体基体主面上に下部電極と、絶縁膜と、上部電極とから構成される積層型キャパシタを有し、このキャパシタに電荷を蓄積するか、もしくは絶縁膜の分極反転により電気信号を記憶する機能を有した半導体記憶装置において、前記キャパシタの側部にサイドウオールスペーサーを有し、前記上部電極が前記サイドウオールスペーサーの内側に位置されている。このことによって、下部電極の側部と上部電極の側部とが確実に電気的に分離されて両電極間のショートの無い、特に高集積化に適した半導体記憶装置となる。
本発明の代表的な形態による積層型キャパシタを有する半導体記憶装置の製造方法によれば、上部電極のドライエッチ加工した後、下部電極のドライエッチ加工に先立って、サイドウオールスペーサーを形成することを特徴としている。このことによって、サイドウオールスペーサーのテーパー部分はドライエッチング中のセルフクリーニングにより、側壁付着物が付着しないため、ショートのない加工が可能になり、高信頼度で、かつ高集積化を図った半導体記憶装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の第1の実施例である半導体記憶装置の要部断面図。
第2図は、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第3図は、第2図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第4図は、第3図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第5図は、第4図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第6図は、第5図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第7図は、第6図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第8図は、第7図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第9図は、第8図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第10図は、第9図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第11図は、第10図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第12図は、第11図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第13図は、第12図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第14図は、第13図に続く、本発明の第1の実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第15図は、本発明の第2の実施例の半導体記憶装置を示す要部断面図。
第16図は、本発明の第3の実施例の半導体記憶装置を示す要部断面図。
第17図は、本発明の第4の実施例の半導体記憶装置を示す要部断面図。
第18図は、本発明の第5の実施例である半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第19図は、第18図に続く、本発明の第5の一実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第20図は、第19図に続く、本発明の第6の一実施例の半導体記憶装置の製造工程を示す要部断面図。
第21図は、第6の実施例であり、特に第1の実施例を応用したメモリセル・レイアウトを示す平面図。
第22図は、第21図に示すA−A’切断断面図。
第23図は、第7の実施例であり、特に第1の実施例を応用した他のメモリセル・レイアウトを示す平面図。
第24図は、第8の実施例であり、特に第1の実施例を応用した他のメモリセル・レイアウトを示す平面図。
第25図は、第24図に示すA−A’切断断面図。
第26図は、従来知られているメモリセルの要部断面図。
第27図は、従来知られている他のメモリセルの要部断面図。
第28図は、第27図に示したメモリセルの製造方法における問題点を説明する要部断面図。
第29図は、本発明の手段である、クリーン側壁条件の求め方の説明図。
第30図は、本発明の手段である、クリーン側壁条件の範囲を示すグラフ。
第31図は、先に提案されたキャパシタの要部断面図。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面を参照してこれを説明する。
(実施例1)
本発明の第1の実施例を、第1図を参照して説明する。
第1図は、キャパシタまで形成した段階の半導体記憶装置(以下、半導体メモリーという)の要部断面図である。この半導体メモリーの製造過程を簡単に述べると以下のとおりである。
基板101にまず素子分離領域102を形成する。次に、ゲート電極104と半導体領域(拡散層)103によるMISFET(絶縁ゲート電界効果型トランジスタ)を形成する。
次に、層間絶縁膜105で平坦化した後、プラグ106をCVDとドライエッチとを用いて形成する。このプラグ106上にバリア層107,下部金属電極108,キャパシタ絶縁膜109,上部金属電極111を、各層の堆積と同一マスクを用いたドライエッチングにより形成する。このプラグ106上にバリア層107,下部金属電極108,キャパシタ絶縁膜109,上部金属電極111を、各層の堆積と同一マスクを用いたドライエッチングにより形成する。
本実施例では、上部電極111とキャパシタ絶縁膜109をエッチングした後に、サイドウオールスペーサー114を形成し、その後に下部金属電極108とバリア層107をエッチングして、キャパシタを形成する。サイドウオールスペーサー114の部分にテーパー角(θ)がつくので、付着した電極材料はこの部分でセルフクリーニングにより除去されるため、側壁付着膜のないキャパシタを形成することができる。
本実施例から明らかなように、完成された積層型キャパシタは、上部電極111の側部はサイドウオールスペーサー114に覆われている。すなわち、上部電極111がサイドウオールスペーサー114の内側に位置される。
上記キャパシタの形成方法を、第2図から第14図に示す製造過程を示す要部断面図に基づいて具体的に説明する。
まず、第2図に示すように、半導体基体(例えばP型Si基板またはP型ウエル領域)101に素子分離領域102を形成する。この素子分離領域102は、具体的には、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)技術により半導体基体101の主面に選択的に形成された酸化膜より成る。次に、ゲート電極104と拡散層103によるMISFETを形成する。なお、ゲート電極104下のゲート酸化膜は、第2図では省略されているが、ゲート電極形成に先立って所定の厚さに形成される。
次に、層間絶縁膜、例えばSOG(Spin On Glass)膜105を被覆そしてリフロー処理により平坦化した後、この層間絶縁膜105にスルーホールを設ける。そして、W(タングステン)プラグ106はCVD技術とドライエッチによるエッチバックとを用いて層間絶縁膜105に設けられたそのスルーホール内を埋めるように形成される。プラグ106上にキャパシタが形成される。すなわち、プラグ106上にバリア層107,下部金属層115,絶縁膜層116,上部金属層117,ハードマスク層118,レジストマスク119を順次形成する。下部金属層と上部金属層としてPtを使う場合には、ハードマスク層118にはWを用いると、Arプラズマを用いたエッチングでPt/W選択比が2以上得られる。ハードマスク層118にはSiO2やSi2N3やAl2O3などの絶縁物を用いてもよいし、AlやCuなどの金属を用いてもよい。また、バリア層107としては、TiNが好ましい。絶縁膜層116としては、Ta2O5やBSTなどの高誘電体や、PZTやPLZTなどの強誘電体のほか、SiO2やSi2N3などの誘電体を用いる場合にも、電極材料がエッチングで側壁付着物を作る場合には効果がある。
次に、第3図に示すように、ハードマスク120を形成する。このハードマスク120は75度以下のテーパー角を有するように加工する。テーパー加工法としては、ハードマスクとして金属を用いる場合にはドライエッチングでサイドエッチングが入る条件で加工すればテーパー加工ができるし、wetエッチングで加工してもよい。またハードマスクとして絶縁物を使う場合には、堆積とドライエッチングを交互に行なうタイムモジュレーションドライエッチングによっても、wetエッチングでも加工できる。例えば、Wをハードマスクに使うときには、SF6プラズマを用いたドライエッチングで基板(半導体基体)の温度を室温付近でエッチングすれば、サイドエッチングによるテーパー加工が可能であり、基板温度によるサイドエッチング量の制御とバイアスによるイオンエネルギーの制御により、そのテーパー角を制御することができる。
次に、第4図に示すようにハードマスク120上のレジストマスクを、アッシング工程で除去する。
次に第5図に示すように、上部金属層(117)をドライエッチングして上部金属電極111を形成する。上部金属層としてPtを用いる場合には、例えば平行平板型のドライエッチング装置を用いて、Arガスを圧力10 mTorr,RF 500 Wの条件でスパッタエッチすると、エッチ速度20 nm/minでエッチングできる。ハードマスク120としてWを用いる場合、この条件での対マスク選択比として3が得られる。電極材料としてPtやOsやPdやAuなどの酸化されにくい材料を用いる場合でも、RuやIrやRuO2やIrO2などの酸化物が導電性を示す材料を用いる場合でも、Ar等の希ガスプラズマを用いた物理スパッタでドライエッチングしてもよいし、FやClやBrなどを含んだハロゲン系ガスによるドライエッチングでもよい。PtでArガスプラズマを用いた物理スパッタによるドライエッチングでも、ハードマスク120に75度以下のテーパー角がついていれば、ドライエッチング中のセルフクリーニングによりハードマスク120の側壁に側壁付着物のないドライエッチングができる。
次に、第6図に示すように、エッチングによりキャパシタ絶縁膜109を加工する。このエッチングには、Arプラズマなどによるスパッタを用いると、下部金属層115との選択比が低いために、エッチング終了時に下地金属層115が削れて側壁付着膜をキャパシタ絶縁膜109の側壁に形成することもあるという欠点があるが、エッチング速度の面内分布を均一に制御すれば実用上の問題はない。またCl2やCF4やSF6などのハロゲンを含むガスやその混合ガスや希ガスとの混合ガスなどを用いれば、下部金属層との選択比が高くなり、下地金属層115の削れはさらに起きにくくなる。また、後の実施例で説明するように、キャパシタ絶縁膜109のエッチングが終了する前に、次の工程に進んでもよい。キャパシタ絶縁膜としてPZTを用いる場合には、例えばエッチングガスとしてArとCF4ガスを1:1に混合したガスを用いて、平行平板型のエッチング装置でRF 500 W,圧力10 mTorrで、PZTエッチ速度が40 nm/minでエッチングできる。ハードマスク120としてWを用いる場合、この条件での対マスク選択比は4が得られる。下部金属層としてPtを用いる場合、このエッチング条件での対下部金属選択比は3が得られる。
次に、第7図に示すように、CVD法により絶縁膜層121を堆積する。具体的には、絶縁膜層121はSiO2膜である。そして、第8図に示すようにエッチバックすることによりサイドウオールスペーサー114を形成する。絶縁膜層121の材質は、SiO2の他にSi3N4,Al2O3,TiO2,Ta2O5などのような、CVDによる堆積が可能なものが選択される。
次に、第9図に示すように、下部金属層(115)をエッチングして下部金属電極108を形成する。この時、パターン垂直部分には側壁付着膜113が付着するが、ハードマスク120とサイドウオールスペーサー114の側壁には、テーパー角がついているために側壁付着膜は付着しない。例えばサイドウオールスペーサー114にSiO2を用いて下部金属層としてPtを用いる場合、Arガスプラズマによるスパッタでは、Pt/SiO2エッチ速度比は1程度であるので、下部Ptエッチング中にサイドウオールスペーサー114もエッチングされていく。この下部Ptエッチング時にサイドウオールスペーサー114がハードマスク120の高さ分だけエッチングされれば、第9図に示すような、サイドウオールスペーサー114が上部金属電極111とキャパシタ絶縁膜109の横だけに形成されるような加工ができる。このような加工は、第8図のサイドウオールスペーサー形成時のハードマスクの高さを制御する(これはハードマスク層の堆積膜厚で制御できる)ことや、CF4ガスなどの添加によるPt/SiO2エッチ速度比を制御することにより形成できる。この加工をするための条件や膜厚は、下部電極の材料とサイドウオールスペーサーの材料とエッチングガスやエッチング装置により異なるが、ハードマスク層の厚さとエッチ速度比の制御により加工できることには変わりない。
側壁付着膜113は、サイドウオールスペーサー114があるのでショートなどの問題は起こさないので、除去しなくてもいいが、プロセスの信頼性を高め、製品の特性ばらつきをおさえるためには除去することが望ましい。そこで本実施例では、第10図に示すように、ウエット処理により側壁付着膜を取り除いた。処理法としてはPT付着物の場合には王水が有効であり、その他の物質の場合には、その種類に応じた溶液処理を行なえばよい。また、ダウンフロープラズマ処理やベイパー処理なども、下部金属材料の種類によっては有効である。本実施例のようにPtを用いる場合には王水が有効であり、ハードマスクとしてWのような金属材料を用いる場合には、同時にハードマスクも除去される。
次に、第11図に示すように、バリア層107をエッチングする。このエッチングと前記側壁付着膜除去の順序は入れ替えてもよい。
次に、第12図に示すように、絶縁膜層122を堆積させる。この堆積膜としてBPSGやSOGなどのリフロー膜を使えば、以下に続く配線工程に必要な平坦な表面がこの時点で形成できる。エッチバック技術やCMP(Chemical Mechanical Polishing)技術等を用いれば平坦な表面が作れるので、スパッタ絶縁膜やCVD絶縁膜などを用いてもよい。
次に、第13図に示すように、エッチングもしくはCMPを用いて、上部金属電極111が露出するまで、絶縁膜層122を加工する。
次に、第14図に示すように、プレート電極123を形成する。このプレート電極123は、必要に応じて配線加工する。さらに必要な配線加工をすることにより、DRAMデバイスが形成される。
以上で説明した製造方法を用いることにより、電極材料としてエッチング反応生成物の揮発性が低い材料を用いても、側壁付着膜によるショートがない積層型キャパシタを形成することが可能であり、このような電極材料により高誘電体・強誘電体絶縁物の特性を劣化させることなく高集積かつ高信頼度を有する半導体メモリを形成することができる。
(実施例2)
本発明の第2の実施例を、第15図を用いて説明する。
第15図に示したように、上部金属電極111のエッチング加工の直後にサイドウオールスペーサー114を形成して、その後にキャパシタ絶縁膜109,下部金属電極108のエッチング加工をしても、側壁付着膜113による上部金属電極111と下部金属電極108のショートを防ぐことができる。この例の場合ではキャパシタ絶縁膜109が側壁付着膜113に触れているために、wet処理により側壁付着膜113を除去しようとするとキャパシタ絶縁膜109の電気特性が劣化する場合もあるため、側壁付着膜113を残したままメモリーを形成する。側壁付着膜113を、電気特性を劣化させることなく取り除くことができる場合には、その処理を行なってもよい。
本実施例によれば、キャパシタ絶縁膜109と下部金属電極108の大きさが略同一であり、かつ上部金属電極111の下辺の長さがその絶縁膜109の上辺の長さよりも短いことを特徴としている。すなわち、第15図において、Le<Liの関係にある。
(実施例3)
本発明の第3の実施例を、第16図を用いて説明する。
第16図に示したように、キャパシタ絶縁膜109のエッチング処理の途中でサイドウオールスペーサー114を形成する。実施例3で説明した方法では、エッチングの面内均一性が悪い場合には、キャパシタ絶縁膜109のエッチング終了時に下地金属膜が削れて、サイドウオールスペーサーを形成する前に上部金属電極と下部金属層との間で側壁付着膜によりショートしてしまうことがある。
本実施例によれば、絶縁膜109の上辺の長さがその絶縁物109の下辺の長さよりも短いことを特徴としている。すなわち、第16図において、Lbi>Luiの関係にある。
本実施例の構造にすることにより、このショートの問題を防ぐことができる。
(実施例4)
本発明の第4の実施例を、第17図を用いて説明する。
第17図は、実施例1で説明した方法から、側壁付着膜113の除去工程を省いた方法により、形成された構造である。側壁付着膜113がPtなどの安定なものである場合には、除去しなくてもよいので、工程を省略することにより、安価に製造することができる。
(実施例5)
本発明の第5の実施例を、第18図から第20図を用いて説明する。
本実施例は、実施例1の方法から、いくつかの工程を省略したものである。その省略した工程は、キャパシタをエッチングにより形成した後に、リフロー膜やCMPで平坦にする工程である。
第18図に示した半導体メモリーは、以下の工程で形成する。
半導体基体101上に素子分離領域102を形成し、ゲート電極(本図中では省略)と拡散層103を形成する。その後層間絶縁膜105,プラグ106を形成してから、上部金属電極111,キャパシタ絶縁膜109,サイドウオールスペーサー114,下部金属電極108を膜堆積とエッチング工程を用いて形成し、側壁付着膜除去工程を行なってからバリア層107のエッチングをしてキャパシタを形成する。ここまでは、実施例1で説明した方法と同じである。
その後、CVD絶縁膜層121を堆積させる。堆積膜厚は、図に示すように、隣り合ったキャパシタの間隔の1/2以上の膜厚を堆積させる。絶縁膜層の材料は、実施例3で述べたような材料を用いればよい。次に第19図に示すように、CVD絶縁膜層をエッチバックすることにより、キャパシタ分離部124を形成する。キャパシタ間隔の1/2以上堆積させたCVD絶縁膜層をエッチバックすることにより、キャパシタ間の段差は緩和される。次に第20図に示すように、プレート電極123を形成する。キャパシタ分離部124により段差を緩和してあるので、プレート電極123はスパッタ法を用いても断線しない、信頼性の高いプレート電極を形成することができる。段差を緩和させるためにはCVD絶縁膜層を厚くすればよいが、厚くすると堆積およびエッチング工程の処理時間が長くなってスループットが落ちるという問題点があるが、実用上は問題がない。また、CVD絶縁膜層が1/2よりも薄いと段差を緩和させる効果は少なくなるが、キャパシタの膜厚が薄くて間隔の広い設計の場合には、キャパシタ分離部124が、キャパシタ側壁の垂直段差を斜めにするので効果がある。本実施例は、特に微細で高集積のメモリーを作る場合に、キャパシタの高さがキャパシタ間隔と同程度になって、キャパシタ間の段差が急峻な場合に効果がある。このような場合でも、リフローやCMPなどの時間を要する処理を用いずに加工ができるために、スループットを上げることができる。
(実施例6)
第21図に、本発明におけるメモリーセルの平面レイアウトの一実施例を示す。
このレイアウトは、2交点セルと、キャパシタをビット線上に形成するCOB(Capacitor Over Bitline)構造とを用いるレイアウトである。各メモリーセルのトランジスタ(図中では明記していない)はビット線208を介して周辺回路(図示していない)に接続されている。トランジスタとビット線208の接続部分は、アクティブ領域218の一部に形成したビット線用プラグ207の部分である。トランジスタの動作は、ワード線(ゲート電極)203により制御される。このワード線(ゲート電極)203は、周辺回路(図示していない)に接続されている。トランジスタからキャパシタ部220へは、キャパシタ用プラグ211を介して接続する。キャパシタ部220はプレート電極216を介して、周辺回路(図示していない)に接続されている。
この平面レイアウトの第1の特徴は、ワード線203 2本に対してプレート電極216を1本を配線することである。このようなレイアウトとすることにより、プレート電極216の容量を通常のDRAMよりも小さくできるので、プレート電極216の電位を周辺回路で制御することが容易になる。そのため、強誘電性を用いた不揮発メモリー動作が容易になる。本実施例では、ワード線2本に対してプレート電極を1本の例について説明したが、プレート電極の本数としては、ワード線1本に対してプレート電極を1本にしてもよいし、3本以上のワード線に対してプレート電極を1本にしてもよい。ただしプレート電極の本数が多くなると集積度を上げるのが難しくなり、プレート電極の本数が少なくなるとプレート電極の容量が大きくなって、周辺回路による制御が難しくなる。プレート電極の本数は、メモリーの用途によってその最適数が変わってくる。
この平面レイアウトの第2の特徴は、プレート電極216をワード線(ゲート電極)203と同一方向に配線することである。このため、プレート電極216の電位を周辺回路により制御するときに、その電位をワード線203の電位と同期して制御することが可能となる。
第22図に、第21図の一断面構造(断面A−A’)を示す。この断面構造について以下に説明する。
Si基板201上に素子分離用SiO2 202を形成してある。素子領域に、ゲート酸化膜(明示していない)とワード線(ゲート電極)203と拡散層204からなるMISFETを形成してある。この実施例では、ワード線203はSiO2 222をマスクとしてドライエッチングにより加工してあり、かつSiO2 222をそのまま残してワード線の絶縁保護膜として用いている。このSiO2 222は残す必要はないが、本実施例の構造とすれば除去工程を削除できるし、ゲート電極スペーサー221の形成時の保護膜としても作用する。ワード線としては通常のゲート電極としてよく用いられるdoped poly Siや、WSi,MoSi,CoSiのようなシリサイドを用いればよい。またはW,TiNなどの金属材料、またはそれらの積層膜でもよい。
ワード線(ゲート電極)203には、ゲート電極スペーサー221を形成してある。このゲート電極スペーサーは必須ではないが、段差を緩和する効果と電気的ショートを防ぐ効果があるので、信頼性の高いCOB構造を形成できる。
ワード線(ゲート電極)203の上にはワード線用絶縁保護膜205を形成してある。この保護膜は必ずしも必要はないが、ビット線用プラグ207やキャパシタ用プラグ211を形成するためのドライエッチングをするときに電気的ショートを防ぐ効果があり、またこのワード線用絶縁保護膜205とワード線段差平坦化絶縁膜206とで材料を変える(例えばSi3N4とSiO2)にしておけば、絶縁膜間高選択ドライエッチングを用いて自己整合的に、前述のプラグ部のドライエッチングをすることもできるという効果がある。
ワード線(ゲート電極)203の形成によりできる段差は、ワード線段差平坦化絶縁膜206により平坦化してある。この絶縁膜の材料としては、流動性の絶縁膜(BPSGなど)やCVD絶縁膜を用いればよい。平坦化方法としては、流動性絶縁膜のリフローや、ドライエッチングによる全面エッチバック、CMPなどの研磨、またはそれらの組み合わせを用いればよい。本実施例では、BPSGリフロー膜をCMPで研磨してワード線段差平坦化絶縁膜206を形成している。この膜はドライエッチングにより削れ易いため、本実施例では平坦化絶縁膜用絶縁保護膜223を形成している。この膜をCVDやスパッタ堆積法で形成すれば、リフロー膜よりも緻密な膜を形成できる。膜の材料としては、SiO2やS3N4などの通常のSi LSIプロセスで用いられるものでよい。
平坦化絶縁膜用絶縁保護膜223の形成の後に、ビット線用プラグ207を形成してある。本実施例では、このビット線用プラグ207を、ドライエッチングで孔パターンを形成した後に、n+ poly SiをCVD法を用いることにより形成してある。このビット線用プラグ207としてはn+ poly Siの他に、TiNなどの材料を用いてもよい。またこのビット線用プラグ207の形成にともなって、第21図に示すビット線208も形成する。この材質としてはn+ poly Si,シリサイドなどの材料や、それらの積層膜などを用いればよい。
本実施例では、ビット線用プラグ207とビット線208(第21図に図示)の形成後に、ビット線用絶縁保護膜209を形成してある。この膜は必須ではないが、ワード線用絶縁保護膜205と同様の効果がある。さらにその上にビット線段差平坦化絶縁膜210を形成してある。この膜の形成法および材料としては、ワード線段差平坦化絶縁膜206と同様に考えればよい。さらにこの膜の上に、平坦化絶縁膜用絶縁保護膜224を、本実施例では形成してある。この保護膜は必須ではないが、前述した平坦化絶縁膜用絶縁保護膜223と同様な効果がある。さらにこの膜はキャパシタのドライエッチング加工における下地膜になるので、Al2O3のようなAl原子を含む絶縁膜を用いると、キャパシタのドライエッチングにおいて高選択ドライエッチングを行なえる。本実施例ではキャパシタ下部電極212としてPtを用いているが、PtはF系のガスでドライエッチングすると、ArやCl系のガスを用いたドライエッチングよりもより垂直に近い形状の加工ができる。この時に下地層としてAl原子を含む材料を用いれば、反応生成物AlF3の揮発性が低いために、エッチング耐性が高いので高選択ドライエッチングができる。またこの加工では、マスク材料にもAlなどのAl原子を含む材料を用いれば、対マスク・対下地層選択比の高いPtドライエッチングが可能になる。
平坦化絶縁膜用絶縁保護膜224の形成の後に、キャパシタ用プラグ211を形成する。この形成は、ドライエッチングによる孔パターンの形成の後に、この孔パターンのなかに導電性の材料を埋め込む。材料としては、従来のSi LSIプロセスで用いられるn+ poly Siを用いてもよいし、TiNやWやTa,Tiのような材料をCVDで埋め込んでもよい。また強誘電性絶縁膜と相性のよいPt,Ru,Ir,Pd,Rh,Os,Hf,Zrやそれらの酸化物であり導電性のもの(例えばRuO2,IrO2)などを用いてもよい。さらにはそれらの積層膜を用いてもよい。RuO2やIrO2などはMOCVD法のようなCVDプロセスを用いて形成すれば、孔パターン内の断線がなく形成することができ、その上にRuやIrなどを積層させると、RuやIrなどの材料は酸素に対するバリア層の役割をするため、この後の工程での対酸化性を向上することができる。
キャパシタ用プラグ211を形成の後に、実施例3で説明したようなプロセスで、キャパシタ上部電極214、キャパシタ絶縁膜213、サイドウオールスペーサー217、キャパシタ下部電極212、バリアメタル219を形成してある。この形成方法としては実施例3で説明したようにWハードマスクを用いてPtエッチングはArスパッタで、PZTエッチングはCF4+Arガスで一括ドライエッチングで形成してもよい。またサイドウオールスペーサー217としてAl原子を含む絶縁物を用いて(例えばAl2O3)PtのドライエッチングをF系のガスでドライエッチングしてもよい。またPZTのエッチングやPtのエッチングにCl系やBr系のガスを用いても、エッチング条件等を十分に検討すれば、実用上は問題がない加工が可能である。またキャパシタ下部電極としてはPt以外にRu,Ir,Pd,Rh,Os,Hfや、それらの酸化物であり導電性のあるものを用いてもよい。またPZT以外の強誘電性絶縁物(Biを含む絶縁膜、LaやYを含む絶縁膜、BaやSrを含む絶縁膜、Cuを含む絶縁膜)を用いてもよい。またキャパシタ上部電極としては、キャパシタ下部電極材料のほかに、ハードマスクとして用いることのできるWやAlを用いてもよいし、TiN,Taを用いてもよいし、Cu,Ag,Auなどを用いてもよいし、それらの積層膜を用いてもよい。
キャパシタ部形成の後に、本実施例ではキャパシタ用絶縁保護膜215を形成してある。本実施例ではこの膜はリフロー膜とCMPの組み合わせにより平坦化してある。完全な平坦化は必須ではないが、この後の配線の信頼性を高めるためには、極力平坦化しておくことが望ましい。平坦化の方法や材料はビット線段差平坦化絶縁膜の形成や、ワード線段差平坦化絶縁膜の形成と同様にすればよい。さらに、キャパシタ部の材料と相性のよいTiやZrやPbなどの酸化膜をキャパシタ部の保護絶縁膜としてCVD法を用いて形成してから、リフロー絶縁膜を形成して積層膜にしてもよい。また強誘電性絶縁膜は還元性の雰囲気やH原子が発生する雰囲気では特性劣化しやすいので、オゾン-TEOSによるCVD-SiO2膜や、PIQ(ポリイミドイソインドロキナゾリンジオン)などの有機系絶縁物を用いるのもよい。
キャパシタ用絶縁保護膜215形成の後に、本実施例ではプレート電極216を形成してある。この材料としては、n+ poly SiやWのような従来Si LSIプロセスで用いられている材料を用いればよい。下地を十分に平坦化していれば、この電極材料としてスパッタ法で堆積した導電性材料を用いればよいし、第20図に示したような段差のある構造の場合には、CVD法などを用いて導電性材料を堆積すればよい。堆積した導電性材料をドライエッチングにより加工することにより、第22図に示す構造を形成できる。
第22図には、メモリーセル部の断面図の、プレート電極形成までの断面図を示した。実際のメモリーは、さらに2層程度の配線層を形成して、メモリーセル部と周辺回路とをつなぐ必要があること、さらにパッケージングをすることが必要であることはいうまでもない。
(実施例7)
第23図に、本発明におけるメモリーセルの平面レイアウトの他の実施例を示す。このレイアウトは、2交点セルと、キャパシタをビット線上に形成するCOB(Capacitor Over Bitline)構造とを用いるレイアウトである。各メモリーセルのトランジスタ(図中では明記していない)はビット線208を介して周辺回路(図示していない)に接続されている。トランジスタとビット線208の接続部分は、アクティブ領域218の一部に形成したビット線用プラグ207の部分である。トランジスタの動作は、ワード線(ゲート電極)203により制御される。このワード線(ゲート電極)203は、周辺回路(図示していない)に接続されている。トランジスタからキャパシタ部220へは、キャパシタ用プラグ211を介して接続する。キャパシタ部220はプレート電極216を介して、周辺回路(図示していない)に接続されている。
この平面レイアウトの第1の特徴は、ビット線208 1本に対してプレート電極216を1本を配線することである。このようなレイアウトとすることにより、プレート電極216の容量を通常のDRAMよりも小さくできるので、プレート電極216の電位を周辺回路で制御することが容易になる。そのため、強誘電性を用いた不揮発メモリー動作が容易になる。本実施例では、ビット線1本に対してプレート電極を1本の例について説明したが、プレート電極の本数としては、2本以上のビット線に対してプレート電極を1本にしてもよい。ただしプレート電極の本数が少なくなるとプレート電極の容量が大きくなって、周辺回路による制御が難しくなる。プレート電極の本数は、メモリーの用途によってその最適数が変わってくる。
この平面レイアウトの第2の特徴は、プレート電極216をビット線208と同一方向に配線することである。このため、プレート電極216の電位を周辺回路により制御するときに、その電位をビット線208の電位と同期して制御することが可能となる。
(実施例8)
第24図に、本発明におけるメモリーセルの平面レイアウトの他の実施例を示す。このレイアウトは、2交点セルと、キャパシタをビット線上に形成するCOB(Capacitor Over Bitline)構造とを用いるレイアウトである。各メモリーセルのトランジスタ(図中では明記していない)はビット線208を介して周辺回路(図示していない)に接続されている。トランジスタとビット線208の接続部分は、アクティブ領域218の一部に形成したビット線用プラグ207の部分である。トランジスタの動作は、ワード線(ゲート電極)203により制御される。このワード線(ゲート電極)203は、周辺回路(図示していない)に接続されている。トランジスタからキャパシタ部220へは、キャパシタ用プラグ211を介して接続する。キャパシタ部220はプレート電極216を介して、周辺回路(図示していない)に接続されている。
この平面レイアウトの第1の特徴は、DRAM動作を主と考えて1つのプレート電極216でキャパシタを制御することである。
このようなレイアウトとすることにより、DRAM動作に必要な基準電位をキャパシタに印加することができる。また周辺回路の駆動能力を十分に大きくすれば、不揮発性動作も可能である。1つのプレート電極216で制御するキャパシタ数は、メモリーの用途により調整すればよい。
第25図に、第24図中の一断面構造(断面A−A’)を示す。この断面構造は、プレート電極216以外は、実施例8で説明した図202と基本的に同じである。プレート電極216の加工も、実施例8と同様に、必要な大きさに加工すればよい。
本発明により、エッチング反応生成物の揮発性が低い電極材料を用いた高誘電体・強誘電体キャパシタを用いる半導体メモリーにおいて、一回のリソグラフィー工程のみでキャパシタを加工するときの問題であった電極間のショートを防ぐことができる。その結果、マスク合わせの余裕が不要になり、微細なキャパシタを用いた高集積半導体メモリーを加工することが可能になる。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明は高信頼度、高集積のキャパシタとして有用であり、1ギガビット以上の大容量DRAMに用いるのに適している。
Technical field
The present invention relates to a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a dynamic random access memory (DRAM) or a polarization inversion type nonvolatile memory suitable for a large scale integrated memory.
Background art
To obtain a small-area and large-capacity capacitor suitable for large-scale integrated memory, Ta is used as a capacitor insulating film. 2 O Five It is effective to use a high dielectric insulating film such as BST or BST. If a ferroelectric insulating film such as PZT is used as a capacitor insulating film, a nonvolatile memory using spontaneous polarization can be obtained. Ferroelectric materials have extremely large relative dielectric constants of hundreds to thousands, and are effective as capacitor insulating films for dynamic random access memories.
When a high dielectric insulating film or a ferroelectric insulating film is used as a capacitor insulating film, it is important to select an electrode material. This is because if the electrode material is oxidized during the formation of the insulating film to form an insulator having a low dielectric constant, the capacitance of the capacitor is reduced.
Therefore, materials that are difficult to oxidize or materials in which oxides become conductors have been selected as electrode materials. Pt, Os, Au, etc. are those that are not easily oxidized, and Pt is generally used. RuO is a material that makes oxides conductive 2 , IrO 2 Ru and RuO as electrode materials 2 , Ir, IrO 2 Etc. are used.
As a capacitor structure using these insulating films and electrode materials, a structure as shown in FIG. 26 was reported in 1994 IEDM (International ELECTRON DEVICES Meeting) Technical Digest, P.843-P.846. This structure requires a plurality of masks and has a small effective area with respect to the entire area of the capacitor.
A technique for processing the upper electrode, the insulating film, and the lower electrode as shown in FIG. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 310 (1993) P.127-P.133, JP-A 05-299601 and JP-A 6-342774.
Further, as a Pt etching method, a technique for performing etching while suppressing re-deposition of Pt using a Ti mask is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-89662.
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-159679 discloses a technique for eliminating the distortion of the film thickness change due to polarization inversion by changing the area of the upper electrode and the lower electrode or by obliquely processing the end of the ferroelectric insulating film. It is disclosed in the publication.
Further, a technique for increasing a mask alignment margin and preventing a short circuit between electrodes by forming a sidewall after etching the lower electrode and the ferroelectric insulating film and then forming the upper electrode is disclosed in JP This is disclosed in JP-A-6-132482.
By the way, it has been recognized by the inventors of the present invention that there are the following problems when the structure shown in FIG. 27 is dry-etched.
As shown in FIG. 28, there is a problem that the sidewall adhesion film 113 mainly composed of an electrode material adheres to the sidewalls of the mask 112, the upper metal electrode 111, the capacitor insulating film 109, and the lower metal electrode.
This is remarkable when Pt or the like that is hardly oxidized is used as an electrode material. The fact that it is difficult to oxidize means that it is difficult to change to a volatile substance by a chemical reaction, and the electrode material is etched mainly by physical sputtering. This sputtered electrode material adheres to the side walls. RuO with oxide as conductor 2 Or IrO 2 However, since the volatility of the etching reaction product is low, the sidewall adhesion film 113 is also formed.
The side wall adhesion film 113 causes a short circuit of the capacitor and needs to be removed. However, wet cleaning using an acid or the like has a problem that the capacitor insulating film deteriorates.
Next, techniques proposed prior to the present invention will be described below as a solution to the above problems.
The proposed technique uses the fact that the etching rate in dry etching varies depending on the incident angle of ions, thereby removing the side wall deposits of the electrode material by self-cleaning during dry etching.
The principle of this self-cleaning is shown in FIG. The etch rate depends on the angle θ. This is R (θ). Since θ = 0 at the bottom surface, the etching rate at the bottom surface of the electrode material is R (0). If the proportion α of the etched electrode material adheres to the pattern sidewall, the deposition rate is αR (0). When the taper angle of the pattern is θ, the etching rate of the deposited film on the side wall is R (θ). Here, in order to obtain a cleaner side wall than the self-cleaning, it is necessary that the etching rate R (θ) on the side wall is higher than the thickness αR (0) / cos θ in the vertical direction of the adhesion film. That is, αR (0) / cos θ ≦ R (θ) is a condition for obtaining a clean sidewall. When this conditional expression is modified, R (θ) cos θ / R (0) ≧ α is established, the left side is a value that can be calculated from literature values, and the right side is a value that can be obtained from experiments. These calculated values and experimental values are shown in FIG. When α = 0.3 obtained from experimental values is used, it can be seen that when the taper angle is 75 degrees or less, dry etching without a sidewall adhesion film is possible by self-cleaning. That is, if the taper angle of the mask and the capacitor is 75 degrees or less, the problem of the side wall deposit can be solved.
FIG. 31 shows an improved capacitor structure based on the above knowledge. The semiconductor memory device shown in FIG. 31 is a fragmentary cross-sectional view of the stage where even the capacitors of the semiconductor memory are formed.
In FIG. 31, an element isolation region 102 is first formed on a semiconductor substrate 101. Next, a MOS transistor including the gate electrode 104 and the diffusion layer 105 is formed. Next, after flattening with the interlayer insulating film 105, the plug 106 is formed in the through hole of the interlayer insulating film 105 by using CVD and dry etching. On this plug, a barrier layer 107, a lower metal electrode 108, a capacitor insulating film 109, and an upper metal electrode 111 are formed by deposition of each layer and dry etching using a mask 112. Here, the mask 112 has a taper shape with a taper angle of 75 degrees or less in advance, and the taper angle of the capacitor can be formed to 75 degrees or less by dry etching processing based on Ar physical sputtering. In this way, a capacitor without a sidewall adhesion film can be formed. Since the completed capacitor has a tapered shape, depending on the film thickness of each layer of the capacitor, there is a limit in the degree of integration due to an increase in the bottom area of the capacitor, but there is no problem in practical use.
However, in a semiconductor memory such as a gigabit generation DRAM, it is a big problem to reduce the cell area and increase the degree of integration as the capacity increases.
Therefore, a typical object of the present invention is to overcome the above-described problems, and to provide a highly integrated and highly reliable semiconductor memory device.
Another representative object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of realizing the semiconductor memory device described above by a relatively simple process.
Disclosure of the invention
According to a semiconductor memory device according to a representative embodiment of the present invention, a multilayer capacitor including a lower electrode, an insulating film, and an upper electrode is provided on a main surface of a semiconductor substrate, and charges are accumulated in the capacitor. Alternatively, in a semiconductor memory device having a function of storing an electric signal by inversion of polarization of an insulating film, a side wall spacer is provided on a side of the capacitor, and the upper electrode is positioned inside the side wall spacer. Yes. As a result, the side portion of the lower electrode and the side portion of the upper electrode are reliably electrically separated, so that there is no short circuit between the two electrodes, and a semiconductor memory device particularly suitable for high integration is obtained.
According to a method of manufacturing a semiconductor memory device having a multilayer capacitor according to a representative embodiment of the present invention, a sidewall spacer is formed after dry etching of an upper electrode and prior to dry etching of a lower electrode. It is a feature. As a result, the tapered portion of the sidewall spacer is free of side-wall deposits due to self-cleaning during dry etching, so that processing without a short circuit is possible, and semiconductor memory with high reliability and high integration is achieved. A device is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of the principal part showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG.
4 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG.
FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG. 4.
6 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG.
FIG. 7 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG. 6.
FIG. 8 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG. 7.
FIG. 9 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG.
FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG. 9.
FIG. 11 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG.
FIG. 12 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG. 11.
FIG. 13 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG. 12.
FIG. 14 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, following FIG. 13.
FIG. 15 is a fragmentary cross-sectional view showing a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a fragmentary cross-sectional view showing a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a fragmentary cross-sectional view showing a semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a fragmentary cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the fifth embodiment of the present invention, following FIG. 18.
FIG. 20 is a fragmentary cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the sixth embodiment of the present invention, following FIG. 19.
FIG. 21 is a plan view showing a memory cell layout according to the sixth embodiment, in particular, to which the first embodiment is applied.
22 is a cross-sectional view taken along line AA ′ shown in FIG.
FIG. 23 is a plan view showing another memory cell layout according to the seventh embodiment, in particular to which the first embodiment is applied.
FIG. 24 is a plan view showing another memory cell layout according to the eighth embodiment, in particular, to which the first embodiment is applied.
FIG. 25 is a cross-sectional view taken along line AA ′ shown in FIG.
FIG. 26 is a sectional view of a principal part of a conventionally known memory cell.
FIG. 27 is a cross-sectional view of a principal part of another conventionally known memory cell.
FIG. 28 is a fragmentary cross-sectional view for explaining a problem in the method of manufacturing the memory cell shown in FIG. 27.
FIG. 29 is an explanatory view of how to obtain the clean sidewall condition, which is a means of the present invention.
FIG. 30 is a graph showing the range of clean sidewall conditions, which is a means of the present invention.
FIG. 31 is a cross-sectional view of the main part of the previously proposed capacitor.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
For a more detailed description of the present invention, reference will now be made to the accompanying drawings.
(Example 1)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor memory device (hereinafter referred to as a semiconductor memory) at a stage where capacitors are formed. The manufacturing process of this semiconductor memory will be briefly described as follows.
First, an element isolation region 102 is formed on the substrate 101. Next, a MISFET (insulated gate field effect transistor) is formed by the gate electrode 104 and the semiconductor region (diffusion layer) 103.
Next, after flattening with the interlayer insulating film 105, the plug 106 is formed using CVD and dry etching. A barrier layer 107, a lower metal electrode 108, a capacitor insulating film 109, and an upper metal electrode 111 are formed on the plug 106 by dry etching using the same mask as the deposition of each layer. A barrier layer 107, a lower metal electrode 108, a capacitor insulating film 109, and an upper metal electrode 111 are formed on the plug 106 by dry etching using the same mask as the deposition of each layer.
In this embodiment, the sidewall spacer 114 is formed after etching the upper electrode 111 and the capacitor insulating film 109, and then the lower metal electrode 108 and the barrier layer 107 are etched to form a capacitor. Since the side wall spacer 114 has a taper angle (θ), the attached electrode material is removed by self-cleaning at this portion, so that a capacitor having no sidewall adhesion film can be formed.
As is clear from this example, the completed multilayer capacitor has the side portion of the upper electrode 111 covered with the side wall spacer 114. That is, the upper electrode 111 is positioned inside the sidewall spacer 114.
The method for forming the capacitor will be specifically described with reference to cross-sectional views of relevant parts showing the manufacturing process shown in FIGS.
First, as shown in FIG. 2, an element isolation region 102 is formed in a semiconductor substrate (for example, a P-type Si substrate or a P-type well region) 101. Specifically, the element isolation region 102 is made of an oxide film selectively formed on the main surface of the semiconductor substrate 101 by a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) technique. Next, a MISFET is formed by the gate electrode 104 and the diffusion layer 103. Although the gate oxide film under the gate electrode 104 is omitted in FIG. 2, it is formed to a predetermined thickness prior to the formation of the gate electrode.
Next, an interlayer insulating film, for example, an SOG (Spin On Glass) film 105 is coated and planarized by a reflow process, and then a through hole is provided in the interlayer insulating film 105. Then, the W (tungsten) plug 106 is formed so as to fill the through hole provided in the interlayer insulating film 105 by using the CVD technique and the etch back by dry etching. A capacitor is formed on the plug 106. That is, a barrier layer 107, a lower metal layer 115, an insulating film layer 116, an upper metal layer 117, a hard mask layer 118, and a resist mask 119 are sequentially formed on the plug 106. When Pt is used for the lower metal layer and the upper metal layer, if P is used for the hard mask layer 118, a Pt / W selection ratio of 2 or more can be obtained by etching using Ar plasma. The hard mask layer 118 has SiO 2 And Si 2 N Three Or Al 2 O Three An insulator such as Al or Cu may be used. The barrier layer 107 is preferably TiN. As the insulating film layer 116, Ta 2 O Five In addition to high dielectrics such as BST and ferroelectrics such as PZT and PLZT, SiO 2 And Si 2 N Three In the case of using a dielectric such as the above, there is an effect in the case where the electrode material forms a sidewall deposit by etching.
Next, as shown in FIG. 3, a hard mask 120 is formed. The hard mask 120 is processed to have a taper angle of 75 degrees or less. As a taper processing method, when a metal is used as a hard mask, taper processing can be performed if processing is performed under the condition that side etching is performed by dry etching, or processing may be performed by wet etching. When an insulator is used as a hard mask, it can be processed by time modulation dry etching in which deposition and dry etching are alternately performed, or by wet etching. For example, when using W as a hard mask, SF 6 If the temperature of the substrate (semiconductor substrate) is etched near room temperature by dry etching using plasma, taper processing by side etching is possible. By controlling the amount of side etching by substrate temperature and by controlling ion energy by bias, The taper angle can be controlled.
Next, as shown in FIG. 4, the resist mask on the hard mask 120 is removed by an ashing process.
Next, as shown in FIG. 5, the upper metal layer (117) is dry-etched to form an upper metal electrode 111. When Pt is used as the upper metal layer, etching can be performed at an etching rate of 20 nm / min by sputtering with Ar gas under conditions of a pressure of 10 mTorr and RF 500 W using, for example, a parallel plate type dry etching apparatus. When W is used as the hard mask 120, 3 is obtained as the mask selection ratio under this condition. Even when using materials that are not easily oxidized such as Pt, Os, Pd, and Au as electrode materials, Ru, Ir, and RuO 2 Or IrO 2 Even when a material such as oxide that exhibits conductivity is used, dry etching may be performed by physical sputtering using a rare gas plasma such as Ar, or dry etching using a halogen-based gas containing F, Cl, Br, or the like. But you can. Even with dry etching by physical sputtering using Ar gas plasma with Pt, if the hard mask 120 has a taper angle of 75 degrees or less, dry etching without sidewall deposits on the sidewall of the hard mask 120 by self-cleaning during dry etching Can do.
Next, as shown in FIG. 6, the capacitor insulating film 109 is processed by etching. When sputtering using Ar plasma or the like is used for this etching, since the selection ratio with the lower metal layer 115 is low, the base metal layer 115 is scraped off at the end of etching to form a sidewall adhesion film on the sidewall of the capacitor insulating film 109. However, there is no practical problem if the in-plane distribution of the etching rate is uniformly controlled. Also Cl 2 And CF Four And SF 6 If a gas containing halogen such as the above, a mixed gas thereof, or a mixed gas with a rare gas is used, the selectivity with respect to the lower metal layer is increased, and the underlying metal layer 115 is less likely to be scraped. Further, as will be described later, before the etching of the capacitor insulating film 109 is completed, the process may proceed to the next step. When using PZT as the capacitor insulating film, for example, Ar and CF are used as etching gases. Four Etching can be performed at a PZT etch rate of 40 nm / min with a parallel plate type etching apparatus at an RF of 500 W and a pressure of 10 mTorr using a gas mixed with a gas of 1: 1. When W is used as the hard mask 120, a mask-to-mask selection ratio of 4 under this condition is obtained. When Pt is used as the lower metal layer, a selectivity ratio of 3 to the lower metal under this etching condition is obtained.
Next, as shown in FIG. 7, an insulating film layer 121 is deposited by the CVD method. Specifically, the insulating film layer 121 is made of SiO. 2 It is a membrane. Then, sidewall spacers 114 are formed by etching back as shown in FIG. The material of the insulating film layer 121 is SiO 2 Besides Si Three N Four , Al 2 O Three , TiO 2 , Ta 2 O Five A material that can be deposited by CVD is selected.
Next, as shown in FIG. 9, the lower metal layer (115) is etched to form the lower metal electrode. At this time, the sidewall adhesion film 113 adheres to the vertical part of the pattern, but the sidewall adhesion film does not adhere to the sidewalls of the hard mask 120 and the side wall spacer 114 because of the taper angle. For example, side wall spacer 114 has SiO 2 When Pt is used as the lower metal layer using Ar, Pt / SiO is used for sputtering with Ar gas plasma. 2 Since the etch rate ratio is about 1, the side wall spacer 114 is also etched during the lower Pt etching. If the side wall spacer 114 is etched by the height of the hard mask 120 during this lower Pt etching, the side wall spacer 114 is formed only beside the upper metal electrode 111 and the capacitor insulating film 109 as shown in FIG. Can be processed. Such processing controls the height of the hard mask when the side wall spacer shown in FIG. 8 is formed (this can be controlled by the deposited film thickness of the hard mask layer), and CF Four Pt / SiO by adding gas etc. 2 It can be formed by controlling the etch rate ratio. The conditions and film thickness for this processing differ depending on the material of the lower electrode, the material of the side wall spacer, the etching gas and the etching apparatus, but it can be processed by controlling the thickness of the hard mask layer and the etching rate ratio. .
The side wall adhesion film 113 does not need to be removed because there is no side wall spacer 114, so it does not have to be removed. However, it can be removed to improve process reliability and suppress product characteristic variations. desirable. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 10, the sidewall adhesion film was removed by wet processing. As a treatment method, aqua regia is effective in the case of PT deposits, and in the case of other substances, solution treatment may be performed according to the type. Further, downflow plasma treatment, vapor treatment, etc. are also effective depending on the type of the lower metal material. When Pt is used as in this embodiment, aqua regia is effective, and when a metal material such as W is used as the hard mask, the hard mask is also removed at the same time.
Next, as shown in FIG. 11, the barrier layer 107 is etched. The order of this etching and removal of the sidewall adhesion film may be interchanged.
Next, as shown in FIG. 12, an insulating film layer 122 is deposited. If a reflow film such as BPSG or SOG is used as the deposited film, a flat surface necessary for the following wiring process can be formed at this point. Since a flat surface can be formed by using an etch back technique, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) technique, or the like, a sputter insulating film or a CVD insulating film may be used.
Next, as shown in FIG. 13, the insulating film layer 122 is processed by etching or CMP until the upper metal electrode 111 is exposed.
Next, as shown in FIG. 14, a plate electrode 123 is formed. The plate electrode 123 is processed for wiring as necessary. Furthermore, a DRAM device is formed by performing necessary wiring processing.
By using the manufacturing method described above, it is possible to form a multilayer capacitor that does not have a short circuit due to a sidewall adhesion film even when a material with low volatility of an etching reaction product is used as an electrode material. A highly integrated and highly reliable semiconductor memory can be formed without degrading the characteristics of the high dielectric / ferroelectric insulator by using a simple electrode material.
(Example 2)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 15, even if the sidewall spacer 114 is formed immediately after the etching of the upper metal electrode 111 and the capacitor insulating film 109 and the lower metal electrode 108 are subsequently etched, Short circuit between the upper metal electrode 111 and the lower metal electrode 108 due to 113 can be prevented. In this example, since the capacitor insulating film 109 is in contact with the sidewall adhesion film 113, the electrical characteristics of the capacitor insulation film 109 may be deteriorated when the sidewall adhesion film 113 is removed by wet processing. A memory is formed with the film 113 left. If the sidewall adhesion film 113 can be removed without deteriorating the electrical characteristics, the treatment may be performed.
According to the present embodiment, the capacitor insulating film 109 and the lower metal electrode 108 have substantially the same size, and the length of the lower side of the upper metal electrode 111 is shorter than the length of the upper side of the insulating film 109. It is said. That is, in FIG. 15, the relationship is Le <Li.
(Example 3)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 16, a sidewall spacer 114 is formed during the etching process of the capacitor insulating film 109. In the method described in the third embodiment, when the in-plane uniformity of etching is poor, the base metal film is scraped at the end of the etching of the capacitor insulating film 109, and the upper metal electrode and the lower metal are formed before forming the sidewall spacer. A short circuit may occur between the layers due to the sidewall adhesion film.
According to this embodiment, the length of the upper side of the insulating film 109 is shorter than the length of the lower side of the insulator 109. That is, in FIG. 16, there is a relationship of Lbi> Lui.
By adopting the structure of this embodiment, this short-circuit problem can be prevented.
(Example 4)
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 17 shows a structure formed by the method described in Example 1 except that the step of removing the sidewall adhesion film 113 is omitted. When the sidewall adhesion film 113 is a stable material such as Pt, it is not necessary to remove it, so that it can be manufactured at low cost by omitting the process.
(Example 5)
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, some steps are omitted from the method of the first embodiment. The omitted process is a process of flattening with a reflow film or CMP after the capacitor is formed by etching.
The semiconductor memory shown in FIG. 18 is formed by the following process.
An element isolation region 102 is formed on the semiconductor substrate 101, and a gate electrode (not shown in the figure) and a diffusion layer 103 are formed. Then, after forming the interlayer insulating film 105 and the plug 106, the upper metal electrode 111, the capacitor insulating film 109, the sidewall spacer 114, and the lower metal electrode 108 are formed using a film deposition and etching process, and a sidewall adhesion film removing process. Then, the barrier layer 107 is etched to form a capacitor. Up to this point, the method is the same as that described in the first embodiment.
Thereafter, a CVD insulating film layer 121 is deposited. As shown in the figure, the deposited film thickness is a film thickness of 1/2 or more of the interval between adjacent capacitors. As the material for the insulating film layer, the materials described in Embodiment 3 may be used. Next, as shown in FIG. 19, the capacitor isolation portion 124 is formed by etching back the CVD insulating film layer. Etching back a CVD insulating film layer deposited at least half of the capacitor interval reduces the step between the capacitors. Next, as shown in FIG. 20, a plate electrode 123 is formed. Since the step is relaxed by the capacitor separation portion 124, the plate electrode 123 can be formed as a highly reliable plate electrode that does not break even when a sputtering method is used. In order to alleviate the level difference, the CVD insulating film layer may be thickened. However, if the thickness is increased, the processing time of the deposition and etching steps becomes long and the throughput decreases, but there is no problem in practical use. In addition, if the CVD insulating film layer is thinner than 1/2, the effect of reducing the step is reduced. However, in the case where the capacitor thickness is thin and the design is wide, the capacitor isolation portion 124 is not perpendicular to the capacitor side wall. It is effective because the steps are inclined. This embodiment is effective particularly when a fine and highly integrated memory is manufactured, when the height of the capacitor is approximately the same as the capacitor interval, and the step between the capacitors is steep. Even in such a case, processing can be performed without using time-consuming processes such as reflow and CMP, so that throughput can be increased.
(Example 6)
FIG. 21 shows an embodiment of the planar layout of the memory cell in the present invention.
This layout is a layout using a two-intersection cell and a COB (Capacitor Over Bitline) structure in which a capacitor is formed on a bit line. A transistor (not shown in the figure) of each memory cell is connected to a peripheral circuit (not shown) via a bit line 208. A connection portion between the transistor and the bit line 208 is a portion of the bit line plug 207 formed in a part of the active region 218. The operation of the transistor is controlled by a word line (gate electrode) 203. The word line (gate electrode) 203 is connected to a peripheral circuit (not shown). The transistor is connected to the capacitor unit 220 via a capacitor plug 211. The capacitor unit 220 is connected to a peripheral circuit (not shown) through the plate electrode 216.
The first feature of this planar layout is that one plate electrode 216 is wired for two word lines 203. With such a layout, the capacity of the plate electrode 216 can be made smaller than that of a normal DRAM, so that the potential of the plate electrode 216 can be easily controlled by a peripheral circuit. This facilitates nonvolatile memory operation using ferroelectricity. In this embodiment, an example in which one plate electrode is provided for two word lines has been described. However, the number of plate electrodes may be one plate electrode for one word line. One plate electrode may be provided for more than one word line. However, when the number of plate electrodes increases, it becomes difficult to increase the degree of integration, and when the number of plate electrodes decreases, the capacity of the plate electrodes increases and control by peripheral circuits becomes difficult. The optimum number of plate electrodes varies depending on the memory application.
The second feature of this planar layout is that the plate electrode 216 is wired in the same direction as the word line (gate electrode) 203. Therefore, when the potential of the plate electrode 216 is controlled by the peripheral circuit, the potential can be controlled in synchronization with the potential of the word line 203.
FIG. 22 shows a cross sectional structure (cross section AA ′) of FIG. This cross-sectional structure will be described below.
An element isolating SiO2 202 is formed on the Si substrate 201. A MISFET composed of a gate oxide film (not explicitly shown), a word line (gate electrode) 203 and a diffusion layer 204 is formed in the element region. In this embodiment, the word line 203 is processed by dry etching using SiO2 222 as a mask, and SiO2 2 222 is used as it is as an insulating protective film for the word line. This SiO 2 Although it is not necessary to leave 222, if the structure of this embodiment is used, the removal step can be eliminated, and it also acts as a protective film when the gate electrode spacer 221 is formed. As the word line, doped poly Si often used as a normal gate electrode or silicide such as WSi, MoSi, CoSi may be used. Or metal materials, such as W and TiN, or those laminated films may be sufficient.
A gate electrode spacer 221 is formed on the word line (gate electrode) 203. Although this gate electrode spacer is not essential, it has the effect of relaxing the step and the effect of preventing electrical shorts, so that a highly reliable COB structure can be formed.
An insulating protective film 205 for word lines is formed on the word lines (gate electrodes) 203. This protective film is not necessarily required, but has an effect of preventing electrical short when dry etching for forming the bit line plug 207 and the capacitor plug 211, and the word line insulating protective film 205 The material is changed with the word line step flattening insulating film 206 (for example, Si Three N Four And SiO 2 ), The above-described plug portion can be dry etched in a self-aligning manner by using highly selective dry etching between insulating films.
A step formed by the formation of the word line (gate electrode) 203 is flattened by a word line step flattening insulating film 206. As a material of this insulating film, a fluid insulating film (such as BPSG) or a CVD insulating film may be used. As a planarization method, reflow of a fluid insulating film, whole surface etch back by dry etching, polishing such as CMP, or a combination thereof may be used. In this embodiment, the word line step planarizing insulating film 206 is formed by polishing the BPSG reflow film with CMP. Since this film is easily etched by dry etching, an insulating protective film 223 for a planarizing insulating film is formed in this embodiment. If this film is formed by CVD or sputter deposition, a film denser than the reflow film can be formed. The material of the film is SiO 2 And S Three N Four It may be used in a normal Si LSI process such as.
A bit line plug 207 is formed after the formation of the insulating protective film 223 for the planarization insulating film. In this embodiment, the bit line plug 207 is formed by forming a hole pattern by dry etching and then using n + poly Si by the CVD method. The bit line plug 207 may be made of a material such as TiN in addition to n + poly Si. As the bit line plug 207 is formed, a bit line 208 shown in FIG. 21 is also formed. As this material, a material such as n + poly Si, silicide, or a laminated film thereof may be used.
In this embodiment, the bit line insulating protective film 209 is formed after the bit line plug 207 and the bit line 208 (shown in FIG. 21) are formed. This film is not essential, but has the same effect as the insulating protection film 205 for word lines. Further, a bit line step flattening insulating film 210 is formed thereon. The formation method and material of this film may be considered in the same manner as the word line step flattening insulating film 206. Further, an insulating protective film 224 for the planarizing insulating film is formed on this film in this embodiment. This protective film is not essential, but has the same effect as the above-described insulating protective film for planarization insulating film 223. Furthermore, since this film becomes the base film in capacitor dry etching, Al 2 O Three When an insulating film containing Al atoms is used, highly selective dry etching can be performed in dry etching of capacitors. In this embodiment, Pt is used as the capacitor lower electrode 212. However, when Pt is dry-etched with an F-based gas, it can be processed in a shape closer to vertical than dry etching using Ar or Cl-based gas. At this time, if a material containing Al atoms is used as the underlayer, the reaction product AlF Three Because of its low volatility, the etching resistance is high, so that highly selective dry etching can be performed. In this processing, if a material containing Al atoms such as Al is used as the mask material, Pt dry etching having a high selectivity with respect to the mask / underlayer can be performed.
After the formation of the planarization insulating film insulating protective film 224, a capacitor plug 211 is formed. In this formation, after the hole pattern is formed by dry etching, a conductive material is embedded in the hole pattern. As a material, n + poly Si used in the conventional Si LSI process may be used, or materials such as TiN, W, Ta, and Ti may be embedded by CVD. Also, Pt, Ru, Ir, Pd, Rh, Os, Hf, Zr and their oxides, which are compatible with ferroelectric insulating films, are conductive (for example, RuO 2 , IrO 2 ) Etc. may be used. Furthermore, you may use those laminated films. RuO 2 Or IrO 2 If a CVD process such as MOCVD method is used, it can be formed without disconnection in the hole pattern. If Ru or Ir is stacked on top of it, materials such as Ru and Ir can be used against oxygen. Since it functions as a barrier layer, it is possible to improve the oxidation resistance in the subsequent steps.
After the capacitor plug 211 is formed, the capacitor upper electrode 214, the capacitor insulating film 213, the sidewall spacer 217, the capacitor lower electrode 212, and the barrier metal 219 are formed by the process described in the third embodiment. As described in Example 3, the Pt etching is Ar sputtering using the W hard mask, and the PZT etching is CF. Four It may be formed by collective dry etching with + Ar gas. Further, an insulator containing Al atoms is used as the side wall spacer 217 (for example, Al 2 O Three ) Pt dry etching may be performed with F-based gas. Even if a Cl-based or Br-based gas is used for PZT etching or Pt etching, if there are sufficient considerations of the etching conditions and the like, processing with no problem in practice is possible. In addition to Pt, Ru, Ir, Pd, Rh, Os, Hf, or an oxide thereof, which is conductive, may be used as the capacitor lower electrode. Alternatively, a ferroelectric insulator other than PZT (an insulating film containing Bi, an insulating film containing La or Y, an insulating film containing Ba or Sr, or an insulating film containing Cu) may be used. As the capacitor upper electrode, in addition to the capacitor lower electrode material, W or Al that can be used as a hard mask may be used, TiN or Ta may be used, or Cu, Ag, Au, or the like may be used. Alternatively, a laminated film thereof may be used.
In this embodiment, the capacitor insulating protective film 215 is formed after the capacitor portion is formed. In this embodiment, this film is flattened by a combination of a reflow film and CMP. Although complete flattening is not essential, it is desirable to flatten as much as possible in order to increase the reliability of subsequent wiring. The planarization method and material may be the same as the formation of the bit line step planarization insulating film and the word line step planarization insulating film. Furthermore, an oxide film such as Ti, Zr, or Pb that is compatible with the material of the capacitor portion may be formed as a protective insulating film of the capacitor portion using the CVD method, and then a reflow insulating film may be formed to form a laminated film. . Ferroelectric insulation films are susceptible to degradation in reducing atmospheres or atmospheres where H atoms are generated. 2 A film or an organic insulator such as PIQ (polyimide isoindoloquinazolinedione) may be used.
In this embodiment, the plate electrode 216 is formed after the capacitor insulating protective film 215 is formed. As this material, a material used in a conventional Si LSI process such as n + poly Si or W may be used. If the base is sufficiently flattened, a conductive material deposited by sputtering may be used as this electrode material. In the case of a stepped structure as shown in FIG. 20, a CVD method or the like is used. Then, a conductive material may be deposited. The structure shown in FIG. 22 can be formed by processing the deposited conductive material by dry etching.
FIG. 22 shows a cross-sectional view of the memory cell portion up to plate electrode formation. It goes without saying that an actual memory needs to be further packaged by forming two or more wiring layers to connect the memory cell portion and the peripheral circuit.
(Example 7)
FIG. 23 shows another embodiment of the planar layout of the memory cell in the present invention. This layout is a layout using a two-intersection cell and a COB (Capacitor Over Bitline) structure in which a capacitor is formed on a bit line. A transistor (not shown in the figure) of each memory cell is connected to a peripheral circuit (not shown) via a bit line 208. A connection portion between the transistor and the bit line 208 is a portion of the bit line plug 207 formed in a part of the active region 218. The operation of the transistor is controlled by a word line (gate electrode) 203. The word line (gate electrode) 203 is connected to a peripheral circuit (not shown). The transistor is connected to the capacitor unit 220 via a capacitor plug 211. The capacitor unit 220 is connected to a peripheral circuit (not shown) through the plate electrode 216.
The first feature of this planar layout is that one plate electrode 216 is wired for one bit line 208. With such a layout, the capacity of the plate electrode 216 can be made smaller than that of a normal DRAM, so that the potential of the plate electrode 216 can be easily controlled by a peripheral circuit. This facilitates nonvolatile memory operation using ferroelectricity. In this embodiment, an example in which one plate electrode is provided for one bit line has been described. However, the number of plate electrodes may be one plate electrode for two or more bit lines. However, when the number of plate electrodes decreases, the capacity of the plate electrodes increases, and control by peripheral circuits becomes difficult. The optimum number of plate electrodes varies depending on the memory application.
The second feature of this planar layout is that the plate electrode 216 is wired in the same direction as the bit line 208. For this reason, when the potential of the plate electrode 216 is controlled by a peripheral circuit, the potential can be controlled in synchronization with the potential of the bit line 208.
(Example 8)
FIG. 24 shows another embodiment of the planar layout of the memory cell in the present invention. This layout is a layout using a two-intersection cell and a COB (Capacitor Over Bitline) structure in which a capacitor is formed on a bit line. A transistor (not shown in the figure) of each memory cell is connected to a peripheral circuit (not shown) via a bit line 208. A connection portion between the transistor and the bit line 208 is a portion of the bit line plug 207 formed in a part of the active region 218. The operation of the transistor is controlled by a word line (gate electrode) 203. The word line (gate electrode) 203 is connected to a peripheral circuit (not shown). The transistor is connected to the capacitor unit 220 via a capacitor plug 211. The capacitor unit 220 is connected to a peripheral circuit (not shown) through the plate electrode 216.
The first feature of this planar layout is that the capacitor is controlled by one plate electrode 216 considering DRAM operation as the main feature.
With such a layout, a reference potential necessary for DRAM operation can be applied to the capacitor. Further, if the driving capability of the peripheral circuit is sufficiently increased, a non-volatile operation is possible. The number of capacitors controlled by one plate electrode 216 may be adjusted according to the use of the memory.
FIG. 25 shows a cross sectional structure (cross section AA ′) in FIG. This cross-sectional structure is basically the same as that of FIG. 202 described in the eighth embodiment except for the plate electrode 216. The plate electrode 216 may be processed to a required size as in the eighth embodiment.
According to the present invention, in a semiconductor memory using a high dielectric / ferroelectric capacitor using an electrode material whose etching reaction product has low volatility, an electrode which has been a problem when a capacitor is processed by only one lithography process Short circuit between can be prevented. As a result, there is no need for mask alignment and a highly integrated semiconductor memory using a fine capacitor can be processed.
Industrial applicability
As described above, the present invention is useful as a highly reliable and highly integrated capacitor, and is suitable for use in a large capacity DRAM of 1 gigabit or more.

Claims (7)

半導体基体主面上に下部電極と、絶縁膜と、上部電極とから構成される積層型キャパシタを有し、このキャパシタに電荷を蓄積するか、もしくは絶縁膜の分極反転により電気信号を記憶する機能を有した半導体記憶装置において、前記キャパシタの上部電極および絶縁膜の側部にサイドウオールスペーサーを有し、前記サイドウオールスペーサーは前記上部電極および前記絶縁膜の側部に自己整合的に形成され、前記下部電極は前記サイドウオールスペーサーに自己整合的にパターン形成されていることを特徴とする半導体記憶装置。A multilayer capacitor composed of a lower electrode, an insulating film, and an upper electrode on the main surface of the semiconductor substrate, and a function of storing electric signals in the capacitor or storing an electric signal by reversing the polarization of the insulating film A side wall spacer on the side of the upper electrode and the insulating film of the capacitor, the side wall spacer is formed in a self-aligned manner on the side of the upper electrode and the insulating film, The semiconductor memory device, wherein the lower electrode is patterned in a self-aligned manner with the sidewall spacer . 前記サイドウオールスペーサーは前記上部電極の垂直方向の側面全部および前記絶縁膜の垂直方向の少なくとも側面の一部を覆っていることを特徴とする請求の範囲第1項記載の半導体記憶装置。2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the sidewall spacer covers all of the vertical side surfaces of the upper electrode and at least a part of the vertical side surfaces of the insulating film. 前記上部電極がPt、Os、Pd、Au、Ru、Ir、RuO2そしてIrO2から選択された少なくとも一つの材料から成ることを特徴とする請求の範囲第1項記載の半導体記憶装置。 2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the upper electrode is made of at least one material selected from Pt, Os, Pd, Au, Ru, Ir, RuO 2 and IrO 2 . 前記サイドウオールスペーサーがSiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2、Ta2O5から選択された少なくとも一つの材料から成るCVD絶縁膜であることを特徴とする請求の範囲第1項記載の半導体記憶装置。The sidewall spacer is a CVD insulating film made of at least one material selected from SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , TiO 2 , and Ta 2 O 5 . A semiconductor memory device according to item. バリア層と下部電極と、絶縁膜と、上部電極とから構成される積層型キャパシタの製造方法であって、上部電極および絶縁膜のすくなくとも一部をパターン形成した後、下部電極を形成するに先だって前記パターン形成された上部電極および絶縁膜の側面にサイドウオールスペーサーを形成し、前記サイドウオールスペーサに対して自己整合的に前記下部電極およびバリア層をパターン形成することを特徴とする積層型キャパシタの製造方法。A method of manufacturing a multilayer capacitor including a barrier layer, a lower electrode, an insulating film, and an upper electrode, wherein at least a part of the upper electrode and the insulating film is patterned before forming the lower electrode MLCC, wherein the pattern sidewall spacers formed on the formed side of the upper electrode and the insulating film, patterning the self-aligned manner lower electrode and the barrier layer with respect to the side wall spacers over Manufacturing method. 半導体基体主面上に下部電極と、誘電体膜と、上部電極とから構成される積層型キャパシタを有する半導体記憶装置の製造方法において、
前記半導体基体主面に第1の金属層を堆積する工程、
前記第1の金属層主面に第1の絶縁膜層を堆積する工程、
前記第1の絶縁膜層主面に第2の金属層を堆積する工程、
前記第2の金属層主面に所定のパターン形状のマスクを設け、前記マスクを用いて前記第2の金属層及び前記第1の絶縁膜層をエッチングして前記第2の金属層及び前記第1の絶縁層をパターニングする工程、
第2の絶縁膜層を前記第の金属層及び前記第1の絶縁層に堆積する工程、
前記第2の絶縁膜層をエッチバックし、前記第2の金属層及び前記第1の絶縁層の側部にサイドウオールスペーサーを設ける工程、
前記第2の金属層および前記サイドウオールスペーサーをマスクとして前記第1の金属層をパターニングする工程
有することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
In a method of manufacturing a semiconductor memory device having a multilayer capacitor composed of a lower electrode, a dielectric film, and an upper electrode on a main surface of a semiconductor substrate,
Depositing a first metal layer on the main surface of the semiconductor substrate;
Depositing a first insulating film layer on the principal surface of the first metal layer;
Depositing a second metal layer on the main surface of the first insulating film layer;
A mask having a predetermined pattern shape is provided on the main surface of the second metal layer, and the second metal layer and the first metal layer are etched by etching the second metal layer and the first insulating film layer using the mask. Patterning the insulating layer of 1;
Depositing a second insulating film layer on the second metal layer and the first insulating layer;
Etching back the second insulating film layer and providing a side wall spacer on the side of the second metal layer and the first insulating layer;
Patterning the first metal layer using the second metal layer and the sidewall spacer as a mask;
A method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising:
前記第1の金属層をパターニングした後、第3の絶縁層を堆積した後に前記第3の絶縁膜をエッチバックして平坦化することにより前記第2の金属層を露出して、第3の金属層を堆積後、前記第3の金属層をパターニングする工程を更に有することを特徴とする請求項6に記載の半導体記憶装置の製造方法。After patterning the first metal layer, after depositing a third insulating layer, the third insulating film is etched back and planarized to expose the second metal layer, 7. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 6, further comprising a step of patterning the third metal layer after depositing the metal layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6586790B2 (en) 1998-07-24 2003-07-01 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method for manufacturing the same
US6611014B1 (en) 1999-05-14 2003-08-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device having ferroelectric capacitor and hydrogen barrier film and manufacturing method thereof
DE10057444A1 (en) * 2000-11-20 2002-05-29 Infineon Technologies Ag Production of a capacitor arrangement used for an FeRAM storage device comprises filling exposed intermediate regions of the substrate with an electrically insulating intermediate layer up to the level of an capacitor device
JP2002305289A (en) * 2001-04-05 2002-10-18 Hitachi Ltd Semiconductor integrated circuit device and method of manufacturing the same
JP2002353414A (en) * 2001-05-22 2002-12-06 Oki Electric Ind Co Ltd Dielectric capacitor and manufacturing method therefor
JP4948762B2 (en) * 2004-12-27 2012-06-06 富士通株式会社 Semiconductor device
JP2006303188A (en) * 2005-04-20 2006-11-02 Oki Electric Ind Co Ltd Ferroelectric capacitor and its manufacturing method
JP4621081B2 (en) * 2005-07-07 2011-01-26 Okiセミコンダクタ株式会社 Manufacturing method of semiconductor device
JP5212358B2 (en) * 2007-03-14 2013-06-19 富士通セミコンダクター株式会社 Manufacturing method of semiconductor device
JP4515492B2 (en) * 2007-08-29 2010-07-28 富士通セミコンダクター株式会社 Manufacturing method of semiconductor device
US10522467B2 (en) 2016-07-06 2019-12-31 Tokyo Electron Limited Ruthenium wiring and manufacturing method thereof
US11495743B2 (en) * 2020-05-05 2022-11-08 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Non-volatile memory device and manufacturing technology
US20230102177A1 (en) * 2021-09-24 2023-03-30 Intel Corporation Multilayer capacitor with edge insulator

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3161836B2 (en) * 1992-10-19 2001-04-25 シャープ株式会社 Semiconductor storage device
JPH0794600A (en) * 1993-06-29 1995-04-07 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device and fabrication thereof
JPH088348A (en) * 1994-06-20 1996-01-12 Hitachi Ltd Semiconductor integrated circuit device and fabrication thereof

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