JP3724373B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、強誘電体薄膜を用いた素子、特に、大規模集積回路(LSI)に好適な、分極反転型不揮発性メモリ、または、ダイナミックランダムアクセスメモリのキャパシタに関する。
背景技術
強誘電体物質には、数百から数千と極めて大きな比誘電率を持つものがある。従って、それらの強誘電体の薄膜をキャパシタ絶縁膜に用いれば、大規模集積回路(LSI)に好適な小面積かつ、大容量のキャパシタが得られる。また、強誘電体物質は自発分極をもち、外部電場によりその方向を反転させることができるので、この特性を用いて、不揮発性メモリが得られる。強誘電体を用いたメモリには強誘電体薄膜として、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ストロンチウムバリウムなどの酸化物強誘電体を用いるのが一般的である。
この強誘電体物質の比誘電率は大きいが、例えば1GbitDRAMでは比誘電率250のキャパシタ絶縁膜を用いても平面キャパシタでは十分な信頼性を得るのに必要とされる電荷を蓄えることが出来ず、立体構造キャパシタが必要となる。従来の1GbitDRAMの試作発表は、例えば、アイ・イー・イー・イー、アイ・イー・ディ・エム テクノロジーダイジェスト 1995 119頁(IEDM’95 Tech.Digest pp.119、1995)やアイ・イー・イー・イー、アイ・イー・ディ・エム テクノロジーダイジェスト 1995 115頁(IEDM’95 Tech.Digest pp.115、1995)に記載されている。これらの従来技術で用いられているメモリセルは、第20図に示したような構造である。ゲート酸化膜202とゲート電極203を含むスイッチ用MOSトランジスタを形成した半導体基板上を層間絶縁膜206で覆い、下地段差を平坦化した後、その上に拡散防止用導電層207を形成し、下部電極208、高誘電率誘電体膜209、プレート電極210からなる高誘電率誘電体キャパシタを形成する。下部電極208には、白金やルテニウム、二酸化ルテニウム等が用いられる。強誘電体キャパシタの一方の電極208とMOSトランジスタのソース又はドレインへの接続は、絶縁物質に穿設したコンタクトホール内部に埋め込んだ導電物質205による構造となっている。なお、図中、204はビットライン、201は素子間分離絶縁膜である。このように、下部電極を直方体の電極とし、その側面を利用することで同じ平面積の中に面積の大きなキャパシタを実現している。
しかしながら、第20図に示したような従来の構造では、高誘電率誘電体209を成膜する際に拡散防止層207の側面211が酸化されて剥離を起こす問題がある。また、メモリ部コンタクトと蓄積容量の底面を規定するマスクの合わせずれが起こると、第21図に示したようにメモリ部コンタクトプラグ205とキャパシタ絶縁膜209が直接接触し、高誘電率誘電体膜99を成膜する際の酸化雰囲気によりメモリ部コンタクトプラグが酸化されて導通不良を引き起こしてしまったり、下部電極を加工する際にメモリ部コンタクトプラグが削れてしまうなどの問題を引き起こす可能性がある。
従来の構造で更に高集積化を進めようとするとキャパシタ容量を確保するために更に側面積を広くする必要があることから、この直方体状の下部電極207を細く高くすることが必要となる。例えば、最小加工寸法0.13μmのDRAMを考えると、直方体のアスペクト比を3〜5とする加工が必要となると予想される。しかし、これらの材料の微細加工技術は確立されたものとは言えず、特に、高アスペクト比の微細加工は困難である。また、電極の高さを高くするためには、まず、ルテニウム、あるいは、二酸化ルテニウムなどの下部電極材料を必要な高さ分の膜厚だけ堆積する必要があるが、膜厚が厚くなると、堆積時間が長くかかる、膜自身のもつ応力による剥離が生じやすくなり歩留まりが低下する、などの問題がある。
一方、拡散防止層をコンタクト孔の内部のみに形成したり、コンタクトプラグにTiN、Wなどを用いる構造も提案されているが、これらの方法を用いても、拡散防止層の酸化や、下部電極加工時の削れなどの問題は回避できない。
この従来技術の問題を回避するものとして、特開平5−291526に記載されている図25に示したような、下部電極81を厚い絶縁膜に開孔した円筒状の穴の内部に薄い壁状に形成する構造が提案されている。しかし、この構造を高誘電率誘電体キャパシタに適用する際には次のような問題点がある。すなわち、高誘電率誘電体キャパシタでは下部電極に白金、ルテニウム、あるいは、二酸化ルテニウムなどの材料を用いるが、スイッチ用MOSトランジスタの一方の拡散層とキャパシタの下部電極を接続する際、これら材料が直接シリコン53に触っているとシリサイド化反応を起こしたり、あるいは、電極/シリコン界面でシリコンが酸化されて抵抗が増大したりする。このため、電極81とシリコン53の間に拡散防止層61を設ける必要がある。この拡散防止層と下部電極底面が合わせずれを起こすと、厚い絶縁膜にキャパシタ領域となる穴を開孔する際、下地層間絶縁膜と拡散防止層のエッチングレートの差から、第26図に示したように、サイドトレンチ261が発生し信頼性を低下させる。
本発明は上記のような問題を解決する為になされたもので、さらに、より高集積なメモリを実現することが可能な半導体装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。
発明の開示
(解決手段)
上記目的は、拡散防止層を堆積した後、キャパシタ領域を規定するための第2の膜を形成し、この第2の膜と拡散防止層を選択的にエッチングしてパターニングし、キャパシタ領域の島パターンに加工した後、厚い絶縁膜を形成することでこの島パターンを厚い絶縁膜中に埋め込み、次に、絶縁膜中に埋め込まれた第2の膜を除去することでキャパシタ領域となる穴の底面と拡散防止層とを形成することで達成される。
また、トランジスタが形成された基体上の絶縁膜の開口部底部に設けれた拡散防止層と、この開口部の底部から側部にかけて、下地の拡散防止層と自己整合的に形成されたキャパシタの下部電極とを具備することによって達成される。この下部電極と拡散防止層は実質的に同一のパターンに形成されている。
このような構成とすることにより、キャパシタ領域となる孔の側壁部をキャパシタ容量として用いるので高集積化に適した、大容量のキャパシタが得られる。また、拡散防止層がキャパシタ領域となる孔の底に自己整合的に形成されているため、メモリセル面積を増大させることなく、キャパシタ領域となる孔を形成する際のサイドトレンチの発生を防止することが出来る。さらに、メモリ部コンタクトプラグと拡散防止層の間で合わせずれが起こっても、メモリ部コンタクトプラグと高誘電率誘電体膜が直接接触することはなく、信頼性の高い素子が得られる。
なお、上記の拡散防止層とは、下部電極とプラグとの反応を防止する層であり、例えばTi、Ta、TiN、AlxTil-xN、Ru等、あるいはこれらの積層膜が用いられる。
また、キャパシタの絶縁膜として、タンタルオキサイドの他、ペロブスカイト型酸化物、例えば、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸バリウム鉛が用いられる。
また、上記第2の膜は、キャパシタ領域を規定するための膜であるため、どのような材料を用いても良いが、例えばタングステンを用いた場合は、タングステン膜と拡散防止層の窒化チタン膜をSF6ガスを用いて連続的にエッチングすることができるため、より簡便に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の半導体装置の断面図、第2図は、本発明の第一の実施例の半導体装置の製造工程を示す第1の断面図、第3図は、本発明の実施例1の半導体装置の製造工程を示す第2の断面図、第4図は、本発明の実施例1の半導体装置の製造工程を示す第3の断面図、第5図は、本発明の実施例1の半導体装置の製造工程を示す第4の断面図、第6図は、本発明の実施例1の半導体装置の製造工程を示す第5の断面図、第7図は、本発明の実施例1の半導体装置の製造工程を示す第6の断面図、第8図は、本発明の実施例1の半導体装置の製造工程を示す第7の断面図、第9図は、本発明の実施例1の半導体装置の製造工程を示す第8の断面図、第10図は、本発明の実施例2の半導体装置の製造工程を示す第1の断面図、第11図は、本発明の実施例2の半導体装置の製造工程を示す第2の断面図、第12図は、本発明の実施例2の半導体装置の製造工程を示す第3の断面図、第13図は、本発明の実施例2の半導体装置の製造工程を示す第4の断面図、第14図は、本発明の実施例3の半導体装置の製造工程を示す第1の断面図、第15図は、本発明の実施例3の半導体装置の製造工程を示す第2の断面図、第16図は、本発明の実施例3の半導体装置の製造工程を示す第3の断面図、第17図は、本発明の実施例3の半導体装置の製造工程を示す第4の断面図、第18図は、本発明の実施例3の半導体装置の製造工程を示す第5の断面図、第19図は、本発明の実施例3の半導体装置の製造工程を示す第6の断面図、第20図は、従来の半導体装置の断面図、第21図は、従来の半導体装置の問題点を説明する図面、第22図は、本発明のメモリセルアレイ部とそれに隣接する周辺回路の各一部の要部断面、第23図は、本発明のメモリセルと周辺回路の各一部の平面図、第24図は、本発明のメモリセルと周辺回路の各一部を示す回路図、第25図は、従来の半導体装置の断面図、第26図は、従来の半導体装置の問題点を説明する図面、第27図は、本発明の実施例4の半導体装置の製造工程を示す第1の断面図、第28図は、本発明の実施例4の半導体装置の製造工程を示す第2の断面図、第29図は、本発明の実施例4の半導体装置の製造工程を示す第3の断面図、第30図は、本発明の実施例4の半導体装置の製造工程を示す第4の断面図、第31図は、本発明の実施例4の半導体装置の製造工程を示す断面図、第32図は、本発明の実施例2の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
(実施例1)
第2図から第9図は、本発明を用いてメモリセルを製造する実施例である。まず、第2図に示すように、p型半導体基板21上に素子間分離絶縁膜22、ゲート酸化膜を形成する。厚さ60nmの多結晶シリコン23、厚さ60nmのタングステンシリサイド24、厚さ200nmSiO2層27を順次堆積し、公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて加工し、ゲート電極となるワード線所望のパターンとする。ワード線をマスクにイオン打ち込みによりn型不純物拡散層(リン)25、26を形成する。次に、厚さ80nmのSiO2層をCVD法により被着し、異方性ドライエッチング法により加工して、ワード線側壁の絶縁膜層28を形成する。
表面全体に公知のCVD法を用いて厚さ150nmのSi3N431をCVD法により堆積させる。次に、ビット線が基板表面のn型拡散層と接触する部分25および、蓄積電極が基板表面のn型拡散層と接触する部分26を公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて開口する。CVD法を用いて厚さ250nmのn型の不純物を含む多結晶シリコンを堆積させた後、膜厚分のエッチングをすることにより、前述のエッチングにより形成された穴の内部に多結晶シリコン32、33を埋め込み第3図に示したような構造を得る。
次に、Si3N431を一旦、エッチバックして除去した後、改めて、厚さ60nmのSi3N441を公知のCVD法を用いて堆積させる。ビット線が基板の拡散層25と電気的に接続するため、多結晶シリコン32の上部の絶縁膜41を、公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて開口する。次に、ビット線を形成する。ビット線の材料としては多結晶シリコン膜42、W/TiN/Tiの積層膜43を用いた。この上に、厚さ400nmのSiO244を堆積させた後、膜厚の半分をエッチバックして段差にSiO2を埋め込み平坦化した。SiO244とビット線を公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて加工し、ビット線を所望のパターンとする(第4図)。
次に、膜厚60nmのSiO2をCVD法により堆積し、ドライエッチング法によりエッチバックして、ビット線の側壁部にSiO2のサイドウォールスペーサ51を形成し、ビット線を絶縁する。次に、BPSGなどのシリコン酸化膜系の絶縁膜52を堆積させ、平坦化する。この絶縁膜52は、基板表面を平坦化するのに十分な膜厚とする必要がある。本実施例では、絶縁膜52の膜厚を500nmとし、膜厚300nmまでエッチバックすることにより平坦化する方法を用いた。
公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて蓄積容量部が基板と接触するメモリ部コンタクト孔を開口する。多結晶シリコン33の上部のSi3N441を公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて開口する。CVD法により厚さ150nmの多結晶シリコンを堆積し、膜厚分をエッチバックしてコンタクト孔に多結晶シリコン53を埋め込む。(第5図)
次に、拡散防止層として膜厚50nmのTiN61をスパッタリング法により堆積し、引き続き、キャパシタ領域を規定するための膜62を所望するキャパシタの高さ分の膜厚だけ堆積する。本実施例では、0.5μmとした。キャパシタ領域を規定するための膜の材料として、本実施例では、タングステン、Si3N4、多結晶シリコンの3種類の方法を試み、いずれも良好な結果が得られた。公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、ホトレジスト63をマスクにキャパシタ領域を規定するための膜と拡散防止層を加工した(第6図)。キャパシタ領域を規定するための膜にタングステンを用いる場合にはSF6を用いて、タングステンとTiNを連続して加工する。キャパシタ領域を規定するための膜にSi3N4を用いる場合にはNF3とHeまたはO2の混合ガスを用いてSi3N4を加工した後、SF6を用いてTiNを加工する。キャパシタ領域を規定するための膜に多結晶シリコンを用いる場合にはSF6を用いて多結晶シリコンを加工した後、SF6を用いてTiNを加工する。キャパシタ領域を規定するための膜と拡散防止層を加工したのち、アッシング法を用いてホトレジストを除去する。この拡散防止層61とタングステン等キャパシタ領域を形成するための膜62は同一レジスト63をマスクとしてエッチングできるため、これらの膜は自己整合的にパターニングされる。
次に、キャパシタを埋め込む厚い絶縁膜71を堆積する。本実施例では厚さ1μmのBPSGを公知のCVD法を用いて堆積させたのち、公知の化学機械研摩法によりキャパシタ領域を規定するための膜が露出するまで研磨して平坦化した。このようにCMPやCMLにより平坦化する他、850℃程度の熱処理によりBPSGをリフローさせた後、膜厚の半分をエッチバックして平坦化してもよい。
次に、厚い絶縁膜の中に埋め込まれたキャパシタ領域を規定するための膜を選択的ドライエッチング法により除去する。キャパシタ領域を規定するための膜にタングステンを用いる場合にはSF6による等方性のエッチングを用いる。条件を選ぶことで下地となるTiNに対して40倍以上、BPSG膜に対しては20倍以上の選択比が得られる。キャパシタ領域を規定するための膜にSi3N4を用いる場合にはNF3とHeまたはO2の混合ガスを用いる。下地となるTiNに対して50倍以上、BPSG膜に対しては10倍以上の選択比が得られる。キャパシタ領域を規定するための膜に多結晶シリコンを用いる場合にはSF6を用いる。いずれの材料を用いる場合にもキャパシタ領域となる穴の中に残渣が残らないよう膜厚に対して100%のオーバーエッチングを行ったが下地削れ等の問題は生じなかった。ここまでの工程で、キャパシタ領域となる穴の底のみに拡散防止層のTiNが存在する構造が得られる(第7図)。
次に厚さ30nmのルテニウム81をMOCVD法により堆積しする。この上に有機膜を塗布し、全面エッチングを行うと穴の内部は有機膜82で埋められるが絶縁膜63の表面にあるルテニウムが露出する。露出したルテニウムをエッチングして蓄積電極をセル毎に分離する。(第8図)
有機膜82を除去した後、高強誘電体膜である厚さ20nmのチタン酸ストロンチウムバリウム91、プレート電極である厚さ20nmの二酸化ルテニウム92を順次、MOCVD法により堆積した(第9図)。
有機膜を全面エッチングする代わりに、フォトリソグラフィでパターンを形成し平坦な絶縁膜上のルテニウム81がエッチングされないようにすれば、メモリマットの外側にキャパシタを作製することが出来る。LSIではバイパスコンデンサなどに大きな面積のMOSキャパシタが用いられるが、このキャパシタは高誘電率膜を用いているためずっと小さな面積で同等の容量が得られるので、このキャパシタを用いることでチップ面積を低減することが出来る。
次に、ホトレジストをマスクにメモリマット外のプレート電極の不要な部分の二酸化ルテニウム、チタン酸ストロンチウムバリウムを除去した後、厚さ400nmのオゾンTEOS11をCVD法により堆積し、膜厚の半分をエッチバックすることによりキャパシタ領域上を平坦化する。公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いてプレート電極とキャパシタの上部電極を接続するためのコンタクト孔を開け、第二の金属配線層12を形成して第22図に示したようなメモリセルを完成する。第22図にはメモリセルアレイ部とそれに隣接する周辺回路の各一部の要部断面が示されている。第23図は本発明のメモリセルと周辺回路の各一部の平面図、第24図は本発明のメモリセルと周辺回路の各一部を示す回路図である。第22図は第23図におけるX−X’断面図である。第22図にはメモリセル選択用MISFET、Qtと第23図、第24図においてQshr、Qp、Qnの符号を付した周辺回路のMISFETが示されている。QshrはDRAMのメモリセル部と周辺回路部のセンスアンプとを分離するシェアードMISFETである。QpはpチャンネルMISFET、QnはnチャンネルMISFETであり、センスアンプ部はQp、Qn2個ずつからなるフリップフロップ回路になっている。
(実施例2)
第10図から第13図を用いて本発明の第2の実施例について説明する。本実施例は、予め下部電極を形成し、その後層間絶縁膜を形成するものである。第5図に示したような、メモリセルキャパシタとスイッチ用トランジスタを接続するコンタクト孔にポリシリコンを埋め込んだ構造を得るところまでは実施例1と同じである。次に第10図に示すように、膜厚50nmのTiN101と膜厚60nmのPt膜102を順次スパッタリング法により堆積する。ここでRu膜102の膜厚は、あとで下部電極の側壁となるPt膜121をエッチバックする際に多少削れても導通不良等を起こさないよう、Pt膜121の膜厚よりも厚くしておくことが好ましい。
引き続き、キャパシタ領域を規定するための膜103としてタングステンを所望するキャパシタの高さ分の膜厚だけ堆積する。本実施例では450nmとした。公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、ホトレジストをマスクにWを加工し、ホトレジストを除去した後、W103をマスクにPt102、TiN101を順次加工して第10図に示した構造を得る。実施例1と同様にして厚い酸化膜111を堆積し、CMP法により平坦化した。CMPにはヒュームドシリカをスラリーとして使用した。酸化膜とWの研磨選択比は10倍以上あるので、十分終点検出可能である。研磨レートに±5%の面内分布があるため、Wが顔を出すまで研磨を行ったのち、10%分追加で研磨を行った。この工程によりウェハ全面でWが顔を出し、その膜厚は最低でも0.4μmとなる。また、W膜103はPt/TiNドライエッチング加工時にマスクとして使用しているため、その上部の角が落ちた状態となっている。このままの形状で酸化膜111に埋め込み、Wを除去すると、図32に示したようにキャパシタ領域となる部分の孔の上部に酸化膜がオーバーハングした形状となってしまい、孔の中に下部電極、キャパシタ絶縁膜を形成するのが困難となる。CMP法により平坦化する際にW膜111の肩落ちした部分を削り取ることにより、垂直な形状の孔が得られる。
次に、ドライエッチング法によりW103を除去することで第11図に示した構造を得る。次に、膜厚50nmのPt膜121を、埋め込み特性に優れた、ロングスロースパッタリング法により堆積し、膜厚分エッチバックすることでキャパシタ領域となる孔の側壁をPtが覆い、かつ、キャパシタ毎に下部電極が分離された構造を得る(第12図)。本実施例では、あらかじめ下部電極の底になるPt膜102を底に敷いておき、エッチバック法によりキャパシタ毎の下部電極の分離を行っているため、実施例1と比較して工程数が少なくなる利点がある。
次に、第13図に示すように、厚さ30nmのチタン酸ストロンチウムバリウム131、厚さ20nmの二酸化ルテニウム132を順次、MOCVD法により堆積した。ホトレジストをマスクにメモリマット外のプレート電極の不要な部分の二酸化ルテニウム、チタン酸ストロンチウムバリウムを除去した後、配線を行い第1図に示したようなメモリセルを完成する。
(実施例3)
実施例1、2ではキャパシタ領域を規定するための膜を後の工程で除去してしまったが、これを配線層として用いることで周辺回路とメモリマット部の段差による深いコンタクト孔の加工がなく信頼性の高い素子が得られる。このような方法を用いた素子の製造工程を第14図から図19を用いて説明する。
第3図に示した構造を得るところまでは実施例1と同様である。次に、第14図のようにSi3N431を一旦エッチバックして除去した後、厚さ40nmのSi3N4141を公知のCVD法を用いて堆積させる。ビット線が基板の拡散層25と電気的に接続するため、多結晶シリコン32、33の上部の絶縁膜141を、公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて開口する。同時に周辺回路のコンタクト部を覆っている絶縁膜141も、公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて除去する。厚さ300nmのSiO2142を公知のCVD法を用いて堆積させた後、CMP法により平坦化する。次に、厚さ40nmのSi3N4143を公知のCVD法を用いて堆積させる。
公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて多結晶シリコン32、33と周辺回路へのコンタクト孔を開孔する。CVD法により厚さ100nmのTiNを堆積し、CMP法によりコンタクト孔にTiN151を埋め込む。次に、第15図に示したように第一の配線層を形成する。材料としては、W/TiN/Tiの積層膜152を用いた。スパッタリング法によりW/TiN/Tiの積層膜を堆積し、この上に、厚さ50nmのSiO2153を堆積させた後、公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて加工し、第一の配線層を所望のパターンとする。第一の配線層はビット線および周辺回路の配線に用いられる。膜厚50nmのSiO2をCVD法により堆積し、ドライエッチング法によりエッチバックして、第一の配線層の側壁部にSiO2のサイドウォールスペーサ154を形成し、第一の配線層を絶縁する。
次に、BPSGなどのシリコン酸化膜系の絶縁膜161を堆積させ、平坦化する。本実施例では、絶縁膜161の膜厚を250nmとし、CMP法により平坦化した。公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて蓄積容量部と拡散層を接続するためのメモリ部コンタクト孔を開口する。同時に第一の配線層と第二の配線層をつなぐためのコンタクト孔も開孔する。CVD法により厚さ100nmの多結晶シリコンを堆積し、膜厚分をエッチバックしてコンタクト孔に多結晶シリコン162を埋め込む。更に平坦化のためにCVD法により厚さ50nmの多結晶シリコン163を堆積する。
次に、膜厚50nmのTiN101と膜厚60nmのRu膜164を順次スパッタリング法により堆積し、引き続き、キャパシタ領域を規定するための膜103としてタングステンを所望するキャパシタの高さ分の膜厚だけ堆積する。本実施例では0.5μmとした。公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、ホトレジストをマスクにW103、Ru164、TiN101を順次加工して第16図に示した構造を得る。実施例2と異なるのは、第16図に示したように、ここでW/Ru/TiNを第一配線層と第二配線層の接続にも利用する点である。
次に厚い酸化膜171を堆積し、平坦化した後、Wを除去することで第17図に示した構造を得る。この際、メモリマット部の外をホトレジスト172で覆い、周辺回路の配線として用いるW/Ru/TiNは残るようにする。
次に、実施例2と同様にして、膜厚50nmのRu膜181を、埋め込み特性に優れた、ロングスロースパッタリング法により堆積し、膜厚分エッチバックすることでキャパシタ領域となる孔の側壁をRuが覆い、かつ、キャパシタ毎に下部電極が分離された構造を得る。次に、第18図に示すように、厚さ30nmのチタン酸ストロンチウムバリウム131、厚さ20nmの二酸化ルテニウム132を順次、MOCVD法により堆積した。ホトレジストをマスクにメモリマット外のプレート電極の不要な部分の二酸化ルテニウム132、チタン酸ストロンチウムバリウム131を除去した後、配線を行い、第19図に示したような、メモリセルを完成する。実施例1、2では微細化を進めるためにメモリセルキャパシタを高くすると、周辺回路へのコンタクト孔が深くなってしまうため導通不良などの問題が生じやすくなる。また周辺回路とメモリセル部の段差が大きくなるため、この段差部で配線不良を起こす可能性も大きくなる。本実施例ではW/Ru/TiNを周辺回路の配線として用いているので、メモリセルキャパシタが高くなっても、周辺回路への配線、コンタクトが確実に行なわれるので微細化に適している。本実施例では下部電極材料としてRuを用いたが、PtやIrを用いてもよいことは言うまでもない。なお、本実施例では、拡散防止層と下部電極を形成してからキャパシタ領域を形成するための膜103を形成したが、実施例1のように拡散防止層上にキャパシタ領域を形成するための膜103を形成して加工してから、下部電極を形成しても良い。
(実施例4)
第27図から第29図を用いて本発明の第4の実施例について説明する。本実施例は、側壁に白金電極をめっき法により形成するものである。第5図に示したような、メモリセルキャパシタとスイッチ用トランジスタを接続するコンタクト孔にポリシリコンを埋め込んだ構造を得るところまでは実施例1と同じである。次に第27図に示すように、膜厚50nmのTiN101と膜厚30nmのPt膜272を順次スパッタリング法により堆積する。
引き続き、キャパシタ領域を規定するための膜103としてタングステンを所望するキャパシタの高さ分の膜厚だけ堆積する。本実施例では450nmとした。公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、ホトレジストをマスクにWを加工し、ホトレジストを除去した後、W103をマスクにPt272、TiN101を順次加工して第27図に示した構造を得る。実施例2と同様にして厚い酸化膜111を堆積し、CMP法により平坦化した。
次に、ドライエッチング法によりWを除去することで第28図に示した構造を得る。次に、膜厚30nmのPt膜291を、キャパシタ領域となる孔の側壁に無電解メッキ法により形成した。Pt膜272が種となるため、孔の内側にのみ選択的に下部電極を形成することが出来る(第29図)。Ptを垂直なマスクで加工しようとするとドライエッチング加工時にマスクタングステンの側壁にPtが際付着し、W除去後にPtの薄い壁281がキャパシタ領域となる孔の側壁に残るが、この側壁のPt膜もメッキ時の種層として働くので、メッキの選択性を高める効果がある。
あとは実施例2と同様にしてメモリセルを完成する。
なお、メッキの選択性が出ないような条件を用いて、第30図のように穴の上部平面にもPt膜を形成する方法もある。この場合には、実施例1と同様に有機膜301を塗布し、全面エッチングを行なった後、露出したPtをエッチングして蓄積電極をセル毎に分離302する。また、有機膜301の代わりにSiO2膜を塗布し蓄積電極をセル毎に分離したのち、このSiO2膜をドライエッチングにより除去する方法を用いれば、下部電極の両面に強誘電体膜131が設けられ、その表面に白金電極132を設けることができ、第31図に示したようにな構造が得られる。この構造では、キャパシタの一部ではPt電極の両面が利用できるので、より大きな容量が得られる利点がある。これらの場合にも、キャパシタ領域を形成するための膜の形成は、白金下部電極の形成前でも形成後でも何れでもよい。
本実施例では、キャパシタ絶縁膜にチタン酸ストロンチウムバリウムを用いたが、高誘電率誘電体薄膜の材料としてはチタン酸ストロンチウムバリウムに限らず、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、などのペロブスカイト型酸化物強誘電体、それらの固溶体、あるいは、ビスマス系層状酸化物強誘電体であっても構わないことは言うまでもない。
また、次に、第23図に示した回路図を用いて、本発明のメモリをDRAMとして用いる場合の読み出し動作を説明する。キャパシタのプレート電極PL1の電位は、常にVcc/2に固定される。一方、キャパシタの蓄積ノードSN1には、揮発情報Vccまたは0が保持される。ビット線対BL1およびBL1Bの電位は、読み出し又は書き換え動作直前まで、Vcc/2に保持される。ビット線対には、記憶情報を検知、増幅するためのセンスアンプSAが接続されている。蓄積ノードSN1の蓄積電圧を検知するため、まず、プリチャージ制御線PCL1の電位をVccから0に下げ、ビット線を電位Vcc/2のフローティング状態とする。同時にシェア−ドMISFET Qshrをオンにする。次に、ワード線WL1の電位を、0からVchに上げる。ここで、VchはVccにくらべ少なくともトランジスタのしきい電圧だけ高い電位である。この結果、蓄積ノードの電位がVccであった場合には、ビット線BL1の電位がBL1Bの電位すなわちVcc/2よりやや高くなり、一方、0であった場合には、BL1の電位はBL1Bにくらべやや低くなる。この電位差をセンスアンプSA1で検知、増幅することにより、BL1の電位は蓄積ノードの電位に一致してVccまたは0となる。BL1Bの電位はBL1と反対の電位になる。なお、センスアンプを動作させるには、センスアンプpチャネルトランジスタ制御線CSP、センスアンプnチャネルトランジスタ制御線CSNをそれぞれVccおよび0にすれば良い。以上の動作により、選択されたワード線WL1につながるすべてのメモリセルの情報が、それぞれに接続されたビット線に読み出される。このうち一つのメモリセルの情報を選択的にIO線を介して外部に読出すためには、センスアンプ選択線CSL1の電位を0からVchにし、所望のビット線をIO線に接続すれば良い。読み出し動作を終了するには、CSL1の電位をVchから0に戻した後、ワード線WL1を0に戻せば、蓄積ノードSN1は情報が再書き込みされた状態でビット線から電気的に切り離される。PCL1をVccに、CSP、CSNをそれぞれ0およびVccに戻せば、読み出し動作前の状態となり、動作が終了する。
次に、本発明のメモリを強誘電体不揮発性メモリとして用いる場合の読み出し、書き込み手順について特開平7−21784にもとづいて説明する。
まず、読み出し動作であるが、これは上述のDRAMの場合と同じである。
強誘電体不揮発性メモリにおける情報の書き換えでは、蓄積ノードSN1の電位反転と共に、強誘電体膜の分極反転を行う。書き換え動作において、信号線PCL1をVchから0に下げてからセンスアンプを動作させるまでは、読み出し動作と同様である。次に、IO線に準備した書き換え情報をメモリセルに書き込むため、信号線CLS1を0からVchに上げる。この結果、ビット線対BL1およびBL1Bの電位が反転する。ワード線WL1は活性化された状態にあるので、上記ビット線対電位反転にともなって、所望のメモリセルの蓄積ノード電位および強誘電体膜の分極方向が反転する。このようにして、情報の書き換えをおこなった後、読み出し動作と同様な手順で書き換え動作を終了する。このような読み出し、書き込み手順よれば、揮発情報と不揮発情報とが常に一致して書き換えられるので、いつ電源をオフしても情報が消失しない。
次に、強誘電体不揮発性メモリにおける電源オン時の不揮発性情報から揮発性情報への変換動作を説明する。電源投入前には、すべての電位は0Vにある。電源オンにともなって、プレートPL1はVcc/2に、センスアンプの信号線CSP、CSNは0およびVccに初期化される。また、信号線PCLの電位は、0からVccに立ち上がり、その結果、ビット線対BL1、BL1Bの電位はVcc/2にプリチャージされる。この時、ワード線電位は0Vを保持し蓄積ノードSN1をフローティング状態として、プレート昇圧時に強誘電体膜の分極方向が破壊されないようにする。プレートPL1およびビット線対BL1、BL1Bの電位が確実にVcc/2の電位に安定化したら、ワード線WLを順次活性化し、蓄積ノードSN1をプレートPL1と同じVcc/2の電位として、分極情報の保持をより安定化する。以上の初期化動作に引き続き、不揮発性情報から揮発性情報への変換動作に移行する。まず、ワード線がすべて0Vの状態で、PCL1の電位を0Vにし、ビット線をフローティング状態にする。次に、ビット線を0Vにプリチャージし再びフローティング状態にする。その後、ワード線WL1を活性化すれば、蓄積ノードSN1からビット線に電流が流れ、ビット線電位が上昇する。その上昇量は強誘電体膜の分極方向に依存する。すなわち、ビット線電位上昇後もプレート電位の方が高いので、分極方向は1方向に揃う。上記ワード線活性化により分極の反転を伴う場合の方が、反転を伴わない場合に比べて、実効的な強誘電体キャパシタ容量が大きく、その結果、ビット線電位上昇量も大きい。この2つの分極状態に対応するビット線電位上昇量の中間値を相補ビット線BL1Bに発生するダミーセルを設け、ビット線対BL1・BL1Bの電位差をセンスアンプSA1により検知、増幅する。センスアンプの働きによりビット線電位がVcc又は0に充電される結果、蓄積ノードSN1には揮発性情報が書き込まれる。最後にワード線を非活性にした後、ビット線電位をVcc/2に戻して一連の動作を終了する。上記動作を各ワード線について順次行えば、不揮発性情報から揮発性情報への変換動作が完了する。この手順によれば、情報読み出し動作に伴う強誘電体膜の分極の反転を、電源導入時だけにすることができるので、強誘電体膜の劣化を少なくできる。また、通常使用時に、分極反転に要する時間に起因した読み出し速度の低下もない。しかも、電源をオフした時点での情報を記憶しており、次に電源をオンしたときにそれらの情報を復活させることができる。
産業上の利用可能性
本願発明は、MOSFETを構成要素とするダイナミックランダムアクセスメモリや、高強誘電体不揮発性メモリ等、1チップ上に集積化した集積回路にも用いられる。
Claims (18)
- 第1及び第2拡散層領域を有するトランジスタが形成された基体上に、前記トランジスタの第1拡散層領域に接続されるコンタクトを形成し、前記コンタクトの上に拡散防止膜を形成する工程と、
前記拡散防止膜上にキャパシタの高さに相当する膜厚の第1の膜を形成する工程と、
前記拡散防止膜及び前記第1の膜を同一のマスクを用いてパターニングする工程と、
前記拡散防止膜及び前記第1の膜が形成されていない領域上に、絶縁膜を埋め込み、前記絶縁膜の開口部に前記第1の膜が露出するようにする工程と、
前記第1の膜を除去して前記絶縁膜の開口部に前記拡散防止膜を露出する工程と、
前記開口部の前記拡散防止膜上から前記開口部側壁にかけて第1の電極膜を形成し、前記第1の電極上および前記絶縁膜上に容量絶縁膜と第2の電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の膜は、W、Si3N4、Siの何れかであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記拡散防止膜及び前記第1の膜をパターニングする工程は、前記拡散防止膜は窒化チタン膜、前記第1の膜はタングステンであって、エッチングガスとしてSF6を用いて前記第1の膜及び前記拡散防止膜を連続してエッチングする工程であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記拡散防止膜及び前記第1の膜をパターニングする工程は、前記拡散防止膜は窒化チタン膜、前記第2の膜は窒化シリコン膜であって、エッチングガスとしてNF3とHeまたはO2の混合ガスを用いて前記窒化シリコン膜をエッチング加工した後、エッチングガスとしてSF6を用いて前記窒化チタン膜をエッチング加工する工程であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記拡散防止膜及び前記第1の膜をパターニングする工程は、前記拡散防止膜は窒化チタン膜、前記第1の膜は多結晶シリコン膜であって、エッチングガスとしてSF6を用いて前記多結晶シリコン膜及び前記窒化チタン膜を連続してエッチング加工する工程であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記キャパシタの絶縁膜は、前記側部に形成された第1の電極膜の両面に形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 第1及び第2拡散層領域を有するトランジスタが形成された基体上に、前記第1拡散層領域の上に設けられた第1の開口部に前記第1拡散層領域と電気的に接続される第1の導電膜が埋め込まれた第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の導電膜上に、拡散防止膜及び第1の電極膜を形成する工程と、
前記第1の電極膜上に所定のパターンの第1の膜を形成する工程と、
前記第1の膜をマスクとして、前記第1の電極膜及び前記拡散防止膜をパターニングする工程と、
前記第1の膜、前記第1の電極膜及び前記拡散防止膜が、第2の開口部内に設けられるように、前記第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を形成し前記第2の開口部内に前記第1の膜を露出する工程と、
前記第1の膜をエッチング除去する工程と、
前記第2の開口部および前記第2の絶縁膜上に前記第1の電極と同じ材質の電極をスパッタリングにより堆積し、異方性エッチングバックして前記第2の開口部側部に、第2の電極膜を形成する工程と、
前記第1の電極・第2の電極膜上および前記第2の絶縁膜上に容量絶縁膜と、第3の電極膜を形成し、キャパシタを形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第2の絶縁膜を形成する工程は、前記第1の膜、前記第1の電極膜及び前記拡散防止膜が形成された前記第1の絶縁膜上に、前記第2の絶縁膜を形成した後、前記第2の絶縁膜を研磨して、前記第1の膜、前記第1の電極膜及び前記拡散防止膜が、第2の絶縁膜の第2の開口部内に設けられるようにする工程であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の開口部は複数形成され、前記第1の電極は前記第2の開口部毎に分離して形成されることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記容量絶縁膜は、前記側部に形成された第1の電極膜の両面に形成されることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 基体上に、メモリマット部に導電膜が充填された第1の開口部、周辺回路部に導電膜が充填された第2の開口部を有する第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜上に拡散防止膜及び第1の電極膜を形成する工程と、
前記第1の電極膜上に所定のパターンの第1の導電膜を形成する工程と、
前記第1の導電膜をマスクとして、前記第1の開口部上及び前記第2の開口部上に、前記拡散防止膜及び前記第1の電極膜が残るようにパターニングする工程と、
前記第1の開口部上の前記第1の導電膜、前記第1の電極膜及び前記拡散防止膜が第3の開口部に設けられ前記第1の導電膜が露出するように、及び前記第2の開口部上の前記第1の導電膜、前記第1の電極膜及び前記拡散防止膜が第4の開口部に設けられ前記第1の導電膜が露出するように、前記第3及び第4の開口部を有する第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の開口部内の前記第1の導電膜を残し、前記第3の開口部内の前記第1の導電膜をエッチング除去する工程と、
前記第3の開口部内の側面に第2の電極膜を形成する工程と、
前記第1・第2の電極膜上に容量絶縁膜、第3の電極膜を積層して形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の絶縁膜上に拡散防止膜及び第1の電極膜を形成する工程の前に、第2の導電膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- 基体上に、メモリマット部に導電膜が充填された第1の開口部、周辺回路部に導電膜が充填された第2の開口部を有する第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜上に拡散防止膜を形成する工程と、
前記拡散防止膜上に所定のパターンの第1の導電膜を形成する工程と、
前記第1の導電膜をマスクとして、前記第1の開口部上及び前記第2の開口部上に前記拡散防止膜が残るようにパターニングする工程と、
前記第1の開口部上の前記第1の導電膜、前記拡散防止膜が第3の開口部に設けられるように、及び前記第2の開口部上の前記第1の導電膜と前記拡散防止膜が第4の開口部に設けられるように、前記第3及び第4の開口部を有する第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の開口部内の前記第2の導電膜を残し、前記第3の開口部内の前記第2の導電膜をエッチング除去する工程と、
前記第3の開口部内の底部及び側部に第1の電極膜を形成する工程と、
前記第1の電極膜上に容量絶縁膜、第2の電極膜を積層して形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の絶縁膜上に拡散防止膜を形成する工程の前に、第2の導電膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。
- トランジスタが形成された基体上に、開口部を有する第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の開口部内に第1の導電膜を埋め込む工程と、
前記第1の導電膜上に、拡散防止膜及び白金膜を形成する工程と、
前記白金膜上に所定のパターンの第1の膜を形成する工程と、
前記第1の膜をマスクとして、前記白金膜及び前記拡散防止膜をパターニングする工程と、
前記第1の膜、前記白金膜及び前記拡散防止膜が、第2の絶縁膜の第2の開口部内に設けられるように、前記第1の絶縁膜上に前記第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の膜をエッチング除去する工程と、
前記第2の開口部側部に白金膜を形成する工程と、
前記第2の開口部の底部および側部の白金膜上に容量絶縁膜、第2の電極膜を形成し、キャパシタを形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第2の開口部側部に白金膜を形成する工程は、無電界めっき法によることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の開口部側部に白金膜を形成する工程は、前記第1の膜をマスクとして前記白金膜をエッチングする際に前記第1の膜の側壁に付着した白金を種層として、前記無電界めっき法により形成することを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の開口部は複数設けられており、前記白金膜は前記第2の開口部間の前記第2の絶縁膜上にも前記白金膜は形成され、その後前記第2の絶縁膜上の前記白金膜をエッチング除去して前記第2の開口部毎に前記白金膜を分離することを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
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