JP3955660B2 - 強誘電体キャパシターを具備する半導体メモリ装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体メモリ装置及びその製造方法に係り、特に強誘電体を誘電体膜として用いるキャパシターを具備する半導体メモリ装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、半導体メモリ装置、例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory)は集積度の増加に伴い単位セルの面積が大幅に減少している。メモリセル面積の減少によるセルキャパシタンスの減少はメモリセルの読出能力を低下させ、ソフトエラー率を増加させる上に、低電圧における素子動作時に電力を過度に消耗する。従って、メモリセルの動作特性を低下させない程度の十分なセルキャパシタンスが確保されなければならない。
【0003】
制限されたセル面積でメモリセルのキャパシタンスを増加させるための方法が色々と提案されつつあるが、これらは次の三つの方法に分けられる。即ち、▲1▼誘電体膜を薄膜化する方法、▲2▼キャパシターの有効面積を増加させる方法、▲3▼誘電定数の大きい物質を誘電体膜として用いる方法等である。そのうち、一番目の方法、即ち誘電体膜の厚みを100Å以下に薄膜化する方法は、ファウラ−ノードハイム電流により素子の信頼性が低下されるので、大容量のメモリ装置に適用しにくいという短所がある。そして、二番目の方法、即ちキャパシターを3次元構造で形成する方法は工程が複雑で、高コストになる短所がある。
【0004】
従って、最近では三番目の方法、即ち誘電率の大きい物質としてぺロブスカイト構造の酸化物からなる誘電体(以下「強誘電体」という)、例えばPZT(PbZrTiO3)又はBST(BaSrTiO3)系列の物質を用いて誘電体膜を形成する方法が提案されている。前記強誘電体は既存の誘電体膜として用いられたシリコン酸化膜、シリコン窒化膜又はTa2O5膜とは異なり自発分極現象を有し、バルク状態で数百〜1,000程度の高誘電定数を有する。このような強誘電体を誘電体膜として用いる場合、前記誘電体膜を500Å以上の厚みで形成しても等価酸化膜の厚みを10Å以下に薄膜化することができるという長所がある。
【0005】
一方、強誘電体をキャパシターの誘電体膜として用いるためには、前記誘電体膜の上下に形成される電極物質が非常に大切である。強誘電体キャパシターの電極物質としては、▲1▼電極の上にペロブスカイト構造の膜質の形成ができること、▲2▼電極と強誘電体膜の界面に低誘電体膜が生成されないこと、▲3▼シリコン又は強誘電体の構成原子の相互拡散が発生しないこと、▲4▼電極のパタニングが容易であること等が要求されている。現在、強誘電体を誘電体膜として用いるキャパシターの電極としては耐酸化性で高伝導性物質の白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)等の白金族の貴金属類と、IrO2又はRuO2等の伝導性酸化物が研究されている。
【0006】
一方、酸化膜/窒化膜/酸化膜(以下「ONO」という)構造の膜を誘電体膜として用いポリシリコンからなる電極を用いる通常のキャパシターを具備するメモリ素子では、キャパシターの上部電極を形成する物質から周辺回路領域の抵抗層を形成している。ところが、前記の白金族の貴金属類又はその酸化物からなる電極をキャパシターの上部電極として用いる強誘電体キャパシターの場合には、前記電極の抵抗が低すぎるためにキャパシターの上部電極を周辺回路領域の抵抗層として用いることができない。
【0007】
一般に、メモリ素子に用いられる抵抗層は周辺回路領域で主に電圧発生器用、RCディレー(delay)用として用いられ、最大限に数kΩ程度の抵抗値が要求される。このような周辺回路領域の抵抗層は、要求される抵抗値が小さい場合にはセル領域のゲート電極用のポリシリコンを用いて形成され、要求される抵抗値が大きい場合にはキャパシターの上部電極用のポリシリコンを用いて形成される。ところが、メモリ素子が数ギガ級以上に高集積化されると、このような抵抗層の形成方法も限界に至るようになる。何故ならば、数ギガ級以上の高集積化されたメモリ素子では、BST又はPZTのような強誘電体がキャパシターの誘電体膜として用いられ、このような強誘電体が用いられるキャパシターの電極としては前述した白金族の貴金属類と伝導性酸化物が用いられるために、十分な抵抗値を得ることが難しいからである。かつ、このような高集積メモリ素子のゲート電極構造としてはタングステンシリサイド(WSix )/ポリシリコンの積層構造又はTiSi/ポリシリコンの積層構造等の低抵抗構造が用いられるために、十分な抵抗値を得ることが難しい。
【0008】
次の表1は強誘電体キャパシターの電極物質と、ゲート電極物質の面抵抗を比較したものである。
【0009】
【表1】
【0010】
前記表1に示されたように、低抵抗構造のゲート電極又は強誘電体の上部電極は面抵抗が大変低い。従って、これらの物質を周辺回路領域の抵抗層として用いる場合、抵抗の長さが面抵抗に半比例して長くなるので、集積化に差し支える。例えば、1kΩの抵抗体を作る時、100Ω/□の面抵抗を有するポリシリコンは10μmの長さが必要だが、 2Ω/□の面抵抗を有するWSix/ポリシリコンは500μmの長さが必要なので、抵抗体が周辺回路領域の多くの部分を占めるようになる。かつ、強誘電体の上部電極として白金等を用いる場合にも、キャパシターの上部電極を周辺回路領域の抵抗層として用いることができない。
【0011】
次に、図1乃至図4を参照して従来の技術による強誘電体キャパシターの製造方法を簡略に説明する。
【0012】
図1は従来の一方法による強誘電体キャパシターの形成方法を説明するための断面図であり、"VLSI Technology Digest of Technical pp.149-150、三菱社、 1994年”に発表された論文を参照したものである。
【0013】
図1によると、キャパシターはPt 2/BST 4/Pt 6の構造からなる。ところが、前述したように白金は低い面抵抗を有するので、上部電極6を周辺回路領域の抵抗層として用いることができない。その上、上部電極の白金6とその上部に形成される配線層のアルミニウム膜8との接着特性に劣る短所がある。
【0014】
図2は従来の他の方法による強誘電体キャパシターの製造方法を説明するための断面図であり、米国特許第5,005,012号を参照したものである。
【0015】
図2では上部電極を多層構造に形成する方法を提示しているが、図示したように、上部電極16と配線金属層18との間に導電性障壁層17を介している。前記構造は図1の構造に比べて上部電極16と配線金属層18との接着特性を改善する効果があるが、キャパシターの上部電極を周辺回路領域の抵抗層として用いられない短所がある。図面符号12は下部電極、13は前記下部電極12と誘電体膜14との接着特性を改善し相互反応を防止するための接着/障壁層、14は誘電体膜を示す。
【0016】
図3は従来の更に他の方法による強誘電体キャパシターの製造方法を説明するための断面図であり、日本特願平06−125057号を参照したものである。白金層36と配線金属層のアルミニウム層38との間にTiNとTiWのような高融点金属層37aを挿入してアルミニウムと白金との相互拡散が防止できるように構成されている。図面符号32は下部電極、34は誘電体膜を示す。
【0017】
図4は従来の更に他の方法による強誘電体キャパシターの製造方法を説明するための断面図であり、米国特許4,982,309号を参照したものである。導電性酸化物電極36と金属配線層38との間にルテニウム、イリジウムのような貴金属からなる障壁層37bが挿入されている。図面符号32は下部電極、34は誘電体膜を示す。
【0018】
前記図3と図4を参照すると、図1及び図2の場合と同様に、キャパシターの上部電極を周辺回路領域の抵抗層として用いることができない。かつ、図3の場合、白金36及び高融点金属層37aからなる上部電極層がその上に覆われたホウ素−燐を含むシリコン膜(以下「BPSG」という)又はドーピングされないシリコン膜(以下「USG」という)のようなシリコン酸化物に基づいた層間絶縁膜(図示せず)と接触するようになる。従って、キャパシターの形成後、後続工程で600℃以上の熱処理を行うと、BPSGとTiNとが反応しストレスを招きながらキャパシターの特性が劣化される問題点がある。このように、キャパシターの形成後に熱処理によりBPSGとTiNとが反応することによりキャパシターの特性が低下される問題は1993年IEDMの53−56ページによく示されている。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであり、上部電極層を周辺回路領域の抵抗層として使用でき、上部電極と配線層との接着特性に優れ、上部電極と層間絶縁膜とのストレスを減らしてキャパシターの特性が劣化されることを防止できる構造の半導体メモリ装置を供するにその目的がある。
【0020】
かつ、本発明の他の目的は前記半導体メモリ装置の好適な製造方法を供することである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明による半導体メモリ装置は、セル領域と周辺回路領域とを備える半導体基板と、前記セル領域上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成された上部電極と、前記上部電極上に形成される第1物質層と、前記周辺回路領域上に第1物質層と同一の物質で形成される抵抗層とを具備する。前記下部電極と上部電極は白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)等の白金族金属と、酸化イリジウム、酸化白金、酸化オスミウム、酸化インジウム、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化ルテニウム等の伝導性酸化物からなる。
【0022】
前記誘電体膜はPZT、PbTiO3、 PbLaTiO3、BaTiO3、BST(BaSrTiO3)、 STO(SrTiO3) のようなペロブスカイト構造の酸化物、又はBi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9 からなる。
【0023】
前記第1物質層は上部電極の上に形成され、周辺回路領域の抵抗として使用できるように所定の5〜500Ω/□の面抵抗を有する物質層からなる。
【0024】
前記第1物質層上に、前記第1物質層と配線層との反応を防止するための第1障壁層と、前記第1障壁層上に形成された配線層を更に具備することができる。かつ、前記上部電極と第1物質層との間に、前記上部電極と第1物質層との相互反応を防止するための第2障壁層を更に具備することができる。
【0025】
前記他の目的を達成するために本発明による半導体メモリ装置の製造方法は、セル領域と周辺回路領域とを半導体基板上の前記セル領域上に下部電極を形成する段階と、前記下部電極上に誘電体膜を形成する段階と、前記誘電体膜上に上部電極用の導電層を形成する段階と、前記上部電極用の導電層及び誘電体膜をパタニングして、前記下部電極上に順に積層された誘電体膜パターンと上部電極を形成する段階と、前記上部電極及び前記周辺回路領域上に第1物質層を形成する段階と、前記第1物質層をパタニングして、前記上部電極上に第1物質層パターンを形成し、前記周辺回路領域上に抵抗層を形成する段階と、結果物上に層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜をパタニングして配線層と上部電極とを連結するコンタクトホールを形成する段階と、前記コンタクトホールを介して前記上部電極と電気的に接続された配線層を形成する段階とを含むことを特徴とする。
【0026】
前記上部電極及び下部電極は白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)等の白金族の金属と、酸化イリジウム、酸化白金、酸化オスミウム、酸化インジウム、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化ルテニウム等の伝導性酸化物から構成された群より選択された何れか一つ以上の物質から形成する。
【0027】
前記誘電体膜はPZT、 PbTiO3、PbLaTiO3、BaTiO3、BST(BaSrTiO3)、 STO(SrTiO3) のようなペロブスカイト構造の酸化物、又はBi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9 から形成される。
【0028】
前記第1物質層は5〜500Ω/□の面抵抗を有する物質層であり、ポリシリコン、タングステンシリサイド(以下、「WSix 」と称する)、チタンシリコンナイトライド(以下、「TiSixNy 」と称する)、タンタルシリコンナイトライド(以下、「TaSixNx 」と称する)、SiN、チタンアルミニウムナイトライド(以下、「TixAlyNz 」と称する)、Al2O3からなる群より選択された何れか一つから形成される。
【0029】
本発明によると、キャパシターの上部電極の上に半導体層又は絶縁層を挿入することにより、キャパシター特性が劣化されず半導体層又は絶縁体層を周辺回路領域の抵抗層として用いることができる。かつ、上部電極と配線層との接着特性が向上され、上部電極の白金層と強誘電体膜との接着特性が向上される。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付した図面に基づき更に詳細に説明する。
【0031】
図5は本発明の一実施例による強誘電体キャパシターを具備する半導体メモリ装置を示した断面図である。
【0032】
参照符号40は半導体基板、42は活性領域と非活性領域を限定するフィールド酸化膜、44は酸化膜、窒化膜又はONO構造のゲート絶縁膜、46はポリシリコン又はポリサイド構造のゲート、48はトランジスタのドレイン(図示せず)と接続されたビットライン、50、64は層間絶縁膜、52はキャパシターの下部電極とトランジスタのソース(図示せず)とを連結するプラグ、54はキャパシターの下部電極、56は誘電体膜、58はキャパシターの上部電極、62aは半導体又は絶縁体からなる第1物質層、62bは半導体又は絶縁体からなる周辺回路領域の抵抗層、68は障壁層、70は配線層、72は保護膜を示す。
【0033】
半導体基板上に下部電極54、誘電体膜56及び上部電極58を具備する強誘電体キャパシターが形成されている。前記上部電極58及び下部電極54は白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)等の白金族の金属と、二酸化イリジウム(IrO2)、 一酸化白金(PtO)、二酸化オスミウム(OsO2)、三二酸化インジウム(In2O3)、インジウム錫酸化物(ITO)、二酸化ルテニウム(RuO2)等の伝導性酸化物からなる群より選択された何れか一つ以上の物質から形成されている。
【0034】
かつ、前記誘電体膜56はPZT、PbTiO3、PbLaTiO3、BaTiO3、BST(BaSrTiO3)、 STO(SrTiO3)のようなペロブスカイト構造の酸化物、又はBi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9 からなる群より選択された何れか一つから形成されている。
【0035】
前記上部電極58上には配線層と上部電極との接着特性を向上させ、周辺回路領域の抵抗層として使用できる物質として、5〜500Ω/□程度の面抵抗を有する半導体又は絶縁体からなる第1物質層62a、62bが形成されている。望ましくは、前記第1物質層62a、62bは ポリシリコン、WSixのような半導体と、TiSixNy、TaSixNx、SiN、TixAlyNz、Al2O3 のような絶縁体からなる群より選択された何れか一つから形成される。
【0036】
前記第1物質層62a、62bがポリシリコン又はシリサイドのような半導体から形成される場合には、セル領域の前記配線層70と第1物質層とを連結させるためのコンタクトホールが第1物質層62aの表面上に直接形成されることもできる。この際、前記第1物質層62aと配線層70との反応を防止しオーミックを形成するために、図示したように第1障壁層68を更に具備することが望ましい。この際、前記第1障壁層68はTi/TiNの二重膜、TiSixNy、TaSixNx、Ru、Ir、IrO2、RuO2のうち何れか一つから形成される。
【0037】
かつ、図9のように、セル領域の上部電極74と第1物質層62aとの間に、前記上部電極と第1物質層との相互反応を防止するための第2障壁層76を更に具備することもできる。前記第2障壁層76は前記第1障壁層と同一な物質から形成できる。
【0038】
図10は上部電極58と配線層70の間に形成される第1物質層78a、78bを形成する物質としてポリシリコンのような半導体の代りに絶縁体を用いられることを示している。
【0039】
本発明による半導体メモリ装置によると、強誘電体キャパシターの上部電極と配線層との間に、周辺回路領域の抵抗層として使用できる程度の比抵抗を有する半導体又は絶縁体から構成された第1物質層を具備することにより、配線層とキャパシターの上部電極との接着特性を改善することができ、前記第1物質層で周辺回路領域の抵抗層を形成することができる。
【0040】
第1実施例
図6A乃至図8Gは本発明の第1実施例による半導体メモリ装置の製造方法を説明するために工程の手順に応じて示した断面図である。
【0041】
図6Aはトランジスタ及びコンタクトホールを形成する段階を示している。
【0042】
この段階は、半導体基板を活性領域と非活性領域とに分ける素子分離膜を形成する工程、前記半導体基板の活性領域にトランジスタを形成する工程、前記トランジスタのドレインと接続されるビットラインを形成する工程、結果物上に層間絶縁膜を形成する工程、トランジスタのソースとキャパシターの下部電極とを連結するプラグ(plug)を形成する工程の手順で施される。
【0043】
詳しく説明すると、まず半導体基板40上に選択的酸化方法(以下「LOCOS」という)のような通常の素子分離工程を適用してフィールド酸化膜42を形成した後、ゲート絶縁膜44、ゲート電極46及びソース/ドレイン(図示せず)を具備するトランジスタを通常の方法により形成する。次いで、前記トランジスタのドレインと接触するビットライン48を形成した後、結果物の全面に絶縁物質を蒸着し、平坦化して層間絶縁膜50を形成する。次に、前記層間絶縁膜50を部分的に蝕刻してコンタクトホールを形成した後、前記コンタクトホールを導電物質で埋め込むことにより、トランジスタのソースとキャパシターの下部電極とを連結するプラグ52が形成される。
【0044】
図6Bはキャパシターの下部電極54を形成する段階を示したものである。
【0045】
この段階は白金族の金属又は伝導性酸化物を蒸着して導電層を形成する工程及び前記導電層をパタニングする工程の手順で施される。
【0046】
詳しく説明すると、プラグ52の形成された結果物上にキャパシターの下部電極を形成するための導電物質を100〜3,000Å程度の厚みで蒸着して導電層を形成した後、通常の写真蝕刻工程を用いて前記導電層をパタニングすることによりキャパシタの下部電極54を形成する。
【0047】
前記キャパシターの下部電極54を形成するための物質としては、高伝導性で耐酸化性の導電物質、即ち白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、 二酸化イリジウム(IrO2)、一酸化白金(PtO)、二酸化オスミウム(OsO2)、 三二酸化インジウム(In2O3)、インジウム錫酸化物(ITO)、 二酸化ルテニウム(RuO2)のうち何れか一つの物質又はこれらの物質を組み合わせて用いる。
【0048】
前記電極物質の蒸着方法としては、スパッタ(sputtering)又は化学気相蒸着(CVD)方法を用いることが望ましい。例えば、白金系の金属を蒸着する場合、前記金属をターゲットとして常温〜500℃の基板温度と1〜10mTorrのチャンバ圧力を保ってアルゴン(Ar)雰囲気下でスパッタ方法にて蒸着する。白金系金属の酸化物を蒸着する場合、白金系の金属をターゲットとして1〜10mTorrのチャンバ圧力を保ち、アルゴン(Ar)ガスに5〜50%程度の酸素(O2) を混ぜ合わせたガス雰囲気でRFスパッタ又は反応性スパッタ方法にて蒸着する。かつ、CVD方法にて白金を蒸着する場合には、白金−(Pt−HFA)2を白金ソースとして、 100〜500℃の基板温度と10mTorr〜10Torrの圧力下で100〜1,000sccmのアルゴン(Ar)を運搬ガスとして流す。
【0049】
図6Cはキャパシターの誘電体膜56及び上部電極用の導電層58を形成する段階を示したものである。
【0050】
この段階は、図6Bの結果物上に強誘電体を蒸着して誘電体膜を形成する工程及び前記誘電体膜上に白金系又は白金系の酸化物を蒸着して導電層を形成する工程の手順で施される。
【0051】
詳しく説明すると、キャパシターの下部電極の形成された結果物上にPZTのような強誘電体をスパッタ又はCVD方法にて蒸着して誘電体膜56を形成する。次に、前記誘電体膜上に下部電極54を形成した物質、即ち白金系又は伝導性酸化物を前記下部電極54を形成した方法と同一な方法にて蒸着して上部電極用の導電層58を形成する。
【0052】
前記誘電体膜56を形成するための物質としては、 PZT、PbTiO3、PbLaTiO3、BaTiO3、BST(BaSrTiO3)、 STO(SrTiO3)等のペロブスカイト構造の酸化物、又はBi4Ti3O12、 SrBi2Ta2O9 からなる群より選択された何れか一つを用いることができる。
【0053】
例えば、前記BSTをスパッタ方法にて蒸着する場合、BSTターゲットを用いて550〜650℃の基板温度と1〜10mTorrのチャンバ圧力を保ち、アルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスが含まれた雰囲気で蒸着する。 かつ、CVD方法にて蒸着する場合には、CVDソースとしてBa(DPM)2、 Sr(DPM)2、Ti(DPM)2を主成分として用い、酸化ガスとしては酸素(O2)にN2Oが10〜50%程度含まれたソースを運搬ガスのアルゴンに混ぜて基板温度550〜800℃、チャンバ圧力0.1〜10Torrで保たれたチャンバの中に流す。
【0054】
図7Dは上部電極用の導電層58をパタニングするための写真蝕刻工程の段階を示したものである。
【0055】
この段階は、前記上部電極層用の導電層上にフォトレジストパターンを形成する工程及び前記上部電極用の導電層及び誘電体膜をパタニングする工程の手順で施される。
【0056】
詳しく説明すると、上部電極用の導電層58の形成された結果物上にマスク層を形成するための物質、例えばフォトレジストを0.5〜5μm程度の厚みでスピン塗布した後、露光及び現像工程を経て周辺回路領域の前記上部電極用の導電層58を露出させるフォトレジストパターン60を形成する。
【0057】
次に、前記フォトレジストパターン60を蝕刻マスクとして周辺回路領域の前記上部電極用の導電層58及び誘電体膜56を蝕刻する。この際、前記上部電極用の導電層58は湿式又は乾式の蝕刻方法を用いて蝕刻することができる。例えば、湿式蝕刻の場合には王水をエッチング液として用い、乾式蝕刻の場合には酸素ガス(O2)と塩素ガス(Cl2)の混合ガスをエッチング液として用いることができる。
【0058】
図7Eは第1物質層62を形成する段階を示したものである。
【0059】
この段階は、前記フォトレジストパターンを取り除く工程及び結果物上にポリシリコンを蒸着する工程により施される。
【0060】
詳しく説明すると、前記フォトレジストパターンを取り除き洗浄工程を経た後、セル領域及び周辺回路領域の結果物の全面に、周辺回路領域の抵抗層として使用できる物質として所定の半導体又は絶縁体、例えばポリシリコンを蒸着する。前記蒸着されたポリシリコンは、セル領域では上部電極と配線層との接着特性を改善するための障壁層として用いられ、周辺回路領域では抵抗層として用いられる。
【0061】
前記第1物質層62としてポリシリコン膜は、例えばSiH4又はSiH2Cl2をソースとして用い、PH3の添加されたドープ剤ソースをチャンバ内に流し、基板温度は550〜750℃の温度でCVD方法にて蒸着して形成される。
【0062】
前記ポリシリコン膜62の厚み及びドーピング濃度は前記ポリシリコン膜の面抵抗が周辺回路領域の抵抗値として要求される面抵抗(Rs)、例えば50〜200Ω/□程度になるように適宜に調節する。本発明の望ましい実施例によると、前記ポリシリコン膜の厚みは100〜3,000Å程度が望ましく、その厚みで前記の面抵抗値を得られるようにポリシリコン膜のドーピング濃度を調節する。前記ポリシリコン膜のドーピング濃度を調節する方法としては、CVD工程のうちドープ剤をチャンバ内に添加することによりドーピングの濃度を調節する方法と、ドーピングされないポリシリコンを蒸着した後、通常のイオン注入又は拡散を行う方法とが挙げられる。
【0063】
前記ポリシリコン膜62の代りに、WSix 又はTiSixNy、TaSixNx、SiN、TixAlyNz、Al2O3 のような絶縁膜を用いることもできる。
【0064】
図8Fは層間絶縁膜64及びコンタクトホールを形成する段階を示したものである。
【0065】
この段階は、前記ポリシリコン膜をパタニングする工程、結果物上に絶縁物質を蒸着して層間絶縁膜を形成する工程、前記層間絶縁膜を蝕刻してキャパシターの上部電極と配線層とを連結するコンタクトホールを形成する工程の手順で施される。
【0066】
詳しく説明すると、通常の写真蝕刻工程を用いて前記第1物質層をパタニングすることにより、セル領域ではキャパシターの上部電極58と配線層との接着層を向上させる障壁層62aとして用いられ、周辺回路領域では所定の抵抗値を有する抵抗層62bとして用いられる第1物質層パターンを形成する。次いで、結果物上にBPSG、PSG、SG、SOG及びUSGのうち何れか一つの物質又は一つ以上の物質を組み合わせたものを所定の厚み、例えば2,000〜10,000Å程度の厚みで蒸着して層間絶縁膜64を形成する。
【0067】
次に、通常の写真蝕刻工程を用いて前記層間絶縁膜64を部分的に蝕刻することにより、キャパシターの上部電極と配線層とを連結するコンタクトホール66を形成する。この際、前記コンタクトホール66は図示されたように、第1物質層62aの表面が露出されるように形成することもでき、前記第1物質層下部の上部電極層58の表面が露出されるように形成することもできる。
【0068】
図8Gは障壁層68、配線層70及び保護膜72を形成する段階を示したものである。
【0069】
この段階は、コンタクトホールの形成された結果物上に障壁層68を形成する工程、結果物上に配線金属を蒸着して配線層70を形成する工程、前記配線層及び障壁層をパタニングする工程、結果物上に保護膜72を形成する工程により施される。
【0070】
詳しく説明すると、コンタクトホールの形成された結果物上にTi/TiNの二重膜、TiSixNy、TaSixNx、Ru、Ir、IrO2、又はRuO2のうち何れか一つの物質を100〜1,000Å程度の厚みで蒸着して前記第1物質層62aと配線層との相互拡散を防止し、前記第1物質層62aと配線層との間にオームコンタクトを形成するための障壁層68を形成する。次いで、結果物上に配線金属、例えばアルミニウム70を3,000〜10,000Å程度の厚みで蒸着した後、通常の写真蝕刻工程を用いて前記障壁層68及び配線層70をパタニングする。引き続き、通常のDRAMの製造工程を用いて保護膜72の形成工程及びその後の工程を施す。
【0071】
以上、本発明の第1実施例によると、強誘電体キャパシターの上部電極層上に周辺回路領域の抵抗層を蒸着することにより、周辺回路領域の抵抗層をキャパシターの形成と同時に形成することができ、上部電極層と配線層との接着特性を向上させて素子の信頼性が向上される。
【0072】
かつ、本実施例で用いた第1物質層は後に蒸着される層間絶縁膜との反応によるストレスを発生させる問題を解決することができる。これに対して、従来技術でTi、TiN等を接着層として用いる時には前述したようにTiNがBPSGと反応を起こしてストレスを招きキャパシターが劣化される問題点がある。
【0073】
第2実施例
図9は本発明の第2実施例による強誘電体キャパシターを具備する半導体メモリ装置の製造方法を説明するための断面図である。本発明の第1実施例と同一な物質層に対しては同一な参照符号を用いることにする。
【0074】
本発明の第2実施例はキャパシターの上部電極と第1物質層との相互拡散等の反応を防止するに好適であり、特に上部電極を白金から形成する場合に当たる。
【0075】
第2実施例は、白金からなる上部電極層74上に第1障壁層を形成する工程、前記第1障壁層上に第1物質層を形成する工程、写真工程により周辺回路領域の第1物質層を露出させる工程、前記第1物質層、第1障壁層及び上部電極層をパタニングする工程の手順で施される。
【0076】
詳しく説明すると、本発明の第1実施例と同一な方法にて上部電極用導電層にて白金層74を形成する。次に、前記白金層74と第1物質層から形成されるポリシリコン膜62aとの相互反応を防止するために前記白金層74上に、白金(Pt)とポリシリコンとの反応を防止する物質、例えばTi/TiNの二重膜、TiSixNy、TaSixNx、Ru、Ir、IrO2、RuO2のうち何れか一つの物質を、例えばスパッタ方法にて100〜1,000Å程度の厚みで蒸着することにより、第2障壁層76を形成する。かつ、後続されるポリシリコン膜の形成工程、上部電極層のパタニング工程、コンタクトホールの形成工程は本発明の第1実施例と同一な方法により施されるので、図示及び説明を省略することにする。
【0077】
本発明の第2実施例による強誘電体キャパシターの製造方法によると、強誘電体キャパシターの上部電極層上に周辺回路領域の抵抗層として用いられる第1物質層を蒸着することは勿論、前記第1物質層と上部電極層との相互反応を防止するための障壁層を形成することにより、素子の信頼性を更に向上させることができる。
【0078】
第3実施例
図10は本発明の第3実施例による半導体メモリ装置の製造方法を説明するための断面図である。本発明の第1実施例及び第2実施例と同一な物質層に対しては同一な参照符号を用いることにする。
【0079】
本発明の第3実施例は、上部電極58と配線層70との間に形成される第1物質層78a、78bを形成する物質として、ポリシリコンのような半導体の代りに絶縁体を用いる場合に適用される。この際、用いられる絶縁体としてはSiO2、Al2O3、SiN、TiSixNy、TaSixNx、TixAlyNz等があり、これらの製造工程は本発明の第1実施例と同一な方法により施されるので説明を省略することにする。但し、半導体の代りに絶縁体を用いる場合には、図10に示されたように、セル領域で配線層68、70と上部電極58とを連結するためのコンタクトホールを形成する時、前記絶縁体層78aまで蝕刻して上部電極58の表面が露出されるように形成しなければならない。
【0080】
本発明は前記実施例に限られず、本発明が属した技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により多くの変形が可能であることは明白である。
【0081】
【発明の効果】
以上、本発明による強誘電体キャパシターを具備する半導体メモリ装置及びその製造方法によると、キャパシターの上部電極上に半導体層又は絶縁体層を挿入することにより、
1)キャパシター特性が劣化されることなく、半導体層又は絶縁体層を周辺回路領域の抵抗層として用いられる。
【0082】
2)上部電極と配線層との接着特性を向上させることができる。
【0083】
3)上部電極と誘電体膜との接着特性を向上させることができる。
【0084】
4)層間絶縁膜と反応してストレスを招かない膜質を電極と層間絶縁膜の間に挿入することにより、後続工程におけるキャパシターの劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の一方法による強誘電体キャパシターの形成方法を説明するための断面図である。
【図2】 従来の二番目の方法による強誘電体キャパシターの形成方法を説明するための断面図である。
【図3】 従来の三番目の方法による強誘電体キャパシターの製造方法を説明するための断面図である。
【図4】 従来の四番目の方法による強誘電体キャパシターの製造方法を説明するための断面図である。
【図5】 本発明による強誘電体キャパシターを具備する半導体メモリ装置を示した断面図である。
【図6】 本発明の第1実施例による半導体メモリ装置の製造方法を順次に示した工程別断面図である。
【図7】 図6に続く工程別断面図である。
【図8】 図7に続く工程別断面図である。
【図9】 本発明の第2実施例による半導体メモリ装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図10】 本発明の第3実施例による半導体メモリ装置の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
40…半導体基板
54…下部電極
56…誘電体膜
58…上部電極
62a、62b、78a、78b…第1物質層
68…第1障壁層
70…配線層
76…第2障壁層
Claims (24)
- セル領域と周辺回路領域とを備える半導体基板と、
前記セル領域上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された誘電体膜と、
前記誘電体膜上に形成された上部電極と、
前記上部電極上に形成される第1物質層と、
前記周辺回路領域上に第1物質層と同一の物質で形成される抵抗層と、を具備することを特徴とする半導体メモリ装置。 - 前記上部電極及び下部電極は白金族の金属及び伝導性酸化物からなる群より選択された何れか一つ以上の物質からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ装置。
- 前記白金族の金属は白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)からなる群より選択された何れか一つであることを特徴とする請求項2に記載の半導体メモリ装置。
- 前記伝導性酸化物は酸化イリジウム、酸化白金、酸化オスミウム、酸化インジウム、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化ルテニウムからなる群より選択された何れか一つであることを特徴とする請求項2に記載の半導体メモリ装置。
- 前記誘電体膜はぺロブスカイト構造の酸化物、Bi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9 からなる群より選択された何れか一つであることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ装置。
- 前記ぺロブスカイト構造の酸化物はPZT、PbTiO3、 PbLaTiO3、BaTiO3、BST(BaSrTiO3)、 STO(SrTiO3) からなる群より選択された何れか一つであることを特徴とする請求項5に記載の半導体メモリ装置。
- 前記第1物質層は5〜500Ω/□の面抵抗を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ装置。
- 前記第1物質層はポリシリコン、タングステンシリサイド、チタンシリコンナイトライド、タンタルシリコンナイトライド、SiN、チタンアルミニウムナイトライド、Al2O3からなる群より選択された何れか一つからなることを特徴とする請求項7に記載の半導体メモリ装置。
- 前記第1物質層上に、前記第1物質層と配線層との反応を防止する第1障壁層と、前記第1障壁層上に形成された配線層を更に具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ装置。
- 前記第1障壁層はTi/TiNの二重膜、チタンシリコンナイトライド、タンタルシリコンナイトライド、Ru、Ir、IrO2、RuO2からなる群より選択された何れか一つからなることを特徴とする請求項9に記載の半導体メモリ装置。
- 前記上部電極と第1物質層との間に前記上部電極と第1物質層の相互反応を防止するための第2障壁層を更に具備することを特徴とする請求項1乃至請求項10のうち何れか一つに記載の半導体メモリ装置。
- 前記第2障壁層はTi/TiNの二重膜、チタンシリコンナイトライド、タンタルシリコンナイトライド、Ru、Ir、IrO2、RuO2からなる群より選択された何れか一つからなることを特徴とする請求項11に記載の半導体メモリ装置。
- セル領域と周辺回路領域とを備える半導体基板上の前記セル領域上に下部電極を形成する段階と、
前記下部電極上に誘電体膜を形成する段階と、
前記誘電体膜上に上部電極用の導電層を形成する段階と、
前記上部電極用の導電層及び誘電体膜をパタニングして、前記下部電極上に順に積層された誘電体膜パターンと上部電極を形成する段階と、
前記上部電極及び前記周辺回路領域上に第1物質層を形成する段階と、
前記第1物質層をパタニングして、前記上部電極上に第1物質層パターンを形成し、前記周辺回路領域上に抵抗層を形成する段階と、
結果物上に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜をパタニングして配線層と上部電極とを連結するコンタクトホールを形成する段階と、
前記コンタクトホールを介して前記上部電極と電気的に接続された配線層を形成する段階と、を含むことを特徴とする半導体メモリ装置の製造方法。 - 前記上部電極及び下部電極は白金族の金属と伝導性酸化物とから構成された群より選択された何れか一つ以上の物質から形成されることを特徴とする請求項13に記載の半導体メモリ装置の製造方法。
- 前記白金族の金属は白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)からなる群より選択された何れか一つであることを特徴とする請求項14に記載の半導体メモリ装置の製造方法。
- 前記伝導性酸化物は酸化イリジウム、酸化白金、酸化オスミウム、酸化インジウム、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化ルテニウムからなる群より選択された何れか一つであることを特徴とする請求項14に記載の半導体メモリ装置の製造方法。
- 前記誘電体膜はぺロブスカイト構造の酸化物、Bi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9 からなる群より選択された何れか一つであることを特徴とする請求項13に記載の半導体メモリ装置の製造方法。
- 前記ぺロブスカイト構造の酸化物はPZT、 PbTiO3、PbLaTiO3、BaTiO3、BST(BaSrTiO3)、 STO(SrTiO3) からなる群より選択された何れか一つであることを特徴とする請求項17に記載の半導体メモリ装置の製造方法。
- 前記第1物質層は5〜500Ω/□の面抵抗を有する物質から形成されることを特徴とする請求項13に記載の半導体メモリ装置の製造方法。
- 前記第1物質層はポリシリコン、タングステンシリサイド、チタンシリコンナイトライド、タンタルシリコンナイトライド、SiN、チタンアルミニウムナイトライド、Al2O3からなる群より選択された何れか一つから形成されることを特徴とする請求項19に記載の半導体メモリ装置の製造方法。
- 前記第1物質層を形成する段階の後に、前記第1物質層と配線層との反応を防止するための第1障壁層を前記第1物質層上に形成する段階を更に具備することを特徴とする請求項13に記載の半導体メモリ装置の製造方法。
- 前記第1障壁層はTi/TiNの二重膜、チタンシリコンナイトライド、タンタルシリコンナイトライド、Ru、Ir、IrO2、RuO2からなる群より選択された何れか一つから形成されることを特徴とする請求項21に記載の半導体メモリ装置の製造方法。
- 前記第1物質層を形成する前に、前記上部電極と第1物質層との相互反応を防止するための第2障壁層を前記上部電極用の導電層上に形成する段階を更に具備することを特徴とする請求項13乃至請求項22のうち何れか一つに記載の半導体メモリ装置の製造方法。
- 前記第2障壁層はTi/TiNの二重膜、チタンシリコンナイトライド、タンタルシリコンナイトライド、Ru、Ir、IrO2、RuO2からなる群より選択された何れか一つからなることを特徴とする請求項23に記載の半導体メモリ装置の製造方法。
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