JP3961994B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体メモリとして、強誘電体キャパシタを有する強誘電体メモリや、高誘電体キャパシタを有するダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)などが開発されている。これら強誘電体メモリやDRAMのメモリセルは、選択トランジスタと、この選択トランジスタに接続された記憶素子として機能するキャパシタとを具備している(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
このような従来技術において、例えば、周辺回路部及びメモリセル部の多層配線が形成された後にメモリセル部のキャパシタが形成されることで、最上層部にキャパシタが形成される場合がある。この場合、キャパシタによって多層配線の形成が妨げられず、かつ、キャパシタの劣化を抑制できるという利点を有する。
【0004】
一方、キャパシタが先に形成された後に多層配線が形成されることで、下層部にキャパシタが形成される場合もある。この場合、上記と同様にキャパシタによって多層配線の形成が妨げられず、かつ、キャパシタの形成時に熱工程の制約を受けないという利点を有する。
【0005】
しかし、これらの利点は、キャパシタが2次元的な構造をとり、キャパシタ自身の高さがそれほど大きくない場合に得られるものである。尚、2次元的な構造のキャパシタ(以下、2次元キャパシタと称す)とは、キャパシタを構成する電極層等が、XY方向にのみ平面的に延在し、立体的なZ方向には延在しない構造のキャパシタのことをいう。
【0006】
【特許文献1】
特開平11-317500号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このような強誘電体メモリやDRAMにおいて、高集積化を実現するためには、3次元的な構造のキャパシタと多層配線との組み合わせ技術が必要となる。尚、3次元的な構造のキャパシタ(以下、3次元キャパシタと称す)とは、キャパシタを構成する電極層等が、XY方向に平面的に延在するだけでなく、Z方向にも立体的に延在する構造のキャパシタのことをいう。
【0008】
しかしながら、3次元キャパシタの場合、上述する従来技術の構造をそのまま適用してキャパシタと多層配線とを異なるレイヤーに形成すると、3次元キャパシタは2次元キャパシタと比べて高さがあるため、セルが拡大するという問題が生じてしまう。
【0009】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、3次元キャパシタを用いた場合のセルの拡大を抑制することが可能な半導体記憶装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために以下に示す手段を用いている。
【0011】
本発明の一視点による半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、ゲート電極と第1及び第2の拡散層とを有するトランジスタと、前記トランジスタ上に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜内に形成され、複数の配線層及び複数のコンタクトを含む第1の多層配線層部と、前記第1の多層配線層部内の少なくとも2層の配線層を含む前記第1の絶縁膜内を垂直方向に連続的に貫いて形成され、前記ゲート電極と少なくとも一部が重なるように設けられた第1の凹部と、前記第1の凹部内に3次元的に形成され、第1及び第2の電極と強誘電体膜とを有し、前記第1の電極が前記第1の多層配線層部を介して前記第1の拡散層と電気的に接続された強誘電体キャパシタとを具備する。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【0014】
尚、各実施形態では、本発明を強誘電体メモリに適用した場合について述べるが、本発明は高誘電体キャパシタを有するダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)に適用することも可能である。
【0015】
[1]第1の実施形態
第1の実施形態は、各実施形態の基本となる構造を示し、3次元的な構造の強誘電体キャパシタ(以下、3次元強誘電体キャパシタと称す)をメモリセルトランジスタの上方に配置させ、かつ、3次元強誘電体キャパシタと多層配線とを同じ絶縁膜内に形成することで、3次元強誘電体キャパシタを用いた場合のセルの拡大を抑制するものである。
【0016】
尚、3次元強誘電体キャパシタとは、強誘電体キャパシタを構成する上部電極、下部電極及び強誘電体膜が、XY方向に平面的に延在するだけでなく、Z方向にも立体的に延在する構造のキャパシタのことをいう。
【0017】
[1−1]基本例
図1は、本発明の第1の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、第1の実施形態に係る基本例の構造について説明する。
【0018】
図1に示すように、第1の実施形態に係るメモリセル部は、メモリセルトランジスタ16と、このトランジスタ16の上方に配置された3次元強誘電体キャパシタ27と、多層配線層部22a,22bとを具備している。そして、トランジスタ16の一方のソース/ドレイン拡散層15aには多層配線層部22aを介して強誘電体キャパシタ27の下部電極24が接続され、他方のソース/ドレイン拡散層15bには多層配線層部22bを介してビット線33が接続されている。このようなメモリセル部は、具体的には以下のような構造になっている。
【0019】
半導体基板11上にゲート電極14が形成され、このゲート電極14を挟んでソース/ドレイン拡散層15a,15bが半導体基板11内に形成されている。これにより、メモリセルトランジスタ16が形成されている。
【0020】
トランジスタ16上には層間絶縁膜17が形成され、この層間絶縁膜17内にはコンタクト20a,20bが形成されている。ここで、コンタクト20aはソース/ドレイン拡散層15aに接続され、コンタクト20bはソース/ドレイン拡散層15bに接続されている。
【0021】
層間絶縁膜17及びコンタクト20a,20b上には層間絶縁膜21が形成され、この層間絶縁膜21内には複数の配線層及び複数のコンタクトを含む多層配線層部22a,22bが形成されている。ここで、多層配線層部22aはコンタクト20aに接続され、多層配線層部22bはコンタクト20bに接続されている。
【0022】
層間絶縁膜21内には凹部23が形成され、この凹部23は多層配線層部22a,22bを含む層間絶縁膜21の領域を垂直方向に連続的に貫いている。そして、この凹部23はトランジスタ16のゲート電極14の上方に位置しており、凹部23とゲート電極14とは重なり合っている。
【0023】
凹部23内には3次元強誘電体キャパシタ27が形成されている。この強誘電体キャパシタ27は、上部電極26と、下部電極24と、これら上部及び下部電極26,24間の強誘電体膜25とを有している。
【0024】
強誘電体キャパシタ27及び多層配線層部22a,22b上には層間絶縁膜28が形成され、この層間絶縁膜28内にはコンタクト29a,29b,29c,29d及び配線30a,30b,30cが形成されている。これにより、強誘電体キャパシタ27の下部電極24は、コンタクト29b→配線30a→コンタクト29a→多層配線層部22a→コンタクト20aを介して、ソース/ドレイン拡散層15aに電気的に接続されている。また、強誘電体キャパシタ27の上部電極26は、コンタクト29cを介して、プレート配線30bに電気的に接続されている。
【0025】
配線30a,30b,30c及び層間絶縁膜28上に層間絶縁膜31が形成され、この層間絶縁膜31内にコンタクト32が形成され、これらコンタクト32及び層間絶縁膜31上にビット線33が形成されている。このようにキャパシタ27の上方に配置されたビット線33は、コンタクト32→配線30c→コンタクト29d→多層配線層部22b→コンタクト20bを介して、ソース/ドレイン拡散層15bに電気的に接続されている。
【0026】
尚、凹部23は、多層配線層部22a,22b内の全ての配線層の存在する領域を貫く深さであることに限定されず、多層配線層部22a,22b内の少なくとも2層以上の配線層の存在する領域を貫く程度の深さでもよく、3次元キャパシタが形成できる程度の深さがあればよい。
【0027】
また、凹部23は、ゲート電極14の真上に位置してもよいし、ゲート電極14の少なくとも一部が重なる程度の位置であってもよい。
【0028】
また、凹部23のアスペクト比は、スパッタ法でPZTからなる強誘電体膜25を形成する場合は例えば1程度であり、CVD(Chemical Vapor Deposition)法でPZTからなる強誘電体膜25を形成する場合は例えば4乃至5程度である。ここで、キャパシタ27を構成する膜のうちPZTからなる強誘電体膜25を基準としたのは、PZTからなる強誘電体膜25はキャパシタ27を構成する膜の中で最も埋め込み難いからである。尚、凹部23のアスペクト比は、基準とする膜の材料を変更することで種々の値を取り得る。
【0029】
第1の実施形態に係る周辺回路部は、層間絶縁膜21,28内に、多層配線層部22d、コンタクト29h及び配線30eが形成されている。ここで、多層配線層部22d、コンタクト29h及び配線30eは、メモリセル部の多層配線層部22a,22b、コンタクト29a,29d及び配線30a,30b,30cと同材料で同一面上にそれぞれ形成されている。また、多層配線層部22dの各配線層は、コンタクト(図示せず)により接続されていてもよい。
【0030】
図2乃至図7は、本発明の第1の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の製造工程の断面図を示す。以下に、第1の実施形態に係る基本例の製造方法について説明する。
【0031】
まず、図2に示すように、半導体基板11内に、素子領域を分離するための素子分離領域12が形成される。そして、半導体基板11の素子領域上にゲート絶縁膜13を介してゲート電極14が形成され、素子領域12内にソース/ドレイン拡散層15a,15bが形成される。これにより、メモリセルトランジスタ16が形成される。
【0032】
次に、LP−CVD(Low Pressure-Chemical Vapor Deposition)法やP−CVD法等により、トランジスタ16上に第1の層間絶縁膜17が形成される。そして、CMP(Chemical Mechanical Polish)法等を用いて、第1の層間絶縁膜17の表面が平坦化される。ここで、第1の層間絶縁膜17は、例えば、BPSG(Boron Phosphorous Silicate Glass)、LP−TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)、DTEOS(Densified Tetra Ethyl Ortho Silicate)等の材料からなる。
【0033】
次に、第1の層間絶縁膜17内に、ソース/ドレイン拡散層15a,15bにそれぞれ接続するコンタクト20a,20bが形成される。このコンタクト20a,20bは、例えばW,Poly−Si等の材料からなる。尚、コンタクト20a,20bのホールをコンタクト材で埋め込む前に、例えばTi,TiN等からなるバリアメタル層を形成してもよい。この場合、半導体基板11上のソース/ドレイン拡散層15a,15bとコンタクト20a,20bとの反応を抑制でき、コンタクト20a,20bの最適化を図ることができる。
【0034】
次に、図3に示すように、第2の層間絶縁膜21内に多層配線層部22a,22b,22dがメモリセル部及び周辺回路部にそれぞれ形成される。ここで、第2の層間絶縁膜21は、BPSG、LP−TEOS、DTEOS等の材料からなる。また、多層配線層部22a,22b,22dは、例えばW、Cu、Al等の材料からなる。
【0035】
ここで、多層配線層部22a,22b,22dの各配線層は、次のような方法で形成される。例えば、ダマシン法を用いる場合は、絶縁膜内に溝を形成し、この溝内に配線材を埋め込んだ後、この配線材の表面を平坦化することでダマシン構造の配線層が形成できる。また、RIE(Reactive Ion Etching)法を用いる場合は、配線材を全面に形成した後、この配線材をRIEにより所望の形状にパターニングすることで配線層を形成できる。
【0036】
次に、図4に示すように、RIE等を用いて第2の層間絶縁膜21が選択的にエッチングされ、凹部23が形成される。この凹部23は、少なくともゲート電極14の上方にかかるように形成される。
【0037】
次に、図5に示すように、CVD法やスパッタ法により、凹部23内及び第2の層間絶縁膜21上に、下部電極24、強誘電体膜25、上部電極26が順に堆積される。下部電極24及び上部電極26の材料としては、例えばPt、Ir、IrO2、SRO等が用いられ、また、強誘電体膜25の材料としては、例えばPZT、SBT等が用いられる。
【0038】
次に、図6に示すように、CMP法、RIE等を用いて、下部電極24、強誘電体膜25、上部電極26がパターニングされ、強誘電体キャパシタ27が形成される。
【0039】
次に、図7に示すように、第3の層間絶縁膜28が堆積される。次に、ダマシン法やRIEを用いて、第3の層間絶縁膜28内にコンタクト29a,29b,29c,29d,29h及び配線30a,30b,30c,30eが形成される。
【0040】
次に、図1に示すように、第4の層間絶縁膜31が形成され、この第4の層間絶縁膜31内に配線30cに接続するコンタクト32が形成される。その後、コンタクト32及び第4の層間絶縁膜31上にビット線33が形成される。このようにして、第1の実施形態に係る基本例の構造が形成される。
【0041】
上記第1の実施形態の基本例によれば、3次元強誘電体キャパシタ27をメモリセルトランジスタ16の上方に配置させることで、基板に平行方向のセルの幅を縮小し、3次元強誘電体キャパシタ27と多層配線とを同じレイヤーに形成することで、基板に垂直方向のセルの高さを縮小している。これにより、3次元強誘電体キャパシタ27を用いた場合のセルの拡大を抑制することができる。
【0042】
また、従来のプロセスを用いる場合、2次元キャパシタよりも高さがある3次元キャパシタ27を用いることで、下部電極24とソース/ドレイン拡散層15aとを接続するためのコンタクトのアスペクト比は高くなる。しかし、第1の実施形態では、強誘電体キャパシタ27の下部電極24とトランジスタ16のソース/ドレイン拡散層15aとを電気的に接続させるために、多層配線層部22aを用いている。これにより、配線30aとコンタクト20a又はソース/ドレイン拡散層15aとを一つのコンタクトで接続させた場合よりも、多層配線層部22aの各コンタクトやコンタクト29aのアスペクト比は小さく保つことが可能となり、従来の2次元キャパシタと同程度に抑えることができる。従って、メモリセルの高集積化を実現することが可能となる。
【0043】
同様に、従来のプロセスを用いる場合、2次元キャパシタよりも高さがある3次元キャパシタ27を用いることで、ビット線33とソース/ドレイン拡散層15bとを接続するためのコンタクトのアスペクト比は高くなる。しかし、第1の実施形態では、ビット線33とトランジスタ16のソース/ドレイン拡散層15bとを電気的に接続させるために、多層配線層部22bを用いている。これにより、ビット線33とコンタクト20b又はソース/ドレイン拡散層15bとを一つのコンタクトで接続させた場合よりも、多層配線層部22bの各コンタクトやコンタクト29d,32のアスペクト比は小さく保つことが可能となり、従来の2次元キャパシタと同程度に抑えることができる。従って、メモリセルの高集積化を実現することが可能となる。
【0044】
また、メモリセル部の多層配線層部22a,22bは、周辺回路部の多層配線層部22dと同時に形成することができる。従って、メモリセル部の多層配線層部22a,22bを形成するための新たな工程を追加すること無しに、従来からの周辺回路部の多層配線層部22dの形成工程を利用できる。
【0045】
また、3次元強誘電体キャパシタ27と多層配線層部22a,22bとを同じレイヤー(絶縁膜21)に形成することで、コンタクト29a,29dのアスペクト比を従来よりも下げることができる。
【0046】
[1−2]変形例1
第1の実施形態に係る変形例1は、強誘電体キャパシタ用の凹部を形成する際に、ストッパー、水素バリア及び酸素バリアのうちの少なくとも一つの機能を有する保護絶縁膜を、上記第1の実施形態に係る基本例の構造に付加したものである。
【0047】
図8は、本発明の第1の実施形態に係る変形例1の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、第1の実施形態に係る変形例1について説明する。尚、ここでは、主に第1の実施形態に係る基本例と異なる点について説明する。
【0048】
図8に示すように、凹部23の底面下に、ストッパー、水素バリア及び酸素バリアのうちの少なくとも一つの機能を有する保護絶縁膜35が形成されている。この保護絶縁膜35は、層間絶縁膜17,21とは異なる材料で形成されることが望ましく、例えば、SiN、Al2O3等のいずれかを含む材料で形成されている。
【0049】
保護絶縁膜35は、層間絶縁膜17が形成された後に、この層間絶縁膜17上に形成される。そして、保護絶縁膜35及び層間絶縁膜17内にコンタクト20a,20bが形成される。次に、層間絶縁膜21内に多層配線層部22a,22bが形成された後、層間絶縁膜21内に凹部23が形成される。この際、保護絶縁膜35をストッパーとして用いて層間絶縁膜21を除去する場合には、凹部23の底面の位置は保護絶縁膜35によって決定される。
【0050】
上記第1の実施形態の変形例1によれば、上記第1の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、さらに次のような効果も得ることができる。
【0051】
第1の実施形態に係る基本例の場合、トランジスタ16の上方に凹部23を形成する際、ゲート電極14へのオーバーエッチングを防ぐために、凹部23の底面とゲート電極14の上面との距離をある程度保つ必要がある。そこで、基本例では、この距離はエッチング時間などにより調整されていた。
【0052】
これに対し、変形例1では、凹部23の底面とゲート電極14の上面との距離を、エッチング時間により調整するだけでなく、保護絶縁膜35によっても調整できる。このため、凹部23の底面とゲート電極14の上面との距離の制御性を向上させることができる。さらに、保護絶縁膜35によって、水素バリア性及び酸素バリア性の効果も得ることができる。
【0053】
[1−3]変形例2
第1の実施形態に係る変形例2は、上記第1の実施形態に係る基本例のビット線をキャパシタの下方に配置させたものである。
【0054】
図9は、本発明の第1の実施形態に係る変形例2の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、第1の実施形態に係る変形例2について説明する。尚、ここでは、主に第1の実施形態に係る基本例と異なる点について説明する。
【0055】
図9に示すように、ビット線19は第1の層間絶縁膜17内に形成され、このビット線19はコンタクト18を介してトランジスタ16のソース/ドレイン拡散層15bに接続されている。つまり、ビット線19は、キャパシタ27の底面よりも下方に配置されている。ここで、セル面積を縮小するために、ビット線19は、キャパシタ27の下方のトランジスタ16が配置されていない領域を利用して配置するのが望ましい。
【0056】
上記第1の実施形態の変形例2によれば、上記第1の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、さらに次のような効果も得ることができる。
【0057】
第1の実施形態に係る基本例は、ビット線33は、キャパシタ27の最上面よりも上方に配置されていた。この場合、原理的にセルサイズは小さくできるが、多層配線層部22a,22bの存在によってキャパシタ27を形成できる領域が制限され、キャパシタ27の合わせずれ等の問題が生じ易い。
【0058】
これに対し、変形例2は、ビット線19は、キャパシタ27の底面よりも下方に配置されている。この場合、キャパシタ27の合わせずれの問題が生じないという利点がある。
【0059】
[1−4]変形例3
第1の実施形態に係る変形例3は、上記第1の実施形態に係る基本例を、TC並列ユニット直列接続型強誘電体メモリに適用したものである。ここで、TC並列ユニット直列接続型強誘電体メモリとは、メモリセルトランジスタ(T)のソース/ドレイン間にキャパシタ(C)の両端をそれぞれ接続し、これをユニットセルとし、このユニットセルを複数直列に接続したメモリのことをいう。
【0060】
図10は、本発明の第1の実施形態に係る変形例3の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、第1の実施形態に係る変形例3について説明する。尚、ここでは、主に第1の実施形態に係る基本例と異なる点について説明する。
【0061】
図10に示すように、第1のトランジスタ16aのソース/ドレイン間に第1の3次元強誘電体キャパシタ27aの両端がそれぞれ接続された第1のセルが形成され、第2のトランジスタ16bのソース/ドレイン間に第2の3次元強誘電体キャパシタ27bの両端がそれぞれ接続された第2のセルが形成され、これら第1及び第2のセルが直列に接続されたTC並列ユニット直列接続型構造となっている。
【0062】
ここで、第1のセルにおいて、トランジスタ16aの一方のソース/ドレイン拡散層15aには、多層配線層部22a、コンタクト20a,29a,29b及び配線30aを介して、3次元強誘電体キャパシタ27aの下部電極24が電気的に接続されている。一方、トランジスタ16aの他方のソース/ドレイン拡散層15bには、多層配線層部22b、コンタクト20b,29c,29d及び配線30bを介して、3次元強誘電体キャパシタ27aの上部電極26が電気的に接続されている。
【0063】
また、第2のセルにおいて、トランジスタ16bの一方のソース/ドレイン拡散層15cには、多層配線層部22c、コンタクト20c,29f,29g及び配線30dを介して、3次元強誘電体キャパシタ27bの下部電極24が電気的に接続されている。一方、トランジスタ16bの他方のソース/ドレイン拡散層15bには、多層配線層部22b、コンタクト20b,29d,29e及び配線30bを介して、3次元強誘電体キャパシタ27bの上部電極26が電気的に接続されている。
【0064】
そして、2つのトランジスタ16a,16bでソース/ドレイン拡散層15bを共有し、ソース/ドレイン拡散層15bとキャパシタ27a,27bの各上部電極26との接続において、多層配線層部22b、コンタクト20b,29d及び配線30bを共有することで、第1及び第2のセルが直列に接続されている。
【0065】
上記第1の実施形態の変形例3によれば、上記第1の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、さらに、TC並列ユニット直列接続型構造にすることで、セル面積の縮小を図ることができる。
【0066】
[2]第2の実施形態
第2の実施形態は、第1の実施形態の変形例であり、3次元強誘電体キャパシタを水素バリア膜で囲んでいる例である。
【0067】
[2−1]基本例
図11は、本発明の第2の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、第2の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の構造について説明する。尚、ここでは、主に第1の実施形態に係る基本例と異なる点について説明する。
【0068】
図11に示すように、第2の実施形態の基本例において、第1の実施形態の基本例と異なる点は、3次元強誘電体キャパシタ27の底面、側面及び上面に水素バリア膜40が形成され、この水素バリア膜40で3次元強誘電体キャパシタ27を囲み、3次元強誘電体キャパシタ27と多層配線層部22a,22b及びトランジスタ16とを隔てている点である。
【0069】
ここで、水素バリア膜40は、強誘電体キャパシタ27の側面及び底面に設けられた第1の部分40aと、強誘電体キャパシタ27の上面に設けられた第2の部分40bとを有する。
【0070】
また、水素バリア膜40は、単層であってもよいし、複数層であってもよく、例えばAl2O3、TiO2、SiN等の絶縁性の材料を少なくとも一つを含む膜からなる。尚、水素バリア膜40の第1の部分40aは導電性の材料で形成してもよい。
【0071】
また、水素バリア膜40はキャパシタ27と直接接して形成してあってもよいし、キャパシタ27と水素バリア膜40との間に絶縁膜を設けることで水素バリア膜40及び絶縁膜からなる積層膜でキャパシタ27を囲んでもよい。
【0072】
また、水素バリア膜40は、3次元強誘電体キャパシタ27を囲むように形成するのが最も望ましいが、3次元強誘電体キャパシタ27の一部を覆うように形成してあってもよく、例えば、第1の部分40aのみに形成したり、第2の部分40bのみに形成したり、キャパシタ27の底面又は側面のみに形成したりしてもよい。
【0073】
図12乃至図14は、本発明の第2の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の製造工程の断面図を示す。以下に、第2の実施形態に係る水素バリア膜の製造方法について説明する。
【0074】
まず、図12に示すように、層間絶縁膜21内に凹部23が形成された後、CVD法やスパッタ法により、凹部23内及び層間絶縁膜21上に水素バリア材40cが形成される。次に、水素バリア材40c上に、下部電極24、強誘電体膜25、上部電極26が順に堆積される。
【0075】
次に、図13に示すように、CMP法、RIE等を用いて、水素バリア材40c、下部電極24、強誘電体膜25、上部電極26がパターニングされる。これにより、水素バリア膜40の第1部分40aが形成されるとともに、強誘電体キャパシタ27が形成される。
【0076】
次に、図14に示すように、CVD法やスパッタ法により、キャパシタ27及び層間絶縁膜21上に水素バリア材40dが形成される。その後、この水素バリア材40dがパターニングされることで、水素バリア膜40の第2部分40bが形成される。このようにして、第1部分40aと第2部分40bとからなる水素バリア膜40でキャパシタ27が囲まれる。
【0077】
上記第2の実施形態の基本例によれば、第1の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができる。
【0078】
さらに、水素バリア膜40でキャパシタ27を囲むことにより、キャパシタ27の形成後の工程において発生する水素によるダメージから、キャパシタ27を保護することが可能となる。
【0079】
[2−2]変形例1
第2の実施形態に係る変形例1は、図15に示すように、上記第2の実施形態に係る基本例の凹部23下に、この凹部23を形成する際に、ストッパー、水素バリア及び酸素バリアのうちの少なくとも一つの機能を有する保護絶縁膜35を付加したものである。
【0080】
上記第2の実施形態の変形例1によれば、上記第2の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、保護絶縁膜35により、凹部23の底面とゲート電極14の上面との距離の制御性を向上することができる。さらに、保護絶縁膜35によって、水素バリア性及び酸素バリア性の効果も得ることができる。
【0081】
[2−3]変形例2
上記第2の実施形態に係る基本例では、ビット線33がキャパシタ27の最上面よりも上方に配置されていたのに対し、第2の実施形態に係る変形例2では、図16に示すように、ビット線19をキャパシタ27の底面よりも下方に配置させている。
【0082】
上記第2の実施形態の変形例2によれば、上記第2の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、キャパシタ27の合わせずれの問題が生じないという利点がある。
【0083】
[3]第3の実施形態
第3の実施形態は、第1の実施形態の変形例であり、配線の酸化を防ぐための酸素バリア膜を設けた例である。
【0084】
[3−1]基本例
図17は、本発明の第3の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、第3の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の構造について説明する。尚、ここでは、主に第1の実施形態に係る基本例と異なる点について説明する。
【0085】
図17に示すように、第3の実施形態の基本例において、第1の実施形態の基本例と異なる点は、3次元強誘電体キャパシタ27の底面、側面及び層間絶縁膜21上に酸素バリア膜41を設け、この酸素バリア膜41で多層配線層部22a,22b及びトランジスタ16を覆っている点である。
【0086】
ここで、酸素バリア膜41は、単層であってもよいし、複数層であってもよく、例えばAl2O3、SiN、SiON等の絶縁性の材料の少なくとも一つを含む膜からなる。
【0087】
また、酸素バリア膜41は、層間絶縁膜21内に凹部23が形成された後に凹部23内及び層間絶縁膜21上に形成され、強誘電体キャパシタ27の形成後も層間絶縁膜21上に残るように強誘電体キャパシタ27のパターニングが行われる。
【0088】
上記第3の実施形態の基本例によれば、第1の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができる。
【0089】
さらに、酸素バリア膜41で多層配線層部22a,22b及びトランジスタ16を覆うことで、キャパシタ27の形成工程において多層配線層部22a,22b等の配線部に酸素が侵入して反応が起きることを防ぐことが可能となる。
【0090】
[3−2]変形例1
第3の実施形態に係る変形例1は、図18に示すように、上記第3の実施形態に係る基本例の凹部23下に、この凹部23を形成する際にストッパー、水素バリア及び酸素バリアのうちの少なくとも一つの機能を有する保護絶縁膜35を付加したものである。
【0091】
上記第3の実施形態の変形例1によれば、上記第3の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、保護絶縁膜35により、凹部23の底面とゲート電極14の上面との距離の制御性を向上させることができる。さらに、保護絶縁膜35によって、水素バリア性及び酸素バリア性の効果も得ることができる。
【0092】
[3−3]変形例2
上記第3の実施形態に係る基本例では、ビット線33がキャパシタ27の最上面よりも上方に配置されていたのに対し、第3の実施形態に係る変形例2では、図19に示すように、ビット線19をキャパシタ27の底面よりも下方に配置させている。
【0093】
上記第3の実施形態の変形例2によれば、上記第3の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、キャパシタ27の合わせずれの問題が生じないという利点がある。
【0094】
[4]第4の実施形態
第4の実施形態は、第2の実施形態と第3の実施形態とを組み合わせたものであり、水素バリア膜と酸素バリア膜とを設けた例である。
【0095】
[4−1]基本例
図20は、本発明の第4の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、第4の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の構造について説明する。尚、ここでは、主に第1の実施形態に係る基本例と異なる点について説明する。
【0096】
図20に示すように、第4の実施形態の基本例において、第1の実施形態の基本と異なる点は、3次元強誘電体キャパシタ27の底面、側面及び上面に水素バリア膜40が形成され、この水素バリア膜40の底面、側面及び層間絶縁膜21上に酸素バリア膜41を設けている点である。従って、第4の実施形態の基本例では、水素バリア膜40で3次元強誘電体キャパシタ27が囲まれ、かつ、酸素バリア膜41で多層配線層部22a,22b及びトランジスタ16が覆われている。
【0097】
ここで、水素バリア膜40及び酸素バリア膜41は、単層であってもよいし、複数層であってもよい。また、水素バリア膜40は、例えばAl2O3、TiO2、SiN等の絶縁性材料の少なくとも一つを含む膜からなり、酸素バリア膜41は、例えばAl2O3、SiN、SiON等の絶縁性材料の少なくとも一つを含む膜からなる。尚、水素バリア膜40の第1の部分40aは、導電性材料で形成されていてもよい。
【0098】
また、水素バリア膜40はキャパシタ27と直接接して形成してあってもよいし、キャパシタ27と水素バリア膜40との間に絶縁膜を設けることで水素バリア膜40及び絶縁膜からなる積層膜でキャパシタ27を囲んでもよい。また、酸素バリア膜41は、水素バリア膜40と直接接して形成してもよいし、酸素バリア膜41と水素バリア膜40との間に絶縁膜を設けてもよい。
【0099】
また、水素バリア膜40は、酸素バリア膜41よりも後に形成され、酸素バリア膜41よりも内側、すなわちキャパシタ27側に配置することが望ましい。
【0100】
上記第4の実施形態の基本例によれば、第2及び第3の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができ、多層配線層部22a,22b等の配線部の酸化とキャパシタ27の水素劣化とを同時に防ぐとともに、より工程劣化に強いキャパシタ27を形成することが可能となる。
【0101】
[4−2]変形例1
第4の実施形態に係る変形例1は、図21に示すように、上記第4の実施形態に係る基本例の凹部23下に、この凹部23を形成する際にストッパー、水素バリア及び酸素バリアのうちの少なくとも一つの機能を有する保護絶縁膜35を付加したものである。
【0102】
上記第4の実施形態の変形例1によれば、上記第4の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、保護絶縁膜35により、凹部23の底面とゲート電極14の上面との距離の制御性を向上させることができる。さらに、保護絶縁膜35によって、水素バリア性及び酸素バリア性の効果も得ることができる。
【0103】
[4−3]変形例2
上記第4の実施形態に係る基本例では、ビット線33がキャパシタ27の最上面よりも上方に配置されていたのに対し、第4の実施形態に係る変形例2では、図22に示すように、ビット線19をキャパシタ27の底面よりも下方に配置させている。
【0104】
上記第4の実施形態の変形例2によれば、上記第4の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、キャパシタ27の合わせずれの問題が生じないという利点がある。
【0105】
[5]第5の実施形態
第5の実施形態は、3次元強誘電体キャパシタの下部電極と多層配線層部の最上層配線とを、コンタクトを用いずに、反応防止導電膜を介して下部電極の凸面で接続させた例である。
【0106】
[5−1]基本例
図23は、本発明の第5の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、第5の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の構造について説明する。尚、ここでは、主に第1の実施形態に係る基本例と異なる点について説明する。
【0107】
図23に示すように、第5の実施形態の基本例において、第1の実施形態の基本例と異なる点の一つは、3次元強誘電体キャパシタ27の下部電極24と多層配線層部22aの最上層配線とを突出部44aを介して接続させた点である。ここで、突出部44aは、層間絶縁膜21の上面から多層配線層部22aの最上層配線まで貫通する凹部44内を導電材で埋め込むことで形成されている。この基本例の場合、凹部23a,23bの底面及び側面と下部電極24との間には反応防止導電膜45,46が設けられているため、凹部44内に埋め込まれた反応防止導電膜45,46がコンタクトとして機能している。
【0108】
また、キャパシタ27の大容量化を図るためには、この基本例のように、層間絶縁膜21内に2つの凹部23a,23bを設け、凹部44を跨いで2つの凹部23a,23b内に連続して一つのキャパシタ27を形成することもできる。
【0109】
尚、反応防止導電膜45,46は、2層である必要はなく、単層であっても複数層であってもよく、例えばTiN、IrO2、TiAlN等の少なくとも一つを含む膜からなる。この反応防止導電膜45,46は、下部電極24の材料と半導体基板11との反応を防止するために設けられている。
【0110】
図24及び図25は、本発明の第5の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の製造工程の断面図を示す。以下に、第5の実施形態に係る突出部の製造方法について説明する。
【0111】
まず、図24に示すように、層間絶縁膜21内に凹部22a,22b,44が形成される。ここで、凹部44の形成では、多層配線層部22aの最上層配線の表面が露出するまで層間絶縁膜21を除去する。
【0112】
次に、図25に示すように、凹部22a,22b,44内及び層間絶縁膜21上に、反応防止導電膜45,46、下部電極24,強誘電体膜25、上部電極26が順に堆積され、パターニングされる。
【0113】
上記第5の実施形態の基本例によれば、第1の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができる。
【0114】
さらに、キャパシタ27の下部電極24と多層配線層部22aとの接続を、第1の実施形態のようにコンタクト29で行うよりも、低いアスペクト比の突出部44a(凹凸面)で行うことができる。
【0115】
[5−2]変形例1
第5の実施形態に係る変形例1は、図26に示すように、上記第5の実施形態に係る基本例の凹部23a,23b下に、この凹部23a,23bを形成する際にストッパー、水素バリア及び酸素バリアのうちの少なくとも一つの機能を有する保護絶縁膜35を付加したものである。
【0116】
上記第5の実施形態の変形例1によれば、上記第5の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、保護絶縁膜35により、凹部23a,23bの底面とゲート電極14の上面との距離の制御性を向上させることができる。さらに、保護絶縁膜35によって、水素バリア性及び酸素バリア性の効果も得ることができる。
【0117】
[5−3]変形例2
上記第5の実施形態に係る基本例では、ビット線33がキャパシタ27の最上面よりも上方に配置されていたのに対し、第5の実施形態に係る変形例2では、図27に示すように、ビット線19をキャパシタ27の底面よりも下方に配置させている。
【0118】
上記第5の実施形態の変形例2によれば、上記第5の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、キャパシタ27の合わせずれの問題が生じないという利点がある。
【0119】
[6]第6の実施形態
第6の実施形態は、第5の実施形態の変形例であり、3次元強誘電体キャパシタの下部電極と多層配線層部の最上層配線とを、コンタクトや突出部を用いずに、反応防止導電膜を介して下部電極の平坦面で接続させた例である。
【0120】
[6−1]基本例
図28は、本発明の第6の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、第6の実施形態に係る基本例の半導体記憶装置の構造について説明する。尚、ここでは、主に第5の実施形態に係る基本例と異なる点について説明する。
【0121】
図28に示すように、第6の実施形態の基本例において、第5の実施形態の基本例と異なる点は、3次元強誘電体キャパシタ27の下部電極24と多層配線層部22aの最上層配線とを突出部44aを介さずに接続させた点である。つまり、第6の実施形態の基本例では、第5の実施形態の突出部44aは形成されない。その代わりとして、多層配線層部22aの最上層配線の上面が層間絶縁膜21から露出するように多層配線層部22aを形成し、最上層配線に直接接するように反応防止導電膜45を形成する。これにより、キャパシタ27の下部電極24と多層配線層部22aとをコンタクトや突出部44aを用いずに接続する。
【0122】
上記第6の実施形態の基本例によれば、第5の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができる。
【0123】
さらに、多層配線層部22aの最上層配線の上面を層間絶縁膜21から露出させた構造にすることで、キャパシタ27の下部電極24と多層配線層部22aとをコンタクトや突出部44aを用いずに接続することができる。従って、コンタクトや突出部44aを形成する工程を省略することができるため、プロセスを簡略化することができる。
【0124】
[6−2]変形例1
第6の実施形態に係る変形例1は、図29に示すように、上記第6の実施形態に係る基本例の凹部23a,23b下に、この凹部23a,23bを形成する際にストッパー、水素バリア及び酸素バリアのうちの少なくとも一つの機能を有する保護絶縁膜35を付加したものである。
【0125】
上記第6の実施形態の変形例1によれば、上記第6の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、保護絶縁膜35により、凹部23a,23bの底面とゲート電極14の上面との距離の制御性を向上させることができる。さらに、保護絶縁膜35によって、水素バリア性及び酸素バリア性の効果も得ることができる。
【0126】
[6−3]変形例2
上記第6の実施形態に係る基本例では、ビット線33がキャパシタ27の最上面よりも上方に配置されていたのに対し、第6の実施形態に係る変形例2では、図30に示すように、ビット線19をキャパシタ27の底面よりも下方に配置させている。
【0127】
上記第6の実施形態の変形例2によれば、上記第6の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、キャパシタ27の合わせずれの問題が生じないという利点がある。
【0128】
[7]参考例1
参考例1は、3次元強誘電体キャパシタをCOP(Capacitor On Plug)構造にした場合の例である。
【0129】
[7−1]基本例
図31は、本発明の参考例1に係る基本例の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、参考例1に係る基本例の半導体記憶装置の構造について説明する。尚、ここでは、主に第1の実施形態に係る基本例と異なる点について説明する。
【0130】
図31に示すように、参考例1の基本例において、第1の実施形態の基本例と異なる点は、強誘電体キャパシタ27の下部電極24とトランジスタ16のソース/ドレイン拡散層15aとが、強誘電体キャパシタ27直下のコンタクト20aを介して接続されている点である。この場合も、強誘電体キャパシタ27の少なくとも一部がゲート電極14の上方に配置するように形成するとよい。
【0131】
図32及び図33は、本発明の参考例1に係る基本例の半導体記憶装置の製造工程の断面図を示す。以下に、参考例1に係るCOP構造の製造方法について説明する。
【0132】
まず、図32に示すように、ダマシン法やRIE法等を用いて、第2の層間絶縁膜21内に、例えばW、Cu、Al等の材料からなる多層配線層部22b,22dが形成される。この際、ソース/ドレイン拡散層15a,15bに接続する一方のコンタクト20b上には多層配線層部22bが形成されるが、他方のコンタクト20a上には多層配線層部は形成されないようにする。
【0133】
次に、RIE等を用いて第2の層間絶縁膜21が選択的にエッチングされ、凹部23が形成される。この凹部23により他方のコンタクト20aの上面が露出される。
【0134】
次に、図33に示すように、CVD法やスパッタ法により、凹部23内及び第2の層間絶縁膜21上に、下部電極24、強誘電体膜25、上部電極26が順に堆積される。
【0135】
その後、CMP法、RIE等を用いて、下部電極24、強誘電体膜25、上部電極26がパターニングされる。これにより、コンタクト20a上に強誘電体キャパシタ27が設けられたCOP構造が実現する。
【0136】
上記参考例1の基本例によれば、第1の実施形態の基本例と同様の効果を得ることができる。
【0137】
さらに、COP構造を用いることにより、キャパシタ27の下部電極24とソース/ドレイン拡散層15aとを、多層配線層部を用いることなくコンタクト20aのみで接続できるため、さらにセル面積の縮小を図ることができる。
【0138】
また、COP構造により、コンタクト20aの材料及び構造の最適化を独立に行うことが可能となるため、下部電極24とソース/ドレイン拡散層15aとの電気的接触性を改善することができる。
【0139】
[7−2]変形例1
参考例1に係る変形例1は、図34に示すように、上記参考例1に係る基本例の凹部23下に、この凹部23を形成する際にストッパー、水素バリア及び酸素バリアのうちの少なくとも一つの機能を有する保護絶縁膜35を付加したものである。
【0140】
上記参考例1の変形例1によれば、上記参考例1の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、保護絶縁膜35により、凹部23の底面とゲート電極14の上面との距離の制御性を向上させることができる。さらに、保護絶縁膜35によって、水素バリア性及び酸素バリア性の効果も得ることができる。
【0141】
[7−3]変形例2
上記参考例1に係る基本例では、ビット線33がキャパシタ27の最上面よりも上方に配置されていたのに対し、参考例1に係る変形例2では、図35に示すように、ビット線19をキャパシタ27の底面よりも下方に配置させている。
【0142】
上記参考例1の変形例2によれば、上記参考例1の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、キャパシタ27の合わせずれの問題が生じないという利点がある。
【0143】
[8]参考例2
参考例2は、参考例1に係るCOP構造の変形例であり、強誘電体キャパシタの下部電極とソース/ドレイン拡散層とをキャパシタと独立に形成されたコンタクトプラグを用いずに接続する例である。
【0144】
[8−1]基本例
図36は、本発明の参考例2に係る基本例の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、参考例2に係る基本例の半導体記憶装置の構造について説明する。尚、ここでは、主に参考例1に係る基本例と異なる点について説明する。
【0145】
図36に示すように、参考例2の基本例において、参考例1の基本例と異なる点は、キャパシタ27の下部電極24とトランジスタ16のソース/ドレイン拡散層15aとを接続するコンタクト部52が、下部電極24の一部で形成されている点である。ここで、下部電極24の一部からなるコンタクト部52は、例えばTiN、IrO2、TiAlN等の少なくとも一つを含む膜からなる単層又は複数層の反応防止導電膜51を介して、ソース/ドレイン拡散層15aに直接接続されている。この反応防止導電膜51は、下部電極24の材料と半導体基板11との反応を防止するために設けられている。
【0146】
図37及び図38は、本発明の参考例2に係る基本例の半導体記憶装置の製造工程の断面図を示す。以下に、参考例2に係るCOP構造の変形例の製造方法について説明する。
【0147】
まず、図37に示すように、ダマシン法やRIE法等を用いて、第2の層間絶縁膜21内に、例えばW、Cu、Al等の材料からなる多層配線層部22b,22dが形成される。この際、ソース/ドレイン拡散層15a,15bに接続する一方のコンタクト20b上には多層配線層部22bが形成されるが、他方のコンタクト20a上には多層配線層部は形成されないようにする。
【0148】
次に、第1の層間絶縁膜17の上面が露出するまで、RIE等を用いて第2の層間絶縁膜21が選択的にエッチングされ、凹部50bが形成される。次に、ソース/ドレイン拡散層15aの上面が露出するまで、凹部50bから第1の層間絶縁膜17を選択的にエッチングし、凹部50bと連通する凹部50aが形成される。
【0149】
次に、図38に示すように、CVD法やスパッタ法により、凹部50a,50b内及び第2の層間絶縁膜21上に、反応防止導電膜51,下部電極24、強誘電体膜25、上部電極26が順に堆積される。
【0150】
その後、CMP法、RIE等を用いて、反応防止導電膜51,下部電極24、強誘電体膜25、上部電極26がパターニングされる。これにより、強誘電体キャパシタ27の下部電極24の一部でコンタクト部52が形成されたCOP構造の変形例が実現する。
【0151】
上記参考例2の基本例によれば、参考例1の基本例と同様の効果を得ることができる。
【0152】
さらに、キャパシタ27の下部電極24とトランジスタ16のソース/ドレイン拡散層15aとを接続するコンタクト部52を下部電極24の一部で形成することにより、参考例1よりも工程数を削減することが可能となり、プロセスを簡略化できる。
【0153】
[8−2]変形例1
参考例2に係る変形例1は、図39に示すように、上記参考例2に係る基本例の凹部50b下に、この凹部50bを形成する際にストッパー、水素バリア及び酸素バリアのうちの少なくとも一つの機能を有する保護絶縁膜35を付加したものである。
【0154】
上記参考例2の変形例1によれば、上記参考例2の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、保護絶縁膜35により、凹部50bの底面とゲート電極14の上面との距離の制御性を向上させることができる。さらに、保護絶縁膜35によって、水素バリア性及び酸素バリア性の効果も得ることができる。
【0155】
[8−3]変形例2
上記参考例2に係る基本例では、ビット線33がキャパシタ27の最上面よりも上方に配置されていたのに対し、参考例2に係る変形例2では、図40に示すように、ビット線19をキャパシタ27の底面よりも下方に配置させている。
【0156】
上記参考例2の変形例2によれば、上記参考例2の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、キャパシタ27の合わせずれの問題が生じないという利点がある。
【0157】
[9]参考例3
参考例3は、参考例1に係るCOP構造に、水素バリア膜及び酸素バリア膜を付加させた例である。
【0158】
[9−1]基本例
図41は、本発明の参考例3に係る基本例の半導体記憶装置の断面図を示す。以下に、参考例3に係る基本例の半導体記憶装置の構造について説明する。尚、ここでは、主に参考例1に係る基本例と異なる点について説明する。
【0159】
図41に示すように、参考例3において、参考例1と異なる点は、3次元強誘電体キャパシタ27の上面を水素バリア膜40で覆い、かつ、3次元強誘電体キャパシタ27の底面及び側面に酸素バリア膜41を形成している点である。
【0160】
ここで、水素バリア膜40は、単層であってもよいし、複数層であってもよく、例えばAl2O3、TiO2、SiN等の絶縁性材料の少なくとも一つを含む膜からなる。また、水素バリア膜40はキャパシタ27と直接接して形成してあってもよいし、キャパシタ27と水素バリア膜40との間に絶縁膜を設けることで水素バリア膜40及び絶縁膜からなる積層膜でキャパシタ27を囲んでもよい。また、水素バリア膜40は、3次元強誘電体キャパシタ27の上面だけでなく、第4の実施形態のように、酸素バリア膜41と下部電極24との間にも設けてよい。
【0161】
また、酸素バリア膜41は、単層であってもよいし、複数層であってもよく、例えばTiAlN等の導電性材料の少なくとも一つを含む膜からなる。
【0162】
ここで、酸素バリア膜41を導電性材料で形成する場合は、例えば、次のようなプロセスを行うことができる。まず、酸素バリア膜41を、凹部23の底面及び側面だけでなく、層間絶縁膜21上にまで形成する。次に、キャパシタ27を形成した後、アニールを行う。その後、水素バリア膜40を形成し、層間絶縁膜21上の酸素バリア膜41を除去する。このようなプロセスにより、アニール時には酸素バリア膜41で多層配線層部22b等の配線が覆われているため、酸素バリア膜41で多層配線層部22b等の配線が酸化されることを防ぐことができる。
【0163】
尚、酸素バリア膜41は、絶縁性材料で形成してもよい。この場合、酸素バリア膜41は凹部23の底面及び側面だけでなく層間絶縁膜21上にまで形成していてもよいが、下部電極24とコンタクト20aとを導通させるために、凹部23の底面における酸素バリア膜41の一部を除去して、下部電極24をコンタクト20aに接触させる必要がある。ここで、水素バリア膜40をキャパシタ27の底面及び側面にも形成している場合には、酸素バリア膜41と同様に、水素バリア膜40の一部を除去して下部電極24とコンタクト20aとを接触させる必要がある。
【0164】
上記参考例3の基本例によれば、参考例1の基本例と同様の効果を得ることができる。
さらに、多層配線層部22b等の配線の酸化とキャパシタ27の水素劣化とを同時に防ぐとともに、より工程劣化に強いキャパシタ27を形成することが可能となる。
【0165】
さらに、多層配線層部22b等の配線の酸化とキャパシタ27の水素劣化とを同時に防ぐとともに、より工程劣化に強いキャパシタ27を形成することが可能となる。
【0166】
[9−2]変形例1
参考例3に係る変形例1は、図42に示すように、上記参考例3に係る基本例の凹部23下に、この凹部23を形成する際にストッパー、水素バリア及び酸素バリアのうちの少なくとも一つの機能を有する保護絶縁膜35を付加したものである。
【0167】
上記参考例3の変形例1によれば、上記参考例3の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、保護絶縁膜35により、凹部23の底面とゲート電極14の上面との距離の制御性を向上させることができる。さらに、保護絶縁膜35によって、水素バリア性及び酸素バリア性の効果も得ることができる。
【0168】
[9−3]変形例2
上記参考例3に係る基本例では、ビット線33がキャパシタ27の最上面よりも上方に配置されていたのに対し、参考例3に係る変形例2では、図43に示すように、ビット線19をキャパシタ27の底面よりも下方に配置させている。
【0169】
上記参考例3の変形例2によれば、上記参考例3の基本例と同様の効果を得ることができるだけでなく、キャパシタ27の合わせずれの問題が生じないという利点がある。
【0170】
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【0171】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、3次元キャパシタを用いた場合のセルの拡大を抑制する半導体記憶装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の断面図。
【図2】 本発明の第1の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図3】 図2に続く、本発明の第1の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図4】 図3に続く、本発明の第1の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図5】 図4に続く、本発明の第1の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図6】 図5に続く、本発明の第1の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図7】 図6に続く、本発明の第1の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図8】 本発明の第1の実施形態に係わる変形例1の半導体記憶装置を示す断面図。
【図9】 本発明の第1の実施形態に係わる変形例2の半導体記憶装置を示す断面図。
【図10】 本発明の第1の実施形態に係わる変形例3の半導体記憶装置を示す断面図。
【図11】 本発明の第2の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置を示す断面図。
【図12】 本発明の第2の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図13】 図12に続く、本発明の第2の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図14】 図13に続く、本発明の第2の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図15】 本発明の第2の実施形態に係わる変形例1の半導体記憶装置を示す断面図。
【図16】 本発明の第2の実施形態に係わる変形例2の半導体記憶装置を示す断面図。
【図17】 本発明の第3の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置を示す断面図。
【図18】 本発明の第3の実施形態に係わる変形例1の半導体記憶装置を示す断面図。
【図19】 本発明の第3の実施形態に係わる変形例2の半導体記憶装置を示す断面図。
【図20】 本発明の第4の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置を示す断面図。
【図21】 本発明の第4の実施形態に係わる変形例1の半導体記憶装置を示す断面図。
【図22】 本発明の第4の実施形態に係わる変形例2の半導体記憶装置を示す断面図。
【図23】 本発明の第5の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置を示す断面図。
【図24】 本発明の第5の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図25】 図24に続く、本発明の第5の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図26】 本発明の第5の実施形態に係わる変形例1の半導体記憶装置を示す断面図。
【図27】 本発明の第5の実施形態に係わる変形例2の半導体記憶装置を示す断面図。
【図28】 本発明の第6の実施形態に係わる基本例の半導体記憶装置を示す断面図。
【図29】 本発明の第6の実施形態に係わる変形例1の半導体記憶装置を示す断面図。
【図30】 本発明の第6の実施形態に係わる変形例2の半導体記憶装置を示す断面図。
【図31】 本発明の参考例1に係わる基本例の半導体記憶装置を示す断面図。
【図32】 本発明の参考例1に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図33】 図32に続く、本発明の参考例1に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図34】 本発明の参考例1に係わる変形例1の半導体記憶装置を示す断面図。
【図35】 本発明の参考例1に係わる変形例2の半導体記憶装置を示す断面図。
【図36】 本発明の参考例2に係わる基本例の半導体記憶装置を示す断面図。
【図37】 本発明の参考例2に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図38】 図37に続く、本発明の参考例2に係わる基本例の半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図39】 本発明の参考例2に係わる変形例1の半導体記憶装置を示す断面図。
【図40】 本発明の参考例2に係わる変形例2の半導体記憶装置を示す断面図。
【図41】 本発明の参考例3に係わる基本例の半導体記憶装置を示す断面図。
【図42】 本発明の参考例3に係わる変形例1の半導体記憶装置を示す断面図。
【図43】 本発明の参考例3に係わる変形例2の半導体記憶装置を示す断面図。
【符号の説明】
11…半導体基板、12…素子領域、13,13a,13b…ゲート絶縁膜、14,14a,14b…ゲート電極、15a,15b,15c…ソース/ドレイン拡散層、16,16a,16b…メモリセルトランジスタ、17,21,28,31…層間絶縁膜、18a,18b,20a,20b,20c,29a,29b,29c,29d,29e,29f,29g,29h…コンタクト、19…ビット線、22a,22b,22c,22d…多層配線層部、23,23a,23b,44,50a,50b…凹部、24…下部電極、25…強誘電体膜、26…上部電極、27,27a,27b…3次元強誘電体キャパシタ、30a,30b,30c,30d,30e…配線、35…保護絶縁膜、40…水素バリア膜、40a…水素バリア膜の第1部分、40b…水素バリア膜の第2部分、40c,40d…水素バリア材、41…酸素バリア膜、44a…突出部、45,46,51…反応防止導電膜、52…コンタクト部。
Claims (14)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、ゲート電極と第1及び第2の拡散層とを有するトランジスタと、
前記トランジスタ上に形成された第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜内に形成され、複数の配線層及び複数のコンタクトを含む第1の多層配線層部と、
前記第1の多層配線層部内の少なくとも2層の配線層を含む前記第1の絶縁膜内を垂直方向に連続的に貫いて形成され、前記ゲート電極と少なくとも一部が重なるように設けられた第1の凹部と、
前記第1の凹部内に3次元的に形成され、第1及び第2の電極と強誘電体膜とを有し、前記第1の電極が前記第1の多層配線層部を介して前記第1の拡散層と電気的に接続された強誘電体キャパシタと
を具備することを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記第1の絶縁膜内に形成され、前記第2の拡散層と電気的に接続され、複数の配線層及び複数のコンタクトを含む第2の多層配線層部と、
前記第2の多層配線層部と電気的に接続され、前記強誘電体キャパシタの上方に配置されたビット線と
をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の凹部のアスペクト比は1であることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記第1の凹部のアスペクト比は4乃至5であることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記トランジスタ及び前記強誘電体キャパシタを含むメモリセル部の周辺に配置された周辺回路部は、
前記第1の絶縁膜内に前記第1の多層配線層部と同一面上に形成され、複数の配線層及び複数のコンタクトを含む第2の多層配線層部を具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の凹部の底面下に形成され、ストッパー、水素バリア及び酸素バリアのうちの少なくとも一つの機能を有する第2の絶縁膜と
をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第2の拡散層と電気的に接続された第1のコンタクトと、
前記第1のコンタクトと電気的に接続され、前記強誘電体キャパシタの下方に配置されたビット線と
をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記強誘電体キャパシタの側面、底面及び上面の少なくとも一部を覆うように形成された単層又は複数層の水素バリア膜と
をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記水素バリア膜は、前記強誘電体キャパシタの前記側面及び前記底面に形成された第1の部分と、前記強誘電体キャパシタの前記上面に形成された第2の部分とを有し、
前記第1の部分は、導電性又は絶縁性の材料で形成され、前記第2の部分は絶縁性の材料で形成されていることを特徴とする請求項8に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の凹部内の前記第1の電極下及び前記第1の絶縁膜上に連続して形成された単層又は複数層の酸素バリア膜と
をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の凹部の側面、底面及び前記第1の絶縁膜上に形成された単層又は複数層の酸素バリア膜と、
前記酸素バリア膜と前記第1の電極との間及び前記強誘電体キャパシタの上面の少なくとも一部を覆うように形成された単層又は複数層の水素バリア膜と
をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の電極は、前記第1の拡散層と電気的に接続された前記第1の多層配線層部の最上層配線の上面に、単層又は複数層の反応防止導電膜を介して、接触していることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記最上層配線と前記第1の電極との接触面は、平坦面又は凹凸面であることを特徴とする請求項12に記載の半導体記憶装置。
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第1のゲート電極と第1及び第2の拡散層とを有する第1のトランジスタと、
前記半導体基板上に形成され、第2のゲート電極と前記第2の拡散層と第3の拡散層とを有する第2のトランジスタと、
前記第1及び第2のトランジスタ上に形成された第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜内に形成され、複数の配線層及び複数のコンタクトを含む第1乃至第3の多層配線層部と、
前記第1乃至第3の多層配線層部内の少なくとも2層の配線層を含む前記第1の絶縁膜内を垂直方向に連続的に貫いて形成され、前記第1のゲート電極と少なくとも一部が重なるように設けられた第1の凹部と、
前記第1乃至第3の多層配線層部内の少なくとも2層の配線層を含む前記第1の絶縁膜内を垂直方向に連続的に貫いて形成され、前記第2のゲート電極と少なくとも一部が重なるように設けられた第2の凹部と、
前記第1の凹部内に3次元的に形成され、第1及び第2の電極と第1の強誘電体膜とを有し、前記第1の電極が前記第1の多層配線層部を介して前記第1の拡散層と電気的に接続された第1の強誘電体キャパシタと、
前記第2の凹部内に3次元的に形成され、第3及び第4の電極と第2の強誘電体膜とを有し、前記第3の電極が前記第3の多層配線層部を介して前記第3の拡散層と電気的に接続された第2の強誘電体キャパシタとを具備し、
前記第2及び第4の電極が前記第2の多層配線層部を介して前記第2の拡散層と電気的に接続されたことを特徴とする半導体記憶装置。
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