JP3964798B2 - Dielectric memory and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体材料を使用する強誘電体メモリや高誘電体メモリに関し、特に誘電体特性を維持するために誘電体キャパシタを被覆する水素バリア膜を有する構造において、セル微細化が可能な強誘電体メモリや高誘電体メモリ装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
強誘電体メモリの開発は、スタック型構造を使用した256kbit〜4Mbitの大容量のものが開発の中心となってきている。このスタック型の強誘電体メモリを実現するためには、集積度の大幅な向上、即ち微細化が不可欠であり、強誘電体キャパシタを形成する工程とトランジスタを形成する工程及び配線工程を形成する工程とのプロセス上の整合を得ることが重要となる。それは、例えば化学蒸着法によりタングステンを埋め込んでコンタクトを形成とする技術(W-CVD)またはトランジスタの特性回復のために行われる水素シンタなどに代表されるように、一般に還元性雰囲気で処理されることの多い半導体プロセスにおいて、強誘電体キャパシタがいかに還元されずにその分極特性を維持するかということである。
【0003】
従来の技術では、水素バリア膜を用いて強誘電体キャパシタを被覆する技術が用いられている(例えば、下記特許文献1)。これはAl2O3に代表される水素バリア膜により強誘電体キャパシタ形成以降の半導体プロセス中に発生する水素の拡散を遮蔽し、強誘電体の分極量の劣化を防止している。水素バリア膜の被覆構造については、強誘電体キャパシタの上下左右を完全に被覆する構造の効果が最も大きい。以上により水素による強誘電体キャパシタの分極特性の劣化を防止し、高集積強誘電体メモリあるいは高誘電体メモリを実現している。
【0004】
以下、従来の上述した強誘電体メモリの容量素子部の強誘電体キャパシタ構造について、図面を参照しながら説明する。
【0005】
図9は従来例の強誘電体メモリのビット線方向の要部断面図であり、紙面垂直方向にセルプレートが配置されている。半導体基板13上に素子分離絶縁膜(STI)領域1で分離された不純物拡散層2上にメモリセルトランジスタ3が形成されている。その上に、第1の層間絶縁膜4上に強誘電体キャパシタ14が形成され、その強誘電体キャパシタ14を被覆して第2の層間絶縁膜10が形成され、その上に配線12が形成されている。
【0006】
強誘電体キャパシタ14は下部電極6、強誘電体膜からなる容量絶縁膜7、上部電極8から構成されている。下部電極6は、メモリセルトランジスタが形成されている半導体基板13に第1のコンタクトプラグ5(ストレージノードコンタクト)を介して接続されている。強誘電体キャパシタ14は水素バリア膜9で被覆された構造となっており、この場合は2本のセルプレートを1つの単位として被覆されている。またビット線とメモリセルトランジスタを接続する第2のコンタクトプラグ(ビット線コンタクト、またはメモリセルコンタクト)11が水素バリア膜間のスペースを層間絶縁膜を貫通して形成されている。
【0007】
本構造では、水素バリア膜9で強誘電体キャパシタ14を被覆することにより、強誘電体キャパシタ14形成以降における還元性雰囲気による処理を行っても、水素の強誘電体キャパシタ14への拡散を防ぐことができ、強誘電体の分極特性の劣化を防止することできる。
【0008】
【特許文献1】
特開平11−8355号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来例では、水素バリア膜を新たに配置することで、メモリセルサイズの増大を招くことになった。図9を上部から見た平面に、更に水素バリア膜の有無によるメモリセルの大きさがどのように変わるか示したイメージを図10に示した。このメモリセルはビット線を誘電体キャパシタ上に置く構造であり、誘電体キャパシタ14間を貫通してトランジスタ(Tr)のソース、ドレイン領域にビット線コンタクト11が形成されている。そのため、水素バリア膜9を配置した場合は、水素バリア膜9とキャパシタ14、及びビット線コンタクト11と水素バリア膜9とのリソグラフィの双方のマスク合わせ余裕(水素バリアと直交する方向、紙面ス縦方向)を見込んだ分だけセルサイズが大きくなり、微細化に不利である。
【0010】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、誘電体メモリの特性を維持しつつ、高集積可能な強誘電体メモリ、高誘電体メモリを実現するための容量素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の誘電体メモリは、半導体基板上に下方より順に形成された下部電極、容量絶縁膜および上部電極からなる容量素子を有する誘電体メモリにおいて、
前記容量素子は水素バリア膜により少なくともその上部を被覆されており、
前記誘電体メモリのセル領域内における前記容量素子より上層の配線と前記容量素子より下層の半導体基板または導電層を電気的に接続するメモリセルコンタクトが、前記水素バリア膜に接触して形成されていることを特徴とする。
【0012】
本発明の第1番目の誘電体メモリの製造方法は、半導体基板上に下方より順に形成された下部電極、容量絶縁膜および上部電極からなる容量素子を被覆するように水素バリア膜を形成し、
前記半導体基板上の全面に絶縁膜を形成し、
前記容量素子を含む誘電体メモリセル領域内において、前記水素バリア膜がSACのストッパ膜となるように、前記絶縁膜中に前記半導体基板に達する開口部を設け、
前記開口部内にコンタクトプラグを形成することを特徴とする。
【0013】
本発明の第2番目の誘電体メモリの製造方法は、半導体基板上に下方より順に形成された下部電極、容量絶縁膜および上部電極からなる容量素子を被覆するように、前記半導体基板上の全面に水素バリア膜を形成し、
前記半導体基板上の全面に絶縁膜を形成し、
前記容量素子を含む誘電体メモリセル領域内において、前記絶縁膜及び前記水素バリア膜を貫通して前記半導体基板に達する開口部を設け、
前記開口部内にコンタクトプラグを形成することを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の誘電体メモリは、容量素子は水素バリア膜により少なくともその上部を被覆されており、誘電体メモリのセル領域内における容量素子より上層の配線と容量素子より下層の半導体基板または導電層を電気的に接続するプラグが充填されたメモリセルコンタクトが、水素バリア膜に接触して形成されている。これにより、水素バリア膜により誘電体メモリの特性劣化を防止するとともに、セルの微細化を実現することができる。
【0015】
本発明の誘電体メモリにおいて、前記メモリセルコンタクトが、前記水素バリア膜をSAC(Self Align Contactの略称)のストッパ膜として自己整合的に形成されていることが好ましい。前記SACは、自己整合的に形成されたコンタクトであり、一般的にトランジスタにコンタクトを形成する際に、ゲート電極pSiのサイドウォールをストッパ膜として利用し、サイドウォールと不純物拡散層にまたがるようにコンタクトを形成して、トランジスタ間のピッチを詰める微細化技術として利用される。本発明は、そのストッパ膜を上層の水素バリア膜で使用している。これにより、水素バリア膜により誘電体メモリの特性劣化を防止するとともに、工程数としてより簡単にセルの微細化を実現することができる。
【0016】
また、本発明の誘電体メモリにおいて、前記メモリセルコンタクトの上面の断面積が、前記誘電体メモリセル領域外におけるコンタクトの上面の断面積より大きいことが好ましい。これにより、上述の効果に加え、メモリセルコンタクトの歩留を向上させることができる。
【0017】
また、本発明の誘電体メモリにおいて、前記メモリセルコンタクトは、該メモリセルコンタクトが前記水素バリア膜に対して自己整合的に形成される部分において、前記水素バリア膜の延びる長辺方向よりも前記水素バリア膜の延びる長辺方向と直交する短辺方向においてより長い形状を有することが好ましい。これにより、上述の効果に加え、セルサイズの増大を招くことなく、メモリセルコンタクトの歩留を向上させることができる。
【0018】
また、本発明の誘電体メモリにおいて、前記メモリセルコンタクトは、前記水素バリア膜を貫通して形成されていることが好ましい。これにより水素バリア膜により誘電体メモリの特性劣化を防止するとともに、セルの微細化を実現することができる。
【0019】
また、本発明の誘電体メモリにおいて、前記メモリセルコンタクトは、前記容量素子より下層の導電層を介してさらに前記半導体基板に電気的に接続されたスタックコンタクトであることが好ましい。これにより、上述の効果に加え、メモリセルコンタクトの歩留を向上させることができる。
【0020】
また、本発明の誘電体メモリにおいて、前記水素バリア膜は、金属元素を含む絶縁膜または窒化物であることが好ましい。
【0021】
また、本発明の第1番目の製造方法によれば、水素バリア膜により誘電体メモリの特性劣化を防止するとともに、セルの微細化を実現することができる。また、本発明の誘電体メモリの製造方法において、前記絶縁膜中に開口部を設ける工程は、フッ素元素を少なくとも一部に含むガスを用いたドライエッチ法を用いることが好ましい。これにより水素バリア膜に影響を与えることなく、メモリセルコンタクトを形成することができる。
【0022】
また、本発明の第2の製造方法によれば、水素バリア膜により誘電体メモリの特性劣化を防止するとともに、セルの微細化を実現することができる。
【0023】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0024】
(第1の実施形態)
図1は、水素バリア膜9をSACのストッパ膜とした誘電体メモリの第1の実施形態における要部断面図である。半導体基板13上にSTI領域1で分離された不純物拡散層2上にメモリセルトランジスタ3が形成されている。その上に、第1の層間絶縁膜4(例えばSiO2膜、膜厚:500nm)上に強誘電体キャパシタ14が形成され、その強誘電体キャパシタ14を被覆して第2の層間絶縁膜10(キャパシタ上で膜厚:250nm)が形成され、その上に配線12(例えばAL/TiN/Ti=500/20/10nm(膜厚))が形成されている。強誘電体キャパシタ14は下部電極6(例えばPt膜厚:100nm)、強誘電体膜(例えばSBT(一例としてSrBi2Ta2O9)膜厚:100nm)からなる容量絶縁膜7、上部電極8(例えばPt膜厚:50nm)から構成されており、下部電極6は、メモリセルトランジスタ3が形成されている半導体基板13に第1のコンタクトプラグ(ストレージノードコンタクト)5(例えばW膜)を介して接続されている。更に強誘電体キャパシタは、水素バリア膜9(例えばAl2O3膜、膜厚:20nm)で被覆された構造となっている。配線12と半導体基板の不純物拡散層2を接続する第2のコンタクトプラグ(ビット線コンタクト、またはメモリセルコンタクト)11(例えばW膜)は水素バリア膜9をストッパ膜として自己整合的に形成されている。図1では、リソグラフィー(以下「リソ」という。)設備の能力範囲内で重ね合わせがずれた様子を示しており、第2のコンタクトプラグ11は少なくともどちらか一方の水素バリア膜と接触している。
【0025】
この構造では、水素バリア膜9を形成する際にはコンタクトプラグ11が水素バリア9膜間のスペースをリソの重ね合わせ余裕を見込んで踏み外さない程度に最低必要なスペースを空ければよく、従来例よりセルサイズを小さくすることができる。例えば、リソの直接重ね合わせ余裕が0.2μmの設備があれば、従来例では、少なくとも隣接する水素バリア間が、0.2μm+コンタクトプラグの大きさ(0.3μm)+0.2μm=0.5μm必要だったものが、本構造では、水素バリア間が重ね合わせ余裕の0.2μmのみを見積もればよいことになり、少なくともこの方向に0.3μm小さくすることができる。
【0026】
以上の構造により、水素バリア膜で強誘電体キャパシタを被覆することにより、強誘電体キャパシタ形成以降における還元性雰囲気による処理を行っても、水素の強誘電体キャパシタへの拡散を防ぎ、強誘電体の分極特性の劣化を防止することできる。また、新たに水素バリア膜を配置しても、セルサイズの増大を招くことがなく、高集積な誘電体メモリを実現することができる。
【0027】
(第2の実施形態)
図2は、水素バリア膜9をSACのストッパ膜とした誘電体メモリの第2の実施形態の要部断面図である。各層の膜厚は実施形態1と同様であるので省略する。半導体基板13上にSTI領域1で分離された不純物拡散層2上にメモリセルトランジスタ3が形成されている。その上に、第1の層間絶縁膜4(例えばSiO2膜)上に強誘電体キャパシタ14が形成され、その強誘電体キャパシタ14を被覆して第2の層間絶縁膜10が形成され、その上に配線12(例えばAL/TiN/Ti)が形成されている。強誘電体キャパシタ14は下部電極6(例えばPt)、強誘電体膜(例えばSBT)からなる容量絶縁膜7、上部電極8(例えばPt)から構成されており、下部電極6は、メモリセルトランジスタ3が形成されている半導体基板13に第1のコンタクトプラグ5(例えばW膜)を介して接続されている。更に強誘電体キャパシタ14は水素バリア膜9(例えばAl2O3膜)で被覆された構造となっている。配線12と半導体基板の不純物拡散層2を接続する第2のコンタクトプラグ11(例えばW膜)は、トップ径を大きくされ、水素バリア膜9をストッパ膜として自己整合的に形成されている。
【0028】
またメモリセル部と周辺回路部を比較すると、メモリセル部の誘電体キャパシタをCMP(chemical mechanical polishing)法によって平坦化しても、グローバル段差が発生するため(図中矢印部)、メモリセル部の基板からの層間絶縁膜がメモリセル外のそれにくらべて厚くなる。この際に隣接する水素バリア間のスペースをメモリセル領域以外の周辺回路部のコンタクトプラグ15と同じ大きさに設定すると、メモリセルのコンタクトプラグ11はリソグラフィーのレチクル寸法を大きくすることで、トップのみ大きく、ボトムは周辺コンタクトと同じ面積を持つ構造が可能である。すなわち、基本的には周辺回路部のコンタクトプラグと同様のステップカバレッジあるいは埋め込み形状を得る程度に大きくすれば良いが、全体の歩留に大きく影響するメモリセル部のビット不良を抑制するために、周辺回路部より埋め込み形状を良化させる程度に更に大きくすることも可能である。しかし、周辺回路部が0.25μmに対して、メモリセル部0.35μmと0.1μm程度大きくするのが実用的である。この構造により、上述したセルサイズを小さくする効果に加え、特にアスペクト比が厳しくなるメモリセルコンタクトのトップ径を大きくすることにより、例えばWの埋め込み特性が向上し、メモリセルコンタクト歩留を向上させることができる。
【0029】
(第3の実施形態)
図3は、水素バリア膜をSACのストッパ膜とした誘電体メモリ(図2)を上方から見た場合の平面図を示している。コンタクトプラグ5上に下部電極6及び強誘電体膜、上部電極8から強誘電体キャパシタを被覆して水素バリア膜9が形成されている。配線と半導体基板の不純物拡散層を接続する第2のコンタクトプラグ11は、トップ径を水素バリアと直行する方向に大きく延長されて、水素バリア膜をストッパ膜として自己整合的に形成されている。この第2のコンタクトプラグを長方形状にしてもセルサイズの増大を招くことなく、メモリセルコンタクトのトップ径のみ大きくすることが容易である。
【0030】
(第4の実施形態)
図4は、メモリセルコンタクトプラグ11が水素バリア膜9を貫通する構造の誘電体メモリの実施形態の要部断面図である。各層の膜厚は実施形態1と同様であるので省略する。半導体基板13上にSTI領域1で分離された不純物拡散層2上にメモリセルトランジスタ3が形成されている。その上に、第1の層間絶縁膜4(例えばSiO2膜)上に強誘電体キャパシタ14が形成され、その強誘電体キャパシタを被覆して第2の層間絶縁膜10が形成され、その上に配線12(例えばAL/TiN/Ti)が形成されている。強誘電体キャパシタ14は下部電極6(例えばPt)、強誘電体膜(例えばSBT)からなる容量絶縁膜7、上部電極8(例えばPt)から構成されており、下部電極6は、メモリセルトランジスタが形成されている半導体基板に第1のコンタクトプラグ5(例えばW膜)を介して接続されている。更に強誘電体キャパシタは水素バリア膜9(例えばAl2O3膜)で被覆された構造となっている。配線12と半導体基板の不純物拡散層2を接続する第2のコンタクトプラグ11(例えばW膜)は、水素バリア膜9を貫通して形成されている。
【0031】
この構造では、上述した効果に加え、水素バリア膜9はパターニングされている必要がないか、あるいはメモリセル領域にのみ水素バリア膜9が一面に残される程度にパターニングされていればよいために、工程数を少なくするあるいは精度の高いパターニングが必要とされないなど集積化が容易になる効果がある。
【0032】
(第5の実施形態)
図5は、メモリセルコンタクトプラグ11が水素バリア膜9をSACのストッパ膜とした構造で、かつスタックコンタクトとなっている誘電体メモリの実施形態の要部断面図である。各層の膜厚は実施形態1と同様であるので省略する。半導体基板13上にSTI領域1で分離された不純物拡散層2上にメモリセルトランジスタ3が形成されている。その上に、第1の層間絶縁膜4(例えばSiO2膜)上に強誘電体キャパシタ14が形成され、その強誘電体キャパシタ14を被覆して第2の層間絶縁膜10が形成され、その上に配線12(例えばAL/TiN/Ti)が形成されている。強誘電体キャパシタ14は下部電極6(例えばPt)、強誘電体膜(例えばSBT)からなる容量絶縁膜7、上部電極8(例えばPt)から構成されており、下部電極6は、メモリセルトランジスタが形成されている半導体基板に第1のコンタクトプラグ5(例えばW膜)を介して接続されている。更に強誘電体キャパシタ14は水素バリア膜9(例えばAl2O3膜)で被覆された構造となっている。配線12と半導体基板の不純物拡散層2を電気的に接続する第2のコンタクトプラグ11(例えばW膜)は、水素バリア膜をSACのストッパ膜として形成されており、直接半導体基板には接続されずに、下層の導電層(この場合は下部電極6と第1のコンタクトプラグ6を利用)を介して電気的に接続されている。
【0033】
この構造では、上述した効果に加え、メモリセルコンタクトのアスペクト比を小さくすることができ、コンタクト歩留を向上させる効果をもつ。
【0034】
(第6の実施形態)
図6は、メモリセルコンタクトプラグ11が水素バリア膜9を貫通した構造で、かつスタックコンタクトとなっている誘電体メモリの実施形態の要部断面図である。各層の膜厚は実施形態1と同様であるので省略する。半導体基板13上にSTI領域1で分離された不純物拡散層2上にメモリセルトランジスタ3が形成されている。その上に、第1の層間絶縁膜4(例えばSiO2膜)上に強誘電体キャパシタ14が形成され、その強誘電体キャパシタ14を被覆して第2の層間絶縁膜10が形成され、その上に配線12(例えばAL/TiN/Ti)が形成されている。強誘電体キャパシタ14は下部電極6(例えばPt)、強誘電体膜(例えばSBT)からなる容量絶縁膜7、上部電極8(例えばPt)から構成されており、下部電極6は、メモリセルトランジスタ3が形成されている半導体基板13に第1のコンタクトプラグ5(例えばW膜)を介して接続されている。更に強誘電体キャパシタ14は水素バリア膜9(例えばAl2O3膜)で被覆された構造となっている。配線12と半導体基板13の不純物拡散層2を電気的に接続する第2のコンタクトプラグ11(例えばW膜)は、水素バリア膜9を貫通して形成されており、直接半導体基板13には接続されずに、下層の導電層(この場合は下部電極6と第1のコンタクトプラグ6を利用)を介して電気的に接続されている。
【0035】
この構造でも、前記した効果に加え、メモリセルコンタクトのアスペクト比を小さくすることができ、コンタクト歩留を向上させる効果をもつ。
【0036】
以上に示した水素バリア膜は、金属元素を含むか、または窒化物であることが好ましい。例えば、Al2O3 ,TiAlO,SiN,TaO,TiO,TiAlN,TaAlNなどを使用することにより、水素による強誘電体キャパシタ特性の劣化を抑制することができる。
【0037】
(第7の実施形態)
図7(a)では、STI領域1で分離された不純物拡散層2を含む半導体基板13上にメモリセルトランジスタ3が形成されている。各層の膜厚は実施形態1と同様であるので省略する。メモリセルトランジスタ3の上に第1の層間絶縁膜4(例えばB,Pなどが添加されたSiO2、通称BPSG)2上に基板と強誘電体キャパシタ14の下部電極6を電気的に接続する第1のコンタクトプラグ5(W、Poly Si)が形成されている。その上に強誘電体膜の結晶成長を促進する膜(Pt)と酸素バリア層(IrO/Ir/TiAlN)からなる導電膜を積層し、所望のマスクを用いて第1のコンタクトプラグ5が被覆されるように下部電極6を形成され、同様に下部電極6が被覆されるようにパターニングして強誘電体膜からなる容量絶縁膜7及び上部電極8を形成され、強誘電体キャパシタを構成している。次に図7(b)に示すように、全面に水素バリア膜9を成膜した後に、所望のマスクを用いて強誘電体キャパシタが被覆されるように水素バリア膜がパターニングされている。ここでの水素バリア膜は、メモリセルのセルプレート間の後に第2のコンタクト(メモリセルコンタクト)が形成される領域を開口していればよい。次に図7(c)に示すように、全面に第2の層間絶縁膜10を形成した後に、CMPなどで平坦化され、所望のマスクを用いてメモリセルトランジスタの不純物拡散層に接続される第2のコンタクト(メモリセルコンタクト)11を形成する。この際にメモリセルコンタクト11は水素バリア膜間のスペースがリソの重ね合わせ余裕を考慮に入れた分のみに極力狭められているために、一部が水素バリア膜に接触する形で形成される(SAC構造)。最後に図7(d)に示すように、配線12が形成されて誘電体メモリが完成する。
【0038】
以上の製造方法により、水素バリア膜で強誘電体キャパシタを被覆することにより、強誘電体キャパシタ形成以降における還元性雰囲気による処理を行っても、水素の強誘電体キャパシタへの拡散を防ぎ、強誘電体の分極特性の劣化を防止することできるとともに、新たに水素バリア膜を配置しても、セルサイズの増大を招くことがなく、高集積な誘電体メモリを製造することができる。
【0039】
前記図7(c)において、メモリセルコンタクトを開口する方法がフッ素元素を少なくとも一部に含むガスを用いたドライエッチであることが好ましい。具体的には、CF4 ,CHF3 ,C4F8 ,C5F8 ,CH2F2などを利用するとよい。
【0040】
これらのガスを使用することにより、通常層間絶縁膜に使用されるSiO2膜と緻密な膜である水素バリア膜とのエッチング選択比を大きく設定することができ、水素バリア膜をエッチングするなどの影響が無くSAC構造が実現できる。
【0041】
(第8の実施形態)
図8(a)では、STI領域1で分離された不純物拡散層2を含む半導体基板上にメモリセルトランジスタ3が形成されている。各層の膜厚は実施形態1と同様であるので省略する。メモリセルトランジスタ3の上に第1の層間絶縁膜4(例えばB,Pなどが添加されたSiO2、通称BPSG)2上に基板と強誘電体キャパシタの下部電極6を電気的に接続する第1のコンタクトプラグ5(W、Poly Si)が形成されている。その上に強誘電体膜の結晶成長を促進する膜(Pt)と酸素バリア層(IrO/Ir/TiAlN)からなる導電膜を積層し、所望のマスクを用いて第1のコンタクトプラグ5が被覆されるように下部電極6を形成され、同様に下部電極6が被覆されるようにパターニングして強誘電体膜からなる容量絶縁膜7及び上部電極8を形成され、強誘電体キャパシタを構成している。次に図8(b)に示すように、全面に水素バリア膜9を成膜されている。ここでの水素バリア膜は、図示していないがメモリセルアレイ領域を一体としてパターニングされていれば良く、セルプレート間は開口されている必要がない。次に図7(c)に示すように、全面に第2の層間絶縁膜10を形成した後に、CMPなどで平坦化され、所望のマスクを用いて第2の層間絶縁膜10、水素バリア膜9、第1の層間絶縁膜4を貫通してメモリセルトランジスタの不純物拡散層に接続されるビット線コンタクト11を形成する。最後に図7(d)に示すように、配線12が形成されて誘電体メモリが完成する。
【0042】
以上の製造方法により、水素バリア膜で強誘電体キャパシタを被覆することにより、強誘電体キャパシタ形成以降における還元性雰囲気による処理を行っても、水素の強誘電体キャパシタへの拡散を防ぎ、強誘電体の分極特性の劣化を防止することできるとともに、新たに水素バリア膜を配置しても、セルサイズの増大を招くことがなく、高集積な誘電体メモリを製造することができる。
【0043】
以上の実施形態では、水素バリア膜9が強誘電体キャパシタを直接被覆する構造かつ2本のセルプレートを束ねて被覆する構造としたが、水素バリア膜が強誘電体キャパシタに触れない間接的な構造(例えば強誘電体キャパシタにバファー層を介して水素バリア膜を形成するなど)や1本のセルプレート毎に水素バリア膜で被覆する構造としてもかまわない。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の誘電体メモリ及びその製造方法は、水素バリア膜をSACのストッパ膜として、あるいは水素バリア膜を貫通してメモリセルコンタクトを形成することにより、リソの合わせ余裕を見込む必要が無いため、水素による強誘電体キャパシタの分極特性の劣化を防止する構造を持ちながら、セルサイズの増大を招くことなく微細化が可能である。更にSAC構造においては、セルサイズを増加させることなく、メモリセルコンタクトのトップ径を大きくすることが可能であり、コンタクト歩留を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る水素バリア膜SAC型誘電体メモリを示す要部断面図。
【図2】本発明の第2の実施形態に係る水素バリア膜SAC型誘電体メモリを示す要部断面図。
【図3】本発明の第3の実施形態に係る水素バリア膜SAC型誘電体メモリを示す要部平面図。
【図4】本発明の第4の実施形態に係る水素バリア膜貫通型誘電体メモリを示す要部断面図。
【図5】本発明の第5の実施形態に係る水素バリア膜接続型誘電体メモリを示す要部断面図。
【図6】本発明の第6の実施形態に係る水素バリア膜接続型誘電体メモリを示す要部断面図。
【図7】本発明の第7の実施形態に係る水素バリア膜SAC型誘電体メモリの製造方法を示す工程断面図。
【図8】本発明の第8の実施形態に係る水素バリア膜貫通型誘電体メモリの製造方法を示す工程断面図。
【図9】従来例の誘電体メモリを示す要部断面図。
【図10】従来例の誘電体メモリを示す要部平面図。
【符号の説明】
1 素子分離絶縁膜(STI)
2 不純物拡散層
3 メモリセルトランジスタ
4 第1の層間絶縁膜
5 第1のコンタクトプラグ(ストレージノードコンタクト)
6 下部電極
7 容量絶縁膜
8 上部電極
9 水素バリア膜
10 第2の層間絶縁膜
11 第2のコンタクトプラグ(ビット線コンタクト)
12 配線
13 半導体基板
14 強誘電体キャパシタ
15 メモリセル領域外の周辺コンタクトプラグ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ferroelectric memory or a high dielectric memory using a dielectric material, and in particular, in a structure having a hydrogen barrier film covering a dielectric capacitor in order to maintain dielectric characteristics, cell miniaturization is possible. The present invention relates to a ferroelectric memory, a high dielectric memory device, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
The development of ferroelectric memory has become the center of development with a large capacity of 256 kbit to 4 Mbit using a stack type structure. In order to realize this stack type ferroelectric memory, it is indispensable to greatly improve the degree of integration, that is, miniaturization, and a process for forming a ferroelectric capacitor, a process for forming a transistor, and a wiring process are formed. It is important to obtain process alignment with the process. It is generally processed in a reducing atmosphere, as typified by, for example, a technique of forming a contact by burying tungsten by chemical vapor deposition (W-CVD) or hydrogen sintering performed to restore transistor characteristics. In many semiconductor processes, it is how a ferroelectric capacitor maintains its polarization characteristics without being reduced.
[0003]
In the conventional technique, a technique of covering a ferroelectric capacitor using a hydrogen barrier film is used (for example, Patent Document 1 below). This is Al 2 O Three The hydrogen barrier film represented by (2) shields the diffusion of hydrogen generated during the semiconductor process after the formation of the ferroelectric capacitor, thereby preventing the polarization of the ferroelectric material from deteriorating. As for the covering structure of the hydrogen barrier film, the effect of the structure that completely covers the top, bottom, left and right of the ferroelectric capacitor is the largest. As described above, the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric capacitor due to hydrogen is prevented, and a highly integrated ferroelectric memory or a high dielectric memory is realized.
[0004]
Hereinafter, a ferroelectric capacitor structure of a capacitor element part of the above-described conventional ferroelectric memory will be described with reference to the drawings.
[0005]
FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part in the bit line direction of a conventional ferroelectric memory, in which cell plates are arranged in a direction perpendicular to the paper surface. A memory cell transistor 3 is formed on an impurity diffusion layer 2 separated by an element isolation insulating film (STI) region 1 on a semiconductor substrate 13. A ferroelectric capacitor 14 is formed on the first interlayer insulating film 4, a second interlayer insulating film 10 is formed covering the ferroelectric capacitor 14, and a wiring 12 is formed thereon. Has been.
[0006]
The ferroelectric capacitor 14 includes a lower electrode 6, a capacitive insulating film 7 made of a ferroelectric film, and an upper electrode 8. The lower electrode 6 is connected to a semiconductor substrate 13 on which a memory cell transistor is formed via a first contact plug 5 (storage node contact). The ferroelectric capacitor 14 has a structure covered with a hydrogen barrier film 9, and in this case, two cell plates are covered as one unit. A second contact plug (bit line contact or memory cell contact) 11 connecting the bit line and the memory cell transistor is formed through the interlayer insulating film with a space between the hydrogen barrier films.
[0007]
In this structure, the ferroelectric capacitor 14 is covered with the hydrogen barrier film 9, thereby preventing hydrogen from diffusing into the ferroelectric capacitor 14 even when processing in a reducing atmosphere after the ferroelectric capacitor 14 is formed. And deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric can be prevented.
[0008]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-8355
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional example, a new hydrogen barrier film is arranged to increase the memory cell size. FIG. 10 shows an image showing how the size of the memory cell changes depending on the presence or absence of the hydrogen barrier film on the plane when FIG. 9 is viewed from above. This memory cell has a structure in which a bit line is placed on a dielectric capacitor, and a bit line contact 11 is formed in the source and drain regions of the transistor (Tr) through the dielectric capacitor 14. For this reason, when the hydrogen barrier film 9 is disposed, the mask alignment margin for both the hydrogen barrier film 9 and the capacitor 14 and the lithography of the bit line contact 11 and the hydrogen barrier film 9 (direction perpendicular to the hydrogen barrier, vertical space on the paper) The cell size is increased by the amount expected, which is disadvantageous for miniaturization.
[0010]
In order to solve the above-described conventional problems, the present invention provides a ferroelectric memory that can be highly integrated while maintaining the characteristics of the dielectric memory, a capacitive element for realizing the high dielectric memory, and a method for manufacturing the same. For the purpose.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a dielectric memory according to the present invention is a dielectric memory having a capacitive element including a lower electrode, a capacitive insulating film, and an upper electrode, which are sequentially formed on a semiconductor substrate from below.
The capacitive element is coated at least on its upper part with a hydrogen barrier film,
A memory cell contact for electrically connecting a wiring above the capacitive element and a semiconductor substrate or conductive layer below the capacitive element in the cell region of the dielectric memory is formed in contact with the hydrogen barrier film. It is characterized by being.
[0012]
In the first method of manufacturing a dielectric memory according to the present invention, a hydrogen barrier film is formed on a semiconductor substrate so as to cover a capacitor element including a lower electrode, a capacitor insulating film, and an upper electrode, which are sequentially formed from below.
Forming an insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate;
In the dielectric memory cell region including the capacitive element, an opening reaching the semiconductor substrate is provided in the insulating film so that the hydrogen barrier film becomes a SAC stopper film,
A contact plug is formed in the opening.
[0013]
According to a second method of manufacturing a dielectric memory of the present invention, the entire surface of the semiconductor substrate is coated so as to cover a capacitor element composed of a lower electrode, a capacitor insulating film, and an upper electrode, which are sequentially formed on the semiconductor substrate from below. A hydrogen barrier film is formed on the
Forming an insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate;
In the dielectric memory cell region including the capacitive element, an opening that reaches the semiconductor substrate through the insulating film and the hydrogen barrier film is provided.
A contact plug is formed in the opening.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the dielectric memory according to the present invention, the capacitive element is covered at least on the upper side by a hydrogen barrier film, and a wiring above the capacitive element and a semiconductor substrate or conductive layer below the capacitive element in the cell region of the dielectric memory are provided. A memory cell contact filled with an electrically connecting plug is formed in contact with the hydrogen barrier film. As a result, it is possible to prevent the characteristics of the dielectric memory from being deteriorated by the hydrogen barrier film and to realize miniaturization of the cell.
[0015]
In the dielectric memory of the present invention, it is preferable that the memory cell contact is formed in a self-aligning manner using the hydrogen barrier film as a stopper film of SAC (abbreviation of Self Align Contact). The SAC is a contact formed in a self-aligned manner. Generally, when a contact is formed in a transistor, the sidewall of the gate electrode pSi is used as a stopper film so as to straddle the sidewall and the impurity diffusion layer. This is used as a miniaturization technique for forming contacts and reducing the pitch between transistors. In the present invention, the stopper film is used as an upper hydrogen barrier film. Thereby, the hydrogen barrier film can prevent the deterioration of the characteristics of the dielectric memory, and the cell can be miniaturized more easily as the number of steps.
[0016]
In the dielectric memory of the present invention, it is preferable that a cross-sectional area of the upper surface of the memory cell contact is larger than a cross-sectional area of the upper surface of the contact outside the dielectric memory cell region. Thereby, in addition to the above-described effects, the yield of the memory cell contacts can be improved.
[0017]
In the dielectric memory according to the aspect of the invention, the memory cell contact may be formed in a portion where the memory cell contact is formed in a self-aligned manner with respect to the hydrogen barrier film rather than in a long side direction in which the hydrogen barrier film extends. It is preferable to have a longer shape in the short side direction orthogonal to the long side direction in which the hydrogen barrier film extends. Thereby, in addition to the above effect, the yield of the memory cell contact can be improved without causing an increase in cell size.
[0018]
In the dielectric memory of the present invention, it is preferable that the memory cell contact is formed so as to penetrate the hydrogen barrier film. As a result, it is possible to prevent the deterioration of the characteristics of the dielectric memory by the hydrogen barrier film and to realize miniaturization of the cell.
[0019]
In the dielectric memory according to the aspect of the invention, it is preferable that the memory cell contact is a stack contact that is further electrically connected to the semiconductor substrate through a conductive layer below the capacitive element. Thereby, in addition to the above-described effects, the yield of the memory cell contacts can be improved.
[0020]
In the dielectric memory of the present invention, the hydrogen barrier film is preferably an insulating film or nitride containing a metal element.
[0021]
In addition, according to the first manufacturing method of the present invention, it is possible to prevent the deterioration of the characteristics of the dielectric memory by the hydrogen barrier film and to realize the miniaturization of the cell. In the method for manufacturing a dielectric memory according to the present invention, the step of providing the opening in the insulating film preferably uses a dry etching method using a gas containing at least a part of fluorine element. As a result, the memory cell contact can be formed without affecting the hydrogen barrier film.
[0022]
In addition, according to the second manufacturing method of the present invention, it is possible to prevent the deterioration of the characteristics of the dielectric memory by the hydrogen barrier film and to realize the miniaturization of the cell.
[0023]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0024]
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part in a first embodiment of a dielectric memory using a hydrogen barrier film 9 as a SAC stopper film. A memory cell transistor 3 is formed on an impurity diffusion layer 2 separated by an STI region 1 on a semiconductor substrate 13. On top of this, the first interlayer insulating film 4 (for example, SiO 2 2 A ferroelectric capacitor 14 is formed on the film, film thickness: 500 nm), and a second interlayer insulating film 10 (film thickness: 250 nm on the capacitor) is formed covering the ferroelectric capacitor 14. Wiring 12 (for example, AL / TiN / Ti = 500/20/10 nm (film thickness)) is formed. The ferroelectric capacitor 14 includes a lower electrode 6 (for example, Pt film thickness: 100 nm), a ferroelectric film (for example, SBT (for example, SrBi 2 Ta 2 O 9 ) Film thickness: 100 nm) and a capacitor insulating film 7 and an upper electrode 8 (for example, Pt film thickness: 50 nm), and the lower electrode 6 is formed on the semiconductor substrate 13 on which the memory cell transistor 3 is formed. Are connected via a contact plug (storage node contact) 5 (for example, a W film). Further, the ferroelectric capacitor has a hydrogen barrier film 9 (for example, Al 2 O Three The film is coated with a film thickness of 20 nm. A second contact plug (bit line contact or memory cell contact) 11 (for example, a W film) that connects the wiring 12 and the impurity diffusion layer 2 of the semiconductor substrate is formed in a self-aligned manner using the hydrogen barrier film 9 as a stopper film. Yes. FIG. 1 shows a state in which the overlay is shifted within the capability range of lithography (hereinafter referred to as “litho”) equipment, and the second contact plug 11 is in contact with at least one of the hydrogen barrier films. .
[0025]
In this structure, when the hydrogen barrier film 9 is formed, it is sufficient that the contact plug 11 has a minimum necessary space so that the space between the hydrogen barrier 9 films is not stepped off in consideration of the litho overlap margin. The cell size can be made smaller than in the example. For example, if there is equipment with a direct overlay margin of 0.2 μm for litho, in the conventional example, at least between adjacent hydrogen barriers requires 0.2 μm + contact plug size (0.3 μm) + 0.2 μm = 0.5 μm However, in this structure, it is only necessary to estimate an overlap margin of 0.2 μm between the hydrogen barriers, and at least 0.3 μm can be reduced in this direction.
[0026]
With the above structure, the ferroelectric capacitor is covered with a hydrogen barrier film, so that even if processing is performed in a reducing atmosphere after the formation of the ferroelectric capacitor, hydrogen is prevented from diffusing into the ferroelectric capacitor, and the ferroelectric capacitor is formed. Deterioration of the polarization characteristics of the body can be prevented. Further, even if a new hydrogen barrier film is disposed, the cell size is not increased and a highly integrated dielectric memory can be realized.
[0027]
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view of an essential part of a second embodiment of a dielectric memory using the hydrogen barrier film 9 as a SAC stopper film. Since the thickness of each layer is the same as that of Embodiment 1, it is omitted. A memory cell transistor 3 is formed on an impurity diffusion layer 2 separated by an STI region 1 on a semiconductor substrate 13. On top of this, the first interlayer insulating film 4 (for example, SiO 2 2 The ferroelectric capacitor 14 is formed on the film), the second interlayer insulating film 10 is formed so as to cover the ferroelectric capacitor 14, and the wiring 12 (for example, AL / TiN / Ti) is formed thereon. ing. The ferroelectric capacitor 14 includes a lower electrode 6 (for example, Pt), a capacitor insulating film 7 made of a ferroelectric film (for example, SBT), and an upper electrode 8 (for example, Pt). The lower electrode 6 is a memory cell transistor. 3 is connected via a first contact plug 5 (for example, a W film) to a semiconductor substrate 13 on which 3 is formed. Further, the ferroelectric capacitor 14 includes a hydrogen barrier film 9 (for example, Al 2 O Three The film is covered with a film. A second contact plug 11 (for example, a W film) that connects the wiring 12 and the impurity diffusion layer 2 of the semiconductor substrate has a top diameter that is formed in a self-aligning manner using the hydrogen barrier film 9 as a stopper film.
[0028]
In addition, when comparing the memory cell portion and the peripheral circuit portion, even if the dielectric capacitor of the memory cell portion is flattened by CMP (chemical mechanical polishing) method, a global step is generated (arrow portion in the figure). The interlayer insulating film from the substrate is thicker than that outside the memory cell. At this time, if the space between the adjacent hydrogen barriers is set to the same size as the contact plug 15 in the peripheral circuit portion other than the memory cell region, the contact plug 11 of the memory cell increases the reticle size of the lithography, so that only the top. The bottom can be structured to have the same area as the peripheral contact. In other words, it is basically sufficient to obtain a step coverage or embedded shape similar to that of the contact plug of the peripheral circuit portion, but in order to suppress bit defects in the memory cell portion that greatly affect the overall yield, It is possible to further increase the embedding shape from the peripheral circuit portion to an extent that improves the embedding shape. However, it is practical to make the memory cell portions 0.35 μm and 0.1 μm larger than the peripheral circuit portion of 0.25 μm. With this structure, in addition to the effect of reducing the cell size described above, for example, by increasing the top diameter of the memory cell contact in which the aspect ratio becomes strict, the embedding characteristics of W, for example, are improved, and the memory cell contact yield is improved. be able to.
[0029]
(Third embodiment)
FIG. 3 is a plan view of a dielectric memory (FIG. 2) using a hydrogen barrier film as a SAC stopper film when viewed from above. A hydrogen barrier film 9 is formed on the contact plug 5 so as to cover the ferroelectric capacitor from the lower electrode 6 and the ferroelectric film and the upper electrode 8. The second contact plug 11 connecting the wiring and the impurity diffusion layer of the semiconductor substrate has a top diameter greatly extended in a direction perpendicular to the hydrogen barrier, and is formed in a self-aligning manner using the hydrogen barrier film as a stopper film. Even if the second contact plug is rectangular, it is easy to increase only the top diameter of the memory cell contact without increasing the cell size.
[0030]
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a fragmentary cross-sectional view of an embodiment of a dielectric memory having a structure in which the memory cell contact plug 11 penetrates the hydrogen barrier film 9. Since the thickness of each layer is the same as that of Embodiment 1, it is omitted. A memory cell transistor 3 is formed on an impurity diffusion layer 2 separated by an STI region 1 on a semiconductor substrate 13. On top of this, the first interlayer insulating film 4 (for example, SiO 2 2 A ferroelectric capacitor 14 is formed on the film), a second interlayer insulating film 10 is formed covering the ferroelectric capacitor, and a wiring 12 (for example, AL / TiN / Ti) is formed thereon. Yes. The ferroelectric capacitor 14 includes a lower electrode 6 (for example, Pt), a capacitor insulating film 7 made of a ferroelectric film (for example, SBT), and an upper electrode 8 (for example, Pt). The lower electrode 6 is a memory cell transistor. Is connected via a first contact plug 5 (for example, a W film). Further, the ferroelectric capacitor has a hydrogen barrier film 9 (for example, Al 2 O Three The film is covered with a film. A second contact plug 11 (for example, a W film) that connects the wiring 12 and the impurity diffusion layer 2 of the semiconductor substrate is formed so as to penetrate the hydrogen barrier film 9.
[0031]
In this structure, in addition to the above-described effects, the hydrogen barrier film 9 does not need to be patterned, or only needs to be patterned to such an extent that the hydrogen barrier film 9 is left only on the memory cell region. There is an effect that integration is facilitated such that the number of processes is reduced or high-precision patterning is not required.
[0032]
(Fifth embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view of a principal part of an embodiment of a dielectric memory in which the memory cell contact plug 11 has a structure in which the hydrogen barrier film 9 is a SAC stopper film and is a stack contact. Since the thickness of each layer is the same as that of Embodiment 1, it is omitted. A memory cell transistor 3 is formed on an impurity diffusion layer 2 separated by an STI region 1 on a semiconductor substrate 13. On top of this, the first interlayer insulating film 4 (for example, SiO 2 2 The ferroelectric capacitor 14 is formed on the film), the second interlayer insulating film 10 is formed so as to cover the ferroelectric capacitor 14, and the wiring 12 (for example, AL / TiN / Ti) is formed thereon. ing. The ferroelectric capacitor 14 includes a lower electrode 6 (for example, Pt), a capacitor insulating film 7 made of a ferroelectric film (for example, SBT), and an upper electrode 8 (for example, Pt). The lower electrode 6 is a memory cell transistor. Is connected via a first contact plug 5 (for example, a W film). Further, the ferroelectric capacitor 14 includes a hydrogen barrier film 9 (for example, Al 2 O Three The film is covered with a film. A second contact plug 11 (for example, a W film) that electrically connects the wiring 12 and the impurity diffusion layer 2 of the semiconductor substrate is formed using a hydrogen barrier film as a SAC stopper film, and is directly connected to the semiconductor substrate. Instead, they are electrically connected via a lower conductive layer (in this case, the lower electrode 6 and the first contact plug 6 are used).
[0033]
In this structure, in addition to the above-described effects, the aspect ratio of the memory cell contact can be reduced, and the contact yield is improved.
[0034]
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view of an essential part of an embodiment of a dielectric memory having a structure in which the memory cell contact plug 11 penetrates the hydrogen barrier film 9 and is a stack contact. Since the thickness of each layer is the same as that of Embodiment 1, it is omitted. A memory cell transistor 3 is formed on an impurity diffusion layer 2 separated by an STI region 1 on a semiconductor substrate 13. On top of this, the first interlayer insulating film 4 (for example, SiO 2 2 The ferroelectric capacitor 14 is formed on the film), the second interlayer insulating film 10 is formed so as to cover the ferroelectric capacitor 14, and the wiring 12 (for example, AL / TiN / Ti) is formed thereon. ing. The ferroelectric capacitor 14 includes a lower electrode 6 (for example, Pt), a capacitor insulating film 7 made of a ferroelectric film (for example, SBT), and an upper electrode 8 (for example, Pt). The lower electrode 6 is a memory cell transistor. 3 is connected via a first contact plug 5 (for example, a W film) to a semiconductor substrate 13 on which 3 is formed. Further, the ferroelectric capacitor 14 includes a hydrogen barrier film 9 (for example, Al 2 O Three The film is covered with a film. A second contact plug 11 (for example, a W film) that electrically connects the wiring 12 and the impurity diffusion layer 2 of the semiconductor substrate 13 is formed so as to penetrate the hydrogen barrier film 9 and is directly connected to the semiconductor substrate 13. Instead, they are electrically connected via a lower conductive layer (in this case, using the lower electrode 6 and the first contact plug 6).
[0035]
This structure also has the effect of reducing the aspect ratio of the memory cell contact and improving the contact yield, in addition to the effects described above.
[0036]
The hydrogen barrier film described above preferably contains a metal element or is a nitride. For example, Al 2 O Three By using TiAlO, SiN, TaO, TiO, TiAlN, TaAlN, etc., deterioration of the ferroelectric capacitor characteristics due to hydrogen can be suppressed.
[0037]
(Seventh embodiment)
In FIG. 7A, the memory cell transistor 3 is formed on the semiconductor substrate 13 including the impurity diffusion layer 2 separated by the STI region 1. Since the thickness of each layer is the same as that of Embodiment 1, it is omitted. A first interlayer insulating film 4 (for example, SiO doped with B, P, etc.) on the memory cell transistor 3 2 The first contact plug 5 (W, Poly Si) that electrically connects the substrate and the lower electrode 6 of the ferroelectric capacitor 14 is formed on the BPSG 2. A conductive film made of a film (Pt) for promoting crystal growth of the ferroelectric film and an oxygen barrier layer (IrO / Ir / TiAlN) is laminated thereon, and the first contact plug 5 is covered using a desired mask. In this manner, the lower electrode 6 is formed, and similarly, the capacitor insulating film 7 and the upper electrode 8 made of a ferroelectric film are formed by patterning so that the lower electrode 6 is covered, thereby forming a ferroelectric capacitor. ing. Next, as shown in FIG. 7B, after forming a hydrogen barrier film 9 on the entire surface, the hydrogen barrier film is patterned so as to cover the ferroelectric capacitor using a desired mask. Here, the hydrogen barrier film only needs to open a region where the second contact (memory cell contact) is formed between the cell plates of the memory cell. Next, as shown in FIG. 7C, after the second interlayer insulating film 10 is formed on the entire surface, it is planarized by CMP or the like and connected to the impurity diffusion layer of the memory cell transistor using a desired mask. A second contact (memory cell contact) 11 is formed. At this time, since the space between the hydrogen barrier films is narrowed as much as possible taking into account the litho overlap margin, a part of the memory cell contact 11 is formed in contact with the hydrogen barrier film. (SAC structure). Finally, as shown in FIG. 7D, the wiring 12 is formed to complete the dielectric memory.
[0038]
By covering the ferroelectric capacitor with the hydrogen barrier film by the above manufacturing method, even if the processing is performed in a reducing atmosphere after the formation of the ferroelectric capacitor, the diffusion of hydrogen into the ferroelectric capacitor is prevented, and the ferroelectric capacitor is strong. Deterioration of the polarization characteristics of the dielectric can be prevented, and even if a new hydrogen barrier film is provided, the cell size is not increased and a highly integrated dielectric memory can be manufactured.
[0039]
In FIG. 7C, the method for opening the memory cell contact is preferably dry etching using a gas containing at least a part of fluorine element. Specifically, CF Four , CHF Three , C Four F 8 , C Five F 8 , CH 2 F 2 It is good to use.
[0040]
By using these gases, it is usually used for interlayer insulating films. 2 The etching selectivity between the film and the dense hydrogen barrier film can be set large, and the SAC structure can be realized without the influence of etching the hydrogen barrier film.
[0041]
(Eighth embodiment)
In FIG. 8A, the memory cell transistor 3 is formed on the semiconductor substrate including the impurity diffusion layer 2 separated by the STI region 1. Since the thickness of each layer is the same as that of Embodiment 1, it is omitted. A first interlayer insulating film 4 (for example, SiO doped with B, P, etc.) on the memory cell transistor 3 2 The first contact plug 5 (W, Poly Si) for electrically connecting the substrate and the lower electrode 6 of the ferroelectric capacitor is formed on the BPSG 2. A conductive film made of a film (Pt) for promoting crystal growth of the ferroelectric film and an oxygen barrier layer (IrO / Ir / TiAlN) is laminated thereon, and the first contact plug 5 is covered using a desired mask. In this manner, the lower electrode 6 is formed, and similarly, the capacitor insulating film 7 and the upper electrode 8 made of a ferroelectric film are formed by patterning so that the lower electrode 6 is covered, thereby forming a ferroelectric capacitor. ing. Next, as shown in FIG. 8B, a hydrogen barrier film 9 is formed on the entire surface. Although the hydrogen barrier film here is not shown in the figure, it is sufficient that the memory cell array region is patterned as a unit, and there is no need to open between the cell plates. Next, as shown in FIG. 7C, after the second interlayer insulating film 10 is formed on the entire surface, the second interlayer insulating film 10 is planarized by CMP or the like, and the second interlayer insulating film 10 and the hydrogen barrier film are formed using a desired mask. 9. Form a bit line contact 11 that penetrates the first interlayer insulating film 4 and is connected to the impurity diffusion layer of the memory cell transistor. Finally, as shown in FIG. 7D, the wiring 12 is formed to complete the dielectric memory.
[0042]
By covering the ferroelectric capacitor with the hydrogen barrier film by the above manufacturing method, even if the processing is performed in a reducing atmosphere after the formation of the ferroelectric capacitor, the diffusion of hydrogen into the ferroelectric capacitor is prevented, and the ferroelectric capacitor is strong. Deterioration of the polarization characteristics of the dielectric can be prevented, and even if a new hydrogen barrier film is provided, the cell size is not increased and a highly integrated dielectric memory can be manufactured.
[0043]
In the above embodiment, the hydrogen barrier film 9 has a structure in which the ferroelectric capacitor is directly covered and a structure in which two cell plates are bundled and covered. However, the hydrogen barrier film is indirect so as not to touch the ferroelectric capacitor. A structure (for example, a hydrogen barrier film formed on a ferroelectric capacitor through a buffer layer) or a structure in which each cell plate is covered with a hydrogen barrier film may be used.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, the dielectric memory and the manufacturing method thereof according to the present invention provide a lithography alignment margin by forming a memory cell contact by using the hydrogen barrier film as a SAC stopper film or penetrating the hydrogen barrier film. Since there is no need to expect, miniaturization is possible without causing an increase in cell size while having a structure that prevents deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric capacitor due to hydrogen. Furthermore, in the SAC structure, the top diameter of the memory cell contact can be increased without increasing the cell size, and the contact yield can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part showing a hydrogen barrier film SAC type dielectric memory according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a principal part showing a hydrogen barrier film SAC type dielectric memory according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view of an essential part showing a hydrogen barrier film SAC type dielectric memory according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a relevant part showing a hydrogen barrier film penetrating dielectric memory according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view showing a hydrogen barrier film-connected dielectric memory according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a relevant part showing a hydrogen barrier film-connected dielectric memory according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a process sectional view showing a method for manufacturing a hydrogen barrier film SAC type dielectric memory according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a through-hydrogen barrier film dielectric memory according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a principal part showing a conventional dielectric memory.
FIG. 10 is a plan view showing a principal part of a conventional dielectric memory.
[Explanation of symbols]
1 Device isolation insulating film (STI)
2 Impurity diffusion layer
3 Memory cell transistors
4 First interlayer insulating film
5 First contact plug (storage node contact)
6 Lower electrode
7 Capacitive insulation film
8 Upper electrode
9 Hydrogen barrier film
10 Second interlayer insulating film
11 Second contact plug (bit line contact)
12 Wiring
13 Semiconductor substrate
14 Ferroelectric capacitor
15 Peripheral contact plug outside the memory cell area

Claims (8)

半導体基板上に下方より順に形成された下部電極、容量絶縁膜および上部電極からなる容量素子を有する誘電体メモリにおいて、
前記容量素子は第1の層間絶縁膜上に形成されると共に、水素バリア膜により少なくともその上部を被覆されており、
前記水素バリア膜は第2の層間絶縁膜で被覆されており、
前記誘電体メモリのセル領域内における前記容量素子より上層の配線と前記容量素子より下層の半導体基板または導電層を電気的に接続するメモリセルコンタクトが、前記第1の層間絶縁膜および前記第2の層間絶縁膜を貫通すると共に、前記水素バリア膜に接触することにより、前記第1の層間絶縁膜中における前記メモリセルコンタクトの開口領域の断面寸法が、前記第2の層間絶縁膜中の前記水素バリア膜よりも上部における前記メモリセルコンタクトの開口領域の断面寸法よりも小さいことを特徴とする誘電体メモリ。
In a dielectric memory having a capacitive element composed of a lower electrode, a capacitive insulating film, and an upper electrode formed in order from below on a semiconductor substrate,
The capacitive element is formed on the first interlayer insulating film, and at least an upper part thereof is covered with a hydrogen barrier film,
The hydrogen barrier film is covered with a second interlayer insulating film;
A memory cell contact electrically connecting a wiring above the capacitive element and a semiconductor substrate or conductive layer below the capacitive element in the cell region of the dielectric memory includes the first interlayer insulating film and the second interlayer dielectric film. The cross-sectional dimension of the opening region of the memory cell contact in the first interlayer insulating film by passing through the interlayer insulating film and contacting the hydrogen barrier film. A dielectric memory characterized in that it is smaller than the cross-sectional dimension of the opening region of the memory cell contact above the hydrogen barrier film .
前記メモリセルコンタクトが、前記水素バリア膜をSACのストッパ膜として自己整合的に形成されている請求項1に記載の誘電体メモリ。  The dielectric memory according to claim 1, wherein the memory cell contact is formed in a self-aligning manner using the hydrogen barrier film as a SAC stopper film. 前記メモリセルコンタクトの上面の断面積が、前記誘電体メモリセル領域外におけるコンタクトの上面の断面積より大きい請求項2に記載の誘電体メモリ。  The dielectric memory according to claim 2, wherein a cross-sectional area of an upper surface of the memory cell contact is larger than a cross-sectional area of an upper surface of the contact outside the dielectric memory cell region. 前記メモリセルコンタクトは、当該メモリセルコンタクトが前記水素バリア膜に対して自己整合的に形成される部分において、前記水素バリア膜が延伸する第1の方向よりも前記第1の方向と直交する第2の方向により長い方形の形状を有する請求項3に記載の誘電体メモリ。The memory cell contact is perpendicular to the first direction than the first direction in which the hydrogen barrier film extends in a portion where the memory cell contact is formed in a self-aligned manner with respect to the hydrogen barrier film . 4. The dielectric memory according to claim 3, wherein the dielectric memory has a rectangular shape longer in two directions . 前記メモリセルコンタクトは、前記容量素子より下層の導電層を介してさらに前記半導体基板に電気的に接続されたスタックコンタクトである請求項1に記載の誘電体メモリ。  The dielectric memory according to claim 1, wherein the memory cell contact is a stack contact that is further electrically connected to the semiconductor substrate via a conductive layer below the capacitive element. 前記水素バリア膜は、金属元素を含む絶縁膜または窒化物である請求項1及至のいずれかに記載の誘電体メモリ。The hydrogen barrier film, a dielectric memory according to claim 1及至5 is an insulating film or a nitride containing a metal element. 半導体基板上に第1の層間絶縁膜を形成する工程と
前記第1の層間絶縁膜上に、下方より順に形成された下部電極、容量絶縁膜および上部電極からなる容量素子を形成する工程と
前記容量素子の少なくとも上部を被覆するように水素バリア膜を形成する工程と
前記水素バリア膜上を含む前記半導体基板上の全面に第2の層間絶縁膜を形成する工程と
前記容量素子を含む誘電体メモリセル領域内において、前記水素バリア膜がSACのストッパ膜となるように、前記第1の層間絶縁膜および前記第2の層間絶縁膜を貫通して前記半導体基板に達する開口部を設ける工程と
前記開口部内にコンタクトプラグを形成する工程とを備え、
前記開口部を設ける工程では、前記開口部が前記水素バリア膜に接触することにより、前記第1の層間絶縁膜中における前記開口部の開口領域の断面積が、前記第2の層間絶縁膜中の前記水素バリア膜よりも上部における前記開口部の開口領域の断面積よりも小さく形成することを特徴とする誘電体メモリの製造方法。
Forming a first interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a capacitive element including a lower electrode, a capacitive insulating film, and an upper electrode formed in order from below on the first interlayer insulating film;
Forming a hydrogen barrier film so as to cover at least the upper part of the capacitive element ;
Forming a second interlayer insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate including on the hydrogen barrier film;
In the dielectric memory cell region including the capacitive element, the hydrogen barrier film penetrates the first interlayer insulating film and the second interlayer insulating film so as to serve as a SAC stopper film. a step of opening Ru provided to reach,
Forming a contact plug in the opening ,
In the step of providing the opening, the opening is in contact with the hydrogen barrier film, so that a cross-sectional area of the opening region of the opening in the first interlayer insulating film is in the second interlayer insulating film. A method for manufacturing a dielectric memory, comprising: forming a smaller area than a cross-sectional area of an opening region of the opening above the hydrogen barrier film .
前記絶縁膜中に開口部を、フッ素元素を少なくとも一部に含むガスを用いたドライエッチ法により形成する請求項に記載の誘電体メモリの製造方法。8. The method of manufacturing a dielectric memory according to claim 7 , wherein the opening is formed in the insulating film by a dry etching method using a gas containing at least a part of fluorine element.
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