JP3970477B2 - 強誘電体集積回路及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素の露呈に対して低い感度を有する強誘電体集積回路及びそのような回路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強誘電体化合物は、アメリカ特許番号．５，０４６，０４３号（ミラー）に記載されているように、不揮発性の集積回路メモリの使用に当たって、好ましい特性を有する。コンデンサーのような強誘電体デバイスは、高残留分極、適度な抗電界、高疲労耐性、それに低漏洩電流のような所望の電気的特性を有するとき、不揮発性メモリとして有用である。
【０００３】
ＰＺＴ(ジルコン酸チタン酸鉛)、ＰＬＺＴ（ランタン添加ジルコン酸チタン酸鉛）のような鉛含有ＡＢＯ_３型強誘電体酸化物が、集積回路における実用化のために研究されている。
【０００４】
一方、層状超格子酸化物材料についても、アメリカ特許番号５，４３４，１０２号（ミラー）に記載されているように、集積回路における実用化のために研究が行われている。層状超格子材料化合物は、ＰＺＴやＰＬＺＴ化合物の特性よりも優れた強誘電性メモリー特性を示している。
【０００５】
現在、強誘電体素子を有する集積回路デバイスが、製造されている。それにもかかわらず、製造過程の間に生じる水素劣化に関する永続的な問題が、所望の電子特性を有する層状超格子材料化合物を使用する強誘電体メモリー及び他のＩＣの経済的生産を商業的数量の点で妨げている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
集積回路における典型的な強誘電体メモリーデバイスは、半導体基板と金属酸化物電界効果トランジスター(MOSFET)を含んでいる。このトランジスターは、通常は、強誘電体コンデンサーのような強誘電体デバイスと電気的に接続されている。
【０００７】
この強誘電体コンデンサーは、典型的には、第１の下部電極と第２の上部電極との間に位置する強誘電体薄膜を含み、これらの電極は、典型的には、プラチナを含んでいる。
【０００８】
回路の製造中には、ＭＯＳＦＥＴは、シリコン基板中に欠陥を生じさせるような条件下に置かれている。例えば、ＣＭＯＳ／ＭＯＳＦＥＴの製造プロセスは、普通は、イオンミリング・エッチングやプラズマ・エッチングのような高エネルギー工程を含んでいる。このような欠陥は、比較的高い温度（多くは、５００℃−９００℃の範囲内）で強誘電体薄膜を結晶化する熱処理の間にも生じる。
【０００９】
この結果、多くの欠陥が、半導体シリコン基板の単結晶構造中に発生する。これは、ＭＯＳＦＥＴの電子特性の悪化につながる。ＭＯＳＦＥＴ／ＣＭＯＳのシリコン特性を回復するために、通常は、製造工程中に水素アニール工程が実施される。このアニール工程において、ダングリングボンドのような欠陥は、水素の還元特性を利用することにより消失する。
【００１０】
ここで、フォーミングガス・アニール（ＦＧＡ）のような水素アニールを実現するために、種々の技術が開発されている。
【００１１】
一般的に、従来から、ＦＧＡ処理は、Ｈ_２−Ｎ_２ガス混合体の雰囲気条件の下、３５０℃から５５０℃の間、典型的には、４５０℃近辺で、約３０分間行われている。さらに、集積回路製造プロセスは、他の製造工程、つまり、集積回路をしばしば高温で水素に曝す工程を必要とする。この工程は、金属や誘電体を堆積するための豊富な水素を有するＣＶＤプロセスや、シランあるいはＴＥＯＳ源からの酸化シリコンの成長や、水素や水素プラズマを使用したエッチング処理などである。
【００１２】
水素を含むプロセスの間、水素は、主に、上部電極を通って強誘電体薄膜まで拡散するが、コンデンサーの側端からも拡散し、強誘電体材料に含まれている酸化物を還元する。また、この吸収された水素は、金属酸化物と還元することによって、強誘電体薄膜の表面を金属化する。これらの効果の結果として、コンデンサーの電子特性は劣化する。
【００１３】
フォーミングガス・アニール（ＦＧＡ）後の強誘電体特性の残留磁化は大変低く、もはや情報を記憶するのに適さない。また、漏れ電流の増加も生じさせる。
【００１４】
また、上部電極への強誘電体薄膜の付着力は、界面で生じる化学変化によって弱められる。あるいは、上部電極は、酸素ガス、水、酸化還元反応による他の生成物によって、押し上げられる。このようにして、上部電極と強誘電性薄膜との間の界面で、「剥がれ」が生じ易くなる。さらに、水素は下部電極にも達し、容量を基板から剥がすような内部応力をも生じさせる。
【００１５】
これらの問題は、層状超格子材料化合物を含む強誘電体メモリーにおいて深刻である。なぜなら、こられの酸化化合物は、特に複雑であり、かつ、水素還元による性能低下を生じやすいからである。
【００１６】
強誘電体デバイスにおいて遭遇する関連した問題は、製造プロセスの結果として異なった回路層中及び回路層間に生じる応力である。強誘電体化合物は、金属酸化物を含む。還元反応の生産物は、強誘電体素子の全体的な堆積の増加を起こさせる。この結果として、強誘電体薄膜は、その上層に上方への圧力を及ぼす。
【００１７】
強誘電体酸化物材料における所望の電子特性の水素劣化を防止しあるいは修復させるために、従来技術において、様々な方法が報告されている。
【００１８】
高温（８００℃）で約一時間の酸素回復アニールは、事実上、水素処理により劣化した強誘電体特性を完全に回復させる。しかし、高温酸素アニール自体は、シリコン結晶構造において、欠陥を発生させる可能性がある。これにより、以前に実施されたＣＭＯＳ特性上のフォーミングガス・アニールの積極的な効果が幾分相殺される。また、高温酸素アニールは、アルミニウムの金属化に先行してのみ実施されるかもしれない。
【００１９】
さらに、水素ダメージが、「剥がれ」のような強誘電体デバイスへの構造上のダメージ既に生じさせているのならば、回復アニールによって、そのダメージを効果的に修復させることはできない。
【００２０】
水素熱処理の有害な効果を減少させて強誘電体金属酸化物要素を保護するために、従来技術では、強誘電体あるいは誘電体材料への水素の拡散を防止するために、水素バリア層を付着あるいは接着することをが提案されている。この水素バリア層は、典型的には、強誘電体素子の上側に付着されるが、その素子の下側または側面に付着されることもある。典型的には、水素バリア層は、水素拡散を防止するのに、完全に効果的ではない。このように、水素拡散バリアが使用されたとしても、通常、構造上のダメージが強誘電体素子中に生じ、水素が強誘電体層中に達し、強誘電体材料の強誘電体特性を劣化させる。
【００２１】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点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、強誘電体酸化物材料、特に、強誘電体層状超格子材料を水素劣化から保護するために使用される種々の対策の利点を強化した強誘電体メモリーデバイスを有する集積回路及びそのような集積回路の製造方法を提供することにある。さらに、集積回路及びその製造方法の複雑化を最小限にすることをも目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、強誘電体集積回路において、強誘電体酸化物材料の薄膜を含む集積回路部分と、保護層とを有し、この保護層は、少量の酸素を含有する。
【００２３】
ここで、前記保護層は、下部領域、中央領域及び上部領域とを有し、前記酸素は、前記保護層中で酸素濃度勾配を形成し、これにより、前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にある。
【００２４】
また、前記下部及び上部領域の酸素濃度は、約２ウェイト・パーセントであるのが好ましい。
【００２５】
また、前記保護層は、水素バリア層であることが望ましい。
【００２６】
前記水素バリア層は、前記強誘電体酸化物材料の薄膜の直接上に設けられている。
【００２７】
ここで、前記水素バリア層は、電気的に導電性を有する。
【００２８】
また、前記強誘電体酸化物材料の薄膜と水素バリア層とは、自己整合的である。
【００２９】
前記水素バリア層は、窒化チタンを含有するのが好ましい。
【００３０】
また、前記水素バリア層は、窒化シリコンを含有しても良い。
【００３１】
さらに、前記強誘電体酸化物材料は、強誘電体層状超格子材料を有することが好ましい。
【００３２】
前記強誘電体層状超格子材料は、ストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩を有する。
【００３３】
また、前記強誘電体層状超格子材料は、ストロンチウム・ビスマス・タンタル酸塩を有しても良い。
【００３４】
また、前記保護層は、金属化配線層を有する。
【００３５】
前記金属化配線層は、アルミニウムを含有するのが好ましい。
【００３６】
前記強誘電体酸化物材料の薄膜は横側面を有し、前記保護層は前記横側面を覆う。
【００３７】
ここで、前記保護層は、下部領域、中央領域及び上部領域とを有し、前記酸素は、前記保護層中で酸素濃度勾配を形成し、これにより、前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にある。
【００３８】
前記下部及び上部領域の酸素濃度は、約２ウェイト・パーセントであるのが望ましい。
【００３９】
また、前記保護層は、水素バリア層を有することが好ましい。
【００４０】
前記強誘電体酸化物材料は、強誘電体層状超格子材料を有することが望ましい。
【００４１】
【発明の実施の形態】
本発明は、強誘電体集積回路の少なくとも一つの保護層が少量の酸素を含有する集積回路を提供することによって、上記問題点を解決する。
【００４２】
この保護層は、水素バリア層、金属化配線層または、他の層あるいは強誘電体集積回路の構成要素であっても良い。本発明の強誘電体集積回路は、通常は、少量の過剰酸素を含有する水素バリア層、あるいは少量の過剰酸素を含有する金属化配線層、あるいはその両者を有する。本発明は、少量の酸素を含有する水素バリア層と金属化配線層を形成するための方法をも提供する。
【００４３】
本発明によれば、保護層中の少量の酸素は、水素劣化から強誘電体酸化物材料を保護するために酸化物を形成する。保護層中に存在する酸化物は、水素が強誘電体材料中に拡散しないように、水素と反応することによって強誘電体酸化物を保護する。さらに、強誘電体回路素子の直接上に設けられた水素バリア層中の酸化物の形成は、下方へ圧縮応力を働かせる。強誘電体材料中の水素による酸化物の還元及び強誘電体素子中の他の水素反応は、上方向に圧力を生じさせ、これが薄膜が基板から剥がれる原因となる。
【００４４】
酸化物形成の結果として下方に水素バリア層によって及ばされる圧縮応力は、下層の強誘電体薄膜により及ぼされる上方の応力と釣り合う。これにより、水素バリア中の酸化物は、コンデンサーの積層を失敗させずに、応力平衡状態に置く。
【００４５】
本発明の一つの特徴は、保護層の表面近くの少量の酸化物の存在である。この酸化物は、水素の“ゲッター”として作用する。その表面近くの保護層の領域中の少量の酸化物は、層の電気的導電性を大きく減少させることはない。
【００４６】
好ましくは、保護層は、強誘電体素子の直接上に設けられた水素バリア層を有する。水素バリア層は、水素バリア層が電気的に導電性を有するならば、チタンあるいはシリコンの窒化物を有するのが望ましい。
【００４７】
本発明のもう一つの特徴は、強誘電体素子の直接上に設けられた金属化配線層中の少量の酸素の存在である。この酸化物は、金属化配線層の表面近くの領域中に設けられている。金属化配線層は、アルミニウムを含有する。
【００４８】
本発明の他の特徴は、強誘電体素子の横側面を覆う少量の酸素を含有する保護層である。
【００４９】
本発明のさらに他の特徴は、層中に酸素勾配が存在し、かつ層の内部には酸素が存在しないように保護層を形成することにある。酸素濃度は、保護層の表面近くで、約２ウェイト・パーセントであるのが好ましい。通常は、保護層は、水素バリア層あるいは金属化配線層を有する。保護層が、金属やセラミック材料のような多くの結晶粒子（クリスタル・グレイン）を含むポリシリコン材料を有するならば、少量の酸素は粒子境界（グレイン・バンダリィ）を装飾（デコレイト）するのに丁度充分である。
【００５０】
本発明のさらなる特徴は、その中に形成される酸化物によって生じる、少量の酸化物を含有する水素バリア層による下方への圧力の作用である。下方への圧力は、水素反応の結果として強誘電体中の層によって及ばされる上方への圧力と均衡する。
【００５１】
本発明のさらなる特徴は、保護層のスパッター堆積中に、少量の可変量の酸素がスパッタリング・ガス雰囲気に添加され、この結果、酸素が層の表面近くの領域には含まれるが、層の中央領域には含まれないような製造方法にある。
【００５２】
本発明の多くの他の特徴、目的及び利点は、添付図面を参照することにより、以下の記載から明らかになるであろう。
【００５３】
【実施例】
まず、最初に、理解すべきことは，集積回路デバイスの製造工程を示す図１−３は、実際の集積回路デバイスの平面あるいは断面には必ずしも対応していないことである。つまり、実際のデバイスでは、層は規則的ではないだろうし、その厚さも、異なる比率を有するかもしれない。実際のデバイスにおいては、種々の層は、多くの場合曲がっていたり、オーバーラップする端部を有する。
【００５４】
代わりに、図面は、本発明の構造と方法がより明瞭にかつ十分に記載された理想的な代表例を示している。また、図面は、本発明の方法を使用して製造され得る強誘電体デバイスの多数のバリエーションの中の一つを示しているに過ぎないことにも注意すべきである。
【００５５】
図１−３は、強誘電体コンデンサーと電気的に接続される電界効果トランジスター型のスイッチを含む強誘電体メモリーを示している。
【００５６】
しかし、強誘電体素子がスイッチ素子に取り込まれた強誘電体ＦＥＴメモリーにも、本発明の方法を使用可能である。このような強誘電体ＦＥＴは、アメリカ特許番号５，５２３，９６４号（ＭｃＭｉｌｌａｎ）に開示されている。同様に、本発明の方法を使用して製造された他の集積回路は、他の構成素子および材料組成を有することも可能である。
【００５７】
図１を参照すると、本発明によって製造され得る典型的な不揮発性強誘電体メモリーセル１７０の断面図が示されている。
【００５８】
ＭＯＳＦＥＴと強誘電体コンデンサー素子を含む集積回路を製造するための一般的な製造工程は、アメリカ特許番号５，４６６，６２９（Ｍｉｈａｒａ）とアメリカ特許番号５，４６８，６８４（Ｙｏｓｈｉｍｏｒｉ）に記載されており、他の製造方法についても、他の参考文献に記載されているので、図１の集積回路の構成要素については、ここでは、簡単に説明するにとどめておく。
【００５９】
図１において、フィールド酸化領域１０４が、シリコン基板１０２の表面に形成されている。ソース領域１０６及びドレイン領域１０８が、シリコン基板１０２内に、互いに分離された状態で形成されている。また、ゲート絶縁層１１０が、シリコン基板１０２上であって、かつソース及びドレイン領域１０６，１０８の間に形成されている。さらに、ゲート電極１１２が、ゲート絶縁層１１０上に形成されている。これらのソース領域１０６、ドレイン領域１０８、ゲート絶縁層１１０、それにゲート電極１１２によって、ＭＯＳＦＥＴ１１４が構成される。
【００６０】
さらに、ＢＰＳＧ（ボロンドープド・ホスホ・シリケイトガラス）によって形成された第１の層間誘電体層（ＩＬＤ）１１６が、基板１０２上であって、かつフィールド酸化領域１０４の上に形成されている。さらに、付着（接着）層１１８がＩＬＤ１１６の上に形成されている。付着層１１８は、例えば、チタンから成り、典型的には、２００Åの厚さを有する。チタンのような付着層は、回路の隣接する下地層あるいは下部層への電極の付着（接着）を強化する。
【００６１】
図１に記載されているように、プラチナから成り、好ましくは、２０００Åの厚さを有する下部電極層１２２が、付着層１１８の上に堆積されている。それから、強誘電体薄膜１２４が、下部電極層１２２の上に形成されている。プラチナから成り、かつこのましくは、２０００Åの厚さを有する上部電極が１２６が、強誘電体薄膜１２４の上に形成されている。強誘電体薄膜１２４の組成については、以下に、より詳細に説明される。
【００６２】
保護層、この場合には、電気的に導電性を有する水素バリア層１３０が、上部電極１２６上に堆積される。水素バリア層１３０は、窒化チタンを有するのが好ましい。本発明によれば、水素バリア層１３０は、その頂部及び底部表面近くに少量の酸素を含有する。
【００６３】
図１において、層１３０の底部表面の近くの下部領域１３１に描写された点線が、少量の酸素を表わす。同様に、層１３０の頂部表面の近くの上部領域１３３に描写された点線が、少量の酸素を示す。水素バリア層１３０は、結晶粒子を有するのが好ましい。好ましくは、水素バリア層１３０には、酸素の濃度勾配が存在する。これにより、層１３０の中央領域１３２の酸素のウエイトによる濃度はゼロで、酸素濃度は、層１３０の下部及び上部での領域１３１，１３３において、約１から３ウエイト・パーセント（１−３％ｗｔ．）の範囲内の値に、次第に増加する。
【００６４】
水素バリア層１３０の下部の領域１３１は、層１３０の全体の厚さの約１０−２０％だけ上方に、底部表面から延びている。同様に、水素バリア層１３０の上部の領域１３３は、層１３０の全体の厚さの約１０−２０％だけ下方に、頂部表面から延びている。酸素濃度は、領域１３１，１３３において、ウェイトで約２パーセント（２％）であるのが好ましい。少量の酸素は、領域１３１と１３３中の粒子境界（グレイン・バンダリィ）を装飾（デコレイト）するのに丁度充分である。
【００６５】
粒子境界に位置するＴｉＯＮは、粒子境界の水素拡散の活性化エネルギーを増加させ、これにより、層を通しての水素の拡散を防止すると信じられている。しかしながら、少量の酸素は、電気的に導電性を有する水素バリア層１３０の導電性を実質的には減少させることはない。
【００６６】
それから、層の積層物は、自己整合された水素バリア１３０によって覆われた積層メモリーコンデンサー１２０を形成するために、二度のパターンニング処理という少ない処理で、パターンニングされる。
【００６７】
図１に示されているように、層１２４，１２６それに１３０の部分は、層１２２の表面まで、エッチングにより取り去られる。それから、層１２２と層１１８の部分は、層１１６の表面まで、エッチングにより取り去られる。これらのパターンニング処理によって、自己整合された水素バリア層１３０により覆われる積層強誘電体コンデンサー１２０が形成される。
【００６８】
ＮＳＧ（ノンドープド・シリケイトガラス）から成る第２の層間誘電体層（ＩＬＤ）１３６が、ＩＬＤ層１１６，強誘電体コンデンサー１２０及び水素バリア層１３０を覆うように堆積される。ＰＳＧ（ホスホ・シリケートガラス）膜あるいはＢＰＳＧ（ボロン・ホスホ・シリケートガラス）膜が、層１３６においても使用され得る。
【００６９】
ＩＬＤ１３６は、ＭＯＳＦＥＴ１１４及び強誘電体コンデンサー１２０との電気的接触のための配線穴を形成するためにパターンニングされる。配線穴１４２が、ソース領域１０６を露出するように、ＩＬＤ１３６及びＩＬＤ１１６を介して選択的に開口され、さらに、配線穴１４４が、ドレイン領域１０８を露出するように、ＩＬＤ１３６及びＩＬＤ１１６を介して選択的に開口される。
【００７０】
また、配線穴１４６が、下部電極１２２の一部分を露出するように、ＩＬＤ１３６を介して選択的に開口される。さらに、配線穴１４８が、水素バリア層１３０を露出するように、ＩＬＤ１３６を介して選択的に開口される。
【００７１】
そして、ソース電極配線１５２及びドレイン電極配線１５４が、配線穴１４２と１４４をそれぞれ埋めることにより形成される。さらに、下部電極配線１５６と上部電極配線１５８が、配線穴１４６と１４８とをそれぞれ埋めることにより形成される。ドレイン電極配線１５４は、下部電極配線１５６と電気的に接続されており、同じ配線要素であるのが好ましい。これらの配線１５２，１５４，１５６それに１５８は、約３０００Åの厚さで、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕの標準的な相互配線金属から成るのが好ましい。
【００７２】
強誘電体素子、例えば、図１中のコンデンサーの製造は、従来から、スイッチ１１４や集積回路中の他の素子を損傷させる恐れのある酸化条件を有する工程を含む。強誘電体素子が形成された後に、通常は、回路の水素熱処理が、スイッチの酸素ダメージを回復するために実施される。
【００７３】
水素処理だけでなく他の高エネルギー工程の間に、強誘電体薄膜１２４の強誘電体特性は、劣化する傾向にある。なぜなら、水素が強誘電体薄膜１２４中に拡散し、強誘電体薄膜１２４が有する強誘電体酸化物とそこで反応するからである。
【００７４】
通常は、強誘電体素子の直接上に設けられた水素拡散バリアにより、水素拡散が防止され、これにより、強誘電体酸化物の水素劣化が防止される。
【００７５】
それにもかかわらず、典型的な水素拡散バリアは、強誘電体酸化物の水素劣化を完全には防止することができない。そこで、水素バリア層１３０中の少量の酸素の存在が、水素拡散を防止するための水素バリア層１３０の能力を強化する。
【００７６】
図２は、図１に描写された実施例と類似した本発明の変形例の断面図である。本実施例では、メモリーセル１７５の金属化配線層１６０は、底部表面の近くの下部領域１６１中と、頂部表面の近くの上部領域１６３中とで、少量の酸素を含有する。金属化配線層中には、酸素の濃度勾配が存在するのが好ましい。この結果、層１６０の中央領域１６２の酸素のウェイトによる濃度はゼロであり、酸素濃度は、層１６０の底部及び頂部表面の近くの領域１６１，１６３において、約１から３ウエイト・パーセント（１−３％ｗｔ．）の範囲内の値に次第に増加する。酸素濃度は、領域１６１，１６３において、ウェイトで約２パーセント（２％）であるのが好ましい。
【００７７】
金属化配線層１６０の下部の領域１６１は、層１６０の全体の厚さの約１０−２０％だけ上方に、底部表面から延びている。同様に、金属化配線層１６０の上部の領域１６３は、層１６０の全体の厚さの約１０−２０％だけ下方に、頂部表面から延びている。少量の酸素は、領域１６１と１６３中の粒子境界（グレイン・バンダリィ）を装飾するのに丁度充分である。粒子境界に位置するＴｉＯＮは、粒子境界の水素拡散の活性化エネルギーを増加させ、これにより、層を通しての水素の拡散を防止すると信じられている。しかしながら、少量の酸素は、金属化配線層１６０の導電性を実質的には減少させることはない。金属化配線層１６０は、アルミニウムを有するのが好ましい。
【００７８】
集積回路は、強誘電体薄膜の直接上に設けられた酸素を含有する水素バリア層と、酸素を含有する金属化配線層の両方を有するのが望ましい。しかし、本発明の一実施例では、集積回路は、酸素を含む金属化配線層及び酸素を含まない水素バリア層を含む。
【００７９】
また、他の実施例では、集積回路は、酸素を含む水素バリア層及び酸素を含まない金属化配線を含む。さらに他の実施例では、金属化配線層あるいは水素バリア層ではない強誘電体集積回路の少なくとも一つの構成層あるいは構成要素が、少量の過剰酸素を含む。
【００８０】
図３に示されているように、代替的な好ましい実施例では、強誘電体メモリーセル１８０中の電気的に導電性を有しない水素バリア層１３５が、積層コンデンサーの上部と側部とを覆っている。図３に描写されているように、下部電極層１２２は横側面１２３を有し、強誘電体薄膜１２４は横側面１２５を有し、さらに、上部電極１２６は横側面１２７を有する。横側面１２３，１２５及び１２７は、一緒に、積層コンデンサー１２０の横側面を形成する。
【００８１】
強誘電体薄膜１２４の直接上に設けられた水素バリア層の部分は、水素の大部分が上部電極層１２６を通って強誘電体薄膜中に垂直に拡散するのを防止する。しかし、強誘電体層に通常に拡散する一部の水素は、層の側面から横方向に拡散する。横側面１２３，１２５及び１２７を覆う水素バリア層１３５の部分は、水素がコンデンサー１２０の横側面から強誘電体薄膜１２４に向かって横方向に拡散するのを防止する。
【００８２】
本発明によれば、水素バリア層１３５は、底部内部表面の近くの下部領域１３７中及び頂部外部表面の近くの上部領域１３９中とで、少量の酸素を含有する。水素バリア層１３５の底部の領域１３７は、層１３５の全体の厚さの約１０−２０％だけ上方に、底部表面から延びている。同様に、水素バリア層１３５の頂部の領域１３９は、層１３５の全体の厚さの約１０−２０％だけ下方に、頂部表面から延びている。
【００８３】
図３において、領域１３７と１３９に描写された点線が、少量の酸素を表わす。水素バリア層１３５は、結晶粒子を有するのが好ましい。好ましくは、水素バリア層１３５には、酸素の濃度勾配が存在する。これにより、層１３５の中央領域１３８の酸素のウェイトによる濃度はゼロで、酸素濃度は、層１３５の表面の領域１３７，１３９において、約１から３ウエイト・パーセント（１−３％ｗｔ．）の範囲内の値に、次第に増加する。領域１３７，１３９中の酸素濃度は、表面でウェイトで約２パーセント（２％）であるのが好ましい。
【００８４】
本実施例では、配線穴１４６と１４８とが、強誘電体コンデンサー１２０と電気的に接触するめたに、電気的に非導電性の水素バリア層１３５を介して開口されなければならない。
【００８５】
別の実施例（図示せず）では、電気的に非導電性の水素バリア層がコンデンサー１２０の横側面を覆い、一方、電気的に導電性の水素バリア層が、強誘電体薄膜１２４のに直接上に設けられる。
【００８６】
ここで、“基板”とは、集積回路が形成される下地ウエハー１０２だけでなく、ＢＰＳＧ層１１６のような薄膜が堆積される対象物をも意味する。本明細書では、“基板”とは、関係する層が適用される対象を意味する。例えば、１２２のような下部電極を例に取ると、基板は、下部電極層１２２だけでなく、電極１２２がその上に形成される層１１８及び１１６をも意味する。
【００８７】
ここでは、“上”、“頂部”、“上部” “下”、“底”、“下部”という表現は、シリコン基板１０２に対する相対的な意味で使用している。すなわち、第２の要素が第１の要素の“上”にあるならば、それは、基板１０２からより離れていることを意味する。そして、それが他の要素よりも“下”にあるのならば、それが他の要素よりも基板１０２により近いことを意味する。
【００８８】
基板１０２の長寸法は、ここでは、“水平”面とみなされる平面と定義され、この面に直角方向は“垂直”であるとみなされる。
【００８９】
本明細書中の“保護層”という用語は、水素劣化に対して強誘電体酸化物材料を保護するための少量の酸素を含む強誘電体集積回路の層あるいは他の構成要素に関る。“保護層”という用語は、少量の過剰酸素を含有する水素バリア層及び少量の過剰酸素を含有する金属化配線層を含む。
【００９０】
“水素バリア層”という用語は、その層が過剰の酸素を含有しない場合であったとしても、不可避的に水素に対するバリアである材料を含有する層を意味する。例えば、窒化チタンを主に含有する層が酸素を全く含有していないとしても、それは水素拡散に対するバリアである。しかしながら、少量の酸素の存在は、窒化チタンの拡散バリア特性を強化する。
【００９１】
本明細書は、強誘電体材料の薄膜上に直接形成されている保護層に言及している。“直接上”によっては、保護層が、図１−３中で、垂直方向において強誘電体薄膜の少なくとも一部分上にあることを意味する。例えば、図１において、水素バリア層１３０は、強誘電体薄膜１２４の直接上にある。また、水素バリア層１３０は、たとえ配線層１５６と接触する下部電極１２２の一部上にはないとしても、下部電極層１２２の上に直接設けられていることになる。
【００９２】
“直接上に”という用語は、保護層が強誘電体層と直接接触していることを意味しない。保護層は、強誘電体層と接触していも良いし、接触していなくても良い。保護層が、強誘電体層の一部上に直接存在しさえすれば、保護層は、水素拡散からその部分を保護するであるう。
【００９３】
強誘電体素子が、水平及び垂直に関連した変化する方向で製造されることは明らかである。例えば、強誘電体薄膜が、垂直平面にあるのならば、“横”という言葉は、垂直方向に関係し、“直接上に”は、薄膜の垂直平面に垂直な方向に関係するだろう。
【００９４】
“上”という用語は、下地基板あるいは層上への集積回路層の堆積あるいは形成に言及しているとき、、明細書中でしばしば使用される。“直接上に”とは対照的に、“上”という用語は、通常、直接接触を意味している。このことは、その用語が使われている種々の内容から明らかにされるであろう。
【００９５】
“少量”という用語及び類似する用語は、集積回路の薄膜、層あるいは他の構成要素に含まれている酸素に言及するために、本明細書中で使用されている。“少量”は、指定された薄膜、層あるいは構成要素の全体のウエイトの３ウェイト・パーセント（３％ｗｔ．）を超えない過剰の酸素の量を意味する。
【００９６】
本発明では、示された構成要素の主要な材料は、典型的には、酸化物あるいは他の化合物、例えば、一つのタイプの水素バリア層では主要な窒チタン材料を含有する他の酸素を有しない。しかし、強誘電体酸化物材料に言及するならば、“少量”は、主要な強誘電体酸化物中に含まれる化学量論的に均質化された量の過剰の酸素量を意味する。
【００９７】
“薄膜”という用語は、集積回路分野で使われているような意味でここでも使用される。普通は、厚さにおいて、ミクロン以下の膜を意味する。ここで開示されている薄膜は、すべての場合において、厚さにおいて、０．５ミクロン以下である。強誘電体薄膜１２４の場合には、１０００Åから３０００Åの厚さが好ましく、もっとも好ましいのは、１２００Åから２５００Åの厚さである。集積回路技術のこれらの薄膜は、集積回路技術と関係しないまったく異なるプロセスで形成される巨視的コンデンサーのような積層型コンデンサーと混同されるべきではない。
【００９８】
強誘電体薄膜１２４の組成は、特に限定はされないが、好ましい強誘電体酸化物材料のグループから選択されることが可能である。例えば、強誘電体材料は、チタン酸塩（ＢａＴｉＯ_３，ＳｒＴｉＯ_３，ＰｂＴｉＯ_３（ＰＴ），ＰｂＺｒＴｉＯ_３（ＰＺＴ）など），ニオブ酸塩（ＫＮｂＯ_３など）のようなABO_３型金属酸化物ペログスカイト構造のもの、さらには、層状超格子材料によって形成される。
【００９９】
１９９６，５月２１日に発行されたアメリカ特許番号５，５１９，２３４号には、ストロンチウム・ビスマス・タンタル酸塩のような層状超格子化合物が、従来の最良の材料に比べて強誘電体分野において優れた特性を有すること、さらに、高誘電率および低漏洩電流を有することが開示されている。
【０１００】
１９９５，７月１８日に発行されたアメリカ特許番号５，４３４，１０２号及び１９９５，１１月２１日に発行されたアメリカ特許番号５，４６８，６８４号には、実際の集積回路にこれらの材料を集積化するためのプロセスを開示している。この層状超格子材料は、一般的には、下記の化学式（１）の下に要約される。
【０１０１】
【化１】

ここで、Ａ１，Ａ２．．．Ａｊは、プロブスカイト状構造においてＡ−サイト元素を表わす。このＡ−サイト元素は、ストロンチウム、カルシウム、バリウム、ビスマス、鉛、その他の元素であっても良い。
【０１０２】
Ｓ１，Ｓ２．．．Ｓｋは、超格子生成元素を表わす。ここで、超格子生成元素は、通常は、ビスマスであるが、イットリウム、スカンジウム、ランタン、アンチモン、クロム、タリウム、それに＋３の原子価を持つ他の要素であっても良い。
【０１０３】
ここで、Ｂ１，Ｂ２．．．Ｂｌは、ペロブスカイト状構造においてＢ−サイト元素を表わす。このＢ−サイト元素は、チタン、タンタル、ハフニウム、タングステン、ニオブ、ジルコニウム、さらに他の元素であっても良い。
【０１０４】
Ｑは、アニオン（陰イオン）をあらわす。アニオンは、一般的には、酸素であるが、フッ素、塩素、オキシフルーオライド、オキシクロライドのようなこれらの元素の複合物のような他の要素であっても良い。化学式（１）の上付文字は、それぞれの元素の原子価を示し、下付文字は、化合物の１モルにおける材料のモル数を示しており、単位セルとの関係で、平均としての単位セル中の元素の原子数を示している。
【０１０５】
ここで、下付文字は、整数あるいは分数を取る。すなわち、化学式（１）は、単位セルが、材料（平均すると、Ｓｒ．_７５Ｂａ．_２５Ｂｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９など）を通して変化する場合を含んでいる。この例の場合は、Ａ−サイトの７５％は、ストロンチウム原子によって占有されており、Ａ−サイトの２５％は、バリウム原子によって占有されている。
【０１０６】
化合物において、一つのＡ−サイトのみが存在するのならば、それは、Ａ１元素とすべてゼロに等しいｗ２．．．ｗｊによって表わせる。一方、化合物中に、一つのＢ−サイト元素のみが存在するのならば、それは、Ｂ１元素とすべてゼロに等しいｙ２．．．ｙｌとによって表わされ、超格子生成元素と同様に表わせる。
【０１０７】
化学式（１）は、より一般的な形式で記載されているけれども、通常ケースは、一つのＡ−サイト元素と、一つの超格子生成元素と、一つまたは二つのＢ−サイト元素が存在する。というのは、本発明は、上記サイトのいずれかと超格子発生体とが複合要素を有する場合を含むように意図されているからである。
【０１０８】
ｚの値は、次式から求められる。
【０１０９】
（２）（ａ１ｗ１＋ａ２ｗ２．．．ａｊｗｊ）＋（ｓ１ｘ１＋ｓ２ｘ２．．．＋ｓｋｘｋ）＋（ｂ１ｙｉ＋ｂ２ｙ２．．．＋ｂｌｙｌ）＝２ｚ
化学式（１）は、１９９６，５月２１日に発行されたアメリカ特許番号５，５１９，２３４号において議論されているすべての三つのスモレンスキ型化合物を含んでいる。層状超格子材料は、公式（１）に合致する材料を全て含むわけではなく、明瞭に区別し得る交互層を有する結晶構造を自然に形成できる材料のみを含む。
【０１１０】
使用されている“化合物”という言葉は、等価な分子がすべて、同じ化学元素及び構造を有する同質の対象物に正確に関連している。“材料”という用語は、異なった組成の分子を有していても良い。例えば、層状超格子材料であるストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩は、二つの異なった種類の分子、タンタルとニオブ、が結晶構造のＢ−サイト位置を様々に占有する相互接続された結晶格子を有する。それにもかかわらず、“層状超格子材料”，“層状超格子化合物”、及び“層状超格子材料化合物”という用語が、本明細書中で事実上交互に使用されており、その意味は文脈より明らかにされる。
【０１１１】
ここでは、“化学量論的”とは、層状超格子材料のような材料の固相膜、材料を形成するための前駆体の両方に適用される。それが、固相膜に適用されるとき、最後の固相薄膜の各元素の実際の相対量を示す式に関係する。前駆体に適用されるときには、前駆体において、金属のモル比を示す。“つり合った”化学量論的式は、占められた結晶格子のすべてのサイトで、各元素が材料の完全な結晶構造を形成するようにすべてのサイトを占有するに十分な元素が存在する状態である。しかし、現実には、室温で、必ず格子欠陥は存在するであろう。
【０１１２】
例えば、ＳｒＢｉ_２ＴａＮｂＯ_９とＳｒＢｉ_２Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ_９は、つり合った化学量論的式である。対照的に、ストロンチウム、ビスマス、タンタル、ニオブのモル比が、それぞれ、１，２．１８，０．５６であるストロンチウム、ビスマス、タンタル、ニオブ酸塩の前駆体は、不均一な化学量論的式ＳｒＢｉ_２．１８Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ_９ によって表わされる。これは、完全なる結晶材料を形成するために必要とされるものを超える過剰のビスマスを含んでいるからである。
【０１１３】
本明細書では、金属元素の過剰量とは、すべての原子サイトが占有されかつ金属が全く残らない状態で、所望の材料を形成するために存在する他の金属と結合するのに必要な量より多い量を意味する。
【０１１４】
しかし、知られているように、本発明における電子デバイスを製作するに当たって、ビスマス酸化物は高揮発性で、かなりの熱が使用されるので、本発明のプロセスで作成される固相の強誘電体薄膜のビスマスのモル比は、前駆体の化学量論的式におけるそれよりも一般的には小さくなるであろう。しかし、本発明のプロセスによって作成される強誘電体薄膜におけるストロンチウム・タンタル・ニオブのモル比は、前駆体に対する化学量論的式で与えられるモル比に近いかあるいは等しいであろう。このことは、アメリカ特許５，４３４，１０２（ワタナベ）にも記載されている。
【０１１５】
優れた電子特性を有する強誘電体不揮発性メモリーが、化学量論的式ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９によりほぼ表わされる比における化学元素を有するストロンチウム・ビスマス・タンタル酸塩材料の薄膜を形成することによって製作されることは、この分野では公知である。
【０１１６】
アメリカ特許５，４３４，１０２（ワタナベ）と関連技術に基づいて、当業者にとって好ましい層状超格子材料を形成するための前駆体は、化学量論的式ＳｒＢｉ_２．１８Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ_９を現時点では有する。この式の前駆体は、均一化された化学量論的式ＳｒＢｉ_２Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ_９を有する最終の固相ストロンチウム・タンタル・ニオブ酸塩を生成すると信じてよい。すなわち、最終の薄膜は、過剰のビスマスを含まない。これは、前駆体における過剰のビスマスは、製造プロセスにおいて、ビスマス酸化ガスとして排除されるからである。
【０１１７】
前駆体溶液は、化学量論的比率ＳｒＢｉ_２．１８Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ_９ に対応した化学前駆体の内容量を含む。この化学量論的式は、本明細書において、標準的なニオブとタンタルの比率を有する標準組成として扱う。この標準化学量論的式を有する前駆体は、約９％の過剰ビスマスを含有する。すなわち、標準の化学量論的式は、結晶のすべての原子サイトが占有されて、層状超格子化合物を形成するために、ストロンチウム・タンタル・ニオブと結合するのに必要とされる量を超えるビスマスの含有量を有する。
【０１１８】
好ましくは、強誘電体層１２４は、過剰Ｂ−サイト金属あるいは過剰超格子発生金属を持つ層状超格子材料を有する。すなわち、それは、標準式に示されたものに加えて、約４０モル−パーセントを超えるまで、ビスマス及びニオブのような少なくとも一つの金属の量である。そのような強誘電体材料は、標準式を有する前駆体から形成された材料よりも水素による性能低下に対するより大きな耐性を有しているということである。
【０１１９】
図４の図表は、強誘電体メモリー１７０を作成するために、本発明において使用される製造工程のフローチャートである。
【０１２０】
強誘電体メモリー１７０は、好ましくは、シリコン、ガリウム砒素、または、他の半導体、あるいは、ガラスまたはマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）のような絶縁物である従来のウエハー上に形成される。強誘電体メモリー１７０は、水素バリア層である保護層を有するのが好ましい。
【０１２１】
ステップ２１２において、スイッチ１１４がステップ２１４でその上に形成されている半導体基板１０２（図１）が用意される。このスイッチ１１４は、典型的には、ＭＯＳＦＥＴである。ステップ２１６で、第１の層間誘電体層１１６が、スイッチング素子を、形成されるべき強誘電体素子から分離するために形成される。ステップ２１８では、下部電極層１２２が形成される。好ましくは、この電極層１２２は、プラチナで形成され、かつ約２０００Åの厚さを有する層を形成するようにスパッタリングで堆積される。
【０１２２】
好適な方法では、約２００Åのチタンまたは窒化チタンで形成された付着層１１８が、本ステップで、電極を堆積する前に、好ましくはスパッタリングによって形成される。
【０１２３】
ステップ２２０において、所望の強誘電体薄膜の化学的前駆体が準備される。好ましくは、この前駆体は、強誘電体層状超格子材料を形成するための化合物含む。
【０１２４】
ステップ２２２において、この強誘電体薄膜１２４が、下部電極層１２２に付着される。好適な方法では、強誘電体薄膜は、層状超格子化合物を含む。ＭＯＣＶＤ法が、薄膜を形成するのに最も好ましい方法である。強誘電体薄膜１２４は、アメリカ特許番号５，５４６，９４５に記載されているように、スピンコーティングあるいは噴霧堆積方法のような液体堆積技術を使って付着され得る。
【０１２５】
通常は、最終の前駆体溶液は、化学的前駆体化合物を含有する商業的に入手可能な溶液から準備される。好ましくは、商業的に市販されている溶液中の種々の前駆体の濃度は、特別な製造条件あるいは動作条件に適合するように、ステップ２２０において調整される。例えば、層状超格子薄膜に対する典型的な市販されている溶液の種々の元素の化学量論的含有量は、ＳｒＢｉ_２．１８Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ_９であるかもしれない。
【０１２６】
しかし、還元条件中に水素の劣化から強誘電体化合物を保護するための余分の酸化物を生成させるためには、この溶液中に過剰なニオブあるいはビスマスを添加するのが好ましいことが多い。
【０１２７】
付着ステップ２２２に続いて、ドライ工程と、酸素炉アニールや急速熱プロセス（ＲＴＰ）のような高温での結晶化ステップを含む処理ステップ２２４が行われるのが好ましい。処理ステップ２２４は、付着ステップ２２２の間あるいは後に、紫外線照射を伴った処理を含んでも良い。
【０１２８】
ステップ２２２とステップ２２４は、所望の厚さの膜を形成するために、必要により繰り返し行っても良い。例えば、典型的なスピン・オン処理では、前駆体の層が堆積されて乾燥される。それから、もう一つ前駆体の層が付着されて乾燥されるであろう。それから、処理された層は、ステップ２２６において、結果物たる強誘電体薄膜１２４を形成するために、酸素中でアニールされる。
【０１２９】
ステップ２２２−２２６に続いて、上部電極層１２６が、ステップ２２８で形成される。好ましくは、上部電極層１２６はプラチナで形成され、好ましくは、約２０００Åの厚さを有する層を形成するために、スパッターにより堆積される。
【０１３０】
ステップ２３０において、水素バリア層１３０が堆積される。水素バリア層１３０は、窒化チタンを含むのが好ましい。好ましくは、水素バリア層１３０は、スパッタリング処理によって、上部電極層１２６上に堆積される。
【０１３１】
領域１３１と１３２が形成される水素バリア層１３０のスパッター堆積の初期と終期の期間のスパッター雰囲気中で、少量のＯ_２−ガス（ゼロと約１０堆積パーセントとの間）を含ませるのが本発明の特徴である。
【０１３２】
水素バリア１３０中に形成されたに結果物である酸化物は、種々の製造処理工程で存在し得る水素と反応することによって、あるいは水素拡散を防止することによって、メモリーデバイス中の強誘電体化合物を保護する。
【０１３３】
ステップ２３０は、水素バリア層１３０に、酸素の濃度勾配が存在するように実行されるのが望ましい。これにより、層１３０の中央領域１３２の酸素のウェイトによる濃度はゼロで、酸素濃度は、層１３０の底部及び頂部表面での領域１３１，１３３において、約１から３ウェイト・パーセント（１−３％ｗｔ．）の範囲内の値に、次第に増加する。酸素濃度は、表面近くの領域１３１，１３２では、ウェイトで約２パーセント（２％）であるのが望ましい。
【０１３４】
イオン・ミリングとアッシングのような処理を介した公知パターンニングが、強誘電体メモリーセル１７０の製造中に適切に行われる。例えば、ステップ２１８は、そのようなパターンニング工程を含んでも良いし、別のパターンニンク゛工程が、ステップ２２６に続いて行われても良い。好ましくは、多くの層が、ステップ２３２のような単一のパターンニング工程中でパターンニングされる。
【０１３５】
バリア層形成ステップ２３０に引き続いて、積層された層１１８，１２２，１２４，１２６及び１３０が、自己整合水素バリア層１３０により覆われた強誘電体コンデンサー１２０を形成するためにパターンニングされるパターンニング処理２３２が行われるのが好ましい。好ましくは、二つのエッチング処理のみが、ステップ２３２のパターンニング処理を完成するために必要とされる。従来のイオン・ミリング処理が、ステップ２３２で利用されるのが望ましい。
【０１３６】
それから、ステップ２３４において、第２のＩＬＤ層１３６が、水素バリア層１３０を含んで、ＩＬＤ１１６とコンデンサー１２０を覆うように堆積される。
【０１３７】
ステップ２３６において、図１に記載されているように、配線穴１４２，１４４，１４６及び１４８が、スイッチ１１４（典型的には、ＭＯＳＦＥＴのソース及びドレイン領域）に、下部電極１２２に、それに水素バリア層１３０に、ＩＬＤ層１１６と１３６を介して、それぞれ形成されている。ステップ２３６は、標準的なイオン・ミリング処理を使用して実施されるのが好ましい。
【０１３８】
ステップ２３８において、図１に示すように、配線１５２，１５４，１５６及び１５８が、好ましくは、スパッタリング処理を使用して堆積される。しかし、ＣＶＤ処理も、伴う還元条件にかかわらず、使用し得る。なぜなら、水素バリア層１３０が、薄膜１２４の強誘電体酸化物を保護してくれるからである。
【０１３９】
本発明の方法の好適な変形例では、少量の酸素が、強誘電体層１２０の直接上に設けられた金属化配線層１６０中に含まれている。少量の酸素が、その底部表面近くの下部領域１６１中とその頂部表面近くの上部領域１６３中の金属化配線層１６０中に形成されるのが好ましい。
【０１４０】
金属化配線層１６０中には、酸素の濃度勾配が存在するのが好ましい。この結果、層１６０の中央領域１６２の酸素のウェイトによる濃度はゼロであり、酸素濃度は、層１６０の底部及び頂部表面の近くの領域１６１，１６３において、約１から３ウエイト・パーセント（１−３％ｗｔ．）の範囲内の値に次第に増加する。酸素濃度は、領域１６１，１６３において、ウェイトで約２パーセント（２％）であるのが好ましい。
【０１４１】
たとえば、スパッター・堆積処理において、少量のＯ_２−ガス（ゼロと約１０体積パーセントとの間）が、層１６０の上部及び下部近くに少量のアルミ酸化物を形成するために、配線層１６０の領域１６１と領域１６３の形成の間に、スパッター雰囲気中に添加される。
【０１４２】
最後に、ステップ２４０において、水素アニールが、欠陥を修復すると共にスイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）１１４における所望の半導体特性を回復するために実施される。集積回路の水素アニールは、好ましくは、１から１０パーセント（１−１０％）Ｈ_２とＨ_２−Ｎ_２（フォーミング・ガス）ガスとの混合体中での雰囲気圧力で、かつ、１０分から４０分の時間中に２００℃と４００℃の間の温度で実施される。回路は、ステップ２４２において完成し、典型的には、パッシベーション層とパッキングを含む。
【０１４３】
図３に示されているように、代替的な好ましい実施例では、ステップ２３０において、強誘電体メモリーセル１８０の電気的に導電性を有しない水素バリア層１３５が、積層コンデンサーの上部と側部とを覆うように形成される。
【０１４４】
本発明によれば、少量の酸素が、底部内部表面の近くの下部領域１３７中及び頂部外部表面の近くの上部領域１３９中とで、水素バリア層１３５中に形成される。
【０１４５】
図３において、領域１３７と１３９に描写された点線が、少量の酸素を表わす。好ましくは、水素バリア層１３５には、酸素の濃度勾配が存在する。これにより、層１３５の中央領域１３８の酸素のウェイトによる濃度はゼロで、酸素濃度は、層１３５の表面の領域１３７，１３９において、約１から３ウエイト・パーセント（１−３％ｗｔ．）の範囲内の値に、次第に増加する。領域１３７，１３９中の酸素濃度は、表面でウェイトで約２パーセント（２％）であるのが好ましい。
【０１４６】
本実施例では、配線穴１４６と１４８とが、強誘電体コンデンサー１２０と電気的に接触するために電気的に非導電性の水素バリア層を介して開口されなければならない。
【０１４７】
実験によると、強誘電体薄膜を介しての水素の横方向の拡散、すなわち、強誘電体薄膜の平面に平行な方向での拡散が、強誘電体膜の平面に垂直の方向での拡散に比べて遅いことがわかった。それゆえに、強誘電体層１２４の横側面における強誘電体材料中の余分の酸化物が、横方向に侵入する可能性のある水素に対するゲッターとして効果的に作用し、かつその材料の残部を水素から保護する。
【０１４８】
強誘電体薄膜１２４は、水素バリア層によって覆われた強誘電体の残部における水素劣化を起こさせ得る水素をゲットする過剰の酸化物を有するように形成されるのが好ましい。
【０１４９】
通常は、酸素含有水素バリア層１３０，１３５のような一以上の保護層それに強誘電体薄膜１２４中の過剰酸化物との組み合わせが、従来の水素処理による重大な劣化から強誘電体薄膜１２４を充分に保護する。しかしながら、製造プロセスにおける種々の水素化及び還元工程中の水素露呈の度合いに応じて、追加の保護対策を使用することが有益であり得る。このため、本発明の方法は、水素によるダメージからメモリーデバイスを保護するために、種々の他の工程を使用することが考えられる。これらの工程は、水素バリア層１３０，１３５及び酸素含有金属化配線１６０のような酸素含有保護層に関連して使用され得る。
【０１５０】
他の処理手順及び工程も使用されるかもしれない。例えば、ＭＯＳＦＥＴコンタクト配線に対する穴は、水素処理の前に開口し得る。一方、強誘電体素子の電極への絶縁層を通しての穴は、水素熱処理工程の後に作成し得る。
【０１５１】
水素への露呈を小さく維持するためには、低温、短時間水素熱処理が、できれば、適用されるべきである。また、優れた強誘電体特性は、過剰ビスマス及び／又は過剰ニオブのような過剰金属を有する前駆体を使用することによって得られる。
【０１５２】
さらに、強誘電体層の製造の後に存在するＩＬＤ層のような、強誘電体層に続いて存在する集積回路層中の余分の酸素の使用は、酸素が後の水素処理の間の水素に対するゲッターとして作用するが、それのみで、あるいは上述の対策の一以上との組み合わせにおいて効果的に使用され得る。
【０１５３】
このように、本発明は、集積回路の他の部分を生成しかつ完全にするのに必要な水素へのほとんどの露呈との組み合わせにおいて、強誘電体素子の劣化の防止が可能なプロセス及び／又は構造に適用され得る。
【０１５４】
本明細書には、水素に露呈することを許容し、さらに、優れた電気的特性につながる強誘電体集積回路を製造するための方法及び構造が示されている。
【０１５５】
図示されかつ本明細書に記載された実施例は単なる例示であり、上記の「特許請求の範囲」に記載された本発明を、上記実施例に限定するように解釈してはならない。
【０１５６】
さらに、当業者ならば、本発明の思想から逸脱しない範囲で、記載された実施例から数多くの使用例および修正例を作成できることは明らかである。
【０１５７】
また、記載された工程が、多くの場合、異なった順序で実施されるかもしれないし、あるいは、等価的な構造あるいはプロセスが、記載された種々の構造およびプロセスに取って代わるかもしれないことも明らかである。
【０１５８】
この結果、本発明は、それぞれの新規な特徴、あるいは製造プロセス、電子的デバイス、電子デバイス製造方法中に存在する新規な組み合わせ含むように解釈されるべきである。
【０１５９】
【発明の効果】
本発明によれば、強誘電体酸化物材料、特に、強誘電体層状超格子材料を水素劣化から保護するために使用される種々の対策の利点を強化した強誘電体メモリーデバイスを有する集積回路及びそのような集積回路の製造方法を提供することができる。さらに、集積回路及びその製造方法の複雑化を最小限にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】積層された不揮発性コンデンサーが、その頂部と底部表面近くで少量の酸素を含有する電気的に導電性を有するバリア層により覆われた本発明による集積回路の断面図である。
【図２】図１に示された実施例に類似し、金属化配線層がその頂部と底部表面近くで少量の酸素を含有する本発明の変形例の断面図である。
【図３】強誘電体コンデンサーの上部と側部とが、その上部と下部の近くで少量の酸素を含有する電気的に非導電性の水素バリア層により覆われた本発明の変形例による集積回路の断面図である。
【図４】本発明による不揮発体強誘電体メモリーデバイスを製造するための方法の好適な実施例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０２ シリコン基板
１０４ フィールド酸化領域
１０６ ソース領域
１０８ ドレイン領域
１１０ ゲート絶縁層
１１４ ＭＯＳＦＥＴ
１１６ 第１の層間誘電体層
１１８ 付着層
１２０ 強誘電体コンデンサー
１２２ 下部電極
１２４ 強誘電体薄膜
１２６ 上部電極
１３０ 水素バリア層

Claims (40)

1. 強誘電体集積回路において、
   強誘電体酸化物材料の薄膜を含む集積回路部分と、
   前記強誘電体酸化物材料の水素劣化に対する保護層とを有し、
   前記保護層は、前記保護層の底部表面から前記保護層全体の厚さの１０〜２０％の領域の下部領域、前記保護層の上部表面から前記保護層全体の厚さの１０〜２０％の領域の上部領域及び前記下部領域と前記上部領域の間にある中央領域とを有し、前記上部領域、前記中央領域及び前記下部領域によって形成される酸素濃度勾配を形成し、これにより前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前記下部領域及び前記上部領域の酸素濃度が３ウェイト・パーセントを越えない酸素を含有することを特徴とする強誘電体集積回路。
2. 請求項１において、前記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強誘電体集積回路。
3. 請求項１において、前記保護層は、水素バリア層であることを特徴とする強誘電体集積回路。
4. 請求項３において、前記水素バリア層は、前記強誘電体酸化物材料の薄膜の上部の領域の少なくとも一部分を含むように設けられていることを特徴とする強誘電体集積回路。
5. 請求項３において、前記水素バリア層は、電気的に導電性を有することを特徴とする強誘電体集積回路。
6. 請求項３において、前記強誘電体酸化物材料の薄膜と前記水素バリア層とは、同一のパターンに形成されていることを特徴とする強誘電体集積回路。
7. 請求項３において、前記水素バリア層は、少なくとも窒化チタンを含有することを特徴とする強誘電体集積回路。
8. 請求項３において、前記水素バリア層は、少なくとも窒化シリコンを含有することを特徴とする強誘電体集積回路。
9. 請求項１において、前記強誘電体酸化物材料は、少なくとも強誘電体層状超格子化合物を含有することを特徴とする強誘電体集積回路。
10. 請求項９において、前記強誘電体層状超格子化合物は、少なくともストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩を含有することを特徴とする強誘電体集積回路。
11. 請求項９において、前記強誘電体層状超格子化合物は、少なくともストロンチウム・ビスマス・タンタル酸塩を含有することを特徴とする強誘電体集積回路。
12. 請求項１において、前記保護層の一部が金属化配線層であることを特徴とする強誘電体集積回路。
13. 請求項１２において、前記金属化配線層は、アルミニウムを含有することを特徴とする強誘電体集積回路。
14. 請求項１において、前記強誘電体酸化物材料の薄膜は横側面を有し、前記保護層は非導電性であり前記横側面を覆うことを特徴とする強誘電体集積回路。
15. 請求項１４において、前記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強誘電体集積回路。
16. 請求項１４において、前記保護層は、水素バリア層であることを特徴とする強誘電体集積回路。
17. 請求項１４において、前記強誘電体酸化物材料は、少なくとも強誘電体層状超格子化合物を含有することを特徴とする強誘電体集積回路。
18. 強誘電体集積回路において、
    基板と、
    前記基板上に設けられた下部電極と、
    前記下部電極上に設けられた強誘電体酸化物材料の薄膜と、
    前記強誘電体酸化物材料上に設けられた上部電極と、
    前記強誘電体酸化物材料の水素劣化に対する保護層とを有し、
    前記保護層は、前記保護層の底部表面から前記保護層全体の厚さの１０〜２０％の領域の下部領域、前記保護層の上部表面から前記保護層全体の厚さの１０〜２０％の領域の上部領域及び前記下部領域と前記上部領域の間にある中央領域とを有し、前記上部領域、前記中央領域及び前記下部領域によって形成される酸素濃度勾配を形成し、これにより前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前記下部領域及び前記上部領域の酸素濃度が３ウェイト・パーセントを越えない酸素を含むことを特徴とする強誘電体集積回路。
19. 請求項１８において、前記下部電極は横側面を有し、前記強誘電体酸化物材料の薄膜は横側面を有し、前記上部電極は横側面を有し、前記保護層は非導電性であり前記横側面を覆うことを特徴とする強誘電体集積回路。
20. 請求項１９において、前記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強誘電体集積回路。
21. 強誘電体集積回路の製造方法において、
    強誘電体酸化物材料の薄膜を含む集積回路部分を形成し、
    前記強誘電体酸化物材料の水素劣化に対する保護層を形成し、
    前記保護層中に、前記保護層の底部表面から前記保護層全体の厚さの１０〜２０％の領域の下部領域、前記保護層の上部表面から前記保護層全体の厚さの１０〜２０％の領域の上部領域及び前記下部領域と前記上部領域の間にある中央領域とを有し、前記上部領域、前記中央領域及び前記下部領域によって形成される酸素濃度勾配を形成し、これにより前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前記下部領域及び前記上部領域の酸素濃度が３ウェイト・パーセントを越えない酸素を含ませることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
22. 請求項２１において、前記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
23. 請求項２１において、前記保護層は、水素バリア層であることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
24. 請求項２３において、前記水素バリア層は、前記強誘電体酸化物材料の薄膜の上部の領域の少なくとも一部分を含むように設けられていることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
25. 請求項２３において、前記水素バリア層は、電気的に導電性を有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
26. 請求項２３において、さらに、前記強誘電体酸化物材料の薄膜と水素バリア層とを一緒にパターンニングする工程を有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
27. 請求項２３において、前記水素バリア層は、少なくとも窒化チタンを含有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
28. 請求項２３において、前記水素バリア層は、少なくとも窒化シリコンを含有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
29. 請求項２１において、前記強誘電体酸化物材料の薄膜は、少なくとも強誘電体層状超格子化合物を含有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
30. 請求項２９において、前記強誘電体層状超格子化合物は、少なくともストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩を含有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
31. 請求項２９において、前記強誘電体層状超格子化合物は、少なくともストロンチウム・ビスマス・タンタル酸塩を含有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
32. 請求項２１において、前記保護層の一部が金属化配線層であることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
33. 請求項３２において、前記金属化配線層は、アルミニウムを含有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
34. 請求項２１において、前記強誘電体酸化物材料の薄膜は横側面を有し、前記保護層は非導電性であり前記横側面上に形成されていることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
35. 請求項３４において、前記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
36. 請求項３４において、前記保護層は、水素バリア層であることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
37. 請求項３４において、前記強誘電体酸化物材料は、少なくとも強誘電体層状超格子化合物を含有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
38. 強誘電体集積回路の製造方法において、
    基板を形成し、
    前記基板上に下部電極を形成し、
    前記下部電極上に強誘電体酸化物材料の薄膜を形成し、
    前記強誘電体酸化物材料上に上部電極を形成し、
    前記強誘電体酸化物材料の水素劣化に対する保護層を形成し、
    前記保護層中に前記保護層の底部表面から前記保護層全体の厚さの１０〜２０％の領域の下部領域、前記保護層の上部表面から前記保護層全体の厚さの１０〜２０％の領域の上部領域及び前記下部領域と前記上部領域の間にある中央領域とを有し、前記上部領域、前記中央領域及び前記下部領域によって形成される酸素濃度勾配を形成し、これにより前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前記下部領域及び前記上部領域の酸素濃度が３ウェイト・パーセントを越えない酸素を含ませることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
39. 請求項３８において、前記下部電極は横側面を有し、前記強誘電体酸化物材料の薄膜は横側面を有し、前記上部電極は横側面を有し、前記保護層は非導電性であり前記横側面を覆うことを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
40. 請求項３９において、前記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。

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