JP4002882B2 - Capacitor element, semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、金属酸化物を容量絶縁膜に持つ容量素子、並びに該容量素子を持つ半導体記憶装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a capacitor element having a metal oxide as a capacitor insulating film, a semiconductor memory device having the capacitor element, and a method of manufacturing the same.
近年、電子機器におけるデジタル技術の進展に伴い、大容量のデータを処理し且つ保存する傾向が促進されるなか、電子機器に対して要求される機能が一段と高度化し、電子機器に使用される半導体装置及び該半導体装置を構成する半導体素子の寸法の微細化が急速に進んでいる。 In recent years, with the advancement of digital technology in electronic devices, the tendency to process and store large volumes of data has been promoted, and the functions required for electronic devices have become more sophisticated, and semiconductors used in electronic devices. The miniaturization of the dimensions of the device and the semiconductor elements constituting the semiconductor device is rapidly progressing.
これに伴い、例えばダイナミックRAM装置の高集積化を実現するために、従来の珪素酸化物又は珪素窒化物の代わりに高誘電体を容量絶縁膜として用いる技術が広く研究され、また開発されている。 Along with this, for example, in order to realize high integration of dynamic RAM devices, a technique of using a high dielectric as a capacitive insulating film instead of conventional silicon oxide or silicon nitride has been widely studied and developed. .
さらに、従来にはない低動作電圧で且つ高速な書き込み及び読み出し動作が可能な不揮発性RAM装置の実用化を目指して、自発分極特性を持つ強誘電体膜に関する研究及び開発が盛んに行なわれている。これら高誘電体又は強誘電体を容量絶縁膜に用いた半導体記憶装置において、記憶容量がメガビット級の高集積メモリ素子には、従来のプレーナ型メモリセルに代わり、スタック型のメモリセルが用いられるようになってきている。 Furthermore, research and development on ferroelectric films having spontaneous polarization characteristics have been actively conducted with the aim of putting into practical use a nonvolatile RAM device capable of high-speed write and read operations at an unprecedented low operating voltage. Yes. In a semiconductor memory device using such a high dielectric material or a ferroelectric material as a capacitor insulating film, a stack type memory cell is used instead of a conventional planar type memory cell for a highly integrated memory element having a memory capacity of a megabit class. It has become like this.
以下、従来の半導体記憶装置について図面を参照しながら説明する。 A conventional semiconductor memory device will be described below with reference to the drawings.
図15は特開平11―8355号公報に開示された従来の半導体記憶装置の要部の断面構成を示している。 FIG. 15 shows a cross-sectional structure of a main part of a conventional semiconductor memory device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-8355.
図15に示すように、従来の半導体記憶装置は、半導体基板101に形成されたソースドレイン領域102と、半導体基板101のチャネル領域上にゲート絶縁膜103を介して形成されたゲート電極104とからなるトランジスタ105を有している。半導体基板101上には、トランジスタ105を含めその全面を覆う層間絶縁膜106が形成され、該層間絶縁膜106には、ソースドレイン領域102のいずれか一方と電気的に接続されるコンタクトプラグ107が形成されている。
As shown in FIG. 15, the conventional semiconductor memory device includes a source /
層間絶縁膜106上には、窒化シリコン(Si3N4)からなる絶縁性水素バリア層108が形成されており、コンタクトプラグ107の上端部には窒化チタン(TiN)からなる導電性水素バリア層109が形成されている。
An insulating
絶縁性水素バリア層108上には、導電性水素バリア層109と接続されるように、二酸化イリジウム(IrO2 )又は二酸化ルテニウム(RuO2)を含む下部電極110が形成されている。
A
絶縁性水素バリア層108上の下部電極110同士の間には、酸化シリコン(SiO2 )、窒化シリコン(Si3N4)又は酸化窒化シリコン(SiON)等からなる埋込み絶縁膜111が形成されている。
A buried
下部電極110を含む埋込み絶縁膜111上には、チタン酸ジルコン鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、又はタンタル酸ストロンチウムビスマス(SrBi2Ta2O9)等の強誘電体からなる容量絶縁膜112が形成され、該容量絶縁膜112の上には、二酸化イリジウム又は二酸化ルテニウムを含む上部電極113が形成される。また、上部電極113上には、窒化シリコン等からなる絶縁性水素バリア層114が形成されている。
On the buried
しかしながら、前記従来の半導体記憶装置には、以下に挙げるように2つの問題がある。 However, the conventional semiconductor memory device has the following two problems.
第1に、下部電極110を構成し、酸素に対するバリアとなる二酸化イリジウム又は二酸化ルテニウムからなる導電性酸化膜が、製造時に発生する水素により還元されてその酸素に対するバリア性が劣化するという問題を有している。
First, there is a problem that the conductive oxide film made of iridium dioxide or ruthenium dioxide constituting the
第2に、容量絶縁膜112を構成する高誘電体又は強誘電体が、製造時に発生する水素により還元されてしまい、容量素子としての電気的特性が劣化するという問題を有している。
Secondly, there is a problem in that the high dielectric or ferroelectric constituting the
まず、酸素バリア性を有する下部電極が製造中に還元される第1の問題について図16(a)及び図16(b)を参照しながら説明する。 First, the first problem in which the lower electrode having oxygen barrier properties is reduced during manufacturing will be described with reference to FIGS. 16 (a) and 16 (b).
図16(a)に示すように、二酸化イリジウム又は二酸化ルテニウムを含む下部電極110をパターニングした後、埋込み絶縁膜111Aを成膜する際に、原料ガスであるモノシラン(SiH4)又はアンモニア(NH3)から発生する水素イオンによって、二酸化イリジウム又は二酸化ルテニウムが容易に還元されてしまう。この還元反応は、埋込み絶縁膜111Aの成膜手段にプラズマCVD法を用いた場合に特に顕在化する。
As shown in FIG. 16A, after patterning the
その結果、下部電極111における酸素原子に対する拡散バリア性が劣化し、図16(b)に示すように、下部電極110の上に形成された高誘電体又は強誘電体からなる容量絶縁膜112の結晶化に必須の650℃〜800℃程度の酸素アニール時に、該容量絶縁膜112から拡散される酸素イオンが下部電極110の内部をコンタクトプラグ107との界面にまで拡散することにより、コンタクト抵抗が増大する等の接触不良が発生する。
As a result, the diffusion barrier property against oxygen atoms in the
次に、高誘電体又は強誘電体からなる容量絶縁膜が製造中に還元される第2の問題について図17を参照しながら説明する。 Next, a second problem in which a capacitive insulating film made of a high dielectric material or a ferroelectric material is reduced during manufacturing will be described with reference to FIG.
実際の半導体記憶装置は、図15又は図17に示すように、複数の容量素子とトランジスタとが共に2次元的に、いわゆるアレイ状に配置されている。このアレイ状に配置された容量素子の容量絶縁膜112は、前述したように、高誘電体又は強誘電体により構成する場合には金属酸化物を用いることが多い。従って、アレイ状に配置された容量素子のうち、その周縁部100に位置する容量素子の水素イオンによる還元を防止することは、容量素子の下部に設けた絶縁性水素バリア層108と上部に設けた絶縁性水素バリア層114とのみでは不可能である。なぜなら、図17に示すように、半導体基板101の上方向及び下方向からの水素イオンの拡散は防止できるものの、アレイ状に配置された複数の容量素子のうち周縁部100に位置する容量素子に対する基板面に平行な方向(横方向)からの水素イオンの拡散は防ぐことができないからである。
In an actual semiconductor memory device, as shown in FIG. 15 or FIG. 17, a plurality of capacitive elements and transistors are two-dimensionally arranged in a so-called array. As described above, when the
ところで、特開2001−237393号公報には、半導体記憶装置における1つの容量素子を水素バリア層で完全に覆う構成が開示されているが、複数の容量量子が2次元のアレイ上に配置されてなる半導体記憶装置は、複数の容量素子のすべてを水素バリア層により完全に覆うことができなければ、容量素子の特性の劣化を防止することはできない。 By the way, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-237393 discloses a configuration in which one capacitive element in a semiconductor memory device is completely covered with a hydrogen barrier layer, but a plurality of capacitive quanta are arranged on a two-dimensional array. In the semiconductor memory device, the deterioration of the characteristics of the capacitor cannot be prevented unless all of the plurality of capacitors can be completely covered with the hydrogen barrier layer.
また、特開平11ー126881号公報には、複数の容量素子が水素バリア層により完全に覆われる構成の半導体記憶装置を開示している。しかしながら、該公報は、その第1図に示される上部電極110に対して電圧を印加する手段を示していない。ここで、もし、上部電極110に電圧を印加するためのコンタクトホールを設けるとすると、上部電極110を覆う水素バリア層111をエッチングしなければならない。このとき、水素バリア層111を開口するエッチングを行なうと、特開2001−44376号には、開口後に行なうレジストのアッシング処理時に発生する水素や、その後の配線工程、すなわちコンタクトホールへのプラグの充填、配線の成膜及びパターニング、配線の水素ガスによるシンタ処理、並びに配線間の絶縁膜の形成等の一連のプロセスにより発生する水素によって、容量素子が劣化してしまうことが記されている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-126881 discloses a semiconductor memory device in which a plurality of capacitive elements are completely covered with a hydrogen barrier layer. However, this publication does not show means for applying a voltage to the
このように、従来例に係る半導体記憶装置においては、アレイ状に配置された複数の容量素子を含むメモリセルアレイを水素バリア層により完全に覆うことは困難である。 As described above, in the semiconductor memory device according to the conventional example, it is difficult to completely cover the memory cell array including the plurality of capacitor elements arranged in an array with the hydrogen barrier layer.
本発明は、前記従来の問題を解決し、容量素子における下部電極の酸素バリア性を維持できるようにすることを第1の目的とし、容量素子の金属酸化物からなる容量絶縁膜が還元されることを防止できるようにすることを第2の目的とし、さらには、メモリセルアレイを1つ以上のブロック単位で覆う場合にも、容量素子の特性の劣化を確実に防止できるようにすることを第3の目的とする。 The first object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and maintain the oxygen barrier property of the lower electrode in the capacitive element, and the capacitive insulating film made of a metal oxide of the capacitive element is reduced. The second object is to prevent this, and furthermore, it is possible to reliably prevent the deterioration of the characteristics of the capacitive element even when the memory cell array is covered by one or more blocks. The purpose of 3.
前記第1の目的を達成するため、本発明は、容量素子における下部電極の側面を酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層で覆う構成とし、また、前記第2の目的を達成するため、容量素子における容量絶縁膜の側面を水素の拡散を防ぐ第2の絶縁性バリア層で覆う構成とし、また、第3の目的を達成するため、水素の拡散を防ぐ絶縁性バリア層によって、容量素子をメモリセルアレイに含まれる1つ以上のブロック単位で覆う構成とする。 In order to achieve the first object, the present invention has a configuration in which the side surface of the lower electrode in the capacitive element is covered with a first insulating barrier layer that prevents diffusion of oxygen and hydrogen, and the second object is achieved. Therefore, the side surface of the capacitive insulating film in the capacitive element is covered with a second insulating barrier layer that prevents hydrogen diffusion, and in order to achieve the third object, an insulating barrier layer that prevents hydrogen diffusion is used. The capacitor element is configured to cover one or more blocks included in the memory cell array.
具体的に、本発明に係る容量素子は、前記第1の目的を達成し、下部電極と、下部電極上にその周縁部から張り出すように形成された金属酸化物からなる容量絶縁膜と、容量絶縁膜上に形成された上部電極と、容量絶縁膜下の下部電極の周囲を埋める埋込み絶縁膜とを備え、下部電極は、導電性酸化物からなり酸素の拡散を防ぐ導電性バリア層を含み、下部電極の側面のうち少なくとも導電性バリア層の側面と接するように、水素の拡散を防ぐ絶縁性バリア層が形成されている。 Specifically, engaging Ru capacity element in the present invention, the first object to achieve the, the lower electrode made of a metal oxide formed so as to protrude from the periphery on the lower electrode capacitor insulating film And an upper electrode formed on the capacitor insulating film and a buried insulating film filling the periphery of the lower electrode below the capacitor insulating film . The lower electrode is made of a conductive oxide and is a conductive barrier that prevents diffusion of oxygen. An insulating barrier layer that prevents diffusion of hydrogen is formed so as to include at least one side surface of the conductive barrier layer among the side surfaces of the lower electrode.
本発明の容量素子によると、下部電極の側面のうち少なくとも導電性バリア層の側面と接するように、水素の拡散を防ぐ絶縁性バリア層が形成されているため、下部電極の周囲を埋める埋込み絶縁膜の成膜時に発生する水素の下部電極への拡散が下部電極の側面に形成された絶縁性バリア層によって抑止される。その結果、下部電極を構成する酸素の拡散を防ぐ導電性バリア層が例えば金属酸化物からなる場合には、導電性バリア層の水素による還元を防止できるため、該導電性バリア層は酸素に対するバリア性を維持することができる。 According to the capacitive element of the present invention, the insulating barrier layer that prevents diffusion of hydrogen is formed so as to be in contact with at least the side surface of the conductive barrier layer among the side surfaces of the lower electrode. Diffusion of hydrogen into the lower electrode, which occurs during film formation, is suppressed by the insulating barrier layer formed on the side surface of the lower electrode. As a result, when the conductive barrier layer that prevents diffusion of oxygen that constitutes the lower electrode is made of, for example, a metal oxide, the conductive barrier layer can be prevented from being reduced by hydrogen. Sex can be maintained.
本発明の容量素子において、導電性バリア層は、金属酸化物からなる層を含むことが好ましい。In the capacitive element of the present invention, the conductive barrier layer preferably includes a layer made of a metal oxide.
本発明の容量素子において、埋込み絶縁膜が水素を含む雰囲気下で形成されていることが好ましい。 In the capacitive element of the present invention , the embedded insulating film is preferably formed in an atmosphere containing hydrogen.
本発明の容量素子において、埋込み絶縁膜が酸化シリコン(SiO2)又は窒化シリコン(Si3N4)からなることが好ましい。 In the capacitive element of the present invention , the embedded insulating film is preferably made of silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
本発明の容量素子において、絶縁性バリア層が酸素の拡散をも防ぐことが好ましい。 In the capacitive element of the present invention , it is preferable that the insulating barrier layer also prevents oxygen diffusion.
本発明の容量素子において、導電性バリア層が、酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の導電性バリア層と酸素の拡散を防ぐ第2の導電性バリア層とからなる積層膜を含むことが好ましい。 In the capacitor according to the aspect of the invention , it is preferable that the conductive barrier layer includes a stacked film including a first conductive barrier layer that prevents diffusion of oxygen and hydrogen and a second conductive barrier layer that prevents diffusion of oxygen. .
この場合に、第1の導電性バリア層が、窒化チタンアルミニウム(TiAlN)、チタンアルミニウム(TiAl)、窒化珪化チタン(TiSiN)、窒化タンタル(TaN)、窒化珪化タンタル(TaSiN)、窒化タンタルアルミニウム(TaAlN)、及びタンタルアルミニウム(TaAl)のうちのいずれか1つにより、又はこれらのうちの少なくとも2つを含む積層膜により構成されていることが好ましい。 In this case, the first conductive barrier layer includes titanium aluminum nitride (TiAlN), titanium aluminum (TiAl), titanium nitride silicide (TiSiN), tantalum nitride (TaN), tantalum nitride silicide (TaSiN), and tantalum aluminum nitride ( It is preferable that the film is made of any one of TaAlN) and tantalum aluminum (TaAl) or a laminated film including at least two of them.
また、この場合に、第2の導電性バリア層が、二酸化イリジウム(IrO2)、下層から順次形成されたイリジウム(Ir)と二酸化イリジウム(IrO2)とからなる積層膜、二酸化ルテニウム(RuO2)、及び下層から順次形成されたルテニウム(Ru)と二酸化ルテニウム(RuO2)とからなる積層膜のうちのいずれか1つにより、又はこれらのうちの少なくとも2つを含む積層膜により構成されていることが好ましい。 In this case, the second conductive barrier layer is formed of iridium dioxide (IrO 2 ), iridium (Ir) and iridium dioxide (IrO 2 ) sequentially formed from the lower layer, and ruthenium dioxide (RuO 2). ), And a laminated film including ruthenium (Ru) and ruthenium dioxide (RuO 2 ) sequentially formed from the lower layer, or a laminated film including at least two of them. Preferably it is.
本発明の容量素子は、上部電極の上面並びに該上部電極、容量絶縁膜及び埋込み絶縁膜の側面に形成され、水素の拡散を防ぐ第2の絶縁性バリア層をさらに備えていることが好ましい。The capacitive element of the present invention preferably further includes a second insulating barrier layer that is formed on the upper surface of the upper electrode and the side surfaces of the upper electrode, the capacitive insulating film, and the buried insulating film, and prevents hydrogen diffusion.
本発明に係る半導体記憶装置は、前記第1の目的を達成し、半導体基板の上に形成され、ソース領域及びドレイン領域を有するトランジスタと、半導体基板の上にトランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜にトランジスタのソース領域又はドレイン領域と電気的に接続されるように形成されたコンタクトプラグと、下部電極がコンタクトプラグ上に形成された本発明に係る容量素子とを備えている。 Semiconductors storage equipment Ru engaged to the present invention is to achieve the first object, it is formed on a semiconductor substrate, formed so as to cover the transistor having a source region and a drain region, a transistor on a semiconductor substrate an interlayer insulating film, a contact plug formed to be connected interlayer insulating film on the source region or the drain region and electrically transistors, Ru engagement with the invention the lower electrode is formed on the contact plug Description And a quantity element.
本発明の半導体記憶装置によると、本発明に係る容量素子を備えているため、埋込み絶縁膜の成膜時に発生する水素の下部電極への拡散が下部電極の側面に形成された絶縁性バリア層によって抑止される。その結果、下部電極を構成する酸素の拡散を防ぐ導電性バリア層が例えば金属酸化物からなる場合には、導電性バリア層の水素による還元を防止できるため、容量素子の特性の劣化を防止することができる。 According to the semiconductor memory device of the present invention includes the engagement Ru capacity element to the present invention, the insulating diffusion of the lower electrode is formed on the side surface of the lower electrode of the hydrogen generated during the formation of the insulator film Suppressed by the barrier layer. As a result, when the conductive barrier layer that prevents diffusion of oxygen constituting the lower electrode is made of, for example, a metal oxide, reduction of the conductive barrier layer by hydrogen can be prevented, thereby preventing deterioration of the characteristics of the capacitor element. be able to.
本発明に係る半導体記憶装置の製造方法は、前記第1の目的を達成し、半導体基板上にゲート電極を形成した後、半導体基板におけるゲート電極の側方にそれぞれソース領域及びドレイン領域を形成することによりトランジスタを形成する第1の工程と、トランジスタを含む半導体基板の上に層間絶縁膜を形成する第2の工程と、層間絶縁膜に、ソース領域又はドレイン領域と電気的に接続されるコンタクトプラグを形成する第3の工程と、層間絶縁膜の上に、導電性酸化物からなり酸素の拡散を防ぐ導電性バリア層を含む第1の導電膜を形成する第4の工程と、第1の導電膜をコンタクトプラグと電気的に接続されるようにパターニングすることにより、層間絶縁膜の上に第1の導電膜から下部電極を形成する第5の工程と、層間絶縁膜の上に下部電極の上面及び側面を覆うように水素の拡散を防ぐ絶縁性バリア層を形成する第6の工程と、絶縁性バリア層の上に第1の絶縁膜を形成した後、該第1の絶縁膜及び絶縁性バリア層に対して下部電極を露出するように平坦化する第7の工程と、露出した下部電極の上を含む平坦化した第1の絶縁膜及び絶縁性バリア層の上に、金属酸化物からなる第2の絶縁膜と、該第2の絶縁膜の上に第2の導電膜とを形成する第8の工程と、下部電極を含むように、第2の導電膜、第2の絶縁膜及び第1の絶縁膜をパターニングすることにより、下部電極の上に第2の導電膜から上部電極を形成し、第2の絶縁膜から容量絶縁膜を形成し、第1の絶縁膜から下部電極の周囲を埋める埋込み絶縁膜を形成する第9の工程とを備えている。 Manufacturing method of engaging Ru semiconductors memory device of the present invention is to achieve the first object, after forming a gate electrode on a semiconductor substrate, each source region and a drain region on the side of the gate electrode in the semiconductor substrate A first step of forming a transistor by forming, a second step of forming an interlayer insulating film over a semiconductor substrate including the transistor, and the source or drain region electrically connected to the interlayer insulating film. A third step of forming a contact plug, and a fourth step of forming a first conductive film including a conductive barrier layer made of a conductive oxide and preventing diffusion of oxygen on the interlayer insulating film, A fifth step of forming a lower electrode from the first conductive film on the interlayer insulating film by patterning the first conductive film so as to be electrically connected to the contact plug; A sixth step of forming an insulating barrier layer for preventing diffusion of hydrogen so as to cover the upper surface and side surfaces of the lower electrode, and after forming the first insulating film on the insulating barrier layer, A seventh step of planarizing the insulating film and the insulating barrier layer so as to expose the lower electrode; and on the planarized first insulating film and insulating barrier layer including the exposed lower electrode. , An eighth step of forming a second insulating film made of a metal oxide, a second conductive film on the second insulating film, a second conductive film so as to include a lower electrode, By patterning the second insulating film and the first insulating film, the upper electrode is formed from the second conductive film on the lower electrode, the capacitive insulating film is formed from the second insulating film, and the first insulating film is formed. And a ninth step of forming a buried insulating film filling the periphery of the lower electrode from the insulating film.
本発明の半導体記憶装置の製造方法によると、第1の導電膜をコンタクトプラグと電気的に接続されるようにパターニングして、層間絶縁膜の上に第1の導電膜から下部電極を形成し、その後、層間絶縁膜の上に下部電極の側面を覆うように水素の拡散を防ぐ絶縁性バリア層を形成する。従って、下部電極を埋める埋込み絶縁膜を形成するよりも前に、下部電極の上面及び側面上に絶縁性バリア層を形成するため、下部電極を構成する酸素の拡散を防ぐ導電性バリア層が金属酸化物からなる場合には、導電性バリア層の水素による還元を防止できるため、該導電性バリア層は酸素に対するバリア性を維持することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention , the first conductive film is patterned so as to be electrically connected to the contact plug, and the lower electrode is formed from the first conductive film on the interlayer insulating film. Thereafter, an insulating barrier layer for preventing hydrogen diffusion is formed on the interlayer insulating film so as to cover the side surface of the lower electrode. Therefore, before forming the buried insulating film for filling the lower electrode, the insulating barrier layer is formed on the upper surface and the side surface of the lower electrode, so that the conductive barrier layer that prevents the diffusion of oxygen constituting the lower electrode is a metal. In the case of an oxide, the conductive barrier layer can be prevented from being reduced by hydrogen, so that the conductive barrier layer can maintain a barrier property against oxygen.
本発明の半導体記憶装置の製造方法において、埋込み絶縁膜は水素を含む雰囲気で形成することが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention , the buried insulating film is preferably formed in an atmosphere containing hydrogen.
本発明の半導体記憶装置の製造方法において、埋込み絶縁膜は、酸化シリコン(SiOIn the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, the buried insulating film is made of silicon oxide (SiO 2). 22 )又は窒化シリコン(Si) Or silicon nitride (Si 33 NN 44 )からなることが好ましい。).
本発明の半導体記憶装置の製造方法において、第4の工程が、酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の導電性バリア層を形成する工程と、酸素の拡散を防ぐ第2の導電性バリア層を形成する工程とを含むことが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention , the fourth step includes a step of forming a first conductive barrier layer that prevents diffusion of oxygen and hydrogen, and a second conductive barrier layer that prevents diffusion of oxygen. Preferably including the step of forming.
本発明の半導体記憶装置の製造方法は、第9の工程よりも後に、上部電極の上面並びに該上部電極、容量絶縁膜及び埋込み絶縁膜の側面に、水素の拡散を防ぐ第2の絶縁性バリア層を形成する第10の工程をさらに備えていることが好ましい。In the method of manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, after the ninth step, the second insulating barrier for preventing hydrogen diffusion on the upper surface of the upper electrode and the side surfaces of the upper electrode, the capacitor insulating film, and the buried insulating film is provided. It is preferable to further include a tenth step of forming the layer.
本発明に係る容量素子によると、下部電極を構成する酸素の拡散を防ぐ導電性バリア層が金属酸化物からなる場合であっても、導電性バリア層の水素による還元を防止できるため、該導電性バリア層は酸素に対するバリア性を維持することができる。 According to the capacitive element of the present invention, even when the conductive barrier layer that prevents diffusion of oxygen constituting the lower electrode is made of a metal oxide, reduction of the conductive barrier layer by hydrogen can be prevented. The conductive barrier layer can maintain a barrier property against oxygen.
本発明に係る半導体記憶装置によると、本発明に係る容量素子を有しているため、容量素子の製造中の水素による特性の劣化を防止することができる。 According to the semiconductor memory device of the present invention, since the capacitor element according to the present invention is included, deterioration of characteristics due to hydrogen during the manufacture of the capacitor element can be prevented.
本発明に係る半導体記憶装置の製造方法によると、本発明に係る容量素子を形成するため、容量素子の製造中の水素による特性の劣化を防止することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, since the capacitive element according to the present invention is formed, it is possible to prevent deterioration of characteristics due to hydrogen during the manufacturing of the capacitive element.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a)は本発明の第1の実施形態に係る容量素子を含む半導体記憶装置の要部の断面構成を示している。 FIG. 1A shows a cross-sectional configuration of a main part of a semiconductor memory device including a capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
図1(a)に示すように、第1の実施形態に係る半導体記憶装置は、例えばシリコン(Si)からなる半導体基板11に形成されたMOSFETからなる複数のセルトランジスタ20と、各セルトランジスタ20を覆う層間絶縁膜13の上にセルトランジスタ20ごとに形成された容量素子30とを有している。各セルトランジスタ20は半導体基板11の上部に形成されたシャロウトレンチ分離(STI)12により区画されて互いに絶縁されている。
As shown in FIG. 1A, the semiconductor memory device according to the first embodiment includes a plurality of
各セルトランジスタ20は、半導体基板11に形成されたソースドレイン領域21と、半導体基板11のチャネル領域上にゲート絶縁膜22を介して形成されたゲート電極23とから構成されている。
Each
各容量素子30は、基板側から順次積層された、下部電極31、容量絶縁膜32及び上部電極33とにより構成されている。
Each
下部電極31は、図1(b)に示すように、膜厚が40nm〜100nm程度の窒化チタンアルミニウム(TiAlN)からなり酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の導電性バリア層31a、膜厚が50nm〜100nm程度のイリジウム(Ir)からなり酸素の拡散を防ぐ第2の導電性バリア層31b、膜厚が50nm〜100nm程度の二酸化イリジウム(IrO2)からなり酸素の拡散を防ぐ第3の導電性バリア層31c、及び膜厚が50nm〜100nm程度の白金(Pt)からなる導電層31dの積層膜により構成されている。
As shown in FIG. 1B, the
容量絶縁膜32は、膜厚が50nm〜150nm程度のビスマス層状ペロブスカイト構造を持つタンタルニオブ酸ストロンチウムビスマス(SrBi2(Ta1−xNbx)2O9)(但し、xは0≦x≦1)からなり、上部電極33は膜厚が50nm〜100nm程度の白金からなる。
The
図1(a)に示すように、半導体基板11上には、各セルトランジスタ20を覆うように、例えば酸化シリコン(SiO2 )からなる層間絶縁膜13が形成され、該層間絶縁膜13には、下端部が各ソースドレイン領域21のいずれか一方と電気的に接続され、上端部が各容量素子30の下部電極31と電気的に接続されたタングステン(W)又はポリシリコンからなる複数のコンタクトプラグ14が形成されている。
As shown in FIG. 1A, an
下部電極31の側面及び層間絶縁膜13上における下部電極31の側方の領域は、例えば膜厚が5nm〜100nm程度の酸化アルミニウム(Al2O3)からなり酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層15により覆われている。
The side surface of the
ここで、下部電極31における基板面方向の径は、容量絶縁膜32及び上部電極33の基板面方向の径の寸法よりも小さく、従って、容量絶縁膜32及び上部電極33の周縁部は下部電極31の周縁部から張り出している。
Here, the diameter in the substrate surface direction of the
下部電極31における側方で且つ容量絶縁膜32の張り出し部分の下側の領域は、酸化シリコン(SiO2)又は窒化シリコン(Si3N4)からなる埋込み絶縁膜16により埋め込まれている。
A region on the side of the
埋込み絶縁膜16は、互いに隣接する下部電極31同士を電気的に絶縁し、その表面は下部電極31の表面とほぼ同等の高さとなるように平坦化されている。
The buried insulating
なお、容量絶縁膜32、上部電極33及び埋込み絶縁膜16はそれぞれ同一のマスクによりエッチングされて形成されており、一方、第1の絶縁性バリア層15は、上部電極33及び容量絶縁膜32等とは異なるマスクによりエッチングされている。
The
上部電極33の上面並びに該上部電極33、容量絶縁膜32及び埋込み絶縁膜16の各側面は、例えば膜厚が5nm〜100nm程度の酸化アルミニウムからなり水素の拡散を防ぐ第2の絶縁性バリア層17により覆われている。このとき、第2の絶縁性バリア層17は、下部電極31の側方の領域、すなわち埋込み絶縁膜16の下部側方の領域で絶縁性バリア層15の上面と接している。その結果、下部電極31はその側面が酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層15により覆われる。また、上部電極33、容量絶縁膜32及び埋込み絶縁膜16は、酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層15と水素の拡散を防ぐ第2の絶縁性バリア層17とにより隙間なく覆われる。
The upper surface of the
なお、ここでは、第1の絶縁性バリア層15及び第2の絶縁性バリア層17は、容量素子30以外の領域、例えばソースドレイン領域21へのコンタクトホールを形成する領域には設けていない。
Here, the first insulating
以下、前記のように構成された容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法について説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor memory device including the capacitive element configured as described above will be described.
図2(a)〜図2(c)及び図3(a)、図3(b)は本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。 2 (a) to 2 (c), 3 (a), and 3 (b) show cross-sectional structures in the order of steps of the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. .
まず、図2(a)に示すように、シリコンからなる半導体基板11上に、ゲート絶縁膜22及びゲート電極23を形成し、さらにゲート絶縁膜22及びゲート電極23の側面上にサイドウォール絶縁膜24を形成する。続いて、ゲート電極23及びサイドウォール絶縁膜24をマスクとして半導体基板11に対して不純物注入を行なって、ソースドレイン領域21を形成する。ここで、サイドウォール絶縁膜24を形成する前にも不純物注入を行なうと、ソースドレイン領域21をLDD構造又はエクステンション構造を持つ構成とすることができる。その後、CVD法により、半導体基板11上に、複数のセルトランジスタ20を含む全面にわたって酸化シリコンからなる層間絶縁膜13を堆積する。続いて、堆積した層間絶縁膜13の上面を化学機械的研磨(CMP)法等を用いて平坦化する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、層間絶縁膜13における各セルトランジスタ20のソースドレイン領域21の一方にコンタクトホールをそれぞれ形成し、CVD法により、タングステン又はポリシリコンからなる導体膜を各コンタクトホールに充填されるように堆積する。続いて、堆積した導体膜に対してエッチバック又は化学機械的研磨を行なって、層間絶縁膜13上の導体膜を除去することにより、複数のコンタクトプラグ14を形成する。
First, as shown in FIG. 2A, a gate insulating film 22 and a
次に、複数のコンタクトプラグ14を含む層間絶縁膜13上に、例えばスパッタリング法により、酸素及び水素の拡散を防ぐ窒化チタンアルミニウムからなる第1の導電性バリア層、酸素の拡散を防ぐイリジウムからなる第2の導電性バリア層、酸素の拡散を防ぐ二酸化イリジウムからなる第3の導電性バリア層、及び白金からなる導電層を順次堆積して下部電極形成膜を成膜する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、下部電極形成膜に対してコンタクトプラグ14を含むようにパターニングを行なって、下部電極形成膜からなる複数の下部電極31を形成する。その後、スパッタ法又はCVD法により、層間絶縁膜13上に下部電極31の上面及び側面を覆うように、膜厚が5nm〜100nm程度の酸化アルミニウムからなり酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層15を成膜する。ここで、第1の絶縁性バリア層15の成膜後に、酸化性雰囲気で熱処理を行なうと、第1の絶縁性バリア層15を構成する酸化アルミニウムが緻密化されるため好ましい。続いて、例えばモノシラン(SiH4 )を原料とする、水素を含む雰囲気でのCVD法により、第1の絶縁性バリア層15を覆うように、膜厚が400nm〜600nm程度の酸化シリコン又は窒化シリコンからなる埋込み絶縁膜16を堆積する。
Next, a first conductive barrier layer made of titanium aluminum nitride for preventing diffusion of oxygen and hydrogen is formed on the
次に、図2(b)に示すように、CMP法を用いて、埋込み絶縁膜16及び第1の絶縁性バリア層15に対して各下部電極31が露出するまで平坦化することにより、各下部電極31の周囲を埋込み絶縁膜16により埋め込む。従って、下部電極31の上面は埋込み絶縁膜16及び第1の絶縁性バリア層15の露出面とほぼ同一の高さとなる。
Next, as shown in FIG. 2B, each of the buried insulating
次に、図2(c)に示すように、有機金属分解法(MOD法)、有機金属化学気相堆積法(MOCVD法)又はスパッタリング法により、第1の絶縁性バリア層15、埋込み絶縁膜16及び下部電極31の上に全面にわたって、膜厚が50nm〜150nm程度のビスマス層状ペロブスカイト構造を持つタンタルニオブ酸ストロンチウムビスマス(SrBi2(Ta1−xNbx)2O9)からなる容量絶縁膜形成膜32Aを成膜する。続いて、スパッタリング法により、容量絶縁膜形成膜32Aの上に膜厚が50nm〜100nm程度の白金からなる上部電極形成膜33Aを成膜する。その後、温度が650℃〜800℃程度の酸素雰囲気で熱処理を行なって、容量絶縁膜形成膜32Aを構成する金属酸化物を結晶化する。
Next, as shown in FIG. 2C, the first insulating
次に、図3(a)に示すように、リソグラフィ法により、上部電極形成膜33Aの上にレジストパターン(図示せず)を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして、上部電極形成膜33A、容量絶縁膜形成膜32A及び埋込み絶縁膜16に対して順次ドライエッチングを行なって、上部電極形成膜33Aから上部電極33を形成し、容量絶縁膜形成膜32Aから容量絶縁膜32を形成する。これにより、コンタクトプラグ14と電気的に接続される下部電極31と容量絶縁膜32と上部電極33とからなる容量素子30が形成される。
Next, as shown in FIG. 3A, a resist pattern (not shown) is formed on the upper
ここでは、第1の絶縁性バリア層15に対するパターニングは行なわず、埋込み絶縁膜16のエッチング時に第1の絶縁性バリア層15が露出した時点でエッチングを終了する。
Here, the first insulating
次に、図3(b)に示すように、CVD法又はスパッタ法により、第1の絶縁性バリア層15の上に、上部電極33の上面及び側面、並びに容量絶縁膜32及び埋込み絶縁膜16の側面を覆うように、膜厚が5nm〜100nm程度の酸化アルミニウムからなり水素の拡散を防ぐ第2の絶縁性バリア層17を成膜する。これにより、第2の絶縁性バリア層17は、下部電極31の側方の領域において、ここでは埋込み絶縁膜16の下部側方において第1の絶縁性バリア層15の上面と隙間なく接することになる。
Next, as shown in FIG. 3B, the upper surface and side surfaces of the
なお、第1の絶縁性バリア層15及び第2の絶縁性バリア層17における容量素子30を除く領域、例えばソースドレイン領域21との他のコンタクトホールを形成する領域は、エッチングにより除去している。
Note that a region other than the
以上説明したように、第1の実施形態によると、酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層15が容量素子30の下部電極31の側面を覆うため、下部電極31を構成する酸素バリアである酸化イリジウム等の導電性酸化物が水素により還元されてその酸素バリア性が劣化することを防止できる。
As described above, according to the first embodiment, the first insulating
さらに、水素の拡散を防ぐ第2の絶縁性バリア層17が容量素子30全体を酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層15と接することにより隙間なく覆うため、容量絶縁膜32を構成する金属酸化物が水素により還元されて容量素子30の電気特性が劣化することを防止できる。
Furthermore, since the second
以下、第1の実施形態に係る半導体記憶装置と従来例に係る半導体記憶装置の電気的特性を比較する。 Hereinafter, the electrical characteristics of the semiconductor memory device according to the first embodiment and the semiconductor memory device according to the conventional example will be compared.
まず、コンタクトプラグ14と下部電極31とのコンタクト抵抗の評価結果を示す。
First, evaluation results of contact resistance between the
図4は径が約20.3cm(8インチ相当)のシリコンウエハにおける面内でのコンタクト抵抗の第1の実施形態と従来例との測定結果である。図4に示すように、従来例に係る半導体記憶装置の場合には、コンタクト抵抗が45Ω〜7000Ωにまで大きくばらついている。これは、従来例に係る下部電極110の酸素バリアとなる導電性酸化物である二酸化イリジウムが水素により還元されて酸素バリア性が劣化してしまい、高誘電体や強誘電体の結晶化に必要な高温酸素アニール時に、酸素が下部電極110の内部を拡散してコンタクトプラグ107の表面が酸化するためである。一方、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の場合には、ウエハ面内でコンタクト抵抗が25Ω〜35Ωの範囲にあり、ばらつきが極めて小さく且つその抵抗値も25Ω〜40Ωと低抵抗化を実現できていることが分かる。
FIG. 4 shows the measurement results of the first embodiment and the conventional example of in-plane contact resistance in a silicon wafer having a diameter of about 20.3 cm (equivalent to 8 inches). As shown in FIG. 4, in the case of the semiconductor memory device according to the conventional example, the contact resistance greatly varies from 45Ω to 7000Ω. This is because iridium dioxide, which is a conductive oxide serving as an oxygen barrier of the
次に、第1の実施形態に係る半導体記憶装置における耐還元性の評価結果を示す。 Next, evaluation results of reduction resistance in the semiconductor memory device according to the first embodiment are shown.
図5は評価用であって、容量素子30に対する400℃の水素アニール処理を行なう前後の、該容量素子30のそれぞれの残留分極(2Pr)値を表わしている。図5に示すように、第1の実施形態に係る容量素子30は、水素アニール処理を行なっても、残留分極特性がほとんど変化せず、水素による還元が十分に防止できていることが分かる。このように、第1の実施形態に係る容量素子及び半導体記憶装置は電気的特性が著しく向上する。
FIG. 5 is for evaluation, and shows the respective residual polarization (2Pr) values of the
(第1の実施形態の変形例)
図6(a)〜図6(c)は本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置の第1〜第3変形例であって、下部電極とその側面を覆う第1の絶縁性バリア層の近傍との断面構成を示している。ここで、図6(a)〜図6(c)において、図1(a)に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
(Modification of the first embodiment)
FIGS. 6A to 6C are first to third modifications of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. The first insulating barrier covers the lower electrode and its side surface. The cross-sectional structure with the vicinity of the layer is shown. Here, in FIG. 6A to FIG. 6C, the same components as those shown in FIG.
まず、図6(a)の第1変形例に示すように、第1の絶縁性バリア層15における下部電極31の側面を覆う上端部は、必ずしも下部電極31の側面全体を覆う必要はなく、少なくとも、導電性金属酸化物である二酸化イリジウムからなる第3の導電性バリア層31cの側面を覆うように形成すれば良い。
First, as shown in the first modified example of FIG. 6A, the upper end portion of the first insulating
また、この場合の埋込み絶縁膜16の上面の高さは、図6(a)の第1変形例に示すように、第1の絶縁性バリア層15の上端と同一でもよく、また、図6(b)の第2変形例に示すように、下部電極31の導電層31dの上面と同一でもよく、また、図6(c)の第3変形例に示すように、第1の絶縁性バリア層15の上端よりも低くなるように形成されていてもよい。
Further, the height of the upper surface of the buried insulating
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図7は本発明の第2の実施形態に係る容量素子を含む半導体記憶装置の要部の断面構成を示している。図7において、図1に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 7 shows a cross-sectional configuration of a main part of a semiconductor memory device including a capacitive element according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, the same components as those shown in FIG.
図7に示すように、第2の実施形態においては、第2の絶縁性バリア層17が層間絶縁膜13の上に直接に形成されており、第1の絶縁性バリア層15Aは、ゲート長方向に隣接する容量素子30同士の間で分割されている。
As shown in FIG. 7, in the second embodiment, the second
図8(a)及び図8(b)は第2の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法の要部の工程を示している。 FIG. 8A and FIG. 8B show the main steps of the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the second embodiment.
ここでは第1の実施形態との相違点のみを説明する。 Here, only differences from the first embodiment will be described.
第1の実施形態においては、図3(a)に示すように、容量素子30を構成する容量絶縁膜32、上部電極33及び下部電極31を埋め込む埋込み絶縁膜16のパターニングを同一のマスクを用いて行なう際に、第1の絶縁性バリア層15に対するパターニングを行なわない。
In the first embodiment, as shown in FIG. 3A, the same mask is used to pattern the embedded insulating
一方、図7及び図8(a)に示すように、第2の実施形態に係る半導体記憶装置においては、上部電極33及び容量絶縁膜32等をパターニングするエッチング工程において、上部電極33と同一のマスクを用いて、埋込み絶縁膜16のエッチングを行なった後、第1の絶縁性バリア層15に対してエッチングを行なって第1の絶縁性バリア層15Aとする。このとき、酸化シリコン又は窒化シリコンからなる埋込み絶縁膜16に対するエッチングには、フロロカーボンを主成分とするエッチングガスを用い、酸化アルミニウムからなる第1の絶縁性バリア層15Aに対するエッチングには、塩素ガスを主成分とするエッチングガスを用いる。
On the other hand, as shown in FIGS. 7 and 8A, in the semiconductor memory device according to the second embodiment, the same process as that of the
次に、図8(b)に示すように、その後工程である、水素の拡散を防ぐ第2の絶縁性バリア層17の成膜工程において、第2の絶縁性バリア層17は、下部電極31の側方であって、埋込み絶縁膜16の下側に位置する第1の絶縁性バリア層15の端面と接するようになる。
Next, as shown in FIG. 8B, in the subsequent step of forming the second
なお、第2の実施形態においても、第1の絶縁性バリア層15A及び第2の絶縁性バリア層17における容量素子30を除く領域、例えばソースドレイン領域21との他のコンタクトホールを形成する領域は、エッチングにより除去している。
In the second embodiment as well, a region other than the
以上説明したように、第2の実施形態によると、第1の実施形態と同様に、酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層15Aが容量素子30の下部電極31の側面を覆うため、下部電極31を構成する酸素バリアである酸化イリジウム等の導電性酸化物が水素により還元されてその酸素バリア性が劣化することを防止できる。
As described above, according to the second embodiment, as in the first embodiment, the first insulating
さらに、水素の拡散を防ぐ第2の絶縁性バリア層17が容量素子30全体を酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層15Aと接することにより隙間なく覆うため、容量絶縁膜32を構成する金属酸化物が水素により還元されて容量素子30の電気特性が劣化することを防止できる。その結果、第2の実施形態においても、図4及び図5に示した測定結果と同様の、優れた電気的特性を有する容量素子30を含む半導体記憶装置を実現することができる。
Further, since the second
また、第2の実施形態は、以下に示すように他の効果をも有している。 The second embodiment also has other effects as described below.
すなわち、層間絶縁膜13上の容量素子30以外の領域に形成された絶縁性バリア層15、17を除去する工程において、第1の実施形態においては、第2の絶縁性バリア層17と第1の絶縁性バリア層15との2層に対してエッチングを行なう必要がある。一方、第2の実施形態においては、第2の絶縁性バリア層17のみをエッチングすれば済むため、エッチング時間を大幅に短縮することができる。その上、層間絶縁膜13上において、容量素子30を設ける部分と設けない部分とにより段差が生じるものの、エッチング時間が短縮されることにより、容量素子30の上側でレジストパターンの膜厚が薄くなる部分でも、エッチング中にレジストが消失しにくくなり、プロセスマージンを拡大することができる。
That is, in the step of removing the insulating barrier layers 15 and 17 formed in the region other than the
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図9(a)〜図9(c)は本発明の第3の実施形態に係る半導体記憶装置であって、図9(a)はメモリセルアレイを構成する複数のセルからなるセルブロックの平面構成を示し、図9(b)は図9(a)のIXb−IXb線における断面構成を示し、図9(c)は図9(a)のIXc−IXc線における断面構成を示している。また、これら図9(a)〜図9(c)において、図7に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 9A to FIG. 9C are semiconductor memory devices according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 9A is a plan configuration of a cell block comprising a plurality of cells constituting a memory cell array. FIG. 9B shows a cross-sectional configuration taken along line IXb-IXb in FIG. 9A, and FIG. 9C shows a cross-sectional configuration taken along line IXc-IXc in FIG. 9 (a) to 9 (c), the same components as those shown in FIG.
図9(a)に示すように、半導体基板11の主面上には、セルトランジスタ20のゲート電極(ワード線)23に沿って、例えば2n 又は(2n +1)個(但し、nは3以上の整数である)の下部電極31を含むセルブロック50が配置されている。容量素子30の容量絶縁膜32及び上部電極33は、セルブロック50ごとに、該セルブロック50に含まれる複数の下部電極31を覆うように形成されている。
As shown in FIG. 9A, on the main surface of the
また、図9(a)及び図9(c)に示すように、第2の絶縁性バリア層17は、互いに隣接する2つのセルブロック50を覆うと共に、そのゲート電極23が延びる方向の側部が層間絶縁膜13と接している。さらに、図9(b)に示すように、第2の絶縁性バリア層17は、第2の実施形態と同様に、各セルブロック50におけるゲート電極23と交差する方向、すなわちゲート長方向側の側部が層間絶縁膜13と接している。
Further, as shown in FIGS. 9A and 9C, the second
これにより、容量素子30における下部電極31はその側面が第1の絶縁性バリア層15Aにより覆われると共に、該下部電極31を埋め込む埋込み絶縁膜16の側面を含め、容量素子の上部電極33の上面及び側面並びに容量絶縁膜32の側面が第2の絶縁性バリア層17によって、セルブロック単位(ここでは2ブロック単位)で覆われている。このとき、第2の絶縁性バリア層17は、埋込み絶縁膜16の下側に位置する第1の絶縁性バリア層15Aとはその端面で接している。
Thus, the side surface of the
その上、図9(a)及び図9(c)に示すように、各セルブロック50の容量絶縁膜32に対して、上部電極33が複数の下部電極31のうちのいずれか1つと電気的に接続されるように開口部32aを設け、この開口部32aに上部電極33の一部が充填されることにより上部電極プラグ33aが形成されている。ここでは、一例としてそれぞれ右端に位置する下部電極31を上部電極接続用電極31Aとしており、これにより、セルトランジスタ20のソースドレイン領域21からコンタクトプラグ14、上部電極接続用電極31A及び上部電極プラグ33aを介して上部電極33に所定の電圧を印加することが可能となる。
In addition, as shown in FIGS. 9A and 9C, the
このように、容量素子30の下部電極31とコンタクトプラグ(第1のコンタクトプラグ)14を介して電気的に接続されるセルトランジスタ(第1のトランジスタ)20とは異なり、上部電極接続用電極31Aは容量素子30を構成しない。従って、上部電極接続用電極31Aとコンタクトプラグ(第2のコンタクトプラグ)14を介して電気的に接続されるセルトランジスタ(第2のトランジスタ)20は、第1のトランジスタとはその動作が異なる。
Thus, unlike the cell transistor (first transistor) 20 that is electrically connected to the
このように、第3の実施形態においては、セルトランジスタ20を介して上部電極33に動作電圧を印加することができるため、上部電極33の上面、すなわち第2の絶縁性バリア層17に対してコンタクトホールを開口する必要がない。このため、セルブロック50を覆う第2の絶縁性バリア層17に開口部を設ける必要がなくなるので、開口後のレジストのアッシング処理、プラグの充填処理及び配線処理が不要となる。その結果、第2の絶縁性バリア層17の形成後には、容量素子30が水素にさらされることがなくなるので、容量素子30の特性の劣化を防止することができる。
Thus, in the third embodiment, an operating voltage can be applied to the
なお、第3の実施形態においては、第2の絶縁性バリア層17が2つのセルブロック50を覆う構成としたが、これに限られず、1つ以上のセルブロック50を覆う構成であればよい。
In the third embodiment, the second
また、上部電極33とセルトランジスタ20との電気的な接続には、必ずしも上部電極接続用電極31Aを介在させる必要はなく、上部電極プラグ33aとコンタクトプラグ14とが直接に接続されていても良いが、セルブロック50に含まれるすべての容量素子30が同一の構造を有することから、下部電極31と同一構造の上部電極接続用電極31Aを介在させる方が、プロセスが簡単化されるため好ましい。
In addition, for the electrical connection between the
以下、前記のように構成された容量素子及び上部電極接続用電極を含む半導体記憶装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor memory device including the capacitor element and the upper electrode connection electrode configured as described above will be described with reference to the drawings.
図10(a)〜図10(c)及び図11(a)、図11(b)は本発明の第3の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法であって、図9(a)のIXc−IXc線における工程順の断面構成を示している。 10 (a) to 10 (c), 11 (a), and 11 (b) show a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention. The cross-sectional structure of the order of the process in the IXc-IXc line is shown.
まず、シリコンからなる半導体基板11上に、図9(b)に示したゲート絶縁膜22、ゲート電極23及びサイドウォール絶縁膜24を選択的に形成し、続いて、半導体基板11におけるゲート電極23の両側方の領域にソースドレイン領域21を形成することにより、複数のセルトランジスタ20を形成する。
First, the gate insulating film 22, the
次に、図10(a)に示すように、CVD法により、半導体基板11の上に複数のセルトランジスタ20を含む全面にわたって、例えばBPSG等の酸化シリコンからなる層間絶縁膜13を堆積する。続いて、堆積した層間絶縁膜13の上面をCMP法等により平坦化する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、層間絶縁膜13における各セルトランジスタ20のソースドレイン領域21の一方にコンタクトホールをそれぞれ形成し、CVD法により、タングステン又はポリシリコンからなる導体膜を各コンタクトホールに充填されるように堆積する。続いて、堆積した導体膜に対してエッチバック法又はCMP法によって層間絶縁膜13上の導体膜を除去することにより、複数のコンタクトプラグ14を形成する。次に、形成したコンタクトプラグ14を含む層間絶縁膜13の上に、例えばスパッタリング法により、酸素及び水素の拡散を防ぐ窒化チタンアルミニウムからなる第1の導電性バリア層31a、酸素の拡散を防ぐイリジウムからなる第2の導電性バリア層、酸素の拡散を防ぐ二酸化イリジウムからなる第3の導電性バリア層、及び白金からなる導電層を順次堆積して下部電極形成膜を成膜する。ここで、酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の導電性バリア層31aの膜厚は40nm〜100nm程度とし、酸素の拡散を防ぐ第2の導電性バリア層31b及び第2の導電性バリア層31b、並びに導電層の膜厚はそれぞれ50nm〜100nm程度としている。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、下部電極形成膜に対してコンタクトプラグ14を含むようにパターニングを行なって、下部電極形成膜からなる複数の下部電極31を形成する。その後、スパッタ法又はCVD法により、層間絶縁膜13の上に下部電極31の上面及び側面を覆うように、膜厚が20nm〜200nm程度の酸化アルミニウムからなり酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層15を成膜する。ここで、第1の絶縁性バリア層15の成膜後に、酸化性雰囲気で熱処理を行なうと、第1の絶縁性バリア層15を構成する酸化アルミニウムが緻密化されるため好ましい。続いて、例えばモノシランを原料とする、水素を含む雰囲気でのCVD法により、第1の絶縁性バリア層15を覆うように、膜厚が400nm〜600nm程度の酸化シリコン又は窒化シリコンからなる埋込み絶縁膜16を堆積する。
Next, as shown in FIG. 10A, an
次に、図10(b)に示すように、CMP法を用いて、埋込み絶縁膜16及び第1の絶縁性バリア層15に対して下部電極31が露出するまで平坦化することにより、各下部電極31の周囲を埋込み絶縁膜16により埋め込む。従って、下部電極31の上面は埋込み絶縁膜16及び第1の絶縁性バリア層15の露出面とほぼ同一の高さとなる。
Next, as shown in FIG. 10B, by planarizing the buried insulating
次に、図10(c)に示すように、MOD法、MOCVD法又はスパッタリング法により、第1の絶縁性バリア層15、埋込み絶縁膜16及び下部電極31の上に全面にわたって、膜厚が50nm〜150nm程度のビスマス層状ペロブスカイト構造を持つタンタルニオブ酸ストロンチウムビスマス(SrBi2(Ta1−xNbx)2O9)からなる容量絶縁膜形成膜32Aを成膜する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、成膜した容量絶縁膜形成膜32Aにおける上部電極接続用電極31Aの上側部分を選択的に除去する。これにより、容量絶縁膜形成膜32Aに開口部32aが形成され、形成された開口部32aから上部電極接続用電極31Aが露出する。続いて、スパッタリング法により、容量絶縁膜形成膜32Aの上に開口部32aを充填するように、膜厚が50nm〜150nm程度の白金からなる上部電極形成膜33Aを成膜する。これにより、開口部32aには白金が充填されて上部電極プラグ33aが形成され、この上部電極プラグ33aによって上部電極接続用電極31Aと上部電極33とが電気的に接続される。その後、温度が650℃〜800℃程度の酸素雰囲気で熱処理を行なって、容量絶縁膜形成膜32Aを構成する金属酸化物を結晶化する。
Next, as shown in FIG. 10C, the film thickness is 50 nm over the entire surface on the first insulating
次に、図11(a)に示すように、各セルブロック50をマスクするレジストマスク(図示せず)を用いて、上部電極形成膜33A、容量絶縁膜形成膜32A、埋込み絶縁膜16、及び第1の絶縁性バリア層15に対して順次ドライエッチングを行なって、上部電極形成膜33Aから上部電極33を形成し、容量絶縁膜形成膜32Aから容量絶縁膜32を形成する。このとき、第1の絶縁性バリア層15がパターニングされてなる第1の絶縁性バリア層15Aが得られる。
Next, as shown in FIG. 11A, using a resist mask (not shown) for masking each
次に、図11(b)に示すように、CVD法又はスパッタ法により、層間絶縁膜13の上に、それぞれセルブロック50ごとにパターニングされた、上部電極33の上面及び側面、容量絶縁膜32及び埋込み絶縁膜16の側面、並びに第1の絶縁性バリア層15Aの端面を覆うように全面にわたって、膜厚が5nm〜100nm程度の酸化アルミニウムからなり水素の拡散を防ぐ第2の絶縁性バリア層17を成膜する。これにより、第2の絶縁性バリア層17は、セルブロック50の周囲において、埋込み絶縁膜16の下側に位置する第1の絶縁性バリア層15Aの端面と接する構成を得る。続いて、図9(a)に示すように、成膜した第2の絶縁性バリア層17に対して、互いに隣接する2つのセルブロック50を含むように、ドライエッチング法によりパターニングを行なう。但し、この第2の絶縁性バリア層17に対するパターニングは必ずしも行なう必要はない。
Next, as shown in FIG. 11B, the upper surface and side surfaces of the
第3の実施形態に係る製造方法の一変形例として、第1の実施形態に係る製造方法と同様に、図11(a)に示した、上部電極33及び容量絶縁膜32等をセルブロック50ごとにパターニングする工程において、第1の絶縁性バリア層15に対してはパターニングを行なわず、図11(b)に示した後工程で、第2の絶縁性バリア層17と連続して第1の絶縁性バリア層15をパターニングしてもよい。
As a modified example of the manufacturing method according to the third embodiment, the
(本発明の参考例)
以下、本発明の参考例について図面を参照しながら説明する。
( Reference example of the present invention )
Hereinafter, reference examples of the present invention will be described with reference to the drawings.
図12(a)〜図12(c)は本発明の参考例に係る半導体記憶装置であって、図12(a)はメモリセルアレイを構成する複数のセルからなるセルブロックの平面構成を示し、図12(b)は図12(a)のXIIb−XIIb線における断面構成を示し、図12(c)は図12(a)のXIIc−XIIc線における断面構成を示している。また、これら図12(a)〜図12(c)において、図9(a)〜図9(c)に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。 12A to 12C show a semiconductor memory device according to a reference example of the present invention. FIG. 12A shows a planar configuration of a cell block including a plurality of cells constituting a memory cell array. FIG. 12B shows a cross-sectional configuration taken along line XIIb-XIIb in FIG. 12A, and FIG. 12C shows a cross-sectional configuration taken along line XIIc-XIIc in FIG. In FIGS. 12A to 12C, the same components as those shown in FIGS. 9A to 9C are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図12(b)及び図12(c)に示すように、参考例に係る第1の絶縁性バリア層45は、層間絶縁膜13の上にのみ形成されており、従って、コンタクトプラグ14は層間絶縁膜13及び第1の絶縁性バリア層45を貫通して形成されている。さらに、容量素子30の下部電極31を構成する第1の導電性バリア層31aは、第1の絶縁性バリア層45の上に形成されている。
As shown in FIGS. 12B and 12C, the first insulating
ここで、酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層45は、第1〜第3の実施形態と同様に、酸化アルミニウム、酸化チタンアルミニウム又は酸化タンタルアルミニウムを用いることが好ましく、さらには、窒化シリコン(Si3N4)又は酸窒化シリコン(SiON)を用いることが好ましい。窒化シリコン又は酸窒化シリコンを用いると、コンタクトプラグ14の形成時のコンタクトホールの形成が、酸化アルミニウム等と比べて容易となる。
Here, as in the first to third embodiments, it is preferable to use aluminum oxide, titanium aluminum oxide, or tantalum aluminum oxide as the first insulating
また、図12(a)に示すように、第2の絶縁性バリア層17は、互いに隣接する2つのセルブロック50を覆うように形成されている。さらに、図12(b)に示すように、第2の絶縁性バリア層17は、各セルブロック50におけるゲート電極23と交差する方向において層間絶縁膜13と接している。これにより、容量素子30における下部電極31は、該下部電極31を埋め込む埋込み絶縁膜16の側面を含め、容量素子の上部電極33の上面及び側面並びに容量絶縁膜32の側面が第2の絶縁性バリア層17によって、セルブロック単位(ここでは2ブロック単位)で覆われている。このとき、第2の絶縁性バリア層17は、埋込み絶縁膜16の下側に位置する第1の絶縁性バリア層15とはその端面で接している。
Also, as shown in FIG. 12A, the second
さらに、第3の実施形態と同様に、上部電極33が複数の下部電極31のうちのいずれか1つと電気的に接続されるように開口部32aを設け、この開口部32aに上部電極33の一部が充填されることにより上部電極プラグ33aが形成されている。このため、セルブロック50の上面及び側面を覆う第2の絶縁性バリア層17を開口することなく、セルトランジスタ20を介して上部電極33に動作電圧を印加することができる。従って、開口後のレジストのアッシング処理、プラグの充填処理及び配線処理が不要となるため、第2の絶縁性バリア層17の形成後には、容量素子30が水素にさらされることがなくなるので、容量素子30の特性の劣化を防止することができる。
Further, similarly to the third embodiment, an
なお、参考例においても、第3の実施形態と同様に、第2の絶縁性バリア層17が2つのセルブロック50を覆う構成としたが、これに限られず、1つ以上のセルブロック50を覆う構成であればよい。
In the reference example , as in the third embodiment, the second
また、上部電極33とセルトランジスタ20との電気的な接続には、必ずしも上部電極接続用電極31Aを介在させる必要はない。
Further, it is not always necessary to interpose the upper
以下、前記のように構成された容量素子及び上部電極接続用電極を含む半導体記憶装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor memory device including the capacitor element and the upper electrode connection electrode configured as described above will be described with reference to the drawings.
図13(a)〜図13(c)及び図14(a)、図14(b)は本発明の参考例に係る半導体記憶装置の製造方法であって、図12(a)のXIIc−XIIc線における工程順の断面構成を示している。 13 (a) to 13 (c), 14 (a), and 14 (b) show a method of manufacturing a semiconductor memory device according to a reference example of the present invention, and XIIc-XIIc in FIG. 12 (a). The cross-sectional structure of the order of the process in a line is shown.
まず、シリコンからなる半導体基板11上に、図12(b)に示したゲート絶縁膜22、ゲート電極23及びサイドウォール絶縁膜24を選択的に形成し、続いて、半導体基板11におけるゲート電極23の両側方の領域にソースドレイン領域21を形成することにより、複数のセルトランジスタ20を形成する。
First, the gate insulating film 22, the
次に、図13(a)に示すように、CVD法により、半導体基板11の上に複数のセルトランジスタ20を含む全面にわたって、例えばBPSG等の酸化シリコンからなる層間絶縁膜13を堆積する。続いて、堆積した層間絶縁膜13の上面をCMP法等により平坦化し、その後、CVD法又はスパッタリング法により、膜厚が20nm〜200nm程度の、例えば窒化シリコン又は酸化アルミニウムからなり、酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層45を成膜する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、層間絶縁膜13及び第1の絶縁性バリア層45における各セルトランジスタ20のソースドレイン領域21の一方にコンタクトホールをそれぞれ形成し、CVD法により、タングステン又はポリシリコンからなる導体膜を各コンタクトホールに充填されるように堆積する。続いて、堆積した導体膜に対してエッチバック法又はCMP法によって層間絶縁膜13上の導体膜を除去することにより、複数のコンタクトプラグ14を形成する。その後、形成したコンタクトプラグ14を含む層間絶縁膜13の上に、例えばスパッタリング法により、酸素及び水素の拡散を防ぐ窒化チタンアルミニウムからなる第1の導電性バリア層31a、酸素の拡散を防ぐイリジウムからなる第2の導電性バリア層、酸素の拡散を防ぐ二酸化イリジウムからなる第3の導電性バリア層、及び白金からなる導電層を順次堆積して下部電極形成膜を成膜する。ここで、酸素及び水素の拡散を防ぐ第1の導電性バリア層31aの膜厚は40nm〜100nm程度とし、酸素の拡散を防ぐ第2の導電性バリア層31b及び第2の導電性バリア層31b、並びに導電層の膜厚はそれぞれ50nm〜100nm程度としている。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、下部電極形成膜に対してコンタクトプラグ14を含むようにパターニングを行なって、下部電極形成膜からなる複数の下部電極31を形成する。続いて、例えばモノシランを原料とする、水素を含む雰囲気でのCVD法により、複数の下部電極31を覆うように、膜厚が400nm〜600nm程度の酸化シリコン又は窒化シリコンからなる埋込み絶縁膜16を堆積する。
Next, as shown in FIG. 13A, an
次に、図13(b)に示すように、CMP法を用いて、埋込み絶縁膜16に対して下部電極31が露出するまで平坦化することにより、各下部電極31の周囲を埋込み絶縁膜16により埋め込む。従って、下部電極31の上面は埋込み絶縁膜16の露出面とほぼ同一の高さとなる。
Next, as shown in FIG. 13B, the periphery of each
次に、図13(c)に示すように、MOD法、MOCVD法又はスパッタリング法により、埋込み絶縁膜16及び下部電極31の上に全面にわたって、膜厚が50nm〜150nm程度のビスマス層状ペロブスカイト構造を持つタンタルニオブ酸ストロンチウムビスマスからなる容量絶縁膜形成膜32Aを成膜する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、成膜した容量絶縁膜形成膜32Aにおける上部電極接続用電極31Aの上側部分を選択的に除去する。これにより、容量絶縁膜形成膜32Aに開口部32aが形成され、形成された開口部32aから上部電極接続用電極31Aが露出する。続いて、スパッタリング法により、容量絶縁膜形成膜32Aの上に開口部32aを充填するように、膜厚が50nm〜150nm程度の白金からなる上部電極形成膜33Aを成膜する。これにより、開口部32aには白金が充填されて上部電極プラグ33aが形成され、この上部電極プラグ33aによって上部電極接続用電極31Aと上部電極33とが電気的に接続される。その後、温度が650℃〜800℃程度の酸素雰囲気で熱処理を行なって、容量絶縁膜形成膜32Aを構成する金属酸化物を結晶化する。
Next, as shown in FIG. 13C, a bismuth layered perovskite structure having a thickness of about 50 nm to 150 nm is formed on the entire surface of the buried insulating
次に、図14(a)に示すように、各セルブロック50をマスクするレジストマスク(図示せず)を用いて、上部電極形成膜33A、容量絶縁膜形成膜32A、埋込み絶縁膜16、及び第1の絶縁性バリア層45に対して順次ドライエッチングを行なって、上部電極形成膜33Aから上部電極33を形成し、容量絶縁膜形成膜32Aから容量絶縁膜32を形成する。
Next, as shown in FIG. 14A, using a resist mask (not shown) for masking each
次に、図14(b)に示すように、CVD法又はスパッタ法により、層間絶縁膜13の上に、それぞれセルブロック50ごとにパターニングされた、上部電極33の上面及び側面、容量絶縁膜32及び埋込み絶縁膜16の側面、並びに第1の絶縁性バリア層45の端面を覆うように全面にわたって、膜厚が5nm〜100nm程度の酸化アルミニウムからなり水素の拡散を防ぐ第2の絶縁性バリア層17を成膜する。これにより、第2の絶縁性バリア層17は、セルブロック50の周囲において、埋込み絶縁膜16の下側に位置する第1の絶縁性バリア層45の端面と接する構成を得る。続いて、図12(a)に示すように、成膜した第2の絶縁性バリア層17に対して、互いに隣接する2つのセルブロック50を含むように、ドライエッチング法によりパターニングを行なう。但し、この第2の絶縁性バリア層17に対するパターニングは必ずしも行なう必要はない。
Next, as shown in FIG. 14B, the upper surface and the side surface of the
参考例に係る製造方法の一変形例として、第1の実施形態に係る製造方法と同様に、図14(a)に示した、上部電極33及び容量絶縁膜32等をセルブロック50ごとにパターニングする工程において、第1の絶縁性バリア層45に対してはパターニングを行なわず、図14(b)に示した後工程で、第2の絶縁性バリア層17と連続して第1の絶縁性バリア層45をパターニングしてもよい。
As a modification of the manufacturing method according to the reference example , the
なお、第1〜第3の実施形態及び参考例においては、容量絶縁膜32に、タンタルニオブ酸ストロンチウムビスマス(SrBi2(Ta1−xNbx)2O9)を用いたが、これに限られず、ビスマス層状ペロブスカイト構造を有する強誘電体であればよい。例えば、チタン酸ジルコン鉛、チタン酸ストロンチウムバリウム又は五酸化タンタル等を用いるとよい。
In the first to third embodiments and the reference example , strontium bismuth tantalum niobate (SrBi 2 (Ta 1-x Nb x ) 2 O 9 ) is used for the
また、第1〜第3の実施形態及び参考例において、第1の絶縁性バリア層15、15A、45には、酸化アルミニウム(Al2O3)を用いたが、これに代えて、酸化チタンアルミニウム(TiAlO)又は酸化タンタルアルミニウム(TaAlO)を用いてもよい。このようにすると、酸化アルミニウムを含め、これらの金属酸化物は、埋込み絶縁膜16から下部電極31への側面方向からの酸素及び水素の拡散をほぼ完全に防止することができる。但し、前述したように、参考例に係る第1の絶縁性バリア層45については、その加工性の容易さから窒化シリコン(Si3N4)又は酸窒化シリコン(SiON)を用いることが好ましい。
In the first to third embodiments and reference examples , aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is used for the first insulating barrier layers 15, 15 A, and 45. Instead, titanium oxide is used. Aluminum (TiAlO) or tantalum aluminum oxide (TaAlO) may be used. In this way, these metal oxides including aluminum oxide can almost completely prevent diffusion of oxygen and hydrogen from the buried insulating
同様に、第2の絶縁性バリア層17は、酸化アルミニウム(Al2O3)の代わりに、酸化チタンアルミニウム(TiAlO)又は酸化タンタルアルミニウム(TaAlO)を用いてもよい。このようにすると、容量絶縁膜32に対する基板面に垂直な方向及び平行な方向からの水素の拡散をほぼ完全に抑止することができる。
Similarly, the second
また、第1〜第3の実施形態及び参考例に係る下部電極31は、第1の導電性バリア層31aとして、窒化チタンアルミニウム(TiAlN)を用いたが、これに代えて、チタンアルミニウム(TiAl)、窒化珪化チタン(TiSiN)、窒化タンタル(TaN)、窒化珪化タンタル(TaSiN)、窒化タンタルアルミニウム(TaAlN)、及びタンタルアルミニウム(TaAl)のうちのいずれか1つにより構成されるか、又はTiAlNを含め、これらのうちの少なくとも2つを含む積層膜により構成されていることが好ましい。このようにすると、容量絶縁膜32を構成する高誘電体又は強誘電体の結晶化を行なうための高温の酸素アニール時に、酸素がコンタクトプラグ14にまで拡散することを防止でき、且つ、下部電極31から容量絶縁膜32への基板方向からの水素の拡散を防止することができる。
In the
また、下部電極31を構成する第2の導電性バリア層31bにはイリジウム(Ir)を用い、第3の導電性バリア層31cには、二酸化イリジウム(IrO2)を用いたが、これらに限られない。
Further, iridium (Ir) is used for the second
すなわち、第2及び第3の導電性バリア層31b、31cとして、二酸化イリジウム(IrO2)からなる単層膜、二酸化ルテニウム(RuO2)からなる単層膜、及び下層から順次形成されたルテニウム(Ru)と二酸化ルテニウム(RuO2)とからなる積層膜のいずれを用いてもよい。さらには、イリジウム(Ir)と二酸化イリジウム(IrO2)とからなる積層膜を含め、これら単層膜及び積層膜のうちの少なくとも2つを含むさらなる積層膜により構成されていてもよい。このようにすると、容量絶縁膜32を構成する高誘電体又は強誘電体の結晶化を行なうための高温の酸素アニール時に、酸素がコンタクトプラグ14にまで拡散して、拡散した酸素がコンタクトプラグ14の表面を酸化することによってコンタクト抵抗が上昇することを防止できる。
That is, as the second and third conductive barrier layers 31b and 31c, a single-layer film made of iridium dioxide (IrO 2 ), a single-layer film made of ruthenium dioxide (RuO 2 ), and ruthenium ( Any of a laminated film made of Ru) and ruthenium dioxide (RuO 2 ) may be used. Furthermore, it may be constituted by a further laminated film including at least two of these monolayer films and laminated films, including laminated films made of iridium (Ir) and iridium dioxide (IrO 2 ). In this case, oxygen is diffused to the
また、第1〜第3の実施形態及び参考例において、下部電極31の側方の領域を埋め込む埋込み絶縁膜16に、酸化シリコン(SiO2)又は窒化シリコン(Si3N4)を用いているため、互いに隣接する下部電極31同士を電気的に絶縁すると共に平坦化を容易に行なえるため、容量絶縁膜32を成膜する下地層として好ましい。
In the first to third embodiments and reference examples , silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) is used for the buried insulating
(b)は本発明の第1の実施形態に係る容量素子の下部電極を示す構成断面図である。
11 半導体基板
12 シャロウトレンチ分離
13 層間絶縁膜
14 コンタクトプラグ
15 第1の絶縁性バリア層
15A 第1の絶縁性バリア層
16 埋込み絶縁膜
17 第2の絶縁性バリア層
20 セルトランジスタ
21 ソースドレイン領域
22 ゲート絶縁膜
23 ゲート電極
24 サイドウォール絶縁膜
30 容量素子
31 下部電極
31A 上部電極接続用電極
31a 第1の導電性バリア層
31b 第2の導電性バリア層
31c 第3の導電性バリア層
31d 導電層
32 容量絶縁膜
32a 開口部
32A 容量絶縁膜形成膜
33 上部電極
33A 上部電極形成膜
33a 上部電極プラグ
45 第1の絶縁性バリア層
50 セルブロック
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記下部電極上にその周縁部から張り出すように形成された金属酸化物からなる容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜上に形成された上部電極と、
前記容量絶縁膜下の前記下部電極の周囲を埋める埋込み絶縁膜とを備え、
前記下部電極は、導電性酸化物からなり酸素の拡散を防ぐ導電性バリア層を含み、
前記下部電極の側面のうち少なくとも前記導電性バリア層の側面と接するように、酸化チタンアルミニウム(TiAlO)又は酸化タンタルアルミニウム(TaAlO)からなり、水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層が形成されていることを特徴とする容量素子。 A lower electrode;
A capacitive insulating film made of a metal oxide formed on the lower electrode so as to protrude from its peripheral edge ;
An upper electrode formed on the capacitive insulating film;
A buried insulating film filling the periphery of the lower electrode under the capacitive insulating film ,
The lower electrode includes a conductive barrier layer made of a conductive oxide and preventing oxygen diffusion,
A first insulating barrier layer made of titanium aluminum oxide (TiAlO) or tantalum aluminum oxide (TaAlO) is formed so as to be in contact with at least the side surface of the conductive barrier layer among the side surfaces of the lower electrode. A capacitive element characterized by being made.
前記半導体基板の上に前記トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に前記トランジスタの前記ソース領域又は前記ドレイン領域と電気的に接続されるように形成されたコンタクトプラグと、
前記下部電極が前記コンタクトプラグ上に形成された前記請求項1〜9のうちのいずれか1項に記載の容量素子とを備えていることを特徴とする半導体記憶装置。 A transistor formed on a semiconductor substrate and having a source region and a drain region;
An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate so as to cover the transistor;
A contact plug formed in the interlayer insulating film so as to be electrically connected to the source region or the drain region of the transistor;
A semiconductor memory device comprising: the capacitor element according to claim 1, wherein the lower electrode is formed on the contact plug.
前記トランジスタを含む前記半導体基板の上に層間絶縁膜を形成する第2の工程と、
前記層間絶縁膜に、前記ソース領域又は前記ドレイン領域と電気的に接続されるコンタクトプラグを形成する第3の工程と、
前記層間絶縁膜の上に、導電性酸化物からなり酸素の拡散を防ぐ導電性バリア層を含む第1の導電膜を形成する第4の工程と、
前記第1の導電膜を前記コンタクトプラグと電気的に接続されるようにパターニングすることにより、前記層間絶縁膜の上に前記第1の導電膜から下部電極を形成する第5の工程と、
前記層間絶縁膜の上に前記下部電極の上面及び側面を覆うように、酸化チタンアルミニウム(TiAlO)又は酸化タンタルアルミニウム(TaAlO)からなり、水素の拡散を防ぐ第1の絶縁性バリア層を形成する第6の工程と、
前記第1の絶縁性バリア層の上に第1の絶縁膜を形成した後、該第1の絶縁膜及び第1の絶縁性バリア層に対して前記下部電極を露出するように平坦化する第7の工程と、
露出した前記下部電極の上を含む平坦化した前記第1の絶縁膜及び第1の絶縁性バリア層の上に、金属酸化物からなる第2の絶縁膜と、該第2の絶縁膜の上に第2の導電膜とを形成する第8の工程と、
前記下部電極を含むように、前記第2の導電膜、第2の絶縁膜及び第1の絶縁膜をパターニングすることにより、前記下部電極の上に前記第2の導電膜から上部電極を形成し、前記第2の絶縁膜から容量絶縁膜を形成し、前記第1の絶縁膜から下部電極の周囲を埋める埋込み絶縁膜を形成する第9の工程とを備えていることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 A first step of forming a transistor by forming a gate electrode on a semiconductor substrate and then forming a source region and a drain region respectively on the side of the gate electrode in the semiconductor substrate;
A second step of forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate including the transistor;
A third step of forming a contact plug electrically connected to the source region or the drain region in the interlayer insulating film;
A fourth step of forming a first conductive film comprising a conductive barrier layer made of a conductive oxide and preventing diffusion of oxygen on the interlayer insulating film;
A fifth step of forming a lower electrode from the first conductive film on the interlayer insulating film by patterning the first conductive film so as to be electrically connected to the contact plug;
A first insulating barrier layer made of titanium aluminum oxide (TiAlO) or tantalum aluminum oxide (TaAlO) is formed on the interlayer insulating film so as to cover the upper surface and side surfaces of the lower electrode, and prevents diffusion of hydrogen. A sixth step;
Forming a first insulating film on the first insulating barrier layer, and then planarizing the first insulating film and the first insulating barrier layer so as to expose the lower electrode. 7 steps,
On the planarized first insulating film and first insulating barrier layer including the exposed lower electrode, a second insulating film made of a metal oxide, and the second insulating film An eighth step of forming a second conductive film on the substrate;
An upper electrode is formed from the second conductive film on the lower electrode by patterning the second conductive film, the second insulating film, and the first insulating film so as to include the lower electrode. And a ninth step of forming a capacitive insulating film from the second insulating film and forming a buried insulating film filling the periphery of the lower electrode from the first insulating film. Device manufacturing method.
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