JP4284228B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に誘電体を用いたキャパシタを有する半導体装置の製造方法に関するものである。
強誘電体薄膜を利用した不揮発性メモリである強誘電体メモリ(FeRAM:Ferroelectric Random Access Memory)は、DRAMのキャパシタ部分を強誘電体で置き換えたものであり、次世代メモリとして期待されている。
FeRAMでは、キャパシタ部分にPZT(Pb(ZrTi1−x)O)、BIT(BiTi12)、SBT(SrBiTa)などの強誘電体薄膜を使用する。いずれも酸素八面体を基本構造とするペロブスカイト構造を基本とした結晶構造をもつ。これらの材料は従来のSi酸化膜と異なり、アモルファス状態ではその特徴である強誘電性は発現しないため、使用することができない。よって結晶化するための工程、例えば高温での結晶化熱処理、高温でのIn−situ結晶化プロセスなどが必要となる。材料にもよるが、一般的に少なくとも400−700℃の温度が結晶化のために必要となる。成膜方法としては、MOCVD法、スパッタ法、溶液法(CSD:Chemical Solution Deposition)がある。
上述したような強誘電体材料を利用したFeRAMキャパシタは、キャパシタ膜成膜後の特性は良好であっても、その後の工程であるRIE工程や層間膜形成、配線工程、シンタ処理、モールド時などのプロセス時に、Hの拡散などによる工程ダメージを受け、キャパシタ特性が劣化する問題があった。
そこで、キャパシタへの後工程でのダメージ自体を低減するために、保護膜が使用されている。特許文献1には、保護膜としてAl酸化膜をキャパシタ上層部に利用することにより、ダメージを回避するキャパシタセルが開示されている。Al酸化膜の製造方法としてはスパッタ法、CVD法などが有るが、高集積化にともなう微細加工において段差被膜性の高いALD(atomic layer deposition)法が特許文献2に開示されている。
一方、FeRAMを安定に動作させるために、FeRAMキャパシタの周辺回路部に電力安定用のキャパシタが用いられている。PZTは大きな誘電率を持つため、FeRAMキャパシタの周辺回路部でもPZTキャパシタを安定化電源用に用いることが試みられている。例えば特許文献3には、メモリセルアレイ領域に強誘電体キャパシタを形成し、同時に周辺回路領域にダミーキャパシタを形成する技術が開示されている。また特許文献4には、メモリセル強誘電体キャパシタを周辺回路キャパシタと同時に形成する技術が開示されている。しかし、PZTキャパシタはリーク電流が大きく、キャパシタ容量を上げるための薄膜化が困難であるという問題がある。
特開2001−36026号公報 特開2002−43541号公報 特開2002−343942号公報 USP6,404,001号公報
本発明の目的は、工程を簡略化して、強誘電体キャパシタの周辺回路部に良好な電気特性を有する補助用キャパシタを配置した半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明の一形態の半導体装置の製造方法は、半導体基板におけるメモリセル部から周辺回路部に対応する領域上に、絶縁膜を介在して下部電極を形成する工程と、前記下部電極における前記メモリセル部上に強誘電体膜を形成する工程と、前記強誘電体膜上に第1の上部電極を形成し、前記下部電極、前記強誘電体膜及び前記第1の上部電極で強誘電体キャパシタを形成する工程と、前記強誘電体キャパシタを覆うとともに前記周辺回路部の前記下部電極上に、耐水素バリア性の保護膜を形成する工程と、前記周辺回路部の前記保護膜上に第2の上部電極を形成し、前記下部電極、前記保護膜及び前記第2の上部電極で補助用キャパシタを形成する工程とを備えている。
また、半導体基板におけるメモリセル部に対応する領域上に、絶縁膜を介在して第1の下部電極、強誘電体膜及び第1の上部電極を積層した強誘電体キャパシタを形成する工程と、前記半導体基板における周辺回路部の前記絶縁膜上に、第2の下部電極を形成する工程と、前記強誘電体キャパシタを覆うとともに前記周辺回路部の前記第2の下部電極上に、耐水素バリア性の保護膜を形成する工程と、前記周辺回路部の前記保護膜上に第2の上部電極を形成し、前記第2の下部電極、前記保護膜及び前記第2の上部電極で補助用キャパシタを形成する工程とを備えている。
本発明によれば、工程を簡略化して、強誘電体キャパシタの周辺回路部に良好な電気特性を有する補助用キャパシタを配置した半導体装置の製造方法を提供できる。
以下、実施の形態を図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1、図2、図3は、本第1の実施の形態に係るFeRAMの製造プロセスを示す断面図である。本第1の実施の形態では、キャパシタ下に位置するプラグ材にタングステンを用いたCOP型FeRAMセルについて述べる。
まず、図1の(a)に示すように、P型Si基板(半導体基板)S表面のトランジスタ活性領域以外の領域に、素子分離のための溝を形成し、該溝内にSiOを埋め込んで素子分離領域101を形成する(Sallow Trench Isolation)。続いて、スイッチ動作を行うためのトランジスタを形成する。
まず、Si基板S全面に熱酸化により厚さ6nm程度の酸化膜102を形成し、続いて酸化膜102全面にヒ素をドープしたn+型多結晶シリコン膜103を形成し、さらに多結晶シリコン膜103上にWSi膜104を、WSi膜104上に窒化膜105を形成する。その後、多結晶シリコン膜103、WSi膜104,及び窒化膜105を通常の光リソグラフィ法及びRIE法により加工し、ゲート電極100を形成する。
さらに、窒化膜106を堆積し、RIEによる側壁残しの手法によってゲート電極100側壁にスペーサ部を設ける。同時に、プロセスの詳細は省くが、イオン注入法及び熱処理によってソース・ドレイン領域107を形成する。
次に、図1の(b)に示すように、全面にCVD酸化膜108を堆積後、一旦CMP法により平坦化を行い、トランジスタの一方のソース・ドレイン領域107に連通するコンタクトホール109を形成する。この後、スパッタ法あるいはCVD法により薄いチタン膜を堆積し、フォーミングガス中で熱処理を行うことによってTiN膜110を形成する。続いて、CVDタングステン111を全面に堆積し、CMP法によりコンタクトホール109外の領域からタングステン111を除去し、コンタクトホール109内にタングステンを埋め込む。
その後、全面にCVD窒化膜112を堆積し、さらにトランジスタの他方のソース・ドレイン領域107に連通するコンタクトホール113を形成し、同様にしてTiN膜114を形成し、タングステン115をコンタクトホール113内に埋め込み、キャパシタに連通するプラグを形成する。
この後、図2の(a)に示すように、スパッタ法により厚さ10nmの炭化ケイ素膜116をCVD窒化膜112全面に堆積し、続いてスパッタ法により厚さ3nm程度のチタン膜117を炭化ケイ素膜116上全面に堆積する。この後、チタン膜117上全面にキャパシタ下部電極200となる厚さ30nmのイリジウム膜118と厚さ20nmの第1の白金膜119とをスパッタ法にて形成する。
さらに、第1の白金膜119上にキャパシタ誘電体膜300となるPZT膜120をスパッタ法により形成し、一旦酸素雰囲気中での急速加熱処理(RTA)によりPZT膜120の結晶化を行う。この後、PZT膜120上にキャパシタ上部電極400となる第2の白金膜121をスパッタ法により形成する。
その後、スパッタ法により第2の白金膜121上に第1の保護膜122としてAl膜を形成する。膜厚は5nmとした。続いて、第1の保護膜122上に加工マスク材としてCVD酸化膜123を堆積し、光リソグラフィ法とRIE法によって該CVD酸化膜123をパターンニングしフォトレジストを除去した後、第1の保護膜122、第2の白金膜121、及びPZT膜120をRIE法によってエッチング加工する。
次に、ALD法により全面に第2の保護膜124としてAl膜を形成する。成膜温度は200℃、膜厚は10nmとした。この場合、第2の保護膜124がキャパシタ下部電極200となる第1の白金膜119の上面に接する。続いて、第2の保護膜124上に、周辺回路部の安定化電源用キャパシタ(補助用キャパシタ)の上部電極となるTiN膜125をスパッタ法により形成する。膜厚は50nmとした。次に、レジストマスク126を利用した光リソグラフィ法とRIE法の組合せによってTiN膜125を加工し、周辺回路部の安定化電源用キャパシタの上部電極を形成する。
次に、図2の(b)に示すように、全面にキャパシタAと周辺回路部の安定化電源用キャパシタBの下部電極の加工マスク材としてCVD酸化膜127を堆積する。その後、まず、レジストマスク128を用いた光リソグラフィ法とRIE法の組合せによってCVD酸化膜127を加工し、引き続いて、この酸化膜マスクを用いて第2の保護膜124、第1の白金膜119、イリジウム膜118、チタン膜117、炭化ケイ素膜116の順にパターニング加工を行い、強誘電体キャパシタA及び周辺回路部の安定化電源用キャパシタBの形成を完了する。
この後、図3に示すように、ALD法により全面に第3の保護膜129としてAl膜を形成する。成膜温度は200℃、膜厚は10nmとした。続いてALD法により第3の保護膜129上に厚さ50nmのCVD酸化膜130を堆積する。続いて、CVD酸化膜130上に、第4の保護膜131としてAl膜を形成する。成膜温度は200℃、膜厚は10nmとした。
次に、全面にCVD酸化膜132を堆積して強誘電体キャパシタA及び周辺回路部の安定化電源用キャパシタBを覆い、CMPによる平坦化を行い、光リソグラフィ法とRIE法によってCVD酸化膜132をパターンニングし、強誘電体キャパシタAの第2の白金膜121及び周辺回路部の安定化電源用キャパシタBのTiN膜125へのコンタクトホールC1,C2を形成する。続いて、加工時にPZT膜120に生じたダメージを除去するために、酸素雰囲気下で600℃程度の熱処理を行う。
この後、図示しないが、ドライブ線、ビット線の形成、さらに上層メタル配線の工程を経て、FeRAMが完成することになる。
次に、安定化電源用キャパシタの役割について図4を参照して説明する。FeRAMセル部は、FeRAMキャパシタと駆動用回路(以下、FeRAMセル部)501からなり、このFeRAMセル部501には電源502から電力が供給される。カードに用いられるような混載デバイスでは、電源502とFeRAMセル部501との間に電源安定化用のキャパシタ503を並列に接続する必要がある。これは、面積の制約から十分に安定な電源を作ることが困難なためである。また、FeRAMセル部501の動作時に操作ミス等により外部からの電源供給が断たれた際に、記録されているデータを保護するためである。
本第1の実施の形態では、安定化電源用キャパシタBの絶縁膜として、強誘電体キャパシタAの第2の保護膜124として使用しているAl膜を用いることで、十分な容量を持つ安定化電源用キャパシタを、工程を増やすことなく作製できる。
また、本第1の実施の形態では強誘電体キャパシタAの第2の保護膜124(Al膜)を周辺回路部の安定化電源用キャパシタBの絶縁膜に利用しているが、プロセスを適宜変更することにより第1から第4の保護膜122,124,129,131のいずれを利用することも可能である。さらに、本第1の実施の形態では強誘電体キャパシタの下部電極と周辺回路部のキャパシタの下部電極とが同一の材料の膜(118,119)で形成されているが、強誘電体キャパシタの下部電極とは別に周辺回路部のキャパシタの下部電極を形成して、それらの上に保護膜を堆積させ、周辺回路部のキャパシタの絶縁膜として利用することにより、周辺回路部のキャパシタを形成することも可能である。
(第2の実施の形態)
図5は、本第2の実施の形態に係るFeRAMの製造プロセスを示す断面図である。本第2の実施の形態では、FeRAMのキャパシタを1つの工程でエッチングして形成した例について述べる。
本第2の実施の形態においても、トランジスタの形成、FeRAMキャパシタに連通するプラグの形成、FeRAMキャパシタの成膜までの工程は、第1の実施の形態と同様である。
その後、図5の(a)に示すように、第1の保護膜122上に加工マスク材としてCVD酸化膜223を堆積し、光リソグラフィ法とRIE法によって該CVD酸化膜223をパターンニングしフォトレジストを除去した後、第1の保護膜122、第2の白金膜121、PZT膜120、第1の白金膜119、イリジウム膜118、チタン膜117、及び炭化珪素膜116をRIE法によってエッチング加工し、強誘電体キャパシタA’を形成する。
次に、ALD法により全面に第2の保護膜224としてAl膜を形成する。成膜温度は200℃、膜厚は10nmとした。続いて、第2の保護膜224上に、CVD酸化膜225を50nm堆積する。続いて、周辺回路部の安定化電源用キャパシタB’の下部電極となるTiN膜をスパッタ法により形成する。膜厚は50nmとした。次に、光リソグラフィ法とRIE法の組合せによって該TiN膜をパターンニングして、周辺回路部の安定化電源用キャパシタB’の下部電極226を形成する。
次に、図5の(b)に示すように、ALD法により全面に第3の保護膜227としてAl膜を形成する。成膜温度は200℃、膜厚は10nmとした。続いて、周辺回路部の安定化電源用キャパシタB’の上部電極となるTiAlN膜をスパッタ法により形成する。膜厚は50nmとした。次に、光リソグラフィ法とRIE法の組合せによって該TiAlN膜をパターンニングして上部電極228を形成する。
次に、全面にCVD酸化膜229を堆積して強誘電体キャパシタA’及び周辺回路部の安定化電源用キャパシタB’を覆い、CMPによる平坦化を行い、光リソグラフィ法とRIE法によってCVD酸化膜229をパターンニングし、強誘電体キャパシタA’の第2の白金膜121及び周辺回路部の安定化電源用キャパシタB’の上部電極228へのコンタクトホールC1’,C2’を形成する。続いて、加工時にPZT膜120に生じたダメージを除去するために、酸素雰囲気下で600C、1時間程度の熱処理を行う。
この後、図示しないが、ドライブ線、ビット線の形成、さらに上層メタル配線の工程を経て、FeRAMが完成することになる。
本第2の実施の形態では、FeRAMキャパシタを1つの工程のエッチングで形成できるとともに、安定化電源用キャパシタB’の絶縁膜として、強誘電体キャパシタA’の第3の保護膜227として使用しているAl膜を用いることで、強誘電体キャパシタA’の第3の保護膜と安定化電源用キャパシタB’の絶縁膜とが繋がった状態にあり、十分な容量を持つ安定化電源用キャパシタを、工程を増やすことなく作製できる。
なお、上記各実施の形態においては、FeRAMキャパシタの材料として強誘電体膜にPZT、上部電極と下部電極に白金を用いているが、このような材料に限定されることはない。たとえば、強誘電体膜としてSBTを用いることも可能である。また、電極としてイリジウム、ルテニウム、あるいはストロンチウムルテニウム酸化物のような化合物導電体も使用することが可能である。また、周辺回路部のキャパシタの構造は平面形状だけでなく、立体形状にすることにより、周辺回路部のキャパシタの容量を増加させることも可能である。
上記各実施の形態は、FeRAMや高誘電体キャパシタを有するDRAMにおけるキャパシタプロセスのように、キャパシタ形成工程におけるRIE工程やプラズマCVD工程により生じるダメージを回避または軽減する目的で保護膜を使用する構造において、工程数の増加を抑えつつ、十分な容量を有する周辺回路の安定化電源用のキャパシタを提供する新たな装置構造ならびにその製造方法を提案している。
Al酸化膜は耐水素バリア性を有し、RIE工程やプラズマCVD工程、さらにはシンタ工程からキャパシタ特性の劣化を防ぐ保護膜として有効である。通常、Al酸化物はスパッタ法により成膜される。FeRAMキャパシタは、1M程度の集積度の場合はキャパシタ側面のテーパ角度が60度程度であるが、高集積化にともなう微細化のために、キャパシタ側面のテーパ角度は85度以上になる。この場合、スパッタ法ではキャパシタ側面へのAl酸化膜の堆積は困難になってくる。一方、CVD法によるAl酸化膜の成膜は段差被膜性が良く、特にALD(atomic layer deposition)法は段差被膜性、膜厚制御性に優れている。
また、Al酸化膜は誘電率が高く、キャパシタ絶縁膜としても有効な性質を有している。特に、ALD(CVD)法により作製したAl酸化膜は絶縁性が高く、より大きな容量のキャパシタを得ることが可能となる。したがって、周辺回路の電源安定化用のキャパシタ絶縁膜としてAl酸化膜を用いることで、容量の大きなキャパシタを得ることが可能となる。通常、この安定化電源用のキャパシタは、強誘電体キャパシタとは別に作製することになるが、成膜過程中の強誘電体キャパシタの保護膜を利用することにより、工程削減が可能となる。さらには、安定化電源用キャパシタの下部電極を強誘電体キャパシタの下部電極と同一の膜から作成することにより、さらなる工程削減が可能となる。
本実施の形態によれば、強誘電体キャパシタを利用したFeRAMの保護膜を周辺回路領域の電源安定化用キャパシタの絶縁膜として利用することにより、良好な電気特性を有する電源安定化用キャパシタを実現できる。また、FeRAMに限らず高誘電体キャパシタを用いたDRAM等、Hバリア膜を必要とする半導体装置においても、優れた安定化電源用キャパシタを配置する構造をもつ半導体装置を実現できる。すなわち本実施の形態によれば、FeRAMのキャパシタの保護膜を周辺回路部のキャパシタの絶縁膜に用いることにより、工程を簡略化できるとともに、安定した電源を供給するためのキャパシタを提供することが可能になり、微細でかつ高密度・高集積なFeRAMを製造工程数を抑えて提供することができる。
なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
第1の実施の形態に係るFeRAMの製造プロセスを示す断面図。 第1の実施の形態に係るFeRAMの製造プロセスを示す断面図。 第1の実施の形態に係るFeRAMの製造プロセスを示す断面図。 第1の実施の形態に係る安定化電源用キャパシタの役割を示す図。 本第2の実施の形態に係るFeRAMの製造プロセスを示す断面図。
符号の説明
S…Si基板 100…ゲート電極 200…キャパシタ下部電極 300…キャパシタ誘電体膜 400…キャパシタ上部電極 101…素子分離領域 102…酸化膜 103…多結晶シリコン膜 104…WSi膜 105…窒化膜 106…窒化膜 107…ソース・ドレイン領域 108…CVD酸化膜 109…コンタクトホール 110…TiN膜 111…CVDタングステン 112…CVD窒化膜 113…コンタクトホール 114…TiN膜 115…タングステン 116…炭化ケイ素膜 117…チタン膜 118…イリジウム膜 119…第1の白金膜 120…PZT膜 121…第2の白金膜 122…第1の保護膜 123…CVD酸化膜 124…第2の保護膜 125…TiN膜 126…レジストマスク 127…CVD酸化膜 128…レジストマスク 129…第3の保護膜 130…CVD酸化膜 131…第4の保護膜 132…CVD酸化膜 223…CVD酸化膜 224…第2の保護膜 225…CVD酸化膜 226…下部電極 227…第3の保護膜 228…上部電極 229…CVD酸化膜 A,A’…強誘電体キャパシタ B,B’…安定化電源用キャパシタ C1,C1’,C2,C2’…コンタクトホール

Claims (6)

  1. 半導体基板におけるメモリセル部から周辺回路部に対応する領域上に、絶縁膜を介在して下部電極を形成する工程と、
    前記下部電極における前記メモリセル部上に強誘電体膜を形成する工程と、
    前記強誘電体膜上に第1の上部電極を形成し、前記下部電極、前記強誘電体膜及び前記第1の上部電極で強誘電体キャパシタを形成する工程と、
    前記強誘電体キャパシタを覆うとともに前記周辺回路部の前記下部電極上に、耐水素バリア性の保護膜を形成する工程と、
    前記周辺回路部の前記保護膜上に第2の上部電極を形成し、前記下部電極、前記保護膜及び前記第2の上部電極で補助用キャパシタを形成する工程と
    を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 半導体基板におけるメモリセル部に対応する領域上に、絶縁膜を介在して第1の下部電極、強誘電体膜及び第1の上部電極を積層した強誘電体キャパシタを形成する工程と、
    前記半導体基板における周辺回路部の前記絶縁膜上に、第2の下部電極を形成する工程と、
    前記強誘電体キャパシタを覆うとともに前記周辺回路部の前記第2の下部電極上に、耐水素バリア性の保護膜を形成する工程と、
    前記周辺回路部の前記保護膜上に第2の上部電極を形成し、前記第2の下部電極、前記保護膜及び前記第2の上部電極で補助用キャパシタを形成する工程と
    を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 前記補助用キャパシタは安定化電源用のキャパシタであることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記強誘電体キャパシタは、前記メモリセル部に形成されスイッチ動作を行うためのトランジスタのソース領域またはドレイン領域に接続され、前記トランジスタとともにFeRAMセルを構成することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記保護膜は、Al酸化物からなることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記Al酸化物は、ALD(atomic layer deposition)法で形成されることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
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