JP4365712B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、強誘電体メモリに好適な半導体装置の製造方法に関する。
不揮発性メモリは、電源がオフの時でもデータを保持することができる半導体メモリである。また、不揮発性メモリの一種として、容量絶縁膜の材料として強誘電体を用いた強誘電体メモリがある。
強誘電体メモリは、極性の異なる2つの残留分極特性を利用しており、電源をオフにしてもデータを保持することができる。不揮発性の目安になる書き換え回数は1010回〜1012回であり、他の不揮発性メモリと比較して多い。また、書き換え速度は数十nsのオーダであり、高速である。
強誘電体メモリにおいて、強誘電体は、相反する2つの方向に分極することができる。一方の方向に分極していることを“1”の情報とし、反対の方向に分極していることを“0”の情報とすれば、分極方向を区別することによって、記憶している情報を判別することが可能となる。強誘電体の分極の方向は、分極を切り換えるのに十分な電位を与えることにより、感知することができる。
なお、容量絶縁膜が強誘電体ではなく常誘電体から構成されている場合、分極は電極間に電位差がある時のみ維持され、電位差が取り除かれると分極は消失する。従って、情報は維持されない。
強誘電体としては、鉛系強誘電体及びビスマス系強誘電体が挙げられる。鉛系強誘電体としては、PZT(PbZrxTi1-x3)、PLZT(PbyLa1-yZrxTi1-x3)等が挙げられる。ビスマス系強誘電体としては、SBT(SrBi2Ta29)、BIT(Bi4Ti312)等が挙げられる。
これらの強誘電体キャパシタを用いたシステムLSIは、ICカード及びスマートカード等のマネー情報及び個人情報を取り扱う機器に使用されることがあるため、極めて信頼性が高いことが要求されている。また、これらのシステムLSIでは、10年の記憶保持年数、1015回の書き換え回数、−45℃〜+125℃での安定動作保証が必要とされている。
図8は、従来の強誘電体メモリの一部を示す断面図である。半導体基板101の上方に層間絶縁膜104が形成され、その上に強誘電体キャパシタ105が形成されている。強誘電体キャパシタ105には、Pt膜からなる下部電極106、PZT膜からなる容量絶縁膜107及びPt膜からなる上部電極108が設けられている。半導体基板101の表面には、素子分離絶縁膜102及びトランジスタ103が形成されている。層間絶縁膜104内にはコンタクトプラグ109が埋め込まれている。コンタクトプラグ109は、トランジスタ103の拡散層まで到達している。層間絶縁膜104上には、強誘電体キャパシタ105を覆う絶縁膜110が形成されており、この絶縁膜110には、上部電極108まで到達するコンタクトホールが形成されている。そして、コンタクトプラグ109と上部電極108とを繋ぐAl配線111が形成されている。
このような従来の強誘電体メモリにおいて、強誘電体キャパシタの容量を大きくするための方法として、容量絶縁膜107の面積を拡大することが挙げられるが、容量絶縁膜107の面積の拡大はチップ面積の拡大に直接繋がってしまう。また、微細化が進められると、それに伴って容量を低下させざるを得ない状態となっている。また、より高い残留分極電荷量も求められている。
特許第3435966号公報 特開平6−21338号公報
本発明は、微細化が進められても高い容量を得ることができ、好ましくは高い残留分極量をも得ることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
発明に係る半導体装置の製造方法では、単結晶基板上に前記単結晶基板の配向を引き継ぐ絶縁膜を形成した後に、前記絶縁膜上に一対の電極をこれらが並ぶ方向が前記基板の主面と平行になるように配置する。そして、前記一対の電極の間に前記絶縁膜の配向を引き継ぐ強誘電体膜を形成する。
本発明によれば、強誘電体キャパシタを構成する一対の電極が基板の主面に平行に配置されるため、容量絶縁膜たる強誘電体膜の面積を拡大してもチップ面積の拡大を回避することができる。また、強誘電体膜の配向を制御すれば、電界の印加方向と分極軸方向とを揃えて高い残留分極電荷量を得ることも可能である。
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。但し、ここでは、便宜上、強誘電体メモリの断面構造については、その製造方法と共に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る方法によって製造する強誘電体メモリ(半導体装置)のメモリセルアレイの構成を示す回路図である。
このメモリセルアレイには、一の方向に延びる複数本のビット線3、並びにビット線3が延びる方向に対して垂直な方向に延びる複数本のワード線4及びプレート線5が設けられている。全てのプレート線5は互いに共通接続されており、その電位は一定とされている。また、これらのビット線3、ワード線4及びプレート線5が構成する格子と整合するようにして、複数個の本実施形態に係る強誘電体メモリのメモリセルがアレイ状に配置されている。各メモリセルには、強誘電体キャパシタ1及びMOSトランジスタ2が設けられている。
MOSトランジスタ2のゲートはワード線4に接続されている。また、MOSトランジスタ2の一方のソース・ドレインはビット線3に接続され、他方のソース・ドレインは強誘電体キャパシタ1の一方の電極に接続されている。そして、強誘電体キャパシタ1の他方の電極がプレート線5に接続されている。なお、各ワード線4及びプレート線5は、それらが延びる方向と同一の方向に並ぶ複数個のMOSトランジスタ2により共有されている。同様に、各ビット線3は、それが延びる方向と同一の方向に並ぶ複数個のMOSトランジスタ2により共有されている。ワード線4及びプレート線5が延びる方向、ビット線3が延びる方向は、夫々行方向、列方向とよばれることがある。
このように構成された強誘電体メモリのメモリセルアレイでは、強誘電体キャパシタ1に設けられた強誘電体膜の分極状態に応じて、データが記憶される。
(第1の実施形態)
次に、本発明の第1の実施形態について説明する。図2−1乃至図2−7は、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。
本実施形態では、先ず、Si基板1の表面に、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13及びソース・ドレイン拡散層14等を備えたMOSトランジスタを形成する。このMOSトランジスタが図1中のMOSトランジスタ2に相当する。なお、Si基板1の表面は(001)面とする。また、MOSトランジスタを形成する前又は後に、素子分離絶縁膜(図示せず)をSi基板1の表面に形成する。
次に、全面に層間絶縁膜15をエピタキシャル成長法により形成する。層間絶縁膜15としては、Si基板1の配向を引き継ぐことができるもの、例えば酸化ジルコニウム膜を形成する。次いで、層間絶縁膜15に、ソース・ドレイン拡散層14まで到達するコンタクトホールを形成し、その中にWプラグ16を形成する。
その後、図2−2に示すように、全面に絶縁膜17を形成する。絶縁膜17としては、層間絶縁膜15の配向を引き継ぐことができるもの、例えば酸化ジルコニウム膜を形成する。続いて、絶縁膜17のパターニングを行うことにより、絶縁膜17に引き出し配線用の開口部を形成する。そして、開口部内にPt膜18を埋め込む。
更に、図2−3に示すように、全面に絶縁膜19を形成する。絶縁膜19としては、絶縁膜17の配向を引き継ぐことができるもの、例えば酸化ジルコニウム膜を形成する。続いて、絶縁膜19のパターニングを行うことにより、絶縁膜19に引き出し配線用の開口部を形成する。そして、開口部内にPt膜20を埋め込む。なお、絶縁膜19を形成した後には、X線回折等により、絶縁膜19の配向を確認しておくことが望ましい。
次に、図2−4に示すように、全面に、単結晶又は多結晶のPt膜21をエピタキシャル成長法により形成する。このとき、Pt膜21は絶縁膜19の配向を引き継いで、Pt膜21の表面が(001)面となる。又は、Ptの自己配向により、Pt膜21の表面を(111)面とすることもできる。
次いで、図2−5に示すように、Pt膜21のパターニングを行うことにより、Pt膜21に開口部を形成すると共に、電極22を形成する。このとき、隣り合う電極22同士を結ぶ直線が絶縁膜19の[110]方向と平行になるようにする。
その後、図2−6に示すように、電極22間にPZT膜23を形成する。このとき、PZT膜23は絶縁膜19の配向の影響を受け、Si基板11の表面に平行な面内では、絶縁膜19の[110]方向とPZT膜23の[100]方向とが平行になる。即ち、隣り合う電極22同士を結ぶ直線とPZT膜23の[100]方向とが平行になる。2個の電極22及びPZT膜23から強誘電体キャパシタが構成される。この強誘電体キャパシタが図1中の強誘電体キャパシタ1に相当する。
続いて、図2−7に示すように、絶縁膜24及びプレート線25を形成する。そして、更に上層の配線等を形成して強誘電体メモリを完成させる。なお、ゲート電極13が図1中のワード線4に相当し、ソース・ドレイン拡散層13のうち電極22に接続されていないものが、図1中のビット線3に接続される。
このようにして製造された第1の実施形態に係る強誘電体メモリにおいては、2個の電極22間に印加される電界の方向とPZT膜23の[100]方向(分極軸方向)とが互いに平行になる。従って、高い分極量を得ることができる。また、強誘電体キャパシタを構成する2個の電極22が、膜厚方向ではなくSi基板11の表面に平行な方向に並んでいる。従って、平面視での強誘電体キャパシタの面積を、従来のものと比較して小さくすることができる。
従来、強誘電体キャパシタの強誘電体膜は、スパッタ法又はゾル−ゲル法等により形成されており、その残留分極電荷量は、20μC/cm2〜25μC/cm2程度である。これに対し、本実施形態では、30μC/cm2程度の残留分極電荷量が得られる。
また、このようにして製造された強誘電体メモリの等価回路図を図3に示す。2個の強誘電体キャパシタ21が1個の強誘電体キャパシタ1に相当する。MOSトランジスタ22がMOSトランジスタ2に相当する。ビット線23がビット線3に相当し、ワード線24がワード線4に相当し、プレート線25がプレート線5に相当する。このように、本実施形態では、1個のMOSトランジスタ22に対して2個の強誘電体キャパシタ21が接続されているため、従来に比べて高い容量を得ることもできる。
ここで、第1の実施形態に係る強誘電体キャパシタの動作について説明する。図4は、強誘電体キャパシタの初期状態を示す図であり、図5は、強誘電体キャパシタに電界が印加された状態を示す図である。
図4に示すように、製造直後等、電界が印加されておらず、かつ残留分極も存在しない状態では、例えば1個のMOSトランジスタ22に接続された2個の強誘電体キャパシタ21の分極方向は互いに相違している。
これに対し、MOSトランジスタ22を介してビット線23から強誘電体キャパシタ21の一方の電極22に電圧が印加されると、その電圧値に応じて、1個のMOSトランジスタ22に接続された2個の強誘電体キャパシタ21の分極方向が揃う。なお、図5(b)には、2組の強誘電体キャパシタ21に対して、プレート線25の電位を基準として、互いに異なる極性の電圧が印加された状態を示してある。
このような分極は、強誘電体メモリの全体に対する電源の供給が切られた後でも残留し、この分極方向に対応する情報の記憶が維持されるのである。
なお、MOSトランジスタ22のソース−ドレインを結ぶ直線の方向と2個の電極22間に印加される電界の方向(PZT膜23の[100]方向)との関係については、図2−1乃至図2−7では、図の簡素化のために互いに平行としているが、特に平行である必要はない。
また、より一層高い容量値が要求される場合には、強誘電体キャパシタの電界の印加方向に対して垂直な方向の長さを長くしたり、高さを高くしたりすればよい。好ましい寸法の一例を図6に示す。即ち、強誘電体キャパシタを構成する一対の電極22の間隔を、その高さよりも狭くすることが好ましい。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図7−1乃至図7−3は、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。
本実施形態では、主にコンタクトプラグ、引き回し配線及び電極の材料及び構造が第1の実施形態と相違している。例えば、図7−1に示すように、コンタクトプラグとして、Wプラグ16(第1の実施形態)ではなく、TiNプラグ36を形成する。また、引き回し配線として、Pt膜18及び20ではなく、TiN膜38及び40を形成する。また、これらのTiNプラグ36並びにTiN膜38及び40としては、Si基板11の配向(表面:(001)面)を引き継ぐ単結晶からなるものを形成する。従って、Ti膜40の表面は(001)面となる。
これらを形成した後、第1の実施形態におけるPt膜21の形成と同様に、全面に単結晶のTiN膜(図示せず)を形成し、このパターニングを行うことにより、図7−1に示すように、TiNからなる電極の基部42aを形成する。この基部42aの表面も(001)面である。
次に、図7−2に示すように、ロングノーズスパッタリング法又はCVD法等により、基部42aの側面に単結晶のPt膜42bを形成する。Pt膜42bは、その自己配向性によりPt膜42bの表面に垂直な方向(Si基板11の表面に平行な方向)は[111]方向となる。このとき、絶縁膜19上等にもPt膜(図示せず)が形成されるが、電極として用いない部分は選択的に除去する。基部42a及びPt膜42bから電極42が構成される。
次いで、図7−3に示すように、第1の実施形態と同様にして、電極42の間にPZT膜23を形成する。このとき、PZT膜23はPt膜42bの配向の影響を受ける。この結果、2個の電極42間に印加される電界の方向とPZT膜23の[111]方向とが一致する。従って、高い分極量を得ることができる。
その後、プレート線及び上層の配線等(図示せず)を形成して強誘電体メモリを完成させる。
このような第2の実施形態によっても、第1の実施形態と同様に、平面視での強誘電体キャパシタの面積を従来のものと比較して小さくすることができる。また、コンタクトプラグ及び引き回し配線の配向によって容量絶縁膜(PZT膜23)の配向が制御され、高い分極量が得られる。従って、層間絶縁膜15等がSi基板11の配向を引き継ぐ必要はなく、その材料は酸化ジルコニウム等でなくてもよい。
なお、第1及び第2の実施形態では、強誘電体キャパシタを構成する電極及び強誘電体膜の下地膜の配向を利用しているが、電極の材料がPt等のように自己配向性を具えている場合には、必ずしも下地膜の配向を利用せずとも強誘電体膜の配向を制御することができる。例えば、強誘電体キャパシタの直下の絶縁膜をアモルファス状態のSi酸化膜とし、その上にPt膜を形成した場合、Pt膜の表面は、Ptの自己配向性によって、(111)面となる。そして、X線回折等によりPt膜の配向を確認した上で、電界の印加方向と強誘電体膜の分極軸方向とができるだけ近くなるようにPt膜のパターンを決定すればよい。なお、Pt膜のパターンの決定に当たっては、必ずしもSi基板11の表面に対して垂直なエッチングを想定する必要はなく、Si基板11の表面に対して垂直な方向から傾斜した方向からのエッチングを想定してもよい。例えば、(001)面は(111)面から54.7度傾斜していることを考慮して、Pt膜の側壁を傾斜させるエッチングを想定してもよい。
なお、電極の材料はPt又はTiNに限定されず、Ir及びRu等の貴金属又はSrRuO3、YBCO及びLSCO等の導電性酸化物を用いてもよい。また、強誘電体膜の材料もPZTに限定されず、PLZTのようにPbを含有したペロブスカイト系強誘電体又はSBT、BLT及びBITのようにBiを含有したBi層状系強誘電体を用いてもよい。
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
(付記1)
基板と、
前記基板上に形成されたトランジスタと、
前記基板の主面上に当該主面と平行に配置された一対の電極と、
前記一対の電極の間に形成された強誘電体膜と、
を有し、
前記一対の電極の一方は、前記トランジスタに接続されていることを特徴とする半導体装置。
(付記2)
前記一対の電極と前記強誘電体膜との組み合わせ、及び前記トランジスタが複数設けられており、
1個の前記トランジスタに前記一方の電極が2個接続されていることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
前記一対の電極を結ぶ直線と前記強誘電体膜の分極軸方向とが実質的に互いに平行であることを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記一対の電極の間隔は、前記一対の電極の高さよりも狭いことを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記5)
前記強誘電体膜は、Pbを含有するペロブスカイト系強誘電体からなることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記6)
前記強誘電体膜は、Biを含有するBi層状系強誘電体からなることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記7)
基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に一対の電極を前記基板の主面に平行に配置する工程と、
前記一対の電極の間に強誘電体膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記8)
前記基板として、単結晶基板を用い、
前記絶縁膜として、前記単結晶基板の配向を引き継ぐ膜を形成し、
強誘電体膜として、前記絶縁膜の配向を引き継ぐ膜を形成することを特徴とする付記7に記載の半導体装置の製造方法。
(付記9)
前記絶縁膜として、酸化ジルコニウム膜を形成することを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記電極を配置する工程は、
前記絶縁膜上に導電膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の配向と前記強誘電体膜の配向との関係に基づき、前記一対の電極を結ぶ直線と前記強誘電体膜の分極軸方向とが実質的に互いに平行となるように、前記導電膜をパターニングする工程と、
を有することを特徴とする付記8又は9に記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記基板として、単結晶基板を用い、
前記絶縁膜の形成と並行して、前記基板の配向を引き継ぎ、前記電極に接続される引き回し配線を形成し、
前記電極として、前記引き回し配線の配向を引き継ぐ電極を形成することを特徴とする付記7に記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
前記引き回し配線として、TiN膜を形成することを特徴とする付記11に記載の半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記電極を配置する工程は、
前記絶縁膜上に、前記引き回し配線の配向を引き継ぐ第1の導電膜を形成する工程と、
前記第1の導電膜をパターニングする工程と、
前記第1の導電膜の側面に、前記一対の電極を結ぶ直線と前記強誘電体膜の分極軸方向とのなす角を前記第1の導電膜が露出している場合よりも小さくする第2の導電膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記11又は12に記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)
前記電極を配置する工程は、
前記絶縁膜上に、自己配向性を有する導電膜を形成する工程と、
前記導電膜を、前記一対の電極を結ぶ直線と前記強誘電体膜の分極軸方向とのなす角が最も小さくなるようにパターニングする工程と、
を有することを特徴とする付記7に記載の半導体装置の製造方法。
(付記15)
前記絶縁膜を形成する工程の前に、前記一対の電極の一方が接続されるトランジスタを前記基板上に形成する工程を有することを特徴とする付記7乃至14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記16)
前記一対の電極と前記強誘電体膜との組み合わせ、及び前記トランジスタを複数形成し、
1個の前記トランジスタに前記一方の電極を2個接続することを特徴とする付記15に記載の半導体装置の製造方法。
(付記17)
前記電極として、貴金属からなる電極を形成することを特徴とする付記7乃至16のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記18)
前記電極として、導電性酸化物からなる電極を形成することを特徴とする付記7乃至16のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記19)
前記一対の電極の間隔を、前記一対の電極の高さよりも狭くすることを特徴とする付記7乃至18のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
本発明の実施形態に係る方法によって製造する強誘電体メモリのメモリセルアレイの構成を示す回路図である。 本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。 図2−1に引き続き、第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。 図2−2に引き続き、第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。 図2−3に引き続き、第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。 図2−4に引き続き、第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。 図2−5に引き続き、第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。 図2−6に引き続き、第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る方法により製造された強誘電体メモリの構成を示す等価回路図である。 強誘電体キャパシタの初期状態を示す図である。 誘電体キャパシタに電界が印加された状態を示す図である。 強誘電体メモリの好ましい寸法の一例を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。 図7−1に引き続き、第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。 図7−2に引き続き、第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。 従来の強誘電体メモリの一部を示す断面図である。
符号の説明
1:強誘電体キャパシタ
2:MOSトランジスタ
3:ビット線
4:ワード線
5:プレート線
11:Si基板
12:ゲート絶縁膜
13:ゲート電極
14:ソース・ドレイン拡散層
15:層間絶縁膜
16:Wプラグ
17、19、24:絶縁膜
18、20、21:Pt膜
22:電極
23:PZT膜
24:ワード線
25:プレート線
32:MOSトランジスタ
33:ビット線
36:TiNプラグ
38、40:TiN膜
42a:基部
42b:Pt膜
42:電極

Claims (4)

  1. 単結晶基板上に前記単結晶基板の配向を引き継ぐ絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜上に一対の電極をこれらが並ぶ方向が前記基板の主面と平行になるように配置する工程と、
    前記一対の電極の間に前記絶縁膜の配向を引き継ぐ強誘電体膜を形成する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記電極を配置する工程は、
    前記絶縁膜上に導電膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜の配向と前記強誘電体膜の配向との関係に基づき、前記一対の電極を結ぶ直線と前記強誘電体膜の分極軸方向とが実質的に互いに平行となるように、前記導電膜をパターニングする工程と、
    を有することを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 基板上に絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜上に一対の電極をこれらが並ぶ方向が前記基板の主面と平行になるように配置する工程と、
    前記一対の電極の間に強誘電体膜を形成する工程と、
    を有し、
    前記電極を配置する工程は、
    前記絶縁膜上に、自己配向性を有する導電膜を形成する工程と、
    前記導電膜を、前記一対の電極を結ぶ直線と前記強誘電体膜の分極軸方向とのなす角が最も小さくなるようにパターニングする工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 前記絶縁膜を形成する工程の前に、前記一対の電極の一方が接続されるトランジスタを前記基板上に形成する工程を有することを特徴とする請求項乃至のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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