JP4688343B2 - 強誘電体メモリ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は強誘電体キャパシタを有する半導体メモリ装置に関し、特にメモリセルアレイ領域の全域に亘って均一な動作特性を有するメモリセルを形成する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、強誘電体キャパシタを有する半導体メモリ装置が知られている。このような従来の半導体メモリ装置の一例を、ロジック混載FeRAM(Feroelectric Random Access Memory)を用いて説明する。
【0003】
図1は、ロジック混載FeRAMマクロの回路レイアウトの一例を示す。このロジック混載FeRAMマクロは、複数のメモリセルアレイを有し、各メモリセルアレイの図中左右側にセンスアンプが配置され、上下側にワード線ドライバ及びプレート線ドライバが配置されている。更に、これらメモリセルアレイ、センスアンプ並びにワード線ドライバ及びプレート線ドライバによって形成される矩形の一辺の外側にXデコーダが配置され、この一辺に交わる他の一辺の外側にYデコーダが配置されている。そして、メモリセルアレイとセンスアンプとの間、並びに、メモリセルアレイとワード線ドライバ及びプレート線ドライバとの間には隙間が形成されている。この隙間を、以下「接続領域」と呼ぶ。
【0004】
図2は、メモリセルアレイを構成するFeRAMセルの回路図を示す。このFeRAMセルは、図2中に2T2C単位セルとして示すように、2個のトランジスタと2個の強誘電体キャパシタから構成されている。この2T2C構成のFeRAMセルは、2つの強誘電体キャパシタに極性の異なる電圧を印加して情報を保持し、読み出す際には、プレート線を接地電圧から電源電圧に引き上げて、極性が反転する強誘電体キャパシタと反転しない強誘電体キャパシタの電荷を一対のビット線に伝える。そして、一対のビット線の電圧差をセンスアンプで増幅して外部に出力する。
【0005】
図14は、上記のように構成されるロジック混載FeRAMの断面図を示す。このロジック混載FeRAMは、3層配線構造を有し、FeRAMセルが配置されるメモリセルアレイ領域、センスアンプ、ワード線ドライバ及びプレート線ドライバといった周辺回路が配置される周辺回路領域、並びに、これらの間に形成された接続領域とから構成されている。
【0006】
メモリセルアレイ領域では、最上位のアルミ配線(第3金属配線)上に、上部電極と下部電極とから成る強誘電体キャパシタが形成されている。また、接続領域には、上部電極と下部電極とから成るダミーキャパシタ(図14中で斜線を施した部分)が形成されている。このダミーキャパシタは、リソグラフィやドライエッチング工程での2次元効果(近接効果又はパターン疎密効果)を接続領域で防ぎ、メモリセルアレイ領域の強誘電体キャパシタを一定の大きさに形成するように作用する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したアルミ配線上に強誘電体キャパシタを有するロジック混載FeRAMでは、強誘電体キャパシタの形成のために高温(600゜C〜750゜C)でアニールを行うとタングステンから構成されるコンタクトプラグやアルミ配線が損傷する。そこで、比較的低い温度で強誘電体キャパシタを形成できる結晶成長法が用いられている。
【0008】
この場合、コンタクトプラグ及びアルミ配線の信頼性を損なわない温度、例えば成長温度450゜C以下で強誘電体キャパシタを形成することが必須である。一般に、強誘電体であるPZT(Pb(Zrx,Ti1−x)O3)膜の成膜温度を低温にすると結晶性が劣化し、強誘電体特性が劣化する。
【0009】
図15に示した特性1(実線)は、成長温度450゜CでPZT膜を形成した場合の強誘電体特性を示す。この場合、分極が大きい強誘電体キャパシタが得られる。また、特性2(破線)は、成長温度430゜CでPZT膜を形成した場合の強誘電体特性を示す。この場合、分極が小さい強誘電体キャパシタが得られる。
【0010】
図16は、電圧測定のための素子が組み込まれた試験用メモリセルアレイの全FeRAMセルのビット線電圧差を測定してプロットしたものである。この図16では、ビット線電圧差が0Vから1.3V程度までをドットの疎密で表しており、色が濃い部分ほどビット線電圧差が大きいことを表す。各FeRAMセルは、成長温度430゜CでPZT膜を形成することにより製造した。
【0011】
FeRAMセルは、ビット線電圧差が大きい程、動作マージンが大きい。図16を参照すると、右端部及び中央部のFeRAMセルの動作マージンが大きく、上端部及び下端部のFeRAMセルの動作マージンは小さいことが理解できる。この動作マージン(ビット線電圧差)は、図15に示すような強誘電体キャパシタの特性に依存する。即ち、特性1のように分極が大きいと動作マージンが大きく、特性2のように分極が小さいと動作マージンは小さい。
【0012】
図16に示したFeRAMセルの物理的な位置による動作マージンのバラツキは、このようなFeRAMセルの特性の相違によるもので、その原因は、PZT膜を成膜する際の強誘電体キャパシタの下部電極(通常、白金(Pt)が用いられる)の表面温度のバラツキによると考えられる。
【0013】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その目的は、メモリセルアレイの全域に亘って動作マージンが大きいメモリセルが形成された半導体メモリ装置及びその製造方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の強誘電体メモリ装置は、半導体基板と、下層の配線と、上層の配線と、下部電極と、層間絶縁膜と、メモリセルアレイ領域と、周辺回路領域と、接続領域と、熱伝達路とを具備する。ここで、下層の配線は、半導体基板の上に形成されている。上層の配線は、下層の配線の上に形成されている。下部電極は、上層の配線の上に形成されている。層間絶縁膜は、半導体基板、下層および上層の配線ならびに下部電極の間に形成されている。メモリセルアレイ領域では、メモリセルが配列されている。周辺回路領域では、メモリセルに接続された回路がメモリセルアレイ領域の周辺に形成されている。接続領域は、メモリセルアレイ領域および前記周辺回路領域の間に形成されている。熱伝達路は、接続領域および周辺回路領域に配置されて、半導体基板の熱を下部電極へ伝達する。熱伝達路は、ダミーのコンタクトプラグと、ダミーの配線とを具備する。ここで、ダミーのコンタクトプラグは、接続領域に形成されて、半導体基板および下部電極の一部を接続する。ダミーの配線は、上層の配線に形成されて、ダミーのコンタクトプラグおよび周辺回路領域における下部電極の前記一部を接続する。回路は、下層の配線に形成されて、かつ、ダミーの配線の下方に配置されている。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0024】
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る半導体メモリ装置及びその製造方法は、ロジック混載FeRAM及びその製造方法に関する。
【0025】
図1は、本発明の実施の形態1に係るロジック混載FeRAMマクロの回路レイアウトの一例を示す。この回路レイアウトは、従来の技術の欄で説明した従来のロジック混載FeRAMマクロのそれと同じである。
【0026】
即ち、このロジック混載FeRAMマクロは、複数のメモリセルアレイを有し、各メモリセルアレイの図中左右側にセンスアンプが配置され、上下側にワード線ドライバ及びプレート線ドライバが配置されている。更に、これらメモリセルアレイ、センスアンプ並びにワード線ドライバ及びプレート線ドライバによって形成される矩形の一辺の外側にXデコーダが配置され、この一辺に交わる他の一辺の外側にYデコーダが配置されている。そして、メモリセルアレイとセンスアンプとの間、並びに、メモリセルアレイとワード線ドライバ及びプレート線ドライバとの間には接続領域が形成されている。
【0027】
図2は、上記メモリセルアレイを構成するFeRAMセルの回路図を示す。このFeRAMセルの回路図は、従来の技術の欄で説明した従来のロジック混載FeRAMマクロのFeRAMセルの回路図と同じである。即ち、このFeRAMセルは、図2中に2T2C単位セルとして示すように、2個のトランジスタと2個の強誘電体キャパシタから構成されている。この2T2C構成のFeRAMセルは、2つの強誘電体キャパシタに極性の異なる電圧を印加して情報を保持し、読み出す際には、プレート線を接地電圧から電源電圧に引き上げて、極性が反転するキャパシタと反転しないキャパシタの電荷を一対のビット線に伝える。そして、一対のビット線の電圧差をセンスアンプで増幅して外部に出力する。
【0028】
図3は、上記のように構成される本発明の実施の形態1に係るロジック混載FeRAMマクロの断面図を示す。このロジック混載FeRAMは、3層配線構造を有し、FeRAMセルが配置されるメモリセルアレイ領域、センスアンプ、ワード線ドライバ及びプレート線ドライバといった周辺回路が配置される周辺回路領域、並びに、これらの間に形成された接続領域から構成されている。
【0029】
メモリセルアレイ領域では、最上位のアルミ配線(周辺回路領域を構成するために必要な最上層である第3金属配線50)上に、下部電極61、強誘電体膜62及び上部電極63から成る強誘電体キャパシタ70が形成されている。また、接続領域では、強誘電体キャパシタ70と同一構造のダミーキャパシタ70a及び70b(図中斜線で示す部分)が形成されている。更に、周辺回路領域の一部に、強誘電体キャパシタ70と同一構造のダミーキャパシタ70c及び70d(図中斜線で示す部分)が形成されている。
【0030】
これらのダミーキャパシタ70a、70b、70c及び70dの各々の下部電極61は、本発明のダミー電極に対応する。このダミーキャパシタ70a、70b、70c及び70dの下部電極61は、下部電極コンタクトプラグ51、第3金属配線50、第3コンタクトプラグ41、第2金属配線40、第2コンタクトプラグ31、第1金属配線30及び第1コンタクトプラグ21から形成される「熱伝達路」を介してシリコン基板10に熱的に導通されている。
【0031】
次に、本発明の実施の形態1に係るロジック混載FeRAMの製造方法を、図4〜図6に示した各製造工程における断面図を参照しながら説明する。なお、以下では、従来のロジック混載FeRAMの製造方法と異なる部分を中心に説明し、従来と同様の部分の説明は簡略化する。
【0032】
先ず、図4(A)に示すように、シリコン基板10上にCMOSトランジスタが形成される。即ち、素子分離用域13が形成され、その後、シリコン基板10上にpウェル11及びnウェル12が形成される。次いで、ゲート電極20が形成され、周知の方法により、n型拡散層14及びp型拡散層15が形成されてCMOSトランジスタが形成される。この際、接続領域に形成されるゲート電極20aは、ダミーのゲート電極である。
【0033】
次いで、図4(B)に示すように、CMOSトランジスタの上に第1コンタクトプラグ21及び第1層間絶縁膜22が形成され、その上に第1金属配線30が形成される。第1コンタクトプラグ21は、例えばタングステンから構成され、CMOSトランジスタと第1金属配線30とを接続する。接続領域に形成された第1コンタクトプラグ21a及び21b(図中斜線を付した部分)は、シリコン基板10と第1金属配線30とを熱的に導通させる目的で設けられたダミーのコンタクトプラグである。
【0034】
第1層間絶縁膜22は、例えば主成分がシリコン酸化膜から構成され、CMOSトランジスタと第1金属配線30との間を絶縁する。第1金属配線30は、例えばアルミニウムから構成され、このFeRAMに形成される素子間を接続する。接続領域に形成された第1金属配線30a及び30b(図中斜線を付した部分)は、熱を伝達させる目的で設けられたダミーの配線である。
【0035】
次いで、図4(C)に示すように、第1金属配線30の上に第2コンタクトプラグ31及び第2層間絶縁膜32が形成され、その上に第2金属配線40が形成される。第2コンタクトプラグ31は、例えばタングステンから構成され、第1金属配線30と第2金属配線40とを接続する。接続領域に形成された第2コンタクトプラグ31a及び31b(図中斜線を付した部分)は、第1金属配線30と第2金属配線40とを熱的に導通させる目的で設けられたダミーのコンタクトプラグである。
【0036】
第2層間絶縁膜32は、例えばシリコン酸化膜から構成され、第1金属配線30と第2金属配線40との間を絶縁する。第2金属配線40は、例えばアルミニウムから構成され、このFeRAMに形成される素子間を接続する。接続領域に形成された第2金属配線40a、40b、40c及び40d、並びに、接続領域から周辺回路領域に延伸するように形成された第2金属配線40e及び40f(図中斜線を付した部分)は、熱を伝達させる目的で設けられたダミーの配線である。
【0037】
次いで、図5(A)に示すように、第2金属配線40の上に第3コンタクトプラグ41及び第3層間絶縁膜42が形成され、その上に第3金属配線50が形成される。第3コンタクトプラグ41は、例えばタングステンから構成され、第2金属配線40と第3金属配線50とを接続する。接続領域に形成された第3コンタクトプラグ41a及び41b(図中斜線を付した部分)は、第2金属配線40と第3金属配線50とを熱的に導通させる目的で設けられたダミーのコンタクトプラグである。
【0038】
第3層間絶縁膜42は、例えばシリコン酸化膜から構成され、第2金属配線40と第3金属配線50との間を絶縁する。第3金属配線50は、例えばアルミニウムから構成され、このFeRAMに形成される素子間を接続する。接続領域の第3金属配線50a、50b及び50c、並びに、接続領域から周辺回路領域に延伸する第3金属配線50d(図中斜線を付した部分)は、熱を伝達させる目的で設けられたダミーの配線である。
【0039】
次いで、図5(B)に示すように、第3金属配線50の上に下部電極コンタクトプラグ51及び第4層間絶縁膜52が形成され、その上に強誘電体キャパシタ70の下部電極61となるPt/TiN/Tiの積層膜60が成膜される。下部電極コンタクトプラグ51は、例えばタングステンから構成され、第3金属配線50と積層膜60とを接続する。接続領域に形成された第3コンタクトプラグ41a及び41b、並びに周辺回路領域に形成された第3コンタクトプラグ41c及び41d(図中斜線を付した部分)は、第3金属配線50と積層膜60とを熱的に導通させる目的で設けられたダミーのコンタクトプラグである。
【0040】
第4層間絶縁膜52は、例えばシリコン酸化膜から構成され、第3金属配線50と積層膜60との間を絶縁する。積層膜60の材料としては、上記以外に、Pt、Ir及びその酸化物(例えばIrO2)、Ru及びその酸化物(例えばRuO2)、Ir/Ti/TiN/Tiの積層膜、SrRuO3/Pt/TiN/Tiの積層膜等を用いることができる。
【0041】
上記積層膜60が形成された状態で、シリコン基板10側から加熱しながら、強誘電体膜62としてのPZT膜が堆積される。PZT膜には、信頼性を向上させる目的で、La、Ca等の元素を微量加えてもよい。この際、シリコン基板10側から加えられた熱は、第1コンタクトプラグ21、第1金属配線30、第2コンタクトプラグ31、第2金属配線40、第3コンタクトプラグ41、第3金属配線50及び下部電極コンタクトプラグ51から形成される熱伝達路を経由してメモリセルアレイ領域及び接続領域のPt/TiN/Ti積層膜60に伝達される。
【0042】
この際、メモリセルアレイ領域及び接続領域に形成された熱伝達路は略均一の密度であるので、メモリセルアレイ領域は略均等に加熱され、従来のように、メモリセルアレイ領域の周辺部が低温になることがない。その結果、メモリセルアレイ領域には強誘電体特性が優れたPZT膜が形成される。なお、周辺回路領域では、熱伝達路の密度は不均一である。従って、接続領域から周辺回路領域にかけて熱勾配が生じるので、強誘電体特性が劣るPZT膜が形成されるが、これらの領域に形成される強誘電体キャパシタはダミーキャパシタであるので、FeRAMセルの性能に影響はない。
【0043】
次いで、図6(A)に示すように強誘電体膜62の上に上部電極63が形成される。上部電極63は、例えばTiN/Irの積層膜、TiN/Al/TiNの積層膜、Pt/SrRuO3の積層膜から構成することができる。次いで、図6(B)に示すように、Pt/TiN/Tiの積層膜60及び強誘電体膜62の所定部位がエッチング又はリソグラフィにより除去され、強誘電体キャパシタ70が形成される。接続領域及び周辺回路領域に形成された強誘電体キャパシタ70a、70b、70c及び70d(図中斜線を付した部分)は、熱を伝達させる目的で設けられたダミーキャパシタである。
【0044】
次いで、図3に示すように、上部電極63の上に上部電極コンタクト71が、周辺回路領域ではプレート線コンタクト72がそれぞれ形成され、その上にプレート線80が形成される。上部電極コンタクト71(周辺回路領域ではプレート線コンタクト72)は、例えばタングステンから構成され、強誘電体キャパシタ70(周辺回路領域では内部回路)とプレート線ドライバ(図2参照)とを接続する。接続領域及び周辺回路領域に形成されたプレート線80a、80b、80c及び80d(図中斜線を付した部分)は、ダミーのプレート線である。
【0045】
以上説明したように、本発明の実施の形態1に係るロジック混載FeRAMによれば、メモリセルアレイ領域と周辺回路領域のとの間に形成された接続領域に、メモリセルアレイ領域と略同様の構造を有する熱伝達路を設け、強誘電体膜62としてのPZT膜を堆積する際に、シリコン基板10からの熱をPt/TiN/Tiの積層膜60に伝達するようにしたので、メモリセルアレイ領域は略均等に加熱され、従来のように、メモリセルアレイ領域の周辺部が低温になることがない。その結果、メモリセルアレイ領域には強誘電体特性が優れたPZT膜が形成される。
【0046】
なお、上述した実施の形態1では、接続領域及び周辺回路領域の一部に熱伝達路を形成する構成としたが、この熱伝達路は、強誘電体キャパシタ70が形成された後は不要なものである。従って、強誘電体キャパシタ70を形成した後に、上記熱伝達路を除去する工程を設けてもよい。
【0047】
また、上述した実施の形態1では、接続領域及び周辺回路領域にダミーキャパシタを形成し、更に、このダミーキャパシタの上部電極に接続される上部電極コンタクト71及びプレート線80をも形成するように構成したが、後述する実施の形態2と同様に、接続領域及び周辺回路領域ではダミーキャパシタの下部電極の形成までに止め、上部電極63の形成、上部電極コンタクトの形成及びプレート線の形成の各工程を省略することができる。
【0048】
更に、上述した実施の形態1では、強誘電体キャパシタ70を最上層の第3金属配線50の上に形成したが、本発明では、強誘電体キャパシタ70を形成する位置は、上記位置に限定されず、任意である。
【0049】
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る半導体メモリ装置及びその製造方法は、ロジック混載不揮発性SRAM及びその製造方法に関する。
【0050】
図7は、本発明の実施の形態2に係るロジック混載不揮発性SRAMマクロの回路レイアウトの一例を示す。このロジック混載不揮発性SRAMマクロは、複数のメモリセルアレイを有し、各メモリセルアレイの図中上下側にセンスアンプが配置され、左側にワード線ドライバが右側にプレート線ドライバがそれぞれ配置されている。更に、これらメモリセルアレイ、センスアンプ、ワード線ドライバ及びプレート線ドライバによって形成される矩形の一辺の外側(ワード線ドライバの外側)にデコーダが配置され、この一辺に交わる他の一辺の外側に入出力(I/O)回路が配置されている。そして、メモリセルアレイとセンスアンプとの間、並びに、メモリセルアレイとワード線ドライバ及びプレート線ドライバとの間には接続領域が形成されている。
【0051】
図8は、上記メモリセルアレイを構成する不揮発性SRAMセルの回路図を示す。この不揮発性SRAMセルは、2個のトランジスタ、2個の強誘電体キャパシタを含む。この不揮発性SRAMセルの構成及び動作は周知であるので説明は省略する。
【0052】
図9は、上記のように構成される本発明の実施の形態2に係るロジック混載不揮発性SRAMマクロの断面図を示す。このロジック混載不揮発性SRAMは、4層配線構造を有し、SRAMセルが配置されるメモリセルアレイ領域、センスアンプ、ワード線ドライバ及びプレート線ドライバといった周辺回路が配置される周辺回路領域、並びに、これらの間に形成された接続領域から構成されている。
【0053】
メモリセルアレイ領域では、最上位のアルミ配線(第4金属配線90)上に、下部電極61、強誘電体膜62及び上部電極63とから成る強誘電体キャパシタ70が形成されている。また、接続領域では、強誘電体キャパシタ70と同一構造のダミーキャパシタのうちの下部電極61a及び61bのみ(図中斜線で示す部分)が形成されている。更に、周辺回路領域の一部に、ダミーキャパシタのうちの下部電極61c及び61d(図中斜線で示す部分)が形成されている。ダミーキャパシタの下部電極61a、61b、61c及び61dは、本発明のダミー電極に対応する。
【0054】
これらの下部電極(ダミー電極)61a、61b、61c及び61dの各々には、下部電極コンタクトプラグ51、第4金属配線90、第4コンタクトプラグ81、第3金属配線50、第3コンタクトプラグ41、第2金属配線40、第2コンタクトプラグ31、第1金属配線30及び第1コンタクトプラグから形成される「熱伝達路」を介してシリコン基板10に熱的に導通されている。
【0055】
次に、本発明の実施の形態2に係るロジック混載不揮発性SRAMの製造方法を、図10〜図12に示した各製造工程における断面図を参照しながら説明する。なお、以下では、従来のロジック混載不揮発性SRAMの製造方法と異なる部分を中心に説明し、従来と同様の部分の説明は簡略化する。また、実施の形態1で説明したロジック混載FeRAMの部分に相当する部分には、実施の形態1と同じ符号を付して説明する。
【0056】
先ず、図10(A)に示すように、シリコン基板10上にCMOSトランジスタが形成される。即ち、素子分離用域13が形成され、その後、シリコン基板10上にpウェル11及びnウェル12が形成される。次いで、ゲート電極20が形成され、周知の方法により、n型拡散層14及びp型拡散層15が形成されてCMOSトランジスタが形成される。この際、接続領域に形成されるゲート電極20a、20b及び20c、並びに周辺回路領域に形成されるゲート電極20dは、ダミーのゲート電極である。
【0057】
次いで、図10(B)に示すように、CMOSトランジスタの上に第1コンタクトプラグ21及び第1層間絶縁膜22が形成され、その上に第1金属配線30が形成される。第1コンタクトプラグ21は、例えばタングステンから構成され、CMOSトランジスタと第1金属配線30とを接続する。接続領域に形成された第1コンタクトプラグ21a、21b、21c及び21d(図中斜線を付した部分)は、シリコン基板10と第1金属配線30とを熱的に導通させる目的で設けられたダミーのコンタクトプラグである。
【0058】
第1層間絶縁膜22は、例えばシリコン酸化膜から構成され、CMOSトランジスタと第1金属配線30との間を絶縁する。第1金属配線30は、例えばアルミニウムから構成され、この不揮発性SRAMに形成される素子間を接続する。接続領域に形成された第1金属配線30a、30b、30c及び30d(図中斜線を付した部分)は、熱を伝達させる目的で設けられたダミーの配線である。
【0059】
次いで、図10(C)に示すように、第1金属配線30の上に第2コンタクトプラグ31及び第2層間絶縁膜32が形成され、その上に第2金属配線40が形成される。第2コンタクトプラグ31は、例えばタングステンから構成され、第1金属配線30と第2金属配線40とを接続する。接続領域に形成された第2コンタクトプラグ31a、31b及び31c、並びに、周辺回路領域に形成された第2コンタクトプラグ31d(図中斜線を付した部分)は、第1金属配線30と第2金属配線40とを熱的に導通させる目的で設けられたダミーのコンタクトプラグである。
【0060】
第2層間絶縁膜32は、例えばシリコン酸化膜から構成され、第1金属配線30と第2金属配線40との間を絶縁する。第2金属配線40は、例えばアルミニウムから構成され、この不揮発性SRAMに形成される素子間を接続する。接続領域に形成された第2金属配線40a、40b及び40c、並びに、周辺回路領域に形成された第2金属配線40d(図中斜線を付した部分)は、熱を伝達させる目的で設けられたダミーの配線である。
【0061】
次いで、図11(A)に示すように、第2金属配線40の上に第3コンタクトプラグ41及び第3層間絶縁膜42が形成され、その上に第3金属配線50が形成される。第3コンタクトプラグ41は、例えばタングステンから構成され、第2金属配線40と第3金属配線50とを接続する。接続領域に形成された第3コンタクトプラグ41a、41b及び41c(図中斜線を付した部分)は、第2金属配線40と第3金属配線50とを熱的に導通させる目的で設けられたダミーのコンタクトプラグである。
【0062】
第3層間絶縁膜42は、例えばシリコン酸化膜から構成され、第2金属配線40と第3金属配線50との間を絶縁する。第3金属配線50は、例えばアルミニウムから構成され、この不揮発性SRAMに形成される素子間を接続する。接続領域の第3金属配線50a、50b、50c及び50d、並びに、周辺回路領域に形成された第3金属配線50e(図中斜線を付した部分)は、熱を伝達させる目的で設けられたダミーの配線である。
【0063】
次いで、図11(B)に示すように、第3金属配線50の上に第4コンタクトプラグ81及び第4層間絶縁膜82が形成され、その上に第4金属配線90が形成される。第4コンタクトプラグ81は、例えばタングステンから構成され、第3金属配線50と第4金属配線90とを接続する。接続領域に形成された第4コンタクトプラグ81a及び81b(図中斜線を付した部分)は、第3金属配線50と第4金属配線90とを熱的に導通させる目的で設けられたダミーのコンタクトプラグである。
【0064】
第4層間絶縁膜82は、例えばシリコン酸化膜から構成され、第3金属配線50と第4金属配線90との間を絶縁する。第4金属配線90は、例えばアルミニウムから構成され、この不揮発性SRAMに形成される素子間を接続する。接続領域の第4金属配線90a、90b及び90c、並びに、接続領域から周辺回路領域に延伸する第4金属配線90d(図中斜線を付した部分)は、熱を伝達させる目的で設けられたダミーの配線である。
【0065】
次いで、図12(A)に示すように、第4金属配線90の上に下部電極コンタクトプラグ51及び第5層間絶縁膜52が形成され、その上に強誘電体キャパシタ70の下部電極61となるRu/Ti/TiN/Tiの積層膜60が成膜される。下部電極コンタクトプラグ51は、例えばタングステンから構成され、第4金属配線90と積層膜60とを接続する。接続領域に形成された下部電極コンタクトプラグ51a及び51b、並びに周辺回路領域に設けられた下部電極コンタクトプラグ51c及び51d(図中斜線を付した部分)は、第4金属配線90と積層膜60とを熱的に導通させる目的で設けられたダミーのコンタクトプラグである。
【0066】
第5層間絶縁膜52は、例えばシリコン酸化膜から構成され、第4金属配線90と積層膜60との間を絶縁する。この積層膜60の材料としては、上記以外に、Pt、Ir及びその酸化物(例えばIrO2)、Ru及びその酸化物(例えばRuO2)、Ir/Ti/TiN/Tiの積層膜、SrRuO3/Pt/TiN/Tiの積層膜等を用いることができる。
【0067】
上記積層膜60が形成された状態で、シリコン基板10側から410゜Cに加熱しながら、強誘電体膜62としてのPZT膜が堆積される。ここで形成されるPZT膜の膜厚は、250nmである。この際、シリコン基板10から加えられた熱は、第1コンタクトプラグ21、第1金属配線30、第2コンタクトプラグ31、第2金属配線40、第3コンタクトプラグ41、第3金属配線50、第4コンタクトプラグ81、第4金属配線90及び下部電極コンタクトプラグ51から形成される熱伝達路を経由してメモリセルアレイ領域及び接続領域のRu/Ti/TiN/Tiの積層膜60に伝達される。
【0068】
この際、メモリセルアレイ領域及び接続領域に形成された熱伝達路は略均一の密度であるので、メモリセルアレイ領域は略均等に加熱され、従来のように、メモリセルアレイ領域の周辺部が低温になることがない。その結果、メモリセルアレイ領域には強誘電体特性が優れたPZT膜が形成される。なお、周辺回路領域では、熱伝達路の密度は不均一である。従って、接続領域から周辺回路領域にかけて熱勾配が生じるので、強誘電体特性が劣るPZT膜が形成されるが、これらの領域に形成される強誘電体キャパシタはダミーキャパシタであるので、SRAMセルの性能に影響はない。
【0069】
次いで、図12(B)に示すように、メモリセルアレイ領域の強誘電体膜62の上に上部電極63が形成される。この際、接続領域及び周辺回路領域には、上部電極は形成されない。上部電極63は、例えばTiN/Ruの積層膜から構成することができる。次いで、図13に示すように、メモリセルアレイ領域の強誘電体膜62及び積層膜60の所定部位、並びに、接続領域及び周辺回路領域の強誘電体膜62の全て及び積層膜60の所定部位がエッチング又はリソグラフィにより除去される。これにより、メモリセルアレイ領域に強誘電体キャパシタ70が形成されると共に、接続領域及び周辺回路領域に、強誘電体キャパシタ70の下部電極61に対応する部分61a、61b、61c及び61d(図中斜線を付した部分)がダミー電極として残される。
【0070】
次いで、図9に示すように、メモリセルアレイ領域では上部電極63の上に上部電極コンタクト71が、周辺回路領域ではプレート線コンタクト72がそれぞれ形成され、その上にプレート線80が形成される。上部電極コンタクト71(周辺回路領域ではプレート線コンタクト72)は、例えばタングステンから構成され、強誘電体キャパシタ70(周辺回路領域では内部回路)とプレート線ドライバ(図8参照)とを接続する。この不揮発性SRAMの場合は、ダミーのプレート線コンタクト及びプレート線は形成されない。
【0071】
以上説明したように、本発明の実施の形態2に係るロジック混載不揮発性SRAMによれば、メモリセルアレイ領域と周辺回路領域のとの間の接続領域に、メモリセルアレイ領域と略同様の構造を有する熱伝達路を設け、強誘電体膜62としてのPZT膜を堆積する際に、シリコン基板10からの熱を積層膜60に伝達するようにしたので、メモリセルアレイ領域は略均等に加熱され、従来のように、メモリセルアレイ領域の周辺部が低温になることがない。その結果、メモリセルアレイ領域には強誘電体特性が優れたPZT膜が形成される。
【0072】
なお、上述した実施の形態2では、接続領域及び周辺回路領域に熱伝達路を形成する構成としたが、この熱伝達路は、強誘電体キャパシタを形成した後は不要なものである。従って、強誘電体キャパシタを形成した後に、上記熱伝達路を除去する工程を設けてもよい。
【0073】
また、上述した実施の形態2では、接続領域及び周辺回路領域ではダミーキャパシタの下部電極(ダミー電極)の形成までに止め、上部電極63の形成、上部電極コンタクトの形成及びプレート線の形成の各工程を省略したが、上述した実施の形態1と同様に、接続領域及び周辺回路領域にダミーキャパシタを形成し、更に、このダミーキャパシタの上部電極に接続される上部電極コンタクト71及びプレート線80をも形成するように構成することができる。
【0074】
更に、上述した実施の形態2では、強誘電体キャパシタを最上層の第4金属配線の上に形成したが、本発明では、強誘電体キャパシタ70を形成する位置は、上記位置に限定されず任意である。
【0075】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、メモリセルアレイの全域に亘って動作マージンが大きいメモリセルが形成された半導体メモリ装置及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1及び従来の半導体メモリ装置に係るロジック混載FeRAMマクロの回路レイアウトの一例を示す図である。
【図2】本発明の実施の形態1及び従来の半導体メモリ装置に係るロジック混載FeRAMを構成するFeRAMセルの回路図である。
【図3】本発明の実施の形態1に係るロジック混載FeRAMマクロの断面図である。
【図4】本発明の実施の形態1に係るロジック混載FeRAMの製造工程(その1)を示す図である。
【図5】本発明の実施の形態1に係るロジック混載FeRAMの製造工程(その2)を示す図である。
【図6】本発明の実施の形態1に係るロジック混載FeRAMの製造工程(その3)を示す図である。
【図7】本発明の実施の形態2に係るロジック混載不揮発性SRAMマクロの回路レイアウトの一例を示す図である。
【図8】本発明の実施の形態2に係るロジック混載不揮発性SRAMを構成するSRAMセルの回路図である。
【図9】本発明の実施の形態2に係るロジック混載不揮発性SRAMマクロの断面図である。
【図10】本発明の実施の形態2に係るロジック混載不揮発性SRAMの製造工程(その1)を示す図である。
【図11】本発明の実施の形態2に係るロジック混載不揮発性SRAMの製造工程(その2)を示す図である。
【図12】本発明の実施の形態2に係るロジック混載不揮発性SRAMの製造工程(その3)を示す図である。
【図13】本発明の実施の形態2に係るロジック混載不揮発性SRAMの製造工程(その4)を示す図である。
【図14】従来のロジック混載FeRAMの断面図である。
【図15】成膜温度による強誘電体特性の相違を説明するための図である。
【図16】従来のロジック混載FeRAMにおいてメモリセルアレイを構成する全FeRAMセルのビット線電圧差を測定してプロットした図である。
【符号の説明】
10 シリコン基板
21 第1コンタクトプラグ
30 第1金属配線
31 第2コンタクトプラグ
40 第2金属配線
41 第3コンタクトプラグ
50 第3金属配線
51 下部電極コンタクトプラグ
60 積層膜
61 下部電極
61a、61b、61c及び61d 下部電極(ダミー電極)
62 強誘電体膜
63 上部電極
70 強誘電体キャパシタ
Claims (9)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された下層の配線と、
前記下層の配線の上に形成された上層の配線と、
前記上層の配線の上に形成された下部電極と、
前記半導体基板、前記下層および前記上層の配線ならびに前記下部電極の間に形成された層間絶縁膜と、
メモリセルが配列されたメモリセルアレイ領域と、
前記メモリセルに接続された回路が前記メモリセルアレイ領域の周辺に形成された周辺回路領域と、
前記メモリセルアレイ領域および前記周辺回路領域の間に形成された接続領域と、
前記接続領域および前記周辺回路領域に配置されて、前記半導体基板の熱を前記下部電極へ伝達する熱伝達路と
を具備し、
前記熱伝達路は、
前記接続領域に形成されて、前記半導体基板および前記下部電極の一部を接続するダミーのコンタクトプラグと、
前記上層の配線に形成されて、前記ダミーのコンタクトプラグおよび前記周辺回路領域における前記下部電極の前記一部を接続するダミーの配線と
を具備し、
前記回路は、
前記下層の配線に形成されて、かつ、前記ダミーの配線の下方に配置されている
強誘電体メモリ装置。 - 請求項1に記載の強誘電体メモリ装置において、
前記メモリセルは、
前記半導体基板上に形成されたMOSトランジスタと、
前記下部電極の他の一部を用いて形成された強誘電体キャパシタと
を具備し、
前記熱伝達路は、
前記接続領域および前記周辺回路領域における前記下部電極の前記一部と、
前記下部電極の前記一部および前記ダミーの配線に接続された別のダミーコンタクトプラグと、
前記接続領域における前記半導体基板上に形成されたダミーのゲート電極と、
前記メモリセルアレイ領域に形成されて、前記MOSトランジスタおよび前記強誘電体キャパシタを接続するコンタクトプラグと
をさらに具備する
強誘電体メモリ装置。 - 請求項2に記載の強誘電体メモリ装置において、
前記メモリセルアレイ領域および前記接続領域における前記熱伝達路の密度は、均一である
強誘電体メモリ装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の強誘電体メモリ装置において、
前記強誘電体キャパシタは、
前記下部電極の前記他の一部と、
前記下部電極の上に積層された強誘電体膜と、
前記強誘電体膜の上に積層された上部電極と
を具備する
強誘電体メモリ装置。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の強誘電体メモリ装置において、
前記周辺回路領域は、
センスアンプ
を具備する
強誘電体メモリ装置。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の強誘電体メモリ装置において、
前記周辺回路領域は、
配線ドライバ
を具備する
強誘電体メモリ装置。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の強誘電体メモリ装置において、
前記下部電極における前記一部および前記他の一部は、
白金、イリジウムおよびその酸化物またはルテニウムおよびその酸化物を含む材料
を含む
強誘電体メモリ装置。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の強誘電体メモリ装置において、
前記メモリセルは、FeRAMセルであり、
ロジック混載FeRAMとして動作する
強誘電体メモリ装置。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の強誘電体メモリ装置において、
前記メモリセルは、不揮発性SRAMセルであり、
ロジック混載不揮発性SRAMとして動作する
強誘電体メモリ装置。
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