JP4929588B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
フラッシュメモリは、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(IGFET)のゲート絶縁膜中に埋め込まれたフローティングゲートを有し、フローティングゲートに記憶情報を表わす電荷を蓄積することによって情報を記憶する。情報の書き込み、消去には絶縁膜を通過するトンネル電流を流す必要があり、比較的高い電圧を必要とする。
上記のように、埋め込み特性の確保とH2アタックの抑制とはトレード・オフの関係にある。FeRAMにおいては、H2アタックによる特性劣化は致命的であり、H2アタックの抑制を犠牲にすることはできない。本発明者は、H2アタックの抑制を前提として、トレード・オフにある一方の要請である埋め込み特性の確保に着目した。埋め込み特性が劣化した場合、隣接する配線間等に不測のボイドが発生し、例えば層間絶縁膜の形成後における化学機械研磨法(CMP:Chemical Mechanical Polishing)による表面平坦化工程においてボイド部分が表面に露出することなどが主な問題となる。
先ず、図1(a)に示すように、トランジスタ構造やキャパシタ構造を形成した後、Al配線2がパターン形成された配線層3を形成する。ここでは図示の便宜上、トランジスタ構造やキャパシタ構造を含む配線層3の下層の構造を、下層1として一括して示す。
続いて、図1(c)に示すように、高バイアスのHDP−CVD法により、Al配線2間を埋め込むように第2のHDP−CVD酸化膜5を成膜する。ここで、上記のようにHDP−CVD装置で基板支持台に載置固定された半導体基板のチャンバー内における位置を上下方向に調節して、Al配線2間に当該Al配線2よりも低い個所にボイド6が形成されるように、第2のHDP−CVD酸化膜5を成膜する。
また、配線をCu(又はその合金)配線とし、いわゆるダマシン法により層間絶縁膜に形成した溝内にCu配線を埋め込み形成する場合、層間絶縁膜には低誘電率材料が有効である。FeRAMに有効な低誘電率材料としては、水素濃度の低いフッ素含有膜であるHDP−FSGやいわゆるLow-k膜がある。原料ガスとしてSiF4,O2,Arの混合ガスを用い、本発明のエアー・ギャップ・プロセスを適用すれば、高いキャパシタ特性を確保しつつ低誘電率の層間絶縁膜を形成することができる。
以下、本発明を適用した具体的な実施形態として、強誘電体メモリの構成を製造方法と共に説明する。
図2〜図4は、本実施形態の強誘電体メモリの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
具体的には、シリコン半導体基板10の表層に例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法により素子分離構造11を形成し、素子活性領域を確定する。
次に、素子活性領域に不純物、ここではB+を例えばドーズ量1×1013/cm2、加速エネルギー300keVの条件でイオン注入し、ウェル12を形成する。
具体的には、MOSトランジスタ20を覆うように、保護膜21及び第1の層間絶縁膜22を順次堆積する。ここで、保護膜21としては、例えばシリコン窒化膜を材料とし、CVD法により膜厚70nm程度に堆積する。第1の層間絶縁膜22としては、例えばプラズマSiO膜(膜厚20nm程度)、プラズマSiN膜(膜厚80nm程度)及びプラズマTEOS膜(膜厚1000nm程度)を順次成膜した積層構造を形成し、積層後、CMPにより膜厚が700nm程度となるまで研磨する。
具体的には、ソース/ドレイン領域18の表面の一部が露出するまで、第1の層間絶縁膜22及び保護膜21をリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより加工して、例えば孔径が約0.25μm程度のビア孔24aを形成する。
具体的には、強誘電体キャパシタ構造を形成する際の酸素雰囲気中における熱アニールにより、第1のプラグ24が酸化することを防止するために、酸化防止膜25を成膜する。酸化防止膜25としては、例えばSiON(膜厚130nm程度)、プラズマTEOS(膜厚130nm程度)の積層構造とする。また、配向性向上膜26としては、例えばシリコン酸化膜とする。
具体的には、先ずスパッタ法により例えば膜厚が20nm程度のTi膜及び膜厚が150nm程度のPt膜を順次堆積させ、Ti膜及びPt膜の積層構造に下部電極層27を形成する。次に、RFスパッタ法により、下部電極層27上に強誘電体である例えばPZTやSBT、ここではPZTからなる強誘電体膜28を膜厚200nm程度に堆積する。そして、強誘電体膜28にRTA処理を施して当該強誘電体膜28を結晶化する。次に、反応性スパッタ法により、強誘電体膜28上に例えば導電性酸化物であるIrO2を材料とする上部電極層29を膜厚200nm程度に堆積する。なお、上部電極層29の材料として、IrO2の代わりにIr、Ru、RuO2、SrRuO3、その他の導電性酸化物やこれらの積層構造としても良い。
具体的には、上部電極層29をリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより複数の電極形状に加工して、複数の上部電極31をパターン形成する。なおこのとき、上部電極層29のパターニングにより強誘電体膜28の受けたダメージを回復させることを目的とするアニール処理を行うことが効果的である、当該アニール処理としては、例えば処理温度650℃、酸素雰囲気で60分間行う。
具体的には、先ず強誘電体膜28を上部電極31に整合させて若干上部電極29よりも大きいサイズとなるように、リソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより加工する。
具体的には、強誘電体キャパシタ構造30を覆うように、HDP−CVD法により、第1のHDP−CVD酸化膜33及び第2のHDP−CVD酸化膜34を積層して第2の層間絶縁膜35を形成する。
第2のHDP−CVD酸化膜34を形成するには、第1のHDP−CVD酸化膜33の形成時よりも高バイアス、ここでは2.4kW程度のバイアスパワーで、処理温度を175℃〜400℃の範囲内の温度、ここでは例えば250℃として、SiH4,O2,Arの混合ガスを原料ガスとし、SiH4,O2,Arの含有比率を例えばSiH4:O2:Ar=1:7.5:6とし、原料ガスの流量を70sccmとして、実行する。第2のHDP−CVD酸化膜34は膜厚1500nm程度に形成する。ここで、第2のHDP−CVD酸化膜34の単層の代わりに、第2のHDP−CVD酸化膜34を膜厚700nm程度に形成した後、プラズマTEOS−SiO膜を膜厚800nm程度に形成しても良い。
このHDP−CVD装置は、CVDチャンバー101と、CVDチャンバー101にコイル状に捲回形成されてなる高周波アンテナ102と、CVDチャンバー101内で半導体基板10が載置固定される基板支持台103と、基板支持台103を通して半導体基板10に所定のパワーの高周波バイアスを印加するための低周波電源104と、CVDチャンバー101内に原料ガスを供給するための原料ガス供給機構105と、CVDチャンバー101内の不図示の排気機構を備えて構成されている。
具体的には、リソグラフィー及びそれに続くドライエッチングとして、上部電極31の表面の一部が露出するまで酸化膜36及び第2の層間絶縁膜35に施す加工、及び下部電極32の表面の一部が露出するまで酸化膜36及び第2の層間絶縁膜35に施す加工を、同時に実行し、それぞれの部位に例えば約0.2μm径のビア孔37a,38aを同時形成する。これらビア孔37a,38aの形成時には、上部電極31及び下部電極32がそれぞれエッチングストッパーとなる。
具体的には、第1のプラグ24をエッチングストッパーとして、当該第1のプラグ24の表面の一部が露出するまで酸化膜36、第2の層間絶縁膜35、配向性向上膜26、及び酸化防止膜25をリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより加工し、例えば約0.2μm径のビア孔39aを形成する。
先ず、通常の酸化膜のエッチング換算で数10nm、ここでは10nm程度に相当するRF前処理を行った後、ビア孔37a,38a,39aの各壁面を覆うように、スパッタ法により例えばTiN膜を膜厚75nm程度に堆積して、下地膜(グルー膜)41を形成する。そして、CVD法によりグルー膜41を介してビア孔37a,38a,39aを埋め込むように例えばW膜を形成する。その後、CMPにより酸化膜36をストッパーとしてW膜及びグルー膜41を研磨し、ビア孔37a,38a,39a内をグルー膜41を介してWで埋め込むプラグ37,38及び第2のプラグ39を形成する。ここで、第1及び第2のプラグ24,39は、両者が電気的に接続されてなる、いわゆるvia-to-via構造とされる。このvia-to-via構造により、ビア孔形成のエッチングマージンが広がり、ビア孔のアスペクト比が緩和される。
具体的には、先ず、全面にスパッタ法等によりバリアメタル膜42、配線膜43及びバリアメタル膜44を堆積する。バリアメタル膜42としては、スパッタ法により例えばTi膜(膜厚60nm程度)及びTiN膜(膜厚30nm程度)を順次成膜する。配線膜43としては、例えばAl合金膜(ここではAl−Cu膜)を膜厚360nm程度に成膜する。バリアメタル膜44としては、スパッタ法により例えばTi膜(膜厚5nm程度)及びTiN(膜厚70nm程度)を順次成膜する。ここで、配線膜43の構造は、同一ルールのFeRAM以外のロジック部と同じ構造とされているため、配線の加工や信頼性上の問題はない。
具体的には、配線層45を覆うように、HDP−CVD法により、第1のHDP−CVD酸化膜46及び第2のHDP−CVD酸化膜37を積層して第3の層間絶縁膜48を形成する。
これに対して、本実施形態による図7(a),(b)では、配線間の領域に発生したボイドは小さく、配線の高さよりも低い位置で球形に近い形に単純な形状に形成されており、層間絶縁膜のダメージは極めて小さい。この場合、CMPにより層間絶縁膜の表面平坦化を行っても、最大でも配線がCMPのストッパーとなるため、ボイドが露出することはなく、層間絶縁膜はその機能を十分に発揮することができる。
具体的には、配線45aと接続されるプラグ47を形成する。
配線45aの表面の一部が露出するまで、第3の層間絶縁膜46をリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより加工して、例えば約0.2μm径のビア孔47aを形成する。次に、このビア孔47aの壁面を覆うように下地膜(グルー膜)48を形成した後、CVD法によりグルー膜48を介してビア孔47aを埋め込むようにW膜を形成する。そして、第3の層間絶縁膜46をストッパーとして例えばW膜及びグルー膜48を研磨し、ビア孔47a内をグルー膜48を介してWで埋め込むプラグ47を形成する。
前記半導体基板の上方に形成されており、下部電極と上部電極とにより強誘電体を材料とする誘電体膜を挟持してなるキャパシタ構造と、
前記キャパシタ構造の上方に形成されて、少なくとも一部が前記キャパシタ構造と接続されてなる複数の配線を有する配線層と、
前記配線層を覆う高密度プラズマ絶縁材料からなる上部層間絶縁膜と
を含み、
前記上部層間絶縁膜は、隣接する前記配線間において前記配線よりも低い個所にボイドが形成されてなることを特徴とする半導体装置。
前記キャパシタ構造の上方に、少なくとも一部が前記キャパシタ構造と接続されるように、複数の配線を有する配線層を形成する工程と、
前記配線層を覆うように、高密度プラズマ絶縁材料からなる上部層間絶縁膜を形成する工程と
を含み、
隣接する前記配線間において、前記上部層間絶縁膜の前記配線よりも低い個所にボイドが形成されるように制御して、前記上部層間絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記半導体基板が前記チャンバー内で上方に位置するほど、堆積される高密度プラズマ絶縁材料の密度が高くなることを利用して、
前記基板支持台に載置固定された前記半導体基板の前記チャンバー内における位置を上下方向に調節して、前記ボイドの形成を制御することを特徴とする付記10に記載の半導体装置の製造方法。
2 Al配線
3,45 配線層
4,33,46 第1のHDP−CVD酸化膜
5,34,47 第2のHDP−CVD酸化膜
3,27 下部電極層
4,28 強誘電体膜
5,29 上部電極層
6,31 上部電極
10 シリコン半導体基板
11 素子分離構造
12 ウェル
13 ゲート絶縁膜
14 ゲート電極
15 キャップ膜
16 LDD領域
17 サイドウォール絶縁膜
18 ソース/ドレイン領域
20 MOSトランジスタ
21 保護膜
22 第1の層間絶縁膜
23,41 グルー膜
24 第1のプラグ
24a,37a,38a,39a,47a ビア孔
25 酸化防止膜
26 配向性向上膜
30 強誘電体キャパシタ構造
32 下部電極
35 第2の層間絶縁膜
36 酸化膜
37,38,47 プラグ
39 第2のプラグ
42,44 バリアメタル膜
43 配線膜
45 配線
48 第3の層間絶縁膜
49 ボイド
101 CVDチャンバー
102 高周波アンテナ
103 基板支持台
103a 上下駆動機構
104 低周波電源
105 原料ガス供給機構
Claims (8)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成されており、下部電極と上部電極とにより強誘電体を材料とする誘電体膜を挟持してなるキャパシタ構造と、
前記キャパシタ構造の上方に形成されて、少なくとも一部が前記キャパシタ構造と接続されてなる複数の配線を有する配線層と、
前記配線層を覆う高密度プラズマCVD法を用いて形成した絶縁材料からなる上部層間絶縁膜と
を含み、
前記上部層間絶縁膜は、低バイアス又は無バイアスの第1のバイアス電圧により形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に形成された、前記第1のバイアス電圧よりも高い第2のバイアス電圧により形成された第2の絶縁膜とを有し、前記第2の絶縁膜は、隣接する前記配線間において前記配線の上部よりも低い個所にボイドが形成されてなることを特徴とする半導体装置。 - 前記配線層と前記上部層間絶縁膜との間に形成されてなる水素拡散防止膜を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記キャパシタ構造を覆う高密度プラズマCVD法を用いて形成した絶縁材料からなる下部層間絶縁膜を更に含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 半導体基板の上方に、下部電極と上部電極とにより強誘電体を材料とする誘電体膜を挟持してなるキャパシタ構造を形成する工程と、
前記キャパシタ構造の上方に、少なくとも一部が前記キャパシタ構造と接続されるように、複数の配線を有する配線層を形成する工程と、
前記配線層を覆うように、高密度プラズマCVD法を用いて、絶縁材料からなる上部層間絶縁膜を形成する工程と
を含み、
前記上部層間絶縁膜を、低バイアス又は無バイアスの第1のバイアス電圧による高密度プラズマCVD法を用いて形成した第1の絶縁膜と、前記第1のバイアス電圧よりも高い第2のバイアス電圧による高密度プラズマCVD法を用いて形成した第2の絶縁膜とを順次積層して形成し、
隣接する前記配線間において、前記第2の絶縁膜の前記配線の上部よりも低い個所にボイドが形成されるように制御して、前記第2の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記上部層間絶縁膜を形成するに際して、前記半導体基板を載置固定する基板支持台がチャンバー内で上下方向に可変自在とされた高密度プラズマCVD装置を用いて、
前記半導体基板が前記チャンバー内で上方に位置するほど、堆積される絶縁材料の密度が高くなることを利用して、
前記基板支持台に載置固定された前記半導体基板の前記チャンバー内における位置を上下方向に調節して、前記ボイドの形成を制御することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記キャパシタ構造を覆うように、高密度プラズマCVD法を用いて、絶縁材料からなる下部層間絶縁膜を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項4又は5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記誘電体膜を、PZT又はSBTを材料として形成することを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記上部層間絶縁膜の成膜温度を175℃〜400℃の範囲内の値に調節することを特徴とする請求項4〜7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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