JPH0799290A - 半導体素子および強誘電体コンデンサ - Google Patents
半導体素子および強誘電体コンデンサInfo
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【目的】 半導体素子内のある領域が酸化、還元される
のが望ましくない場合、その可能性を低減するため当該
領域に隣接して保護層を形成した素子を提供する。 【構成】 基板10内にドープ領域11、パターニング
された酸化物層12とSiプラグ13を含む。基板が酸
化されるとSiプラグの一部にSiO2層が生成するの
で、プラグ上に相互接続部を形成する前にSiO2を除
去する必要があるが、それと共に酸化物層も一部除去さ
れる可能性がある。従って酸化物層12上に導体層21
が形成されパターニングされて、プラグ13上に保護用
キャップが形成される。導体層21は単体金属と導電性
金属酸化物の混合物からなり、例えばRuとRuO2、
ReとReO2かReO3、IrとIrO2などからな
る。導体層上にマスク層を形成し、露出部分をエッチン
グしパターニングする。Siプラグは層21で覆われる
ので酸化され難く、またRuとRuO2で構成されても
良く電気的接続が保たれる。
のが望ましくない場合、その可能性を低減するため当該
領域に隣接して保護層を形成した素子を提供する。 【構成】 基板10内にドープ領域11、パターニング
された酸化物層12とSiプラグ13を含む。基板が酸
化されるとSiプラグの一部にSiO2層が生成するの
で、プラグ上に相互接続部を形成する前にSiO2を除
去する必要があるが、それと共に酸化物層も一部除去さ
れる可能性がある。従って酸化物層12上に導体層21
が形成されパターニングされて、プラグ13上に保護用
キャップが形成される。導体層21は単体金属と導電性
金属酸化物の混合物からなり、例えばRuとRuO2、
ReとReO2かReO3、IrとIrO2などからな
る。導体層上にマスク層を形成し、露出部分をエッチン
グしパターニングする。Siプラグは層21で覆われる
ので酸化され難く、またRuとRuO2で構成されても
良く電気的接続が保たれる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体素子の分野に関
し、特に単体金属(elemental metal)層およびその導電
性金属酸化物を有する半導体素子に関するものである。
し、特に単体金属(elemental metal)層およびその導電
性金属酸化物を有する半導体素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体素子が有する層には、当該層が酸
化または還元されるとその電気的特性が変化するものが
ある。基板領域、シリコン部材、接点、導線、および相
互接続部等のような導電性物質では、酸化は通常防止す
べきもの或いは少なくとも最小限に抑えるべきものであ
る。導電性物質として用いられてきた従来の物質には、
シリコン(単結晶、多結晶、および非結晶性)、金属、
および金属含有化合物が含まれる。これらの物質の殆ど
の酸化物は、通常絶縁物である。絶縁酸化物の形成は電
気的な開放を生じる結果となる可能性があり、これは望
ましいものではない。
化または還元されるとその電気的特性が変化するものが
ある。基板領域、シリコン部材、接点、導線、および相
互接続部等のような導電性物質では、酸化は通常防止す
べきもの或いは少なくとも最小限に抑えるべきものであ
る。導電性物質として用いられてきた従来の物質には、
シリコン(単結晶、多結晶、および非結晶性)、金属、
および金属含有化合物が含まれる。これらの物質の殆ど
の酸化物は、通常絶縁物である。絶縁酸化物の形成は電
気的な開放を生じる結果となる可能性があり、これは望
ましいものではない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ある半導体素子では、
還元剤が問題の原因となっている。誘電体のような酸化
物強誘電体物質を用いたコンデンサでは、強誘電体が劣
化する原因として還元雰囲気があげられる。強誘電体
は、強誘電体コンデンサとしては事実上使用できなくな
る程その強誘電特性を失うこともある。強誘電体コンデ
ンサは、多くの半導体素子よりもこの問題に関しては敏
感であると思われる。窒素、アルゴン、ヘリウム等のよ
うな比較的不活性な雰囲気で、酸化ガスのない場合の処
理でも、強誘電体コンデンサは劣化することがある。
還元剤が問題の原因となっている。誘電体のような酸化
物強誘電体物質を用いたコンデンサでは、強誘電体が劣
化する原因として還元雰囲気があげられる。強誘電体
は、強誘電体コンデンサとしては事実上使用できなくな
る程その強誘電特性を失うこともある。強誘電体コンデ
ンサは、多くの半導体素子よりもこの問題に関しては敏
感であると思われる。窒素、アルゴン、ヘリウム等のよ
うな比較的不活性な雰囲気で、酸化ガスのない場合の処
理でも、強誘電体コンデンサは劣化することがある。
【0004】強誘電体コンデンサに加えて、他の半導体
素子も水素のような還元剤に伴う問題を有することがあ
る。水素は、多くの種類の電気的プログラマブル・リー
ド・オンリ・メモリ(EPROM)、特に電気的消去可
能EPROM(EEPROM)の熱電子劣化を加速する
可能性がある。ホット・キャリアがゲートまたはトンネ
ル誘電体層を通じて移動すると、一般的にEEPROM
のサイクル可能回数が減少する。ここで、サイクルとは
プログラミング・ステップと消去ステップとの組み合わ
せのことである。また、水素は酸素と反応して水分を形
成することもある。EPROM内に水分が形成される
と、通常データ保持について問題が生じる。
素子も水素のような還元剤に伴う問題を有することがあ
る。水素は、多くの種類の電気的プログラマブル・リー
ド・オンリ・メモリ(EPROM)、特に電気的消去可
能EPROM(EEPROM)の熱電子劣化を加速する
可能性がある。ホット・キャリアがゲートまたはトンネ
ル誘電体層を通じて移動すると、一般的にEEPROM
のサイクル可能回数が減少する。ここで、サイクルとは
プログラミング・ステップと消去ステップとの組み合わ
せのことである。また、水素は酸素と反応して水分を形
成することもある。EPROM内に水分が形成される
と、通常データ保持について問題が生じる。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、主面、第1領
域、および第1層から成る半導体素子を含む。前記第1
領域は、前記主面に隣接する前記基板内、或いは基板上
に位置付けられる。前記第1層は前記第1領域上に配さ
れ、単体金属およびその導電性金属酸化物を含む。前記
単体金属を酸化させる反応および前記導電性金属酸化物
を還元する反応は可逆的なものである。前記第1層は、
前記第1領域より先に酸化或いは還元される。また、本
発明は前記素子を形成するプロセスも含む。
域、および第1層から成る半導体素子を含む。前記第1
領域は、前記主面に隣接する前記基板内、或いは基板上
に位置付けられる。前記第1層は前記第1領域上に配さ
れ、単体金属およびその導電性金属酸化物を含む。前記
単体金属を酸化させる反応および前記導電性金属酸化物
を還元する反応は可逆的なものである。前記第1層は、
前記第1領域より先に酸化或いは還元される。また、本
発明は前記素子を形成するプロセスも含む。
【0006】本発明のその他の特徴および利点は、添付
図面および以下に続く詳細な説明から明らかとなろう。
図面および以下に続く詳細な説明から明らかとなろう。
【0007】
【実施例】本発明をその一例について示すが、添付図面
の図に限定されるものではない。尚、図面では同様な参
照番号は同様な要素を示すものとする。
の図に限定されるものではない。尚、図面では同様な参
照番号は同様な要素を示すものとする。
【0008】本発明は、単体金属とその導電性金属酸化
物とを含む物質を有する半導体素子を含み、前記物質は
前記素子の隣接領域より先に酸化或いは還元され得るも
のである。この物質は、前記隣接領域の酸化または還元
が望ましくない時、それが生じる可能性を低減するもの
である。概要説明に続いて、前記物質を用いることがで
きる応用について説明する。以下に説明する応用は例示
的なものであり、それに限定されることを意味するもの
ではない。 概要説明 ギッブスの自由エネルギ変化を用いて、どの物質を対象
領域に配置して、前記領域の酸化または還元の可能性を
低下させるべきかを判断する。例えば、隣接する領域が
還元されてはならない場合、前記物質は当該隣接領域に
比較して、より簡単に還元されなければならない。ま
た、前記隣接領域が酸化されてはならない場合、前記物
質は隣接領域に比較してより簡単に酸化されなければな
らない。酸化状態の変化は物質の電気的特性を変化させ
るので、多くの物質は本発明に用いることができない。
例えば、チタンは導体であり、酸化して酸化チタン(TiO
xここでXは2より小さい)を形成することができる。
一酸化チタン(TiO)は半導体であり、一方二酸化チタン
(TiO2)は絶縁体である。したがって、チタンは導体から
半導体に、或いは絶縁体に、またはその逆に変化し得る
ものである。これらの変化は通常、半導体素子内に好ま
しくない電気的特性を生じる原因となる。導体から半導
体或いは絶縁体、またはその逆への変態(transformatio
n)を回避するために、物質はその酸化および還元された
状態の両方において、双方とも導体、双方とも半導体、
または双方とも絶縁体のいずれかでなければならない。
物とを含む物質を有する半導体素子を含み、前記物質は
前記素子の隣接領域より先に酸化或いは還元され得るも
のである。この物質は、前記隣接領域の酸化または還元
が望ましくない時、それが生じる可能性を低減するもの
である。概要説明に続いて、前記物質を用いることがで
きる応用について説明する。以下に説明する応用は例示
的なものであり、それに限定されることを意味するもの
ではない。 概要説明 ギッブスの自由エネルギ変化を用いて、どの物質を対象
領域に配置して、前記領域の酸化または還元の可能性を
低下させるべきかを判断する。例えば、隣接する領域が
還元されてはならない場合、前記物質は当該隣接領域に
比較して、より簡単に還元されなければならない。ま
た、前記隣接領域が酸化されてはならない場合、前記物
質は隣接領域に比較してより簡単に酸化されなければな
らない。酸化状態の変化は物質の電気的特性を変化させ
るので、多くの物質は本発明に用いることができない。
例えば、チタンは導体であり、酸化して酸化チタン(TiO
xここでXは2より小さい)を形成することができる。
一酸化チタン(TiO)は半導体であり、一方二酸化チタン
(TiO2)は絶縁体である。したがって、チタンは導体から
半導体に、或いは絶縁体に、またはその逆に変化し得る
ものである。これらの変化は通常、半導体素子内に好ま
しくない電気的特性を生じる原因となる。導体から半導
体或いは絶縁体、またはその逆への変態(transformatio
n)を回避するために、物質はその酸化および還元された
状態の両方において、双方とも導体、双方とも半導体、
または双方とも絶縁体のいずれかでなければならない。
【0009】本発明に用いることができる物質の種別
は、導電性金属酸化物を形成することができる金属であ
る。ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)、イリジウム(Ir)、
およびオシミウム(Os)は導体であり、酸化させて二酸化
ルテニウム(RuO2)、二酸化レニウム(ReO2)または三
酸化レニウム(ReO3)、二酸化イリヂウム(IrO2)、お
よび四酸化オシミウム(OsO4)をそれぞれ形成すること
ができるが、これらもまた導体である。以下にルテニウ
ムの反応を示す。
は、導電性金属酸化物を形成することができる金属であ
る。ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)、イリジウム(Ir)、
およびオシミウム(Os)は導体であり、酸化させて二酸化
ルテニウム(RuO2)、二酸化レニウム(ReO2)または三
酸化レニウム(ReO3)、二酸化イリヂウム(IrO2)、お
よび四酸化オシミウム(OsO4)をそれぞれ形成すること
ができるが、これらもまた導体である。以下にルテニウ
ムの反応を示す。
【0010】
【化1】 二重矢印は、この反応が可逆性であることを示す。ルテ
ニウムを酸化させて二酸化ルテニウムを形成することが
できると共に、二酸化ルテニウムを還元してルテニウム
と酸素を形成することもできる。
ニウムを酸化させて二酸化ルテニウムを形成することが
できると共に、二酸化ルテニウムを還元してルテニウム
と酸素を形成することもできる。
【0011】本発明は金属とその導電性金属酸化物との
混合物を必要とする。この混合物によって、金属のみま
たは導電性金属酸化物のみを有する場合と比較して、よ
り自由な可逆性が得られるようにするのである。もしも
双方がないとすると、このような混合物を形成するため
に、余分なエネルギ、そしてより重要なことにより長い
時間が必要となる。混合物を優先的に還元する場合、混
合物はRuO2のような導電性金属酸化物を十分に有し、隣
接領域を還元する可能性を低下させる。また、混合物を
優先的に酸化させる場合、混合物はRuのような金属を十
分に有し、隣接する層を酸化させる可能性を低下させ
る。本発明は、基板領域、シリコン部材、接点、バイア
・プラグ、強誘電体コンデンサ、および相互接続部を含
む種々の用途に用いることができる。以後用いる「単体
金属」とは、Ru,Re,Ir,Os,Pb,Cu等のような単一原
子金属材料(monatomic metallic material)のことであ
る。単体金属の中には、RuO2、ReO2、ReO3、IrO2,OsO4
等のような導電性金属酸化物を有するものがある。以下
に応用例について説明する。 接点、バイア・プラグ、および相互接続部 本発明は、半導体素子内の接点またはバイア・プラグと
共に、或いはそれらの一部として用いることができる。
プラグは、その下にある層が酸化または還元される可能
性を低下させるために用いることができる。図1は半導
体素子の一部を示す断面図であり、基板10、基板10
内のドープ領域11、パターニングされた酸化物層1
2、およびシリコン・プラグ13を含む。基板が酸化さ
れると、シリコン・プラグ13の一部が二酸化シリコン
層を形成することになる。この場合、プラグ13上に相
互接続部を形成する前に、二酸化シリコン層を除去しな
ければならない。この二酸化シリコン層の除去によっ
て、パターニングされた酸化物層12の一部も除去する
可能性がある。したがって、酸化段階の前に、シリコン
・プラグ13を保護することが有利である。
混合物を必要とする。この混合物によって、金属のみま
たは導電性金属酸化物のみを有する場合と比較して、よ
り自由な可逆性が得られるようにするのである。もしも
双方がないとすると、このような混合物を形成するため
に、余分なエネルギ、そしてより重要なことにより長い
時間が必要となる。混合物を優先的に還元する場合、混
合物はRuO2のような導電性金属酸化物を十分に有し、隣
接領域を還元する可能性を低下させる。また、混合物を
優先的に酸化させる場合、混合物はRuのような金属を十
分に有し、隣接する層を酸化させる可能性を低下させ
る。本発明は、基板領域、シリコン部材、接点、バイア
・プラグ、強誘電体コンデンサ、および相互接続部を含
む種々の用途に用いることができる。以後用いる「単体
金属」とは、Ru,Re,Ir,Os,Pb,Cu等のような単一原
子金属材料(monatomic metallic material)のことであ
る。単体金属の中には、RuO2、ReO2、ReO3、IrO2,OsO4
等のような導電性金属酸化物を有するものがある。以下
に応用例について説明する。 接点、バイア・プラグ、および相互接続部 本発明は、半導体素子内の接点またはバイア・プラグと
共に、或いはそれらの一部として用いることができる。
プラグは、その下にある層が酸化または還元される可能
性を低下させるために用いることができる。図1は半導
体素子の一部を示す断面図であり、基板10、基板10
内のドープ領域11、パターニングされた酸化物層1
2、およびシリコン・プラグ13を含む。基板が酸化さ
れると、シリコン・プラグ13の一部が二酸化シリコン
層を形成することになる。この場合、プラグ13上に相
互接続部を形成する前に、二酸化シリコン層を除去しな
ければならない。この二酸化シリコン層の除去によっ
て、パターニングされた酸化物層12の一部も除去する
可能性がある。したがって、酸化段階の前に、シリコン
・プラグ13を保護することが有利である。
【0012】導体層21が酸化物層12上に形成され、
パターニングされて図2に示すように、シリコン・プラ
グ13上に保護用キャップが形成される。導体層21
は、単体金属とその導電性金属酸化物との混合物を含
む。層21は、前記単体金属と導電性金属酸化物との混
合物を有する目標を用いて、スパッタリングによる付着
によって形成することができる。層がRuとRuO2とを含む
時、「スパッタ目標」中の原子ルテニウム全体の約5−
95パーセントはRuであり、この目標中残りの原子ルテ
ニウムはRuO2である。この場合、スパッタ目標および層
21は同様の組成を有する。層21は、他の方法を用い
て形成することもできる。例えば、Ruから成る目標と酸
素を含むプラズマとを用いた反応性イオン・スパッタリ
ングを採用して層21を付着させることができる。更
に、スパッタリングによる付着または化学的蒸着法でRu
層を形成し、後に酸化させてRuの部分のみをRuO2に変換
させてもよい。他の実施例では、Ru層とRuO2層を連続的
に付着することもできる。RuおよびRuO2の付加層を付着
してもよい。層21を形成するために用いられる方法に
は拘わらず、層21内にある全ての原子ルテニウム5−
95パーセントがRuであり、層21内の原子ルテニウム
の残りがRuO2となる。他の実施例では、層21はReとそ
の酸化物のいずれか、IrとIrO2、OsとOsO4等を含んでい
てもよい。本明細書において用いられるように、「Reお
よびその酸化物のいずれか」には、ReとReO2、ReとRe
O3、またはReとReO2とReO3が含まれる。
パターニングされて図2に示すように、シリコン・プラ
グ13上に保護用キャップが形成される。導体層21
は、単体金属とその導電性金属酸化物との混合物を含
む。層21は、前記単体金属と導電性金属酸化物との混
合物を有する目標を用いて、スパッタリングによる付着
によって形成することができる。層がRuとRuO2とを含む
時、「スパッタ目標」中の原子ルテニウム全体の約5−
95パーセントはRuであり、この目標中残りの原子ルテ
ニウムはRuO2である。この場合、スパッタ目標および層
21は同様の組成を有する。層21は、他の方法を用い
て形成することもできる。例えば、Ruから成る目標と酸
素を含むプラズマとを用いた反応性イオン・スパッタリ
ングを採用して層21を付着させることができる。更
に、スパッタリングによる付着または化学的蒸着法でRu
層を形成し、後に酸化させてRuの部分のみをRuO2に変換
させてもよい。他の実施例では、Ru層とRuO2層を連続的
に付着することもできる。RuおよびRuO2の付加層を付着
してもよい。層21を形成するために用いられる方法に
は拘わらず、層21内にある全ての原子ルテニウム5−
95パーセントがRuであり、層21内の原子ルテニウム
の残りがRuO2となる。他の実施例では、層21はReとそ
の酸化物のいずれか、IrとIrO2、OsとOsO4等を含んでい
てもよい。本明細書において用いられるように、「Reお
よびその酸化物のいずれか」には、ReとReO2、ReとRe
O3、またはReとReO2とReO3が含まれる。
【0013】マスク層(図示せず)を層21上に形成
し、従来のリソグラフ技術を用いてパターニングする。
層21の露出された部分をイオン・エッチング(ion mil
ling)することによって、或いは層21の露出された部
分をプラズマ・エッチングすることによって、層21を
パターニングする。層21にRuおよびRuO2が含まれてい
る場合、プラズマ・エッチング用化学薬品(chemistry)
に、四塩化フッ素(CF4)等のような酸素またはフッ素含
有化合物が含まれることがある。他の材料を用いるな
ら、他のエッチング化学薬品を用いればよい。パターニ
ング段階の後、マスク層(図示せず)が除去される。
し、従来のリソグラフ技術を用いてパターニングする。
層21の露出された部分をイオン・エッチング(ion mil
ling)することによって、或いは層21の露出された部
分をプラズマ・エッチングすることによって、層21を
パターニングする。層21にRuおよびRuO2が含まれてい
る場合、プラズマ・エッチング用化学薬品(chemistry)
に、四塩化フッ素(CF4)等のような酸素またはフッ素含
有化合物が含まれることがある。他の材料を用いるな
ら、他のエッチング化学薬品を用いればよい。パターニ
ング段階の後、マスク層(図示せず)が除去される。
【0014】図2に見られるように、層21はシリコン
・プラグ13を覆っている。層21は、以後の酸化段階
においてシリコン・プラグ13が酸化される可能性を低
下させるものである。層21内のRuを酸化させて、RuO2
を形成することができる。層21の下でシリコン・プラ
グ13を酸化させるためには、層21内のRuと反応する
前に、酸素が層21を通過して移動しなければならな
い。また、Ruが酸化されても、層21は導体のままであ
る。チタン層は導体であるが、酸化されると絶縁物であ
る二酸化チタンになるので、層21の代わりには用いる
ことができない。他の実施例では、プラグ13は、シリ
コンの代わりにある金属とその導電体金属酸化物で構成
されてもよい。このようにすると、基板10と領域11
とを酸化からよりよく保護することができると共に、プ
ラグ13を介した電気的接続を保持することができる。
・プラグ13を覆っている。層21は、以後の酸化段階
においてシリコン・プラグ13が酸化される可能性を低
下させるものである。層21内のRuを酸化させて、RuO2
を形成することができる。層21の下でシリコン・プラ
グ13を酸化させるためには、層21内のRuと反応する
前に、酸素が層21を通過して移動しなければならな
い。また、Ruが酸化されても、層21は導体のままであ
る。チタン層は導体であるが、酸化されると絶縁物であ
る二酸化チタンになるので、層21の代わりには用いる
ことができない。他の実施例では、プラグ13は、シリ
コンの代わりにある金属とその導電体金属酸化物で構成
されてもよい。このようにすると、基板10と領域11
とを酸化からよりよく保護することができると共に、プ
ラグ13を介した電気的接続を保持することができる。
【0015】本発明を用いて、接点およびバイア・プラ
グの双方を形成することができる。例えば、図1に示す
プラグ13は、プラグ13に隣接する基板内の領域を酸
化させる可能性を低下させることができる、RuおよびRu
O2で構成してもよい。同様に、プラグ13は、ゲート電
極のようなシリコン部材と接触し、その酸化を防止する
こともできる。プラグ13がRuおよびRuO2を含む場合、
図2に示す層21は不要となる。水素の基板内領域への
移動が問題となる場合、プラグ13内の全てのルテニウ
ムの約5−95パーセントをRuO2とする。
グの双方を形成することができる。例えば、図1に示す
プラグ13は、プラグ13に隣接する基板内の領域を酸
化させる可能性を低下させることができる、RuおよびRu
O2で構成してもよい。同様に、プラグ13は、ゲート電
極のようなシリコン部材と接触し、その酸化を防止する
こともできる。プラグ13がRuおよびRuO2を含む場合、
図2に示す層21は不要となる。水素の基板内領域への
移動が問題となる場合、プラグ13内の全てのルテニウ
ムの約5−95パーセントをRuO2とする。
【0016】本発明の相互接続部への応用は、接点また
はバイア・プラグに対する応用と同様である。図3は、
集積回路の一部の断面図であり、半導体基板10、基板
10内のドープ領域11、接点用開口を有する第1絶縁
層12、窒化チタン層141を含み前記接点用開口内に
ある接点プラグ、およびタングステン層142を含む。
第2絶縁層143が第1絶縁層12および接点プラグの
上に形成される。第2絶縁層143は相互接続用チャン
ネルを含む。モリブデン層144および銅層145を、
第2絶縁層143上の相互接続チャンネル内に付着させ
る。基板を化学的および機械的に研磨し、相互接続チャ
ンネルの外側にあるモリブデンおよび銅層144,14
5の一部を除去して相互接続部を形成する。本プロセス
における半導体素子形成はこの時点まで従来の方法で行
われる。
はバイア・プラグに対する応用と同様である。図3は、
集積回路の一部の断面図であり、半導体基板10、基板
10内のドープ領域11、接点用開口を有する第1絶縁
層12、窒化チタン層141を含み前記接点用開口内に
ある接点プラグ、およびタングステン層142を含む。
第2絶縁層143が第1絶縁層12および接点プラグの
上に形成される。第2絶縁層143は相互接続用チャン
ネルを含む。モリブデン層144および銅層145を、
第2絶縁層143上の相互接続チャンネル内に付着させ
る。基板を化学的および機械的に研磨し、相互接続チャ
ンネルの外側にあるモリブデンおよび銅層144,14
5の一部を除去して相互接続部を形成する。本プロセス
における半導体素子形成はこの時点まで従来の方法で行
われる。
【0017】銅に伴う問題は、それが酸化し得ることで
ある。以下に種々の銅化合物を形成する反応を示す。
ある。以下に種々の銅化合物を形成する反応を示す。
【0018】
【化2】 図4は、酸素分圧の対数と温度の銅化合物の還元/酸化
に対する関係を示すグラフである。グラフのy軸は圧力
を大気単位とした時の酸素分圧の対数(Log pO2)であ
る。グラフには3本の曲線があり、その内の2本は銅化
合物に関係するものである。最も上の曲線の左上部分で
は、反応条件はCuOの形成に好ましいものとなってい
る。最も上および真ん中の曲線の間の領域では、反応条
件はCu2Oの形成に好ましいものとなっている。真ん中の
曲線の右下側では、反応条件はCuの形成に好ましいもの
となっている。所与の温度および酸素分圧に対して、ど
の生成物(Cu,Cu2O,またはCuO)が形成されるかを、
予測することができる。例えば、温度が約400゜ケル
ビン、Log pO2が約−60の場合、CuOが形成される。同
様に、温度が約400゜ケルビン、Log pO2が約−20
では、CuOが形成される。この曲線は、温度が高ければ
高いほど、Cuを酸化させるためには高い酸素分圧が必要
であることを示している。
に対する関係を示すグラフである。グラフのy軸は圧力
を大気単位とした時の酸素分圧の対数(Log pO2)であ
る。グラフには3本の曲線があり、その内の2本は銅化
合物に関係するものである。最も上の曲線の左上部分で
は、反応条件はCuOの形成に好ましいものとなってい
る。最も上および真ん中の曲線の間の領域では、反応条
件はCu2Oの形成に好ましいものとなっている。真ん中の
曲線の右下側では、反応条件はCuの形成に好ましいもの
となっている。所与の温度および酸素分圧に対して、ど
の生成物(Cu,Cu2O,またはCuO)が形成されるかを、
予測することができる。例えば、温度が約400゜ケル
ビン、Log pO2が約−60の場合、CuOが形成される。同
様に、温度が約400゜ケルビン、Log pO2が約−20
では、CuOが形成される。この曲線は、温度が高ければ
高いほど、Cuを酸化させるためには高い酸素分圧が必要
であることを示している。
【0019】本願発明者は、Cuよりも酸化が容易な材料
を用いれば、Cuが酸化されてCu2OまたはCuOが形成され
る可能性が低下すると確信する。図4の最も下の曲線
は、ReおよびReO2に対するものである。この曲線は、先
に論じた銅に関する曲線と同様である。ReO2/ReO3に対
する曲線は図4には示されていないが、Cu2O/CuO曲線
とRe/ReO2曲線との間に位置すると考えられることを注
記しておく。Reは所与の温度ではCuと比較すると低いLo
g pO2で酸化するので、Reの酸化はCuがCu2OまたはCuOに
酸化されるのに比較すると容易であることを、図4は示
している。ReおよびReO2は両方共導体であり、Reおよび
ReO2の層を相互接続部145の上に用いて、相互接続部
145内のCuが酸化される可能性を低下することもでき
る。
を用いれば、Cuが酸化されてCu2OまたはCuOが形成され
る可能性が低下すると確信する。図4の最も下の曲線
は、ReおよびReO2に対するものである。この曲線は、先
に論じた銅に関する曲線と同様である。ReO2/ReO3に対
する曲線は図4には示されていないが、Cu2O/CuO曲線
とRe/ReO2曲線との間に位置すると考えられることを注
記しておく。Reは所与の温度ではCuと比較すると低いLo
g pO2で酸化するので、Reの酸化はCuがCu2OまたはCuOに
酸化されるのに比較すると容易であることを、図4は示
している。ReおよびReO2は両方共導体であり、Reおよび
ReO2の層を相互接続部145の上に用いて、相互接続部
145内のCuが酸化される可能性を低下することもでき
る。
【0020】図5に示すように、導体層161をモリブ
デン層および銅層144,145上に形成する。導体層
161はReおよびReO2を含み、層内の全原子レニウムの
約5−95原子パーセントがReであり、層内の原子レニ
ウムの残りがReO2である。導体層161の形成は、Ruお
よびRuO2について先に述べた、付着およびパターニング
方法を用いて行うことができるが、ルテニウムの代わり
にレニウムが用いられている点が異なる。パッシベーシ
ョン層171を導体層161上に形成し、図6に示すよ
うに、ほぼ完成された集積回路を形成する。必要であれ
ば、他の層および電気的接続(図示せず)を形成するこ
ともできる。
デン層および銅層144,145上に形成する。導体層
161はReおよびReO2を含み、層内の全原子レニウムの
約5−95原子パーセントがReであり、層内の原子レニ
ウムの残りがReO2である。導体層161の形成は、Ruお
よびRuO2について先に述べた、付着およびパターニング
方法を用いて行うことができるが、ルテニウムの代わり
にレニウムが用いられている点が異なる。パッシベーシ
ョン層171を導体層161上に形成し、図6に示すよ
うに、ほぼ完成された集積回路を形成する。必要であれ
ば、他の層および電気的接続(図示せず)を形成するこ
ともできる。
【0021】本発明は、基板上に形成されるシリコン含
有層、基板上に形成される誘電体層、基板の上に形成さ
れるバリア層、および基板の上に形成されるゲート電極
或いはコンデンサ電極のような電極を含む、半導体素子
の他の部分の酸化または還元の可能性を低下するために
用いることができる。 強誘電体コンデンサ 本発明は、強誘電体コンデンサを形成する際に用いるこ
とができる。図7は、半導体素子の一部を示す断面図で
あり、半導体基板10、ソース/ドレイン領域301、
ゲート誘電体層302、およびゲート電極303を有す
る金属酸化物半導体トランジスタ30、トランジスタ3
0に隣接する電界絶縁領域31、第1平坦絶縁層(plana
rized insulating layer)32、二酸化チタン層33、
接点プラグ34、および厚さが約500−2000オン
グストロームでプラチナから成る下側電極3を含む。従
来の技術を用いて、プロセスのこの時点まで半導体素子
を形成する。二酸化チタン層33および下側電極35
は、後に形成される強誘電体層に接触する。層33,3
5は、他の材料で置き換えてもよいし、それらと一緒に
用いてもよいが、それらの材料は強誘電体層と反応して
はならず、また下にあるシリコン含有層に強誘電体層と
反応させてはならない。また、層33は絶縁体として作
用しなければならない。他の実施例では、層33はマグ
ネシウム、ジルコニウム、タンタルなどの酸化物を含ん
でいてもよい。電極35は導体として作用しなければな
らない。他の実施例では、電極35は、パラジウム、窒
化チタン、金属、および/またはそれらの導電性金属酸
化物(当該金属が導電性金属酸化物を形成することがで
きれば)等を含んでもよい。
有層、基板上に形成される誘電体層、基板の上に形成さ
れるバリア層、および基板の上に形成されるゲート電極
或いはコンデンサ電極のような電極を含む、半導体素子
の他の部分の酸化または還元の可能性を低下するために
用いることができる。 強誘電体コンデンサ 本発明は、強誘電体コンデンサを形成する際に用いるこ
とができる。図7は、半導体素子の一部を示す断面図で
あり、半導体基板10、ソース/ドレイン領域301、
ゲート誘電体層302、およびゲート電極303を有す
る金属酸化物半導体トランジスタ30、トランジスタ3
0に隣接する電界絶縁領域31、第1平坦絶縁層(plana
rized insulating layer)32、二酸化チタン層33、
接点プラグ34、および厚さが約500−2000オン
グストロームでプラチナから成る下側電極3を含む。従
来の技術を用いて、プロセスのこの時点まで半導体素子
を形成する。二酸化チタン層33および下側電極35
は、後に形成される強誘電体層に接触する。層33,3
5は、他の材料で置き換えてもよいし、それらと一緒に
用いてもよいが、それらの材料は強誘電体層と反応して
はならず、また下にあるシリコン含有層に強誘電体層と
反応させてはならない。また、層33は絶縁体として作
用しなければならない。他の実施例では、層33はマグ
ネシウム、ジルコニウム、タンタルなどの酸化物を含ん
でいてもよい。電極35は導体として作用しなければな
らない。他の実施例では、電極35は、パラジウム、窒
化チタン、金属、および/またはそれらの導電性金属酸
化物(当該金属が導電性金属酸化物を形成することがで
きれば)等を含んでもよい。
【0022】図8に示すように、厚さ約700−200
0オングストロームのパターニングされた強誘電体層4
1が、下側電極35上に形成される。強誘電体層41
は、ジルコン酸チタン酸鉛 (PZT)を含む。「ジルコニウ
ム」という言葉は時として「ジルコン酸(zirconate)」
の代わりに用いられるが、これは同一物質であることを
注記しておく。強誘電体層は、スピン・コーティング、
スパッタリングによる付着、または金属有機化学蒸着(m
etalorganic chemical vapor deposition)によって付着
される。
0オングストロームのパターニングされた強誘電体層4
1が、下側電極35上に形成される。強誘電体層41
は、ジルコン酸チタン酸鉛 (PZT)を含む。「ジルコニウ
ム」という言葉は時として「ジルコン酸(zirconate)」
の代わりに用いられるが、これは同一物質であることを
注記しておく。強誘電体層は、スピン・コーティング、
スパッタリングによる付着、または金属有機化学蒸着(m
etalorganic chemical vapor deposition)によって付着
される。
【0023】ほぼ大気圧および550−750℃の範囲
の温度の酸化雰囲気において、強誘電体層を熱処理す
る。炉を用いる場合熱処理時間は約5−30分、高速熱
処理器を用いる場合約10−300秒である。酸化雰囲
気は、酸素自体、或いは窒素、アルゴン、ヘリウム等の
ような比較的不活性な気体との混合を含む。強誘電体層
が後に酸化雰囲気で熱処理されないのなら、酸素以外の
比較的不活性な気体(窒素、アルゴン、ヘリウム等)の
ような非酸化雰囲気、および特に水素のような還元雰囲
気は避けるほうがよい。
の温度の酸化雰囲気において、強誘電体層を熱処理す
る。炉を用いる場合熱処理時間は約5−30分、高速熱
処理器を用いる場合約10−300秒である。酸化雰囲
気は、酸素自体、或いは窒素、アルゴン、ヘリウム等の
ような比較的不活性な気体との混合を含む。強誘電体層
が後に酸化雰囲気で熱処理されないのなら、酸素以外の
比較的不活性な気体(窒素、アルゴン、ヘリウム等)の
ような非酸化雰囲気、および特に水素のような還元雰囲
気は避けるほうがよい。
【0024】マスク層(図示せず)を強誘電体層41上
に形成する。この強誘電体層41を、ウエット・エッチ
ングまたはドライ・エッチング技術によってパターニン
グする。ウエット・エッチングは、フッ化水素酸、硝
酸、および過酸化水素を含む溶液を用いて行うことがで
きる。エッチング中、溶液を約室温に保持する。ドライ
・エッチングは、プラズマ・エッチングまたはイオン・
エッチングによって行われる。プラズマ・エッチングの
場合、エッチング用化学薬品は、酸素、四フッ化炭素(c
arbon tetrafluoride)(CF4)等のようなフッ素含有化合
物、および四塩化炭素、塩素分子等のような塩素含有化
合物を含む。パターニングの後、マスク層(図示せず)
を除去すると、図8に示すようなパターニングされた強
誘電体層41が得られる。
に形成する。この強誘電体層41を、ウエット・エッチ
ングまたはドライ・エッチング技術によってパターニン
グする。ウエット・エッチングは、フッ化水素酸、硝
酸、および過酸化水素を含む溶液を用いて行うことがで
きる。エッチング中、溶液を約室温に保持する。ドライ
・エッチングは、プラズマ・エッチングまたはイオン・
エッチングによって行われる。プラズマ・エッチングの
場合、エッチング用化学薬品は、酸素、四フッ化炭素(c
arbon tetrafluoride)(CF4)等のようなフッ素含有化合
物、および四塩化炭素、塩素分子等のような塩素含有化
合物を含む。パターニングの後、マスク層(図示せず)
を除去すると、図8に示すようなパターニングされた強
誘電体層41が得られる。
【0025】先に論じたように、強誘電体コンデンサに
伴う1つの問題は、それらの強誘電体特性を保持できな
いことである。この問題の原因は分かっていないが、後
の処理において強誘電体層が少なくとも部分的に還元さ
れている可能性がある。PZTの材料の中では、鉛が最
も容易に還元される。図9は、単体鉛(Pb)および鉛
酸化物(PbO)についての1本の曲線と、RuおよびRuO2に
ついての1本の曲線とを有することを除いて、図4と同
様のグラフである。PbOがPbに還元されるのを防ぐため
には、温度が高い程より高い酸素分圧が必要となること
を、曲線は示している。図9が示すのは、RuO2は、PbO
がPbに還元されるのと比較して、Ruに還元されやすいこ
とである。RuおよびRuO2は両方とも導体であり、双方と
もPZTとはさほど反応しない。したがって、Ruおよび
RuO2は、強誘電体コンデンサ用の上側電極として用いる
ことができる。同様に、Reおよびその酸化物のいずれ
か、IrとIrO2、OsおよびOsO4等も、上側電極として用い
ることができる。上側電極は、単体金属とその導電性金
属酸化物との双方を含まなければならない。
伴う1つの問題は、それらの強誘電体特性を保持できな
いことである。この問題の原因は分かっていないが、後
の処理において強誘電体層が少なくとも部分的に還元さ
れている可能性がある。PZTの材料の中では、鉛が最
も容易に還元される。図9は、単体鉛(Pb)および鉛
酸化物(PbO)についての1本の曲線と、RuおよびRuO2に
ついての1本の曲線とを有することを除いて、図4と同
様のグラフである。PbOがPbに還元されるのを防ぐため
には、温度が高い程より高い酸素分圧が必要となること
を、曲線は示している。図9が示すのは、RuO2は、PbO
がPbに還元されるのと比較して、Ruに還元されやすいこ
とである。RuおよびRuO2は両方とも導体であり、双方と
もPZTとはさほど反応しない。したがって、Ruおよび
RuO2は、強誘電体コンデンサ用の上側電極として用いる
ことができる。同様に、Reおよびその酸化物のいずれ
か、IrとIrO2、OsおよびOsO4等も、上側電極として用い
ることができる。上側電極は、単体金属とその導電性金
属酸化物との双方を含まなければならない。
【0026】図10を参照すると、強誘電体層41の上
側および外側を被覆するために、パターニングされた上
側電極61が形成される。上側電極61はRuおよびRuO2
を含み、上側電極61における全元素ルテニウムの5−
95パーセントがRuO2であり、上側電極61内の原子ル
テニウムの残りはRuである。上側電極61は誘電体層4
1内のPZTを保護するためのものなので、上側電極6
1は、層21または161に比較して、RuO2の濃度が高
いことを注記しておく。上側電極61を形成するには、
上側電極61の形成において先に述べた方法のいずれか
を用いて、厚さ約500−5000オングストロームの
層をスパッタリングによって付着する。層がReおよびそ
の酸化物のいずれか、IrとIrO2、OsおよびOsO4等を含む
場合、同様の方法が用いられる。
側および外側を被覆するために、パターニングされた上
側電極61が形成される。上側電極61はRuおよびRuO2
を含み、上側電極61における全元素ルテニウムの5−
95パーセントがRuO2であり、上側電極61内の原子ル
テニウムの残りはRuである。上側電極61は誘電体層4
1内のPZTを保護するためのものなので、上側電極6
1は、層21または161に比較して、RuO2の濃度が高
いことを注記しておく。上側電極61を形成するには、
上側電極61の形成において先に述べた方法のいずれか
を用いて、厚さ約500−5000オングストロームの
層をスパッタリングによって付着する。層がReおよびそ
の酸化物のいずれか、IrとIrO2、OsおよびOsO4等を含む
場合、同様の方法が用いられる。
【0027】マスク層(図示せず)がRuおよびRuO2層の
上に形成され、従来のリソグラフ技術を用いてパターニ
ングされる。RuおよびRuO2層のパターニングは、層の露
出された部分をイオン・エッチングまたはプラズマ・エ
ッチングすることによって行われる。層がRuおよびRuO2
を含む場合、プラズマ・エッチング用化学薬品は、酸
素、または四塩化炭素(CF4)等のようなフッ素含有化
合物を含むことができる。他の物質が用いられる場合、
他のエッチング用化学薬品を用いればよい。パターニン
グ段階の後、マスク層(図示せず)を除去することによ
って、図10に示すように上側電極61を残す。
上に形成され、従来のリソグラフ技術を用いてパターニ
ングされる。RuおよびRuO2層のパターニングは、層の露
出された部分をイオン・エッチングまたはプラズマ・エ
ッチングすることによって行われる。層がRuおよびRuO2
を含む場合、プラズマ・エッチング用化学薬品は、酸
素、または四塩化炭素(CF4)等のようなフッ素含有化
合物を含むことができる。他の物質が用いられる場合、
他のエッチング用化学薬品を用いればよい。パターニン
グ段階の後、マスク層(図示せず)を除去することによ
って、図10に示すように上側電極61を残す。
【0028】図10に見られるように、上側電極61は
強誘電体層41の上側および外側を保護するものであ
る。上側電極61内のRuO2は、還元されてRuを形成する
ことがある。上側電極61は、以降の処理中に強誘電体
層41が還元される可能性を低下させるものである。強
誘電体層41が還元されるためには、還元剤がRuO2を還
元することなく、上側電極を通り抜けて移動しなければ
ならない。このように、強誘電体層41の還元に対する
保護を強化することができる。その他の金属およびその
導電性金属酸化物をRuおよびRuO2層に代用したり、それ
らと共に用いることもできる。
強誘電体層41の上側および外側を保護するものであ
る。上側電極61内のRuO2は、還元されてRuを形成する
ことがある。上側電極61は、以降の処理中に強誘電体
層41が還元される可能性を低下させるものである。強
誘電体層41が還元されるためには、還元剤がRuO2を還
元することなく、上側電極を通り抜けて移動しなければ
ならない。このように、強誘電体層41の還元に対する
保護を強化することができる。その他の金属およびその
導電性金属酸化物をRuおよびRuO2層に代用したり、それ
らと共に用いることもできる。
【0029】図11に示すように、ほぼ完成した集積回
路が形成される。第2平坦絶縁層71が、二酸化チタン
層33と上側電極61との上に形成される。上側電極6
1まで達する開口が層71に形成される。この開口中
に、窒化チタン層72およびタングステン層73を含む
導電プラグが形成される。この導電プラグには、他の材
料を用いてもよいが、RuおよびRuO2の酸化および還元特
性によって、この選択は限定される。導電プラグに用い
られる材料は、導電性を保持しなければならない。窒化
チタン以外では、上側電極61に接触する層は、タング
ステン・チタン、タングステン、単体金属およびそれら
の導電性金属酸化物等から成るものでもよい。相互接続
部74およびパッシベーション層75が導電プラグおよ
び層71上に形成される。必要であれば、その他のレベ
ル間絶縁および相互接続層を形成することもできる。ゲ
ート電極303、および左側のソース/ドレイン領域3
01のような、集積回路の他の部分への電気接続が形成
されるが、図11には示されていない。 保護層への応用 本発明を用いて保護層を形成することもできる。本実施
例は強誘電体層について説明されているが、保護層はい
かなる数の素子にも用いることができる。窒化シリコン
は水素に対する良好なバリアであるが、窒化シリコンは
シリコンとPZT物質との間で反応する可能性があるた
め、PZT層と直接接触することはできない。また、選
択された付着用化学薬品によっては、窒化シリコン層の
形成中に水素を生成するものもあり、これが強誘電体層
内の酸素化合物を還元させる可能性がある。この応用例
は、窒化シリコンを含む保護層によって、強誘電体層を
実際いかにして包み込むことができるかを示すものであ
る。図12は、半導体素子の一部の断面図であり、第1
絶縁層80と、単体イリジウム(Ir)またはIrと二酸化
イリジウム(IrO2)との混合物から成る下側電極81と
を含む。下側電極81は、前述の金属およびそれらの導
電性金属酸化物から成る他の層と同様に付着され、パタ
ーニングされる。パターニングされた第2絶縁層91
が、第1絶縁層80および下側電極81の一部の上に形
成される。窒化シリコン層が付着され、異方性エッチン
グによって図13に示すような窒化物の側壁スペーサ9
2が形成される。二酸化チタン層も付着され、異方性エ
ッチングによって図13に示すような二酸化チタンのス
ペーサ93が形成される。他の実施例では、二酸化チタ
ン層は、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル等の酸
化物で代用してもよいし、或いはこれらと共に用いても
よい。任意選択として、二酸化チタンに異方性エッチン
グを行う必要はなく、半導体素子の露出されている表面
全体を覆うようにしてもよい。この任意実施例は図13
には示されていない。スペーサの形成中、水素が発生さ
れ、IrO2が元々存在していたとすると、それを還元する
可能性がある。必要であれば、酸化雰囲気を用いて短時
間の熱処理を施し、Irの一部をIrO2に酸化させることも
できる。スペーサの形成後、IrO2は、下側電極81内の
全イリジウムの5−95パーセントを構成していなけれ
ば成らない。
路が形成される。第2平坦絶縁層71が、二酸化チタン
層33と上側電極61との上に形成される。上側電極6
1まで達する開口が層71に形成される。この開口中
に、窒化チタン層72およびタングステン層73を含む
導電プラグが形成される。この導電プラグには、他の材
料を用いてもよいが、RuおよびRuO2の酸化および還元特
性によって、この選択は限定される。導電プラグに用い
られる材料は、導電性を保持しなければならない。窒化
チタン以外では、上側電極61に接触する層は、タング
ステン・チタン、タングステン、単体金属およびそれら
の導電性金属酸化物等から成るものでもよい。相互接続
部74およびパッシベーション層75が導電プラグおよ
び層71上に形成される。必要であれば、その他のレベ
ル間絶縁および相互接続層を形成することもできる。ゲ
ート電極303、および左側のソース/ドレイン領域3
01のような、集積回路の他の部分への電気接続が形成
されるが、図11には示されていない。 保護層への応用 本発明を用いて保護層を形成することもできる。本実施
例は強誘電体層について説明されているが、保護層はい
かなる数の素子にも用いることができる。窒化シリコン
は水素に対する良好なバリアであるが、窒化シリコンは
シリコンとPZT物質との間で反応する可能性があるた
め、PZT層と直接接触することはできない。また、選
択された付着用化学薬品によっては、窒化シリコン層の
形成中に水素を生成するものもあり、これが強誘電体層
内の酸素化合物を還元させる可能性がある。この応用例
は、窒化シリコンを含む保護層によって、強誘電体層を
実際いかにして包み込むことができるかを示すものであ
る。図12は、半導体素子の一部の断面図であり、第1
絶縁層80と、単体イリジウム(Ir)またはIrと二酸化
イリジウム(IrO2)との混合物から成る下側電極81と
を含む。下側電極81は、前述の金属およびそれらの導
電性金属酸化物から成る他の層と同様に付着され、パタ
ーニングされる。パターニングされた第2絶縁層91
が、第1絶縁層80および下側電極81の一部の上に形
成される。窒化シリコン層が付着され、異方性エッチン
グによって図13に示すような窒化物の側壁スペーサ9
2が形成される。二酸化チタン層も付着され、異方性エ
ッチングによって図13に示すような二酸化チタンのス
ペーサ93が形成される。他の実施例では、二酸化チタ
ン層は、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル等の酸
化物で代用してもよいし、或いはこれらと共に用いても
よい。任意選択として、二酸化チタンに異方性エッチン
グを行う必要はなく、半導体素子の露出されている表面
全体を覆うようにしてもよい。この任意実施例は図13
には示されていない。スペーサの形成中、水素が発生さ
れ、IrO2が元々存在していたとすると、それを還元する
可能性がある。必要であれば、酸化雰囲気を用いて短時
間の熱処理を施し、Irの一部をIrO2に酸化させることも
できる。スペーサの形成後、IrO2は、下側電極81内の
全イリジウムの5−95パーセントを構成していなけれ
ば成らない。
【0030】図14に見られるに、ランタン(lanthanu
m)をドープされたPZTを含む、強誘電体層101が形
成される。この強誘電体層101は、PZTから成る層
に関連して先に論じた方法の1つによって付着される。
強誘電体層101を含む基板が、化学機械的研磨によっ
てパターニングされる。絶縁層91上の強誘電体層10
1全てを確実に除去するために、フッ化水素酸、硝酸、
および過酸化水素を含む水溶液を用いて、強誘電体層1
01にウエット・エッチングを行う。残留する強誘電体
層101全てを除去するのに加えて、ウエット・エッチ
ング段階では、開口内の強誘電体層101の一部もエッ
チングすることにより、強誘電体層101が二酸化チタ
ンスペーサ93および下側電極81にのみ接触すること
を保証する。強誘電体層101を含む基板を、前述の強
誘電愛層41と同様の方法で熱処理する。
m)をドープされたPZTを含む、強誘電体層101が形
成される。この強誘電体層101は、PZTから成る層
に関連して先に論じた方法の1つによって付着される。
強誘電体層101を含む基板が、化学機械的研磨によっ
てパターニングされる。絶縁層91上の強誘電体層10
1全てを確実に除去するために、フッ化水素酸、硝酸、
および過酸化水素を含む水溶液を用いて、強誘電体層1
01にウエット・エッチングを行う。残留する強誘電体
層101全てを除去するのに加えて、ウエット・エッチ
ング段階では、開口内の強誘電体層101の一部もエッ
チングすることにより、強誘電体層101が二酸化チタ
ンスペーサ93および下側電極81にのみ接触すること
を保証する。強誘電体層101を含む基板を、前述の強
誘電愛層41と同様の方法で熱処理する。
【0031】上部電極111が形成される。これは、図
15に見られるように、元素オシミウム(Os)および四
酸化オシミウム(OsO4)から成る。OsO4は上部電極11
1内の全オシミウムの約5−95原子パーセントを占
め、上部電極111内のオシミウムの残りがOsである。
先に述べた金属とそれらの導電性金属酸化物とから成る
他の層と同様に、上部電極111は付着され、パターニ
ングされる。他の層および電気接続が強誘電体コンデン
サに作られるが、図には示されていない。
15に見られるように、元素オシミウム(Os)および四
酸化オシミウム(OsO4)から成る。OsO4は上部電極11
1内の全オシミウムの約5−95原子パーセントを占
め、上部電極111内のオシミウムの残りがOsである。
先に述べた金属とそれらの導電性金属酸化物とから成る
他の層と同様に、上部電極111は付着され、パターニ
ングされる。他の層および電気接続が強誘電体コンデン
サに作られるが、図には示されていない。
【0032】本実施例では、強誘電体層は、金属とその
導電性金属酸化物から成る電極81,111を有する。
窒化物スペーサ92が強誘電体層101の側部(側面)
を包囲するが、強誘電体層101に接触はしない。窒化
物 スペーサ92は水素バリアとして作用するので、側
部を通じて水素が強誘電体層101に接触することはな
い。窒化物スペーサ92が強誘電体層101より前に形
成されたので、強誘電体層101は窒化物スペーサの形
成中に生成される水素によって還元されることはない。
二酸化チタン・スペーサ93は、窒化物スペーサ92と
強誘電体層101とを分離するものである。したがっ
て、窒化物スペーサ92内のシリコンは、強誘電体層1
01とは反応しない。電極81,111および窒化シリ
コン・スペーサ92は、事実上強誘電体層101を包み
込む。本実施例を用いれば、強誘電体層101の還元の
可能性は、従来の強誘電体コンデンサよりは低くなる。
導電性金属酸化物から成る電極81,111を有する。
窒化物スペーサ92が強誘電体層101の側部(側面)
を包囲するが、強誘電体層101に接触はしない。窒化
物 スペーサ92は水素バリアとして作用するので、側
部を通じて水素が強誘電体層101に接触することはな
い。窒化物スペーサ92が強誘電体層101より前に形
成されたので、強誘電体層101は窒化物スペーサの形
成中に生成される水素によって還元されることはない。
二酸化チタン・スペーサ93は、窒化物スペーサ92と
強誘電体層101とを分離するものである。したがっ
て、窒化物スペーサ92内のシリコンは、強誘電体層1
01とは反応しない。電極81,111および窒化シリ
コン・スペーサ92は、事実上強誘電体層101を包み
込む。本実施例を用いれば、強誘電体層101の還元の
可能性は、従来の強誘電体コンデンサよりは低くなる。
【0033】図16は、保護された強誘電体層を有する
他の実施例を示す。図16は、酸化物層80と、第1窒
化シリコン層81とを有する。ReとReO2とを含む導体層
121と、PZTを含む強誘電体層122が、第1窒化
シリコン層81上に形成される。導体層121は下側電
極として作用し、導体層121内のReO2は強誘電体層1
22を還元する可能性を低下させる。層121,122
は、イオン・エッチングを用いてパターニングされる。
このイオン・エッチングは、層121,122が互いに
一致するように、それらをパターニングするものであ
る。二酸化チタン層123および第2窒化シリコン層1
24が、層121,122を含む絶縁層80上に形成さ
れる。層123,124に異方性エッチングを行い、側
壁スペーサを形成する。側壁を形成するためのエッチン
グは、1回以上のステップで行ってもよい。窒化シリコ
ンは水素を発生し、これが強誘電体層内のPbOを還元す
る。スペーサが形成された後、強誘電体層122を含む
基板を酸化雰囲気中で熱処理する。この熱処理は、先に
述べた強誘電体層41に用いた熱処理と同様のものであ
る。RuおよびRuO2を含む上側電極125が、強誘電体層
122と側壁スペーサの上に形成される。上側電極12
5内のRuO2は、強誘電体層122を還元する可能性を低
下させるものである。下側電極として作用する導体層1
21と強誘電体層122は、事実上第1窒化シリコン層
81、側壁スペーサの第2窒化シリコン層124、およ
び上側電極125によって、包み込まれている。強誘電
体コンデンサに伴う劣化の問題が下側電極または強誘電
体層に関連があるのかについては、完全には分かってい
ないが、本実施例は他の実施例よりも下側電極と強誘電
体層とが更に包み込まれているので、この劣化問題には
有効であろう。
他の実施例を示す。図16は、酸化物層80と、第1窒
化シリコン層81とを有する。ReとReO2とを含む導体層
121と、PZTを含む強誘電体層122が、第1窒化
シリコン層81上に形成される。導体層121は下側電
極として作用し、導体層121内のReO2は強誘電体層1
22を還元する可能性を低下させる。層121,122
は、イオン・エッチングを用いてパターニングされる。
このイオン・エッチングは、層121,122が互いに
一致するように、それらをパターニングするものであ
る。二酸化チタン層123および第2窒化シリコン層1
24が、層121,122を含む絶縁層80上に形成さ
れる。層123,124に異方性エッチングを行い、側
壁スペーサを形成する。側壁を形成するためのエッチン
グは、1回以上のステップで行ってもよい。窒化シリコ
ンは水素を発生し、これが強誘電体層内のPbOを還元す
る。スペーサが形成された後、強誘電体層122を含む
基板を酸化雰囲気中で熱処理する。この熱処理は、先に
述べた強誘電体層41に用いた熱処理と同様のものであ
る。RuおよびRuO2を含む上側電極125が、強誘電体層
122と側壁スペーサの上に形成される。上側電極12
5内のRuO2は、強誘電体層122を還元する可能性を低
下させるものである。下側電極として作用する導体層1
21と強誘電体層122は、事実上第1窒化シリコン層
81、側壁スペーサの第2窒化シリコン層124、およ
び上側電極125によって、包み込まれている。強誘電
体コンデンサに伴う劣化の問題が下側電極または強誘電
体層に関連があるのかについては、完全には分かってい
ないが、本実施例は他の実施例よりも下側電極と強誘電
体層とが更に包み込まれているので、この劣化問題には
有効であろう。
【0034】図17は、強誘電体コンデンサと、この強
誘電体コンデンサを還元剤から保護する遮蔽層とを有す
る半導体素子の一部を示す断面図である。基板は、第1
絶縁層130と二酸化チタン層131とを含む。ポリシ
リコン・プラグ132がRuおよびRuO2のような第1導体
層133によって被覆され、前記コンデンサの第1電極
を規定する。強誘電体層134が第1導体層133上に
配置され、更にプラチナ層135が強誘電体層134上
に形成される。プラチナ層135はコンデンサの第2電
極として作用する。強誘電体層134の熱処理を含む、
この時点までのプロセスは、従来のものである。第2絶
縁層136が電極上に形成される。この絶縁層は十分厚
いので、プラチナ層135と後に形成される遮蔽層との
間に容量性結合がたとえ生じるとしても、わずかなもの
である。典型的に、第2絶縁層の厚さは、少なくとも約
5000オングストロームである。第2絶縁層136を
含む基板を酸化雰囲気中で熱処理し、第2絶縁層136
内で取り込まれ得る水素量を減少させる。
誘電体コンデンサを還元剤から保護する遮蔽層とを有す
る半導体素子の一部を示す断面図である。基板は、第1
絶縁層130と二酸化チタン層131とを含む。ポリシ
リコン・プラグ132がRuおよびRuO2のような第1導体
層133によって被覆され、前記コンデンサの第1電極
を規定する。強誘電体層134が第1導体層133上に
配置され、更にプラチナ層135が強誘電体層134上
に形成される。プラチナ層135はコンデンサの第2電
極として作用する。強誘電体層134の熱処理を含む、
この時点までのプロセスは、従来のものである。第2絶
縁層136が電極上に形成される。この絶縁層は十分厚
いので、プラチナ層135と後に形成される遮蔽層との
間に容量性結合がたとえ生じるとしても、わずかなもの
である。典型的に、第2絶縁層の厚さは、少なくとも約
5000オングストロームである。第2絶縁層136を
含む基板を酸化雰囲気中で熱処理し、第2絶縁層136
内で取り込まれ得る水素量を減少させる。
【0035】遮蔽層137,138が第2絶縁層136
上に形成される。遮蔽層137は、層61と同様、Ruお
よびRuO2の混合物を含む。遮蔽層138は窒化シリコン
を含み、スパッタリングによる付着またはプラズマ・エ
ンハンス化学蒸着で形成される。窒化シリコン付着中の
温度および水素量は、層137内でRuO2がRuに還元され
るのを最少に抑えるために、比較的少なくしなければな
らない。層138の付着後、基板を酸化雰囲気中で熱処
理し、層137内のRuをいくらか酸化させる補助を行う
と共に、層138に存在する可能性のある全ピンホール
を封止する。水素のような還元剤が強誘電体コンデンサ
と干渉するためには、還元剤は層138を通過するだけ
でなく、層137内でRuO2をRuに還元することなく、層
137を通過しなければならない。本実施例は、良好な
水素バリアを例示するだけでなく、遮蔽層が半導体素子
内に電気的に存在(participate)しないことが望ましい
のであれば、そうしなくてもよいことを示すものであ
る。
上に形成される。遮蔽層137は、層61と同様、Ruお
よびRuO2の混合物を含む。遮蔽層138は窒化シリコン
を含み、スパッタリングによる付着またはプラズマ・エ
ンハンス化学蒸着で形成される。窒化シリコン付着中の
温度および水素量は、層137内でRuO2がRuに還元され
るのを最少に抑えるために、比較的少なくしなければな
らない。層138の付着後、基板を酸化雰囲気中で熱処
理し、層137内のRuをいくらか酸化させる補助を行う
と共に、層138に存在する可能性のある全ピンホール
を封止する。水素のような還元剤が強誘電体コンデンサ
と干渉するためには、還元剤は層138を通過するだけ
でなく、層137内でRuO2をRuに還元することなく、層
137を通過しなければならない。本実施例は、良好な
水素バリアを例示するだけでなく、遮蔽層が半導体素子
内に電気的に存在(participate)しないことが望ましい
のであれば、そうしなくてもよいことを示すものであ
る。
【0036】先の説明において、具体的な実施例を参照
しながら本発明を説明した。しかしながら、特許請求の
範囲に記載された本発明の広範な真意または範囲から逸
脱することなく、本発明の種々の改造や変更が可能であ
ることは明白である。したがって、明細書および図面
は、制限的な意味ではなく、例示的な意味で解釈される
べきである。
しながら本発明を説明した。しかしながら、特許請求の
範囲に記載された本発明の広範な真意または範囲から逸
脱することなく、本発明の種々の改造や変更が可能であ
ることは明白である。したがって、明細書および図面
は、制限的な意味ではなく、例示的な意味で解釈される
べきである。
【図1】本発明の一実施例による、単体金属とその導電
性金属酸化物とを含む金属化合物を有する層を、接触プ
ラグ上に形成する種々の段階における、基板の一部を示
す断面図。
性金属酸化物とを含む金属化合物を有する層を、接触プ
ラグ上に形成する種々の段階における、基板の一部を示
す断面図。
【図2】本発明の一実施例による、単体金属とその導電
性金属酸化物とを含む金属化合物を有する層を、接触プ
ラグ上に形成する種々の段階における、基板の一部を示
す断面図。
性金属酸化物とを含む金属化合物を有する層を、接触プ
ラグ上に形成する種々の段階における、基板の一部を示
す断面図。
【図3】本発明の他の実施例による、単体金属とその導
電性金属酸化物とを含む金属化合物を有する層を、相互
接続部上に形成する種々の段階における、基板の一部を
示す断面図。
電性金属酸化物とを含む金属化合物を有する層を、相互
接続部上に形成する種々の段階における、基板の一部を
示す断面図。
【図4】種々の物質とそれらの酸化状態を、当該物質に
おける酸素分圧の対数と、その物質の温度とによって示
すグラフ。
おける酸素分圧の対数と、その物質の温度とによって示
すグラフ。
【図5】本発明の他の実施例による、単体金属とその導
電性金属酸化物とを含む金属化合物を有する層を、相互
接続部上に形成する種々の段階における、基板の一部を
示す断面図。
電性金属酸化物とを含む金属化合物を有する層を、相互
接続部上に形成する種々の段階における、基板の一部を
示す断面図。
【図6】本発明の他の実施例による、単体金属とその導
電性金属酸化物とを含む金属化合物を有する層を、相互
接続部上に形成する種々の段階における、基板の一部を
示す断面図。
電性金属酸化物とを含む金属化合物を有する層を、相互
接続部上に形成する種々の段階における、基板の一部を
示す断面図。
【図7】本発明による単体金属とその導電性金属酸化物
を含む、強誘電体コンデンサ用電極を形成する種々のプ
ロセス段階における、基板の一部の断面図。
を含む、強誘電体コンデンサ用電極を形成する種々のプ
ロセス段階における、基板の一部の断面図。
【図8】本発明による単体金属とその導電性金属酸化物
を含む、強誘電体コンデンサ用電極を形成する種々のプ
ロセス段階における、基板の一部の断面図。
を含む、強誘電体コンデンサ用電極を形成する種々のプ
ロセス段階における、基板の一部の断面図。
【図9】種々の物質とそれらの酸化状態を、当該物質に
おける酸素分圧の対数と、その物質の温度とによって示
すグラフ。
おける酸素分圧の対数と、その物質の温度とによって示
すグラフ。
【図10】本発明による単体金属とその導電性金属酸化
物を含む、強誘電体コンデンサ用電極を形成する種々の
プロセス段階における、基板の一部の断面図。
物を含む、強誘電体コンデンサ用電極を形成する種々の
プロセス段階における、基板の一部の断面図。
【図11】本発明による単体金属とその導電性金属酸化
物を含む、強誘電体コンデンサ用電極を形成する種々の
プロセス段階における、基板の一部の断面図。
物を含む、強誘電体コンデンサ用電極を形成する種々の
プロセス段階における、基板の一部の断面図。
【図12】本発明の他の実施例による単体金属とその導
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
【図13】本発明の他の実施例による単体金属とその導
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
【図14】本発明の他の実施例による単体金属とその導
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
【図15】本発明の他の実施例による単体金属とその導
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
【図16】本発明の他の実施例による単体金属とその導
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
【図17】本発明の他の実施例による単体金属とその導
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
電性金属酸化物を含む層を示す、基板の一部の断面図。
10 基板 11 ドープ領域 12 酸化物層 13 シリコン・プラグ 21 導体層 32 シリコン含有層 34 接点プラグ 41 強誘電体層 101 強誘電体層 122 強誘電体層 134 誘電体層 135 電極 141 窒化チタン層 142 タングステン層 143 第2絶縁層 144 モリブデン層 145 相互接続部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リザ・モザミ アメリカ合衆国テキサス州オースチン、ア パートメント433、グレート・ヒルズ・ト レイル9617 (72)発明者 シー・ジョセフ・モガブ アメリカ合衆国テキサス州オースチン、ア ーリッチ・ロード22
Claims (3)
- 【請求項1】主面を有する基板(10,80);前記主
面に隣接する前記基板内にある位置(11);および前
記基板の上にある位置(132,41,101,12
2,134,135,132,41,101,122,
135,141,144,145);から成るグループ
から選択された位置にある第1領域;ならびに前記第1
領域の上に配置される第1層(21,161,61,8
1,111,121,125,133,および13
7);から成り、 前記第1層は単体金属およびその導電性金属酸化物を含
み;前記単体金属は、酸化中に前記導電性金属酸化物に
酸化され得るものであり;前記導電性金属酸化物は、還
元中に前記単体金属に還元され得るものであり;前記酸
化および還元は可逆的反応であり;および前記第1層
は、第1反応において前記第1領域が反応するのに優先
して、前記可逆的反応の一方において反応することを特
徴とする半導体素子。 - 【請求項2】主面を有する基板;前記基板内の領域(1
1)、前記基板上に位置するシリコン含有層(13
2)、電極(135)、前記基板上に位置するバリア層
(141,144)、前記基板上に位置する接触プラグ
(13,142,34,132)、前記基板上に位置す
るバイア・プラグ、および前記基板上に位置する相互接
続部(145)から成るグループから選択される第1領
域;前記第1領域の上に位置する第1層(21,16
1,121,133,137);から成り、前記第1層
は単体金属とその導電性金属酸化物とを含み、前記単体
金属は、前記第1領域が酸化されるのに優先して、その
導電性金属酸化物に酸化され得ることを特徴とする半導
体素子。 - 【請求項3】強誘電体層(41,101,122,13
4);および前記強誘電体層上に位置する第1層(6
1,111,125,137);から成り、 前記第1層は単体金属とその導電性金属酸化物とを含
み;および前記導電性金属酸化物は、前記誘電体層が還
元されるのに優先して、前記単体金属に還元され得るこ
とを特徴とする強誘電体コンデンサ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US072012 | 1993-06-07 | ||
US08/072,012 US5407855A (en) | 1993-06-07 | 1993-06-07 | Process for forming a semiconductor device having a reducing/oxidizing conductive material |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0799290A true JPH0799290A (ja) | 1995-04-11 |
Family
ID=22105010
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6147041A Pending JPH0799290A (ja) | 1993-06-07 | 1994-06-07 | 半導体素子および強誘電体コンデンサ |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US5407855A (ja) |
EP (1) | EP0629002B1 (ja) |
JP (1) | JPH0799290A (ja) |
KR (1) | KR100354578B1 (ja) |
CN (1) | CN1093319C (ja) |
DE (1) | DE69433582T2 (ja) |
SG (1) | SG69959A1 (ja) |
TW (1) | TW278208B (ja) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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US5841160A (en) * | 1995-04-28 | 1998-11-24 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor device having a capacitor electrode made of iridium |
JPH11145410A (ja) * | 1997-11-13 | 1999-05-28 | Toshiba Corp | 半導体装置およびその製造方法 |
US5973342A (en) * | 1996-04-25 | 1999-10-26 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor device having an iridium electrode |
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US6201271B1 (en) | 1997-07-29 | 2001-03-13 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor memory device prevented from deterioration due to activated hydrogen |
US6414344B1 (en) | 1999-06-28 | 2002-07-02 | Hyundai Electronics Industries Ci., Ltd. | Semiconductor device for use in a memory cell and method for the manufacture thereof |
JP2005129903A (ja) * | 2002-11-13 | 2005-05-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
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