JPH1145981A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH1145981A
JPH1145981A JP9201351A JP20135197A JPH1145981A JP H1145981 A JPH1145981 A JP H1145981A JP 9201351 A JP9201351 A JP 9201351A JP 20135197 A JP20135197 A JP 20135197A JP H1145981 A JPH1145981 A JP H1145981A
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JP
Japan
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insulating film
deposited
annealing
film
ferroelectric
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Withdrawn
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JP9201351A
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English (en)
Inventor
Shinichi Kawai
真一 川合
Mitsuhiro Nakamura
光宏 中村
Kenichi Inoue
憲一 井上
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、強誘電体キャパシタを備えた半
導体装置の製造方法において、強誘電体膜の劣化を防ぐ
プロセス方法を開発する。 【解決手段】 半導体基板上に強誘電体キャパシタを
具備する半導体装置の製造方法において、該強誘電体キ
ャパシタ形成後の全ての絶縁膜形成を300℃以下の温
度で行い、且つ、該強誘電体キャパシタ形成工程からメ
タル配線形成前までの全てのアニールを、酸素を含有す
る雰囲気中で行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は強誘電体キャパシタ
を備えた半導体装置の製造方法に関し、強誘電特性を劣
化させないようなプロセス技術を確立する方法でありま
す。
【0002】
【従来の技術】図5に強誘電体RAMセルの断面構造を
示す。図6に従来例の強誘電体キャパシタを有する半導
体装置の製造工程のフローチャートを示す。
【0003】図において、1は半導体基板、2はフィー
ルド酸化膜、3はゲート酸化膜、4はゲート電極、5は
ソース・ドレイン拡散層、6は第1の層間絶縁膜、7は
キャパシタ下部電極、8は強誘電体薄膜、9はキャパシ
タ上部電極、10は第2の層間絶縁膜、13はローカル配
線、14は第3の層間絶縁膜、16はメタル配線、17はカバ
ー絶縁膜であるまず、図5、並びに図6に従って、従来
の製造方法の概要を説明する。
【0004】半導体基板1に選択酸化を施し、素子分離
のためのフィールド酸化膜2を成長する。ゲート酸化膜
3を成長後、燐ドープのポリシリコン膜を堆積し、レジ
ストパターニングでゲート電極4を形成する。
【0005】砒素イオンを注入して、ソース・ドレイン
拡散層5を形成し、第シリコン酸化膜等の1の層間絶縁
膜を堆積し、900℃の窒素雰囲気でのリフローする。
次に、キャパシタ下部電極7、続いて強誘電体薄膜8と
してPZTを順に堆積し、酸素雰囲気中750℃で結晶
化アニールを行う。
【0006】この上にキャパシタ上部電極9の金属膜を
堆積する。これに三段階のレジストパターニングを行
い、キャパシタ上部電極9、強誘電体薄膜8、キャパシ
タ下部電極7を形成する。ここで、強誘電体薄膜8への
プロセスダメージを回復させるために、酸素雰囲気55
0℃でアニールを行う。
【0007】続いて、TEOS等の第2の層間絶縁膜1
0堆積し、レジストパターニングによって上部電極コン
タクト窓を開口し、プロセスダメージを回復させるため
に酸素雰囲気550℃でアニールを行い、その後レジス
トパターニングによってバルクコンタクト窓を開口す
る。
【0008】ここで、セル内の配線を形成するために、
金属配線膜を堆積し、レジストパターニングによってロ
ーカル配線13を形成する。更に、TEOS等の第3の
層間絶縁膜14を堆積し、レジストパターニングによっ
て第2のバルクコンタクト窓を開口する。
【0009】続いて、金属膜を堆積し、レジストパター
ニングによってメタル配線16を形成し、TEOS等の
カバー絶縁膜17を堆積し、窒素アニールを450℃で
30分行う。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】一般的には、LSIの
ウェーハプロセスの最後には耐湿性の保持のためにプラ
ズマ・シリコン窒化膜でカバー絶縁膜を形成し、コンタ
クト及びMOS界面の安定化のために窒素・水素アニー
ルを行うが、これらのプロセスは大量の水素を伴うもの
であるため、強誘電性の劣化を避けるために、上記のよ
うにTEOSや窒素アニールを用いている。
【0011】ところが、カバー膜を堆積後には充分な強
誘電性の分極特性が得られている製品でも、最後の窒素
アニールを行うと分極特性が桁違いに減少してしまうこ
とが分かった。
【0012】例えば、層間絶縁膜やカバー膜に用いるB
PSG膜やTEOS膜の堆積温度を400℃で行い、カ
バー膜堆積後のニールを窒素雰囲気中で行った場合に
は、工程終了後の分極電荷量は1μC/cm2 以下とな
ってしまう。
【0013】従来の方法で最後のアニールを行うと分極
特性が劣化してしまうのは、TEOS等の第2の絶縁
膜、第3の絶縁膜、カバー絶縁膜に含まれている水素な
いしは水がこのアニールによって水素ガスとなり、積層
構造中を動いて強誘電体膜に達し、これを還元してしま
うためであると考えられる。
【0014】更に、層間絶縁膜を300℃以上の温度で
成長すると、強誘電体キャパシタの分極特性が劣化する
ことがわかった。通常、層間絶縁膜の成長は300℃以
上で行われているが、層間絶縁膜を300℃以上の温度
で成長すると、強誘電体キャパシタの分極特性が劣化す
現象が見られた。これは、酸素アニールを行うことで、
確かに初期特性としては回復するが、経時変化を含めて
の信頼性は回復しないといった問題がある。
【0015】
【課題を解決するための手段】図1は本発明の工程のフ
ローチャートである。上記の問題点の解決はフローチャ
ートの二重線で囲った工程、すなわち、強誘電体キャパ
シタ形成後に堆積する絶縁膜に関しては、絶縁膜の堆積
温度を全て300℃以下に行うこと、及び、堆積後のア
ニールを酸素を含む雰囲気中で行うことにより解決され
る。
【0016】上記課題で述べた二つの分極特性の劣化の
結果から、層間絶縁膜の成長温度を300℃以下にし、
最後の窒素アニールの代わりに酸素で450℃30分の
アニールを行ったところ、上記のような分極特性の劣化
は抑えられることが分かった。
【0017】この原因は、従来の方法で最後のアニール
を行うと分極特性が劣化してしまうのは、TEOS等の
第2の絶縁膜、第3の絶縁膜、カバー絶縁膜に含まれて
いる水素ないしは水がこのアニールによって水素ガスと
なり、積層構造中を動いて強誘電体薄膜に達し、これを
還元してしまうためであると考えられる。
【0018】また、一度酸素アニールをした後は窒素ア
ニールを行っても分極特性劣化を起こさないことも併せ
て確認したが、この理由は酸素アニールの時点で酸化さ
れた水素、即ち水が積層構造外に運び去られるためと考
えられる。トランジスタの安定化を図るためには、酸素
アニール後に、更に窒素アニールを行うことが、より効
果的である。
【0019】また、このように層間絶縁膜を低温成長し
ても、上記のようにカバー膜の堆積後に200℃ないし
450℃の酸素アニールを行うことで、トランジスタ特
性への影響は僅少であることが分かった。
【0020】更に、この後に200℃ないし450℃の
窒素アニールを行うことで、トランジスタ特性への影響
は一層改善する。
【0021】
【発明の実施の形態】図2、図3は本発明の一実施例の
工程順模式断面図、図4は本発明と従来例の分極電荷量
である。
【0022】図において、1は半導体基板、2はフィー
ルド酸化膜、3はゲート酸化膜、4はゲート電極、5は
ソース・ドレイン拡散層、6は第1の層間絶縁膜、7は
キャパシタ下部電極、8は強誘電体薄膜、9はキャパシ
タ上部電極、10は第2の層間絶縁膜、11は上部電極コン
タクト窓、12は第1のバルクコンタクト窓、13はローカ
ル配線、14は第3の層間絶縁膜、15は第2のバルクコン
タクト窓、16はメタル配線、17はカバー絶縁膜である。
【0023】強誘電体キャパシタ形成後に堆積される第
2の層間絶縁膜以降の全ての絶縁膜の成長を300℃以
下まで下げて行い、更にカバー絶縁膜形成後に酸素アニ
ールを450℃30分行い、これに続けて窒素アニール
450℃30分行った。
【0024】本発明の一実施例を図2、図3の工程順模
式断面図により説明する。図2(a)に示すように、シ
リコンウェーハ等の半導体基板1に選択酸化を施し、素
子分離のための5,000Åの厚さのフィールド酸化膜
2を成長する。シリコン酸化膜からなるゲート酸化膜3
を200Åの厚さに成長後、燐をドープしたポリシリコ
ン膜を4,000Åの厚さに堆積し、レジストパターニ
ングによって1μm幅のゲート電極4を形成する。
【0025】砒素イオンをイオン注入法により加速電圧
70keV、ドーズ量4×1015/cm2 の条件で注入
して、ソース・ドレイン拡散層5を形成し、BPSG
8,000Å堆積と、900℃の窒素雰囲気でのリフロ
ーによって、第1の層間絶縁膜6を形成する。
【0026】次に、図2(b)キャパシタの下部電極と
なるべきチタン(Ti)200Åおよび白金(Pt)
1,500Å、続いて強誘電体薄膜としてPZTを2,
500Åの厚さに順に堆積し、酸素雰囲気中750℃で
結晶化アニールを行う。
【0027】これに上部電極となるべきPt1,500
Åを堆積する。これに三段階のレジストパターニングを
行い、キャパシタ上部電極9、強誘電体薄膜8、キャパ
シタ下部電極7を形成して、強誘電体キャパシタが半導
体基板1上に形成される。
【0028】ここで、強誘電体薄膜8へのプロセスダメ
ージを回復させるために、酸素雰囲気中、550℃でア
ニールを行う。続いて、図2(c)に示すように、層間
絶縁膜としてTEOSを250℃の堆積温度で1,00
0Åの厚さに堆積し、レジストパターニングによって上
部電極コンタクト窓11を開口し、プロセスダメージを
回復させるために酸素雰囲気中、550℃でアニールを
行い、その後レジストパターニングによって第1のバル
クコンタクト窓12を開口する。
【0029】ここで、図3(d)に示すように、セル内
の配線を形成するために、窒化チタン(TiN)1,0
00Åを堆積し、レジストパターニングによってローカ
ル配線13を形成する。
【0030】更に、図3(e)に示すように、第3の層
間絶縁膜14としてTEOSを250℃の堆積温度で
3,000Åの厚さに堆積し、レジストパターニングに
よって第2のバルクコンタクト窓15を開口する。
【0031】続いて、図3(f)に示すように、Ti2
00Å、TiN500Å、アルミニウム(Al)6,0
00Åを堆積し、レジストパターニングによってメタル
配線16を形成し、カバー絶縁膜17として、TEOS
を250℃の堆積温度で5,000Åの厚さに堆積し、
酸素アニールを450℃で30分行う。
【0032】本発明の酸素アニールにより、従来の窒素
アニールに比べてトランジスタ特性が改善されるが、更
に窒素アニールを450℃で30分追加することによ
り、より一層のトランジスタ特性の向上が図られる。
【0033】上述のように、強誘電体材料としては、P
ZTを始めとする酸化物が用いられる。そして、上記の
プロセスで酸素雰囲気で数回のアニールを行ったのは、
そのアニール以前のプロセス中で発生する水素によっ
て、強誘電体が還元されて、強誘電性が劣化するのを回
復させるためである。
【0034】すなわち、工程終了後の分極電荷量を従来
例と本発明の一実施例で比較すると図4に示すように、
従来、絶縁膜の堆積を400℃で行い、カバー膜堆積後
のアニールを窒素雰囲気のみで行っていた場合には、分
極電荷量が1μC/cm2 以下であったものが、カバー
堆積後のアニールを酸素雰囲気にした結果15μC/c
2 と改善され、更に、絶縁膜の堆積を200℃と低温
にした結果は更に改善されて、28μC/cm2 となっ
た。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
強誘電体キャパシタ形成後の全ての絶縁膜の堆積温度を
300℃以下とし、また、堆積後のアニールを酸素雰囲
気で行うことにより、強誘電性の劣化が抑制でき、強誘
電体キャパシタを有する半導体装置の信頼性の向上に大
きく寄与することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の工程のフローチャート
【図2】 本発明の一実施例の工程順模式断面図(その
1)
【図3】 本発明の一実施例の工程順模式断面図(その
2)
【図4】 本発明と従来例の工程終了後の分極電荷量
【図5】 従来例の説明図
【図6】 従来例の工程のフローチャート
【符号の説明】
図において、 1 半導体基板 2 フィールド酸化膜 3 ゲート酸化膜 4 ゲート電極 5 ソース・ドレイン拡散層 6 第1の層間絶縁膜 7 キャパシタ下部電極 8 強誘電体薄膜 9 キャパシタ上部電極 10 第2の層間絶縁膜 11 上部電極コンタクト窓 12 第1のバルクコンタクト窓 13 ローカル配線 14 第3の層間絶縁膜 15 第2のバルクコンタクト窓 16 メタル配線 17 カバー絶縁膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 29/792 // H01L 21/316

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に強誘電体キャパシタを
    具備する半導体装置の製造方法において、該強誘電体キ
    ャパシタ形成工程後の全ての絶縁膜の堆積温度を300
    ℃以下の温度で行うことを特徴とする半導体装置の製造
    方法。
  2. 【請求項2】 前期絶縁膜がTEOSからなることを
    特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 半導体基板上に強誘電体キャパシタを
    具備する半導体装置の製造方法において、該強誘電体キ
    ャパシタ形成工程からメタル配線形成前までの全てのア
    ニールを、酸素を含有する雰囲気中で行うことを特徴と
    する半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記メタル配線形成後のアニールも、
    酸素を含有する雰囲気中で行うことを特徴とする請求項
    3記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記メタル配線形成後のアニールのう
    ち、最終のアニールを行った後に、更に窒素を含有する
    雰囲気でアニールを行うことを特徴とする請求項4記載
    の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記酸素雰囲気でのアニールのうち、
    最終のアニールを200℃〜450℃で行うことを特徴
    とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
JP9201351A 1997-07-28 1997-07-28 半導体装置の製造方法 Withdrawn JPH1145981A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100358164B1 (ko) * 1999-12-28 2002-10-25 주식회사 하이닉스반도체 강유전체 메모리 소자의 제조 방법
JP2006066415A (ja) * 2004-08-24 2006-03-09 Oki Electric Ind Co Ltd 強誘電体メモリの製造方法

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Effective date: 20041005