JPWO2004090985A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

Wプラグ(24)を形成し、その上にW酸化防止バリアメタル膜(25)を形成する。その後、W酸化防止バリアメタル膜(25)よりも薄いSiON膜(27)を形成し、SiON膜(27)に対してArスパッタエッチングを行う。この結果、SiON膜(27)の表面の形状が緩やかになり、深い溝が消失する。続いて、全面に、SiON膜(28)を形成する。SiON膜(28)とSiON膜(27)とから、空隙が存在しないW酸化防止絶縁膜(29)が構成される。

Description

本発明は、強誘電体メモリの製造に好適な半導体装置の製造方法に関する。
強誘電体メモリ(FeRAM:Ferroelectric Random Access Memory)は、不揮発性半導体メモリとして用いられる。強誘電体メモリに設けられる強誘電体キャパシタの構造は、主にスタック構造及びプレーナ構造に分類されるが、現在量産されているのは、プレーナ構造の強誘電体キャパシタである。
これに対し、高集積化の要請から、セル面積をより小さくできるスタック構造のキャパシタの実用化が要望されている。スタック構造には、強誘電体キャパシタの下部電極の直下に基板(拡散層)との間の導通を確保するためのコンタクトプラグが設けられている。このコンタクトプラグの材料には、特開2001−44376号公報に記載されているように、通常タングステン又はポリシリコンが用いられる。Wプラグのコンタクト抵抗は通常2〜3Ωであるのに対し、ポリシリコンから形成されたプラグのコンタクト抵抗は1〜2kΩである。
また、強誘電体メモリはロジック回路と混載されることが多い。例えば、認証が必要とされるセキュリティ関係のチップや、ICカードはその一例である。ロジック回路には、通常Wプラグが用いられている。このため、ロジック回路を設計する際に行うシミュレーションにおいても、パラメータとしてWプラグの抵抗の値が用いられている。
従って、これまで用いてきた設備及び技術を用い、且つ開発工程数及びコストの上昇を抑制するためには、ロジック混載強誘電体メモリのロジック部には、これまでどおりWプラグを用いることが好ましい。
通常、強誘電体キャパシタを形成する際には、良好な特性を得るために、結晶化アニール及び回復アニール等の種々の熱処理が必要とされる。例えば、結晶化アニールは、750℃で60秒間のRTA(Rapid Thermal Annealing)であり、回復アニールは、650℃で60分間の炉内アニールである。
しかし、Wプラグには、非常に速い速度で且つ低い温度で酸化するという性質がある。また、Wプラグの一部の酸化が一旦始まると、酸化はWプラグの全体に広がる。このため、コンタクト不良が生じやすく、歩留まりが低下しやすい。Wプラグの酸化を抑制するためには、アニールの温度を下げることが好ましい。
このように、強誘電体キャパシタの性能を向上させるには、種々のアニールが必要とされる一方で、キャパシタ直下のWプラグのコンタクト抵抗の上昇を避けるためには、アニールの温度を低めにする必要がある。即ち、現状では、強誘電体キャパシタの性能とWプラグのコンタクト性能とはトレードオフの関係にある。
また、従来、強誘電体キャパシタを形成した後には、1回のエッチングを行うことにより、強誘電体メモリのビット線と基板との間のコンタクトホールを形成している。このように、強誘電体キャパシタを形成した後にコンタクトホールを形成しているのは、強誘電体キャパシタを形成する前に、コンタクトホールを形成してWプラグを埋めた場合には、強誘電体キャパシタを形成する際にWプラグが酸化する虞があるからである。
しかし、今後、微細化が促進されると、コンタクトホールのアスペクト比が大きくなり、コンタクトホールを形成する際のエッチング、及びコンタクトホール内へのグルー膜の埋め込み等が困難となる。
特開2001−44376号公報 特開平4−323821号公報 特開平11−133457号公報
本発明の目的は、アニール温度を高くしてもコンタクト抵抗の上昇を抑制することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明に係る第1の半導体装置の製造方法では、先ず、半導体基板の表面にスイッチング素子を形成する。次に、前記スイッチング素子を覆う層間絶縁膜を形成する。次いで、前記層間絶縁膜に前記スイッチング素子を構成する導電層まで到達するコンタクトホールを形成する。その後、前記コンタクトホール内にコンタクトプラグを埋め込む。続いて、前記層間絶縁膜上に、前記コンタクトプラグに接続されるバリアメタル膜を選択的に形成する。次に、全面に第1の絶縁膜を形成する。次いで、前記第1の絶縁膜に対してスパッタエッチングを施すことにより、前記第1の絶縁膜の表面の傾斜を緩やかにする。そして、前記バリアメタル膜上に、強誘電体キャパシタを形成する。
本発明に係る第2の半導体装置の製造方法では、先ず、半導体基板の表面にスイッチング素子を形成する。次に、前記スイッチング素子を覆う層間絶縁膜を形成する。次いで、前記層間絶縁膜に前記スイッチング素子を構成する導電層まで到達するコンタクトホールを形成する。その後、前記コンタクトホール内にコンタクトプラグを埋め込む。続いて、前記層間絶縁膜上に、前記コンタクトプラグに接続されるバリアメタル膜を選択的に形成する。次に、高密度プラズマ法により前記バリアメタル膜よりも厚い絶縁膜を全面に形成する。そして、前記バリアメタル膜上に、強誘電体キャパシタを形成する。
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。
図2A及び図2Bは、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図3A及び図3Bは、図2A及び図2Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図4A及び図4Bは、図3A及び図3Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図5A及び図5Bは、図4A及び図4Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図6A及び図6Bは、図5A及び図5Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図7A及び図7Bは、図6A及び図6Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図8A及び図8Bは、図7A及び図7Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図9A及び図9Bは、図8A及び図8Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図10A及び図10Bは、図9A及び図9Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図11A及び図11Bは、図10A及び図10Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図12A及び図12Bは、図11A及び図11Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図13A及び図13Bは、本発明の第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14A及び図14Bは、図11A及び図11Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図15A及び図15Bは、図11A及び図11Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図16A及び図16Bは、図11A及び図11Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図17A及び図17Bは、図11A及び図11Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図18A及び図18Bは、図11A及び図11Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図19A及び図19Bは、図11A及び図11Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図20A及び図20Bは、図11A及び図11Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図21A及び図21Bは、図11A及び図11Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図22A及び図22Bは、図11A及び図11Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図23A及び図23Bは、図11A及び図11Bに引き続き、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図24A及び図24Bは、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図25A及び図25Bは、図24A及び図24Bに引き続き、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図26A及び図26Bは、図25A及び図25Bに引き続き、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図27A及び図27Bは、図26A及び図26Bに引き続き、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図28A及び図28Bは、図27A及び図27Bに引き続き、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図29A及び図29Bは、図28A及び図28Bに引き続き、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図30A及び図30Bは、図29A及び図29Bに引き続き、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図31A及び図31Bは、図30A及び図30Bに引き続き、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図32A及び図32Bは、図31A及び図31Bに引き続き、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図33A及び図33Bは、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図34A及び図34Bは、図33A及び図33Bに引き続き、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図35A及び図35Bは、図34A及び図34Bに引き続き、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図36A及び図36Bは、図35A及び図35Bに引き続き、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図37A及び図37Bは、図36A及び図36Bに引き続き、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図38A及び図38Bは、図37A及び図37Bに引き続き、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図39A及び図39Bは、図38A及び図38Bに引き続き、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図40A及び図40Bは、図39A及び図39Bに引き続き、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図41A及び図41Bは、図40A及び図40Bに引き続き、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図42A及び図42Bは、図41A及び図41Bに引き続き、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図43A及び図43Bは、図42A及び図42Bに引き続き、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図44A及び図44Bは、夫々図43A、図43Bが示す断面に直交する断面を示す断面図である。
図45A及び図45Bは、本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図46A及び図46Bは、図45A及び図45Bに引き続き、本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図47A及び図47Bは、図46A及び図46Bに引き続き、本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図48A及び図48Bは、図47A及び図47Bに引き続き、本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図49A及び図49Bは、図48A及び図48Bに引き続き、本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図50A及び図50Bは、図49A及び図49Bに引き続き、本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図51A及び図51Bは、図50A及び図50Bに引き続き、本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図52A及び図52Bは、図51A及び図51Bに引き続き、本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図53A及び図53Bは、図52A及び図52Bに引き続き、本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。
図54A及び図54Bは、参考例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図55A及び図55Bは、スリット及びクラックを示す走査型電子顕微鏡写真の図である。
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。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。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。
(参考例)
ここで、本願発明に至る過程でなされた参考例について説明する。図54A及び図54Bは、参考例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。但し、図54A及び図54Bは、ビット線3が延びる方向に垂直な断面を示す。また、図54Aは、強誘電体メモリのメモリセルアレイ部の断面を示し、図54Bは、ロジック部(論理回路部)の断面を示す。
この参考例では、先ず、半導体基板(図示せず)の表面に、ソース・ドレイン拡散層118を備えたMOSトランジスタ(図示せず)を形成する。次に、MOSトランジスタを覆うようにしてシリコン酸化膜122を形成し、CMP(化学機械的研磨)等によりシリコン酸化膜122を平坦化する。その後、各ソース・ドレイン拡散層118まで到達するコンタクトホールをシリコン酸化膜122に形成することにより、プラグコンタクト部を開口する。そして、コンタクトホール内にグルー膜123を形成した後、例えばCVD法によりW膜を埋め込み、CMPを行って平坦化することにより、Wプラグ124を形成する。次いで、W酸化防止バリアメタル膜としてIr膜125を全面に形成する。その後、ハードマスクを用いてIr膜125をパターニングする。続いて、全面にW酸化防止絶縁膜129及びキャパシタ密着絶縁膜150を順次形成し、CMPによりキャパシタ密着絶縁膜150、W酸化防止絶縁膜129及びIr膜125を研磨することにより、所定の厚さのIr膜125を残存させると共に、キャパシタ密着絶縁膜150をW酸化防止絶縁膜129上に残存させる。W酸化防止絶縁膜129は、例えばプラズマSiON膜であり、キャパシタ密着絶縁膜150は、例えばTEOS(tetraethyl orthosilicate)膜である。
次に、下部電極膜130、強誘電体膜131及び上部電極膜132を順次形成し、これらを一括してパターニングすることにより、強誘電体キャパシタを形成する。なお、キャパシタ密着絶縁膜150は下部電極膜130の剥がれを防止するためのものである。次いで、層間絶縁膜(図示せず)等の形成を行うことにより、強誘電体メモリを完成させる。
このような製造方法によれば、強誘電体キャパシタ形成する際に高温アニールを行っても、Ir膜(W酸化防止バリアメタル膜)125及びW酸化防止絶縁膜129が形成されているため、Wプラグ124は酸化しにくい。また、ビット線等の強誘電体キャパシタよりも上方に設けられる配線と基板(拡散層)との間の導通に関し、コンタクトホールの形成並びにグルー膜及びWプラグの埋め込みを2回に分けて行う。つまり、ビア・トゥー・ビア(via−to−via)構造が形成される。このため、コンタクトホールのアスペクト比が小さくなり、微細化が勧められても、コンタクトホールの形成等は比較的容易である。
しかしながら、図53A及び図54Bに示す製造方法では、互いに隣り合うIr膜25同士の間隔が狭い箇所では、W酸化防止絶縁膜129の表面が急峻となり、深い溝が形成される。このため、キャパシタ密着絶縁膜150を形成した際に、この深い溝内にキャパシタ密着絶縁膜150が埋め込まれず、隙間151が残ってしまう。
そして、隙間151が存在した状態で、CMPによりキャパシタ密着絶縁膜150、W酸化防止絶縁膜129及びIr膜125の研磨を行うと、隙間151を起点として、図55A及び図55Bに示すように、スリットやクラックが発生してしまう。
更に、スリットやクラックが存在した状態で、上部電極膜132等のエッチング時、及びこのエッチングで用いるハードマスクの除去時に、スリットやクラックを介してW酸化防止絶縁膜129もエッチングされてしまい、層間絶縁膜122までもがエッチングされる。
更に、この状態でキャパシタを形成する際の高温アニール処理(結晶かアニール及び回復アニール)を行うと、スリットやクラックから酸素が層間絶縁膜122等を介してWプラグ124まで到達し、Wプラグ124が酸化してしまう。
従って、参考例では、コンタクト抵抗の上昇を抑制して高い歩留りを得ることは困難である。なお、特開平4−323821号公報又は特開平11−133457号公報に開示された方法を用いても、上述のような強誘電体メモリにおけるスリット及びクラックの発生を防止することはできない。
そこで、本願発明者が、スリットやクラックの発生を防止すべく鋭意検討を重ねた結果、以下のような諸形態に想到した。
(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2A及び図2B乃至図12A及び図12B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。また、図13A及び図13B乃至図23A及び図23Bは、同じく、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。但し、図2A及び図2B乃至図12A及び図12Bは、ビット線3が延びる方向に垂直な断面を示し、図13A及び図13B乃至図23A及び図23Bは、ワード線4が延びる方向に垂直な断面を示す。また、図13A乃至図23Aには、1本のビット線(図1中のビット線3に相当)を共有する2個のMOSトランジスタに相当する部分を図示する。また、図2A乃至図23Aは、強誘電体メモリのメモリセルアレイ部の断面を示し、図2B乃至図23Bは、メモリセルアレイ部の周辺に設けられたドライバ及び読み出し回路等のロジック部(論理回路部)の断面を示す。
第1の実施形態では、先ず、図2A、図2B、図13A及び図13Bに示すように、シリコン基板等の半導体基板11の表面にウェル12を形成する。次いで、半導体基板11の表面に、例えばSTI(shallow trench isolation)により素子分離領域13を形成する。続いて、ゲート絶縁膜14、ゲート電極15、キャップ膜16、サイドウォール17、ソース・ドレイン拡散層18及びシリサイド層19をウェル12の表面に形成することにより、MOSトランジスタ(スイッチング素子)20を形成する。このMOSトランジスタ20が、図1におけるMOSトランジスタ2に相当する。なお、各MOSトランジスタ20には、ソース及びドレイン用に2個のソース・ドレイン拡散層18を形成するが、その一方は、2個のMOSトランジスタ20間で共有させる。
次に、全面にシリコン酸窒化膜21を、MOSトランジスタ20を覆うようにして形成し、更に全面に層間絶縁膜としてシリコン酸化膜22を形成し、CMP(化学機械的研磨)等によりシリコン酸化膜22を平坦化する。シリコン酸窒化膜21は、シリコン酸化膜22を形成する際のゲート絶縁膜14等の水素劣化を防止するために形成されている。その後、各シリサイド層19まで到達するコンタクトホールをシリコン酸化膜22及びシリコン酸窒化膜21に形成することにより、プラグコンタクト部を開口する。そして、コンタクトホール内にグルー膜23を形成した後、例えばCVD法によりW膜を埋め込み、CMPを行って平坦化することにより、Wプラグ(コンタクトプラグ)24を形成する。続いて、350℃で120秒間のNプラズマ処理を施す。グルー膜23としては、例えば厚さが20nmのTi膜、及び厚さが50nmのTiN膜からなる積層膜を用いる。
次いで、図3A、図3B、図14A及び図14Bに示すように、W酸化防止バリアメタル膜として、例えば厚さが450nmのIr膜25を全面に形成する。その後、Ir膜25をパターニングする際にハードマスクとして用いるTiN膜26a及びプラズマTEOS膜26bを順次形成する。TiN膜26a及びプラズマTEOS膜26bの厚さは、例えば夫々200nm、1200nmである。続いて、プラズマTEOS膜26b及びTiN膜26aをパターニングすることにより、スタック型の強誘電体キャパシタを形成する予定の領域のみにハードマスク26を形成する。
次に、図4A、図4B、図15A及び図15Bに示すように、ハードマスク26を用いてIr膜25のエッチングを行う。
その後、図5A、図5B、図16A及び図16Bに示すように、プラズマSiON膜(第1の絶縁膜)27を形成する。プラズマSiON膜27の厚さは、例えば150nmである。この時点では、プラズマSiON膜27に、比較的急峻で深い溝が、特に島状のIr膜25が近接している領域に存在する。
続いて、プラズマSiON膜27に対してArスパッタエッチングを行う。このときの条件としては、例えば、RF電源については、ソースパワを1500W(13.56MHz)とし、バイアスパワを1600W(800kHz)とする。また、例えば、チャンバ内の圧力を13.3Pa(100mTorr)とし、Arガスの流量を400sccmとし、エッチング時間を30秒間とする。この結果、プラズマSiON膜27のハードマスク26上の部分が除去された後、プラズマSiON膜27のシリコン酸化膜22上の部分が完全に除去される前にエッチングが終了する。このArスパッタエッチングでは、発生した残渣がプラズマSiON膜27のその時点で残存している部分上に堆積する。そして、図6A、図6B、図17A及び図17Bに示すように、プラズマSiON膜27の表面が徐々に緩やかになり、プラズマSiON膜27の形状は平坦な形状に近づく。このため、プラズマSiON膜27から急峻で深い溝が消滅する。
次に、図7A、図7B、図18A及び図18Bに示すように、プラズマSiON膜(第2の絶縁膜)28を形成する。プラズマSiON膜27の厚さは、例えば900nmである。このとき、プラズマSiON膜27には、急峻で深い溝が存在しないため、プラズマSiON膜28とプラズマSiON膜27との間に空隙が形成されることはない。プラズマSiON膜27及び28から、ロジック部で露出しているWプラグ24の酸化を防止するW酸化防止絶縁膜29が構成される。
次いで、図8A、図8B、図19A及び図19Bに示すように、W酸化防止絶縁膜29(プラズマSiON膜27及び28)、ハードマスク26(プラズマTEOS膜26b及びTiN膜26a)並びにIr膜25をCMP法で研磨する。このとき、CMP後のIr膜25及びW酸化防止絶縁膜29の残し膜厚は、例えば350nmとする。
強誘電体メモリを製造する場合に、後述のように、この後に、強誘電体キャパシタを構成する膜のエッチング、及びこのエッチングで用いるハードマスクの除去が必要とされる。そして、これらのエッチング及び除去に伴って、W酸化防止絶縁膜29が250nm程度薄くなる。また、ハードマスクの除去後には、エッチング時のダメージを回復するために、例えば650℃で60分間の酸素雰囲気での炉内熱処理を行う。このとき、Wプラグ24の酸化を防止するためには、W酸化防止絶縁膜29に100nm以上の厚さが必要とされる。このため、本実施形態では、W酸化防止絶縁膜29が250nm程度薄くなっても、100nm程度の厚さが残るように、W酸化防止絶縁膜29の残し膜厚を、例えば350nmとする。
その後、図9A、図9B、図20A及び図20Bに示すように、全面に下部電極膜30、強誘電体膜31及び上部電極膜32を順次形成する。下部電極膜30としては、例えば、順次形成された、厚さが200nmのIr膜、厚さが23nmのPtO膜及び厚さが50nmのPt膜からなる積層膜を用いる。また、強誘電体膜31としては、例えば厚さが200nmのPb(Zr,Ti)O膜(PZT膜)を用いる。上部電極膜32としては、例えば厚さが200nmのIrO膜を用いる。
なお、下部電極膜30の形成の前後には、膜はがれ防止用のアニールを行う。このアニールとしては、例えば750℃で60秒間のAr雰囲気でのRTA(Rapid Thermal Annealing)を行う。また、強誘電体膜31を形成した後には、結晶化アニールを行う。このアニールとしては、例えば600℃で90秒間のAr及びOを用いたRTAと、750℃で60秒間の酸素雰囲気でのRTAを行う。
上部電極膜32を形成した後、下部電櫃膜30、強誘電体膜31及び上部電極膜32をパターニングする際にハードマスクとして用いるTiN膜33a及びプラズマTEOS膜33bを順次形成する。続いて、プラズマTEOS膜33b及びTiN膜33aをパターニングすることにより、スタック型の強誘電体キャパシタを形成する予定の領域のみにハードマスク33を形成する。
続いて、図10A、図10B、図21A及び図21Bに示すように、ハードマスク33をマスクとして用いたパターニング及びエッチング技術を用いて、上部電極膜32、強誘電体膜31及び下部電極膜30を一括して加工することにより、スタック構造の強誘電体キャパシタを形成する。この強誘電体キャパシタが、図1における強誘電体キャパシタ1に相当する。
次に、図11A、図11B、図22A及び図22Bに示すように、ハードマスク33を除去する。上部電極膜32、強誘電体膜31及び下部電極膜30のエッチングからハードマスク33の除去までの処理により、W酸化防止絶縁膜29が250nm程度薄くなり、100nm程度残存する。次いで、成膜やエッチングプロセス等による強誘電体膜31へのダメージを回復するために、回復アニールを施す。この回復アニールでは、例えば650℃で60分間の酸素雰囲気での炉内アニールを行う。
その後、図12A、図12B、図23A及び図23Bに示すように、強誘電体キャパシタをプロセスダメージから保護する保護膜として、全面にアルミナ膜34を形成する。アルミナ膜34の厚さは、例えば50nmである。次に、例えば650℃で60分間の酸素雰囲気での炉内アニールを行う。次いで、層間絶縁膜35を全面に形成し、この層間絶縁膜35の平坦化をCMPにより行う。CMP後の層間絶縁膜35の残し膜厚は、例えば上部電極膜32上で400nmとする。
続いて、パターニング及びエッチング技術を用いてWプラグ24まで到達するコンタクトホールを層間絶縁膜35、アルミナ膜34及びW酸化防止絶縁膜29に形成する。次に、例えば550℃で60分間の酸素雰囲気でのアニールを行う。次いで、このコンタクトホール内にグルー膜36を形成した後、W膜を埋め込み、CMPを行って平坦化することにより、Wプラグ37を形成する。グルー膜36としては、例えば厚さが50nmのTiNを用いることができる。その後、例えば350℃でNプラズマに層間絶縁膜35及びWプラグ37の表面を晒す。このプラズマ処理の時間は、例えば120秒間である。
続いて、全面にW酸化防止絶縁膜(図示せず)を形成する。W酸化防止絶縁膜としては、例えばSiON膜を用い、その厚さは例えば100nm程度である。そして、パターニング及びエッチング技術を用いて、W酸化防止絶縁膜及び層間絶縁膜35に、上部電極膜32まで到達するコンタクトホールを形成する。続いて、エッチングによる損傷を回復させるためのアニールを施す。このアニールは、例えば550℃で60分間の酸素雰囲気で行う。このアニールの後、W酸化防止絶縁膜をエッチバックにより除去する。
次に、下層のグルー膜38、配線材料膜39及び上層のグルー膜40を順次堆積する。下層のグルー膜としては、例えば厚さが100nmのTiN膜を用いる。配線材料膜としては、例えば厚さが400nmのAl−Cu合金膜を用いる。上層のグルー膜としては、例えば厚さが5nmのTi膜及び厚さが70nmのTiN膜の積層膜を用いる。
次いで、グルー膜40上に反射防止膜(図示せず)を形成し、レジスト膜(図示せず)を塗布する。続いて、レジスト膜を配線パターンに整合するように加工し、加工後のレジスト膜をマスクとして、反射防止膜、グルー膜40、配線材料膜39及びグルー膜38をエッチングする。反射防止膜としては、例えばSiON膜を用い、その厚さは例えば31nm程度である。このようなエッチングにより、図22A、図22B、図23A及び図23Bに示すように、所定の平面形状のグルー膜40、配線材料膜39及びグルー膜38からなる配線41が得られる。
その後、更に、層間絶縁膜の形成、コンタクトプラグの形成及び下から第2層目以降の配線の形成等を行う。そして、例えばTEOS膜及びSiN膜からなるカバー膜を形成して強誘電体キャパシタを有する強誘電体メモリを完成させる。なお、上層配線の形成に際しては、上部電極膜32に接続された配線41がプレート線に接続されるようにし、2個のMOSトランジスタ20により共有されたソース・ドレイン拡散層18に接続された配線41がビット線に接続されるようにする。ゲート電極45については、それ自体をワード線としてもよく、また、上層配線において、ゲート電極15がワード線に接続されるようにしてもよい。
このように、第1の実施形態では、厚さが350nm程度のW酸化防止絶縁膜29を形成するに当たり、先ず、150nm程度のプラズマSiON膜27を形成し、Arスパッタエッチングを行うことにより、プラズマSiON膜27から急峻な溝を消滅させた後に、900nm程度のプラズマSiON膜28を形成している。このため、第1の実施形態によれば、W酸化防止絶縁膜29内に空隙が発生することが防止される。この結果、クラックやスリットの発生を防止しながら、アニール温度を高くしてもコンタクト抵抗の上昇を抑制することが可能となる。
更に、本実施形態によれば、ロジック部では、図22B及び図23Bに示すように、Wプラグ37及び24からビア・トゥー・ビア(via−to−via)コンタクトが実現される。そして、このビア・トゥー・ビアコンタクトを介して、配線41がソース・ドレイン拡散層18に接続されている。通常のロジック品に比べFRAMには、強誘電体キャパシタの分だけ大きな段差が存在しているため、最下層の配線41から基板(又はその表面に形成された拡散層)へのコンタクトのアスペクトが大きくなる。このコンタクトを形成するために、従来のように一括エッチングによりコンタクトホールを開孔しようとしたのでは、エッチング自体が困難である。また、グルー膜の形成も困難である。このため、このようなコンタクトホールの開孔やグルー膜の形成に適した新たな設備が必要とされる。これに対し、ビア・トゥー・ビアコンタクトを形成する場合には、エッチング及びグルー膜の形成が比較的容易であるため、FRAMの歩留まりを向上させることができると共に、従来の装置をそのまま使用することが可能である。従って、開発費及び工程コストの低減が可能である。
(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24A及び図24B乃至図32A乃至図32B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。但し、これらの図は、ビット線3が延びる方向に垂直な断面を示す。また、図24A乃至図32Aは、強誘電体メモリのメモリセルアレイ部の断面を示し、図24B乃至図32Bは、ロジック部の断面を示す。
第2の実施形態では、先ず、図24A及び図24Bに示すように、第1の実施形態と同様に、ウェル12の形成からWプラグ24の形成までの処理を行う。
次に、図25A及び図25Bに示すように、第1の実施形態と同様に、Ir膜25の形成からハードマスク26の形成までの処理を行う。
次いで、図26A及び図26Bに示すように、第1の実施形態と同様に、ハードマスク26を用いてIr膜25のエッチングを行う。
その後、図27A及び図27Bに示すように、W酸化防止絶縁膜として、高密度プラズマ(HDP:High Density Plasma)法でSiON膜42を全面に形成する。SiON膜42の厚さは、例えば400nmである。HDP法によれば、良好なカバレッジが得られるため、空隙を発生させることなくSiON膜43を形成することができる。
続いて、図28A及び図28Bに示すように、その後に行うCMPのための犠牲膜として、プラズマTEOS膜43を全面に形成する。プラズマTEOS膜43の厚さは、例えば600nmである。
次に、図29A及び図29Bに示すように、プラズマTEOS膜(犠牲膜)43、SiON膜(W酸化防止絶縁膜)42、ハードマスク26(プラズマTEOS膜26b及びTiN膜26a)及びIr膜25をCMP法で研磨する。このとき、CMP後のIr膜25及びSiON膜(W酸化防止絶縁膜)42の残し膜厚は、例えば350nmとする。
次いで、図30A及び図30Bに示すように、第1の実施形態と同様に、下部電極膜30の形成からハードマスク33の形成までの処理を行う。
その後、図31A及び図31Bに示すように、第1の実施形態と同様に、上部電極膜32、強誘電体膜31及び下部電極膜30を一括して加工することにより、スタック構造の強誘電体キャパシタを形成する。
続いて、図32A及び図32Bに示すように、第1の実施形態と同様に、ハードマスク33の除去から回復アニールまでの処理を行う。
そして、図示しないが、第1の実施形態と同様に、保護膜の形成以降の処理を行うことにより、強誘電体メモリを完成させる。
このような第2の実施形態によれば、W酸化防止絶縁膜としてのSiON膜42を形成するに当たり、HDP法を用いているため、空隙を伴わずにSiON膜42を良好なカバレッジで形成することができる。このため、第1の実施形態と同様に、クラックやスリットの発生を防止しながら、アニール温度を高くしてもコンタクト抵抗の上昇を抑制することが可能となる。
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図33A及び図33B乃至図43A乃至図43Bは、本発明の第3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。但し、これらの図は、ビット線3が延びる方向に垂直な断面を示す。また、図33A乃至図43Aは、強誘電体メモリのメモリセルアレイ部の断面を示し、図33B乃至図43Bは、ロジック部の断面を示す。更に、図44A及び図44Bは、夫々図43A、図43Bが示す断面に直交する断面を示す断面図であり、ワード線4が延びる方向に垂直な断面を示す。また、図44Aは、強誘電体メモリのメモリセルアレイ部の断面を示し、図44Bは、ロジック部の断面を示す。
第3の実施形態では、先ず、図33A及び図33Bに示すように、第1の実施形態と同様に、ウェル12の形成からシリコン酸化膜22のCMP法による平坦化までの処理を行う。次に、シリコン酸化膜22上に、W酸化防止絶縁膜として、SiON膜(第3の絶縁膜)44を形成する。SiON膜44の厚さは、例えば300nmである。次いで、第1の実施形態と同様に、コンタクトホールの形成からWプラグ24の形成までの処理を行う。
その後、図34A及び図34Bに示すように、第1の実施形態と同様に、Ir膜25の形成からハードマスク26の形成までの処理を行う。
続いて、図35A及び図35Bに示すように、第1の実施形態と同様に、ハードマスク26を用いてIr膜25のエッチングを行う。
次に、図36A及び図36Bに示すように、第1の実施形態と同様に、プラズマSiON膜27を形成する。
次いで、第1の実施形態と同様に、プラズマSiON膜27に対してArスパッタエッチングを行う。この結果、図37A及び図37Bに示すように、プラズマSiON膜27から急峻で深い溝が消滅する。
その後、図38A及び図38Bに示すように、第1の実施形態と同様に、プラズマSiON膜28を形成する。
続いて、図39A及び図39Bに示すように、第1の実施形態と同様に、W酸化防止絶縁膜29(プラズマSiON膜27及び28)、ハードマスク26(プラズマTEOS膜26b及びTiN膜26a)並びにIr膜25をCMP法で研磨する。
次に、図40A及び図40Bに示すように、第1の実施形態と同様に、下部電極膜30の形成からハードマスク33の形成までの処理を行う。
次いで、図41A及び図41Bに示すように、第1の実施形態と同様に、上部電極膜32、強誘電体膜31及び下部電極膜30を一括して加工することにより、スタック構造の強誘電体キャパシタを形成する。
その後、図42A及び図42Bに示すように、第1の実施形態と同様に、ハードマスク33の除去から回復アニールまでの処理を行う。
続いて、図43A、図43B、図44A及び図44Bに示すように、第1の実施形態と同様に、アルミナ膜34の形成から配線41の形成までの処理を行う。
そして、図示しないが、第1の実施形態と同様に、更なる層間絶縁膜の形成以降の処理を行うことにより、強誘電体メモリを完成させる。
このような第3の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果が得られる。また、第3の実施形態によれば、より一層確実にWプラグ24の酸化を防止することができる。第1の実施形態では、上部電極膜32、強誘電体膜31及び下部電極膜30を一括してパターニングする際、及びハードマスク33を除去する際に、W酸化防止絶縁膜29が薄くなり、その残り膜厚は100nm程度である。これに対し、本実施形態では、その下に更に100nmのSiON膜44がW酸化防止絶縁膜として形成されているため、例えW酸化防止絶縁膜29の減り量が多くなった場合でも、その後の熱処理におけるWプラグ24は極めて酸化しにくい。
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。図45A及び図45B乃至図53A乃至図53Bは、本発明の第4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。但し、これらの図は、ビット線3が延びる方向に垂直な断面を示す。また、図45A乃至図53Aは、強誘電体メモリのメモリセルアレイ部の断面を示し、図45B乃至図53Bは、ロジック部の断面を示す。
第4の実施形態では、先ず、図45A及び図45Bに示すように、第3の実施形態と同様に、ウェル12の形成からWプラグ24の形成までの処理を行う。
次に、図46A及び図46Bに示すように、第1の実施形態と同様に、Ir膜25の形成からハードマスク26の形成までの処理を行う。
次いで、図47A及び図47Bに示すように、第1の実施形態と同様に、ハードマスク26を用いてIr膜25のエッチングを行う。
その後、図48A及び図48Bに示すように、第2の実施形態と同様に、W酸化防止絶縁膜として、HDP法でSiON膜42を全面に形成する。
続いて、図49A及び図49Bに示すように、第2の実施形態と同様に、犠牲膜として、プラズマTEOS膜43を全面に形成する。
次に、図50A及び図50Bに示すように、第2の実施形態と同様に、プラズマTEOS膜(犠牲膜)43、SiON膜(W酸化防止絶縁膜)42、ハードマスク26(プラズマTEOS膜26b及びTiN膜26a)及びIr膜25をCMP法で研磨する。
次いで、図51A及び図51Bに示すように、第1の実施形態と同様に、下部電極膜30の形成からハードマスク33の形成までの処理を行う。
その後、図52A及び図52Bに示すように、第1の実施形態と同様に、上部電極膜32、強誘電体膜31及び下部電極膜30を一括して加工することにより、スタック構造の強誘電体キャパシタを形成する。
続いて、図53A及び図53Bに示すように、第1の実施形態と同様に、ハードマスク33の除去から回復アニールまでの処理を行う。
そして、図示しないが、第1の実施形態と同様に、保護膜の形成以降の処理を行うことにより、強誘電体メモリを完成させる。
このような第4の実施形態によれば、第2の実施形態の効果及び第3の実施形態の効果を得ることができる。
なお、第1乃至第4の実施形態では、W酸化防止絶縁膜としてSiON膜を用いているが、この代わりにSiN膜等の他の絶縁膜を用いてもよい。
また、W酸化防止バリアメタル膜の表面を露出させるCMPでは、W酸化防止バリアメタル膜自体も研磨して、W酸化防止バリアメタル膜も薄くしているが、W酸化防止バリアメタル膜の厚さをその成膜時において所望の厚さにしておくことにより、W酸化防止バリアメタル膜の表面が露出した時点で研磨を終了するようにしてもよい。
以上詳述したように、本発明によれば、コンタクトプラグの酸化を防止するために形成する絶縁膜に空隙が生じることを防止することができる。このため、この空隙を原因とするクラック及びスリットの発生を防止し、コンタクトプラグへの酸素の到達をより一層抑制することができる。

Claims (18)

  1. 半導体装置の製造方法は、
    半導体基板の表面にスイッチング素子を形成する工程と、
    前記スイッチング素子を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜に前記スイッチング素子を構成する導電層まで到達するコンタクトホールを形成する工程と、
    前記コンタクトホール内にコンタクトプラグを埋め込む工程と、
    前記層間絶縁膜上に、前記コンタクトプラグに接続されるバリアメタル膜を選択的に形成する工程と、
    全面に第1の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第1の絶縁膜に対してスパッタエッチングを施すことにより、前記第1の絶縁膜の表面の傾斜を緩やかにする工程と、
    前記バリアメタル膜上に、強誘電体キャパシタを形成する工程と、
    を有する。
  2. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1の絶縁膜は、SiON膜又はSiN膜である。
  3. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法は、
    前記第1の絶縁膜の表面を緩やかにする工程と前記強誘電体キャパシタを形成する工程との間に、
    前記第1の絶縁膜上に前記第1の絶縁膜との総厚が前記バリアメタル膜の厚さよりも厚くなる第2の絶縁膜を形成する工程と、
    少なくとも前記第2の絶縁膜及び前記第1の絶縁膜を研磨することにより、前記第1及び第2の絶縁膜の総厚と前記バリアメタル膜の厚さとを一致させる工程と、
    を有する。
  4. 請求項3に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1の絶縁膜を形成する工程において、前記第1の絶縁膜の厚さを前記バリアメタル膜の厚さよりも薄くする。
  5. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法は、
    前記層間絶縁膜を形成する工程と前記コンタクトホールを形成する工程との間に、前記層間絶縁膜上に、第3の絶縁膜を形成する工程を有し、
    前記コンタクトホールを形成する工程において、前記コンタクトホールを前記層間絶縁膜及び第3の絶縁膜に形成する。
  6. 請求項5に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第3の絶縁膜は、SiON膜又はSiN膜である。
  7. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記バリアメタル膜は、Ir膜である。
  8. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1の絶縁膜の表面の傾斜を緩やかにする工程において、エッチングガスとしてArガスを用いる。
  9. 請求項3に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1及び第2の絶縁膜の総厚と前記バリアメタル膜の厚さとを一致させる工程において、前記第1及び第2の絶縁膜の総厚を350nm以上とする。
  10. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記コンタクトプラグは、Wプラグである。
  11. 半導体装置の製造方法は、
    半導体基板の表面にスイッチング素子を形成する工程と、
    前記スイッチング素子を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜に前記スイッチング素子を構成する導電層まで到達するコンタクトホールを形成する工程と、
    前記コンタクトホール内にコンタクトプラグを埋め込む工程と、
    前記層間絶縁膜上に、前記コンタクトプラグに接続されるバリアメタル膜を選択的に形成する工程と、
    高密度プラズマ法により前記バリアメタル膜よりも厚い絶縁膜を全面に形成する工程と、
    前記バリアメタル膜上に、強誘電体キャパシタを形成する工程と、
    を有する。
  12. 請求項11に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記絶縁膜は、SiON膜又はSiN膜である。
  13. 請求項11に記載の半導体装置の製造方法は、
    前記絶縁膜を形成する工程と前記強誘電体キャパシタを形成する工程との間に、少なくとも前記絶縁膜を研磨することにより、前記絶縁膜の厚さと前記バリアメタル膜の厚さとを一致させる工程を有する。
  14. 請求項11に記載の半導体装置の製造方法は、
    前記層間絶縁膜を形成する工程と前記コンタクトホールを形成する工程との間に、前記層間絶縁膜上に、第3の絶縁膜を形成する工程を有し、
    前記コンタクトホールを形成する工程において、前記コンタクトホールを前記層間絶縁膜及び第3の絶縁膜に形成する。
  15. 請求項14に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第3の絶縁膜は、SiON膜又はSiN膜である。
  16. 請求項11に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記バリアメタル膜は、Ir膜である。
  17. 請求項13に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記絶縁膜の厚さと前記バリアメタル膜の厚さとを一致させる工程において、前記絶縁膜の総厚を350nm以上とする。
  18. 請求項11に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記コンタクトプラグは、Wプラグである。
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