JPWO2005101509A1 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、近時、微細化の要請があるが、Wプラグ及びAl配線を用いた強誘電体メモリの微細化には、製造技術及び層間容量等の観点から限界がある。
DRAM等の強誘電体膜を用いない半導体装置の微細化に当たっては、Cu配線を用いたダマシン法が採用されている。従って、ダマシン法を強誘電体メモリの製造プロセスにそのまま適用できれば、容易に強誘電体メモリの微細化を達成することも可能である。しかしながら、Cu配線を用いたダマシン法を強誘電体メモリの製造にそのまま適用することはできない。これは、以下の理由による。
第一に、Cu配線を用いたダマシン法では、配線間の容量を低減するために、層間絶縁膜として低誘電率膜を形成する。低誘電率膜としては、例えばSOG(Spin On Glass)膜及びHSQ(Hydrogen Silsesquioxane)膜等が用いられている。これらの低誘電率膜を形成する際には、多量の水素又は水分が用いられる。しかし、強誘電体膜の特性は、水素及び水分の混入により著しく劣化する。このため、Cu配線を用いたダマシン法を適用しにくいのである。
第二に、強誘電体キャパシタの電極を構成する材料とCuとのコンタクトにも問題がある。
本願発明者は、これらの不具合を回避しながら強誘電体メモリの微細化を可能とすべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
本発明に係る半導体装置の製造方法では、半導体基板の上方に強誘電体キャパシタを形成した後、前記強誘電体キャパンタを覆う第1の層間絶縁膜を形成する。次に、前記層間絶縁膜上に水素拡散防止膜を形成する。次いで、前記水素拡散防止膜上にエッチングストッパ膜を形成する。その後、前記エッチングストッパ膜上に第2の層間絶縁膜を形成する。そして、前記第2の層間絶縁膜内に埋め込まれ、Cuを含有し、前記強誘電体キャパシタに接続される配線を形成する。
図2A乃至図2Pは、本発明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。
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103、並びにビット線103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104及びプレート線105が設けられている。また、これらのビット線103、ワード線104及びプレート線105が構成する格子と整合するようにして、本実施形態に係る強誘電体メモリの複数個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101及びMOSトランジスタ102が設けられている。
MOSトランジスタ102のゲートはワード線104に接続されている。また、MOSトランジスタ102の一方のソース・ドレインはビット線103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101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101の他方の電極がプレート線105に接続されている。なお、各ワード線104及びプレート線105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102により共有されている。同様に、各ビット線103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102により共有されている。ワード線104及びプレート線105が延びる方向、ビット線103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。但し、ビット線103、ワード線104及びプレート線105の配置は、上述のものに限定されない。
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101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。
次に、本発明の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法について説明する。但し、ここでは、便宜上、各メモリセルの断面構造については、その製造方法と共に説明する。図2A乃至図2Pは、本発明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。
本実施形態においては、先ず、図2Aに示すように、Si基板等の半導体基板1の表面に、素子活性領域を区画する素子分離絶縁膜2を、例えばロコス(LOCOS:Local Oxidation of Silicon)法により形成する。次に、素子分離絶縁膜2により区画された素子活性領域内に、ゲート絶縁膜3、ゲート電極4、シリサイド層5、サイドウォール6、並びに低濃度拡散層21及び高濃度拡散層22からなるソース・ドレイン拡散層を備えたトランジスタ(MOSFET)を形成する。次いで、全面に、シリコン酸窒化膜7を、MOSFETを覆うようにして形成し、更に全面にシリコン酸化膜8を形成する。シリコン酸窒化膜7は、シリコン酸化膜8を形成する際のゲート絶縁膜3等の水素劣化を防止するために形成されている。
その後、シリコン酸化膜8上に下部電極膜9及び強誘電体膜10を順次形成する。下部電極膜9は、例えばTi膜及びその上に形成されたPt膜から構成される。また、強誘電体膜10は、例えばPZT(Pb(Zr,Ti)O3)膜から構成される。続いて、強誘電体膜10の結晶化アニールを行う。次に、強誘電体膜10上に上部電極膜を形成し、これをパターニングすることにより、上部電極11を形成する。上部電極は、例えばIrOx膜からなる。次いで、エッチングを用いたパターニングによる損傷を回復させるための酸素アニールを行う。
その後、図2Bに示すように、強誘電体膜10のパターニングを行うことにより、容量絶縁膜を形成する。続いて、剥がれ防止用の酸素アニールを行う。
次に、図2Cに示すように、保護膜としてAl2O3膜12をスパッタリング法にて全面に形成する。次いで、スパッタリングによる損傷を緩和するために、酸素アニールを行う。保護膜(Al2O3膜12)により、外部からの水素の強誘電体キャパシタへの侵入が防止される。
その後、図2Dに示すように、Al2O3膜12及び下部電極膜9のパターニングを行うことにより、下部電極を形成する。続いて、剥がれ防止用の酸素アニールを行う。
次に、図2Eに示すように、保護膜としてAl2O3膜13をスパッタリング法にて全面に形成する。次いで、キャパシタリークを低減させるために、酸素アニールを行う。
その後、図2Fに示すように、層間絶縁膜14を高密度プラズマCVD法により全面に形成する。また、層間絶縁膜14の厚さは、例えば1.5μm程度とする。なお、酸化シリコンからなる層間絶縁膜14を、TEOSを用いたプラズマCVD法により形成してもよい。
続いて、図2Gに示すように、CMP(化学機械的研磨)法により、層間絶縁膜14の平坦化を行う。次に、N2Oガスを用いたプラズマ処理を行う。この結果、層間絶縁膜14の表層部が若干窒化され、その内部に水分が浸入しにくくなる。なお、このプラズマ処理は、N又はOの少なくとも一方が含まれたガスを用いていれば有効的である。次いで、トランジスタの高濃度拡散層22まで到達する孔を、層間絶縁膜14、Al2O3膜13、シリコン酸化膜8及びシリコン酸窒化膜7に形成する。その後、スパッタリング法により、Ti膜及びTiN膜を連続して孔内に形成することにより、バリアメタル膜(図示せず)を形成する。続いて、更に、孔内に、CVD(化学気相成長)法にてW膜を埋め込み、CMP法によりW膜の平坦化を行うことにより、Wプラグ15を形成する。なお、バリアメタル膜は、TiN膜のみを含むものでもよく、また、TaN膜及びTiN膜を含むものでもよい。
次に、図2Hに示すように、Wプラグ15の酸化防止膜としてSiON膜16を、例えばプラズマ増速CVD法により形成する。
次いで、図21に示すように、上部電極11まで到達する孔及び下部電極(下部電極膜9)まで到達する孔を、SiON膜16、層間絶縁膜14、Al2O3膜13及びAl2O3膜12に形成する。その後、損傷を回復させるために、酸素アニールを行う。
続いて、図2Jに示すように、SiON膜16をエッチバックにより全面にわたって除去することにより、Wプラグ15の表面を露出させる。次に、図2Kに示すように、上部電極11の表面の一部、下部電極(下部電極膜9)の表面の一部、及びWプラグ15の表面が露出した状態で、Al膜を形成し、このAl膜の平坦化を層間絶縁膜14の表面が露出するまで行うことにより、Al配線17を形成する。
その後、強誘電体キャパシタの特性劣化を回復させることを目的として、例えば、酸素及び/又は窒素を含有する雰囲気中で400℃万至600℃の回復アニールを行う。
次いで、全面に、水素拡散防止膜18、エッチングストッパ膜19及び層間絶縁膜20を順次形成する。水素拡散防止膜18としては、例えば酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化タンタル膜、窒化タンタル膜、酸化チタン膜又は酸化ジルコニウム膜等を形成することができる。水素拡散防止膜18の厚さは、例えば5nm乃至100nm程度とする。また、水素拡散防止膜18は、例えば物理的蒸着法(PVD)又は有機金属化学気相成長法(MOCVD)により形成することができる。エッチングストッパ膜19としては、例えば窒化シリコン膜又はTEOS(tetraethyl orthosilicate)を用いた酸化シリコン膜等をプラズマ増速CVD法により形成することができる。また、窒化シリコン膜を形成する場合には、単周波又は2周波のプラズマ増速CVD法を採用することが好ましい。これは、単周波又は2周波のプラズマ増速CVD法を採用した場合には、既に形成してある強誘電体膜10の特性劣化を抑制しやすいからである。また、層間絶縁膜20としては、例えばプラズマCVD法によりSiON膜を形成することが好ましい。これは、プラズマCVD法によりSiON膜を形成する場合には、水素及び水分の混入が抑制されるからである。また、SiON膜は低誘電率膜であるため、配線間の寄生容量を低く抑えることも可能である。なお、層間絶縁膜20として、TEOSを用いたプラズマCVD法により酸化シリコン膜を形成してもよく、TEOS及びO3を用いた高密度プラズマCVD法又は常圧CVD法によりNSG(non−doped silicate glass)膜を形成してもよい。
なお、水素拡散防止膜18の形成前及び/又はエッチングストッパ膜19の形成前に、N2ガス又はN2Oガスを用いたプラズマ処理を200℃乃至450℃で行うことが好ましい。このようなプラズマ処理を行うことにより、形成されている膜中から水分が放出されると共に、膜の表層部が若干窒化され、その内部に水分が浸入しにくくなる。
その後、図2Mに示すように、シングルダマシン法を採用して、層間絶縁膜20、エッチングストッパ膜19及び水素拡散防止膜18に順次溝を形成し、その内部に配線を形成する。配線の形成に当たっては、図2Mに示すように、溝の側壁部及び底部にTaN膜21をバリアメタル膜として形成した後、その上にCuシード層を形成し、めっき法によりCu膜22を埋め込む。そして、CMP法によりCu膜22を平坦化する。
続いて、図2Nに示すように、全面に、水素拡散防止膜23、エッチングストッパ膜24及び層間絶縁膜25〜27を順次形成する。水素拡散防止膜23としては、例えば水素拡散防止膜18と同様の膜を形成し、エッチングストッパ膜24としては、例えばエッチングストッパ膜19と同様の膜を形成する。層間絶縁膜25及び27としては、例えばプラズマCVD法によりSiON膜を形成し、層間絶縁膜26としては、例えばHSQ膜を形成する。
次に、図2Oに示すように、デュアルダマシン法を採用して、層間絶縁膜27〜25、エッチングストッパ膜24及び水素拡散防止膜23に順次溝及びコンタクトホールを形成し、その内部に配線を形成する。配線の形成に当たっては、図2Oに示すように、溝及びコンタクトホールの側壁部及び底部にTaN膜28をバリアメタル膜として形成した後、その上にCuシード層を形成し、めっき法によりCu膜29を埋め込む。そして、CMP法によりCu膜29を平坦化する。
その後、図2Pに示すように、水素拡散防止膜30、エッチングストッパ膜31及び層間絶縁膜32〜34を、水素拡散防止膜23、エッチングストッパ膜24及び層間絶縁膜25〜27と同様にして形成する。更に、これらに、溝及びコンタクトホールを形成し、その内部に、TaN膜35及びCu膜36を備えた配線を、TaN膜28及びCu膜29を備えた配線と同様にして形成する。
続いて、層間絶縁膜及び更に上層の配線等を形成する。配線の層数は限定されない。そして、例えばTEOS酸化膜及び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。
このような本実施形態によれば、Cu配線及び低誘電率膜を用いることにより、強誘電体メモリの微細化及び高速化を実現することができる。また、ダマシンプロセスの採用に当たり、エッチングストッパ膜の下に水素拡散防止膜を形成しているため、水素及び水分を比較的多く含む膜を形成したとしても、強誘電体キャパシタの劣化を抑制することができる。
なお、上述の実施形態では、プレーナ型の強誘電体キャパシタを作製しているが、本発明をスタック型の強誘電体キャパシタに適用してもよい。この場合、例えば、MOSFET等のトランジスタに接続されたWプラグ等のコンタクトプラグの一部は、強誘電体キャパシタの下部電極に接続される。
また、強誘電体膜の材料はPZTに限定されるものではなく、例えば、PZTに、Ca、Sr、La、Nb、Ta、Ir及び/又はWをドーピングしたものを用いることもできる。更に、PZT系の膜以外に、SBT系の膜やBi層状系の膜を形成してもよい。
また、強誘電体メモリのセルの構造は、1TIC型に限定されるものでなく、2T2C型であってもよい。
また、強誘電体キャパシタの電極まで到達するコンタクトホールに埋め込むプラグをWプラグとしてもよい。但し、この場合には、Ti膜及びTiN膜を含むバリアメタル膜、TiN膜のみを含むバリアメタル膜、又はTaN膜及びTiN膜を含むバリアメタル膜を用いることが好ましい。
また、Cu配線を構成するCu膜の形成方法はめっき法に限定されず、例えば、PVD法又はCVD法を採用してもよい。
Claims (20)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成された強誘電体キャパシタと、
前記強誘電体キャパシタを覆う第1の層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された水素拡散防止膜と、
前記水素拡散防止膜上に形成されたエッチングストッパ膜と、
前記エッチングストッパ膜上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜内に埋め込まれ、Cuを含有し、前記強誘電体キャパシタに接続された配線と、
を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記水素拡散防止膜は、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化タンタル膜、窒化タンタル膜、酸化チタン膜及び酸化ジルコニウム膜からなる群から選択された1種の膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2の層間絶縁膜は、SiON膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記基板上に形成されたトランジスタを有し、
前記強誘電体キャパシタの電極の一方は、前記トランジスタに接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記Cuを含有する配線は、前記トランジスタの電極に接続されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 前記強誘電体キャパシタの電極に接し、Cuを含有しない配線を有し、
前記Cuを含有する配線は、前記Cuを含有しない配線を介して前記強誘電体キャパシタの電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記Cuを含有する配線は、バリアメタル膜を介して前記強誘電体キャパシタの電極に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記バリアメタル膜は、窒化タンタル膜を有することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
- 半導体基板の上方に強誘電体キャパシタを形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタを覆う第1の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に水素拡散防止膜を形成する工程と、
前記水素拡散防止膜上にエッチングストッパ膜を形成する工程と、
前記エッチングストッパ膜上に第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の層間絶縁膜内に埋め込まれ、Cuを含有し、前記強誘電体キャパシタに接続される配線を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記水素拡散防止膜として、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化タンタル膜、窒化タンタル膜、酸化チタン膜及び酸化ジルコニウム膜からなる群から選択された1種の膜を形成することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の層間絶縁膜として、SiON膜を形成することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記強誘電体キャパシタを形成する工程の前に、前記半導体基板の表面に、前記強誘電体キャパシタに設けられた一方の電極に接続されるトランジスタを形成する工程を有することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記Cuを含有する配線を、前記トランジスタの電極に接続することを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記強誘電体キャパシタの電極に接し、Cuを含有しない配線を形成する工程を有し、
前記Cuを含有する配線を、前記Cuを含有しない配線を介して前記強誘電体キャパシタの電極に電気的に接続することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記Cuを含有する配線を、バリアメタル膜を介して前記強誘電体キャパシタの電極に接続することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記バリアメタル膜として、窒化タンタル膜を有する膜を形成することを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記エッチングストッパ膜として、単周波又は2周波のプラズマ増速CVD法により、窒化シリコン膜を形成することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の層間絶縁膜を形成する工程と前記水素拡散防止膜を形成する工程との間に、前記第1の層間絶縁膜に対して、N又はOの少なくとも一方を含有するガスを用いて200℃乃至450℃でプラズマ処理を施す工程を有することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記水素拡散防止膜を形成する工程と前記エッチングストッパ膜を形成する工程との間に、前記水素拡散防止膜に対して、N又はOの少なくとも一方を含有するガスを用いて200℃乃至450℃でプラズマ処理を施す工程を有することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 第1の層間絶縁膜を形成する工程と前記水素拡散防止膜を形成する工程との間に、
前記強誘電体キャパシタの電極に接続されるプラグを形成する工程と、
N又はOの少なくとも一方を含有する雰囲気中で400℃乃至600℃でアニール処理を行う工程と、
を有することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
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