説明

強誘電体メモリ及びその製造方法

【課題】 本発明の目的は、微細化及び高密度化に対応し、かつ製造プロセスの容易化を図ることのできる、強誘電体メモリ及びその製造方法を提供することにある。
【解決手段】 強誘電体メモリは、基板10と、基板10の上方に形成された少なくとも1層よりなる層間絶縁層30,34と、層間絶縁層30,34の上方に形成された複数の強誘電体キャパシタC11,C22と、複数の強誘電体キャパシタC11,C22を被覆する被覆層70と、複数の強誘電体キャパシタC11,C22の間に設けられた第1の開口部72と、第1の開口部72と連通するとともに被覆層70及び層間絶縁層34に形成された第2の開口部74と、第1及び第2の開口部72,74内に一体的に設けられた導電層82と、を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、強誘電体メモリ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
スタック構造の強誘電体メモリとして、選択トランジスタの一方に接続されたプラグ上に強誘電体キャパシタが形成され、選択トランジスタの他方に接続されたプラグ上にビット配線が形成される構造が知られている。ビット配線に接続されるプラグは、キャパシタ間に配置されるので、キャパシタの微細化及び高密度化に伴いその配置及び形成が非常に難しくなる。また、プラグとビット配線を別途形成するため、マスク位置合わせを精度良く行うことが求められるなど、デバイスの微細化に伴いその製造プロセスの複雑化を招くことも考えられる。
【特許文献1】特開2004−6593号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本発明の目的は、微細化及び高密度化に対応し、かつ製造プロセスの容易化を図ることのできる、強誘電体メモリ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0004】
(1)本発明に係る強誘電体メモリは、
基板と、
前記基板の上方に形成された少なくとも1層よりなる層間絶縁層と、
前記層間絶縁層の上方に形成された複数の強誘電体キャパシタと、
前記複数の強誘電体キャパシタを被覆する被覆層と、
前記複数の強誘電体キャパシタの間に設けられた第1の開口部と、
前記第1の開口部と連通するとともに前記被覆層及び前記層間絶縁層に形成された第2の開口部と、
前記第1及び第2の開口部内に一体的に設けられた導電層と、
を含む。
【0005】
本発明によれば、導電層が第1及び第2の開口部内に一体的に設けられている。これにより、所定パターンの配線と、基板側へのコンタクトとを一体的に形成することが可能になる。このため、配線とコンタクトを別々に形成する場合に比べて位置ずれ防止を図ることができ、また、部品点数の省略により構造の簡略化を図ることができる。したがって、微細化及び高密度化に対応した強誘電体メモリを提供することができる。
【0006】
なお、本発明において、特定のAの上方にBが設けられているとは、A上に直接Bが設けられている場合と、A上に他の層等を介してBが設けられている場合と、を含むものとする。このことは、以下の発明においても同様である。
【0007】
(2)この強誘電体メモリにおいて、
前記層間絶縁層には、前記強誘電体キャパシタに電気的に接続される第1のプラグ、及び前記第2の開口部により露出される第2のプラグが形成されていてもよい。
【0008】
(3)この強誘電体メモリにおいて、
前記第2の開口部の幅は、前記第2のプラグの幅よりも大きくてもよい。
【0009】
(4)この強誘電体メモリにおいて、
前記第1の開口部の幅は、前記第2の開口部の幅よりも大きくてもよい。
【0010】
(5)この強誘電体メモリにおいて、
前記導電層の上面は、前記被覆層の上面と面一であってもよい。
【0011】
(6)この強誘電体メモリにおいて、
前記複数の強誘電体キャパシタは、複数行複数列に配列され、
列方向における隣同士の前記強誘電体キャパシタの最小間隔は、行方向における隣同士の前記強誘電体キャパシタの最小間隔よりも大きくてもよい。
【0012】
(7)この強誘電体メモリにおいて、
前記導電層は、前記列方向における隣同士の前記強誘電体キャパシタの間に配置され、かつ前記行方向に延出して形成されていてもよい。
【0013】
(8)この強誘電体メモリにおいて、
前記強誘電体キャパシタは、長手軸を有する平面形状をなし、
前記長手軸は、前記行方向に対して斜めに傾斜していてもよい。
【0014】
(9)本発明に係る強誘電体メモリの製造方法は、
(a)基板の上方の少なくとも1層よりなる層間絶縁層の上方に、複数の強誘電体キャパシタを形成する工程と、
(b)前記複数の強誘電体キャパシタを被覆する被覆層を、前記複数の強誘電体キャパシタの間に第1の開口部が設けられるように形成する工程と、
(c)前記第1の開口部と連通する第2の開口部を前記被覆層及び前記層間絶縁層に形成する工程と、
(d)前記第1及び第2の開口部内、並びに前記被覆層の上方に導電層を一体的に形成する工程と、
(e)少なくとも前記導電層を研磨する工程と、
を含む。
【0015】
本発明によれば、第1及び第2の開口部内、並びに被覆層の上方に導電層を一体的に形成し、その後、少なくとも導電層を研磨する。これにより、例えば、第1の開口部から所定パターンの配線を形成し、第2の開口部から基板側へのコンタクトを形成することができる。しかもそれらは一体的に形成されるので、両者を別々に形成する場合に比べて、成膜工程及びパターニング工程が少なくて済み、製造プロセスの容易化を図ることができる。
【0016】
(10)この強誘電体メモリの製造方法において、
前記(e)工程で、前記導電層及び前記被覆層を研磨してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0018】
図1〜図10は、本発明の実施の形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す図である。また、図9は、この強誘電体メモリの部分平面図であり、図10は、図9のX−X線断面図である。
【0019】
図1に示すように、基板10を用意する。基板10は、半導体基板(例えばシリコン基板)であり、複数の半導体素子(例えばMOSトランジスタ)20が形成されている。それぞれの半導体素子20は、不純物領域22、ゲート絶縁層24、及びゲート電極26を含む。半導体素子20は、いわゆる選択トランジスタであってもよい。
【0020】
まず、基板10上に層間絶縁層30を形成する。層間絶縁層30として、例えばBPSG(boro-phospho SG)、NSG(non-doped SG)又はPTEOS(plasma TEOS)などの酸化層が挙げられる。層間絶縁層30は、基板10の複数の半導体素子20側の面上に形成される。層間絶縁層30は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法などにより成膜することができる。なお、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法などにより、層間絶縁層30の上面を平坦化させてもよい。
【0021】
次に、図2に示すように、層間絶縁層30に複数の開口部を例えばドライエッチングにより形成し、基板10の不純物領域12を露出させる。その後、複数の開口部内にプラグ40a,42を形成する。具体的には、開口部の内面及び層間絶縁層30の上面にプラグ材料である導電層を成膜し、該導電層を例えばCMP法により研磨する。プラグ40a,42は、半導体素子20と電気的に接続されており、コア層(例えばタングステン(W)層)及びバリア層(例えばチタン(Ti)層、窒化チタン(TiN)層)を含むことができる。バリア層を有することにより、拡散防止及び密着性の向上を図ることができる。
【0022】
必要に応じて、層間絶縁層30上にプラグ40a,42を被覆する保護層32を形成することができる。保護層32は、例えば窒化酸化シリコン(SiON)層により、例えば50nmの厚さにより形成することができる。保護層32を設けることにより、後述の強誘電体キャパシタの形成工程の影響(例えば酸化)がプラグ42に及ぶのを防止することができる。
【0023】
そして、図2及び図3に示すように、層間絶縁層30上(図2では保護層32上)にさらに層間絶縁層34を形成し、層間絶縁層34にプラグ42bを形成する。層間絶縁層34の材料及び形成方法は、上述した層間絶縁層30の内容を適用することができる。層間絶縁層34は、例えば100μmの厚さにより形成することができる。プラグ42bは、上述したプラグ40a上に形成することができる。その形成方法の詳細も上述した通りである。
【0024】
こうして、図3に示すように、少なくとも1層よりなる層間絶縁層(図3では複数の層間絶縁層30,34)に、第1のプラグ40(プラグ40a,40bを含む)及び第2のプラグ42を形成することができる。第1のプラグ40は、半導体素子20及び後述の強誘電体キャパシタを電気的に接続するコンタクト部である。また、第2のプラグ42は、半導体素子20及び後述の導電層82を電気的に接続するコンタクト部である。強誘電体キャパシタの形成工程前において、第1のプラグ40のみが露出し、第2のプラグ42は保護層32及び層間絶縁層34により被覆されていることが好ましい。
【0025】
次に、図4及び図5に示すように、複数の強誘電体キャパシタC11,C22を形成する。
【0026】
まず、図4に示すように、第1のプラグ40上を含む層間絶縁層34上に、下部電極層50、強誘電体層52及び上部電極層54を順に積層させる。下部電極層50及び上部電極層54は、例えばPt、Ir、Ir酸化物(IrO)、Ru、Ru酸化物(RuO)、SrRu複合酸化物(SrRuO)などにより形成することができる。下部電極層50と第1のプラグ40の間にバッファ層(図示しない)を形成してもよい。その場合、バッファ層は、例えばチタン(Ti)層、窒化チタン(TiN)層、窒化チタンアルミニウム(TiAlN)層などにより形成することができる。下部電極層50及び上部電極層54は、それぞれ単一層又は複数層からなり、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、CVD法などにより形成することができる。また、強誘電体層52は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する強誘電体物質を含む。強誘電体物質の材料は限定されるものではないが、例えばPb、Zr、Tiを構成元素として含む酸化物からなるPZT系強誘電体を適用することができる。あるいは、強誘電体物質として、SBT系、BST系、BIT系、BLT系などのいずれを適用してもよい。強誘電体層52の形成方法としては、溶液塗布法(ゾル・ゲル法、MOD(Metal Organic Decomposition)法などを含む)、スパッタ法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などを適用することができる。
【0027】
そして、図5に示すように、下部電極層50、強誘電体層52及び上部電極層54からなる積層体をパターニングすることにより、複数の強誘電体キャパシタC11,C22を形成する。パターニング工程では、該積層体上にマスク(例えばレジストマスク又はハードマスク)を配置し、該マスクから露出する領域をエッチングで除去することにより行うことができる。
【0028】
こうして、下部電極層50、強誘電体層52及び上部電極層54を含む複数の強誘電体キャパシタC11,C22を形成することができる。複数の強誘電体キャパシタC11,C22は、複数の第1のプラグ40により基板10側に電気的に接続されている。
【0029】
強誘電体キャパシタC11,C22の形成後、O雰囲気においてアニール処理を行うことができる。このアニール処理は、強誘電体キャパシタC11,C22のエッチングダメージ回復のための、いわゆるリカバリーアニールであってもよい。本実施の形態では、このアニール処理時においては、第2のプラグ42が保護層32及び層間絶縁層34により被覆されているので、第2のプラグ42の酸化防止を図ることができ、電気的接続信頼性の向上を図ることができる。
【0030】
必要があれば、図6に示すように、複数の強誘電体キャパシタC11,C22を被覆するブロック層60を形成することができる。ブロック層60は、強誘電体キャパシタC11,C22の水素バリアとして機能する。ブロック層60は、例えば酸化アルミニウム(Al)層により形成することができる。なお、ブロック層60は、例えばスパッタ法又はCVD法(例えばALCVD;Atomic Layer CVD)により成膜することができる。
【0031】
その後、複数の強誘電体キャパシタC11,C22を被覆する被覆層70を形成する。被覆層70は、例えば上述した層間絶縁層30において説明した材料(例えばPTEOS)を、例えばCVD法により形成することができる。被覆層70は、下地の強誘電体キャパシタC11,C22の突起形状に従いコンフォーマルに形成する。すなわち、被覆層70は、強誘電体キャパシタのC11,C22の間に第1の開口部72を設けるように形成する。図9を参照すると、第1の開口部72は、列方向(Y方向)の隣同士の強誘電体キャパシタの間であって、行方向(X方向)に延出するように形成されていてもよい。また、被覆層70は、行方向の隣同士の強誘電体キャパシタの間では、いずれかの強誘電体キャパシタの上面よりも高くなるまで形成される。こうすることにより、後述の研磨工程において、強誘電体キャパシタの上面を露出させることなく、かつ列方向に複数の導電層82を互いに分離して形成することができる。
【0032】
次に、図7に示すように、第1の開口部72と連通する第2の開口部74を形成する。第2の開口部74は、少なくとも被覆層70及び層間絶縁層34(詳しくは被覆層70、ブロック層60、層間絶縁層34及び保護層32)を連通させて形成する。これにより、第2の開口部74から第2のプラグ42を露出させる。その場合、複数の第2のプラグ42を複数の第2の開口部74により露出させてもよいし、複数の第2のプラグ42を1つの第2の開口部74により一体的に露出させてもよい。なお、第1及び第2の開口部72,74は、例えばドライエッチングにより形成することができる。
【0033】
ここで、第1の開口部72、第2の開口部74及び第2のプラグ42のそれぞれの幅の大きさは特に限定されるものではないが、例えば第1の開口部72の幅は、第2の開口部74の幅よりも大きくてもよいし、あるいは同一であってもよい。また、第2の開口部74の幅は、第2のプラグ42の幅よりも大きくてもよいし、あるいは同一であってもよい。上層の開口部の幅が下層の開口部又はプラグの幅よりも大きいと、位置合わせのマージンが大きくなるので、位置ずれ防止及び電気的接続信頼性の向上を図ることができる。
【0034】
そして、図8に示すように、第1及び第2の開口部72,74内、並びに被覆層70上に、導電層80を一体的に形成する。導電層80は、単一層又は複数層からなり、複数層の場合、例えばコア層(例えばタングステン(W)層)及び被覆層70に接触するバリア層(例えばチタン(Ti)層、窒化チタン(TiN)層)を含むことができる。導電層80は、例えばCVD法により成膜することができる。導電層80は、少なくとも第1及び第2の開口部72,74の全部を埋め込むように形成する。
【0035】
その後、少なくとも導電層80を研磨することにより、図10に示すように、強誘電体キャパシタC11,C22の間に導電層82を形成することができる。研磨工程では、例えばCMP法を適用することができる。また、本工程では、被覆層70の上面が露出するまで導電層80のみを研磨してもよいし、あるいは、被覆層70が露出した後、さらに導電層80及び被覆層70を研磨してもよい。後者の場合には、強誘電体キャパシタC11,C22の上面が露出する手前(すなわち強誘電体キャパシタC11,C22上に被覆層70が残る状態)で研磨を終了させる。研磨後の導電層82の上面は、被覆層70の上面と面一であってもよい。なお、メモリセルアレイ領域以外に残る不要な導電層82は、例えばエッチングにより除去することができる。
【0036】
こうして、図9及び図10に示すように、強誘電体メモリ100を製造することができる。本実施の形態に係る強誘電体メモリの製造方法によれば、第1及び第2の開口部72,74内、並びに被覆層70の上方に導電層80を一体的に形成し、その後、少なくとも導電層80を研磨する。これにより、例えば、第1の開口部72から所定パターンの配線を形成し、第2の開口部74から基板10側へのコンタクトを形成することができる。しかもそれらは一体的に形成されるので、両者を別々に形成する場合に比べて、成膜工程及びパターニング工程が少なくて済み、製造プロセスの容易化を図ることができる。
【0037】
この強誘電体メモリ100は、複数行複数列に配列された複数の強誘電体キャパシタCnm(n行m列目(n,mはいずれも自然数)に配置されている)を有する。そして、列方向における隣同士の強誘電体キャパシタの間であって、行方向に延出するように、複数の導電層82が形成されている。それぞれの導電層82は、第2のプラグ42を介して半導体素子20と電気的に接続されている。半導体素子20が選択トランジスタである場合、導電層82はビット配線と呼ばれる。
【0038】
図9に示す例では、列方向における隣同士の強誘電体キャパシタの最小間隔(例えばC11とC21の間)は、行方向における隣同士の強誘電体キャパシタの最小間隔(例えばC11とC12の間)よりも大きくなっている。これにより、上述した被覆層70を、行方向の隣同士の強誘電体キャパシタの間を埋めつつ、列方向の隣同士の強誘電体キャパシタの間には第1の開口部72が設けられるように形成することができる。したがって、列方向にそれぞれが分離した導電層82を容易に形成することができる。
【0039】
また、強誘電体キャパシタは、例えば長手軸を有する平面形状をなしていてもよい。その場合、強誘電体キャパシタの長手軸は、行方向に対して斜めに(例えば45°)傾斜していてもよい。詳しくは、行方向の隣同士の強誘電体キャパシタの長手軸は、列方向と平行な線を基準として対称となっており、すなわち行方向において交互に異なる向きに傾斜していてもよい。こうすることにより、基板10の不純物領域12(すなわち半導体素子20の形成領域)、強誘電体キャパシタの大きさ等を考慮し、設計上、強誘電体メモリ100のコンパクト化を図ることができる。あるいは、強誘電体キャパシタの平面形状は上述したものに限られるわけではなく、例えば正方形、円形など様々な形状を採用することができる。
【0040】
なお、本実施の形態に係る強誘電体メモリのその他の構成は、上述した製造方法により導くことができる内容を含む。
【0041】
本実施の形態に係る強誘電体メモリよれば、導電層82が第1及び第2の開口部72,74内に一体的に設けられている。これにより、所定パターンの配線と、基板10側へのコンタクトとを一体的に形成することが可能になる。このため、配線とコンタクトを別々に形成する場合に比べて位置ずれ防止を図ることができ、また、部品点数の省略により構造の簡略化を図ることができる。したがって、微細化及び高密度化に対応した強誘電体メモリを提供することができる。
【0042】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】本発明の実施の形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す図。
【図2】本発明の実施の形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す図。
【図3】本発明の実施の形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す図。
【図4】本発明の実施の形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す図。
【図5】本発明の実施の形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す図。
【図6】本発明の実施の形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す図。
【図7】本発明の実施の形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す図。
【図8】本発明の実施の形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す図。
【図9】本発明の実施の形態に係る強誘電体メモリの部分平面図。
【図10】図9のX−X線断面図。
【符号の説明】
【0044】
10…基板 20…半導体素子 30,34…層間絶縁層 40…第1のプラグ
42…第2のプラグ 70…被覆層 72…第1の開口部 74…第2の開口部
80,82…導電層 Cnm…強誘電体キャパシタ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
前記基板の上方に形成された少なくとも1層よりなる層間絶縁層と、
前記層間絶縁層の上方に形成された複数の強誘電体キャパシタと、
前記複数の強誘電体キャパシタを被覆する被覆層と、
前記複数の強誘電体キャパシタの間に設けられた第1の開口部と、
前記第1の開口部と連通するとともに前記被覆層及び前記層間絶縁層に形成された第2の開口部と、
前記第1及び第2の開口部内に一体的に設けられた導電層と、
を含む、強誘電体メモリ。
【請求項2】
請求項1記載の強誘電体メモリにおいて、
前記層間絶縁層には、前記強誘電体キャパシタに電気的に接続される第1のプラグ、及び前記第2の開口部により露出される第2のプラグが形成されている、強誘電体メモリ。
【請求項3】
請求項2記載の強誘電体メモリにおいて、
前記第2の開口部の幅は、前記第2のプラグの幅よりも大きい、強誘電体メモリ。
【請求項4】
請求項1から請求項3のいずれかに記載の強誘電体メモリにおいて、
前記第1の開口部の幅は、前記第2の開口部の幅よりも大きい、強誘電体メモリ。
【請求項5】
請求項1から請求項4のいずれかに記載の強誘電体メモリにおいて、
前記導電層の上面は、前記被覆層の上面と面一である、強誘電体メモリ。
【請求項6】
請求項1から請求項5のいずれかに記載の強誘電体メモリにおいて、
前記複数の強誘電体キャパシタは、複数行複数列に配列され、
列方向における隣同士の前記強誘電体キャパシタの最小間隔は、行方向における隣同士の前記強誘電体キャパシタの最小間隔よりも大きい、強誘電体メモリ。
【請求項7】
請求項6記載の強誘電体メモリにおいて、
前記導電層は、前記列方向における隣同士の前記強誘電体キャパシタの間に配置され、かつ前記行方向に延出して形成されている、強誘電体メモリ。
【請求項8】
請求項6又は請求項7記載の強誘電体メモリにおいて、
前記強誘電体キャパシタは、長手軸を有する平面形状をなし、
前記長手軸は、前記行方向に対して斜めに傾斜している、強誘電体メモリ。
【請求項9】
(a)基板の上方の少なくとも1層よりなる層間絶縁層の上方に、複数の強誘電体キャパシタを形成する工程と、
(b)前記複数の強誘電体キャパシタを被覆する被覆層を、前記複数の強誘電体キャパシタの間に第1の開口部が設けられるように形成する工程と、
(c)前記第1の開口部と連通する第2の開口部を前記被覆層及び前記層間絶縁層に形成する工程と、
(d)前記第1及び第2の開口部内、並びに前記被覆層の上方に導電層を一体的に形成する工程と、
(e)少なくとも前記導電層を研磨する工程と、
を含む、強誘電体メモリの製造方法。
【請求項10】
請求項9記載の強誘電体メモリの製造方法において、
前記(e)工程で、前記導電層及び前記被覆層を研磨する、強誘電体メモリの製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2007−67264(P2007−67264A)
【公開日】平成19年3月15日(2007.3.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−253238(P2005−253238)
【出願日】平成17年9月1日(2005.9.1)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】