(57)【要約】【課題】素子が微細化された場合においても、強誘電体キャパシタの作製工程における特性劣化を抑制し、あるいは、その特性を向上させることができる強誘電体キャパシタを提供する。【解決手段】下部電極と、前記下部電極上に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された上部電極と、少なくとも前記下部電極と前記強誘電体膜との界面、及び前記上部電極と前記強誘電体膜との界面を覆うようにして順次に形成された、化学量論組成よりも過剰の酸素を含む第第１の酸化物からなる第１の保護膜及び化学量論組成の酸素を含む第２の酸化物からなる第２の保護膜とを具えるようにして、強誘電体キャパシタを構成する。【選択図】図１
2010258203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と、
前記下部電極上に形成された強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成された上部電極と、
少なくとも前記下部電極と前記強誘電体膜との界面、及び前記上部電極と前記強誘電体膜との界面を覆うようにして順次に形成された、化学量論組成よりも過剰の酸素を含む第第１の酸化物からなる第１の保護膜及び化学量論組成の酸素を含む第２の酸化物からなる第２の保護膜と、
を具えることを特徴とする、強誘電体キャパシタ。
【請求項２】
前記第１の保護膜及び前記第２の保護膜の少なくとも一方は、前記下部電極、前記強誘電体膜、及び前記上部電極を含む積層構造の側面全体を覆うことを特徴とする、請求項１に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項３】
前記第１の保護膜における前記過剰酸素の割合が、その化学量論組成における酸素の割合を１．５とした場合において、１．７以上２．０以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項４】
前記第１の保護膜の密度が、その化学量論組成における密度よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項５】
下部電極上に順次強誘電体膜及び上部電極を形成する工程と、
前記下部電極、前記強誘電体膜、及び前記上部電極を含む積層構造の、少なくとも前記下部電極と前記強誘電体膜との界面、及び前記上部電極と前記強誘電体膜との界面を覆うようにして、化学量論組成よりも過剰の酸素を含む第１の保護膜及び化学量論組成の酸素を含む第２の保護膜を順次に形成する工程と、
を具えることを特徴とする、強誘電体キャパシタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は強誘電体キャパシタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体キャパシタを備えた強誘電体メモリは、益々、高集積化されている。これに伴い、強誘電体キャパシタのサイズが、数ミクロンからサブミクロンへと微細化されている。このように強誘電体キャパシタを微細化すると、強誘電体キャパシタの周辺からの各種のダメージ等により強誘電体キャパシタの残留分極量が低下する。
【０００３】
微細な強誘電体キャパシタは、その製造工程において、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）でのハードマスク形成、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）でのキャパシタの加工、ＣＶＤでの層間絶縁膜の形成等においてプロセスダメージを受けやすい。このプロセスダメージによっても、強誘電体キャパシタの残留分極量が低下する。残留分極量の低下は、強誘電体キャパシタの強誘電体膜の内部、あるいは、電極と強誘電体膜との界面に生じる水素トラップや酸素欠損などの固定電荷が原因である。残留分極量の低下等の特性劣化は、強誘電体メモリの信頼性を低下させる。
【０００４】
強誘電体キャパシタがサブミクロンレベルのサイズになると、その周辺部からの上記プロセスダメージの影響により、強誘電体キャパシタの分極反転特性が劣化する。また、低電圧で強誘電体キャパシタを動作させる場合、強誘電体膜を薄膜化する必要がある。このように薄膜化された強誘電体膜を用いる場合、さらにプロセスダメージ起因の強誘電体膜特性の劣化を抑制し、微細強誘電体キャパシタの分極反転を容易にし、分極量を確保することが重要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６４３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
素子が微細化された場合においても、強誘電体キャパシタの作製工程における特性劣化を抑制し、あるいは、その特性を向上させることができる強誘電体キャパシタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、下部電極と、前記下部電極上に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された上部電極と、少なくとも前記下部電極と前記強誘電体膜との界面、及び前記上部電極と前記強誘電体膜との界面を覆うようにして順次に形成された、化学量論組成よりも過剰の酸素を含む第１の酸化物からなる第１の保護膜及び化学量論組成の酸素を含む第２の酸化物からなる第２の保護膜と、を具えることを特徴とする、強誘電体キャパシタに関する。
【０００８】
また、本発明の一態様は、下部電極上に順次強誘電体膜及び上部電極を形成する工程と、前記下部電極、前記強誘電体膜、及び前記上部電極を含む積層構造の、少なくとも前記下部電極と前記強誘電体膜との界面、及び前記上部電極と前記強誘電体膜との界面を覆うようにして、化学量論組成よりも過剰の酸素を含む第１の保護膜及び化学量論組成の酸素を含む第２の保護膜を順次に形成する工程と、を具えることを特徴とする、強誘電体キャパシタの製造方法に関する。
【発明の効果】
【０００９】
素子が微細化された場合においても、強誘電体キャパシタの作製工程における特性劣化を抑制し、あるいは、その特性を向上させることができる強誘電体キャパシタを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係わる強誘電体キャパシタの構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す強誘電体キャパシタの変形例を示す断面図である。
【図３】図１に示す強誘電体キャパシタの製造工程を示す断面図である。
【図４】図１に示す強誘電体キャパシタの製造工程を示す断面図である。
【図５】図１に示す強誘電体キャパシタの製造工程を示す断面図である。
【図６】図１に示す強誘電体キャパシタの製造工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。
【００１２】
（強誘電体キャパシタ）
図１は、本実施形態における強誘電体キャパシタの構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の強誘電体キャパシタ１０は、下部電極１１と、この下部電極１１上に順次に形成された強誘電体膜１２及び上部電極１３と、さらに上部電極１３上に形成された上部保護層１４とを含んでいる。また、下部電極１１、強誘電体膜１２、上部電極１３及び上部保護層１４からなる積層構造の側面を覆うようにして第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６が順次に形成されている。
【００１３】
なお、本実施形態においては、下部電極１１に対して第１のコンタクトプラグ２１が電気的に接合されており、例えば層間絶縁膜１７を貫通して、強誘電体キャパシタ１０の下方に位置する図示しないトランジスタの半導体基板のソース・ドレイン領域と電気的に接続できるように構成されている。また、上部電極１４に対しても同様に第２のコンタクトプラグ２２が上部保護層１４を貫通するようにして接続されており、例えば図示しない配線層に接続できるように構成されている。この場合、強誘電体キャパシタ１０は、所定の強誘電体メモリを構成することになる。また、強誘電体キャパシタ１０は、素子分離絶縁膜２３によって、隣接する強誘電体キャパシタ１０と電気的に分離する。
【００１４】
下部電極１１及び上部電極１３は、これら電極間に電圧を印加することによって強誘電体膜１２に対して電界を印加し残留分極を生ぜしめるためのものである。
【００１５】
下部電極１１は、以下に説明するように、酸化物から形成される強誘電体膜１２が酸素雰囲気中で形成されるものであることから耐酸化性を有することが要求されるとともに、疲労特性、リテンション特性、及びインプリント特性等のキャパシタとしての信頼性を向上できるような材料から構成する。例えば、Ｐｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ２、Ｒｕ、ＲｕＯ２などの貴金属、貴金属酸化物、導電性酸化物あるいはこれらの積層構造から構成する。
【００１６】
なお、本実施形態では、下部電極１１を第１の下部電極１１１と第２の下部電極１１２との２層構造としている。これによって、上述したような作用効果をより効果的に得ることができる。
【００１７】
上部電極１３は、下部電極１１同様に、疲労特性、リテンション特性、及びインプリント特性等のキャパシタとしての信頼性を向上でき、その後のプロセスダメージ、特に以下に説明するような第１の保護膜１５形成時のプロセスダメージを受けにくい材料から構成する。例えば、Ｐｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ２、Ｒｕ、ＲｕＯ２、ＳｒＲｕＯ３（ＳＲＯ）、ＬａＮｉＯ３（ＬＮＯ）、（Ｌａ、Ｓｒ）ＣｏＯ３、ＹＢＣＯ（超伝導体）、ＳＲＯとＩｒＯｘとの積層体などの貴金属、貴金属酸化物、ペロブスカイト構造に代表される導電性複合酸化物から構成する。特に、ＩｒＯ２は、プロセスダメージを受けにくいため、上部電極１３の構成材料として好ましい。
【００１８】
強誘電体膜１２は、ＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３）、ＰＬＺＴ（ＰｂｘＬａ１−ｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）Ｏ３）、ＢＩＴ（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）、ＳＢＴにＮｂを添加した材料、ＢＬＴ（Ｂｉ，Ｌａ）４Ｔｉ３Ｏ１２等の強誘電体材料からなる。また、上記材料系には様々な添加元素を加えることができる。これらの強誘電体材料は、ペロブスカイト構造を基本とした結晶構造を有し、不揮発性メモリとして利用可能な残留分極を有する。
【００１９】
上部保護層１４は、上部電極１３をその後のプロセスダメージ、特に以下に説明するような第１の保護膜１５形成時のプロセスダメージから保護するためのものである。例えばＡｌ２Ｏ３等の酸化物絶縁体あるいはＴｉＡｌＮ等の導電体から構成することができる。
【００２０】
以上、下部電極１１から上部保護層１４は、公知の成膜手法を用いて適宜形成する。例えば、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法等の任意の方法から形成することができる。
【００２１】
第１の保護膜１５は、化学量論組成よりも過剰の酸素を含む第１の酸化物から構成する。この場合、第１の保護膜１５が、化学量論組成よりも過剰の酸素を含むことによって、その密度は化学量論組成の酸化物膜に比して密度が低下するようになる。
【００２２】
図１に示す強誘電体キャパシタ１０においては、下部電極と上部電極間に電圧を印加することにより強誘電体膜中の分極方向変化が起こる際、強誘電体の圧電作用によって強誘電体の形状変化が起こる。よって、強誘電体膜を覆う形の保護膜が高密度なもので形成され応力緩和が起こりにくい状況であると、強誘電体膜１２に応力が作用し、分極反転が困難となり、強誘電体キャパシタ１０の分極反転特性が劣化してしまう。
【００２３】
しかしながら、本実施形態では、下部電極１１、強誘電体膜１２、上部電極１３及び上部保護層１４からなる積層構造の側面を覆うようにして第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６を形成し、第１の保護膜１５の酸素含有量を化学量論組成よりも過剰となるようにし、その密度を低減させるようにしている。したがって、上述した強誘電体膜１２での応力を第１の保護膜１５によって吸収することができるようになり、前記応力が強誘電体膜１２に作用するのを緩和することができる。結果として、強誘電体キャパシタ１０の分極反転特性を劣化させてしまうようなことがない。
【００２４】
第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６は、水素侵入などのプロセスダメージ低減と、上述した強誘電体膜の応力緩和の観点から、少なくとも下部電極１１と強誘電体膜１２との界面、及び上部電極１３と強誘電体膜１２との界面を覆うようにして形成すれば足りるが、この場合は、図１に示すようにして、下部電極１１、強誘電体膜１２、上部電極１３及び上部保護層１４からなる積層構造の側面を覆うようにして一様な酸化物膜を形成した後、これらの酸化物膜に対してエッチング除去を行って、上述のような界面に第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６を形成することになる。
【００２５】
したがって、第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６の形成工程が煩雑となるので、本実施形態のように、下部電極１１、強誘電体膜１２、上部電極１３及び上部保護層１４からなる積層構造の側面を覆うようにして第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６を形成することが好ましい。
【００２６】
また、第１の保護膜１５は、上述したように応力緩和という特定の作用効果を目的としているが、第２の保護膜１６は、保護膜本来の機能をも有する。したがって、このような観点からも、前記積層構造の側面を覆うようにして第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６を形成することが好ましい。
【００２７】
第１の酸化物は、例えばＡｒ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ等の金属を主成分とする酸化物とすることができる。これらの金属は比較的多量の酸素と反応し、化学量論組成よりも過剰の酸素を含む第１の酸化物、すなわち第１の保護膜１５を簡易に形成することができる。
【００２８】
また、第１の保護膜１５は、好ましくはスパッタリング法を用いて形成する。スパッタリング法は、非平衡状態での膜形成が可能であるので、過剰酸素を膜中に容易に取り込むことができ、上述した化学量論組成よりも過剰の酸素を含む第１の保護膜１５を簡易に形成することができる。一方、ＡＬＤ法やＣＶＤ法は平衡状態で膜形成を行なうものであるため、過剰の酸素を膜中に取り込むことが困難であり、結果として、化学量論組成よりも過剰の酸素を含む第１の保護膜１５の形成が困難となる。
【００２９】
なお、第１の保護膜１５における過剰酸素の割合は、その化学量論組成におけるアルミに対する酸素の割合を１．５とした場合において、１．７以上２．０以下であることが好ましい。過剰酸素の割合が１．７よりも低いと、上述した第１の保護膜１５の作用効果を得ることができない場合があり、過剰酸素の割合が２．０を超える場合は、スパッタリング法によっても形成が困難となる。
【００３０】
例えば、過剰酸素が上述のような範囲にある場合、成膜雰囲気圧力を１Ｐａ〜３Ｐａに設定し、ターゲットへの投入電力を０．７Ｗ／ｃｍ２〜２．０Ｗ／ｃｍ２とした場合において、スパッタガスであるＡｒガスに対して、酸素ガスを５体積％〜３０体積％の範囲内で含有させることになる。しかしながら、過剰酸素の割合が２．０を超える場合は、前記割合以上の酸素を含有させることになり、その結果、スパッタガスの割合が相対的に減少してしまうので、成膜速度が著しく低下し、膜厚分布が低下する、あるいは成膜されるアルミナの構造が非常に低い密度となり構造的に弱くなる、バリア性が劣化するなどの問題を生じてしまい、膜形成自体も困難になってしまう。
【００３１】
一方、第１の保護膜１５は、過剰酸素を含み、上述のようにスパッタリング法で形成することが好ましいので、段差被覆性に劣る。このため、上述のように、第１の保護膜１５が含有する過剰酸素による作用効果を奏することはできても、保護膜本来の作用効果を奏することはできない場合がある。このような問題を解決すべく、本実施形態では、第１の保護膜１５上において第２の保護膜１６を積層し、第１の保護層１５の上述した欠点を補うようにしている。
【００３２】
第２の保護層１６は保護層本来の機能を奏するようにすべく、化学量論組成の酸素を含む第２の酸化物から構成する。このような第２の酸化物は、例えば、上述したようなＡｒ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ等の金属を主成分とする酸化物の他、Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｓｉ等の酸化物、ＰＺＴ，ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）、ＢＳＴ等、任意の酸化物とすることができる。但し、含有する酸素量は、化学量論組成であることが必要であるため、平衡状態の成膜手法に基づいて形成することが要求される。具体的には、ＡＬＤ法によって形成することが好ましい。
【００３３】
なお、ＡＬＤ法以外にＣＶＤ法やＭＯＣＶＤ法等もあるが、これらの方法は使用する原料ガスとの関係から高温成膜となってしまうので、第１の保護膜１５中の酸素が離脱したり、成膜中に生じた水素等によって還元されてしまったりして、上述した第１の保護膜１５の作用効果を十分に奏することができない場合がある。
【００３４】
このように、第１の保護膜１５上に第２の保護層１６を積層することによって、上述のような保護層本来の機能を維持しつつ、第１の保護層１５に起因した本実施形態において特徴的な作用効果を奏することができるものである。
【００３５】
なお、第１の保護層１５の段差被覆性が著しく低いような場合は、第２の保護層１６の形成以前に、例えば６００℃前後の温度においてＲＴＯ（急速加熱プロセス）を実施し、外部から酸素を供給することにより、あらかじめ強誘電体膜１２に十分な酸素を供給する方法もある。
【００３６】
上述したように、第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６は、少なくとも下部電極１１と強誘電体膜１２との界面１２Ａ、及び上部電極１３と強誘電体膜１２との界面１２Ｂを覆うようにして形成すれば、本実施形態における作用効果を奏することができる。しかしながら、この場合においても、強誘電体キャパシタ１０に対して十分本来的な保護特性を付与すべく、例えば図２に示すように、第２の保護層１６は積層構造の側面の全体を覆うようにして形成することが好ましい。
【００３７】
但し、この場合においても、上述したような第１の保護層１５の形成に関する困難性が伴うことになる。
【００３８】
（強誘電体キャパシタの製造方法）
次に、図１に示す強誘電体キャパシタ１０の製造方法について簡単に説明する。図３〜図６は、前記製造方法の製造工程を示す図である。
【００３９】
最初に、図３に示すように、層間絶縁膜１７を貫通するようにして第１のコンタクトプラグ２１を形成する。層間絶縁膜１７は、図示しないトランジスタ上に形成されており、第１のコンタクトプラグ２１は、層間絶縁膜１７に対して所定のマスクを用いてＲＩＥ等のエッチングを行って凹部を形成した後、この凹部内にスパッタ、ＭＯＣＶＤ等によってバリア膜Ｔｉ、ＴｉＮ等を成膜し、その上にＣＶＤ法によりWプラグ等の金属材料を充填するようにして形成する。
【００４０】
次いで、図４に示すように、層間絶縁膜１７上に、第１の下部電極１１１、第２の下部電極１１２、強誘電体膜１２、上部電極１３及び上部保護膜１４を一様に順次に形成する。なお、これら電極及び強誘電体膜等は、上述したように、例えば、スパッタリング法、蒸着法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法等の任意の方法から形成することができる。随時、結晶化アニール用ＲＴＯなどを適用する。
【００４１】
次いで、図５に示すように、図４に示す積層構造上にハードマスクを設置し、Ｃｌ２、ＣＦ４、Ｏ２、Ａｒ等のハロゲンガスを含む混合雰囲気中で積層方向にＲＩＥを行い、リッジ形状の積層構造を形成する。なお、この際、雰囲気温度を２５０℃〜４００℃に設定することによって、ＲＩＥによるエッチングを促進させることができ、強誘電体キャパシタ１０の側壁に残留フェンスなどを形成することなくテーパー角度を高く加工したキャパシタ形状を得ることができ、また加工時間を短縮することができる。
【００４２】
また、図５に示すように、本実施形態では、ＲＩＥによる積層構造のエッチングを、層間絶縁膜１７の上層部にまで達するようにして実施しているが、このようなエッチング処理は必ずしも要求されるものではなく、層間絶縁膜１７の表面で終了してもよい。しかしながら、このような正確なエッチング処理の制御は困難であるので、一般的には、図５に示すように、層間絶縁膜１７の上層部にまで達するようにしてエッチング処理を行う。
【００４３】
次いで、図６に示すように、図５で得たリッジ形状の積層構造の側面及び上面を覆うようにして第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６を順次に積層するようにして形成する。なお、第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６の詳細な形成条件は、上述した通りである。
【００４４】
次いで、図６に示す第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６が形成された積層構造の周囲に素子分離絶縁膜２３を形成した後、上部電極１３の上方に位置する素子分離絶縁膜２３の一部、並びに第１の保護膜１５及び第２の保護膜１６の一部をＲＩＥで加工して凹部を形成した後、前記凹部を埋設するようにして第２のコンタクトプラグ２２を形成する。この結果、図１に示すような強誘電体キャパシタ１０を得ることができる。
【００４５】
なお、第２のコンタクトプラグ２２は、これと電気的に接続する、図示しない配線層と同時に形成することができる。
【００４６】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  強誘電体キャパシタ
１１  下部電極
１２  強誘電体膜
１３  上部電極
１４  上部保護層
１５  第１の保護層
１６  第２の保護層
１７  層間絶縁膜
２１  第１のコンタクトプラグ
２２  第２のコンタクトプラグ
２３  素子分離絶縁膜
【図１】
2010258203.tif 000003
【図２】
2010258203.tif 000004
【図３】
2010258203.tif 000005
【図４】
2010258203.tif 000006
【図５】
2010258203.tif 000007
【図６】
2010258203.tif 000008