(57)【要約】【課題】  絶縁膜に形成したトレンチ内に王冠構造のキャパシタを設ける場合、トレンチ内壁に形成した第１の上部電極とプレートとなる第２の上部電極との間に誘電体が介在するため、上部電極相互の接続が困難になる問題を解決する。【解決手段】  窒化チタン上に形成した酸化タンタルを熱処理すると完全導通状態になる特性を利用して、第１の上部電極とプレート上部電極との導通を確保する。トレンチを形成した絶縁膜を湿式エッチングで除去することなく王冠構造を作成できるので、下部電極の倒壊やペアビット不良を回避してキャパシタ容量がほぼ２倍となるスタックトレンチ型のキャパシタを提供することができる。【選択図】図６
2007141904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも下部電極、誘電体、上部電極を有するキャパシタであって、
前記上部電極は第１の上部電極および第２の上部電極を備え、前記第１の上部電極の一部は前記誘電体を介する前記第２の上部電極との対向部分を有し、前記第１の上部電極と前記第２の上部電極は、前記対向部分において導電化された前記誘電体を介して電気的に接続されていることを特徴とするキャパシタ。
【請求項２】
絶縁膜に形成したトレンチ内部に設けられ、下部電極、誘電体、上部電極を有するキャパシタであって、
前記下部電極は外側面と内面を有する王冠型構造から成り、前記下部電極の外側面に対向する第１の上部電極と、前記下部電極の内面から前記トレンチ以外の表面に延在する誘電体及び第２の上部電極を備え、前記第１の上部電極は、前記第１の上部電極と前記第２の上部電極が対向する部分で導電化している前記誘電体を介して前記第２の上部電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ。
【請求項３】
前記下部電極の外側面には、前記下部電極の外側面に接して形成される第１の誘電体および前記下部電極に対向して前記トレンチの側面に形成される第１の上部電極を有する第１のキャパシタ領域が設けられ、
前記下部電極の内面には、前記下部電極の内面に接して形成される第２の誘電体および前記第２の誘電体に接して形成される第２の上部電極を有する第２のキャパシタ領域が設けられ、
前記第２の誘電体および前記第２の上部電極は、トレンチ以外の表面に延在して設けられ、
前記第１の上部電極は、前記第１の上部電極と前記第２の上部電極が対向する部分で導電化している前記第２の誘電体を介して前記第２の上部電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１および２記載のキャパシタ。
【請求項４】
前記第１の上部電極はチタンもしくは窒化チタンからなり、前記誘電体および第２の誘電体は酸化タンタルからなることを特徴とする請求項１乃至３記載のキャパシタ。
【請求項５】
前記下部電極は、多結晶シリコン、金属シリサイド、タングステンおよびその化合物、ルテニウムから選択される少なくとも１つの材料であることを特徴とする請求項１乃至４記載のキャパシタ。
【請求項６】
半導体基板表面に接続する導電プラグと、前記導電プラグに接続される下部電極を備えたキャパシタの製造方法において、
（１）前記導電プラグ上の全面に形成された絶縁膜の所定の位置にトレンチを形成し、前記導電プラグの表面を露出させる工程と、
（２）前記トレンチの側壁に第１の上部電極を形成する工程と、
（３）前記第１の上部電極が形成された前記トレンチの側壁に第１の誘電体を形成する工程と、
（４）前記第１の誘電体が形成された前記トレンチの内面に下部電極を形成し、前記下部電極と前記導電プラグを接続する工程と、
（５）前記下部電極が形成された前記トレンチの内面を含む全面に延在して第２の誘電体を形成する工程と、
（６）全面に第２の上部電極を形成する工程と、
を少なくとも含んでなることを特徴とするキャパシタの製造方法。
【請求項７】
前記第１の上部電極は、前記第１の上部電極の上端で接する部分において導通状態となる前記第２の誘電体を介して前記第２の上部電極と電気的に接続されることを特徴とする請求項６記載のキャパシタの製造方法。
【請求項８】
前記第１の上部電極はチタンもしくは窒化チタンからなり、前記第１の誘電体は原子層蒸着法で形成する酸化アルミニウムを少なくとも含んでなり、前記第２の誘電体は酸化タンタルからなることを特徴とする請求項６および７記載のキャパシタの製造方法。
【請求項９】
前記下部電極は、多結晶シリコン、金属シリサイド、タングステンおよびその化合物、ルテニウムから選択される少なくとも１つの材料であることを特徴とする請求項６乃至８記載のキャパシタの製造方法。
【請求項１０】
前記酸化タンタルからなる前記第２の誘電体を形成した後、６００℃から７５０℃の温度範囲で熱処理する工程を含むことを特徴とする請求項６乃至９記載の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、ＤＲＡＭを構成するキャパシタおよびその製造方法に係り、特に王冠型の下部電極を形成する際に、下部電極が倒壊する問題を回避するのに好適なキャパシタ構造およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の大容量化が進展し、特にＤＲＡＭ（Dynamic  Random  Access  Memory）においては、最小加工寸法を１００ｎｍとするギガビット級メモリが製品化されつつあり、さらに最小加工寸法９０ｎｍ以降に対応するＤＲＡＭの開発が進められている。このような素子の微細化に伴い、ＤＲＡＭの主要構成要素であるキャパシタにおいても所望の容量を確保することが困難な状況になってきた。
【０００３】
上記の困難を克服するために、絶縁膜中にトレンチ（深孔）を形成し、そのトレンチ内面に形成した下部電極の内外壁を露出させ、両側面をキャパシタとして用いる王冠型構造のキャパシタが検討されている。王冠型構造では、トレンチの内面のみを用いる場合の約２倍のキャパシタ面積を確保できる。したがって、トレンチ内面にのみ下部電極を設けるキャパシタに比べ２倍の容量を得られる利点がある。
【０００４】
しかし、従来の王冠型構造作成には以下に述べる問題があった。図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、王冠型構造の製造工程を模式的に示したものである。まず、（ａ）図に示すように、第１層間絶縁膜１０１の所定の領域にシリコンプラグ１０３を形成した後、窒化シリコン膜１０２および厚い酸化シリコン膜からなる第２層間絶縁膜１０４を堆積する。次いで、（ｂ）図に示すように、リソグラフィとドライエッチングによりトレンチ１０５を形成して、シリコンプラグ１０３の表面を露出させた後、トレンチ内面に下部電極１０６を形成する。その後（ｃ）図に示すように、下部電極１０６の外壁周囲に支えとなっていた第２層間絶縁膜１０４をフッ酸（HF）溶液により除去する。このHF溶液により厚い酸化シリコンを除去すると、下部電極は支えを失い、機械的強度が著しく低下するために、溶液の表面張力により下部電極が倒壊し、隣接下部電極が接触することによるペアビット不良をもたらす。表面張力を生じないドライエッチングで酸化シリコンを除去できれば、倒壊防止に対して有効であるが、現状では下部電極の形状を損なうことなく、酸化シリコンだけを除去する実用的な技術は実現されていない。
【０００５】
そこで、上記の第２層間絶縁膜を除去せずに容量を増大させる王冠型構造が考えられるが、この技術が特開平１０-１７３１４８号公報に記載されている。図２-１（ａ）〜（ｆ）および、それに引き続く図２-２（ｇ）は、前記公報の実施例に記載された王冠型構造の製造工程を示したものである。以下、図２-１および図２-２を用いて前記公報に記載された王冠型構造の製造方法について説明する。
【０００６】
最初に、図２-１（ａ）に示すように、第１層間絶縁膜１０１の所定の領域にシリコンプラグ１０３を設けた後、シリコン窒化膜１０２および厚い酸化シリコンからなる第２の層間絶縁膜１０４を堆積し、シリコンプラグ１０３の表面が露出するようにトレンチ１０５を設け、その後多結晶シリコンからなる第１の上部電極１０７をトレンチ１０５の側壁に形成している。
【０００７】
次に、図２-１（ｂ）に示すように、酸化タンタルと酸化シリコンの積層膜からなる第１の誘電体１０８を全面に堆積し、続いて窒化チタンからなる外側下部電極１０９を全面に積層堆積する。その後異方性ドライエッチングを用いてトレンチ以外の表面およびトレンチ底面に形成されている外側下部電極１０９および第１の誘電体１０８を除去している。
【０００８】
次に、図２-１（ｃ）に示すように、多結晶シリコンからなる内側下部電極１１０を堆積し、トレンチ内部をホトレジスト１１１で充填している。このホトレジスト１１１はトレンチ上面からやや落ち込むように形成している。
【０００９】
次に、図２-１（ｄ）に示すように、多結晶シリコンからなる内側下部電極１１０および窒化チタンからなる外側下部電極１０９をドライエッチング法によりエッチングしてホトレジスト１１１の表面と略同等の位置まで掘り下げている。
【００１０】
次に、図２-１（ｅ）に示すように、ホトレジスト１１１を除去し、酸化タンタルと酸化シリコンの積層膜からなる第２の誘電体１１２を堆積した後、窒化チタンからなる第２の上部電極１１３をトレンチが埋まるように全面に堆積し、さらに図に示した位置までエッチバックして掘り下げている。
【００１１】
次に、図２-１（ｆ）に示すように、表面に露出している第２の誘電体１１２をドライエッチング法によりエッチングし、第２の上部電極１１３の表面と略同等の位置まで掘り下げている。この時、第１の誘電体１０８も同時にエッチングされることにより、第１の上部電極１０７の頂上を露出させている。
【００１２】
次に、図２-２（ｇ）に示すように、窒化チタンからなる第３の上部電極１１４を全面に堆積することにより、第１の上部電極１０７および第２の上部電極１１３を相互に接続している。シリコンプラグ１０３に接続される下部電極は、多結晶シリコンからなる内側下部電極１１０と窒化チタンからなる外側下部電極１０９で構成される。また、第１の上部電極１０７と外側下部電極１０９の間に酸化タンタルと酸化シリコンの積層膜からなる第１の誘電体１０８および第２の上部電極１１３と内側下部電極１１０の間に酸化タンタルと酸化シリコンの積層膜からなる第２の誘電体１１２を設けて、トレンチ内部に王冠型構造のキャパシタを構成している。
本公知例によれば、トレンチを構成する絶縁膜を除去していないので、下部電極の倒壊を防止できる利点がある。
【特許文献１】特開平１０-１７３１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、上記特許文献１に記載された王冠型構造の製造方法ではトレンチ内壁に形成された第１の上部電極１０７と第３の上部電極１１４の接続は極めて困難であり、王冠型構造を構成できない問題がある。
以下、図３を用いて上記の問題について説明する。
【００１４】
図３（ａ）は、図２-１（ｃ）の段階で多結晶シリコンからなる内側下部電極１１０を堆積した後、トレンチ内をホトレジスト１１１で充填し、ドライエッチング法によりエッチバックしてホトレジストを除去した後の状態を示している。このエッチバックでは、図２-１（ｄ）に示されているように、窒化チタンからなる外側下部電極１０９と多結晶シリコンからなる内側下部電極１１０とを選択的に掘り下げることを目的としているが、実際には第１の上部電極１０７も同時にエッチングされ、掘り下げられてしまう。第１の上部電極１０７は、内側下部電極１１０と同じ多結晶シリコンで構成されており、当然のことながら両者共にエッチングは進行する。その結果、第１の誘電体１０８が突き出した状態となり、第１の上部電極１０７の上部には空隙１１５が形成されてしまう。
【００１５】
次に、図３（ｂ）に示すように、第２の誘電体１１２を堆積すると、空隙１１５は第２の誘電体１１２で埋め込まれてしまい、結果的に第１の上部電極１０７の上部には絶縁膜が形成された状態になる。この状態で内側上部電極１１３を形成する。
【００１６】
次に、図３（ｃ）に示すように、第２の誘電体１１２をエッチバックしても第１の上部電極１０７の上部には、空隙１１５に残存した第２の誘電体１１６が形成された状態となって、第１の上部電極１０７の頂上表面は露出しない。
【００１７】
上記の状態で、図３（ｄ）に示すように、第３の上部電極１１４を形成しても、第１の上部電極１０７の頂上表面は第２の誘電体１１６で覆われており、第３の上部電極１１４と第１の上部電極１０７との接続を確保することはできず王冠型構造を実現することはできない。
以上説明したように、トレンチ内に王冠型構造のキャパシタを設ける場合、第３の上部電極１１４と第１の上部電極１０７の接続を確保することが、最も大きな技術課題となる。
【００１８】
上記問題に鑑み、本発明の目的は、酸化タンタルの絶縁特性を利用した、より簡便な方法で上部電極同士の電気的接続を図った王冠型構造のキャパシタおよ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】
【００１９】
発明者は、種々の実験検討の結果、チタンもしくは窒化チタン上に形成した酸化タンタルが導通状態になる知見を見出した。この知見を基に、導通状態の酸化タンタルを介して第１の上部電極と第２の上部電極とを電気的に接続する、トレンチ内に設けた王冠型構造のキャパシタに想到し、本発明を完成するに至った。
【００２０】
すなわち、本発明のキャパシタは、外側面と内面を有する王冠型構造の下部電極がトレンチ内部に設けられたキャパシタであって、
前記下部電極の外側面には、前記下部電極の外側面に接して形成される第１の誘電体および前記トレンチの側面に形成される第１の上部電極を有する第１のキャパシタ領域が設けられ、
前記下部電極の内面には、前記下部電極の内面に接して形成される第２の誘電体および前記第２の誘電体に接して形成される第２の上部電極を有する第２のキャパシタ領域が設けられ、
前記第２の誘電体および前記第２の上部電極は、トレンチ以外の表面に延在して設けられていることを特徴としている。
また、本発明のキャパシタにおける前記第１の上部電極は、前記第１の上部電極の上端で接する部分において導通状態となる前記第２の誘電体を介して前記第２の上部電極と電気的に接続されていることを特徴としている。
また、前記第１の上部電極はチタンもしくは窒化チタンからなり、前記第１の誘電体は酸化アルミニウムを少なくとも含む絶縁膜からなり、前記第２の誘電体は酸化タンタルからなることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明のキャパシタの製造方法は、半導体基板表面に接続する導電プラグと、前記導電プラグに接続される下部電極を備えたキャパシタの製造方法であって、
前記導電プラグ上の全面に形成された絶縁膜の所定の位置にトレンチを形成し、前記導電プラグの表面を露出させる工程と、前記トレンチの側壁に第１の上部電極を形成する工程と、前記第１の上部電極が形成された前記トレンチの側壁に第１の誘電体を形成する工程と、前記第１の誘電体が形成された前記トレンチの内面に下部電極を形成し、前記下部電極と前記導電プラグを接続する工程と、前記下部電極が形成された前記トレンチの内面を含む全面に延在して第二の誘電体を形成する工程と、全面に第２の上部電極を形成する工程と、を少なくとも含んでなることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明のキャパシタの製造方法における前記第１の上部電極は、前記第１の上部電極の上端で接する部分において導通状態となる前記第２の誘電体を介して前記第２の上部電極と電気的に接続させることを特徴としている。
【００２３】
さらに、本発明のキャパシタの製造方法における前記第１の上部電極はチタンもしくは窒化チタンからなり、前記第１の誘電体は原子層蒸着法で形成される酸化アルミニウムを少なくとも含んでなり、前記第２の誘電体は酸化タンタルからなることを特徴としている。
また、前記酸化タンタルからなる前記第二の誘電体を形成した後、６００℃から７５０℃の温度範囲で熱処理する工程を含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２４】
上記の構成により、本発明の王冠型構造のキャパシタでは、第１の上部電極をチタンもしくは窒化チタンで構成し、第２の誘電体を第１の上部電極上に延在させるように酸化タンタルで構成しているので、第１の上部電極の上端に接する酸化タンタルは導通状態となっている。したがって、酸化タンタルの上に第２の上部電極を形成しても、第１の上部電極は、導通状態の酸化タンタルを介して第２の上部電極と電気的に接続させることが可能となる。
また、本発明のキャパシタの製造方法によれば、トレンチを構成する絶縁膜を除去することがないので下部電極の倒壊の問題を回避しつつ、工程の簡略化を図って王冠構造特有の容量増大効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施例について図を用いて詳細に説明する。最初に第１の実施例では酸化タンタルの絶縁特性について説明し、第２の実施例では本発明のキャパシタを有するＤＲＡＭの構成を、第３の実施例では本発明のキャパシタの製造方法について説明する。
【実施例１】
【００２６】
本第１の実施例では、酸化タンタルの絶縁特性を評価した結果に関し、図４および図５を用いて説明する。
図４は酸化タンタルの絶縁特性の評価に使用した試料の断面構造を示している。（ａ）図は下部電極が多結晶シリコンの場合を（試料Ａ）、（ｂ）図は下部電極が窒化チタンの場合（試料Ｂ）を示している。
【００２７】
最初に、試料Ａの構造について図４（ａ）を用いて説明する。まず、ｎ型シリコン基板２０１の表面に周知の選択酸化法（ＬＯＣＯＳ/  Local Oxidation of Silicon）により素子分離領域２０２を形成した。その後、露出しているシリコン基板表面の自然酸化膜を除去した。次いで、モノシラン（SiH4）とホスフィン（PH3）を原料ガスとするＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法により、３×１０20ｃｍ-3のリンを含有する多結晶シリコンを堆積した。さらに、周知のリソグラフィとドライエッチング法により、前記多結晶シリコンを所定のパターンに加工し、キャパシタの下部電極２０３を形成した。
【００２８】
次に、下部電極２０３の表面を、フッ酸（HF）を含有する溶液中で清浄化する処理を行なった後、７５０℃のアンモニア（NH3）雰囲気中で１分間熱処理し、下部電極２０３表面に厚さ１ｎｍのシリコン窒化膜を形成した（図には示していない）。
【００２９】
次いで、キャパシタの誘電体となる酸化タンタル２０４を以下の手順で堆積した。原料をペンタエトキシタンタル（ＰＥＴ/  Ta(OC2H5)5  ）とし、酸化剤を酸素（O2）とするＣＶＤ法を用いた。ＣＶＤの条件は、温度４３０℃、圧力０．５Ｔｏｒｒとした。
最初に、厚さ４ｎｍの酸化タンタルを堆積し、その後５５０℃のオゾン含有酸素雰囲気中で１分間熱処理し、さらに７５０℃の窒素雰囲気中で２分間熱処理して酸化タンタルを結晶化した。
上記条件で堆積した直後の酸化タンタルは非晶質状態であり、比誘電率は２５程度であるが、上記結晶化により酸化タンタルの比誘電率は５０まで増大する。また、これらの熱処理により、多結晶シリコンからなる下部電極２０３と酸化タンタル２０４の界面には厚さ数ｎｍの酸窒化シリコンが形成される。
【００３０】
次に、結晶化させた厚さ４ｎｍの酸化タンタルの上に、さらに厚さ８ｎｍの酸化タンタルを同じ条件で積層堆積した。酸化タンタルには、結晶化酸化タンタル上に堆積される酸化タンタルがエピタキシャル成長する性質があり、上記厚さ８ｎｍの酸化タンタルは堆積直後の段階で既に結晶化が完結している。したがって、積層後の結晶化のための熱処理は基本的に不要であるが、ここでは、試料Ｂと比較するため、窒素雰囲気中、６５０℃、１分間の熱処理を行なった。
【００３１】
次いで、上部電極２０５となる窒化チタンを堆積した。原料を塩化チタン（TiCl4）とし、窒化剤をアンモニア（NH3）とするＣＶＤ法を用いた。ＣＶＤの条件は、温度５５０℃、圧力１Ｔｏｒｒとした。膜厚は４０ｎｍとした。さらに、リソグラフィとドライエッチング法により所定のパターンに加工し、上部電極２０５とした。
測定は、シリコン基板２０１と上部電極２０５の間にバイアス電圧Ｖｐｌを印加して行なった。
【００３２】
次に、下部電極を窒化チタンとする試料Ｂについて、図４（ｂ）を用いて説明する。（ａ）図と同様に、素子分離領域２０２を形成した後、露出しているシリコン基板２０１の表面のチタンシリサイド２０６および下部電極２０７となる窒化チタンを連続的に形成した。
チタンシリサイドは、温度５５０℃で、塩化チタンをプラズマ化し、チタン原子を基板表面に堆積すると同時にシリサイド化を進行させる。シリサイドの厚さは１０ｎｍとした。
その後、プラズマを停止し、塩化チタンが供給されている状態でアンモニアを供給し窒化チタンを堆積した。次いで、リソグラフィとドライエッチング法により所定のパターンに加工し、下部電極２０７を形成した。以下、誘電体の酸化タンタル２０４および上部電極２０５を（ａ）図の場合と同様に形成してキャパシタを構成した。なお、本構造では、下部電極が窒化チタンであるため、酸化タンタルと下部電極の界面には酸窒化シリコンは形成されない。
【００３３】
図５は、試料Ａと試料Ｂの構造のキャパシタに対応する電圧-電流特性を示している。横軸は上部電極への印加電圧Ｖｐｌを、縦軸は単位面積当たりのリーク電流を示している。
ギガビット級のＤＲＡＭに適用される立体構造キャパシタにおいて許容されるリーク電流値は、±１．０Ｖにおいて１Ｅ−９（Ａ/ｃｍ2）に相当する値以下であることが要求される。図中試料Ａで示した特性は下部電極が多結晶シリコンの場合を、試料Ｂで示した特性は下部電極が窒化チタンの場合の結果を示している。
【００３４】
図５から明らかなように、下部電極が多結晶シリコンの試料Ａの場合には+１．０Ｖおよび−１．０Ｖのいずれにおいても２Ｅ−１０（Ａ/ｃｍ2）程度の充分小さいリーク電流値を示していることから、十分な絶縁特性が得られていることがわかる。また±５．０Ｖ印加しても破壊せず安定な特性が得られている。一方、下部電極が窒化チタンの試料Ｂの場合には±１．０Ｖの低電圧でさえも、通常のリーク電流評価範囲をはるかに上回る電流が観測され、絶縁性は認められない。窒化チタン上の酸化タンタルは完全に導通状態となっていることがわかる。
【００３５】
試料Ｂが導電性を有するに至る原因は、酸化タンタルを構成する酸素原子が窒化チタン中のチタンに吸い取られることにある。その結果、酸化タンタル膜中の酸素空位欠陥が増大し、この欠陥を通じて電流が流れてしまう。特に非晶質状態の酸化タンタルはこの傾向が顕著である。したがって、４００℃程度の成膜段階でも、この現象は既に生じているが、成膜後に６５０℃程度の熱処理が加わるとさらに顕著となって酸化タンタルはほぼ完全に導通状態となる。したがって、下部電極を窒化チタンに変え、チタンで構成しても同じ現象が生じる。
一方、下部電極がシリコンの場合にも同じ現象が見られる。しかし、シリコンの場合には酸化タンタルから吸い取られた酸素とシリコンが反応する結果、界面に酸化シリコンを形成する。この酸化シリコンの形成が酸化タンタルからの酸素の吸い取りを抑制する結果となるため、反応は飽和する。窒化チタンの場合には、この飽和現象がみられない。また、シリコン下部電極の場合には、表面に予め窒化シリコンを形成しているので、酸素拡散のバリヤとなって、より酸素吸い取り抑制効果が大きくなる。さらに、界面に形成された酸化シリコンはリーク電流発生の障壁として機能するため、リーク電流の低減には、むしろ効果的である。
【００３６】
本実施例では、ＣＶＤ法で形成した酸化タンタルについて例示したが、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法で形成する酸化タンタルであっても同様の結果が得られる。ＡＬＤ法で形成した酸化タンタルも形成直後では非晶質状態であり、成膜後に雰囲気によらず６５０℃程度の熱処理を行なえば、上記酸素の吸い取り現象によって窒化チタン上の酸化タンタルを導通状態とすることができる。
【実施例２】
【００３７】
本第２の実施例では、王冠型構造のキャパシタを有するＤＲＡＭの一構成例について、図６を用いて説明する。図６は、第１のアルミニウム配線層が形成された状態でのＤＲＡＭの一断面模式図を示している。
ｐ型シリコン基板３０１にｎウエル３０２を設け、その内部に第１のｐウエル３０３を設けている。また、ｎウエル３０２以外の領域には第２のｐウエル３０４を設け、素子分離領域３０５を設けている。第１のｐウエル３０３は複数のメモリセルが配置されるメモリアレイ領域を、第２のｐウエル３０４は周辺回路領域を各々便宜的に示している。
第１のｐウエル３０３には個々のメモリセルの構成要素でワード線となるスイッチングトランジスタ３０６及び３０７を設けている。トランジスタ３０６は、ドレイン３０８、ソース３０９とゲート絶縁膜３１０を介してゲート電極３１１とで構成される。トランジスタ３０７は、ソース３０９を共通としドレイン３１２、ゲート絶縁膜３１０を介してゲート電極３１１で構成されている。トランジスタを被覆するように表面が平坦な絶縁膜３１３を設けている。
【００３８】
ソース３０９に接続するように絶縁膜３１３の所定の領域にコンタクト孔３１４を設け、多結晶シリコンからなるシリコンプラグ３１５を設けている。シリコンプラグ３１５の表面にチタンシリサイド３１６、窒化チタン３１７およびタングステン３１８からなるビット線コンタクトを設け、ビット線コンタクトに接続するように窒化タングステン３１９およびタングステン３２０からなるビット線を設けている。ビット線を被覆するように表面が平坦な第１層間絶縁膜３２１を設けている。
トランジスタのドレイン３０８及び３１２に接続するように絶縁膜３１３及び第１層間絶縁膜３２１の所定の領域にコンタクト孔を設け、シリコンプラグ３２２を設けている。
【００３９】
シリコンプラグ３２２の上に王冠型構造のキャパシタを設けている。第１層間絶縁膜３２１上の窒化シリコン膜３２３、第２層間絶縁膜３２４の所定の領域にトレンチ（深孔）３２５を設けている。トレンチ３２５の側面には窒化チタンからなる第１の上部電極３２６を設け、さらに第１の上部電極３２６の側面に第１の誘電体３２７を設けている。多結晶シリコンからなる下部電極３２８が第１の誘電体３２７の内側面および底面に設けられ、シリコンプラグ３２２に接続されている。
酸化タンタルからなる第２の誘電体３２９を下部電極３２８の表面を含む全面に設け、さらに第２の上部電極３３０が全面に設けられている。キャパシタを被覆するように、第３層間絶縁膜３３１を設けている。
【００４０】
一方、第２のｐウエル３０４には周辺回路を構成するトランジスタが設けられ、ソース３０９、ドレイン３１２、ゲート絶縁膜３１０、ゲート電極３１１で構成されている。ドレイン３１２に接続するように、絶縁膜３１３の所定の領域にコンタクト孔３３２を設けている。チタンシリサイド３１６、窒化チタン３１７、タングステン３１８からなるコンタクトプラグを設け、その上に窒化タングステン３１９、タングステン３２０からなる第１の配線層を設けている。第１の配線層の一部は、第１層間絶縁膜３２１、窒化シリコン膜３２３、第２層間絶縁膜３２４および第３層間絶縁膜３３１を貫通して形成されるコンタクト孔３３３を充填した窒化チタン３３４及びタングステン３３５を介して窒化チタン３３６、アルミニウム３３７、窒化チタン３３８からなる第２の配線層に接続している。
【００４１】
また、メモリアレイ領域に設けたキャパシタの上部電極３３０は、一部の領域で周辺回路領域に引き出し配線３３９として引き出される。そして、第３層間絶縁膜３３１の所定の領域に形成されたコンタクト孔を充填した窒化チタン３４０、タングステン３４１を介して、同じく窒化チタン３４２、アルミニウム３４３、窒化チタン３４４からなる第２の配線層に接続している。以下、層間絶縁膜の形成、コンタクトの形成、配線層の形成を必要に応じて繰り返し、ＤＲＡＭを構成している。
【００４２】
本実施例によれば、トレンチを形成している第２層間絶縁膜を残したまま、下部電極を外側面と内面を備えた王冠型構造とし、外側面には第１の誘電体と窒化チタンからなる第１の上部電極を有する第１のキャパシタ領域を備え、内面には酸化タンタルからなる第２の誘電体と第２の上部電極を有する第２のキャパシタ領域を備えた構造のキャパシタを提供できる。また、窒化チタンからなる第１の上部電極は、酸化タンタルからなる第２の誘電体の介在により第２の上部電極と非接触の位置にあるが、窒化チタンに接する酸化タンタルは導通状態であるため電気的接続を可能としている。
【実施例３】
【００４３】
次に、第３の実施例について説明する。図７-１（ａ）〜（ｆ）および、それに引き続く図７-２（ｇ）〜（ｌ）は、本発明に係る王冠型構造のキャパシタの製造方法についての、一連の工程断面図を示している。図７-３は、図７-２（ｋ）の拡大図を示している。
【００４４】
最初に、図７-１（ａ）に示したように、第１の層間絶縁膜３２１の所定の領域に周知の方法によりシリコンプラグ３２２を形成した後、表面に厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜３２３を周知のＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により形成した。
【００４５】
次に、図７-１（ｂ）に示したように、厚さ２０００ｎｍの酸化シリコン３２４を周知のプラズマＣＶＤ法により形成した後、さらに厚さ５００ｎｍのシリコン膜３４５を周知のＣＶＤ法により積層形成した。シリコン膜３４５は、酸化シリコン３２４をドライエッチングする際のハードマスクとして用いる。この後、図には示していないが、リソグラフィによりシリコン膜３４５の上にホトレジストパターンを形成した。次いで、ホトレジストパターンをマスクとしてシリコン膜３４５を周知のプラズマドライエッチング法によりエッチングし、パターンを転写した。シリコン膜のドライエッチングにおいては、塩素（Cl2）＋臭化水素（HBr）＋酸素（O2）の混合ガスを用い、圧力は１０ｍＴｏｒｒ、プラズマパワーは１００Ｗとした。エッチング可能な範囲内で適宜条件を変更しても良い。
【００４６】
次に、図７-１（ｃ）に示したように、パターン転写されたシリコン膜３４５をマスクとして厚さ２０００ｎｍの酸化シリコン３２４をドライエッチングし、トレンチ３２５を形成した。酸化シリコンのドライエッチングにおいては、オクタフロロシクロペンタン（C5F8）＋アルゴン（Ar）＋酸素（O2）の混合ガスを用い、圧力は１００ｍＴｏｒｒ、プラズマパワーは１５００Ｗとした。
この後、ハードマスクとして用いたシリコン膜３４５を等方性ドライエッチングにより除去した。シリコン膜３４５が厚く残っている場合には、この除去において、トレンチ内に露出しているプラグシリコン３２２もエッチングされることになる。これを回避するために、トレンチ形成の際、窒化シリコン膜３２３が露出した段階で残存シリコン膜３４５を除去してしまい、その後、窒化シリコンのエッチングを行なうこともできる。また、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polising）法を用いれば、プラグシリコンのエッチングを回避しつつ表面のシリコン膜３４５を選択的に除去することができる。
【００４７】
次に、図７-１（ｄ）に示したように、第１の上部電極３２６となる厚さ１５ｎｍの窒化チタンをＣＶＤ法により形成した。原料ガスに塩化チタン（TiCl4）を、窒化剤にアンモニア（NH3）を用い、圧力は１Ｔｏｒｒ、温度は５５０℃とした。
【００４８】
次に、図７-１（ｅ）に示したように、トレンチ以外の表面およびトレンチ底部に形成されている窒化チタンをドライエッチングにより除去し、トレンチ側壁に第１の上部電極３２６を形成した。窒化チタンのドライエッチングにおいては、塩素（Cl2）と塩化ホウ素（BCl3）の混合ガスを用い、圧力は１０ｍＴｏｒｒ、プラズマパワーは１００Ｗとした。このエッチングでもプラグシリコン３２２がエッチングされ得るが、窒化チタンの膜厚が薄いので実質的に問題にならない。
【００４９】
次に、図７-１（ｆ）に示したように、第１の誘電体３２７となる厚さ６ｎｍの酸化アルミニウムおよび外側に位置する下部電極３２８ａとなる厚さ１５ｎｍのリンドープシリコンを積層形成した。
酸化アルミニウムの形成には原子層蒸着法（ＡＬＤ/  Atomic Layer Deposition）を用いた。原料ガスにトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ/  Al(CH3)3）を、酸化剤にオゾン（O3）を用いた。原料供給、排気、オゾン供給、排気の基本ステップを１サイクルとし、６０サイクル繰り返して６ｎｍの厚さに形成した。原料供給およびオゾン供給時の圧力は０．５Ｔｏｒｒ、温度は３５０℃に維持した。なお、ＡＬＤ法による成膜は処理効率が著しく低いので、複数基板を同時に処理できるバッチ処理方式が望ましい。この他にもＡＬＤ法の条件は種々変更可能である。
一方、リンドープシリコンはＣＶＤ法により形成した。原料ガスにモノシラン（SiH4）とホスフィン（PH3）を用い、圧力を１Ｔｏｒｒ、温度を５２０℃として、３×１０20ｃｍ-3のリンを含有するシリコンを堆積した。上記条件で堆積したシリコンは非晶質で、表面が極めて平滑であるという利点がある。
【００５０】
次に、図７-２（ｇ）に示したように、トレンチ以外の表面およびトレンチ底部に形成された、シリコンおよび酸化アルミニウムをドライエッチングにより除去し、第１の上部電極３２６に接する第１の誘電体３２７および外側下部電極３２８ａを形成した。それと同時にシリコンプラグ３２２の表面を露出させた。このドライエッチングには、ハードマスクとして用いたシリコンのドライエッチング条件を用いることができる。
【００５１】
次に、図７-２（ｈ）に示したように、内側下部電極３２８ｂとなる厚さ１５ｎｍのリンドープシリコンを全面に堆積した。堆積条件は、外側下部電極３２８ａと同じとした。また、堆積の前にシリコンプラグ３２２および外側下部電極３２８ａの表面に形成されている自然酸化膜を除去する処理を行なった。
【００５２】
次に、図７-２（ｉ）に示したように、全面にホトレジスト３４６を回転塗布法により形成し、露光および現像処理を経てトレンチ内部にのみホトレジスト３４６を残存させた。
【００５３】
次に、図７-２（ｊ）に示したように、表面に露出しているシリコンをドライエッチングにより除去した。続いて、ホトレジストを酸素アッシングにより除去した。この段階でシリコンプラグ３２２に接続する内側下部電極３２８ｂと、内側下部電極に接する外側下部電極３２８ａからなる下部電極が形成されている。また、外側下部電極３２８ａ、第１の誘電体３２７、第１の上部電極３２６からなる第１のキャパシタ領域が形成されている。
【００５４】
次に、図７-２（ｋ）に示したように、第２の誘電体３２９となる酸化タンタルをＣＶＤ法により、第１の実施例と同じ条件で堆積した。最初に、厚さ４ｎｍの酸化タンタルを堆積し、５５０℃のオゾン含有酸素雰囲気中で１分間熱処理し、さらに７５０℃の窒素雰囲気中で２分間熱処理して酸化タンタルを結晶化した。
次に、結晶化させた厚さ４ｎｍの酸化タンタルの上に、さらに厚さ８ｎｍの酸化タンタルを同じ条件で積層堆積した。その後、窒素雰囲気中、６５０℃、１分間の熱処理を行なった。
これらの熱処理により、図中Ａの丸印で示した窒化チタンからなる第１の上部電極に接する酸化タンタル３２９は、完全に導通状態になっている。図７-３は、図７-２（ｋ）の拡大図である。酸化タンタルからなる第２の誘電体３２９は、窒化チタンからなる第１の上部電極３２６の上端で接する部分において導通状態の酸化タンタル３２９ａとなっている。
また、非晶質状態のリンドープシリコンからなる下部電極（３２８ａおよび３２８ｂ）は、上記熱処理により多結晶化し導体に変化させることができる。酸化タンタルの形成に先立って、下部電極を多結晶化させておいても良い。
【００５５】
次に、図７-２（ｌ）に示したように、第２の上部電極３３０となる窒化チタンを堆積した。原料を塩化チタン（TiCl4）とし、窒化剤をアンモニア（NH3）とするＣＶＤ法を用いた。ＣＶＤ法の条件は、温度５５０℃、圧力１Ｔｏｒｒとした。上部電極は、窒化チタンの上にタングステンなど他の金属を積層しても良い。
この段階で、第２の層間絶縁膜３２４に形成したトレンチ内に、外側下部電極３２８ａ、第１の誘電体３２７および第１の上部電極３２６からなる第１のキャパシタ領域と、内側下部電極３２８ｂ、第２の誘電体３２９および第２の上部電極３３０からなる第２のキャパシタ領域と、を備えた王冠型のキャパシタを形成することができる。
【００５６】
本実施例によれば、窒化チタン上の酸化タンタルが導通状態になる特性を利用して、第１の上部電極と第２の上部電極を電気的に接続しているので、先願公知例にあるような複雑なドライエッチング工程を用いることなく、簡便に王冠型のキャパシタを製造できる効果がある。
【００５７】
なお、本実施例では、第１の上部電極、第１の誘電体および下部電極を形成した後、酸化タンタルを形成し、酸化タンタルを結晶化するための７５０℃の熱処理をおこなっている。この場合、第１の上部電極は５５０℃で、第１の誘電体は３５０℃で形成しているため、７５０℃の熱処理がかかると、各々緻密化の度合いが異なることにより、第１の誘電体に歪みが発生し、リーク電流が増大する場合がある。これを回避するためには、第１の上部電極形成後、アンモニアもしくは窒素雰囲気中で７５０℃１分間、熱処理を施し、第１の誘電体形成後、窒素雰囲気中で７００℃、１分間、熱処理を施すことが有効である。すなわち、各々の膜を形成するごとに熱処理を行なって緻密化を完了させておけば良い。
【００５８】
また、本実施例では、下部電極にシリコンを用いたが、タングステンやルテニウムなどの金属や窒化タングステンなどの金属化合物を用いることもできる。この場合、形成段階で既に導電性を有しているので、結晶化のための熱処理を不要とすることができる。また、シリコンでは、非晶質状態で膜厚が１０ｎｍより薄くなると、結晶化しにくくなる現象が生じるが、金属類を用いれば、このような問題は生じない利点がある。また、タングステン、窒化タングステンおよびルテニウムを下部電極に用いれば、実施例１で述べた酸化タンタルからの酸素の吸い取り現象が生じないのでリーク電流を抑制できる効果もある。
【００５９】
また、本実施例では、第１の誘電体として用いた酸化アルミニウムをＡＬＤ法で形成した以外は、ＣＶＤ法を用いているが、第１の上部電極、金属下部電極、酸化タンタルなどの形成にもＡＬＤ法を用いることができる。この場合、１０ｎｍ以下の薄い膜を制御性良く形成でき、ＤＲＡＭの集積度向上に対処するためトレンチの幅が狭められても対応できる利点がある。
【００６０】
また、本実施例では、図７-１（ｃ）に示したように、トレンチ形成時、窒化シリコン膜３２３もエッチングしてシリコンプラグ３２２を露出させており、ハードマスクに用いるシリコンの除去、第１の上部電極となる窒化チタンのドライエッチングおよび外側下部電極となるシリコンのエッチングにわずかではあるが晒されることになる。
これらのエッチング雰囲気に晒されることを回避するためには、図８に示したように窒化シリコン膜３２３を残存させれば良い。第１の上部電極３２６、第１の誘電体３２７および外側下部電極３２８ａを形成するまでは窒化シリコン膜３２３を残し、シリコンプラグ３２２表面を覆った状態にしておく（ａ図）。その後、内側下部電極を形成する直前に窒化シリコン膜３２３をエッチングし、シリコンプラグを露出させて内側下部電極３２８ｂを形成するようにすれば良い（ｂ図）。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】王冠構造形成時の従来の問題を説明するための一連の断面図。
【図２−１】特許文献１に記載された実施例を説明するための一連の工程断面図。
【図２−２】図２-１に引き続く工程断面図。
【図３】特許文献１に記載された実施例の問題を説明するための一連の工程断面図。
【図４】本発明の第１実施例を説明するための評価試料断面図。
【図５】本発明の第１実施例を説明するための評価結果（電流-電圧特性）。
【図６】本発明の第２実施例を説明するためのＤＲＡＭ断面構成図。
【図７−１】本発明の第３実施例を説明するための一連の工程断面図。
【図７−２】図７-１に引き続く一連の工程断面図。
【図７−３】図７-２（ｋ）の拡大断面図。
【図８】本発明の第３実施例の応用を補足説明するための一連の断面図。
【符号の説明】
【００６２】
１０１、３２１    第一層間絶縁膜
１０２、３２３    窒化シリコン膜
１０３、３１５、３２２    シリコンプラグ
１０４、３２４    第二層間絶縁膜
１０５、３２５    トレンチ
１０６、３２８    下部電極
１０７、３２６    第一の上部電極
１０８、３２７    第一の誘電体
１０９、３２８ａ    外側下部電極
１１０、３２８ｂ    内側下部電極
１１１、３４６    ホトレジスト
１１２、１１６、３２９    第二の誘電体
３２９ａ    導通状態の酸化タンタル
１１３、３３０    第二の上部電極
１１４    第三の上部電極
１１５    空隙
２０１    ｎ型シリコン基板
２０２、３０５    素子分離領域
２０３、２０７    下部電極
２０４    酸化タンタル
２０５    上部電極
２０６、３１６    チタンシリサイド
３０１    ｐ型シリコン基板
３０２    ｎウエル
３０３    第一のｐウエル
３０４    第二のｐウエル
３０６、３０７    トランジスタ
３０８、３１２    ドレイン
３０９    ソース
３１０    ゲート絶縁膜
３１１    ゲート電極
３１３    絶縁膜
３１４、３３２、３３３    コンタクト孔
３１７、３３４、３３６、３３８、３４０、３４２、３４４    窒化チタン
３１８、３２０、３３５、３４１    タングステン
３１９    窒化タングステン
３３１    第三層間絶縁膜
３３７、３４３    アルミニウム
３３９    引出し配線
３４５    シリコン膜
【図１】
2007141904.tif 000003
【図２−１】
2007141904.tif 000004
【図２−２】
2007141904.tif 000005
【図３】
2007141904.tif 000006
【図４】
2007141904.tif 000007
【図５】
2007141904.tif 000008
【図６】
2007141904.tif 000009
【図７−１】
2007141904.tif 000010
【図７−２】
2007141904.tif 000011
【図７−３】
2007141904.tif 000012
【図８】
2007141904.tif 000013