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JP3623427B2 - 強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法 - Google Patents
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JP3623427B2 - 強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法 - Google Patents

強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体を誘電体膜とする強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法に関し、特に、製造工程中に生じるMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ特性の劣化の回復を図った強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体装置においては、製造工程中に生じる欠陥によるトランジスタ特性の劣化を改善することが重要な要素の1つとなっている。
【0003】
通常、トランジスタを備えたメモリは、最終工程において、水素雰囲気中で熱処理が行われている。これはトランジスタのゲート酸化膜と基板との界面の欠陥を拡散した水素で終端することにより、ゲート酸化膜の界面準位密度を低減し、安定したトランジスタ特性を得るためである。
【0004】
従って、この水素による熱処理は、製造工程の最後に行うものであるが、一般的に使用されている強誘電体容量を形成する酸化物電極及び強誘電体は酸化物であるので、水素による熱処理により、強誘電体が還元されて特性が劣化してしまうという問題があった。
【0005】
即ち、水素処理を施すことにより、強誘電体容量に使用されている酸化物である強誘電体が還元され強誘電体特有の特性を示さなくなってしまい、強誘電体容量として使用することができない。しかし、特に、強誘電体容量からなるメモリ部とロジック回路部とを1つのチップ上に形成する所謂ロジック混載強誘電体メモリにおいては、ロジック部の特性を維持するためには、水素中での熱処理は欠かすことのできない工程である。
【0006】
そこで、例えば特開平11−111930号公報には、上部電極形成後の水素を含む不活性ガス雰囲気中における熱処理によって生じる強誘電体特性の劣化及びリーク電流の増加の防止を図った半導体素子の製造方法が開示されている(従来例1)。
【0007】
従来例1の技術においては、半導体基板に形成されたスイッチングトランジスタとなるMOSトランジスタと、第1の層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して前記MOSトランジスタと電気的に接続され、強誘電体膜を誘電体とするキャパシタとを有し、配線を介して他の半導体素子と接続されている半導体記憶素子の製造方法において、前記キャパシタの下部電極上に前記誘電体膜を形成した後、上部電極を形成する前に、水素雰囲気にて、300乃至450℃の温度で第1の熱処理を行うことにより、前記MOSトランジスタのゲート絶縁膜と前記半導体基板との界面での欠陥を終端する。更に、前記キャパシタの上部電極を前記強誘電体膜上に形成し、層間絶縁膜を形成した後、コンタクトホールを形成し、前記MOSトランジスタと他の半導体記憶素子とを接続する配線を形成する。その後、表面保護膜を形成し、酸素又は酸素及び不活性ガスの混合ガス雰囲気中にて300乃至450℃の第2の熱処理をする。これにより、コンタクトホールの開口、金属配線の加工、及び表面保護膜形成工程中に導入されるプラズマ損傷を回復させる。
【0008】
また、例えば特開平11−317500号公報には、多層配線形成を先に行い強誘電体容量形成前に水素中で熱処理することが開示されている(従来例2)。従来例2の半導体装置は、複数のメタル配線と、下部電極、セラミックス薄膜及び上部電極から構成されたセラミックス薄膜容量と、選択トランジスタとを有し、シリコン基板上に選択トランジスタを形成し、この選択トランジスタに接続するコンタクトを形成し、前記メタル配線を形成した後で水素を含む雰囲気中にて熱処理し、その後セラミックス薄膜容量を形成している。これにより、セラミックス薄膜容量形成後にタングステンプラグによるビアを形成する必要がないため、タングステンのCVDによりセラミックス容量が劣化することを防止することができる。また、水素による熱処理により、トランジスタの劣化を低減することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例1の技術においては、強誘電体膜の劣化を防止することを目的として、強誘電体膜形成後、上部電極形成前に水素処理(第1の熱処理)を行っているが、強誘電体膜の形成後に水素熱処理を行っている以上、強誘電体膜の特性が水素処理によって劣化することは避けられないという問題点がある。
【0010】
また、従来例2の技術においては、強誘電体容量形成工程において欠陥を生ずるため、トランジスタ特性のばらつきが生じてしまうという問題点があった。
【0011】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、強誘電体特性の劣化させることなく、最終工程で水素による熱処理をしたときと同等のトランジスタ特性を得ることができる強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法は、強誘電体膜を誘電体とする強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法において、シリコン基板表面にMOSトランジスタを形成する工程と、このMOSトランジスタ上に第1の絶縁膜を形成し前記MOSトランジスタの一方の拡散層に接続する第1のコンタクト及び他方の拡散層に接続する第2のコンタクトを形成する工程と、水素を含む雰囲気中にて第1の熱処理をして前記MOSトランジスタ形成工程及び前記コンタクト形成工程における膜形成工程で発生する欠陥を回復する工程と、前記第1の絶縁膜上に前記第1のコンタクトに接続する下部電極、その上層の強誘電体膜及びその上層の上部電極を形成して強誘電体容量を形成する工程と、全面に第2の絶縁膜を形成し前記第2のコンタクトと前記上部電極とを接続する配線を形成する工程と、窒素雰囲気中にて第2の熱処理をして前記強誘電体容量の形成工程で発生する欠陥を回復する工程と、を有することを特徴とする。
【0013】
本発明においては、強誘電体を用いた容量を形成する製造工程において、強誘電体容量形成前に行う第1の熱処理を水素雰囲気中で行うことにより、第1の熱処理前の製造工程で生じるMOSトランジスタ等の酸化膜中、又は電極若しくは酸化膜等の界面の欠陥を回復させ、窒素雰囲気中での第2の熱処理により、強誘電体容量を形成する工程での欠陥を回復させるため、水素処理により強誘電体容量を劣化させることがなく、製造工程中に生じる欠陥を回復することができる。
【0014】
また、本発明においては、前記コンタクト形成工程と前記第1の熱処理工程との間に、前記第1の絶縁膜上に複数の配線層を形成する工程を有してもよい。
【0015】
本発明に係る他の強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法は、誘電体膜を誘電体とする強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法において、シリコン基板表面にMOSトランジスタを形成する工程と、このMOSトランジスタ上に第3の絶縁膜を形成する工程と、前記MOSトランジスタの一方の拡散層に接続する第1のコンタクト及び他方の拡散層に接続する第2のコンタクトを形成する工程と、水素を含む雰囲気中にて第1の熱処理をして前記MOSトランジスタ形成工程及び前記第3の絶縁膜の形成工程における膜形成工程で発生する欠陥を回復する工程と、前記第3の絶縁膜上に下部電極、その上層の強誘電体膜及びその上層の上部電極からなる強誘電体容量を形成する工程と、第4の絶縁層を形成し前記第2のコンタクトと前記上部電極とを接続する配線を形成する工程と、窒素雰囲気中にて第2の熱処理をして前記強誘電体容量の形成工程で発生する欠陥を回復する工程と、を有することを特徴とする。また、前記強誘電体容量の下部電極が前記第1のコンタクトに接続されていてもよい。
【0016】
本発明における第1及び第2の熱処理は300乃至500℃の温度で行うことができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。本発明の特徴は、強誘電体容量を有する半導体装置において、強誘電体容量に悪影響を与えず、製造工程中に生じるトランジスタ等の特性の劣化を回復させるために、熱処理を2回に分けて行うことにある。図1及び図2は本発明の第1の実施例に係る強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法をその工程順に示す断面図である。なお、図1及び図2には、強誘電体メモリ領域Aと、ロジック回路領域Bとが示されている。
【0018】
図1(a)に示すように、強誘電体メモリ領域A及びロジック回路領域Bとなるシリコン基板1表面には、公知の技術により、素子分離絶縁膜2a、2bが形成され、これらの素子分離絶縁膜2a、2bに仕切られた素子領域の基板上にゲート絶縁膜40a及び40bが形成され、素子領域の所定の位置にゲート電極3a及び3bが形成されており、このゲート電極3a、3bをマスクとして基板表面にイオン注入することにより、基板表面にソース・ドレインン領域となる拡散層(図示せず)が形成されている。これにより、強誘電体メモリ領域A及びロジック回路領域Bに夫々トランジスタ4a及び4bが形成されている。本実施例においては、素子分離絶縁膜2bにより、強誘電体メモリ領域Aとロジック回路領域Bが分離されている。
【0019】
このシリコン基板1上に形成されたMOSトランジスタ4a、4b上に、図1(b)に示すように、公知の技術により層間絶縁膜及び配線を形成する。先ず、プラズマCVD又は熱CVD等の方法により、例えばSiOを主成分とする層間絶縁膜5を堆積する。この後、強誘電体メモリ領域Aのソース・ドレイン領域の拡散層へ接続する電極並びにロジック回路領域Bのトランジスタ4bのゲート3b及びソース・ドレイン領域の拡散層へ接続する電極を形成するための夫々スルーホール6a及び6bをドライエッチング等により形成する。その後、タングステン又はポリシリコン等の導電体により、スルーホール6a及び6bを埋め込み夫々コンタクト7a及び7bを形成する。
【0020】
次に、図1(c)に示すように、例えばAl、Ti又はTiN等の積層膜を形成し、その後、この層間膜上に、コンタクト7a及び7bに接続する公知のリソグラフィ技術及びエッチング技術により夫々第1の配線8a及び8bを形成する。
【0021】
その後、図1(d)に示すように、層間絶縁膜5と同様にして、層間絶縁膜9を成膜し、第1の配線8a及び8bに接続する電極を形成するためのスルーホールを形成し、タングステン等の導電体によりこのスルーホールを埋め込み夫々コンタクト10a及び10bを形成する。
【0022】
ここで、本発明に従って、第1の熱処理として水素、又は窒素等で希釈された水素雰囲気中にて、300乃至500℃程度の温度で、5乃至60分間程度の熱処理を行う。エッチング、各膜の成膜時の熱及びプラズマ等の影響により、層間絶縁膜5、9を構成する酸化膜又は電極等の境界面等には、欠陥が生じてトランジスタ特性の劣化の原因になる。水素中で熱処理を行うことによってこれらの欠陥が回復することは公知である。しかし、従来のように製造工程の最終工程で水素による熱処理を行うと、一般的に使用されている強誘電体容量を形成する酸化物電極及び強誘電体は酸化物であるので、水素により還元されて特性が劣化してしまうが、本発明においては、強誘電体容量を形成する直前のこの段階で水素処理することにより、強誘電体に影響を与えることなしに、第1の熱処理工程までに生じる上述の欠陥を回復することができる。
【0023】
次に、図2(a)に示すように、強誘電体メモリ領域Aのコンタクト10aに接続する強誘電体容量11を形成する。強誘電体容量11は、下部電極12、強誘電体膜13及び上部電極14を順次積層して形成する。強誘電体膜13の強誘電体としては、例えばチタンジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O、以下、PZT)又はSrBi2Ta(以下、SBT)等を主成分とするものがあり、La、Ca、Sr及びNb等が添加物として添加されていてもよい。強誘電体の成膜方法としては、CVD、スパッタ又はゾルゲル法等がある。また、強誘電体容量の電極は、Pt、Ir、IrO、Ru、RuO、又はSrRuO等及びこれらの積層膜があり、主にスパッタ等により成膜される。また、MOSトランジスタ4bの他方の拡散層に接続するコンタクト10a及びロジック回路領域Bのコンタクト10bに夫々接続する配線15a及び15bを形成する。
【0024】
その後、図2(b)に示すように、強誘電体容量11に例えばダメージが少ないO−TEOS(テトラエトキシシラン:Si(OC)を使用したCVD等により層間絶縁膜16を形成し、Al、Ti、TiN、Pt、若しくはIr等又はこれらの積層膜を形成し、強誘電体容量11の上部電極14及び配線15a並びに15bに接続する夫々配線17a及び17bを形成する。
【0025】
そして、図2(c)に示すように、本発明に従って、第2の熱処理として窒素中で300乃至500℃程度の温度で5乃至60分程度の熱処理をする。ここでは、第1の熱処理を行った後工程で生じた欠陥を回復すればよい。しかも、第1の熱処理後の工程は、時間が短く、更に第1の熱処理時の水素が各膜中に存在するのため、窒素中での熱処理で、上記の欠陥を十分回復することができる。
【0026】
本実施例においては、強誘電体特性を大きく劣化させる水素中での第1の熱処理をロジック回路領域の配線を形成した直後、即ち、強誘電体容量の形成前に行っているため、強誘電体特性を劣化させずに、トランジスタ特性を回復させることができる。また、水素による第1の熱処理を行った後の工程は、強誘電体容量及びその接続配線工程のみであり、これによるロジック回路領域Bへ与える影響が小さい。更に、1度水素中で第1の熱処理を行った後、第2の熱処理を窒素中で行っているため、水素が各膜中に存在して第2の熱処理を有効に働かせると共に、強誘電体容量及びこれに接続する接続配線を形成する工程で生じるダメージも回復させることができる。従って、強誘電体特性を劣化させることなく、半導体装置の製造工程において生じる酸化膜及び電極界面の欠陥を回復することができ、極めて優れたトランジスタ特性を得ることができる。
【0027】
次に、第2の実施例について説明する。図3は、本発明の第2の実施例に係る強誘電体容量を有する半導体装置を示す断面図である。本実施例においては、第1の実施例で形成した配線層を複数層積層したものである。なお、図3に示す第2の実施例において、図1及び図2に示す第1の実施例と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0028】
図3に示すように、強誘電体メモリ領域A及びロジック回路領域Bのシリコン基板1表面に素子分離絶縁膜2a及び2bが形成され、この素子分離絶縁膜2a、2bに囲まれた領域のシリコン基板1上にゲート絶縁膜40a及び40bが形成され、更にこのゲート絶縁膜40a及び40b上の所定の位置にゲート電極3a及び3bが形成されている。更に、このゲート電極3a及び3bをマスクにシリコン基板1の表面にイオン注入することにより、ソース・ドレイン領域(図示せず)を形成して、夫々トランジスタ4a及び4bを形成する。このトランジスタ4a及び4b上に、層間絶縁膜5を堆積した後、ソース・ドレイン領域の拡散層及びゲートへ接続する夫々コンタクト7a及び7bを形成し、層間絶縁膜5上にコンタクト7a及び7bに接続する夫々第1の配線8a及び8bを形成する。
【0029】
本実施例では、層間絶縁膜5上に更に、層間絶縁膜18及び第1の配線8a及び8bに接続する夫々コンタクト19a及び19bを形成し、更にまた、層間絶縁膜18上にコンタクト19a及び19bに接続する夫々配線20a及び20bを形成し、全面に層間絶縁膜21を形成し、配線20a及び20bに接続する夫々コンタクト22a及び22bを形成する。そして、この層間絶縁膜21上に、コンタクト22a及び22bに接続する夫々配線23a及び23bを形成し、更に層間絶縁膜9及び配線23a及び23bに接続する夫々コンタクト10a及び10bを形成する。このようにして、必要な数の配線層を形成する。
【0030】
複数の配線層を形成した後、水素、又は窒素等で希釈された水素雰囲気中にて、300乃至500℃程度の温度で、5乃至60分間程度の第1の熱処理をする。その後の工程は第1の実施例と同様であって、強誘電体容量11、配線15a、15b、層間絶縁膜16、及び配線17a、17bを形成した後、窒素中で300乃至500℃程度の温度で5乃至60分程度の第2の熱処理をする。
【0031】
本実施例においては、強誘電体形成前に第1の熱処理をすることにより、トランジスタ上に複数の配線層を形成した場合においても、強誘電体容量にダメージを与えることなく、優れたトランジスタ特性を得ることができる。
【0032】
次に、本発明の第3の実施例について説明する。図4(a)乃至(e)は、本発明の第2の実施例に係る強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法をその工程順に示す断面図である。なお、図4に示す第3の実施例において、図1及び図2に示す第1の実施例と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0033】
第1の実施例では、配線の形成を容量形成工程の前に行っていたが、本第3の実施例においては、配線を容量形成後に行う構造を有する半導体装置の製造方法である。
【0034】
先ず、第1の実施例と同様に、図4(a)に示すように、シリコン基板1の強誘電体メモリ領域A及びロジック回路領域Bに夫々トランジスタ4a及び4bを形成する。即ち、シリコン基板1の表面に素子分離絶縁膜2a、2bを形成し、この素子分離絶縁膜2a、2bに囲まれた領域のシリコン基板1の上に夫々ゲート絶縁膜40a、40b、及び夫々ゲート電極3a、3bを形成し、更に、シリコン基板1の表面に、ゲート電極3a、3bをマスクとしてイオン注入することによりソース・ドレイン領域を構成する拡散層(図示せず)を形成する。
【0035】
次いで、図4(b)に示すように、このトランジスタ上に層間絶縁膜5を形成し、拡散層及び電極等に接続するスルーホールを形成し、このスルーホールをタングステン又はポリシリコン等の導電体で埋め込みコンタクト7a、7bを形成する。
【0036】
本実施例においては、ここで、図4(c)に示すように、水素、又は窒素等で希釈した水素雰囲気中、300乃至500℃程度にて5乃至60分間程度の第1の熱処理を行う。
【0037】
その後、図4(d)に示すように、層間絶縁膜5上の強誘電体メモリ領域Aに下部電極30、強誘電体膜31及び上部電極32からなる強誘電体容量33を形成する。強誘電体容量は、第1の実施例と同様に形成することができる。なお、本実施例においては、強誘電体容量33の下部電極30に接続する配線を形成するため、上部電極32は選択的に形成されている。その後、全面に絶縁膜34を形成し、コンタクト7a、7b、強誘電体容量33の上部電極32及び下部電極30に接続する配線35を形成する。このとき、強誘電体メモリ領域Bの一方の拡散層に接続するコンタクト7aと強誘電体容量33の上部電極とを接続する。
【0038】
そして、図4(e)に示すように、窒素雰囲気中にて300乃至500℃程度の温度で、5乃至60分間程度の第2の熱処理を行う。
【0039】
本実施例においては、配線形成工程の前に誘電体容量を形成するため、強誘電体容量形成時に600℃程度の熱処理を加えることが可能であり、強誘電体の成膜が容易になる。この場合でも、強誘電体容量形成前に1度、水素中にて第1の熱処理を行っているため、その後の第2の熱処理である窒素処理を極めて有効に働かせることができる。
【0040】
なお、本実施例では、強誘電体容量をコンタクトの上ではなく、このコンタクトに隣接して形成し、配線によりコンタクトと強誘電体容量とを接続する方法を示したが、当然、強誘電体容量の下部電極をコンタクトの上に形成して接続した場合にも同様の効果を奏する。
【0041】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明においては、製造工程中に生じる酸化膜中、又は電極若しくは酸化膜等の界面に生じる欠陥を、強誘電体容量の形成前に行う水素雰囲気中での第1の熱処理と、強誘電体容量形成後に行う窒素雰囲気中での第2の熱処理により回復させることができる。即ち、第1の熱処理により完全に上記の欠陥を回復し、第2の熱処理により、強誘電体容量を形成する工程での欠陥を回復することができる。従って、強誘電体容量を劣化させずに製造工程で生じる欠陥を回復して良好なトランジスタ特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)乃至(e)は、本発明の第1の実施例に係る強誘電体容量を有する半導体記憶装置の製造方法をその工程順に示す断面図である。
【図2】(a)乃至(d)は、同じく、図1(a)乃至(e)に示す工程の次の工程をその工程順に示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施例に係る強誘電体容量を有する半導体装置を示す断面図である。
【図4】(a)乃至(e)は、本発明の第2の実施例に係る強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法をその工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
1;シリコン基板
2a、2b;素子分離絶縁膜
3a、3b;ゲート電極
4a、4b;MOSトランジスタ
5、9、18、21;層間絶縁膜
6a、6b;コンタクトホール
7a、7b、10a、10b;コンタクト
8a、8b、15a、15b、17a、17b、35;配線
11、33;強誘電体容量
12、30;下部電極
13、31;強誘電体膜
14、32;上部電極
16;絶縁膜

Claims (5)

  1. 強誘電体膜を誘電体とする強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法において、シリコン基板表面にMOSトランジスタを形成する工程と、このMOSトランジスタ上に第1の絶縁膜を形成し前記MOSトランジスタの一方の拡散層に接続する第1のコンタクト及び他方の拡散層に接続する第2のコンタクトを形成する工程と、水素を含む雰囲気中にて第1の熱処理をして前記MOSトランジスタ形成工程及び前記コンタクト形成工程における膜形成工程で発生する欠陥を回復する工程と、前記第1の絶縁膜上に前記第1のコンタクトに接続する下部電極、その上層の強誘電体膜及びその上層の上部電極を形成して強誘電体容量を形成する工程と、全面に第2の絶縁膜を形成し前記第2のコンタクトと前記上部電極とを接続する配線を形成する工程と、窒素雰囲気中にて第2の熱処理をして前記強誘電体容量の形成工程で発生する欠陥を回復する工程と、を有することを特徴とする強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法。
  2. 前記コンタクト形成工程と前記第1の熱処理工程との間に、前記第1の絶縁膜上に複数の配線層を形成する工程を有することを特徴する請求項に記載の強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法。
  3. 強誘電体膜を誘電体とする強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法において、シリコン基板表面にMOSトランジスタを形成する工程と、このMOSトランジスタ上に第3の絶縁膜を形成する工程と、前記MOSトランジスタの一方の拡散層に接続する第1のコンタクト及び他方の拡散層に接続する第2のコンタクトを形成する工程と、水素を含む雰囲気中にて第1の熱処理をして前記MOSトランジスタ形成工程及び前記第3の絶縁膜の形成工程における膜形成工程で発生する欠陥を回復する工程と、前記第3の絶縁膜上に下部電極、その上層の強誘電体膜及びその上層の上部電極からなる強誘電体容量を形成する工程と、第4の絶縁層を形成し前記第2のコンタクトと前記上部電極とを接続する配線を形成する工程と、窒素雰囲気中にて第2の熱処理をして前記強誘電体容量の形成工程で発生する欠陥を回復する工程と、を有することを特徴とする強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法。
  4. 前記強誘電体容量の下部電極が前記第1のコンタクトに接続されていることを特徴とする請求項に記載の強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法。
  5. 前記第1及び第2の熱処理は300乃至500℃の温度で行うことを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の強誘電体容量を有する半導体装置の製造方法。
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