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JP4282137B2 - Manufacturing method of semiconductor memory device - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、容量素子を有する半導体記憶装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
文献「Proceedings of Symp.VLSI Tech.,1998,pp.126-127」には、1T−1C(single-transistor/single-capacitor)型の強誘電体メモリが開示されている。この例では、0.5μmのルールにより4.5μm2 のセルサイズを実現している。セル構造はスタック型であり、セルの配置が工夫されている。強誘電体キャパシタは、Pt(50nm)/PZT(150nm)/Pt(200nm)/TiN(50nm)の積層構造であり、パタン側壁に残渣が残らないようなドライエッチングにより加工されている。このドライエッチングによれば、パタン側壁が基板上面に対して大きく傾いた形状のキャパシタが形成される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来構造では、パタン側壁が基板に対して傾いているため、集積度を上げにくい。
【0004】
また、素子が微細になるにつれ、素子の形状は強誘電体膜のパタンエッジに大きく影響されるようになる。しかし、強誘電体材料の加工には、通常、ドライエッチングもしくはミリングが用いられており、これらの手法ではパタンエッジにダメージが入りやすい。
【0005】
従って、従来より、パタン側壁が基板上面に対して垂直な構造であることにより、容量素子の占有面積が減少し、集積度の向上が期待できる半導体記憶装置の出現と、強誘電体材料のパタンエッジにダメージが入りにくい製造方法の出現とが望まれていた。
【0013】
【課題を解決するための手段】
の発明の半導体記憶装置の製造方法によれば、下地の上に第1導電層を堆積する工程と、第1導電層の上面に絶縁層を堆積する工程と、絶縁層の上面にストッパ層を堆積する工程と、ストッパ層および絶縁層の容量領域に、第1導電層の上面が露出するような深さの孔を形成する工程と、ストッパ層および絶縁層の孔に強誘電体層を埋め込む工程と、強誘電体層の上部を研磨し、この強誘電体層の上面の高さをストッパ層の上面の高さに一致させる工程と、ストッパ層および強誘電体層の上面に第2導電層を堆積する工程と、第2導電層の上面の容量領域を含む位置に所定パタンのマスクを形成する工程と、マスクのパタンを第2導電層、ストッパ層、絶縁層および第1導電層に転写する工程とを含むことを特徴とする。
【0014】
このように、ストッパ層および絶縁層に開けた孔に強誘電体層を埋め込むので、孔の形状で強誘電体層のパタンエッジ形状が決まる。従って、エッチングによるパタン加工を行う必要がないため、強誘電体層にダメージが入らない。
【0015】
また、側壁となる絶縁層の側面は、通常の加工技術により、下地上面に対して垂直に形成することが容易である。従って、占有面積が減少し、集積度が向上する。
【0016】
さらに、マスクのパタンを第2導電層、絶縁層および第1導電層に転写させてゆけばよいため、加工工程が簡略化される。
【0017】
また、絶縁層の上にストッパ層を設けてあるため、強誘電体層の過剰研磨の心配がない。
【0018】
この発明の半導体記憶装置の製造方法において、好ましくは、ストッパ層および第2導電層を同じ材料で形成すると良い。
【0019】
残存した第2導電層とストッパ層とで、容量素子の上部電極が構成されるため、上部電極の面積を大きくすることができる。
【0020】
また、ストッパ層の材料は、化学的機械研磨法により強誘電体層の加工を行う際に、研磨レートが遅く、強誘電体材料と反応しにくいものを選ぶのが良い。例えば、ストッパ層を、Ir層、IrO2 層、Pt層、Ru層、RuO2 層、La0.5 Sr0.5 CoO3 層、SrRuO3 層およびYBa2 Cu3x (xは正の整数)層の中から選ばれたいずれか1つの層の単層薄膜、あるいは、これらから任意に選択した複数の層の積層薄膜で構成してあるのが好適である。また、第1および第2導電層には、ストッパ層と同じ材料を使用しても良い。
【0021】
この発明の半導体記憶装置の製造方法において、好ましくは、強誘電体層の上部を研磨する工程を、化学的機械研磨法により行うと良い。
【0022】
また、この発明の半導体記憶装置の製造方法において、好ましくは、孔の深さに対するこの孔の口径の比を1以上にすると良い。
【0023】
このようにすれば、孔に強誘電体材料を埋め込みやすい。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。尚、図は、この発明が理解できる程度に形状、大きさおよび配置関係を概略的に示しているに過ぎない。また、以下に記載される数値等の条件や材料は単なる一例に過ぎない。従って、この発明は、この実施の形態に何ら限定されることがない。
【0025】
第1の参考例
先ず、第1の参考例の半導体記憶装置の構成につき説明する。図1は、第1の参考例の半導体記憶装置の要部構成を示す断面図である。この半導体記憶装置は、強誘電体の特性を利用する容量素子10を具えている。容量素子10は、下地12の上面12aに設けられている。下地12上には層間絶縁膜14が堆積しており、この層間絶縁膜14により容量素子10が被覆されている。この層間絶縁膜14の上に配線16が形成されていて、所要の電気配線が実現されている。この配線16を保護するため、表面保護層18が層間絶縁膜14上に積層されている。
【0026】
下地12は、主として、Si基板20、p- 導電型のSi層(以下、p- −Si層と称する。)22および層間絶縁膜24により構成されている。p- −Si層22は、Si基板20の上部に作り込まれている。また、このp- −Si層22の上面の所定領域を酸化させて、SiO2 による素子分離用酸化膜26を形成してある。素子分離用酸化膜26により区画された個々の領域において、p- −Si層22の上面に互いに分離されたn+ 導電型のSi層(以下、n+ −Si層と称する。)28および30が形成される。これらn+ −Si層28および30を橋絡するように、p- −Si層22の上面にSiO2 膜を介してゲート電極32を形成してある。ゲート電極32の材料としては、例えば、ポリシリコンが用いられる。
【0027】
上述したn+ −Si層28および30は、それぞれ、トランジスタのドレイン電極およびソース電極として機能する。このように、制御電極としてのゲート電極32と、主電極としてのn+ −Si層28および30を有するMOSトランジスタが、Si基板20上に形成されている。このMOSトランジスタは、いわゆる選択トランジスタとして機能する。
【0028】
また、この選択トランジスタは、SiO2 を材料とする層間絶縁膜24により被覆されている。この層間絶縁膜24の所定位置にスルーホールが形成されており、このホール内に適当な導電体材料が埋め込まれ、選択トランジスタと上部との電気的配線を実現するための配線34を形成している。
【0029】
このように、この第1の参考例の容量素子10は、上述した選択トランジスタのような制御素子と共に使用されることを前提としている。この容量素子10は、スタック構造と呼ばれる構造を取っている。
【0030】
容量素子10は、下地12の上に下部電極36、強誘電体膜38および上部電極40をこの順に積層させたものである。下部電極36は、下地12の上面12aまで延在した配線34の上に接触させて設けてあり、選択トランジスタとの電気的結合が実現されている。この例では、下部電極36の材料にIrO2 を用いている。強誘電体膜38の材料はSrBi2 Ta29 (以下、SBTと略称する。)である。上部電極40としては、IrO2 層42の上面にTiN層44が積層した二層構造を採用している。
【0031】
そして、下部電極36の側面(パタンエッジ)36aおよび上部電極40の側面(パタンエッジ)40a(すなわち、IrO2 層42およびTiN層44の側面(パタンエッジ))が、強誘電体膜38の側面(パタンエッジ)38aより外側に位置している。すなわち、下地12の上面12aに対して平行な方向のサイズは、下部電極36および上部電極40に比べて、強誘電体膜38の方が小さい。従って、各膜のパタンを、各膜の積層方向に垂直な面上へと投影したとき、強誘電体膜38のパタンが、下部電極36および上部電極40のパタン内に含まれる。尚、下部電極36および上部電極40のパタンは互いに同じである。
【0032】
そして、強誘電体膜38の側面38aが、下地12の上面12aに対して実質的に垂直な側面46aを有する、絶縁層の部分52b及びストッパ層の部分68bからなる側壁46により被覆されている。従って、側壁46は、強誘電体膜38の側面38a、強誘電体膜38のパタンからはみ出た部分の上部電極40の下面、および強誘電体膜38のパタンからはみ出た部分の下部電極36の上面にそれぞれ接触した状態で設けられている。側壁46としては、SiO膜、SiN膜またはSiON膜といった絶縁膜が用いられる。
【0033】
さらに、側壁46の側面(パタンエッジ)46aと下部電極36の側面36aおよび上部電極40の側面40aとが実質的に同じ位置にある。従って、強誘電体膜38および側壁46からなるパタンは、上部電極40および下部電極36のパタンと合同である。これらのパタンを互いに重ねた状態にしてあるため、容量素子10の側面は下地12の上面12aに対して実質的に垂直となる。従って、容量素子10の占有面積が減少し、集積度の向上が期待できる。
【0034】
また、上部電極40および下部電極36の面積が強誘電体膜38の面積より大きいため、強誘電体膜38に印加される電界が均一になりやすいという利点もある。
【0035】
以上説明した容量素子10の構造は、層間絶縁膜14により被覆されている。この層間絶縁膜14の上部電極40上方にスルーホールが形成されており、このホール内に適当な導電性材料が埋め込まれて配線48が形成されている。この配線48により、上部電極40と配線16との電気的結合が実現されている。
【0036】
このように、容量素子10は、下地12中に作り込まれたMOSトランジスタのソースもしくはドレインに直列に接続され、記憶素子として使用される。強誘電体材料は双安定な結晶構造に起因する自発分極を有しており、この自発分極を外部から電気的に制御することで記憶素子として機能させることができる。
【0037】
〔第2の参考例〕
次に、この発明の製造方法の第2の参考例を、図2、図3および図4を参照して説明する。図2、図3および図4は、第2の参考例の製造工程を示す断面図である。尚、図2、図3および図4では、下地12の構成を省略して示してある。
【0038】
先ず、下地12の上に第1導電層50を堆積する(図2(A))。第1導電層50は、後に整形されて上述の下部電極36に相当するものとなる。第1導電層50を形成するには、スパッタリング法により0.1μmの厚さのIrO2 層を成膜する。
【0039】
次に、第1導電層50の上面に絶縁層52を堆積する(図2(B))。このため、0.2μmの厚さの絶縁膜(SiO2 膜、SiN膜あるいはSiON膜)をCVD法により成膜する。
【0040】
続いて、絶縁層52の容量領域54に、第1導電層50の上面が露出するような深さの孔56を形成する(図2(C))。このため、既知のホトリソグラフィ法およびドライエッチング法により、絶縁層52に穴加工を施し、部分的に第1導電層50を露出させる。容量領域54は、下地12中に形成されている所定の配線34を含む位置に画成される。孔56の内壁面は、下地12の上面に対して実質的に垂直となる。尚、孔56を形成した絶縁層を、符号52aで表すことにする。
【0041】
次に、絶縁層52aの孔56に強誘電体層58を埋め込む(図3(A))。強誘電体材料としてはSBT(SrBi2 Ta29 )を用いている。このSBTは、ゾルゲル(Sol-Gel )法等により絶縁層52a上に塗布され、孔56の内部がSBTで十分に満たされるようにする。従って、孔56を形成する際に、この孔56の深さに対する孔56の口径(直径)の比を1以上にしておくことが重要である。ゾルゲル法により成膜されたSBT膜(強誘電体層58)には、仮焼成として、酸素中で例えば、450℃の温度で1時間の熱処理を施す。孔56の内壁面が下地12の上面に対して垂直であるため、強誘電体層58のパタンエッジも下地12の上面に対して垂直となる。
【0042】
次に、強誘電体層58の上部を研磨し、強誘電体層58の上面の高さを絶縁層52aの上面の高さに一致させる(図3(B))。前の工程が終了した状態では、絶縁層52aの上面に強誘電体層58が堆積しているため、この余分な強誘電体層58の部分を化学的機械研磨法(CMP:chemical mechanical polishing )により除去する。CMPにより、絶縁層52aの上面が露出するまで研磨を行うと、孔56に残存した強誘電体層58aの上面の高さと絶縁層52aの上面の高さとが一致する。
【0043】
このCMPによる加工方法は、LSIの配線工程で使用されているダマシンプロセスを応用したものである。CMPの一例としては、スラリーとしてシリカ微粒子を含むアンモニアベースのものを使用して行う。
【0044】
その後、SBT膜(強誘電体層58a)の本焼成として、酸素中で例えば、750℃の温度で1時間の熱処理を施す。
【0045】
次に、絶縁層52aおよび強誘電体層58aの上面に第2導電層を堆積する(図3(C))。第2導電層として、IrO2 層60およびTiN層62を、この順序でスパッタリング法により成膜する。IrO2 層60の膜厚は0.1μmとする。TiN層62は、後の工程でエッチングマスクとして使用されるため、その膜厚をエッチング条件から決定する。この例では0.2μmの厚さに設定してある。
【0046】
次に、第2導電層の上面の容量領域54を含む位置に所定パタンのマスク64を形成する(図4(B))。このため、SiO2 膜、SiN膜あるいはSiON膜からなる絶縁膜66をTiN層62の上面に成膜する(図4(A))。絶縁膜66の成膜はCVD法により行い、0.5μmの厚さに形成する。そして、既知のホトリソグラフィ法およびドライエッチング法により、絶縁膜66のパターニングを行ってマスク64を形成する(図4(B))。マスク64のパタンを下層側に投影したとき、その投影パタン内に強誘電体層58aが含まれるようにする。
【0047】
そして、マスク64のパタンを第2導電層(IrO2 層60、TiN層62)、絶縁層52aおよび第1導電層50に転写する(図4(C))。このため、先ず、マスク64を用いて第2導電層のエッチング加工を行う。ここでは、Cl2 およびO2 の混合ガスを使用したドライエッチング法を用いる。これにより、IrO2 層60aおよびTiN層62aを加工し、これら積層構造をもって上述の上部電極とする。
【0048】
続いて、この上部電極をエッチングマスクに使用して、F系ガスを用いたドライエッチング法により絶縁層52aを加工する。加工された絶縁層52bのパタンエッジ(側面)は、下地12の上面に対して実質的に垂直となる。この絶縁層52bが強誘電体層58aの側壁として機能する。
【0049】
次に、上部電極をエッチングマスクに使用して、Cl2 およびO2 の混合ガスを用いたドライエッチング法により第1導電層50を加工する。加工された第1導電層50aは下部電極として機能する。下部電極を加工後、上部電極のTiN層62aは残しても良いし、アンモニア過水によるウエットエッチングにより除去しても良い。
【0050】
尚、ゾルゲル法等で形成したSBT膜には、通常、仮焼成と呼ばれる低温処理と、本焼成と呼ばれる高温処理とを施して、強誘電特性を誘起させる。この実施の形態では、仮焼成はゾルゲル法等でSBTを塗布した直後に行い、本焼成はCMPによる研磨後に行っている。しかし、仮焼成に引き続き連続して本焼成を行っても良い。
【0051】
以上説明したように、この第2の参考例の製造方法によれば、絶縁層52aに形成した孔56の形状で強誘電体層58aのパタンエッジの形状が決まる。この孔56の内壁面は、既知の加工技術により基板に対して垂直に加工することが容易である。従って、強誘電体層58aのパタンエッジも基板に対して垂直にすることができる。また、絶縁層52bのパタンエッジも、既知の加工技術により基板に対して垂直に加工することが容易である。従って、容量素子の占有面積が減少し、微細化が可能になる。
【0052】
さらに、この第2の参考例の製造方法では、ドライエッチングもしくはミリング等による強誘電体材料の加工が不要であるから、パタンエッジにダメージが入らない。従って、容量素子の微細化が可能になる。
【0053】
第1の実施の形態
次に、第1の実施の形態では、この発明の半導体記憶装置の製造方法につき、図5、図6および図7を参照して説明する。図5、図6および図7は、第1の実施の形態の製造工程を示す断面図である。第1の実施の形態の製造方法により作成される半導体記憶装置の構造は、第1の参考例で説明した半導体記憶装置の構成となる。尚、図1〜図4で示した構成成分と同じものには、同じ符号を付して説明することにする。また、図5、図6および図7では、下地12の構成を省略して示してある。
【0054】
先ず、下地12の上に第1導電層50を堆積する(図5(A))。第1導電層50は、後に整形されて下部電極に相当するものとなる。この第1導電層50を形成するには、スパッタリング法により0.1μmの厚さのIrO2 層を成膜する。
【0055】
次に、第1導電層50の上面に絶縁層52を堆積する(図5(B))。このため、0.2μmの厚さの絶縁膜(SiO2 膜、SiN膜あるいはSiON膜)をCVD法により成膜する。
【0056】
次に、絶縁層52の上面にストッパ層68を堆積する(図5(B))。このため、0.05μmの厚さのIrO2 層をスパッタリング法により成膜する。
【0057】
続いて、ストッパ層68および絶縁層52の容量領域54に、第1導電層50の上面が露出するような深さの孔74を形成する(図6(A))。
【0058】
このため、ストッパ層68の上面にSiO2 膜、SiN膜あるいはSiON膜からなる絶縁膜70を、CVD法により0.1μmの厚さに形成する(図5(B))。そして、既知のホトリソグラフィ法およびドライエッチングにより、絶縁膜70の容量領域54に相当する位置に開口を形成し、ストッパ層68の上面を露出させる。この容量領域54は、下地12中に形成されている所定の配線34を含む位置に画成される。
【0059】
続いて、残存した絶縁膜70aのパタンをマスクに用いて、Cl2 およびO2 の混合ガスを使用したドライエッチング法によりストッパ層68の加工を行う。この結果、残存したストッパ層68aおよび絶縁膜70aの容量領域54に相当する位置に、開口72が形成される(図5(C))。
【0060】
次に、残存したストッパ層68aおよび絶縁膜70aをマスクにして、既知のドライエッチング法により絶縁層52に穴加工を施し、部分的に第1導電層50を露出させる。この結果、ストッパ層68aおよび絶縁層52aに孔74が形成される(図6(A))。孔74の内壁面は、下地12の上面に対して実質的に垂直となる。
【0061】
次に、ストッパ層68aおよび絶縁層52aの孔74に強誘電体層58を埋め込む(図6(B))。強誘電体材料としてはSBTを用いている。このSBTをゾルゲル(Sol-Gel )法等により絶縁膜70a上に塗布して、孔74の内部を十分にSBTで満たすようにする。このためには、孔74を形成する際に、この孔74の深さに対する孔74の口径(直径)の比を1以上にしておくことが重要である。ゾルゲル法により成膜されたSBT膜(強誘電体層58)には、仮焼成として、酸素中で例えば、450℃の温度で1時間の熱処理を施す。孔74の内壁面が下地12の上面に対して垂直なために、強誘電体層58のパタンエッジも下地12の上面に対して垂直となる。
【0062】
次に、強誘電体層58の上部を研磨し、強誘電体層58の上面の高さをストッパ層68aの上面の高さに一致させる(図6(C))。前の工程が終了した状態では、絶縁膜70aの上面に強誘電体層58が堆積している。この余分な強誘電体層58の部分と絶縁膜70aとをCMPにより除去する。このとき、ストッパ層68aは、CMPプロセスにおける加工ストッパとして機能する。CMPにより研磨を行ってゆくと、ストッパ層68aの上面が露出する位置で、自動的に研磨が止まる。よって、孔74に残存した強誘電体層58aの上面の高さとストッパ層68aの上面の高さとが一致する。ここでのCMP工程は、スラリーとしてシリカ微粒子を含むアンモニアベースのものを使用して行う。
【0063】
その後、SBT膜(強誘電体層58a)の本焼成として、酸素中で例えば、750℃の温度で1時間の熱処理を施す。
【0064】
次に、ストッパ層68aおよび強誘電体層58aの上面に第2導電層を堆積する(図7(A))。第2導電層として、IrO2 層60およびTiN層62を、この順序でスパッタリング法により成膜する。IrO2 層60の膜厚は0.1μmとする。TiN層62は、後の工程でエッチングマスクとして使用されるため、その膜厚をエッチング条件から決定する。この例では0.2μmの厚さに設定してある。
【0065】
次に、第2導電層の上面の容量領域54を含む位置に所定パタンのマスク64を形成する(図7(B))。このため、SiO2 膜、SiN膜あるいはSiON膜からなる絶縁膜66をTiN層62の上面に成膜する。この絶縁膜66の成膜はCVD法により行い、0.5μmの厚さに形成する。そして、既知のホトリソグラフィ法およびドライエッチング法により、この絶縁膜66のパターニングを行ってマスク64を形成する。マスク64のパタンを下層に投影したとき、その投影パタン内に強誘電体層58aが含まれるようにする。
【0066】
そして、マスク64のパタンを第2導電層(IrO2 層60、TiN層62)、ストッパ層68a、絶縁層52aおよび第1導電層50に転写する(図7(C))。このため、先ず、マスク64を用いて第2導電層およびストッパ層68aのエッチング加工を行う。ここでは、Cl2 およびO2 の混合ガスを使用したドライエッチング法を用いる。これにより、ストッパ層(IrO2 層)68b、IrO2 層60aおよびTiN層62aが加工され、上部電極に相当する積層構造が得られる。
【0067】
続いて、この上部電極をエッチングマスクに使用して、F系ガスを用いたドライエッチング法により絶縁層52aを加工する。加工された絶縁層52bのパタンエッジ(側面)は、下地12の上面に対して実質的に垂直となる。この絶縁層52bおよびストッパ層68bが強誘電体層58aの側壁として機能する。
【0068】
次に、上部電極をエッチングマスクに使用して、Cl2 およびO2 の混合ガスを用いたドライエッチング法により第1導電層50を加工する。加工された第1導電層50aは下部電極として機能する。下部電極を加工後、上部電極のTiN層62aは残しても良いし、アンモニア過水によるウエットエッチングにより除去しても良い。
【0069】
尚、ゾルゲル法等で形成したSBT膜には、通常、仮焼成と呼ばれる低温処理と、本焼成と呼ばれる高温処理とを施して、強誘電特性を誘起させる。この実施の形態では、仮焼成はゾルゲル法等でSBTを塗布した直後に行い、本焼成はCMPによる研磨後に行っている。しかし、仮焼成後に引き続き連続して本焼成を行っても良い。
【0070】
以上説明したように、この実施の形態の製造方法によれば、絶縁層52aおよびストッパ層68aに形成した孔74の形状で強誘電体層58aのパタンエッジの形状が決まる。この孔74の内壁面は、既知の加工技術により基板に対して垂直に加工することが容易である。従って、強誘電体層58aのパタンエッジも基板に対して垂直にすることができる。また、絶縁層52bのパタンエッジも、既知の加工技術により基板に対して垂直に加工することが容易である。従って、容量素子の占有面積が減少し、微細化が可能になる。
【0071】
さらに、この実施の形態の製造方法では、ドライエッチングもしくはミリング等による強誘電体材料の加工が不要であるから、パタンエッジにダメージが入らない。従って、容量素子の微細化が可能になる。
【0072】
また、強誘電体材料のCMPの加工ストッパとして研磨レートの遅いIrO2 を用いたため、過剰研磨の心配がない。
【0073】
また、ストッパ層68bおよび第2導電層としてのIrO2 層60aを同じ材料で形成してある。上部電極は、ストッパ層68bおよび第2導電層により構成されるため、この上部電極の面積はより大きくなる。従って、強誘電体層58aに均一な電界が印加されやすくなり、特性が安定する。
【0074】
尚、ストッパ層68(68a、68b)の材料は、IrO2 に限らず、化学的機械研磨法により強誘電体層の加工を行う際に、研磨レートが遅く、強誘電体材料と反応しにくい導電材料であれば良い。例えば、ストッパ層を、Ir層、IrO2 層、Pt層、Ru層、RuO2 層、La0.5 Sr0.5 CoO3 層、SrRuO3 層およびYBa2 Cu3x (xは正の整数)層の中から選ばれたいずれか1つの層の単層薄膜、あるいは、これらから任意に選択した複数の層の積層薄膜で構成しても良い。
【0075】
【発明の効果】
この発明の半導体記憶装置によれば、下地の上に下部電極、強誘電体膜および上部電極の順に積層した容量素子を具えており、下部電極および上部電極の側面が強誘電体膜の側面より外側に位置しており、強誘電体膜の側面が、下地の上面に対して実質的に垂直な側面を有する側壁により被覆されていて、この側壁の側面と下部電極および上部電極の側面とが実質的に同じ位置にある。
【0076】
このように、側壁の側面と下部電極および上部電極の側面とが容量素子の側面を構成している。側壁の側面は下地の上面に対して実質的に垂直であるから、従来に比べると容量素子の占有面積が減少して、集積度が向上する。従って、微細化に適している。
【0077】
また、上部電極および下部電極の面積が強誘電体膜の面積より大きいため、強誘電体膜に印加される電界が均一になりやすい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の参考例の半導体記憶装置の構成を示す図である。
【図2】 第2の参考例の製造工程を示す図である。
【図3】 図2に続く、第2の参考例の製造工程を示す図である。
【図4】 図3に続く、第2の参考例の製造工程を示す図である。
【図5】 第1の実施の形態の製造工程を示す図である。
【図6】 図5に続く、第1の実施の形態の製造工程を示す図である。
【図7】 図6に続く、第1の実施の形態の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
10:容量素子 12:下地
12a:上面 14,24:層間絶縁膜
16,34,48:配線
18:表面保護層 20:Si基板
22:p −Si層 26:素子分離用酸化膜
28,30:n −Si層
32:ゲート電極 36:下部電極
38:強誘電体膜 40:上部電極
42,60,60a:IrO
44,62,62a:TiN層
36a,38a,40a,46a:側面
46:側壁 50,50a:第1導電層
52,52a,52b:絶縁層
54:容量領域 56,74:孔
58,58a:強誘電体層
64:マスク 66,70,70a:絶縁膜
68,68a,68b:ストッパ層
72:開口
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a semiconductor memory having a capacitive element.EquipmentIt relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
The document “Proceedings of Symp. VLSI Tech., 1998, pp. 126-127” discloses a 1T-1C (single-transistor / single-capacitor) type ferroelectric memory. In this example, it is 4.5μm by the rule of 0.5μm2 The cell size is realized. The cell structure is a stack type, and the arrangement of cells is devised. The ferroelectric capacitor has a laminated structure of Pt (50 nm) / PZT (150 nm) / Pt (200 nm) / TiN (50 nm), and is processed by dry etching so that no residue remains on the pattern side wall. According to this dry etching, a capacitor having a shape in which the pattern side wall is largely inclined with respect to the upper surface of the substrate is formed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional structure, the pattern side wall is inclined with respect to the substrate, so that it is difficult to increase the degree of integration.
[0004]
Further, as the element becomes finer, the shape of the element is greatly influenced by the pattern edge of the ferroelectric film. However, dry etching or milling is usually used for processing of the ferroelectric material, and these methods tend to damage the pattern edge.
[0005]
  Therefore, conventionally, the structure where the pattern side wall is perpendicular to the upper surface of the substrate.As a result, the area occupied by the capacitive element is reduced, and improvement in integration can be expected.The advent of a semiconductor memory device and the advent of a manufacturing method that hardly damages the pattern edge of a ferroelectric material have been desired.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
ThisAccording to the method for manufacturing a semiconductor memory device of the invention, the step of depositing the first conductive layer on the base, the step of depositing the insulating layer on the upper surface of the first conductive layer, and the stopper layer on the upper surface of the insulating layer. A step of depositing, a step of forming a hole having a depth such that the upper surface of the first conductive layer is exposed in the capacitance region of the stopper layer and the insulating layer, and a ferroelectric layer being embedded in the hole of the stopper layer and the insulating layer Polishing the upper portion of the ferroelectric layer, matching the height of the upper surface of the ferroelectric layer with the height of the upper surface of the stopper layer, and conducting second conductive on the upper surfaces of the stopper layer and the ferroelectric layer. A step of depositing a layer, a step of forming a mask having a predetermined pattern at a position including the capacitance region on the upper surface of the second conductive layer, and the pattern of the mask on the second conductive layer, the stopper layer, the insulating layer, and the first conductive layer. And a transferring step.
[0014]
Thus, since the ferroelectric layer is embedded in the hole formed in the stopper layer and the insulating layer, the pattern edge shape of the ferroelectric layer is determined by the shape of the hole. Therefore, it is not necessary to perform pattern processing by etching, so that the ferroelectric layer is not damaged.
[0015]
Further, the side surface of the insulating layer serving as the side wall can be easily formed perpendicular to the upper surface of the base by a normal processing technique. Therefore, the occupied area is reduced and the degree of integration is improved.
[0016]
Furthermore, since the mask pattern may be transferred to the second conductive layer, the insulating layer, and the first conductive layer, the processing process is simplified.
[0017]
Further, since the stopper layer is provided on the insulating layer, there is no fear of excessive polishing of the ferroelectric layer.
[0018]
In the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, it is preferable that the stopper layer and the second conductive layer are formed of the same material.
[0019]
Since the remaining second conductive layer and stopper layer constitute the upper electrode of the capacitive element, the area of the upper electrode can be increased.
[0020]
Further, as the material of the stopper layer, it is preferable to select a material having a low polishing rate and hardly reacting with the ferroelectric material when the ferroelectric layer is processed by a chemical mechanical polishing method. For example, the stopper layer may be an Ir layer, IrO2 Layer, Pt layer, Ru layer, RuO2 Layer, La0.5 Sr0.5 CoOThree Layer, SrRuOThree Layer and YBa2 CuThree Ox (X is a positive integer) It is preferable to be constituted by a single-layer thin film of any one layer selected from the layers, or a laminated thin film of a plurality of layers arbitrarily selected from these layers. Further, the same material as the stopper layer may be used for the first and second conductive layers.
[0021]
In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, the step of polishing the upper portion of the ferroelectric layer is preferably performed by a chemical mechanical polishing method.
[0022]
In the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, the ratio of the hole diameter to the hole depth is preferably set to 1 or more.
[0023]
In this way, it is easy to embed a ferroelectric material in the hole.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the drawings only schematically show the shape, size, and arrangement relationship to the extent that the present invention can be understood. In addition, the conditions and materials such as numerical values described below are merely examples. Therefore, the present invention is not limited to this embodiment.
[0025]
  [First reference example]
  First,First reference exampleThe configuration of the semiconductor memory device will be described. FIG.First reference exampleIt is sectional drawing which shows the principal part structure of this semiconductor memory device. This semiconductor memory device includes a capacitive element 10 that utilizes the characteristics of a ferroelectric substance. The capacitive element 10 is provided on the upper surface 12 a of the base 12. An interlayer insulating film 14 is deposited on the base 12, and the capacitive element 10 is covered with the interlayer insulating film 14. A wiring 16 is formed on the interlayer insulating film 14 to realize a required electrical wiring. In order to protect the wiring 16, a surface protective layer 18 is laminated on the interlayer insulating film 14.
[0026]
The base 12 is mainly composed of a Si substrate 20, p.- Conductive Si layer (hereinafter referred to as p- -It is called a Si layer. ) 22 and the interlayer insulating film 24. p- The -Si layer 22 is formed on the top of the Si substrate 20. This p- A predetermined region on the upper surface of the Si layer 22 is oxidized to form SiO2 An element isolation oxide film 26 is formed. In each region partitioned by the element isolation oxide film 26, p- N separated from each other on the upper surface of the Si layer 22+ Conductive Si layer (hereinafter n+ -It is called a Si layer. ) 28 and 30 are formed. These n+ P to bridge Si layers 28 and 30- SiO on the upper surface of the Si layer 222 A gate electrode 32 is formed through the film. As the material of the gate electrode 32, for example, polysilicon is used.
[0027]
N mentioned above+ The -Si layers 28 and 30 function as a drain electrode and a source electrode of the transistor, respectively. Thus, the gate electrode 32 as the control electrode and the n as the main electrode+ A MOS transistor having Si layers 28 and 30 is formed on the Si substrate 20. This MOS transistor functions as a so-called selection transistor.
[0028]
In addition, this selection transistor is made of SiO.2 Is covered with an interlayer insulating film 24 made of A through hole is formed at a predetermined position of the interlayer insulating film 24, and an appropriate conductor material is buried in the hole, and a wiring 34 for realizing electrical wiring between the selection transistor and the upper portion is formed. Yes.
[0029]
  Like thisFirst reference exampleThe capacitor element 10 is assumed to be used together with a control element such as the selection transistor described above. The capacitive element 10 has a structure called a stack structure.
[0030]
The capacitive element 10 is formed by laminating a lower electrode 36, a ferroelectric film 38 and an upper electrode 40 in this order on a base 12. The lower electrode 36 is provided in contact with the wiring 34 extending to the upper surface 12a of the base 12, and electrical coupling with the selection transistor is realized. In this example, the material of the lower electrode 36 is IrO.2 Is used. The material of the ferroelectric film 38 is SrBi.2 Ta2 O9 (Hereinafter abbreviated as SBT). As the upper electrode 40, IrO2 A two-layer structure in which a TiN layer 44 is laminated on the upper surface of the layer 42 is employed.
[0031]
Then, the side surface (pattern edge) 36a of the lower electrode 36 and the side surface (pattern edge) 40a of the upper electrode 40 (that is, IrO2 The side surfaces (pattern edges) of the layer 42 and the TiN layer 44 are located outside the side surfaces (pattern edges) 38 a of the ferroelectric film 38. That is, the ferroelectric film 38 is smaller in size in the direction parallel to the upper surface 12 a of the base 12 than the lower electrode 36 and the upper electrode 40. Therefore, when the pattern of each film is projected onto a plane perpendicular to the stacking direction of each film, the pattern of the ferroelectric film 38 is included in the pattern of the lower electrode 36 and the upper electrode 40. Note that the patterns of the lower electrode 36 and the upper electrode 40 are the same.
[0032]
  The side surface 38 a of the ferroelectric film 38 has a side surface 46 a substantially perpendicular to the upper surface 12 a of the base 12.The insulating layer portion 52b and the stopper layer portion 68b.Covered by side walls 46. Therefore, the side wall 46 includes the side surface 38 a of the ferroelectric film 38, the lower surface of the upper electrode 40 that protrudes from the pattern of the ferroelectric film 38, and the lower electrode 36 that protrudes from the pattern of the ferroelectric film 38. They are provided in contact with the upper surface. As the side wall 46, SiO2An insulating film such as a film, a SiN film, or a SiON film is used.
[0033]
Further, the side surface (pattern edge) 46a of the side wall 46, the side surface 36a of the lower electrode 36, and the side surface 40a of the upper electrode 40 are substantially at the same position. Therefore, the pattern composed of the ferroelectric film 38 and the side wall 46 is the same as the pattern of the upper electrode 40 and the lower electrode 36. Since these patterns are overlapped with each other, the side surface of the capacitive element 10 is substantially perpendicular to the upper surface 12 a of the base 12. Therefore, the area occupied by the capacitive element 10 is reduced, and improvement in integration can be expected.
[0034]
In addition, since the area of the upper electrode 40 and the lower electrode 36 is larger than the area of the ferroelectric film 38, there is an advantage that the electric field applied to the ferroelectric film 38 tends to be uniform.
[0035]
The structure of the capacitive element 10 described above is covered with the interlayer insulating film 14. A through hole is formed above the upper electrode 40 of the interlayer insulating film 14, and an appropriate conductive material is embedded in the hole to form a wiring 48. The wiring 48 realizes electrical coupling between the upper electrode 40 and the wiring 16.
[0036]
As described above, the capacitor element 10 is connected in series to the source or drain of the MOS transistor formed in the base 12 and used as a memory element. The ferroelectric material has spontaneous polarization due to a bistable crystal structure, and can function as a memory element by electrically controlling the spontaneous polarization from the outside.
[0037]
  [Second Reference Example]
  Next, the manufacturing method of the present inventionSecond reference exampleWill be described with reference to FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 2, FIG. 3 and FIG.Second reference exampleIt is sectional drawing which shows this manufacturing process. 2, 3, and 4, the configuration of the base 12 is omitted.
[0038]
First, the first conductive layer 50 is deposited on the base 12 (FIG. 2A). The first conductive layer 50 is shaped later and corresponds to the lower electrode 36 described above. In order to form the first conductive layer 50, IrO having a thickness of 0.1 μm is formed by sputtering.2 Deposit layers.
[0039]
Next, an insulating layer 52 is deposited on the upper surface of the first conductive layer 50 (FIG. 2B). For this reason, a 0.2 μm thick insulating film (SiO 22 Film, SiN film, or SiON film) is formed by a CVD method.
[0040]
Subsequently, a hole 56 having a depth such that the upper surface of the first conductive layer 50 is exposed is formed in the capacitor region 54 of the insulating layer 52 (FIG. 2C). For this reason, the insulating layer 52 is perforated by a known photolithography method and dry etching method to partially expose the first conductive layer 50. The capacitance region 54 is defined at a position including the predetermined wiring 34 formed in the base 12. The inner wall surface of the hole 56 is substantially perpendicular to the upper surface of the base 12. The insulating layer in which the hole 56 is formed is represented by reference numeral 52a.
[0041]
Next, the ferroelectric layer 58 is embedded in the hole 56 of the insulating layer 52a (FIG. 3A). As a ferroelectric material, SBT (SrBi2 Ta2 O9 ) Is used. This SBT is applied on the insulating layer 52a by a sol-gel method or the like so that the inside of the hole 56 is sufficiently filled with the SBT. Therefore, when the hole 56 is formed, it is important that the ratio of the diameter of the hole 56 to the depth of the hole 56 is 1 or more. The SBT film (ferroelectric layer 58) formed by the sol-gel method is subjected to heat treatment in oxygen at a temperature of 450 ° C. for one hour as temporary baking. Since the inner wall surface of the hole 56 is perpendicular to the upper surface of the base 12, the pattern edge of the ferroelectric layer 58 is also perpendicular to the upper surface of the base 12.
[0042]
Next, the upper portion of the ferroelectric layer 58 is polished, so that the height of the upper surface of the ferroelectric layer 58 matches the height of the upper surface of the insulating layer 52a (FIG. 3B). In the state where the previous step is completed, the ferroelectric layer 58 is deposited on the upper surface of the insulating layer 52a. Therefore, this extra portion of the ferroelectric layer 58 is removed by chemical mechanical polishing (CMP). Remove with. When polishing is performed by CMP until the upper surface of the insulating layer 52a is exposed, the height of the upper surface of the ferroelectric layer 58a remaining in the hole 56 matches the height of the upper surface of the insulating layer 52a.
[0043]
This processing method by CMP is an application of the damascene process used in the LSI wiring process. As an example of CMP, an ammonia-based slurry containing silica fine particles is used as a slurry.
[0044]
Thereafter, as the main firing of the SBT film (ferroelectric layer 58a), heat treatment is performed in oxygen at a temperature of, for example, 750 ° C. for 1 hour.
[0045]
Next, a second conductive layer is deposited on the top surfaces of the insulating layer 52a and the ferroelectric layer 58a (FIG. 3C). As the second conductive layer, IrO2 The layer 60 and the TiN layer 62 are formed by sputtering in this order. IrO2 The film thickness of the layer 60 is 0.1 μm. Since the TiN layer 62 is used as an etching mask in a later process, its film thickness is determined from the etching conditions. In this example, the thickness is set to 0.2 μm.
[0046]
Next, a mask 64 having a predetermined pattern is formed at a position including the capacitor region 54 on the upper surface of the second conductive layer (FIG. 4B). For this reason, SiO2 An insulating film 66 made of a film, SiN film or SiON film is formed on the upper surface of the TiN layer 62 (FIG. 4A). The insulating film 66 is formed by a CVD method to a thickness of 0.5 μm. Then, the insulating film 66 is patterned by a known photolithography method and dry etching method to form a mask 64 (FIG. 4B). When the pattern of the mask 64 is projected on the lower layer side, the ferroelectric layer 58a is included in the projected pattern.
[0047]
Then, the pattern of the mask 64 is applied to the second conductive layer (IrO2 The layer 60, the TiN layer 62), the insulating layer 52a, and the first conductive layer 50 are transferred (FIG. 4C). For this reason, first, the second conductive layer is etched using the mask 64. Here, Cl2 And O2 A dry etching method using a mixed gas is used. As a result, IrO2 The layer 60a and the TiN layer 62a are processed, and the laminated structure is used as the above-described upper electrode.
[0048]
Subsequently, using the upper electrode as an etching mask, the insulating layer 52a is processed by a dry etching method using an F-based gas. The patterned edge (side surface) of the processed insulating layer 52 b is substantially perpendicular to the upper surface of the base 12. This insulating layer 52b functions as a side wall of the ferroelectric layer 58a.
[0049]
Next, using the upper electrode as an etching mask, Cl2 And O2 The first conductive layer 50 is processed by the dry etching method using the mixed gas. The processed first conductive layer 50a functions as a lower electrode. After processing the lower electrode, the TiN layer 62a of the upper electrode may be left, or may be removed by wet etching with ammonia water.
[0050]
Incidentally, the SBT film formed by the sol-gel method or the like is usually subjected to a low temperature treatment called temporary firing and a high temperature treatment called main firing to induce ferroelectric characteristics. In this embodiment, temporary baking is performed immediately after applying SBT by a sol-gel method or the like, and main baking is performed after polishing by CMP. However, the main baking may be performed continuously after the temporary baking.
[0051]
  As explained above, thisSecond reference exampleAccording to this manufacturing method, the shape of the pattern edge of the ferroelectric layer 58a is determined by the shape of the hole 56 formed in the insulating layer 52a. The inner wall surface of the hole 56 can be easily processed perpendicularly to the substrate by a known processing technique. Therefore, the pattern edge of the ferroelectric layer 58a can also be perpendicular to the substrate. Also, the pattern edge of the insulating layer 52b can be easily processed perpendicularly to the substrate by a known processing technique. Therefore, the area occupied by the capacitive element is reduced, and miniaturization is possible.
[0052]
  In addition, thisSecond reference exampleIn this manufacturing method, since the processing of the ferroelectric material by dry etching or milling is unnecessary, the pattern edge is not damaged. Therefore, the capacitor element can be miniaturized.
[0053]
  [First embodiment]
  next,First embodimentNow, a method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5, FIG. 6 and FIG.First embodimentIt is sectional drawing which shows this manufacturing process.First embodimentThe structure of the semiconductor memory device created by the manufacturing method ofFirst reference exampleThis is the configuration of the semiconductor memory device described in 1. above. The same components as those shown in FIGS. 1 to 4 will be described with the same reference numerals. In FIGS. 5, 6, and 7, the configuration of the base 12 is omitted.
[0054]
First, the first conductive layer 50 is deposited on the base 12 (FIG. 5A). The first conductive layer 50 is shaped later and corresponds to the lower electrode. In order to form the first conductive layer 50, IrO having a thickness of 0.1 μm is formed by sputtering.2 Deposit layers.
[0055]
Next, an insulating layer 52 is deposited on the upper surface of the first conductive layer 50 (FIG. 5B). For this reason, a 0.2 μm thick insulating film (SiO 22 Film, SiN film, or SiON film) is formed by a CVD method.
[0056]
Next, a stopper layer 68 is deposited on the upper surface of the insulating layer 52 (FIG. 5B). For this reason, IrOm with a thickness of 0.05 μm2 A layer is formed by sputtering.
[0057]
Subsequently, a hole 74 having a depth such that the upper surface of the first conductive layer 50 is exposed is formed in the capacitor region 54 of the stopper layer 68 and the insulating layer 52 (FIG. 6A).
[0058]
For this reason, the upper surface of the stopper layer 68 is made of SiO.2 An insulating film 70 made of a film, SiN film or SiON film is formed to a thickness of 0.1 μm by CVD (FIG. 5B). Then, an opening is formed at a position corresponding to the capacitance region 54 of the insulating film 70 by a known photolithography method and dry etching, and the upper surface of the stopper layer 68 is exposed. The capacitance region 54 is defined at a position including the predetermined wiring 34 formed in the base 12.
[0059]
Subsequently, using the pattern of the remaining insulating film 70a as a mask, Cl2 And O2 The stopper layer 68 is processed by the dry etching method using the mixed gas. As a result, an opening 72 is formed at a position corresponding to the capacitor region 54 of the remaining stopper layer 68a and insulating film 70a (FIG. 5C).
[0060]
Next, using the remaining stopper layer 68a and insulating film 70a as a mask, a hole is formed in the insulating layer 52 by a known dry etching method, and the first conductive layer 50 is partially exposed. As a result, a hole 74 is formed in the stopper layer 68a and the insulating layer 52a (FIG. 6A). The inner wall surface of the hole 74 is substantially perpendicular to the upper surface of the base 12.
[0061]
Next, the ferroelectric layer 58 is embedded in the holes 74 of the stopper layer 68a and the insulating layer 52a (FIG. 6B). SBT is used as the ferroelectric material. This SBT is applied onto the insulating film 70a by a sol-gel method or the like, so that the inside of the hole 74 is sufficiently filled with SBT. For this purpose, when the hole 74 is formed, it is important that the ratio of the diameter (diameter) of the hole 74 to the depth of the hole 74 is 1 or more. The SBT film (ferroelectric layer 58) formed by the sol-gel method is subjected to heat treatment in oxygen at a temperature of 450 ° C. for one hour as temporary baking. Since the inner wall surface of the hole 74 is perpendicular to the top surface of the base 12, the pattern edge of the ferroelectric layer 58 is also perpendicular to the top surface of the base 12.
[0062]
Next, the upper part of the ferroelectric layer 58 is polished, and the height of the upper surface of the ferroelectric layer 58 is made to coincide with the height of the upper surface of the stopper layer 68a (FIG. 6C). In the state where the previous step is completed, the ferroelectric layer 58 is deposited on the upper surface of the insulating film 70a. This extra portion of the ferroelectric layer 58 and the insulating film 70a are removed by CMP. At this time, the stopper layer 68a functions as a processing stopper in the CMP process. When polishing is performed by CMP, the polishing automatically stops at a position where the upper surface of the stopper layer 68a is exposed. Therefore, the height of the upper surface of the ferroelectric layer 58a remaining in the hole 74 coincides with the height of the upper surface of the stopper layer 68a. The CMP step here is performed using an ammonia-based one containing silica fine particles as a slurry.
[0063]
Thereafter, as the main firing of the SBT film (ferroelectric layer 58a), heat treatment is performed in oxygen at a temperature of, for example, 750 ° C. for 1 hour.
[0064]
Next, a second conductive layer is deposited on the upper surfaces of the stopper layer 68a and the ferroelectric layer 58a (FIG. 7A). As the second conductive layer, IrO2 The layer 60 and the TiN layer 62 are formed by sputtering in this order. IrO2 The film thickness of the layer 60 is 0.1 μm. Since the TiN layer 62 is used as an etching mask in a later process, its film thickness is determined from the etching conditions. In this example, the thickness is set to 0.2 μm.
[0065]
Next, a mask 64 having a predetermined pattern is formed at a position including the capacitor region 54 on the upper surface of the second conductive layer (FIG. 7B). For this reason, SiO2 An insulating film 66 made of a film, SiN film or SiON film is formed on the upper surface of the TiN layer 62. The insulating film 66 is formed by a CVD method to a thickness of 0.5 μm. Then, the insulating film 66 is patterned by a known photolithography method and dry etching method to form a mask 64. When the pattern of the mask 64 is projected onto the lower layer, the ferroelectric layer 58a is included in the projected pattern.
[0066]
Then, the pattern of the mask 64 is applied to the second conductive layer (IrO2 Layer 60, TiN layer 62), stopper layer 68a, insulating layer 52a, and first conductive layer 50 (FIG. 7C). For this reason, first, the second conductive layer and the stopper layer 68 a are etched using the mask 64. Here, Cl2 And O2 A dry etching method using a mixed gas is used. As a result, the stopper layer (IrO2 Layer) 68b, IrO2 The layer 60a and the TiN layer 62a are processed to obtain a laminated structure corresponding to the upper electrode.
[0067]
  Subsequently, using the upper electrode as an etching mask, the insulating layer 52a is processed by a dry etching method using an F-based gas. The patterned edge (side surface) of the processed insulating layer 52 b is substantially perpendicular to the upper surface of the base 12. This insulating layer 52bAnd stopper layer 68bFunctions as a sidewall of the ferroelectric layer 58a.
[0068]
Next, using the upper electrode as an etching mask, Cl2 And O2 The first conductive layer 50 is processed by the dry etching method using the mixed gas. The processed first conductive layer 50a functions as a lower electrode. After processing the lower electrode, the TiN layer 62a of the upper electrode may be left, or may be removed by wet etching with ammonia water.
[0069]
Incidentally, the SBT film formed by the sol-gel method or the like is usually subjected to a low temperature treatment called temporary firing and a high temperature treatment called main firing to induce ferroelectric characteristics. In this embodiment, temporary baking is performed immediately after applying SBT by a sol-gel method or the like, and main baking is performed after polishing by CMP. However, the main baking may be continuously performed after the temporary baking.
[0070]
As described above, according to the manufacturing method of this embodiment, the shape of the pattern edge of the ferroelectric layer 58a is determined by the shape of the hole 74 formed in the insulating layer 52a and the stopper layer 68a. The inner wall surface of the hole 74 can be easily processed perpendicularly to the substrate by a known processing technique. Therefore, the pattern edge of the ferroelectric layer 58a can also be perpendicular to the substrate. Also, the pattern edge of the insulating layer 52b can be easily processed perpendicularly to the substrate by a known processing technique. Therefore, the area occupied by the capacitive element is reduced, and miniaturization is possible.
[0071]
Further, in the manufacturing method of this embodiment, the processing of the ferroelectric material by dry etching or milling is unnecessary, so that the pattern edge is not damaged. Therefore, the capacitor element can be miniaturized.
[0072]
Also, as a processing stopper for CMP of a ferroelectric material, IrO having a slow polishing rate is used.2 No worries about excessive polishing.
[0073]
The stopper layer 68b and IrO as the second conductive layer2 Layer 60a is formed of the same material. Since the upper electrode is composed of the stopper layer 68b and the second conductive layer, the area of the upper electrode becomes larger. Therefore, a uniform electric field is easily applied to the ferroelectric layer 58a, and the characteristics are stabilized.
[0074]
The material of the stopper layer 68 (68a, 68b) is IrO2 The conductive material may be any conductive material that has a low polishing rate and hardly reacts with the ferroelectric material when the ferroelectric layer is processed by the chemical mechanical polishing method. For example, the stopper layer may be an Ir layer, IrO2 Layer, Pt layer, Ru layer, RuO2 Layer, La0.5 Sr0.5 CoOThree Layer, SrRuOThree Layer and YBa2 CuThree Ox (X is a positive integer) A single-layer thin film of any one layer selected from the layers, or a laminated thin film of a plurality of layers arbitrarily selected from these layers may be used.
[0075]
【The invention's effect】
According to the semiconductor memory device of the present invention, the capacitor element in which the lower electrode, the ferroelectric film, and the upper electrode are sequentially laminated on the base is provided, and the side surfaces of the lower electrode and the upper electrode are formed from the side surfaces of the ferroelectric film. The side surface of the ferroelectric film, which is located outside, is covered with a side wall having a side surface substantially perpendicular to the upper surface of the base, and the side surface of the side wall and the side surfaces of the lower electrode and the upper electrode are In substantially the same position.
[0076]
Thus, the side surface of the side wall and the side surfaces of the lower electrode and the upper electrode constitute the side surface of the capacitive element. Since the side surface of the side wall is substantially perpendicular to the upper surface of the base, the area occupied by the capacitor element is reduced as compared with the conventional case, and the degree of integration is improved. Therefore, it is suitable for miniaturization.
[0077]
Further, since the area of the upper electrode and the lower electrode is larger than the area of the ferroelectric film, the electric field applied to the ferroelectric film tends to be uniform.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]First reference example1 is a diagram showing a configuration of a semiconductor memory device of FIG.
[Figure 2]Second reference exampleIt is a figure which shows the manufacturing process of this.
FIG. 3 continues from FIG.Second reference exampleIt is a figure which shows the manufacturing process of this.
FIG. 4 continues from FIG.Second reference exampleIt is a figure which shows the manufacturing process of this.
[Figure 5]First embodimentIt is a figure which shows the manufacturing process of this.
FIG. 6 continues to FIG.First embodimentIt is a figure which shows the manufacturing process of this.
FIG. 7 continues from FIG.First embodimentIt is a figure which shows the manufacturing process of this.
[Explanation of symbols]
  10: Capacitance element 12: Base
  12a: upper surface 14, 24: interlayer insulating film
  16, 34, 48: Wiring
  18: Surface protective layer 20: Si substrate
  22: p -Si layer 26: oxide film for element isolation
  28, 30: n+ -Si layer
  32: Gate electrode 36: Lower electrode
  38: Ferroelectric film 40: Upper electrode
  42, 60, 60a: IrO2 layer
  44, 62, 62a: TiN layer
  36a, 38a, 40a, 46a: side
  46: Side wall 50, 50a: First conductive layer
  52, 52a, 52b: Insulating layer
  54: Capacity region 56, 74: Hole
  58, 58a: Ferroelectric layer
  64: Mask 66, 70, 70a: Insulating film
  68, 68a, 68b: stopper layer
  72: Opening

Claims (5)

下地の上に第1導電層を堆積する工程と、
前記第1導電層の上面に絶縁層を堆積する工程と、
前記絶縁層の上面にストッパ層を堆積する工程と、
前記ストッパ層および絶縁層の容量領域に、前記第1導電層の上面が露出するような深さの孔を形成する工程と、
前記ストッパ層および絶縁層の孔に強誘電体層を埋め込む工程と、
前記強誘電体層の上部を研磨し、該強誘電体層の上面の高さを前記ストッパ層の上面の高さに一致させる工程と、
前記ストッパ層および強誘電体層の上面に第2導電層を堆積する工程と、
前記第2導電層の上面の前記容量領域を含む位置に所定パタンのマスクを形成する工程と、
前記マスクのパタンを前記第2導電層、ストッパ層、絶縁層および第1導電層に転写する工程とを含むことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
Depositing a first conductive layer on a base;
Depositing an insulating layer on the top surface of the first conductive layer;
Depositing a stopper layer on the top surface of the insulating layer;
Forming a hole having a depth such that an upper surface of the first conductive layer is exposed in a capacitance region of the stopper layer and the insulating layer;
Embedding a ferroelectric layer in the holes of the stopper layer and the insulating layer;
Polishing the upper portion of the ferroelectric layer and matching the height of the upper surface of the ferroelectric layer to the height of the upper surface of the stopper layer;
Depositing a second conductive layer on top of the stopper layer and the ferroelectric layer;
Forming a mask having a predetermined pattern at a position including the capacitance region on the upper surface of the second conductive layer;
And transferring the pattern of the mask to the second conductive layer, the stopper layer, the insulating layer, and the first conductive layer.
請求項に記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記ストッパ層および第2導電層を同じ材料で形成すること
を特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1 ,
A method of manufacturing a semiconductor memory device, wherein the stopper layer and the second conductive layer are formed of the same material.
請求項に記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記ストッパ層を、Ir層、IrO層、Pt層、Ru層、RuO層、La0.5Sr0.5CoO層、SrRuO層およびYBaCu(xは正の整数)層の中から選ばれたいずれか1つの層の単層薄膜、あるいは、これらから任意に選択した複数の層の積層薄膜で構成してあること
を特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor memory device according to claim 2 ,
The stopper layer includes an Ir layer, an IrO 2 layer, a Pt layer, a Ru layer, a RuO 2 layer, a La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 layer, a SrRuO 3 layer, and a YBa 2 Cu 3 O x (x is a positive integer) (1) A method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising a single-layer thin film of any one layer selected from the layers, or a laminated thin film of a plurality of layers arbitrarily selected from these layers.
請求項に記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記強誘電体層の上部を研磨する工程を、化学的機械研磨法により行うこと
を特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1 ,
A method of manufacturing a semiconductor memory device, wherein the step of polishing the upper portion of the ferroelectric layer is performed by a chemical mechanical polishing method.
請求項に記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記孔の深さに対する該孔の口径の比を1以上にすること
を特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1 ,
A method of manufacturing a semiconductor memory device, wherein a ratio of a diameter of the hole to a depth of the hole is 1 or more.
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