JP2004055813A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する。キャパシタの上を覆う仮の保護膜を形成する。仮の保護膜が形成された半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する。仮の保護膜を除去する。仮の保護膜が除去された半導体基板を、不活性な雰囲気中または真空中で熱処理する。キャパシタの上を覆う保護膜を形成する。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、トランジスタ、及びこのトランジスタに接続され、金属膜、誘電体膜、金属膜がこの順番に積層されたキャパシタを有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)のメモリ素子としてキャパシタが利用される。キャパシタの性能を向上させることによって、メモリ素子の性能を向上させることができる。キャパシタ誘電体層の誘電率を高くした高誘電体キャパシタを用いれば、DRAMを微細化することが容易になる。
【0003】
高い誘電率を有する酸化物高誘電体材料としてTa2O5が知られている。また、キャパシタ誘電体層としてTa2O5膜を使用すると、リーク電流を低減させることができる。さらに、化学気相成長(CVD)によりTa2O5膜を形成すると、良好なステップカバレッジを実現することができる。
【0004】
酸化物高誘電体層をキャパシタ誘電体層として用いる場合、キャパシタの下側電極及び上側電極は酸化されないか、または酸化されても導電体である金属で形成することが望まれる。このような材料の電極を用いれば、良好な電気的特性を有するキャパシタを得ることが容易になる。酸化されない、または酸化されても導電性を保つ性質を有する金属として、Ru、Pt、等の貴金属を含むレアメタルが知られている。CVDでRu膜を形成すると、良好なステップカバレッジを実現することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
DRAMの製造工程は、トランジスタの形成工程、トランジスタとキャパシタとの間の配線層の形成工程、キャパシタの形成工程、キャパシタの上の配線層と保護膜の形成工程、及びトランジスタ性能回復のための熱処理に分類することができる。トランジスタ性能回復のための熱処理は、水素雰囲気中で行われる。水素雰囲気中で熱処理を行うと、トランジスタの性能は回復するが、Ru/Ta2O5/Ru構造のキャパシタの電気的特性が劣化してしまうことがわかった。
【0006】
窒化シリコンからなる保護膜を形成する前であれば、約400℃でキャパシタの電気的特性回復のための熱処理を行うことにより、キャパシタの電気的特性を回復させることができる。ところが、保護膜を形成した後では、熱処理を行っても、キャパシタのリーク電流を低減させることが困難である。
【0007】
本発明の目的は、キャパシタのリーク電流を低減させることが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、キャパシタのリーク電流を低減させた半導体装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、半導体基板上に形成されたトランジスタと、前記トランジスタに接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極間のキャパシタ誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタと、前記キャパシタの上に形成され、前記半導体基板から遠ざかるにしたがって、含有される水素の濃度が徐々に低下している層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上に形成された保護膜とを有する半導体装置が提供される。
【0009】
本発明の他の観点によると、(a)半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、(b)前記キャパシタの上を覆う仮の保護膜を形成する工程と、(c)前記仮の保護膜が形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、(d)前記仮の保護膜を除去する工程と、(e)前記仮の保護膜が除去された前記半導体基板を、不活性な雰囲気中または真空中で熱処理する工程と、(f)前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【0010】
工程(c)の熱処理で、半導体基板上に形成されているトランジスタの特性が改善される。ところが、この熱処理によって、キャパシタのリーク電流が増加する場合がある。仮の保護膜を除去した後、工程(e)の熱処理を行うことにより、キャパシタのリーク電流を低減させることができる。
【0011】
本発明の他の観点によると、半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程と、前記保護膜が形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、前記保護膜を、フラッシュランプを用いて加熱し、該保護膜中に含有される水素を脱離させる工程と、水素脱離後の保護膜が形成された前記半導体基板を、不活性な雰囲気中または真空中で熱処理する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【0012】
還元性雰囲気中で熱処理することにより、トランジスタの特性を改善することができる。ところが、この熱処理によって、キャパシタのリーク電流が増加してしまう場合がある。保護膜から水素を脱離させた後に、熱処理を行うことにより、キャパシタのリーク電流を低減させることができる。
【0013】
本発明のさらに他の観点によると、半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程と、前記保護膜が形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、前記保護膜の上に、水素ゲッタリング能力を有する材料からなるゲッタリング膜を形成する工程と、前記ゲッタリング膜の形成された前記半導体基板を熱処理する工程と、前記ゲッタリング膜を除去する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【0014】
ゲッタリング膜を形成した状態で熱処理すると、保護膜中の水素がゲッタリング膜に吸収され、水素のキャパシタへの拡散が防止される。このため、熱処理によってキャパシタの電気的特性を改善させることができる。
【0015】
本発明のさらに他の観点によると、半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、前記トランジスタ及びキャパシタの形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、前記還元性雰囲気中での熱処理後、前記半導体基板を不活性雰囲気中または真空中で熱処理する工程と、前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【0016】
保護膜が形成される前に、還元性雰囲気中での熱処理と、不活性雰囲気中または真空中での熱処理とが行われる。1回目の熱処理時によってトランジスタの性能が改善されるが、同時にキャパシタのリーク電流が増加する場合がある。2回目の熱処理時によって、キャパシタのリーク電流を低減させることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1(A)に、本発明の第1の実施例による半導体装置の製造方法により製造されるDRAMの断面図を示す。以下、図1(A)を参照しながら、第1の実施例による半導体装置の製造方法について説明する。
【0018】
p型表面領域を有するシリコン基板11の表面にシャロートレンチアイソレーション(STI)により酸化シリコン(SiO2)の分離領域12を形成する。分離領域12で画定された活性領域の表面に、絶縁ゲート電極13を形成する。
【0019】
図1(B)に示すように、絶縁ゲート電極13はシリコン表面に形成された酸化シリコンからなるゲート絶縁膜21と、その上に形成された多結晶シリコンの下側ゲート電極22と、その上に形成されたタングステンシリサイド(WSi)等の上側ゲート電極23と、その上に形成された窒化シリコン(SiN)等のエッチングストッパ層24と、ゲート電極側壁を覆う窒化シリコン等のサイドウォールエッチングストッパ25とを有する。なお、図示の簡略化のため、図1(A)においては、絶縁ゲート電極13は簡略化した構成で示す。
【0020】
サイドウォールエッチングストッパ25を形成する前に、ゲート絶縁膜21からエッチングストッパ層24までの積層構造をマスクとして、ソース及びドレイン領域を形成するためのイオン注入が行われる。
【0021】
絶縁ゲート電極13を形成した後、酸化シリコン等の第1層間絶縁膜14を形成する。第1層間絶縁膜14の所要個所にコンタクト孔を開口し、多結晶シリコン、タングステン(W)等のプラグ15を形成する。なお、プラグ15は、CVDによって多結晶シリコンまたはタングステン層を堆積させ、化学機械研磨(CMP)等によって不用部を除去することにより形成される。
【0022】
その後、基板全面上に第2層間絶縁膜16を形成する。なお、第2層間絶縁膜16は、一旦途中のレベルまで絶縁層を堆積させ、ビット線BLを形成した後、ビット線BLを埋め込んで、残りの部分の絶縁層を堆積させることにより形成される。第2層間絶縁膜16を貫通して、下のプラグ15に達するコンタクト孔を形成し、コンタクト孔の中にタングステン等で形成されたプラグ17を埋め込む。
【0023】
プラグ17の形成は、例えばブランケットタングステン層の堆積、及びCMP等によって行う。その後、平坦化した第2層間絶縁膜16の表面上に窒化シリコン層31、酸化シリコン層32、及び窒化シリコン層33を順番に形成する。これらの積層は、後に形成するキャパシタの倒れ防止のための台座を構成する部材となる。上下の窒化シリコン層31及び33は、酸化シリコン層のエッチング時にエッチングストッパとして機能する。
【0024】
窒化シリコン層33の上に、厚い犠牲膜を酸化シリコン等により形成し、シリンダ型キャパシタを形成する領域に開口を形成する。この開口の底面にプラグ17の表面を露出させる。開孔を形成した後、窒化チタン(TiN)層34及びルテニウム(Ru)層36を堆積させ、犠牲膜の上面の上に堆積したルテニウム層及び窒化チタン層をCMP等により除去する。このようにして、キャパシタの下側電極が形成される。
【0025】
その後犠牲膜は、フッ酸溶液等によるウェットエッチングにより除去する。この除去工程において、窒化チタン層34は、露出している部分から除去され、窒化シリコン層33の上面よりも下がった部分まで除去される。窒化チタン層34の露出している部分が除去されることにより、ルテニウム層36の外側の側面も露出される。
【0026】
キャパシタ下側電極の露出した表面上に、厚さ約13nmの酸化タンタル(Ta2O5)層37を、Ta(O(C2H5))5をソースガスとし、基板温度を400〜500℃としたCVDにより形成する。酸化タンタル層37は、窒化チタン層34が後退した部分も含め、露出しているルテニウム層36の全表面を覆う。
【0027】
Ru(EtCP)2又はRu(CP)2をソースガスとして用い、基板温度を300〜400℃としたCVDにより、酸化タンタル層37の表面を覆う厚さ30nmのルテニウム層38を形成する。このようにして、下側電極となるルテニウム層36、キャパシタ誘電体層となる酸化タンタル層37、及び上側電極となるルテニウム層38で構成されたキャパシタ構造が形成される。
【0028】
キャパシタ構造を埋め込むように、基板全面上に、酸化シリコンからなる第3層間絶縁膜41を形成する。ルテニウム層38の頂上部における第3層間絶縁膜41の厚さT41は、例えば300nmである。第3層間絶縁膜41の所要箇所にコンタクト孔を形成し、その底面にキャパシタの上側電極となるルテニウム層38の一部を露出させる。なお、コンタクト孔は、キャパシタ構造の配置されていない領域に配置される。
【0029】
第3層間絶縁膜41の上に、厚さ約400nmの第1層目のアルミニウム配線42を形成する。このアルミニウム配線42は、第3層間絶縁膜41に形成されたコンタクト孔内を経由してルテニウム層38に接続される。アルミニウム配線42を覆うように、第3層間絶縁膜41の上に、酸化シリコンからなる厚さ約450nmの第4層間絶縁膜43を形成する。
【0030】
第4層間絶縁膜43の表面上に、厚さ約900nmの第2層目のアルミニウム配線44を形成する。アルミニウム配線44は、第4層間絶縁膜43に形成されたコンタクト孔内を経由して、下層の所定の配線に接続される。
【0031】
アルミニウム配線44を覆うように、第4層間絶縁膜43の上に、酸化シリコンからなる厚さ約300nmの第5層間絶縁膜45を形成する。酸化シリコンからなるこれらの層間絶縁膜は、例えばCVDにより形成される。第5層間絶縁膜45の上に、窒化シリコンからなる厚さ約600nmの保護膜46が形成されている。第5層間絶縁膜45及び保護膜46の2層に開口47を形成し、その底面にアルミニウム配線44の一部を露出させる。
【0032】
次に、図2を参照して、第5層間絶縁膜45を形成した後の製造工程について説明する。
図2(A)に示すように、トランジスタ層50の上に、キャパシタ層51及び多層配線層52が形成されている。トランジスタ層50は、図1(A)に示したシリコン基板11から第2層間絶縁膜16までの積層構造に相当する。キャパシタ層51は、図1(A)の窒化シリコン膜31からルテニウム層38までの積層構造に相当する。多層配線層52は、図1(A)の第3層間絶縁膜41から第5層間絶縁膜45までの多層構造に相当する。
【0033】
多層配線層52の上に、窒化シリコンからなる厚さ約600nmの仮の保護膜53をCVDにより形成する。水素ガス10%、窒素ガス90%の還元性雰囲気中において、温度400〜450℃で1時間の熱処理を行う。この熱処理は、トランジスタ層50に形成されているトランジスタの特性を向上させるためのものである。
【0034】
図2(B)に示すように、仮の保護膜53を除去する。仮の保護膜53の除去は、例えばCF4とO2とN2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)により行うことができる。このときのCF4、O2、及びN2の流量は、それぞれ140sccm、300sccm、及び40sccmであり、基板温度は室温であり、印加高周波電力は800Wであり、エッチング時間は10分である。なお、仮の保護膜53をウェットエッチングにより除去することも可能である。
【0035】
仮の保護膜53を除去した状態で、窒素ガス中で基板を300〜400℃まで加熱し、1時間の熱処理を行う。この熱処理により、キャパシタの電気的特性を改善させることができる。なお、窒素ガス雰囲気の代わりに、他の不活性ガス雰囲気中で熱処理を行ってもよいし、真空中で熱処理を行ってもよい。
【0036】
図2(C)に示すように、多層配線層52の上に、窒化シリコンからなる保護膜46を形成する。
次に、図3及び図4を参照して、上記第1の実施例によるDRAMの製造方法の効果について説明する。
【0037】
図3(A)に、キャパシタの電流電圧特性を示す。横軸はキャパシタへの印加電圧を単位「V」で表し、縦軸は1つのキャパシタ当たりのリーク電流を単位「A」で表す。図中の黒菱形記号、白菱形記号、及び黒三角記号は、それぞれ、キャパシタの特性改善のための窒素雰囲気中での熱処理温度を300℃、350℃、及び400℃として第1の実施例による方法で作製したDRAMのキャパシタの電流電圧特性を示す。比較のために、従来の方法で作製したDRAMのキャパシタの電流電圧特性を白丸記号で示す。
【0038】
第1の実施例による方法で作製したDRAMのキャパシタのリーク電流が、従来の方法で作製したDRAMのキャパシタのリーク電流よりも少ないことがわかる。従来の方法で作製したDRAMのキャパシタのリーク電流が多いのは、トランジスタの特性向上のための水素雰囲気中での熱処理時に、キャパシタ誘電体膜である酸化タンタルが還元されて酸素の空格子点(vacancy)が発生したり、酸化タンタル中に格子欠陥が発生したりするためと考えられる。
【0039】
第1の実施例による方法では、図2(B)に示した保護膜のない状態で、不活性ガス雰囲気中または真空中で熱処理が行われる。この熱処理により、酸化タンタルの結晶性が回復し、キャパシタの電気的特性が改善される。
【0040】
図3(B)に、保護膜46が形成されている状態で、キャパシタの電気的特性改善のための熱処理を行った場合のキャパシタの電流電圧特性を示す。図中の白丸記号は、図3(A)に白丸記号で示した従来の方法で作製したキャパシタの電流電圧特性を示し、黒三角記号は、窒素雰囲気中において400〜450℃で熱処理を行った後のキャパシタの電流電圧特性を示す。保護膜46が形成されている状態で熱処理を行っても、キャパシタの電気的特性が改善されないことがわかる。これは、窒化シリコンからなる保護膜46に水素が含有されているため、熱処理を行っても多層配線層52内の水素が脱離しないためと考えられる。
【0041】
第1の実施例のように、一旦形成した仮の保護膜53を除去した後、熱処理を行うことにより、多層配線層52内の水素を脱離させ、酸化タンタルの結晶性を回復させることができる。
【0042】
図2(C)に示した保護膜46を形成した後、アセンブリ工程が実行される。アセンブリ工程では、保護膜46が形成された状態で熱処理が行われる。この熱処理中に、保護膜46内の水素がキャパシタ構造まで拡散し、キャパシタの電気的特性を劣化させることが懸念される。本願発明者は、アセンブリ工程におけるキャパシタの電気的特性の劣化の有無について評価実験を行った。
【0043】
図4に、その評価実験の結果を示す。図4は、熱処理工程後のキャパシタの電流電圧特性を示す。図中の白丸記号は、上記第1の実施例による方法で作製したDRAMのキャパシタの電流電圧特性を示す。プラス記号、菱形記号、及び三角記号は、それぞれ上記第1の実施例による方法で作製したDRAMを、窒素雰囲気中において、温度400℃、350℃、及び300℃で1時間の熱処理を行った後のキャパシタの電流電圧特性を示す。
【0044】
熱処理温度が300℃のときは、リーク電流はほとんど増加していない。熱処理温度を350℃にすると、リーク電流がやや増加し、熱処理温度を400℃にすると、リーク電流がさらに増加する。ただし、熱処理温度を400℃にした場合であっても、キャパシタのリーク電流は、図3(A)に白丸記号で示した従来の方法で作製したDRAMのキャパシタのリーク電流よりは少ない。
【0045】
上述の評価実験結果からわかるように、アセンブリ工程における熱処理の温度を300℃以下、より好ましくは350℃以下にすることにより、キャパシタの電気的特性の劣化を抑制することができる。さらに、上記第1の実施例による方法で作製したDRAMのジャンクションリーク電流も少なく、従来の方法で作製したものと同等であった。
【0046】
図5に、上記第1の実施例で作製したDRAMのキャパシタの頂上よりも上の第3層間絶縁膜41内の厚さ方向の水素濃度分布の一例を示す。第1の実施例では、保護膜46を形成する前に、水素脱離のための熱処理が行われる。このため、第3層間絶縁膜41内の水素濃度は、実線aで示すように、基板から遠ざかるにしたがって徐々に低下する。
【0047】
これに対し、従来の方法で作製したDRAMにおいては、トランジスタの性能改善のための水素雰囲気中での熱処理時に拡散した水素が、第3層間絶縁膜41内にそのまま残る。このため、水素濃度は、破線bで示すように、基板から遠ざかるにしたがって徐々に上昇する。
【0048】
次に、図6を参照して、第2の実施例によるDRAMの製造方法について説明する。
図6(A)に示すように、トランジスタ層50、キャパシタ層51、多層配線層52を形成した後、その上に仮の保護膜53を形成する。この状態で、水素雰囲気中でトランジスタの性能改善のための熱処理を行う。図6(B)に示すように、仮の保護膜63を除去した後、キャパシタの電気的特性改善のための熱処理を行う。ここまでの工程は、図2(A)及び図2(B)を参照して説明した第1の実施例の工程と同様である。
【0049】
図6(C)に示すように、多層配線層52の上に、水素バリア層54を形成する。水素バリア層54は、例えばアルミナ(Al2O3)または酸化タンタル(Ta2O5)で形成される。アルミナ膜は、例えばスッパタリングにより形成することができ、酸化タンタル膜は、例えばCVDにより形成することができる。
【0050】
図6(D)に示すように、水素バリア層54の上に、保護膜46を形成する。保護膜46は、図2(C)に示した第1の実施例で形成される保護膜46と同一の方法で形成される。
【0051】
第2の実施例による方法で作製したDRAMにおいては、保護膜46とキャパシタ層51との間に水素バリア層54が配置されている。このため、保護膜46内の水素がキャパシタ層51まで拡散することを防止できる。第1の実施例による方法で作製したDRAMの場合には、保護膜46を形成した後に400℃程度の熱処理を行うと、図4にプラス記号で示したように、キャパシタのリーク電流の増加が見られた。第2の実施例による方法で作製したDRAMの場合には、水素バリア層54が、保護膜46からキャパシタ層51への水素の拡散を防止するため、400℃以上の熱処理を行っても、キャパシタのリーク電流の増加量は少ないであろう。
【0052】
次に、図7を参照して第3の実施例によるDRAMの製造方法について説明する。
図7(A)に示すように、トランジスタ層50、キャパシタ層51、及び多層配線層52を形成する。ここまでの工程は、図2(A)を参照して説明した第1の実施例の工程と同様である。第1の実施例では、多層配線層52の上に仮の保護膜53を形成したが、第3の実施例では、最後まで残る保護膜46を形成する。保護膜46は、図2(C)に示した第1の実施例による方法で形成される保護膜46と同様の方法で形成される。
【0053】
この状態で、トランジスタの性能改善のための熱処理を行う。熱処理条件は、図2(A)を参照して説明した第1の実施例の場合のトランジスタの性能改善のための熱処理の条件と同一である。
【0054】
図7(B)に示すように、真空中または窒素雰囲気中で、フラッシュランプ60により保護膜46の表面を瞬間的に加熱する。加熱時間は、保護膜46の表面が450〜700℃程度になるが、保護膜46と多層配線層52との界面は400℃以下に維持される程度とする。例えば、加熱時間は、ミリ秒またはマイクロ秒のオーダである。この瞬間的な加熱により、保護膜46内に含まれる水素を脱離させることができる。この方法では、多層配線層52は400℃以下に保たれるため、アルミニウム配線等は損傷を受けない。
【0055】
図7(C)に示すように、水素脱離処理の施された保護膜46が形成された状態で、キャパシタの電気的特性改善のための熱処理を行う。熱処理条件は、図2(B)を参照して説明した第1の実施例におけるキャパシタの電気的特性改善のための熱処理の条件と同一である。多層配線層52を覆っている保護膜46は、水素脱離処理を行ったものであるため、保護膜46からキャパシタ層51へ、水素が拡散することを防止できる。これにより、キャパシタの電気的特性を改善させることができる。
【0056】
次に、図8を参照して第4の実施例によるDRAMの製造方法について説明する。
図8(A)に示すように、トランジスタ層50、キャパシタ層51、多層配線層52、及び保護膜46を形成する。ここまでの工程は、図7(A)を参照して説明した第3の実施例の工程と同様である。この状態で、トランジスタの性能改善のための熱処理を行う。熱処理条件は、図2(A)を参照して説明した第1の実施例の場合のトランジスタの性能改善のための熱処理の条件と同一である。
【0057】
図8(B)に示すように、保護膜46の上に、チタン(Ti)層61を、例えばスパッタリングにより形成する。この状態で、窒素ガス雰囲気中において400℃で約1時間の熱処理を行う。チタンは水素をゲッタリングする能力を有するため、保護膜46内に含まれる水素がチタン層61に吸収され、キャパシタ層51に向かう水素の拡散が抑制される。このため、この熱処理によって、キャパシタの電気的特性を改善させることができる。なお、チタン層61の代わりに、保護膜46よりも水素をゲッタリングし易い材料からなるゲッタリング層を形成してもよい。
【0058】
図8(C)に示すように、チタン層61を除去する。水素のゲッタリングのための熱処理により、キャパシタの電気的特性が改善されているが、改善の度合いが不十分である場合には、チタン層61を除去した後に、さらにキャパシタの電気的特性改善のための熱処理を行ってもよい。
【0059】
次に、図9を参照して第5の実施例によるDRAMの製造方法について説明する。
図9(A)に示すように、トランジスタ層50、キャパシタ層51、及び多層配線層52を形成する。ここまでの工程は、図2(A)を参照して説明した第1の実施例の工程と同様である。この状態で、水素プラズマ中で400〜450℃の熱処理を行う。この熱処理により、トランジスタの性能を改善させることができる。ただし、キャパシタ層51まで水素が拡散するため、キャパシタの電気的特性が劣化する。
【0060】
保護膜を形成する前に、窒素雰囲気中でキャパシタの電気的特性改善のための熱処理を行う。この熱処理の条件は、図2(B)を参照して説明した第1の実施例におけるキャパシタの電気的特性改善のための熱処理の条件と同一である。保護膜が形成されていないため、第1の実施例の場合と同様に、キャパシタの電気的特性を改善させることができる。
【0061】
図9(B)に示すように、多層配線層52の上に保護膜46を形成する。保護膜46は、図2(C)を参照して説明した第1の実施例の保護膜46の形成方法と同一である。
【0062】
上記実施例では、キャパシタ誘電体膜の材料として酸化タンタル(TaO)を使用したが、その他に、PZT、BST、STO、HfO、ZrO等を使用しても良い。
【0063】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0064】
上記実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
(付記1) 半導体基板上に形成されたトランジスタと、
前記トランジスタに電気的に接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極間のキャパシタ誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタと、
前記キャパシタの上に形成され、前記半導体基板から遠ざかるにしたがって、含有される水素の濃度が徐々に低下している層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上に形成された保護膜と
を有する半導体装置。
【0065】
(付記2) 前記キャパシタのキャパシタ誘電体層が酸化タンタルで形成されている付記1に記載の半導体装置。
(付記3) 前記保護膜が窒化シリコン膜で形成されている付記1または2に記載の半導体装置。
【0066】
(付記4) さらに、前記層間絶縁膜と前記保護膜との間に、前記保護膜よりも水素を透過させにくい絶縁材料からなる水素バリア層が配置されている付記1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
【0067】
(付記5) (a)半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに電気的に接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、
(b)前記キャパシタの上を覆う仮の保護膜を形成する工程と、
(c)前記仮の保護膜が形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、
(d)前記仮の保護膜を除去する工程と、
(e)前記仮の保護膜が除去された前記半導体基板を、不活性な雰囲気中または真空中で熱処理する工程と、
(f)前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【0068】
(付記6) 前記キャパシタの誘電体層が酸化タンタルで形成されている付記5に記載の半導体装置の製造方法。
(付記7) 前記第1の保護膜及び第2の保護膜が窒化シリコンで形成されている付記5または6に記載の半導体装置の製造方法。
【0069】
(付記8) 前記工程(e)の後、前記工程(f)の前に、さらに、前記キャパシタの上を覆い、前記保護膜よりも水素を透過させにくい絶縁材料で形成された水素バリア層を形成する工程を有する付記5〜7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0070】
(付記9) 前記水素バリア層が、アルミナまたは酸化タンタルで形成されている付記8に記載の半導体装置の製造方法。
(付記10) 半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに電気的に接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、
前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程と、
前記保護膜が形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、
前記保護膜を、フラッシュランプを用いて加熱し、該保護膜中に含有される水素を脱離させる工程と、
水素脱離後の保護膜が形成された前記半導体基板を、不活性な雰囲気中または真空中で熱処理する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【0071】
(付記11) 前記キャパシタの誘電体層が酸化タンタルで形成されている付記10に記載の半導体装置の製造方法。
(付記12) 前記保護膜が窒化シリコンで形成されている付記10または11に記載の半導体装置の製造方法。
【0072】
(付記13) 半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに電気的に接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、
前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程と、
前記保護膜が形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、
前記保護膜の上に、水素ゲッタリング能力を有する材料からなるゲッタリング膜を形成する工程と、
前記ゲッタリング膜の形成された前記半導体基板を熱処理する工程と、
前記ゲッタリング膜を除去する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【0073】
(付記14) 前記ゲッタリング膜がチタンで形成されている付記13に記載の半導体装置の製造方法。
(付記15) 前記キャパシタの誘電体層が酸化タンタルで形成されている付記13または14に記載の半導体装置の製造方法。
【0074】
(付記16) 前記保護膜が窒化シリコンで形成されている付記13〜15のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記17) 半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに電気的に接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、
前記トランジスタ及びキャパシタの形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、
前記還元性雰囲気中での熱処理後、前記半導体基板を不活性雰囲気中または真空中で熱処理する工程と、
前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【0075】
(付記18) 前記キャパシタの誘電体層が酸化タンタルで形成されている付記17に記載の半導体装置の製造方法。
(付記19) 前記保護膜が窒化シリコンで形成されている付記17または18に記載の半導体装置の製造方法。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、キャパシタ構造に水素が供給されにくい条件で熱処理を行うことにより、キャパシタの電気的特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例による半導体装置の製造方法で作製されるDRAMの断面図、及びゲート電極の断面図である。
【図2】第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
【図3】第1の実施例による方法で作製したDRAMのキャパシタの電流電圧特性を、従来の方法で作製したDRAMのキャパシタの電流電圧特性と比較して示すグラフである。
【図4】第1の実施例による方法で作製したDRAMのキャパシタの電流電圧特性、及びそのキャパシタの熱処理後の電流電圧特性を示すグラフである。
【図5】第1の実施例による方法で作製したDRAMのキャパシタ上部の層間絶縁膜中の水素濃度分布を、従来の方法で作製したDRAMのキャパシタのそれを比較して示すグラフである。
【図6】第2の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
【図7】第3の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
【図8】第4の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
【図9】第5の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
【符号の説明】
11 シリコン基板
12 分離領域
13 絶縁ゲート電極
14 第1層間絶縁膜
15、17 プラグ
16 第2層間絶縁膜
21 ゲート絶縁膜
22 下側ゲート電極
23 上側ゲート電極
24 エッチングストッパ層
25 サイドウォールエッチングストッパ
31、33 窒化シリコン層
32 酸化シリコン層
34 窒化チタン層
36、38 ルテニウム層
37 酸化タンタル層
41 第3層間絶縁膜
42、44 アルミニウム配線
43 第4層間絶縁膜
45 第5層間絶縁膜
46 保護膜
47 開口
50 トランジスタ層
51 キャパシタ層
52 多層配線層
53 仮の保護膜
54 水素バリア層
60 フラッシュランプ
61 チタン層
Claims (10)
- 半導体基板上に形成されたトランジスタと、
前記トランジスタに電気的に接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極間のキャパシタ誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタと、
前記キャパシタの上に形成され、前記半導体基板から遠ざかるにしたがって、含有される水素の濃度が徐々に低下している層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上に形成された保護膜と
を有する半導体装置。 - 前記キャパシタのキャパシタ誘電体層が酸化タンタルで形成されている請求項1に記載の半導体装置。
- さらに、前記層間絶縁膜と前記保護膜との間に、前記保護膜よりも水素を透過させにくい絶縁材料からなる水素バリア層が配置されている請求項1または2に記載の半導体装置。
- (a)半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに電気的に接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、
(b)前記キャパシタの上を覆う仮の保護膜を形成する工程と、
(c)前記仮の保護膜が形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、
(d)前記仮の保護膜を除去する工程と、
(e)前記仮の保護膜が除去された前記半導体基板を、不活性な雰囲気中または真空中で熱処理する工程と、
(f)前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記工程(e)の後、前記工程(f)の前に、さらに、前記キャパシタの上を覆い、前記保護膜よりも水素を透過させにくい絶縁材料で形成された水素バリア層を形成する工程を有する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに電気的に接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、
前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程と、
前記保護膜が形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、
前記保護膜を、フラッシュランプを用いて加熱し、該保護膜中に含有される水素を脱離させる工程と、
水素脱離後の保護膜が形成された前記半導体基板を、不活性な雰囲気中または真空中で熱処理する工程と
を有する半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに電気的に接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、
前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程と、
前記保護膜が形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、
前記保護膜の上に、水素ゲッタリング能力を有する材料からなるゲッタリング膜を形成する工程と、
前記ゲッタリング膜の形成された前記半導体基板を熱処理する工程と、
前記ゲッタリング膜を除去する工程と
を有する半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上にトランジスタ、及び該トランジスタに電気的に接続され、2つの電極が金属で形成され、該2つの電極の間の誘電体層が酸化物誘電体で形成されたキャパシタを形成する工程と、
前記トランジスタ及びキャパシタの形成された前記半導体基板を、還元性雰囲気中で熱処理する工程と、
前記還元性雰囲気中での熱処理後、前記半導体基板を不活性雰囲気中または真空中で熱処理する工程と、
前記キャパシタの上を覆う保護膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記キャパシタの誘電体層が酸化タンタルで形成されている請求項4〜8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記保護膜が窒化シリコンで形成されている請求項4〜9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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