JP2007242930A - 強誘電体メモリ装置の製造方法及び強誘電体メモリ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】深いコンタクトホールを形成する場合にこのコンタクトホールの形成を容易にし、また水素に対する耐性を良好にした強誘電体メモリ装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】第１層間絶縁膜３と、強誘電体キャパシタ４と、絶縁性水素バリア膜５と、第２層間絶縁膜６と、第２層間絶縁膜６と絶縁性水素バリア膜５と第１層間絶縁膜３とを貫通するコンタクトホール７と、を備えた強誘電体メモリ装置１である。絶縁性水素バリア膜５は第１絶縁性水素バリア膜５ａと第２絶縁性水素バリア膜５ｂとからなり、第１絶縁性水素バリア膜５ａは強誘電体キャパシタ４の側壁部にて第１サイドウォール層１９ａを形成し、第２絶縁性水素バリア膜５ｂは第１サイドウォール層１９ａ上に設けられて第２サイドウォール層１９ｂを形成するとともに、強誘電体キャパシタ４の上部電極１６上及び第１層間絶縁膜３上を覆って形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、強誘電体キャパシタを有する強誘電体メモリ装置の製造方法とこれによって得られる強誘電体メモリ装置に関する。

強誘電体メモリ装置を製造する過程においては、強誘電体膜の劣化防止が重要な課題となっている。すなわち、強誘電体メモリ装置の製造工程では、強誘電体膜を形成した後、層間絶縁膜の形成やドライエッチングなどの工程の際、水素雰囲気（還元雰囲気）下に曝されることがある。このように強誘電体膜が還元雰囲気、例えば水素（Ｈ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）等に曝されると、強誘電体膜は一般に金属酸化物からなるため、強誘電体膜を構成する酸素が還元されてしまい、強誘電体キャパシタの電気特性が著しく低下してしまう。

そこで、従来では水素ダメージの防止策として、キャパシタ形成後に、該キャパシタを覆って水素バリア機能を有する絶縁膜（ＡｌＯｘ等）を、水素バリア膜として設けている（例えば、特許文献１参照）。また、このように水素バリア膜を設ける場合では、通常、層間膜中にもこの水素バリア膜を設け、強誘電体膜の劣化防止を図っている。
さらに、強誘電体型メモリでは、その他の拡散防止膜を設けることも知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−１１９９７８号公報 特開２００４−１７２３３０号公報

ところで、特に水素バリア膜が層間絶縁膜の中間に形成されている構造において、これら水素バリア膜と層間絶縁膜とからなる積層膜に深いコンタクトホールを形成する場合に、積層膜を一括してエッチング処理し、コンタクトホールを形成しようとしても、コンタクトホールが正常に形成できないことがある。すなわち、一般に層間絶縁膜としてはＳｉＯ_２が使用され、このＳｉＯ_２に対するエッチャントとしては通常フッ素系のガスが用いられるが、例えばＡｌＯｘからなる水素バリア膜は、フッ素系のガスによるエッチングレートが格段に低い。したがって、このエッチングによるコンタクトホールの形成が著しく遅くなり、あるいはこの水素バリア膜の下層のエッチング性が低下し、ホール形状が先細りになってしまうことにより、このコンタクトホールに埋設されるプラグの抵抗異常が生じていた。

このような不都合を回避するため、特に水素バリア膜を成膜した後、この上に層間絶縁膜を形成する前に水素バリア膜のみを選択的にエッチングし、この水素バリア膜にコンタクトホールを形成することが考えられる。水素バリア膜にコンタクトホールを形成する場合、後に層間絶縁膜に形成するコンタクトホールとの位置ずれ（合わせずれ）を回避するため、十分にマージンをとって大径に形成する必要がある。

ところが、このように水素バリア膜に大径のコンタクトホールを形成しようとすると、これを形成するためのレジストマスクの位置ずれ（合わせずれ）などによって強誘電体キャパシタの側壁部までエッチングしてしまい、強誘電体キャパシタの側壁部に形成された水素バリア膜を除去してこの強誘電体キャパシタの側壁面を露出させてしまうことがある。しかし、このように強誘電体キャパシタの側壁面を露出させてしまうと、強誘電体キャパシタの水素に対する耐性が十分に確保されなくなり、したがって強誘電体キャパシタ形成後の工程で水素雰囲気（還元雰囲気）下に曝された際、強誘電体膜を構成する酸素が還元されてしまい、強誘電体キャパシタの電気特性が著しく低下してしまう。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、特に層間絶縁膜と絶縁性水素バリア膜とからなる積層膜に深いコンタクトホールを形成する場合に、このコンタクトホールの形成を容易にし、また強誘電体キャパシタの水素に対する耐性を良好に確保した強誘電体メモリ装置の製造方法と、これによって得られる強誘電体メモリ装置を提供することにある。

本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法は、基体上に第１層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１層間絶縁膜上に下部電極と強誘電体膜と上部電極とからなる強誘電体キャパシタを形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタを覆って前記第１層間絶縁膜上に絶縁性水素バリア膜を形成する工程と、
前記絶縁性水素バリア膜上に第２層間絶縁膜を形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタの側方にて、前記第２層間絶縁膜と絶縁性水素バリア膜と第１層間絶縁膜とを一括してエッチングし、これら第２層間絶縁膜と絶縁性水素バリア膜と第１層間絶縁膜とを貫通するコンタクトホールを形成する工程と、を備えた強誘電体メモリ装置の製造方法において、
前記絶縁性水素バリア膜の形成工程が、
前記強誘電体キャパシタを覆って前記第１層間絶縁膜上に第１絶縁性水素バリア膜を形成する工程と、
前記第１絶縁性水素バリア膜をエッチバックして前記第１層間絶縁膜上から第１絶縁性水素バリア膜を除去するとともに、前記強誘電体キャパシタの側壁部に第１サイドウォール層を形成する工程と、
前記エッチバック後、前記強誘電体キャパシタを覆って前記第１層間絶縁膜上に第２絶縁性水素バリア膜を形成し、前記強誘電体キャパシタの側壁部の前記第１サイドウォール層上に前記第２絶縁性水素バリア膜からなる第２サイドウォール層を形成し、該第１サイドウォール層と第２サイドウォール層とからなる水素バリアサイドウォールを形成する工程と、を有してなることを特徴としている。

この強誘電体メモリ装置の製造方法によれば、第１絶縁性水素バリア膜の形成後、この第１絶縁性水素バリア膜をエッチバックして第１層間絶縁膜上から第１絶縁性水素バリア膜を除去し、これによって強誘電体キャパシタの側壁部にのみ選択的に第１サイドウォール層を形成した後、第２絶縁性水素バリア膜を形成するので、強誘電体キャパシタの側壁部には前記第１サイドウォール層とこれの上に形成された第２絶縁性水素バリア膜からなる第２サイドウォール層とによって積層構造の水素バリアサイドウォールが形成される。したがって、これら第１絶縁性水素バリア膜と第２絶縁性水素バリア膜とを予め設定した厚さに形成し、得られる積層構造の水素バリアサイドウォールの膜厚を、水素に対して十分な耐性が得られる厚さにすることにより、強誘電体キャパシタの水素に対する耐性を良好に確保することができる。したがって、強誘電体キャパシタの水素による電気特性の低下を防止し、高い信頼性を得ることができる。

また、第１層間絶縁膜上には第２絶縁性水素バリア膜のみが設けられることにより、この第２絶縁性水素バリア膜からなる絶縁性水素バリア膜は水素バリア膜としての一般的な厚さに比べて十分に薄く形成されることになる。したがって、前記第２層間絶縁膜と絶縁性水素バリア膜と第１層間絶縁膜とを貫通する深いコンタクトホールを形成した際、前記絶縁性水素バリア膜が十分に薄いことから、結果的にコンタクトホールの形成が容易になり、またこのコンタクトホールを正常に形成することが可能になる。よって、生産性を向上し、さらにコンタクトホール内に埋設されるプラグの抵抗を安定化して良品率を高めることができる。

また、前記の製造方法においては、前記第１絶縁性水素バリア膜がアルミニウム酸化物であってもよい。
アルミニウム酸化物であるアルミナ（ＡｌＯｘ）は良好な水素バリ性を有するので、これが強誘電体キャパシタの側壁部にて第１サイドウォール層となることにより、強誘電体キャパシタの水素に対する耐性をより良好に確保することができる。

また、前記の製造方法においては、前記第１層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、該コンタクトホール内にプラグを埋設する工程を備え、
前記強誘電体キャパシタを形成する工程は、前記下部電極の下に、前記プラグを覆って酸素バリア膜を形成する工程を有しているのが好ましい。
このようにすれば、下部電極とプラグとの間に酸素バリア膜が形成されることにより、例えば後の工程である酸素雰囲気下での熱処理（強誘電体膜の特性回復のためのリカバリーアニール）でプラグが酸化し、抵抗が大幅に上昇してしまうのを防止することができる。したがって、プラグと下部電極との間の導通を良好に確保することができる。

本発明の強誘電体メモリ装置は、基体と、
前記基体上に設けられた第１層間絶縁膜と、
前記第１層間絶縁膜上に設けられた下部電極、強誘電体膜及び上部電極からなる強誘電体キャパシタと、
前記強誘電体キャパシタを覆って前記第１層間絶縁膜上に設けられた絶縁性水素バリア膜と、
前記絶縁性水素バリア膜上に設けられた第２層間絶縁膜と、
前記強誘電体キャパシタの側方にて、前記第２層間絶縁膜と絶縁性水素バリア膜と第１層間絶縁膜とを貫通して形成されたコンタクトホールと、を備えた強誘電体メモリ装置において、
前記絶縁性水素バリア膜は、第１絶縁性水素バリア膜と第２絶縁性水素バリア膜とからなり、前記第１絶縁性水素バリア膜は、前記強誘電体キャパシタの側壁部に選択的に形成されて第１サイドウォール層を形成し、前記第２絶縁性水素バリア膜は、前記第１サイドウォール層上に設けられて第２サイドウォール層を形成するとともに、前記強誘電体キャパシタの上部電極上及び前記第１層間絶縁膜上を覆って形成されていることを特徴としている。

この強誘電体メモリ装置によれば、強誘電体キャパシタの側壁部には第１サイドウォール層とこれの上に設けられて第２サイドウォール層とからなる積層構造のサイドウォールが形成され、第１層間絶縁膜上には第２絶縁性水素バリア膜からなる単一層の絶縁性水素バリア膜が形成されている。したがって、第１サイドウォール層となる第１絶縁性水素バリア膜と第２サイドウォール層となる第２絶縁性水素バリア膜とが予め設定した厚さに形成され、得られる積層構造のサイドウォールの膜厚が、水素に対して十分な耐性が得られる厚さとなることにより、強誘電体キャパシタの水素に対する耐性が良好に確保される。したがって、強誘電体キャパシタの水素による電気特性の低下が防止され、高い信頼性が得られるものとなる。

また、第１層間絶縁膜上には第２絶縁性水素バリア膜のみが設けられたことにより、この第２絶縁性水素バリア膜からなる絶縁性水素バリア膜は水素バリア膜としての一般的な厚さに比べて十分に薄く形成されたものとなる。したがって、前記第２層間絶縁膜と絶縁性水素バリア膜と第１層間絶縁膜とを貫通する深いコンタクトホールを形成した際、前記絶縁性水素バリア膜が十分に薄いことから、結果的にコンタクトホールの形成が容易になってこのコンタクトホールを一括して連続的に形成することが可能になるとともに、このコンタクトホールを正常に形成することが可能になる。よって、生産性が向上し、さらにコンタクトホール内に埋設されるプラグの抵抗が安定化して良品率が高められたものとなる。

また、前記強誘電体メモリ装置においては、第１絶縁性水素バリア膜がアルミニウム酸化物であってもよい。
アルミニウム酸化物であるアルミナ（ＡｌＯｘ）は良好な水素バリ性を有するので、これが強誘電体キャパシタの側壁部にて第１サイドウォール層となることにより、強誘電体キャパシタの水素に対する耐性をより良好に確保することができる。

また、前記強誘電体メモリ装置においては、前記第１層間絶縁膜にコンタクトホールが形成され、該コンタクトホール内にプラグが埋設されてなり、
前記強誘電体キャパシタは、前記下部電極の下に、前記プラグを覆う酸素バリア膜を有しているのが好ましい。
このようにすれば、下部電極とプラグとの間に酸素バリア膜が形成されていることにより、例えば強誘電体キャパシタ形成後の工程である酸素雰囲気下での熱処理（強誘電体膜の特性回復のためのリカバリーアニール）でプラグが酸化し、抵抗が大幅に上昇してしまうのを防止することができる。したがって、プラグと下部電極との間の導通を良好に確保することができる。

以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の強誘電体メモリ装置の一実施形態を示す要部断面図であり、図１中符号１は強誘電体メモリ装置である。この強誘電体メモリ装置１は、１Ｔ／１Ｃ型のメモリセル構造を有したスタック型のもので、基体２と、この基体２上に形成された第１層間絶縁膜３と、第１層間絶縁膜３上に形成された強誘電体キャパシタ４と、強誘電体キャパシタ４を覆って前記第１層間絶縁膜３上に形成された絶縁性水素バリア膜５と、絶縁性水素バリア膜５上に形成された第２層間絶縁膜６と、を備えてなるもので、前記強誘電体キャパシタ４の側方に、前記第２層間絶縁膜６と絶縁性水素バリア膜５と第１層間絶縁膜３とを貫通してコンタクトホール７を形成し、このコンタクトホール７内にプラグ８を埋設して構成されたものである。

基体２は、シリコン基板（半導体基板）９を備えて構成されたもので、シリコン基板９の表層部に、前記強誘電体キャパシタ４を動作させるための駆動トランジスタ１０を形成し、さらにこの駆動トランジスタ１０を覆ってシリコン基板９上に下地絶縁膜１１を形成したものである。シリコン基板９には、前記駆動トランジスタ１０を構成するソース／ドレイン領域（図示せず）とチャネル領域（図示せず）とが形成され、さらにチャネル領域上にはゲート絶縁膜（図示せず）が形成されている。そして、このゲート絶縁膜上にゲート電極１０ａが形成されたことにより、前記駆動トランジスタ１０が構成されている。なお、各強誘電体キャパシタ４に対応する駆動トランジスタ１０は、シリコン基板９に形成された埋め込み分離領域（図示せず）によってそれぞれ電気的に分離されている。

下地絶縁膜１１上には、絶縁性の酸化防止膜としてＳｉＯＮ膜１２が形成されており、さらにこのＳｉＯＮ膜１２上には前記の第１層間絶縁膜３が形成されている。下地絶縁膜１１及び第１層間絶縁膜３は、酸化珪素（ＳｉＯ_２）によって形成されたもので、ＣＭＰ（化学機械研磨）法等で平坦化されたものである。なお、下地層間膜１１と第１層間絶縁膜３とを分けているのは、駆動トランジスタ１０上に形成される層間絶縁膜の要求される膜厚が比較的厚く、したがって単一層で形成した場合、ここに形成するコンタクトホールの深さが深くなりすぎ、プラグの埋設などが困難になるからである。よって、特に駆動トランジスタ１０上に形成する層間絶縁膜の要求される膜厚が比較的薄い場合には、二層に分けることなく、単一層で層間絶縁膜を形成することもできる。その場合に、この層間絶縁膜が本発明における第１層間絶縁膜となり、この第１層間絶縁膜の下地となる部分が本発明における基体となる。

このようにシリコン基板９に駆動トランジスタ３を形成し、さらに下地絶縁膜１１、ＳｉＯＮ膜１２を形成してなる基体４の上には、前記第１層間絶縁膜３を介して、前記強誘電体キャパシタ４が形成されている。強誘電体キャパシタ４は、前記第１層間絶縁膜３上に形成された酸素バリア膜１３と、この酸素バリア膜１３上に形成された下部電極１４と、下部電極１４上に形成された強誘電体膜１５と、強誘電体膜１５上に形成された上部電極１６と、からなるものである。

酸素バリア膜１３は、例えばＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮ等からなるもので、中でもチタン、アルミニウム、窒素を含むＴｉＡｌＮが好適とされ、したがって本実施形態ではＴｉＡｌＮによって酸素バリア膜１３が形成されている。
下部電極１４及び上部電極１６は、イリジウム（Ｉｒ）や、酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）等からなるもので、本実施形態では特にイリジウムによって形成されている。
強誘電体膜１５は、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、ＡＢＸＯ_３の一般式で示されるもので、具体的には、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３（ＰＺＴ）や（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３（ＰＬＺＴ）、さらに、これら材料にニオブ（Ｎｂ）等の金属が加えられたものなどによって形成されたものである。本実施形態では、特にＰＺＴによって形成されている。

ここで、酸素バリア膜１３の底部には、前記第１層間絶縁膜３、ＳｉＯＮ膜１２、下地絶縁膜１１を貫通して形成されたコンタクトホール１７が通じている。そして、このような構成によって酸素バリア膜１３上の下部電極１４は、コンタクトホール１７内に形成されたプラグ１８に接続し導通している。このプラグ１８は、前記駆動トランジスタ１０の一方のソース／ドレイン領域に接続しており、これによって強誘電体キャパシタ４は、前述したように駆動トランジスタ１０によって動作させられるようになっている。
なお、コンタクトホール１７に埋設されたプラグ１８は、本実施形態ではタングステン（Ｗ）によって形成されている。

また、前記第１層間絶縁膜３上には、強誘電体キャパシタ４を覆って絶縁性水素バリア膜５が形成されている。この絶縁性水素バリア膜５は、第１絶縁性水素バリア膜５ａと第２絶縁性水素バリア膜５ｂとによって形成されたものである。第１絶縁性水素バリア膜５ａは、前記強誘電体キャパシタ４の側壁部に選択的に形成されたもので、これによって第１サイドウォール層１９ａを形成している。第２絶縁性水素バリア膜５ｂは、強誘電体キャパシタ４上、及び該強誘電体キャパシタ４の形成位置を除く第１層間絶縁膜３上のほぼ全面に形成されたもので、特に強誘電体キャパシタ４の側壁部において、前記第１サイドウォール層１９ａ上に設けられた部分が第２サイドウォール層１９ｂとなっている。

このような構成のもとに、強誘電体キャパシタ４の側壁部においては、第１サイドウォール層１９ａと第２サイドウォール層１９ｂとからなる、積層構造の水素バリアサイドウォール１９が形成されている。ここで、前記の水素バリアサイドウォール１９は、特に水素による還元作用によって電気特性の低下が起こり易い強誘電体膜１５の側壁を覆うことから、この強誘電体膜１５を保護する必要上、水素バリア膜として水素バリア機能を発揮するのに必要な厚さを有したものとなっている。具体的には、３０〜６０ｎｍ程度の厚さを有したものとなっている。

一方、強誘電体キャパシタ４の上面部、すなわち上部電極１６の上面側と、第１層間絶縁膜３上においては、前記絶縁性水素バリア膜５は、第２絶縁性水素バリア膜５ｂのみからなる単層の膜となっている。したがって、この単層膜、特に第１層間絶縁膜３上の絶縁性水素バリア膜５は、前記の水素バリアサイドウォール１９に比べ、十分薄い膜厚となっている。具体的には、１０〜２０ｎｍ程度の厚さとなっている。よって、従来では、この第１層間絶縁膜上に形成される絶縁性水素バリア膜も、強誘電体キャパシタの側壁を覆う部分と同じ厚さに形成されることから、水素バリア機能を発揮するのに必要な厚さである３０〜６０ｎｍ程度の厚さに形成されるのに対し、本実施形態（本発明）においては、第１層間絶縁膜３上の絶縁性水素バリア膜５は十分に薄い膜厚に形成されたものとなっているのである。

なお、上部電極１６の上面側においても、絶縁性水素バリア膜５はその膜厚が薄くなるが、この上部電極１６の上面側では強誘電体膜１５が直接露出しないことから、前述したように水素バリアサイドウォール１９に比べて薄い膜厚でも、その保護機能（水素バリア機能）が十分に確保されるのである。

ここで、絶縁性水素バリア膜５を構成する第１絶縁性水素バリア膜５ａ（第１サイドウォール層１９ａ）や第２絶縁性水素バリア膜５ｂとしては、アルミニウム酸化物であるアルミナ（ＡｌＯｘ）や、チタン酸化物であるチタニア（ＴｉＯｘ）、ジルコニア酸化物であるジルコニア（ＺｒＯｘ）などが用いられ、特にアルミナ（ＡｌＯｘ）が好適に用いられる。したがって、本実施形態では、第１絶縁性水素バリア膜５ａ及び第２絶縁性水素バリア膜５ｂはいずれもアルミナ（ＡｌＯｘ）からなっているものとする。ただし、これら各水素バリア膜５ａ、５ｂについては、必ずしも同じ材料を用いる必要がなく、絶縁性水素バリア材料であれば異なる材料を用いることも可能である。

絶縁性水素バリア膜５上には、第２層間絶縁膜６が形成されている。この第２層間絶縁膜６は、前記下地絶縁膜１１や第１層間絶縁膜３と同様に、酸化珪素（ＳｉＯ_２）によって形成されたもので、ＣＭＰ（化学機械研磨）法等で平坦化されたものである。第２層間絶縁膜６には、前述したように、前記強誘電体キャパシタの側方にてコンタクトホール７が形成されている。コンタクトホール７は、第２層間絶縁膜６と前記絶縁性水素バリア膜５と第１層間絶縁膜３とＳｉＯＮ膜１２と下地絶縁膜１１とを貫通し、前記シリコン基板９に到達して形成されたものである。

このコンタクトホール７には、タングステン（Ｗ）等からなるプラグ８が埋設されている。プラグ８は、シリコン基板９上に形成された配線（図示せず）、あるいは前記駆動トランジスタ１０の他方のソース／ドレイン領域など（図示せず）に接続・導通し、かつ、第２層間絶縁膜６上に形成された引き回し配線などの導電部（図示せず）に接続・導通したものである。このような構成によってプラグ８は、シリコン基板９上の導電部と第２層間絶縁膜６上の導電部との間を電気的に接続したものとなっている。

また、第２層間絶縁膜６には、前記上部電極１６に通じるコンタクトホール（図示せず）が形成され、このコンタクトホール内にはプラグ（図示せず）が埋設されている。このような構成のもとに、前記強誘電体キャパシタ４は、前記駆動トランジスタ１０と前記プラグに接続する導電部（図示せず）とによって駆動させられるようになっている。
さらに、第２層間絶縁膜６上には、前記導電部等を覆って第３層間絶縁膜（図示せず）が形成されている。

次に、このような構成の強誘電体メモリ装置１の製造方法を基に、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法の一実施形態を説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、予め公知の手法によってシリコン基板９に駆動トランジスタ１０を形成し、続いてＣＶＤ法等により酸化珪素（ＳｉＯ_２）を成膜し、さらにこれをＣＭＰ法等によって平坦化することにより、下地絶縁膜１１を形成する。ここで、本実施形態では、駆動トランジスタ１０上に形成される層間絶縁膜の要求される膜厚が比較的厚いことから、前述したように駆動トランジスタ１０上の層間絶縁膜を下地層間膜１１と第１層間絶縁膜３との積層構造とし、それぞれにコンタクトホール、プラグを形成することで、これら下地層間膜１１及び第１層間絶縁膜３を貫通するコンタクトホール７、１７を形成するようにしている。

したがって、下地絶縁膜１１を形成した後、該下地絶縁膜１１上に公知のレジスト技術、露光・現像技術によってレジストパターン（図示せず）を形成し、さらにこのレジストパターンをマスクにしてエッチングすることにより、図２（ｂ）に示すようにコンタクトホール１７の下部１７ａ、及びコンタクトホール７の下部７ａをそれぞれ形成する。

次いで、プラグ材料としてタングステン（Ｗ）をスパッタ法等で成膜し、前記のコンタクトホール１７の下部１７ａ、及びコンタクトホール７の下部７ａにそれぞれタングステンを埋め込む。続いて、ＣＭＰ法等によって下地絶縁膜１１上のタングステンを除去し、図２（ｃ）に示すように前記コンタクトホール１７の下部１７ａにタングステンからなるプラグ１８の下部１８ａを、またコンタクトホール７の下部７ａにプラグ８の下部８ａを埋設する。なお、このようなプラグ下部１８ａ、８ａの形成に際しては、タングステンの埋め込みに先立ち、ＴｉＮ（窒化チタン）等の密着層をコンタクトホール７、１７の下部７ａ、１７ａの内壁面に薄く成膜しておき、その後、前記したようにタングステンを埋め込むのが好ましい。

このようにして各プラグの下部１８ａ、８ａを形成したら、第１層間絶縁膜３の形成に先立ち、これらプラグ下部１８ａ、８ａの酸化を防止するため、ＣＶＤ法等によって下地絶縁膜１１上にＳｉＯＮを成膜し、図３（ａ）に示すようにＳｉＯＮ膜１２を形成する。
次いで、このＳｉＯＮ膜１２上に、ＣＶＤ法等によって酸化珪素（ＳｉＯ_２）を成膜し、さらにこれをＣＭＰ法等によって平坦化することにより、第１層間絶縁膜３を形成する。

次いで、このようにして形成した第１層間絶縁膜３上に強誘電体キャパシタ４を形成するべく、これに先立ち、強誘電体キャパシタ４に接続・導通するコンタクトホール１７及びプラグ１８を完成させる。すなわち、第１層間絶縁膜３上に公知のレジスト技術、露光・現像技術によってレジストパターン（図示せず）を形成し、さらにこのレジストパターンをマスクにして、第１層間絶縁膜３及びＳｉＯＮ膜１２の、前記コンタクトホール１７の下部１７ａの直上部をエッチングする。これにより、図３（ｂ）に示すようにコンタクトホール１７の上部１７ｂが形成され、下部１７ａと上部１７ｂとが連続してなるコンタクトホール１７が得られる。このとき、コンタクトホール１７の下部１７ａ内のプラグ１８ａがエッチングストッパ層として機能する。

次いで、前記プラグ下部１８ａ、８ａの埋設工程と同様にして、図３（ｃ）に示すようにコンタクトホール１７の上部１７ｂにプラグ１８の上部１８ａを埋設し、これによって連続したプラグ１８を得る。このプラグ上部１８ａの形成に際しても、前述したようにＴｉＮ（窒化チタン）等の密着層を、予めコンタクトホール１７の上部１７ｂの内壁面に成膜しておくのが好ましい。

次いで、前記第１層間絶縁膜３上に強誘電体キャパシタ４を形成するべく、まず、前記プラグ１８の上面を覆って、第１層間絶縁膜３上に酸素バリア膜１３の形成材料を成膜する。具体的には、ＴｉＡｌＮをスパッタ法等で成膜することにより、図４（ａ）に示すように酸素バリア層１３ａを形成する。
次に、この酸素バリア層１３ａ上に、下部電極１４の形成材料であるイリジウムをスパッタ法等によって成膜し、下部電極層１４ａを形成する。

続いて、この下部電極層１４ａ上に、強誘電体膜１５の形成材料であるＰＺＴを、例えばスパッタ法、スピンオン法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法等によって成膜し、強誘電体層１５ａを形成する。
次いで、この強誘電体層１５ａ上に、上部電極１６の形成材料であるイリジウムをスパッタ法等によって成膜し、上部電極層１６ａを形成する。

その後、公知のレジスト技術、露光・現像技術によって上部電極層１６ａ上にレジストパターン（図示せず）を形成し、さらにこのレジストパターンをマスクにして前記上部電極層１６ａ、強誘電体層１５ａ、下部電極層１４ａ、酸素バリア層１３ａを一括してエッチングし、パターニングすることにより、図４（ｂ）に示すように、酸素バリア膜１３、下部電極１４、強誘電体膜１５、上部電極１６からなる強誘電体キャパシタ４を得る。

このようにして強誘電体キャパシタ４を形成したら、図４（ｃ）に示すようにこの強誘電体キャパシタ４を覆って、スパッタ法やＣＶＤ法等により前記第１層間絶縁膜３上にＡｌＯｘを成膜し、第１絶縁性水素バリア膜５ａを形成する。この第１絶縁性水素バリア膜５ａの膜厚については、特に限定されないものの、例えば３０〜５０ｎｍ程度とされる。

次いで、形成した第１絶縁性水素バリア膜５ａをエッチバックし、図５（ａ）に示すように、第１層間絶縁膜３上及び上部電極１６からそれぞれ第１絶縁性水素バリア膜５ａを除去するとともに、強誘電体キャパシタ４の側壁部に第１絶縁性水素バリア膜５ａからなる第１サイドウォール層１９ａを形成する。このようにして形成された第１サイドウォール層１９ａは、エッチングにより多少膜減りし、その厚さが例えば２０〜４０ｎｍ程度となる。

次いで、図５（ｂ）に示すように強誘電体キャパシタ４を覆って、スパッタ法やＣＶＤ法等により前記第１層間絶縁膜３上に再度ＡｌＯｘを成膜し、第２絶縁性水素バリア膜５ｂを形成する。これにより、第１絶縁性水素バリア膜５ａ（第１サイドウォール層１９ａ）と第２絶縁性水素バリア膜５ｂとからなる絶縁性水素バリア膜５が得られ、特に強誘電体キャパシタ４の側壁部においては、第１サイドウォール層１９ａと第２サイドウォール層１９ｂ（第２絶縁性水素バリア膜５ｂ）とからなる水素バリアサイドウォール１９が得られる。

ここで、第２絶縁性水素バリア膜５ｂの膜厚については、特に、後述するコンタクトホール７の形成時のエッチングを妨げない膜厚、例えば１０〜２０ｎｍ程度とする。したがって、前記水素バリアサイドウォール１９については、その膜厚が積層構造の合計で３０〜６０ｎｍ程度となり、前述したように水素バリア機能を良好に発揮し、特に強誘電体膜１５を十分に保護するものとなっている。

次いで、前記絶縁性水素バリア膜５上に、ＣＶＤ法等によって酸化珪素（ＳｉＯ_２）を成膜し、さらにこれをＣＭＰ法等によって平坦化することにより、図５（ｃ）に示すように第２層間絶縁膜６を形成する。

次いで、前記強誘電体キャパシタの側方に形成したコンタクトホール７の下部７ａに対し、これに連続させてコンタクトホール７の上部７ｂを形成するべく、第２層間絶縁膜６上に公知のレジスト技術、露光・現像技術によってレジストパターン（図示せず）を形成する。そして、このレジストパターンをマスクにして、第２層間絶縁膜６と絶縁性水素バリア膜５と第１層間絶縁膜３とＳｉＯＮ膜１２の、前記コンタクトホール７の下部１７ａの直上部を一括してエッチングする。これにより、図６（ａ）に示すようにコンタクトホール７の上部７ｂが形成され、下部７ａと上部７ｂとが連続してなるコンタクトホール７が得られる。

前記のエッチング法としては、フッ素系のガスなどをエッチャントとするＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）や、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）によるエッチング法、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマによるエッチング法などが採用可能である。
このようにしてエッチングを行うと、従来であれば絶縁性水素バリア膜が厚く、したがってエッチングが良好に行えず、コンタクトホールが正常に形成できなかったものの、本実施形態では、前述したように第１層間絶縁膜３上の絶縁性水素バリア膜５が第２絶縁性水素バリア膜５ｂのみからなることで、その膜厚が十分に薄く形成されているため、コンタクトホール７の上部７ｂの形成が容易になる。

したがって、コンタクトホール７の上部７ｂを一括して連続的に形成することが容易になることから、このコンタクトホール７の上部７ｂを、ホール形状が極端に先細りしてしまうなどの異常を生じることなく正常に形成することができる。

次いで、前記プラグ下部１８ａ、８ａやプラグ上部１８ｂの埋設工程と同様にして、図６（ｂ）に示すようにコンタクトホール７の上部７ｂにプラグ８の上部８ｂを埋設し、これによって連続したプラグ８を得る。このプラグ上部８ｂの形成に際しても、前述したように、ＴｉＮ（窒化チタン）等の密着層を予めコンタクトホール７の上部７ｂの内壁面に成膜しておくのが好ましい。

その後、前記上部電極１６に通じるコンタクトホール（図示せず）を第２層間絶縁膜６に形成し、さらにこのコンタクトホール内にプラグ（図示せず）を埋設する。そして、第２層間絶縁膜６上に第３層間絶縁膜（図示せず）を形成することにより、本発明の強誘電体メモリ装置１を得る。

このような強誘電体メモリ装置１の製造方法にあっては、第１絶縁性水素バリア膜５ａの形成後、この第１絶縁性水素バリア膜５ａをエッチバックして第１層間絶縁膜３上から第１絶縁性水素バリア膜５ａを除去し、これによって強誘電体キャパシタ４の側壁部にのみ選択的に第１サイドウォール層１９ａを形成した後、第２絶縁性水素バリア膜５ｂを形成するので、強誘電体キャパシタ４の側壁部に前記第１サイドウォール層１９ａとこれの上に形成された第２絶縁性水素バリア膜５ｂからなる第２サイドウォール層１９ｂとによって積層構造の水素バリアサイドウォール１９を形成することができる。したがって、これら第１絶縁性水素バリア膜５ａと第２絶縁性水素バリア膜５ｂとを予め設定した厚さに形成し、得られる積層構造の水素バリアサイドウォール１９の膜厚を、水素に対して十分な耐性が得られる厚さにすることにより、強誘電体キャパシタ４の水素に対する耐性を良好に確保することができる。したがって、強誘電体キャパシタ４の水素による電気特性の低下を防止し、高い信頼性を得ることができる。

また、第１層間絶縁膜３上には第２絶縁性水素バリア膜５ｂのみが設けられることにより、この第２絶縁性水素バリア膜５ｂからなる絶縁性水素バリア膜５は水素バリア膜としての一般的な厚さに比べて十分に薄く形成されることになる。したがって、前記第２層間絶縁膜６と絶縁性水素バリア膜５（第２絶縁性水素バリア膜５ｂ）と第１層間絶縁膜３とＳｉＯＮ膜１２とを貫通する深いコンタクトホール７（７ｂ）を形成した際、前記絶縁性水素バリア膜５が十分に薄いことから、結果的にコンタクトホール７（７ｂ）の形成が容易になり、またこのコンタクトホール７（７ｂ）を正常に形成することができる。よって、生産性を向上し、さらにコンタクトホール内に埋設されるプラグの抵抗を安定化して良品率を高めることができる。

このような製造方法によって得られた強誘電体メモリ装置１にあっては、強誘電体キャパシタ４の側壁部に第１サイドウォール層１９ａと第２サイドウォール層１９ｂとからなる積層構造の水素バリアサイドウォール１９が形成され、第１層間絶縁膜上に第２絶縁性水素バリア膜５ｂからなる単一層の絶縁性水素バリア膜５が形成されている。したがって、第１サイドウォール層１９ａとなる第１絶縁性水素バリア膜５ａと第２サイドウォール層１９ｂとなる第２絶縁性水素バリア膜５ｂとを予め設定した厚さに形成し、得られる積層構造の水素バリアサイドウォール１９の膜厚を、水素に対して十分な耐性が得られる厚さにすることにより、強誘電体キャパシタ４の水素に対する耐性を良好に確保することができる。したがって、強誘電体キャパシタの水素による電気特性の低下を防止し、高い信頼性を得ることができる。

また、第１層間絶縁膜３上には第２絶縁性水素バリア膜５ｂのみが設けられたことにより、この第２絶縁性水素バリア膜５ｂからなる絶縁性水素バリア膜５は水素バリア膜としての一般的な厚さに比べて十分に薄く形成されたものとなる。したがって、深いコンタクトホール７（７ｂ）を形成した際、前記絶縁性水素バリア膜が十分に薄いことから、結果的にコンタクトホールの形成が容易になってこのコンタクトホールを一括して連続的に形成することができるとともに、このコンタクトホールを正常に形成することができる。よって、生産性を向上し、さらにコンタクトホール内に埋設されるプラグの抵抗を安定化して良品率を高めることができる。

そして、このような強誘電体メモリ装置１は、携帯電話、パーソナルコンピュータ、液晶装置、電子手帳、ページャ、ＰＯＳ端末、ＩＣカード、ミニディスクプレーヤ、液晶プロジェクタ、およびエンジニアリング・ワークステーション（ＥＷＳ）、ワードプロセッサ、テレビ、ビューファイダ型またはモニタ直視型のビデオテープレコーダ、電子卓上計算機、カーナビゲーション装置、タッチパネルを備えた装置、時計、ゲーム機器、電気泳動装置など、様々な電子機器に適用することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない限り種々の変更が可能である。例えば、前記実施形態ではシリコン基板９上に下地絶縁膜１１と第１層間絶縁膜３とを形成し、これらの間にＳｉＯＮ膜１２を形成したが、ここに形成する層間絶縁膜の膜厚を薄くできる場合には、絶縁膜を二層に分けることなく単一層で形成し、ＳｉＯＮ膜１２の形成も省略することができる。

本発明の強誘電体メモリ装置の一実施形態を示す要部断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１に示した装置の製造方法説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１に示した装置の製造方法説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１に示した装置の製造方法説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１に示した装置の製造方法説明図である。 （ａ）、（ｂ）は図１に示した装置の製造方法説明図である。

符号の説明

１…強誘電体メモリ装置、２…基体、３…第１層間絶縁膜、４…強誘電体キャパシタ、５…絶縁性水素バリア膜、５ａ…第１絶縁性水素バリア膜、５ｂ…第２絶縁性水素バリア膜、６…第２層間絶縁膜、７…コンタクトホール、８…プラグ、１３…酸素バリア膜、１４…下部電極、１５…強誘電体膜、１６…上部電極、１９…水素バリアサイドウォール、１９ａ…第１サイドウォール層、１９ｂ…第２サイドウォール層

Claims (6)

1. 基体上に第１層間絶縁膜を形成する工程と、
   前記第１層間絶縁膜上に下部電極と強誘電体膜と上部電極とからなる強誘電体キャパシタを形成する工程と、
   前記強誘電体キャパシタを覆って前記第１層間絶縁膜上に絶縁性水素バリア膜を形成する工程と、
   前記絶縁性水素バリア膜上に第２層間絶縁膜を形成する工程と、
   前記強誘電体キャパシタの側方にて、前記第２層間絶縁膜と絶縁性水素バリア膜と第１層間絶縁膜とを一括してエッチングし、これら第２層間絶縁膜と絶縁性水素バリア膜と第１層間絶縁膜とを貫通するコンタクトホールを形成する工程と、を備えた強誘電体メモリ装置の製造方法において、
   前記絶縁性水素バリア膜の形成工程が、
   前記強誘電体キャパシタを覆って前記第１層間絶縁膜上に第１絶縁性水素バリア膜を形成する工程と、
   前記第１絶縁性水素バリア膜をエッチバックして前記第１層間絶縁膜上から第１絶縁性水素バリア膜を除去するとともに、前記強誘電体キャパシタの側壁部に第１サイドウォール層を形成する工程と、
   前記エッチバック後、前記強誘電体キャパシタを覆って前記第１層間絶縁膜上に第２絶縁性水素バリア膜を形成し、前記強誘電体キャパシタの側壁部の前記第１サイドウォール層上に前記第２絶縁性水素バリア膜からなる第２サイドウォール層を形成し、該第１サイドウォール層と第２サイドウォール層とからなる水素バリアサイドウォールを形成する工程と、を有してなることを特徴とする強誘電体メモリ装置の製造方法。
2. 前記第１絶縁性水素バリア膜がアルミニウム酸化物であることを特徴とする請求項１記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
3. 前記第１層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、該コンタクトホール内にプラグを埋設する工程を備え、
   前記強誘電体キャパシタを形成する工程は、前記下部電極の下に、前記プラグを覆って酸素バリア膜を形成する工程を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
4. 基体と、
   前記基体上に設けられた第１層間絶縁膜と、
   前記第１層間絶縁膜上に設けられた下部電極、強誘電体膜及び上部電極からなる強誘電体キャパシタと、
   前記強誘電体キャパシタを覆って前記第１層間絶縁膜上に設けられた絶縁性水素バリア膜と、
   前記絶縁性水素バリア膜上に設けられた第２層間絶縁膜と、
   前記強誘電体キャパシタの側方にて、前記第２層間絶縁膜と絶縁性水素バリア膜と第１層間絶縁膜とを貫通して形成されたコンタクトホールと、を備えた強誘電体メモリ装置において、
   前記絶縁性水素バリア膜は、第１絶縁性水素バリア膜と第２絶縁性水素バリア膜とからなり、前記第１絶縁性水素バリア膜は、前記強誘電体キャパシタの側壁部に選択的に形成されて第１サイドウォール層を形成し、前記第２絶縁性水素バリア膜は、前記第１サイドウォール層上に設けられて第２サイドウォール層を形成するとともに、前記強誘電体キャパシタの上部電極上及び前記第１層間絶縁膜上を覆って形成されていることを特徴とする強誘電体メモリ装置。
5. 前記第１絶縁性水素バリア膜がアルミニウム酸化物であることを特徴とする請求項４記載の強誘電体メモリ装置。
6. 前記第１層間絶縁膜にコンタクトホールが形成され、該コンタクトホール内にプラグが埋設されてなり、
   前記強誘電体キャパシタは、前記下部電極の下に、前記プラグを覆う酸素バリア膜を有していることを特徴とする請求項４又は５に記載の強誘電体メモリ装置。
   
   
   

Images