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JPH04102367A - 半導体装置、半導体メモリ及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、半導体メモリ及び半導体装置の製造方法

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Publication number
JPH04102367A
JPH04102367A JP2220905A JP22090590A JPH04102367A JP H04102367 A JPH04102367 A JP H04102367A JP 2220905 A JP2220905 A JP 2220905A JP 22090590 A JP22090590 A JP 22090590A JP H04102367 A JPH04102367 A JP H04102367A
Authority
JP
Japan
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film
hydrogen
semiconductor device
insulating film
ferroelectric
Prior art date
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Application number
JP2220905A
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English (en)
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JP3131982B2 (ja
Inventor
Kazuhiro Takenaka
竹中 計廣
Akira Fujisawa
藤沢 晃
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
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Priority to EP91914601A priority patent/EP0514547B1/en
Priority to PCT/JP1991/001105 priority patent/WO1992003849A1/ja
Priority to DE69124994T priority patent/DE69124994T2/de
Publication of JPH04102367A publication Critical patent/JPH04102367A/ja
Priority to US08/238,802 priority patent/US5523595A/en
Priority to JP30057099A priority patent/JP3362712B2/ja
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、
P Z T (Pb (TlxZr、 ) Oz )な
どの強誘電体膜を用いたキャパシタ構造を有する半導体
メモリや多結晶シリコン・ゲートを用いたCMOS半導
体集積回路における保護膜構造及びその成膜法に関する
ものである。
〔従来の技術〕
従来、強誘電体を用いたストレージ・キャパシタ構造を
有する半導体不揮発性メモリ・セルは、例えば第6図に
示す構造を備えている。このメモリ・セルは、単一の転
送ゲート・トランジスタ(MOS)ランジスタ)Tに強
誘電体膜を用いたストレージ・キャパシタ(コンデンサ
)Cを直列接続したものである。転送ゲート・トランジ
スタTは、P型半導体基板1の上にゲート絶縁膜2を介
して形成されて多結晶シリコン・ゲート3と、この多結
晶シリコン・ゲート3をマスクとしてp型半導体基板1
の表面側にセルファラインで形成された高濃度n型領域
たるソース・ドレイン領域4゜5とから構成されている
。なお、ソース・ドレイン領域4はビット線に、多結晶
シリコン・ゲート3はワード線にそれぞれ接続されてい
る。一方、ストレージ・キャパシタCはフィールド酸化
膜たるLOGO3’(局所酸化膜)6上に構成されてい
る。LOGO36,多結晶シリコン・ゲート3の上には
、例えばCVDによりSiO□又はスパッタ法によるS
iNの第1の層間絶縁膜7が形成され、この層間絶縁膜
7のうちLOCO36の真上にスパッタ法で白金(pt
)の下部平板電極8が形成される。この下部平板電極8
上の一部にはスパッタ法又は塗布法により強誘電体たる
PZT(Pb(TiXZry) 03 )の誘電体膜9
が形成され、またこの誘電体膜9の上にはスパッタ法で
白金の上部平板電極10が形成される。次に、第1の層
間絶縁膜7の上には例えばCVDによるSiO□又はス
パッタ法によるSiNの第2の層間絶縁膜11が形成さ
れ、この層間絶縁膜11の上にスパッタ法によりAff
i配線が形成される。Af配線12aはソース・ドレイ
ン領域5と上部平板電極10とをコンタクト穴を介して
導通させるセル内部配線で、Affi配線12bは下部
平板電極8と図示しないバ・ノド部とを導通させる接地
配線である。なお、第6図には示されていないが、多結
晶シリコン・ゲート3に導通するワード線及びソース・
ドレイン領域4に導通するビット線は上記Af配線と同
一層に形成されている。A!配線12a、12bの上に
はスパッタ法によるSiNのバンシベーション膜13が
形成されている。
〔発明が解決しようとする課B] 誘電体膜9に使用される強誘電体たるPZT(Pb (
TiX Zry) 03 )は電界に対してヒステリシ
ス曲線を持ち、書き込み電圧を取り除くと、残留分極を
保持し続けるため、上述のような不揮発性メモリとして
利用されたり、また比誘電率が約1000程度の値でS
 r Oz膜と比較して2桁以上も大きいので、ダイナ
ミンクRAMのキャパシタとしても利用される。
しかしながら、水素に晒されると残留分極の値が減少し
てしまい、記憶機能に必要な2値論理の幅(マージン)
が狭くなる。また比誘電率の値も低下する。このような
特性劣化は歩留りの低下を招くので、誘電体膜9の形成
工程の後においては水素を誘電体膜9に晒さないような
成膜法に顧慮する必要がある。
プラズマCVD法によるSiNや常圧又は減圧CVD法
によるSiO□の形成にあっては成膜中水素雰囲気にあ
るため、これらの膜を誘電体膜9の上部に形成すると、
水素が誘電体膜9へ侵入し、その特性を劣化させてしま
うので、これらの成膜法を採用することはできない。そ
こで、上記従来の不揮発性メモリの構造においては、第
2の層間絶縁膜11とバノシヘーション膜13はスパッ
タ法の成膜によるSiN膜とされる。これは水素不放出
の工程による成膜だからである。一方、パソシヘーショ
ン膜13は本来的に耐湿性の緻密な膜質が要求されるが
、スパッタ法によるSiN膜は膜質の稠密性に欠け、耐
湿性に劣るので、バンシベーション膜としては不向きで
ある。
本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は
、強誘電体膜の上部にこの強誘電体膜への水素侵入を防
止する成膜法を採用することにより、残留分極及び比誘
電率の高い強誘電体膜を要素とする半導体装置及びその
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] 殊にPZTなどの耐水素性に乏しい強誘電体を用いたキ
ャパシタ構造を有する半導体装置において、本発明の講
じた手段は、例えばスパッタ法又は塗布法により形成さ
れた強誘電体膜の上部に水素不放出性の成膜法による耐
湿性の水素バリア膜を設けたものである。この水素バリ
ア膜の被覆範囲は全面に限らず、キャパシタ構造を覆う
範囲にあれば良い。この水素バリア膜としてはスパッタ
法によるTiN膜でも良いし、また酸素侵入型のTiO
Nでも良い。TiON膜の成膜法としては、TiN膜の
酸素雰囲気でのプラズマ処理又は熱処理、窒素及び酸素
雰囲気中でのTiターゲットによるスパッタ法やTiO
Nのスパッタ法である。
TiONは酸素含有率が小さいときは導電性で、酸素含
有率が大きいときは絶縁性である。また酸素含有率の高
いTiON膜は水素阻止能が高くなる。
この水素バリア膜の上に直接又は層間絶縁膜を介して腐
食防止膜(プラズマCVD法によるSiNや常圧又は減
圧CVD法によるSiO□など)を被着させた構造も採
用される。
(作用〕 水素不放出性の成膜法による耐湿性の水素バリア膜を強
誘電体膜の上部に覆うと、強誘電体膜の形成後において
、プロセス中で発生する水素の当該強誘電体膜の侵入を
防止することができ、残留分極や比誘電率の低下を回避
できる。それ故、残留分極や比誘電率の高い強誘電体膜
を有する半導体装置を得ることができる。水素バリア膜
の上部に腐食防止膜を形成した構造においては、水素バ
リア膜の腐食を防止できる。この腐食防止膜は膜質の緻
密性を必要とするので、主にCVD法による成膜で、水
素放出の成膜法に依らざる得ない。
しかし、下層には水素バリア膜が存在するので、強誘電
体への水素侵入の問題は発生しない。
上記の製造方法は汎用的な手段であるが、水素バリア膜
としてml性(酸素含有率が大)のTiON膜を成膜す
る場合には、上述の腐食防止膜の成膜工程を削減できる
〔実施例] 次に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
一髪上1施拠− 第1図は本発明の第1実施例に係る半導体メモリの構造
を示す断面図である。
P型半導体基板1の表面には熱酸化によるゲート絶縁膜
2とMOSのアクティブ領域を区画形成すべき厚い酸化
膜のLOCO3(局所酸化膜)6が形成される。転送ト
ランジスタTはゲート絶縁膜2を介して形成された多結
晶シリコン・ゲート3と、この多結晶シリコン・ゲート
3をマスクとしてP型半導体基板1の表面側にセルファ
ラインで形成された高濃度n型領域たるソース・ドレイ
ン領域4.5とから構成されている。一方、ストレージ
・キャパシタCはフィールド酸化膜たるL○CO5(局
所酸化膜)6上に構成されている。
先ず、LOGO36,多結晶シリコン・ゲート3の上に
はCVDにより緻密な第1の層間絶縁膜(SiOz又は
5iN)7が全面形成される。次に、この層間絶縁膜7
のうちLOCO36の真上にスパッタ法で白金(pt)
の下部平板電極8が形成される。次に、この下部平板電
極8上の一部にはスパッタ法又は塗布法により強誘電体
たるPZT (Pb (T+x Zry ) O:+ 
)の誘電体膜9が形成される。また次に、この誘電体膜
9の上にはスパッタ法で白金の上部平板電極10が形成
され、ストレージ・キャパシタCが得られる。
次に、第1の層間絶縁膜7の上にはスパッタ法によるS
iNの第2の層間絶縁膜(下部層間絶縁膜)11が形成
される。そして、ソース・ドレイン領域5.上部平板電
極10.下部平板電極8の部位にコンタクト穴が窓明け
される。
次に、この層間I!緑WA11の上にはスパッタ法によ
りA!配線が形成される。A1配線12aはソース・ド
レイン領域5と上部平板電極10とをコンタクト穴を介
して導通させるセル内部配線で、A1配線12bは下部
平板電極8と図示しないパ・ンド部とを導通させる接地
配線である。なお、第1図には示されていないが、多結
晶シリコン・ゲート3に導通するワード線及びソース・
ドレイン領域4に導通するビット線は上記Aj2配線と
同一層に形成されている。
次ニ、A1配線12a、12bの上にはスパッタ法によ
るSiNの第3の層間絶縁膜(上部層間絶縁膜)13′
が形成されている。勿論、この工程中では水素不放出で
あることから、誘電体膜9の特性劣化の問題は発生しな
い。第3の層間絶縁膜13′の1IEtは緻密性に欠け
るかので、バツシヘーション膜としての意義は少なく、
後述するように、導電性で耐湿性の水素バリア膜14と
A1配線12a。
12bとの層間絶縁膜たる意義を有する。
次に、第3の層間絶縁膜13′の上にスパッタ法でTi
N膜を耐湿性の水素バリア膜14として形成する。この
成膜過程においては水素の発生がないため、誘電体膜9
の特性劣化の問題は発生しない。
本発明者は水素バリア膜14としてこのTiN膜が好適
であるを見出した。一般に半導体技術においてTiN膜
はシリコンとA1のバリアメタルとして知られているが
、このTiN膜は緻密性に冨み、導電性の膜であるため
、耐湿性で水素非透過性の保護膜であると共に、電磁シ
ールド機能をも果たす。この窒化チタン(TiN;チタ
ンナイトライド)は酸化して酸素侵入型のTiONとな
り易い。
酸素含有率の高いTiONは水素非透過性がより高くな
り、水素バリア膜として優れている。したがって、この
水素バリア膜膜14としてはTiON膜であっても良い
。TiON膜の成膜法としては次のいずれかの方法を採
用する。
■ TiN膜の酸素雰囲気でのプラズマ処理法■ Ti
N膜の酸素雰囲気での熱処理法■ Nz、 02雰囲気
中でのTiターゲットによるスパッタ法 ■ TiONのスパッタ法 なお、水素バリア膜が酸素含有率の高いTiONである
場合には、導電性でないから層間絶縁膜13′の形成は
不要である。
ところで、水素バリア膜14はTiN膜又TiON膜で
あるので、一般に導電性を有しているが、酸素侵入型の
TiONは酸素含有率が小なるときは導電性を帯び、酸
素含有率が大なるときは絶縁性となる。
ffi殊− 第2図は本発明の第2実施例に係る半導体メモリの構造
を示す断面図である。なお、第2図において第1図に示
す部分と同一部分には同一参照符号を付し、その説明は
省略する。
この実施例においては、水素バリア膜14の上にプラズ
マCVD法によるSiN膜や常圧又は減圧CVD法によ
る5iOz膜の腐食防止膜15を形成する。この膜は緻
密性に冨み湿気の浸透を阻止するので、水素バリア膜1
4の腐食を防止することができる。プラズマCVD法に
よるSiN膜や常圧又は減圧CVD法によるSiC2膜
の成膜法は、水素の発生又は水素雰囲気中でのプロセス
であるが、その水素侵入は既に形成された水素バリア膜
14によって阻止されるため、誘電体膜9への影響を惹
起させることはない。
一第41【室側− 第3図は本発明の第3実施例に係る半導体メモリの構造
を示す断面図である。なお、第3回において第2図に示
す部分と同一部分には同一参照符号を付し、その説明は
省略する。
この第3実施例の第2実施例に対して異なる点は、Ti
N膜又はTiON膜の水素バリア膜14′の形成領域を
ストレージ・キャパシタ構造を覆う範囲に限定したとこ
ろにある。水素バリア膜14′の意義は、耐湿性のある
ことは勿論のこと、その成膜中では水素不放出性で且つ
水素非透過性であれば良い。水素バリア膜14’の上に
形成するプラズマCVD法によるSiN膜や常圧又は減
圧CVD法によるSiO□膜の腐食防止膜15は、その
成膜中に水素の発生を招くが、積層構造の下層へ水素が
侵入しても誘電体膜9へ到達しないよう水素バリアW!
14’が水素侵入を遮蔽すれば充分である。
水素バリアy14′はストレージ・キャパシタ構造を覆
う範囲で水素の侵入を遮蔽する。横方向からの水素の侵
入到達距離が長いことから殆ど問題とはならない。
ところで、第1実施例や第2実施例において、全面的に
形成される水素バリア膜14がTiN膜や酸素含有率の
小なるTiON膜の場合は導電性を有するので、A1配
線12bと同一層に形成されるバッド部とこれに接続す
べきボンディング・ワイヤとの接続方法について検討す
る必要がある。−数的な接続方法を第4図に示す。先ず
、第4図(A)に示すように、第2の層間絶縁膜の上に
A1871部12cをAl配線12bと同一層で形成し
た後、第2の層間絶縁膜13′、導電性の水素バリア膜
14及び腐食防止膜15を順次形成し、次に、第4図(
B)に示す如く、AI!、パッド部12cの真上の3層
をエツチング処理で除去してコンタクト穴16を形成し
てから、第4図(C)に示すように、ボンディング・ワ
イヤ17をAPバンド部12cの露出領域に対し圧着す
る。かかる接続法によれば、ボンディング・ワイヤ17
の圧着によってAfパッド部12cのみならずコンタク
ト穴の側壁に望む導電性の水素バリア膜14にもボンデ
ィング・ワイヤ17が導通してしまう。これは他のボン
ディング・ワイヤとのショートを引き起こす。
第5図は、上記問題点を解決するため、バンド部とボン
ディング・ワイヤとの改善接続方法を示す工程図である
先ず、第5図(A)に示すように、第2の層間絶縁膜の
上にA1871部12cをAl配線12bと同一層で形
成し、この上に第2の層間絶縁膜13′及び導電性の水
素バリア膜14を順次形成する。
次に、第5図(B)に示す如(、腐食防止膜15の形成
の前に、Afバッド部12cの真上の3層をエツチング
処理で除去して窓明は部16aを形成して一旦AI!、
バンド部12cを露出させる。その露出領域をXとする
次に、第5[D (C)に示すように、上記露出領域X
をも含めて水素バリア膜14の上に腐食防止膜15’を
形成する。ここではコンタクト穴り6a内も腐食防止膜
15′で覆われる。
次に、第5図(D)に示すように、Allバット12c
の真上の1層の腐食防止膜15をエンチング処理で除去
してコンタクト穴16bを形成する。Allバフ部12
c表面に形成すべき露出領域の広さ範囲Yは上記露出領
域の広さ範囲Xに比して狭く設定する。
次に、第5図(E)に示すように、ボンディング・ワイ
ヤ17をA1871部12cの露出領域Yに対し圧着す
る。
このような接続方法を採用すると、ボンディング・ワイ
ヤ17がA!パッド部12cにのみ導通し、導電性の水
素バリア膜14には導通しない。水素バリア膜14とボ
ンディング・ワイヤ17とは腐食防止膜15で絶縁され
ているからである。なお、Allバッド12cとボンデ
ィング・ワイヤ17との接続に限らず、A!パッド部1
2cとハンプとの接続、Al配線と上層の八!の接続(
スルーホール接続)にも上記接続方法を適用できる。
水素侵入による特性劣化の問題は、強誘電体膜に限らず
、多結晶シリコン・ゲートを有するCMOS集積回路等
においても問題となる。多結晶シリコン・ゲートが水素
に触れると、しきい値の変動を招き、歩留まりの悪化要
因となる。それ故、耐湿性の水素バリア膜を強誘電体膜
の保護だけでなく、多結晶シリコン・ゲートの保護膜を
してその上部に形成してお(ことは、多結晶シリコン・
ゲートの特性の安定性に寄与する。
(発明の効果〕 以上説明したように、本発明は、強誘電体又は多結晶シ
リコン・ゲートを要素とする半導体装置において、強誘
電体又は多結晶シリコン・ゲートの上部に水素不放出性
の成膜法によりなるTiN膿やTiONl1等の耐湿性
の水素バリア膜を形成した点に特徴を有するものである
。従って以下の効果を奏する。
■ 水素バリア膜の形成自体が水素を発生しないので、
強誘電体又は多結晶シリコン・ゲートへの水素侵入の影
響がない。また水素バリア膜の形成後に水素放出性の成
膜法が使用された場合や水素雰囲気に半導体装置1湾が
置かれた場合でも水素バリア膜がその水素の侵入を阻止
する。従って、強誘電体の残留分極や比誘電率の低下、
多結晶シリコン・ゲートのしきい値の変動等のような水
素侵入による特性劣化の問題を回避できる。
■ 腐食性の水素バリアの場合、その上に腐食防止膜を
形成した構造を採用すると、水素バリアの腐食を防止で
きることば勿論、その腐食防止膜の形成が水素放出性の
成膜法による場合であっても、強誘電体又は多結晶シリ
コン・ゲートへの水素の侵入の問題は生じさせない。
■ 絶縁性のあるTiON膜を耐湿性の水素バリア膜と
して形成した場合には、水素阻止能が高い構造を得るこ
とができる。また層間絶縁膜も削減することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例に係る半導体メモリの構造
を示す断面図である。 第2図は本発明の第2実施例に係る半導体メモリの構造
を示す断面図である。 第3図は本発明の第3実施例に係る半導体メモリの構造
を示す断面図である。 第4図(A)乃至(C)は同半導体メモリにおけるパッ
ド部とボンディング・ワイヤとの一般的な接続方法を示
す工程図である。 第5図(A)乃至(E)は同半導体メモリにおけるパッ
ド部とボンディング・ワイヤとの改善された接続方法を
示す工程図である。 第6図は従来における半導体メモリの構造の一例を示す
断面図である。 〔符号の説明〕 l・・・P型半導体基板 2・・・ゲート絶縁膜 3・・・多結晶シリコン・ゲート 4.5・・・高濃度n型のソース・ドし・イン領域6・
・・LOCO3(局所酸化膜) 7・・・第1の層間絶縁膜 8・・・白金の下部平板電極 9・・・強誘電体たるP Z T (Pb (TiXZ
ry) 03)の誘電体膜 10・・・白金の上部平板電極 11・・・第2の層間絶縁膜 12a  12b−−−Af配線 12c・・・Affiパッド部 13′・・・第3の層間絶縁膜 14.14 ’・・・水素バリア膜(スパッタ法等によ
るTiN膜やTiON膜) 15・・・腐食防止膜 16a・・・窓明は部 16b・・・コンタクト穴 17・・・ボンディング・ワイヤ T・・・転送[・ランジスタ C・・・スト用/−ジ・キャパシタ XY・・・露出領域の広さ範囲 以上 第7図 第2図 特許出願人 セイコーエプソン株式会社代 埋入 弁理
士 山 1) 稔 し 第3図 第4図 2c

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)強誘電体膜又は多結晶シリコン・ゲートを要素と
    する半導体装置であって、該要素の上部において少なく
    とも該要素を覆う範囲に、水素不放出性の成膜法により
    なる耐湿性の水素バリア膜を具有することを特徴とする
    半導体装置。
  2. (2)請求項第1項記載において、前記水素バリア膜の
    上部にはこれを覆う腐食防止膜を具有することを特徴と
    する半導体装置。
  3. (3)請求項第1項又は第2項記載において、前記バリ
    ア膜がTiN膜であることを特徴とする半導体装置。
  4. (4)請求項第1項又は第2項記載において、前記水素
    バリア膜がTiON膜であることを特徴とする半導体装
    置。
  5. (5)請求項第2項乃至第4項記載のいずれか一項記載
    において、前記腐食防止膜はSiN膜であることを特徴
    とする半導体装置。
  6. (6)請求項第1項ないし第5項のいずれか一項記載の
    半導体装置を用いた半導体メモリ。
  7. (7)請求項第1項ないし第5項のいずれか一項記載の
    半導体装置を用いたCMOS半導体集積回路。
  8. (8)強誘電体膜又は多結晶シリコン・ゲートを要素と
    する半導体装置の製造方法において、該強誘電体膜又は
    多結晶シリコン・ゲートを形成した後に水素不放出性の
    成膜法により層間絶縁膜を形成する工程と、該要素の上
    部で少なくとも該要素を覆う範囲に、水素不放出性の成
    膜法により耐湿性の水素バリア膜を形成する工程と、を
    有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. (9)請求項第8項に記載の製造方法において、前記水
    素バリア膜の形成工程の後、該水素バリア膜の上に腐食
    防止膜を覆う工程、を有することを特徴とする半導体装
    置の製造方法。
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