JP2004526320A - 強誘電性記憶セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、積層方式による強誘電性記憶セルの製造方法に関するものである。記憶コンデンサの下部コンデンサ電極（６）と、その下に形成された導電性プラグ（１）（これは、キャパシタ電極（６）と、半導体ウェハ中または半導体ウェハ上に形成された選択トランジスタのトランジスタ電極との電気的接続に用いられる。）との間に付着層（２，３）を形成し、この付着層の上に、酸素拡散障壁（４，５）を形成する。そして、強誘電体を堆積した後、酸素雰囲気中で瞬間熱処理（ＲＴＰ）工程を行う。この方法の特徴は、以下の工程を実施することにある。（Ａ）温度（Ｔ）に依存する、付着層（２，３）の材料中の、付着層（２，３）の酸化速度および酸素の拡散係数（Ｄ_Sauerstoff（Ｔ））を決定する。（Ｂ）温度に依存する、付着層（２，３）の材料中の、珪素の拡散係数（Ｄ_Silizium（Ｔ））を、温度（Ｔ）の関数として決定する。そして、（Ｃ）ＲＴＰ工程の間、付着層の酸化よりも速く付着層の珪素化合反応が生じるように、付着層および酸素拡散障壁からなる層組織の所定の層厚（ｄ_BARR）および層幅（ｂ_BARR）について、すでに決定された２つの拡散係数（Ｄ_Sauerstoff（Ｔ）およびＤ_Silizium（Ｔ）から、ＲＴＰ工程に対する最適温度範囲を計算する。

Description

【０００１】
本発明は、積層方式（Stack-Prinzip）による強誘電性記憶セルの製造方法に関するものである。積層方式では、記憶コンデンサ（Speicherkondensators）の下部コンデンサ電極（unteren Kondensatorelektrode）と、この記憶コンデンサの下に形成した導電性プラグとの間に、付着層を形成する。この導電性プラグは、コンデンサ電極を、半導体ウェハ中または半導体ウェハ上に形成した選択トランジスタのトランジスタ電極に、電気的に接続するために用いられる。そして、この付着層の上に酸素拡散障壁を形成する。そして、強誘電体を堆積した後、酸素雰囲気中でＲＴＰ工程を行う。この積層セル方式（Stack-Zellen-Prinzip）に従って構成した強誘電性記憶セルの場合、半導体ウェハ中または半導体ウェハ上にトランジスタを作り上げることが典型的である。次に、中間酸化物を堆積する。そして、この中間酸化物上には、強誘電性コンデンサ構造体（ferroelektrischen Kondensatormodule）を製造する。強誘電性コンデンサ構造体は、プラグによってトランジスタに接続される。このプラグは、積層セル方式の場合には、コンデンサ構造体のすぐ下に位置する。
【０００２】
強誘電性コンデンサ構造体の強誘電性層を調整するために、８００℃までの温度の酸素雰囲気中で熱処理（Ferro Anneal）を行う必要がある。また、この熱処理中、主にポリシリコンまたはタングステンからなるプラグを、酸化から保護する必要がある。なぜなら、そうしなければ、下部コンデンサ電極とトランジスタとの間の電気的接続が不可逆的に遮断されてしまうからである。さらに、下部コンデンサ電極と、強誘電体と、プラグとの間の反応がチップの機能性を妨げてしまうところでは、この反応を回避する必要がある。
【０００３】
近年、商業的に利用可能な強誘電性層を有する全ての製品は、オフセットセル方式（Offset-Zellen-Prinzip）に従って製造されており、それらの集積密度は、数キロビットから１メガビットまでである。
【０００４】
積層セル方式に従って構成された強誘電性記憶素子においてプラグを酸化から保護するために、酸素拡散障壁およびその下に位置する付着層からなる層組織（Schichtsysteme）が導入されてきた。しかし、熱処理を行う間に、この酸化拡散障壁、とりわけその下に位置する付着層、および、ポリシリコンまたはタングステンからなるプラグ、あるいは、付着層の側方からの表面の酸化を防止することは、非常に困難である。
【０００５】
また、試作品を用いて発明者によって行われた実験から、チタンからなる付着層中で熱処理を行う間に競合工程（konkurrierende Prozesse）が行われることが明らかになった。
【０００６】
添付した図１に、積層セル方式に従って構成された強誘電性記憶セルの概略断面図を示す。この図は、中間酸化物層７（ＴＥＯＳ）を通って接続される、例えばポリシリコンからなるプラグ１と、そのすぐ上に位置し、例えばＴｉＳｉ₂からなる付着層の下層部分２と、付着層の下層部分の上に位置する例えばＴｉからなる付着層の上層部分３と、例えばＩｒからなる酸素拡散障壁の下層部分４と、その上に位置する例えばＩｒＯ₂からなる酸素拡散障壁の第２部分５とを示している。また、この酸素拡散障壁の上部ＩｒＯ₂部分５の上には、例えばＰｔからなる下部コンデンサ電極６が位置している。図１では、熱処理を行う間に側方から起こる酸化が、黒く塗りつぶされた太い矢印によって示されている。また、付着層２，３中で同時に起こるＴｉＳｉ−Ｉｒの形成が、塗りつぶされていない矢印によって示されている。また、ＩＩで表した円は、図２ａおよび２ｂに細部を示す、抜粋箇所を取り囲んだ円である。以下に、この抜粋箇所について説明する。図２ａおよび２ｂに概略的に示した製造工程（Prozesse）および構成は、発明者によって産出されたＴＥＭ像（TEM-Aufnahmen）（ＴＥＭ＝透過型電子顕微鏡）に基づいている。図２ａでは、側方から起こる付着層２,３の酸化を示すために、再び、太い矢印を用いている。この場合、絶縁性ＴｉＳｉ−Ｏ領域（isolierender TiSi-O-Bereich）１０が、側方から生じる。また、黒く塗られていない矢印は、上方および下方から起こる珪素化合反応（Silizidierung）、つまりＴｉＳｉ−Ｉｒの形成を示している。図２ａでは、導電性ＴｉＳｉ−Ｉｒ層の形成は、側方からの絶縁性ＴｉＳｉ−Ｏ層１０の形成よりも早く起こっている。
【０００７】
これに対して、図２ｂでは、絶縁性ＴｉＳｉ−Ｏ領域１０が、プラグ１の全幅にわたって側方から形成されている。このため、図２ｂでは、プラグ１は、強誘電性コンデンサの下部電極６と電気的に接続していない。
【０００８】
したがって、Ｔｉ付着層がＩｒ／ＩｒＯｘによって覆われているにもかかわらず、付着層２を酸化してしまう酸素拡散経路が、ＩｒＯｘ／ＴＥＯＳの界面に沿って存在することが見受けられる。
【０００９】
発明者によって行われた実験では、側方からのＴｉＳｉ−Ｏの形成速度と、それと同時に起こる上方および下方からのＴｉＳｉ−Ｉｒの形成速度とは、これらの反応が起こる温度に依存する、ということが明らかになった。
【００１０】
酸素を用いてＲＴＰ工程（ＲＴＰ＝瞬間熱処理）を行うことによって、側方からのＴｉＳｉ−Ｏの形成よりも、付着層中で上方および下方からのＴｉＳｉ−Ｉｒの形成を加速させることが可能である。
【００１１】
本発明の目的は、所定の厚さのＴｉ付着層に対して、層組織が導電性を保つ理想的なＲＴＰ温度を得ることが可能な、積層方式によって構成される強誘電性記憶セルの製造方法を提供することである。
【００１２】
本発明の方法の特徴は、次の（Ａ）〜（Ｃ）の工程を実施することにある。
（Ａ）付着層の材料中の酸素の拡散係数を、温度の関数として決定する工程。
（Ｂ）付着層の材料中の、珪素化合反応速度および珪素の拡散係数を、温度の関数として決定する工程。そして、
（Ｃ）ＲＴＰ工程の間、付着層の珪素化合反応が付着層の酸化よりも早く起こるように、付着層および酸素拡散障壁からなる層組織の所定の層厚および層幅について、すでに算出された２つの拡散係数から、ＲＴＰ工程のための最適温度範囲を計算する工程。
【００１３】
本発明では、付着層の酸化速度を決定し、それを基に付着層の材料（例えばチタン）中の酸素の拡散係数を、温度の関数として決定する。同様に、チタン層からＴｉＳｉ−Ｉｒ層が形成される速度を決定し、それを基に拡散係数を、温度の関数として決定する。そして、チタン層厚が設定されている場合、温度に依存する拡散係数および酸化速度を、最適温度を計算するために用いることができる。この最適温度は、ＴｉＳｉ−Ｉｒの形成が十分に速く、すなわち、層組織の導電性を保つために、同時に形成される絶縁性ＴｉＳｉ−Ｏ領域よりも速く起こるのに必要な温度である。
【００１４】
本発明は、ＲＴＰ工程の最適温度範囲または最適温度を計算するために用いることができる方程式を提供する。
【００１５】
【数１】

【００１６】
関係（１）に関して、左辺は、付着層が全て珪素化合反応するまでの時間、右辺は、付着層が全て酸化するまでの時間を示している。
ｄ_BARRは、酸素拡散障壁および付着層からなる組織の層厚を示し、
ｂ_BARRは、層幅の半分を示し、
Ｄ_Siliziumは、珪素の温度に依存する拡散係数を示し、
Ｄ_Sauerstoffは、付着層の材料中における酸素の温度に依存する拡散係数を示している。
【００１７】
以下に、本発明による製造方法の１実施例を、図面を参照しながら詳述する。
図１は、上述したように、ＲＴＰ工程の間に生じる競合工程を表す、積層セル方式に従って構成された強誘電性記憶セルの概略的断面図を示している。
図２ａおよび図２ｂは、図１の抜粋箇所ＩＩの詳細図である。図２ａおよび図２ｂは、それぞれ、機能する（funktionierenden）電気的接続を生じる過程（ａ）と、付着層の酸化の結果として導電性接続が遮断される過程（ｂ）とを具体的に示している。
図３は、図１と同様、本発明による方法を示すための、積層セル方式に従って構成された、機能する強誘電性記憶セルの断面図である。
【００１８】
すでに説明してきた図１,２ａおよび２ｂに対して、図１と同様に積層セル方式に従って構成された強誘電性記憶セルの一部を通る断面を示す図３は、本発明による方法にとって重要な変数を示している。これらの変数とは、付着層２，３および酸素拡散障壁４，５からなる層組織の厚さｄ_BARRと、
この層組織の幅の半分であるｂ_BARRと、
付着層２，３の材料中での、酸素の（温度に依存する）拡散係数を表すＤ_Sauerstoff（太い矢印）と、
である。そして、付着層２，３の珪素化合反応に重要な珪素の（温度に応じた）拡散係数を表すＤ_Silizium（下からの太い矢印）である。
【００１９】
関係（１）
【００２０】
【数２】

【００２１】
では、左辺は、付着層の珪素化合反応が全て終了するまでの時間を、右辺は、付着層の酸化処理が全て終了するまでの時間を示している。
【００２２】
上述したように、Ｄ_Siliziumは、珪素の温度に依存する拡散係数を示し、Ｄ_Sauerstoffは、規定された界面に沿った、酸素の温度に依存する拡散係数を示している。指数ｄ／Ｄまたはｂ／Ｄは、単位の関係（einheitenmaessig）において、結果として時間を意味する。上記の関係は、特定の温度で、特定の行列（Matrix）における特定の種類（Spezies）について決定された拡散係数、および、図３に示した寸法、つまり、層厚ｄ_BARRおよび半分の層幅ｂ_BARRに基づいて、機能障壁（funktionierenden Barriere）を製造する条件を示している。特定の温度（Ｄは温度関数である）および選択された寸法ｂおよびｄに関して、珪素化合反応のための時間（左辺）は、酸化のための時間（右辺）よりも短くなければならない。
【００２３】
例証のために行った製造工程では、初めに（上部電極のパターニング後に）、ＲＴＰ工程を、８００℃で１５秒間、酸素中で行い、続いて、Ｏ₂中での熱処理を、温度約６７５℃で１５分間行った。この製造方法を用いて製造した強誘電性記憶セルに関して得られたＴＥＭ像は、側方から形成されるＴｉＳｉ−Ｏ領域が、付着層および酸素拡散障壁を介したポリシリコンプラグと下部コンデンサ電極との導電性接続を、遮断できない程度に小さかった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ＲＴＰ工程の間に生じる競合工程を表す、積層セル方式に従って構成された強誘電性記憶セルの概略的断面図である。
【図２ａ】図１の抜粋箇所ＩＩの詳細図であり、機能する電気的接続（funktionierenden）を生じる過程を示している。
【図２ｂ】図１の抜粋箇所ＩＩの詳細図であり、付着層の酸化の結果として導電性接続が遮断される過程を示している。
【図３】本発明による方法を示すための、積層セル方式に従って構成された、機能する強誘電性記憶セルの断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１ ポリシリコンプラグ
２ ＴｉＳｉ₂付着層
３ Ｔｉ付着層
４ Ｉｒ酸素拡散障壁
５ ＩｒＯ₂酸素拡散障壁
６ 強誘電性コンデンサの下部電極
７ ＴＥＯＳ層
１０ ＴｉＳｉ−Ｏ領域
ｄ_BARR 層組織２−５の厚さ
ｂ_BARR 層組織２−５の幅の半分
Ｄ_Silizium 層２,３の材料中の珪素の拡散係数
Ｄ_Sauerstoff 層２,３の材料中の酸素の拡散係数

Claims (4)

1. 積層方式に従った強誘電性記憶セルの製造方法であって、
   強誘電性記憶コンデンサの下部コンデンサ電極（６）と、強誘電性記憶コンデンサの下に形成し、コンデンサ電極（６）を半導体ウェハ中または半導体ウェハ上に形成した選択トランジスタのトランジスタ電極に電気的に接続するために用いる導電性プラグ（１）との間に付着層（２，３）を形成し、上記付着層の上に酸素拡散障壁（４，５）を形成し、強誘電体を形成した後、酸素雰囲気中でＲＴＰ工程を行う強誘電性記憶セルの製造方法において、
   （Ａ）付着層（２，３）の酸化速度、および、付着層（２，３）の材料中の酸素の拡散係数（Ｄ_Sauerstoff（Ｔ））を、温度（Ｔ）の関数として決定する工程と、
   （Ｂ）付着層（２，３）の材料中の、珪素の拡散係数（Ｄ_Silizium（Ｔ））を温度（Ｔ）の関数として決定する工程と、
   （Ｃ）ＲＴＰ工程の間、付着層の酸化よりも速く付着層の珪素化合反応が生じるように、付着層および酸素拡散障壁からなる層組織の所定の層厚（ｄ_BARR）および層幅（ｂ_BARR）について、すでに決定された２つの拡散係数（Ｄ_Sauerstoff（Ｔ）およびＤ_Silizium（Ｔ））から、ＲＴＰ工程に対する最適温度範囲を計算する工程と、を含むことを特徴とする強誘電性記憶セルの製造方法。
2. 上記ＲＴＰ工程に基づいた付着層（２，３）が、ＴｉＳｉ₂からなる下部層（２）と、上記下部層（２）のすぐ上のＴｉからなる層（３）と、からなることを特徴とする、請求項１に記載の強誘電性記憶セルの製造方法。
3. 上記酸素拡散障壁（４，５）が、ＲＴＰ工程の前に、Ｉｒからなる下部層（４）と、付着層の上部Ｔｉ層（３）のすぐ上に位置し、上記酸素拡散障壁の下部層（４）を直接覆う、ＩｒＯ₂からなる上部層（５）とからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の強誘電性記憶セルの製造方法。
4. 上記ＲＴＰ工程のための最適温度範囲を、
   

   

   から計算し、
   上式の左辺は、上記付着層が全て珪素化合反応するまでの時間、右辺は、上記付着層（２，３）が全て酸化するまでの時間を示し、
   ｄ_BARRは、付着層および酸素拡散障壁からなる層組織の層厚を示し、
   ｂ_BARRは、付着層および酸素拡散障壁からなる層組織の層幅の半分を示し、
   Ｄ_Siliziumは、珪素の温度に依存する拡散係数を示し、
   Ｄ_Sauerstoffは、付着層（２，３）の材料中における酸素の、温度に依存する拡散係数を示していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の強誘電性記憶セルの製造方法。

Images