半导体器件及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种半导体器件及其制造方法，在氢气氛中进行热处理的过程中，可以确实有效地防止氢侵入电容绝缘膜中。解决该任务的技术措施是，在半导体衬底１００上形成第１氢阻挡膜１０８，在该第１氢阻挡膜１０８上间隔导电膜１１０形成电容下部电极１１１；在第１氢阻挡膜１０８上形成第１绝缘膜１１２，其将电容下部电极１１１的侧面覆盖住并使电容下部电极１１１的上面露出；在电容下部电极１１１和第１绝缘膜１１２的上面形成由绝缘性金属氧化物构成的电容绝缘膜１１３；在该电容绝缘膜１１３上形成电容上部电极１１４；第２阻挡膜１１５覆盖电容绝缘膜１１３和电容上部电极１１４并且在与电容上部电极１１４的棱角部位相对应的部位上形成倾斜部１１５ａ。在第２绝缘膜１１５上形成第２氢阻挡膜１１６。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有使用绝缘性金属氧化物膜作为电容绝缘膜的强电介质电容器的。
技术介绍
近年来，伴随着数字技术的发展，正处于推动处理和保存大容量数据的趋势中，其中，为了进一步提升电子仪器的等级，构成电子设备中使用的半导体器件的半导体存储元件的微细化正在快速地发展。另外，为了实现动态RAM的高集成度化，人们进行了广泛的研究，开发使用高电介质代替以往的氧化硅或氮化硅作为构成半导体存储元件的电容绝缘膜的技术。另外，为了使可以在低电压下工作并能高速写入和读出的非易失性RAM达到实用化，人们在积极地研究和开发具有自然极化特性的强电介质膜。在使用强电介质膜作为电容绝缘膜的半导体存储装置中，必须防止由于氢的还原作用而引起的强电介质膜的自然极化特性的劣化和丧失，导致强电介质膜失去作为电容绝缘膜的功能。特别是，由于强电介质材料是具有氧原子的层状氧化物，在半导体器件的制造过程中由于在氢气氛中进行的热处理而容易被还原，因而强电介质膜的自然极化特性容易劣化或丧失。作为在半导体器件的制造过程中进行的在氢气氛中的热处理的一个例子可以举出，形成铝布线后，为了确保晶体管的性能，例如在400℃温度下进行10-30分钟的氢退火等。下面参照图11说明例如日本专利申请公开特开平04-102367中所述的、具有由强电介质膜构成的电容绝缘膜的以往的半导体器件。如图11所示，在半导体衬底10的表面层形成埋入型元件隔离区11。在被元件隔离区11所包围的区域中的半导体衬底10上面间隔栅极绝缘膜12形成栅电极13，并在被元件隔离区11包围的半导体衬底10的表面部形成源极区域14和漏极区域15，在漏极区域15上连接位线16。由栅电极13、源极区域14和漏极区域15构成了形成存储元件用晶体管的场效应晶体管，栅电极13成为字线。在半导体衬底10的上面形成保护绝缘膜17，将栅电极13、源极区域14、漏极区域15以及位线16覆盖住，在该保护绝缘膜17中埋入贯穿该保护绝缘膜17而延伸至源极区域14的、由钨构成的接触插针18，在保护绝缘膜17的上面形成与接触插针18的上端连接的电容下部电极19。电容下部电极19由Pt膜和导电性叠层阻挡膜构成，所述的导电性叠层阻挡膜由IrO2膜、Ir膜和TiAlN膜的叠层膜构成，用于防止氧和氢的透过。在保护绝缘膜17上面的电容下部电极19彼此之间形成由氮化硅膜构成的第1氢阻挡膜20，在电容下部电极19和第1氢阻挡膜20的上面，形成由强电介质膜构成的电容绝缘膜21和电容上部电极22，由电容下部电极19、电容绝缘膜21和电容上部电极22构成强电介质电容器。但是，为了使形成电容绝缘膜21的强电介质膜结晶化，需要例如在850℃温度下进行3分钟的氧退火处理，为了防止构成接触插针的钨与氧发生异常反应，在构成电容下部电极19的导电性叠层阻挡膜中含有IrO2膜和Ir膜。在第1氢阻挡膜20的上面，采用溅射法形成由Al2O3(氧化铝)或TiAlO(氧化铝钛)构成的第2氢阻挡膜23。但是，在上述半导体器件中，由于为了使形成电容绝缘膜21的强电介质膜结晶化而进行的氧退火处理，在电容下部电极19的内部发生剥离，因而在氢气氛中热处理的工艺过程中不能完全防止氢侵入电容绝缘膜21中。这是该半导体器件存在的第1个问题。另外，由于第2氢阻挡膜23的结晶性和被覆性不好，第2氢阻挡膜23不能完全防止氢的侵入。这是该半导体器件存在的第2个问题。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的是，在为了使形成电容绝缘膜的强电介质膜结晶化而进行的氧退火处理中防止电容下部电极的内部发生剥离，并通过提高第2氢阻挡膜的结晶性和被覆性，在氢气氛中进行的热处理工艺过程中确实有效地防止氢侵入电容绝缘膜中。第1研究结果下面说明本专利技术人对于发生上述第1个问题的机理所进行的研究。如上所述，为了使形成电容绝缘膜21的强电介质膜结晶化，通常要在650℃-850℃的温度范围内进行氧退火处理。图12是表示由于氧退火处理而产生的第1氢阻挡膜20的热应力与半导体衬底的温度之间关系的热应力曲线。该场合的氧退火处理，是在升温速率+4℃/分、降温速率-10℃/分、在850℃下的保持时间为30分钟的条件下进行的。另外，纵轴的正向表示拉伸应力，负向表示受压应力。由图12可以看出，当衬底温度达到600℃以上时，第1氢阻挡膜20的应力由受压应力变为拉伸应力。本专利技术人发现，由于应力由受压应力变为拉伸应力，电容下部电极19中的叠层界面、特别是Ir膜与TiAlN膜的界面处的附着力恶化，在电容下部电极19的内部发生剥离。如上所述，一旦电容下部电极19的内部发生剥离，剥离面就会形成氢的通道，因而难以完全防止氢侵入电容绝缘膜22中。本专利技术的解决上述第1个问题的原理是，做成即使第1氢阻挡膜所受到的应力由受压应力变为拉伸应力，该应力的变化也不会影响到电容下部电极。第2研究结果下面说明本专利技术人对于发生上述第2个问题的机理所进行的分析和研究。第2氢阻挡膜23，通常是由采用成膜过程中不产生氢的溅射法形成的Al2O3膜等构成的。假如采用CVD法形成第2氢阻挡膜23的Al2O3膜，会发生的反应。此时，由于成膜气体中含有氢，因而单纯采用CVD法形成第2氢阻挡膜23时，强电介质电容器会发生劣化。因此，由Al2O3膜等构成的第2氢阻挡膜23通常是采用成膜过程中不产生氢的溅射法形成的，但是，溅射法对于具有高低差异的表面来说被覆性一般较差。本专利技术人发现，在采用溅射法形成第2氢阻挡膜23时，第2氢阻挡膜23上与强电介质电容器的棱角部位对应的部分被覆性恶化，对于氢的阻挡性具有重要影响的结晶性和致密性劣化，因而沿着第2氢阻挡膜23的晶界产生氢的通道。因此，第2氢阻挡膜不能完全防止氢的侵入。本专利技术的解决第2个问题的原理是，提高第2氢阻挡膜上与强电介质电容器的棱角部相对应的部位的被覆性。本专利技术是基于上述第1和第2研究结果而完成的。本专利技术的第1半导体器件具备下列部分在衬底上形成的第1氢阻挡膜；在上述第1氢阻挡膜上形成的电容下部电极；在上述第1氢阻挡膜上形成的、覆盖住上述电容下部电极的侧面并使上述电容下部电极的上面露出的第1绝缘膜；在上述电容下部电极和上述第1绝缘膜的上面形成的由绝缘性金属氧化物构成的电容绝缘膜；在上述电容绝缘膜上形成的电容上部电极；在上述第1绝缘膜上形成的第2绝缘膜，其覆盖住上述电容绝缘膜和上述电容上部电极，在与上述电容上部电极的棱角部位相对应的部位上具有倾斜部；以及在上述第2绝缘膜上形成的第2氢阻挡膜。采用上述第1半导体器件时，由于电容下部电极被设置在第1氢阻挡膜上，因而，即使第1氢阻挡膜受到的应力由受压应力变为拉伸应力，该应力变化也不会对电容下部电极产生不利的影响，在电容下部电极内部不会发生剥离。因此，在电容下部电极的内部不会形成氢的通道。另外，由于第2氢阻挡膜是在与电容上部电极的棱角部位相对应的部位上具有倾斜部的第2绝缘膜上形成的，因而第2氢阻挡膜的与电容上部电极的棱角部位相对应的部位的被覆性得到提高，从而提高了第2氢阻挡膜的结晶性和致密性。因此，在第2氢阻挡膜中不会产生沿着晶界形成的氢通道，第2氢阻挡膜可以确实有效地防止氢的侵入。因此，采用第1半导体器件时，可以确实有效地防止氢侵入电容绝缘膜中。本专利技术的第2半导体器件具备下列部分在衬底上形成的第本文档来自技高网...

【技术保护点】
半导体器件，其特征在于，具有：在衬底上形成的第１氢阻挡膜；在上述第１氢阻挡膜上形成的电容下部电极；在上述第１氢阻挡膜上形成的、覆盖住上述电容下部电极的侧面并使上述电容下部电极的上面露出的第１绝缘膜；在上述电容 下部电极和上述第１绝缘膜的上面形成的由绝缘性金属氧化物构成的电容绝缘膜；在上述电容绝缘膜上形成的电容上部电极；在上述第１绝缘膜上形成的第２绝缘膜，其覆盖住上述电容绝缘膜和上述电容上部电极，在其与上述电容上部电极的棱角部位相对 应的部位上具有倾斜部；以及在上述第２绝缘膜上形成的第２氢阻挡膜。

【技术特征摘要】
JP 2003-3-19 074731/20031.半导体器件，其特征在于，具有在衬底上形成的第1氢阻挡膜；在上述第1氢阻挡膜上形成的电容下部电极；在上述第1氢阻挡膜上形成的、覆盖住上述电容下部电极的侧面并使上述电容下部电极的上面露出的第1绝缘膜；在上述电容下部电极和上述第1绝缘膜的上面形成的由绝缘性金属氧化物构成的电容绝缘膜；在上述电容绝缘膜上形成的电容上部电极；在上述第1绝缘膜上形成的第2绝缘膜，其覆盖住上述电容绝缘膜和上述电容上部电极，在其与上述电容上部电极的棱角部位相对应的部位上具有倾斜部；以及在上述第2绝缘膜上形成的第2氢阻挡膜。2.半导体器件，其特征在于，具有在衬底上形成的第1氢阻挡膜；在上述第1氢阻挡膜上形成的电容下部电极；在上述第1氢阻挡膜上形成的、覆盖住上述电容下部电极的侧面并使上述电容下部电极的上面露出的第1绝缘膜；在上述电容下部电极和上述第1绝缘膜的上面形成的由绝缘性金属氧化物构成的电容绝缘膜；在上述电容绝缘膜上形成的电容上部电极；在上述第1绝缘膜上形成的第2绝缘膜，其覆盖上述电容绝缘膜和上述电容上部电极；由与上述第2绝缘膜不同的材料构成的第3绝缘膜，其覆盖上述第2绝缘膜，并且与上述电容上部电极的棱角部位相对应的部位通过再流平而变得平滑；以及在上述第3绝缘膜上形成的第2氢阻挡膜。3.权利要求1或2所述半导体器件，其特征在于，由上述电容下部电极、上述电容绝缘膜和上述电容上部电极构成的强电介质电容器被上述第1氢阻挡膜和上述第2氢阻挡膜完全覆盖。4.权利要求3所述半导体器件，其特征在于，上述第1绝缘膜和上述第2绝缘膜形成岛状，并通过上述第1氢阻挡膜的周端部与上述第2氢阻挡膜的下端部相连接，上述强电介质电容器被上述第1氢阻挡膜和上述第2氢阻挡膜完全覆盖。5.权利要求1～4中任一项所述的半导体器件，其特征在于，上述电容下部电极是由自下而上顺次形成的TiN膜、TiAlN膜、Ir膜、IrO2膜和Pt膜的叠层膜构成的。6.权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，上述第3绝缘膜是由采用臭氧CVD法形成的非掺杂型氧化硅膜或掺杂了硼和磷中至少1种的氧化硅膜构成。7.半导体器件的制造方法，其特征在于，具有下列步骤在衬底上中间间隔保护绝缘膜而形成第1氢阻挡膜的步骤；在上述第1氢阻挡膜上形成电容下部电极的步骤；在上述第1氢阻挡膜的上面形成第1绝缘膜将上述电容下部电极的侧面覆盖并使上述电容下部电极的上面露出的步骤；在上述电容下部电极和上述第1绝缘膜的上面形成由绝缘性金属氧化物构成的电容绝缘膜的步骤；在上述电容绝缘膜上形成电容上部电极的步骤；在上述第1绝缘膜上形成第2绝缘膜，将上述电容绝缘膜和上述电容上部电极覆盖的步骤；在上述第2绝缘膜上的与上述电容上部电极的棱角部位相对应的部位形成倾斜部的步骤；以及在具有上述倾斜部的上述第2绝缘膜上形成第2氢阻挡膜的步骤。...

【专利技术属性】
技术研发人员：立成利贵，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]