电容元件、半导体存储器及其制备方法技术

本发明专利技术的目的在于：维持好电容元件中的下方电极对氧的阻挡性，并防止电容元件中由金属氧化物制成的电容绝缘膜被还原。下方电极３１的侧面被膜厚约从５ｎｍ到１００ｎｍ、由氧化铝制成且防止氧及氢扩散的第１绝缘性阻挡层１５覆盖起来。上方电极３３的上面、该上方电极３３、电容绝缘膜３２及掩埋绝缘膜１６的各个侧面被膜厚约从５ｎｍ到１００ｎｍ、由氧化铝制成且防止氢扩散的第２绝缘性阻挡层１７覆盖起来。第２绝缘性阻挡层１７在下方电极３１两侧的区域和第１绝缘性阻挡层１５相接触。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及其电容绝缘氧化物制作的电容元件及包括该电容元件的半导体存储器及其制备方法。
技术介绍
近年来，电子机器的数字技术的发展促进了大容量数据的处理及保存，也就对电子机器的功能提出了更高的要求，电子机器中所用的半导体器件及构成该半导体器件的半导体元件的尺寸也在迅速地向细微化发展。与此相伴，为实现例如动态随机存取存储器(DRAM)的高集成化，用高介电材料代替以前的硅氧化物或者硅氮化物来制作电容绝缘膜这样的技术正得到广泛的研究和开发。而且，有关具有自发极化特性的铁电体膜的研究和开发也是热门，都为的是使能在以前所未达到的低工作电压下进行高速的读写操作的非易失性随机存取存储器早日步入实用。对于其电容绝缘膜用这些高介电材料或者铁电体制作的半导体存储器来说，存储容量在兆位级的高集成存储元件正在用叠式存储单元代替以前的平面式存储单元。下面，参看附图，说明已往的半导体存储器。图15示出了日本国公开特许公报特开平11-8355号中所公开的已往的半导体存储器的主要部分的剖面结构。如图15所示，已往的半导体存储器，包括由形成在半导体衬底101上的源、漏极区102和形成在半导体衬底101的沟道区上且中间隔着栅极绝缘膜103的栅电极104构成的晶体管105。在半导体衬底101上，形成了覆盖包括晶体管105的那整个面的层间绝缘膜106；在该层间绝缘膜106上形成了和源、漏极区102中之任一个区电连接的接触柱塞107。层间绝缘膜106上形成了由氮化硅(Si3N4)制成的绝缘性氢阻挡层108，在接触柱塞107的上端部分形成了由氮化钛(TiN)制成的导电性氢阻挡层109。绝缘性氢阻挡层108上，形成了含有二氧化铱(IrO2)或者二氧化钌(RuO2)的下方电极110，以让它和导电性氢阻挡层109相连。在绝缘性氢阻挡层108上的下方电极110和110之间，形成了由氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或者氧化氮化硅(SiON)等制成的掩埋绝缘膜111。在包含下方电极110的掩埋绝缘膜111上，形成了由锆钛酸铅(PZT)或者钽酸锶铋(SBT(SrBi2)Ta2O9)等铁电体制成的电容绝缘膜112；在该电容绝缘膜112上形成了包含二氧化铱或者二氧化钌的上方电极113；在上方电极113上，形成了由氮化硅等制成的绝缘性氢阻挡层114。本专利技术要解决的问题然而，上述已往的半导体存储器还存在以下两个问题。第一个问题，为构成下方电极110且由阻挡氧等的二氧化铱或者二氧化钌制成的导电性氧化膜，会被制造过程中所产生的氢还原而使它对氧的阻挡性下降。第二个问题，为构成电容绝缘膜112的高介电材料或者铁电体被制造过程中所产生的氢还原，作为电容元件的电气特性就会下降。首先，参看图16(a)及图16(b)，说明具有阻挡氧的性能的下方电极在制造过程中被还原的第一个问题。如图16(a)所示，在将包含二氧化铱或者二氧化钌的下方电极110图案化后再形成掩埋绝缘膜111A的时候，二氧化铱或者二氧化钌很容易被来自原料气体即甲烷(SiH4)或者氨(NH3)的氢离子还原。该还原反应在利用等离子体化学气相沉积法(PCVD)形成掩埋绝缘膜111A时尤为明显。结果，阻挡下方电极110中的氧原子扩散的性能就下降，如图16(b)所示，在进行为使由形成在下方电极110上的高介电材料或者铁电体制成的电容绝缘膜112结晶所必需的650～800℃之间的氧退火处理时，从该电容绝缘膜112中扩散出的氧离子就经过下方电极110的内部扩散到该电极和接触柱塞107的界面而造成接触不良，如接触电阻增大等。其次，参考图17，说明由高介电材料或者铁电体制成的电容绝缘膜在制造过程中被还原的第二个问题。如图15或者17所示，在实际的半导体存储器中，多个电容元件和晶体管共同被布置成2维即所谓的阵列状。如上所述，在该被布置成阵列状的电容元件中的电容绝缘膜112由高介电材料或者铁电体制成的情况下，常常使用金属氧化物。因此，仅靠设在电容元件下方的绝缘性氢阻挡层108及设在上方的绝缘性氢阻挡层114，不可能防止被布置成阵列状的电容元件中位于其周围部分100的那些电容元件被氢离子还原。这是因为如图17所示，尽管能防止氢离子从半导体衬底101的上方及下方扩散来，但却不能防止氢离子从平行于衬底面的那一方向(横向)扩散到被布置成阵列状的多个电容元件中位于周围部分100的那些电容元件中。然而，日本国公开特许公报特开2001-237393号公开了由氢阻挡层将半导体存储器中的一个电容元件完全覆盖起来的结构，但对多个电容元件被布置在2维阵列上而构成的半导体存储器来说，若不是所有的电容元件都被氢阻挡层完全覆盖起来，就不能防止电容元件特性下降。还有，日本国公开特许公报特开平11-126881号公开了其结构为用氢阻挡层将多个电容元件完全覆盖起来的半导体存储器。但是，该公报中并没公开如何对其图1所示的上方电极110施加电压。假设形成用以将电压施加给上方电极110的接触孔，那么就必须蚀刻覆盖上方电极110的氢阻挡层111。若这时蚀刻氢阻挡层111以形成开口，则如日本国公开特许公报特开2001-44376号公报所述，开口后进行光阻灰化处理时所产生的氢及在这之后的布线工序(将柱塞填到接触孔、形成及图案化布线、借助氢气对布线进行退火处理以及在布线间形成绝缘膜等这一系列的工艺)中所产生的氢，都会使电容元件变坏。如上所述，对已往的半导体存储器来说，很难用氢阻挡层将包含多个被布置成阵列状的电容元件的存储单元阵列完全覆盖起来。解决方案为实现上述第1个目的，本专利技术所采用的结构，为由防止氧及氢扩散的第1绝缘性阻挡层来覆盖电容元件中的下方电极的侧面；为实现上述第2个目的，本专利技术所采用的结构，为由防止氢扩散的第2绝缘性阻挡层来覆盖电容元件中的电容绝缘膜的侧面；为实现上述第3个目的，本专利技术所采用的结构，为由防止氢扩散的绝缘性阻挡层来覆盖包括电容元件在内的存储单元阵列中的1个以上的方块单元。具体而言，为达成上述第1个目的，本专利技术所涉及的第1种电容元件，包括下方电极、形成在下方电极上且由金属氧化物制成的电容绝缘膜、形成在电容绝缘膜上的上方电极以及将下方电极周围掩埋起来的掩埋绝缘膜。下方电极包括防止氧扩散的导电性阻挡层。形成有至少和下方电极侧面中导电性阻挡层的侧面相接触而来防止氢扩散的绝缘性阻挡层。根据第1种电容元件，因形成了防止氢扩散的绝缘性阻挡层，做到了它至少和下方电极的侧面中的导电性阻挡层的侧面相接触，故可由形成在下方电极侧面的绝缘性阻挡层来控制形成掩埋下方电极周围的掩埋绝缘膜时所产生的氢向下方电极扩散。结果，在例如由金属氧化物制成防止构成下方电极的氧扩散的导电性阻挡层的情况下，就能防止导电性阻挡层被氢还原，也就能维持该导电性阻挡层对氧的阻挡性。在第1种电容元件中，最好是在含氢的气氛下形成掩埋绝缘膜。在第1种电容元件中，最好是由氧化硅(SiO2)或者氮化硅(Si3N4)形成掩埋绝缘膜。在第1种电容元件中，最好是绝缘性阻挡层也防止氧扩散。在第1种电容元件中，最好是导电性阻挡层，包括由防止氧及氢扩散的第1导电性阻挡层和防止氧扩散的第2导电性阻挡层组成的叠层膜。在这种情况下，最好是第1导电性阻挡层，由氮化钛铝(TiAlN)、钛铝(TiAl)、氮化硅化钛(TiS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容元件，它包括：下方电极、形成在该下方电极上且由金属氧化物制成的电容绝缘膜、形成在该电容绝缘膜上的上方电极、以及将该下方电极周围掩埋起来的掩埋绝缘膜，其中： 该下方电极中包括防止氧扩散的导电性阻挡层； 形成有至少和该下方电极侧面中该导电性阻挡层的侧面相接触，来防止氢扩散的绝缘性阻挡层。

【技术特征摘要】
JP 2001-6-25 2001-1915241.一种电容元件，它包括下方电极、形成在该下方电极上且由金属氧化物制成的电容绝缘膜、形成在该电容绝缘膜上的上方电极、以及将该下方电极周围掩埋起来的掩埋绝缘膜，其中该下方电极中包括防止氧扩散的导电性阻挡层；形成有至少和该下方电极侧面中该导电性阻挡层的侧面相接触，来防止氢扩散的绝缘性阻挡层。2.根据权利要求第1项所述的电容元件，其中在含氢的气氛下，形成上述掩埋绝缘膜。3.根据权利要求第1项所述的电容元件，其中由氧化硅(SiO2)或者氮化硅(Si3N4)形成上述掩埋绝缘膜。4.根据权利要求第1项所述的电容元件，其中上述绝缘性阻挡层也防止氧扩散。5.根据权利要求第1项所述的电容元件，其中上述导电性阻挡层，包括由防止氧及氢扩散的第1导电性阻挡层和防止氧扩散的第2导电性阻挡层组成的叠层膜。6.根据权利要求第5项所述的电容元件，其中上述第1导电性阻挡层，由氮化钛铝(TiAlN)、钛铝(TiAl)、氮化硅化钛(TiSiN)、氮化钽(TaN)、氮化硅化钽(TaSiN)、氮化钽铝(TaAlN)、及钽铝(TaAl)中之任一个膜，或者至少包含其中之二的叠层膜组成。7.根据权利要求第5项所述的电容元件，其中上述第2导电性阻挡层，由二氧化铱(IrO2)、按下为铱(Ir)上为二氧化铱(IrO2)之顺序制成的叠层膜、二氧化钌(RuO2)、及按下为钌(Ru)上为二氧化钌(RuO2)之顺序制成的叠层膜这些膜中的任一个，或者至少含有这些膜中之二的叠层膜组成。8.根据权利要求第1项所述的电容元件，其中上述绝缘性阻挡层中含有氧化铝(Al2O3)、氧化钛铝(TiAlO)及氧化钽铝(TaAlO)中之任一个。9.一种电容元件，它包括下方电极、形成在该下方电极上且由金属氧化物制成的电容绝缘膜、形成在该电容绝缘膜上的上方电极、以及将该下方电极周围掩埋起来的掩埋绝缘膜，其中该下方电极中，包括由二氧化铱(IrO2)、按下为铱(Ir)上为二氧化铱(IrO2)之顺序制成的叠层膜、二氧化钌(RuO2)、及按下为钌(Ru)上为二氧化钌(RuO2)之顺序制成的叠层膜这些膜中的任一个，或者至少含有这些膜中之二的叠层膜组成的导电性阻挡层；形成有至少和该下方电极侧面中导电性阻挡层的侧面相接触，且至少含有氧化铝(Al2O3)、氧化钛铝(TiAlO)及氧化钽铝(TaAlO)中之一的绝缘性阻挡层。10.一种半导体存储器，其中包括形成在半导体衬底上且包括源极区及漏极区的晶体管、形成在该半导体衬底上覆盖晶体管的层间绝缘膜、形成在该层间绝缘膜上并和该晶体管的该源极区或者该漏极区保持电连接的接触柱塞、以及该下方电极形成在该接触柱塞上的上述权利要求第1项到第9项中之任一项所述的电容元件。11.一种半导体存储器的制备方法，其中包括在半导体衬底上形成栅电极后，再在该半导体衬底的该栅电极两侧分别形成源极区及漏极区而形成晶体管的第1个工序；在包含该晶体管的该半导体衬底上形成层间绝缘膜的第2个工序；在该层间绝缘膜上形成和该源极区或者该漏极区进行电连接的接触柱塞的第3个工序；在该层间绝缘膜上形成包括能防止氧扩散的导电性阻挡层的第1导电膜的第4个工序；通过图案化该第1导电膜来让它和该接触柱塞进行电连接，而在该层间绝缘膜上由该第1导电膜形成下方电极的第5个工序；在该层间绝缘膜上形成防止氢扩散的绝缘性阻挡层而将该下方电极的上面及侧面覆盖起来的第6个工序；在该绝缘性阻挡层上形成第1绝缘膜后，再对该第1绝缘膜及绝缘性阻挡层进行平坦化处理而让该下方电极露出的第7个工序；在包含已露出的该下方电极且已平坦化的该第1绝缘膜及绝缘性阻挡层上形成由金属氧化物制成的第2绝缘膜，再在该第2绝缘膜上形成第2导电膜的第8个工序；以及通过在包含该下方电极的状态下图案化该第2导电膜、第2绝缘膜及第1绝缘膜，而在该下方电极上由该第2导电膜形成上方电极，由该第2绝缘膜形成电容绝缘膜，由该第1绝缘膜形成掩埋下方电极之周围的掩埋绝缘膜的第9个工序。12.根据权利要求第11项所述的半导体存储器的制备方法，其中在含氢的气氛下，形成上述掩埋绝缘膜。13.根据权利要求第11项所述的半导体存储器的制备方法，其中第4个工序中，包括形成防止氧及氢扩散的第1导电性阻挡层的工序、和防止氧扩散的第2导电性阻挡层的工序。14.一种电容元件，它包括下方电极、形成在该下方电极上且由金属氧化物制成的电容绝缘膜、形成在该电容绝缘膜上的上方电极、以及将该下方电极周围掩埋起来的掩埋绝缘膜，其中该下方电极中包括防止氧及氢扩散的导电性阻挡层；形成有至少和该下方电极侧面中该导电性阻挡层的侧面相接触来防止氢扩散的第1绝缘性阻挡层；形成有把该上方电极的上面、侧面及该电容绝缘膜的侧面覆盖起来来防止氢扩散的第2绝缘性阻挡层；该第2绝缘性阻挡层在覆盖该下方电极的同时，还与该第1绝缘性阻挡层相接触。15.根据权利要求第14项所述的电容元件，其中在含氢的气氛下，形成上述掩埋绝缘膜。16.根据权利要求第14项所述的电容元件，其中由氧化硅(SiO2)或者氮化硅(Si3N4)形成上述掩埋绝缘膜。17.根据权利要求第14项所述的电容元件，其中上述第1绝缘性阻挡层也防止氧扩散。18.根据权利要求第14项所述的电容元件，其中上述导电性阻挡层，包括由防止氧及氢扩散的第1导电性阻挡层和防止氧扩散的第2导电性阻挡层组成的叠层膜。19.根据权利要求第18项所述的电容元件，其中上述第1导电性阻挡层，由氮化钛铝(TiAlN)、钛铝(TiAl)、氮化硅化钛(TiSiN)、氮化钽(TaN)、氮化硅化钽(TaSiN)、氮化钽铝(TaAlN)、及钽铝(TaAl)中之任一个，或者至少包含其中之二的叠层膜组成。20.根据权利要求第18项所述的电容元件，其中上述第2导电性阻挡层，由二氧化铱(IrO2)、按下为铱(Ir)上为二氧化铱(IrO2)之顺序制成的叠层膜、二氧化钌(RuO2)、及按下为钌(Ru)上为二氧化钌(RuO2)之顺序制成的叠层膜这些膜中之任一个膜，或者至少含有这些膜中之二的叠层膜组成。21.根据权利要求第14项所述的电容元件，其中上述第1绝缘性阻挡层及第2绝缘性阻挡层，由氧化铝(Al2O3)、氧化钛铝(TiAlO)或者氧化钽铝(TaAlO)制成。22.一种电容元件，它包括下方电极、形成在该下方电极上且由金属氧化物制成的电容绝缘膜、形成在该电容绝缘膜上的上方电极、以及将该下方电极周围掩埋起来的掩埋绝缘膜，其中该下方电极中，包括由氮化钛铝(TiAlN)、钛铝(TiAl)、氮化硅化钛(TiSiN)、氮化钽(TaN)、氮化硅化钽(TaSiN)、氮化钽铝(TaAlN)、及钽铝(TaAl)中之任一个，或者至少包含其中之二的叠层膜组成的导电性阻挡层；形成有至少和该下方电极侧面中导电性阻挡层的侧面相接触，至少含有氧化铝(Al2O3)、氧化钛铝(TiAlO)及氧化钽铝(TaAlO)中之一的第1绝缘性阻挡层；形成有把该上方电极的上面、侧面及该电容绝缘膜的侧面覆盖起来，至少含有氧化铝(Al2O3)、氧化钛铝(TiAlO)及氧化钽铝(TaAlO)中之一的第2绝缘性阻挡层；该第2绝缘性阻挡层在覆盖下方电极的同时，还与该第1绝缘性阻挡层相接触。23.一种半导体存储器，它包括形成在半导体衬底上且包括源极区及漏极区的晶体管、形成在该半导体衬底上覆盖该晶体管的层间绝缘膜、形成在该层间绝缘膜上并和该晶体管的该源极区或者该漏极区保持电连接的接触柱塞、以及该下方电极形成在该接触柱塞上的上述权利要求第14到第22项中之任一项所述的电容元件。24.一种半导体存储器的制备方法，其中包括在半导体衬底上形成栅电极后，再在该半导体衬底的该栅电极两侧分别形成源极区及漏极区而形成晶体管的第1个工序；在包含该晶体管的该半导体衬底上形成层间绝缘膜的第2个工序；在该层间绝缘膜上形成和该源极区或者该漏极区进行电连接的接触柱塞的第3个工序；在该层间绝缘膜上形成包括能防止氧及氢扩散的导电性阻挡层的第1导电膜的第4个工序；通过图案化该第1导电膜让它和该接触柱塞进行电连接，而在该层间绝缘膜上由第1导电膜形成下方电极的第5个工序；在该层间绝缘膜上形成把该下方电极的上面及侧面覆盖起来以防止氢扩散的第1绝缘性阻挡层的第6个工序；在该第1绝缘性阻挡层上形成第1绝缘膜后，再对该第1绝缘膜及该第1绝缘性阻挡层进行平坦化处理而让该下方电极露出的第7个工序；在包含已露出的该下方电极且已平坦化的该第1绝缘膜及第1绝缘性阻挡层上形成由金属氧化物制成的第2绝缘膜，再在该第2绝缘膜上形成第2导电膜的第8个工序；通过在包含下方电极的状态下图案化该第2导电膜、第2绝缘膜及第1绝缘膜，而在该下方电极上由该第2导电膜形成上方电极、由该第2绝缘膜形成电容绝缘膜、由该第1绝缘膜形成掩埋下方电极之周围的掩埋绝缘膜的第9个工序；以及形成把该上方电极、电容绝缘膜及掩埋绝缘膜覆盖起来且让它和该第1绝缘性阻挡层及该下方电极的侧面相接触来防止氢扩散的第2绝缘性阻挡层的第10个工序。25.根据权利要求第24项所述的半导体存储器的制备方法，其中在含氢的气氛下，形成上述第1绝缘膜。26.根据权利要求第24项所述的半导体存储器的制备方法，其中上述第9个工序，包括图案化上述第1绝缘膜后，再对上述第1绝缘性阻挡层进行形状和上述第1绝缘膜相同的图案化的工序。27.根据权利要求第24项或者第26项所述的半导体存储器的制备方法，其中上述第4个工序中，包括形成防止氧及氢扩散的第1导电性阻挡层的工序，...

【专利技术属性】
技术研发人员：长野能久，藤井英治，
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]