[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

本发明涉及信息存储用电容的绝缘膜采用复合氧化物的具有存储器单元阵列的半导体器件及其制造方法，特别涉及电容绝缘膜采用强电介质(ferroelectric)的强电介质存储器(Ferrielecric Random access Memorg)(FRAM)的单元晶体管及单元电容之间连接布线部分、位线接触部分及存储器单元的结构及其形成方法，以及电容绝缘膜(capacitor insulation film)采用高介电常数电介质(dielectric)的具有动态存储器单元阵列的动态随机存储器(DRAM)的存储器单元的结构及其形成方法。

近几年，采用钙钛结构(perovskite structure)或层状钙钛结构的物质构成强电介质薄膜作为信息存储用电容的电极间绝缘膜的非易失性强电介质存储器单元(non-vilatile ferroalactic memory aell)(FRAM单元)及其阵列的FRAM受到人们的关注。

强电介质具有这样的特性，即加上电场时一旦产生电极化，则在上述电场即使不存在时，仍然保留，当加上与上述电场相反方向的具有一定强度以上的电场时，极化的方向发生反转。

注意到该电介质极化方向反转的极化特性，开发了存储器单元信息存储电容的绝缘膜采用强电介质实现FRAM单元的技术。

这种FRAM单元具有DRAM单元的电容置换为强电介质电容而构成的，FRAM单元的特征在于，采取通过开关MOS晶体管从强电介质电容取出极化反转(switching)或非反转(non-swotching)状态电荷的方式(数据破坏读出)，即使当动作电源处于断开状态，写入存储器单元的存储数据仍然不会丢失。

FRAM与作为大容量存储器代表的DRAM比较，其特征在于，由于是非易失性，因此不需要为数据保持而进行的刷新动作，另外在等待时不消耗电功率。另外，与作为其他的非易失性存储器的快擦写(flash)存储器比较，其特征在于，数据能够重写的次数多，而且数据重写速度明显要快。另外，与存储器卡等使用的必须要后备电池的SRAM(static random access memory)比较，其特征在于，消耗电功率小，单元面积能够大幅度减小。

具有上述特征的FRAM非常有希望代替现有的DRAM、快擦写存储器以及SRAM，并适用于逻辑电路混装器件。另外，FRAM由于能够实现无电池的高速动作，因此正开始扩展至非接触ID卡(RF-ID：Radio Frequency-Identification data)。

FRAM存储器单元的结构大致可分为两种。一种是DRAM中也采用的蓄存作为信息的电荷量的蓄存电容不采用普通电介质膜(paradielectric film)，而采用强电介质膜；另一种是MOSFET栅极绝缘膜采用强电介质膜代替氧化硅膜。后一种结构，由于不能在硅层上直接形成适当的强电介质膜，因此很难实现，直至现在仅仅是提出了方案，所以通常所谓FRAM指的是前一种结构。

另外，FRAM单元有两种类型，有如图1所示由1个晶体管及1个强电介质电容C构成的单晶体管。单电容(简写为1T/1C)型，还有如图3A所示由2个晶体管Q1和Q2及2个强电介质电容C1和C2构成的双晶体管。双电容(简写为2T/2C)型。

1T/1C结构的优点是能够实现与DRAM相同的高集成化，但其缺点是，为了实现特性离散小的存储器单元，必须抑制存储器单元强电介质特性的离散及恶化的离散，因此很难提高合格率及元件的可靠性。

2T/2C结构的缺点是必须要1T/1C结构的2倍面积，但是由于特性的余量比较大，因此容易提高合格率及元件可靠性。

无论哪一种构成，都是在衬底绝缘膜上形成电极/强电介质/电极的层叠结构，通过其上层氧化膜开有接触孔施行Al或Cu布线，再用钝化膜加以保护。

然而，如前所述，由于FRAM能够完成高速及低功耗动作，又希望能够实现高集成化，因此必须要研究减小存储器单元的面积及防止强电介质恶化的制造工序。另外，将已有的FRAM器件与其他器件混装时及高集成化不可缺少的多层布线技术还处于尚未完善的状态。

带有FRAM的半导体集成电路的多层布线比较困难的原因在于强电介质材料非常容易受还原气氛(特别是氢气氛)的影响。现有的LSI工序几乎都是混入氢气的工序，对FEAM的制造带来很大问题。

作为混入氢气的工序之一例，可以举出多层布线结构中埋入通孔的工序。特别是埋入高宽比在的通孔的方法，主要采用CVD法的W埋入法，但埋入该W的工序要产生大量的氢基，因此使强电介质产生很大的损伤。