JP2023091207A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コンタクト抵抗の上昇を抑制すること。
【解決手段】第１電極と、前記第１電極上に設けられた強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に設けられた第２電極と、を有する強誘電体キャパシタと、前記第２電極の上面に接して設けられた酸化抑制膜と、前記酸化抑制膜を貫通し、前記酸化抑制膜と前記第２電極とに接する密着膜と前記密着膜上の導電膜とを含む導電プラグと、を備え、前記第２電極は第１金属元素を含み、前記密着膜は第２金属元素を含み、前記酸化抑制膜は前記第１金属元素および前記第２金属元素よりイオン化傾向の大きい第３金属元素の酸化膜または窒化膜、若しくは、窒化イリジウム膜を含む、半導体装置。
【選択図】図１
【解決手段】第１電極と、前記第１電極上に設けられた強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に設けられた第２電極と、を有する強誘電体キャパシタと、前記第２電極の上面に接して設けられた酸化抑制膜と、前記酸化抑制膜を貫通し、前記酸化抑制膜と前記第２電極とに接する密着膜と前記密着膜上の導電膜とを含む導電プラグと、を備え、前記第２電極は第１金属元素を含み、前記密着膜は第２金属元素を含み、前記酸化抑制膜は前記第１金属元素および前記第２金属元素よりイオン化傾向の大きい第３金属元素の酸化膜または窒化膜、若しくは、窒化イリジウム膜を含む、半導体装置。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
強誘電体の分極反転を利用して、データを強誘電体キャパシタに保持する強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ：Ferroelectric Random Access Memory）が知られている。強誘電体キャパシタは、下部電極と、下部電極上に設けられた強誘電体膜と、強誘電体膜上に設けられた上部電極と、を備える。上部電極上には、上部電極に接続する導電プラグが形成される。
強誘電体膜は、ＦｅＲＡＭの製造過程で発生する水素によって還元されると特性が劣化してしまう。そこで、強誘電体膜への水素の侵入を抑制する方法が提案されている（例えば特許文献１）。また、強誘電体キャパシタはエッチング等により所望の形状にパターニングすることで形成されるが、プロセスダメージを回復させるために酸素雰囲気下での回復アニール処理（熱処理）が行われている。この回復アニール処理により上部電極の上面に酸化層が形成され、この酸化層に起因して、導電プラグと上部電極との間のコンタクト抵抗が上昇してしまうことがある。そこで、コンタクト抵抗の上昇を抑制する方法が提案されている（例えば特許文献２）。
しかしながら、特許文献２に記載された方法では、導電プラグと上部電極との間のコンタクト抵抗の上昇を抑制する点において改善の余地が残されている。
１つの側面では、コンタクト抵抗の上昇を抑制することを目的とする。
１つの態様では、第１電極と、前記第１電極上に設けられた強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に設けられた第２電極と、を有する強誘電体キャパシタと、前記第２電極の上面に接して設けられた酸化抑制膜と、前記酸化抑制膜を貫通し、前記酸化抑制膜と前記第２電極とに接する密着膜と前記密着膜上の導電膜とを含む導電プラグと、を備え、前記第２電極は第１金属元素を含み、前記密着膜は第２金属元素を含み、前記酸化抑制膜は前記第１金属元素および前記第２金属元素よりイオン化傾向の大きい第３金属元素の酸化膜または窒化膜、若しくは、窒化イリジウム膜を含む、半導体装置である。
１つの態様では、第１電極となる膜を成膜する工程と、前記第１電極となる膜上に強誘電体膜を成膜する工程と、前記強誘電体膜上に第２電極となる膜を成膜する工程と、前記第２電極となる膜の上面に接する酸化抑制膜を成膜する工程と、前記第１電極となる膜と前記強誘電体膜と前記第２電極となる膜と前記酸化抑制膜とをパターニングして、前記第１電極と前記強誘電体膜と前記第２電極とを有する強誘電体キャパシタを形成する工程と、前記強誘電体キャパシタに対して酸素雰囲気下で熱処理をする工程と、前記熱処理の後、前記酸化抑制膜を貫通し、前記酸化抑制膜と前記第２電極とに接する密着膜と前記密着膜上の導電膜とを含む導電プラグを形成する工程と、を備え、前記第２電極は第１金属元素を含み、前記密着膜は第２金属元素を含み、前記酸化抑制膜は前記第１金属元素および前記第２金属元素よりイオン化傾向の大きい第３金属元素の酸化膜または窒化膜、若しくは、窒化イリジウム膜を含む、半導体装置の製造方法である。
１つの側面として、コンタクト抵抗の上昇を抑制することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１は、実施例１に係る半導体装置１００の断面図である。図１のように、半導体装置１００は、例えばＰ型シリコン基板である半導体基板１０上に形成されている。半導体基板１０の表層部には、トランジスタＴａの形成領域を画定する酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁体からなる素子分離領域１２が形成されている。また、半導体基板１０の表層部には、トランジスタＴａのソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄが形成されている。ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄは例えばＮ型半導体で構成されている。
半導体基板１０上に、ゲート絶縁膜１４を介してゲート電極Ｇが設けられている。ゲート絶縁膜１４は例えばＳｉＯ２で形成され、ゲート電極Ｇは例えばポリシリコンで形成されている。ゲート電極Ｇはワード線として機能する。ゲート電極Ｇの側面にはＳｉＯ２等の絶縁体からなるサイドウォール１６が設けられている。ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、およびゲート電極Ｇの表面には、コンタクト抵抗を低下させるためのシリサイド層１８が設けられている。トランジスタＴａは電界効果トランジスタである。
トランジスタＴａ上には、カバー膜２０、層間絶縁膜２２、エッチストッパ膜２４、層間絶縁膜２６、酸化抑制膜２８、および緩衝膜３０がこの順に積層されている。カバー膜２０は、厚さが５０ｎｍ～１００ｎｍ程度であり、窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁体で形成されている。層間絶縁膜２２は、厚さが３００ｎｍ～４００ｎｍ程度であり、ＳｉＯ２等で形成されている。エッチストッパ膜２４は、厚さが２０ｎｍ～５０ｎｍ程度であり、ＳｉＮ等の絶縁体で形成されている。層間絶縁膜２６は、厚さが２００ｎｍ～３００ｎｍ程度であり、ＳｉＯ２等で形成されている。酸化抑制膜２８は、厚さが５０ｎｍ～１５０ｎｍ程度であり、ＳｉＮ等の絶縁体で形成されている。緩衝膜３０は、厚さが２００ｎｍ～３００ｎｍ程度であり、ＳｉＯ２等の絶縁体で形成されている。
導電プラグ３２、３４が、層間絶縁膜２２およびカバー膜２０を貫通して、それぞれ、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄに接続されている。導電プラグ３２、３４は、タングステン（Ｗ）等の導電体で形成されている。層間絶縁膜２６およびエッチストッパ膜２４を貫通してビット線として機能する配線３８が設けられている。配線３８は、導電プラグ３４を介してトランジスタＴａのドレイン領域Ｄに電気的に接続されている。配線３８は、Ｗ等の導電体で形成されている。導電プラグ３６が、緩衝膜３０、酸化抑制膜２８、層間絶縁膜２６、およびエッチストッパ膜２４を貫通して設けられ、導電プラグ３２に接続されている。導電プラグ３６は、Ｗ等の導電体で形成されている。
緩衝膜３０上に、強誘電体キャパシタＣａが設けられている。強誘電体キャパシタＣａは、下部電極４０、強誘電体膜４２、および上部電極４４が積層された積層構造を有する。下部電極４０は、導電プラグ３６、３２を介してトランジスタＴａのソース領域Ｓに電気的に接続されている。
下部電極４０は、密着膜４６、酸素バリア導電膜４８、および電極膜５０がこの順に積層されている。密着膜４６は、厚さが１ｎｍ～１０ｎｍ程度であり、窒化チタン（ＴｉＮ）等の導電体で形成されている。密着膜４６は、導電プラグ３６と酸素バリア導電膜４８との間の密着性を向上させる機能を有する。酸素バリア導電膜４８は、厚さが５０ｎｍ～１００ｎｍ程度で、酸素透過性の低い膜であり、導電プラグ３６への酸素の拡散を抑制する機能を有する。酸素バリア導電膜４８は密着膜４６および電極膜５０より酸素透過性が低い。酸素バリア導電膜４８は、例えば、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、酸窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＯＮ）、窒化チタンシリコン（ＴｉＳｉＮ）、窒化タンタルアルミニウム（ＴａＡｌＮ）、酸窒化タンタルアルミニウム（ＴａＡｌＯＮ）、または窒化タンタルシリコン（ＴａＳｉＮ）で形成されている。電極膜５０は、厚さが１０ｎｍ～１００ｎｍ程度であり、イリジウム（Ｉｒ）等の導電体で形成されている。
強誘電体膜４２は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３）またはＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）等のペロブスカイト結晶構造を有する強誘電体酸化物を含んで形成されている。強誘電体膜４２の厚さは５０ｎｍ～１５０ｎｍ程度である。
上部電極４４は、第１金属元素を含んで形成されている。実施例１では、第１金属元素はイリジウム（Ｉｒ）であるとする。上部電極４４は、電極膜５２と電極膜５４がこの順に積層されている。例えば、電極膜５２は、厚さが１００ｎｍ～２００ｎｍ程度で、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）で形成されている。電極膜５４は、コンタクト抵抗の低減のために設けられていて、厚さが５０ｎｍ～１５０ｎｍであり、イリジウム（Ｉｒ）で形成されている。
上部電極４４の電極膜５４の上面に接して、絶縁膜である酸化抑制膜５６が設けられている。酸化抑制膜５６は、第３金属元素の酸化膜または窒化膜を含む。第３金属元素は、上部電極４４に含まれる第１金属元素および後述する導電プラグ６４の密着膜６６に含まれる第２金属元素よりイオン化傾向の大きい金属である。実施例１では、第３金属元素はアルミニウム（Ａｌ）であるとする。例えば、酸化抑制膜５６は、厚さが５０ｎｍ～１００ｎｍ程度の酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）膜または窒化アルミニウム（ＡｌｘＮｙ）膜である。
下部電極４０、強誘電体膜４２、上部電極４４、および酸化抑制膜５６の側面は、連続していて、非連続な張り出し部分が形成されていない。下部電極４０、強誘電体膜４２、上部電極４４、および酸化抑制膜５６は、下部電極４０から酸化抑制膜５６に向かって連続的に幅が狭まっていてもよいし、ほぼ同じ幅となっていてもよい。
強誘電体キャパシタＣａおよび酸化抑制膜５６を覆って保護膜５８が設けられている。保護膜５８は、厚さが２０ｎｍ～７０ｎｍ程度であり、酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）、酸化マグネシウム（ＭｇｘＯｙ）、窒化アルミニウム（ＡｌｘＮｙ）、または窒化マグネシウム（ＭｇｘＮｙ）で形成されている。保護膜５８は、強誘電体キャパシタＣａへの水素および水分の侵入を抑制する機能を有する。
酸化抑制膜５６と保護膜５８は、同じ材料（例えばＡｌｘＯｙ）で形成されていてもよいし、異なる材料（例えば酸化抑制膜５６がＡｌｘＯｙで、保護膜５８がＭｇｘＯｙ）で形成されていてもよい。同じ材料とは、構成元素が同じ場合であり、組成比は異なっていてもよい。酸化抑制膜５６と保護膜５８が同じ材料（例えばＡｌｘＯｙ）で形成されている場合、上部電極４４の上面におけるＡｌｘＯｙの厚さは強誘電体キャパシタＣａの側面におけるＡｌｘＯｙの厚さより厚くなる。例えば、上部電極４４の上面におけるＡｌｘＯｙの厚さは、強誘電体キャパシタＣａの側面におけるＡｌｘＯｙの厚さの１．５倍以上でもよいし、２．０倍以上でもよいし、２．５倍以上でもよい。
保護膜５８上に、ＳｉＯ２等からなる層間絶縁膜６０が設けられている。層間絶縁膜６０の厚さは１０００ｎｍ～１８００ｎｍ程度である。層間絶縁膜６０、保護膜５８、および酸化抑制膜５６を貫通して導電プラグ６４が設けられている。導電プラグ６４は、強誘電体キャパシタＣａの上部電極４４に接続されている。導電プラグ６４は、層間絶縁膜６０、保護膜５８、酸化抑制膜５６、および上部電極４４の電極膜５４に接する密着膜６６と、密着膜６６上に設けられた導電膜６８と、を有する。密着膜６６は、導電膜６８と、層間絶縁膜６０、保護膜５８、酸化抑制膜５６、および上部電極４４の電極膜５４と、の間の密着性を向上させる機能を有する。密着膜６６は、第２金属元素を含んで形成されている。第２金属元素は、酸化抑制膜５６に含まれる第３金属元素（Ａｌ）よりイオン化傾向が小さい金属である。実施例１では、第２金属元素はチタン（Ｔｉ）であるとする。例えば、密着膜６６は、厚さが２ｎｍ～１０ｎｍ程度であり、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、またはＴｉとＴｉＮの積層により形成されている。導電膜６８は、例えばタングステン（Ｗ）で形成されている。
層間絶縁膜６０上に、プレート線として機能する配線７０が設けられている。配線７０は、バリア膜７２、配線膜７４、およびバリア膜７６が積層した積層構造を有する。バリア膜７２、７６は、例えばＴｉまたはＴｉＮで形成されている。配線膜７４は、例えばアルミニウム銅合金等の導電体で形成されている。配線７０は導電プラグ６４を介して強誘電体キャパシタＣａの上部電極４４に電気的に接続されている。
［製造方法］
図２（ａ）から図４（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置１００の製造方法を示す断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の領域Ａの拡大図である。図２（ａ）のように、例えばＰ型シリコン基板である半導体基板１０の表層部に、ＳＴＩ（shallow trench isolation）技術を用いて素子分離領域１２を形成する。次いで、熱酸化法を用いて半導体基板１０の表面にゲート絶縁膜１４を形成するためのＳｉＯ２膜を形成した後、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法を用いてゲート電極Ｇを形成するためのポリシリコン膜を成膜する。その後、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いてＳｉＯ２膜及びポリシリコン膜をパターニングして、ゲート絶縁膜１４およびゲート電極Ｇを形成する。
図２（ａ）から図４（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置１００の製造方法を示す断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の領域Ａの拡大図である。図２（ａ）のように、例えばＰ型シリコン基板である半導体基板１０の表層部に、ＳＴＩ（shallow trench isolation）技術を用いて素子分離領域１２を形成する。次いで、熱酸化法を用いて半導体基板１０の表面にゲート絶縁膜１４を形成するためのＳｉＯ２膜を形成した後、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法を用いてゲート電極Ｇを形成するためのポリシリコン膜を成膜する。その後、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いてＳｉＯ２膜及びポリシリコン膜をパターニングして、ゲート絶縁膜１４およびゲート電極Ｇを形成する。
次いで、ＣＶＤ法を用いてゲート電極Ｇを覆うＳｉＯ２等の絶縁膜を成膜した後、この絶縁膜をエッチバックすることで、ゲート電極Ｇの側面を覆うサイドウォール１６を形成する。次いで、ゲート電極Ｇおよびサイドウォール１６をマスクとして用い、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄを形成するためのイオン注入を行う。その後、熱処理を行うことでソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄを構成するＮ型の不純物拡散領域を活性化させる。次いで、サリサイドプロセスを用いて、ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、およびゲート電極Ｇの表面にコンタクト抵抗を低下させるためのシリサイド層１８を形成する。これにより、半導体基板１０にトランジスタＴａが形成される。
図２（ｂ）のように、ＣＶＤ法を用いてＳｉＮ等の絶縁膜をトランジスタＴａの表面に堆積してカバー膜２０を形成する。次いで、ＣＶＤ法を用いてカバー膜２０上にＳｉＯ２等の層間絶縁膜２２を形成した後、ＣＭＰ（chemical mechanical polish）法を用いて層間絶縁膜２２の表面を平坦化する。次いで、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いてソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄに達するコンタクトホールを層間絶縁膜２２およびカバー膜２０に形成する。次いで、コンタクトホールの側面および底面にスパッタリング法またはＣＶＤ法を用いてＴｉ等の密着膜を形成した後、ＣＶＤ法を用いてコンタクトホールをＷ等の導電膜で充填する。次いで、ＣＭＰ法を用いて層間絶縁膜２２上に堆積した余剰の密着膜および導電膜を除去することで、導電プラグ３２、３４を形成する。
図２（ｃ）のように、ＣＶＤ法を用いて層間絶縁膜２２上にＳｉＮ等の絶縁膜を堆積してエッチストッパ膜２４を形成する。次いで、ＣＶＤ法を用いてエッチストッパ膜２４上にＳｉＯ２等の層間絶縁膜２６を形成する。次いで、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて、層間絶縁膜２６およびエッチストッパ膜２４における配線３８の形成領域にライン状の溝を形成する。次いで、ライン状の溝の側面および底面にスパッタリング法またはＣＶＤ法を用いてＴｉ等の密着膜を形成した後、ＣＶＤ法を用いてライン状の溝にＷ等の導電膜を充填する。次いで、ＣＭＰ法を用いて層間絶縁膜２６上に堆積した余剰の密着膜および導電膜を除去することで配線３８を形成する。
次いで、ＣＶＤ法を用いてＳｉＮ等の絶縁膜を層間絶縁膜２６上に堆積して酸化抑制膜２８を形成する。次いで、ＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２等の絶縁膜を酸化抑制膜２８上に堆積して緩衝膜３０を形成する。次いで、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて緩衝膜３０、酸化抑制膜２８、層間絶縁膜２６、およびエッチストッパ膜２４を貫通して導電プラグ３２に達するコンタクトホールを形成する。次いで、コンタクトホールの側面および底面にスパッタリング法またはＣＶＤ法を用いてＴｉ等の密着膜を形成した後、ＣＶＤ法を用いてコンタクトホールにＷ等の導電膜を充填する。次いで、ＣＭＰ法を用いて緩衝膜３０上に堆積した余剰の密着膜および導電膜を除去することで、導電プラグ３６を形成する。導電プラグ３６は、導電プラグ３２に接続される。
図３（ａ）のように、緩衝膜３０上にＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）を用いて例えばＴｉＮからなる密着膜４６を成膜する。密着膜４６上にＰＶＤ法を用いて例えばＴｉＡｌＮからなる酸素バリア導電膜４８を成膜する。酸素バリア導電膜４８上にＰＶＤ法を用いて例えばＩｒからなる電極膜５０を成膜する。電極膜５０上にＰＶＤ法またはＣＶＤ法を用いて例えばＰＺＴからなる強誘電体膜４２を成膜する。その後、強誘電体膜４２に対して酸素雰囲気下での熱処理である急速加熱処理を行う。これにより、強誘電体膜４２において、余剰元素の脱離および酸化が生じ、強誘電体膜４２の結晶化が完了する。次いで、強誘電体膜４２上にＰＶＤ法を用いて例えばＩｒＯ２からなる電極膜５２を成膜する。電極膜５２上にＰＶＤ法を用いて例えばＩｒからなる電極膜５４を成膜する。電極膜５４上にスパッタリング法を用いて例えばＡｌｘＯｙまたはＡｌｘＮｙからなる酸化抑制膜５６を成膜する。
図３（ｂ）のように、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて、酸化抑制膜５６、電極膜５４、電極膜５２、強誘電体膜４２、電極膜５０、酸素バリア導電膜４８、および密着膜４６をパターニングする。これにより、密着膜４６と酸素バリア導電膜４８と電極膜５０を含む下部電極４０と、強誘電体膜４２と、電極膜５２と電極膜５４を含む上部電極４４と、を有する強誘電体キャパシタＣａが形成される。強誘電体キャパシタＣａを形成した後、エッチング等のプロセスダメージを取り除くために、強誘電体キャパシタＣａに対して酸素雰囲気下での熱処理である回復アニール処理を行う。
図４（ａ）および図４（ｂ）のように、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法を用いて、強誘電体キャパシタＣａおよび酸化抑制膜５６を覆うように、例えばＡｌｘＯｙ、ＭｇｘＯｙ、ＡｌｘＮｙ、またはＭｇｘＮｙからなる保護膜５８を形成する。保護膜５８上にＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２を主として含む層間絶縁膜６０を形成する。その後、ＣＭＰ法を用いて層間絶縁膜６０の表面を平坦化する。次いで、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて、層間絶縁膜６０、保護膜５８、および酸化抑制膜５６を貫通して強誘電体キャパシタＣａの上部電極４４に達するコンタクトホールを形成する。次いで、コンタクトホールの側面および底面にスパッタリング法を用いて例えばＴｉ、ＴｉＮ、またはＴｉとＴｉＮの積層からなる密着膜６６を形成する。その後、ＣＶＤ法を用いてコンタクトホールにＷ等の導電膜６８を充填する。次いで、ＣＭＰ法を用いて層間絶縁膜６０上に堆積した余剰の密着膜６６および導電膜６８を除去することで、導電プラグ６４を形成する。
その後、図１のように、層間絶縁膜６０の表面にバリア膜７２、配線膜７４、およびバリア膜７６を積層する。次いで、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いてこの積層膜をパターニングすることで配線７０を形成する。配線７０は、導電プラグ６４を介して強誘電体キャパシタＣａの上部電極４４に電気的に接続される。以上の工程を経ることにより、実施例１の半導体装置１００が形成される。
［比較例］
比較例に係る半導体装置は、上部電極４４の上面に酸化抑制膜が設けられていない点で実施例１の半導体装置１００と異なる。その他の構成は実施例１の半導体装置１００と同じである。
比較例に係る半導体装置は、上部電極４４の上面に酸化抑制膜が設けられていない点で実施例１の半導体装置１００と異なる。その他の構成は実施例１の半導体装置１００と同じである。
図５（ａ）から図６（ｂ）は、比較例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の領域Ａの拡大図である。まず、実施例１の図２（ａ）から図２（ｃ）に示した製造工程と同じ製造工程を実施する。その後、図５（ａ）のように、緩衝膜３０上に、ＴｉＮからなる密着膜４６、ＴｉＡｌＮからなる酸素バリア導電膜４８、Ｉｒからなる電極膜５０、およびＰＺＴからなる強誘電体膜４２を成膜する。その後、強誘電体膜４２に対して酸素雰囲気下での熱処理である急速加熱処理を行う。次いで、強誘電体膜４２上に、ＩｒＯ２からなる電極膜５２、Ｉｒからなる電極膜５４を成膜する。
図５（ｂ）のように、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて、電極膜５４、電極膜５２、強誘電体膜４２、電極膜５０、酸素バリア導電膜４８、および密着膜４６をパターニングする。これにより、密着膜４６と酸素バリア導電膜４８と電極膜５０を含む下部電極４０と、強誘電体膜４２と、電極膜５２と電極膜５４を含む上部電極４４と、を有する強誘電体キャパシタＣａが形成される。強誘電体キャパシタＣａを形成した後、エッチング等のプロセスダメージを取り除くために、強誘電体キャパシタＣａに対して酸素雰囲気下での熱処理である回復アニール処理を行う。この回復アニール処理において、電極膜５４の上面は酸素雰囲気に曝されることになり、電極膜５４の上面に酸化層５５が形成される。酸化層５５は例えば酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）層である。
図６（ａ）および図６（ｂ）のように、強誘電体キャパシタＣａを覆うように保護膜５８を形成する。保護膜５８上に層間絶縁膜６０を形成する。次いで、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて、層間絶縁膜６０および保護膜５８を貫通して強誘電体キャパシタＣａの上部電極４４に達するコンタクトホールを形成する。次いで、コンタクトホールの側面および底面にスパッタリング法を用いてＴｉ、ＴｉＮ、またはＴｉとＴｉＮの積層からなる密着膜６６を形成する。その後、ＣＶＤ法を用いてコンタクトホールにＷ等の導電膜６８を充填する。次いで、ＣＭＰ法を用いて層間絶縁膜６０上に堆積した余剰の密着膜６６および導電膜６８を除去することで、導電プラグ６４を形成する。
電極膜５４の上面に電極膜５４が酸化された酸化層５５が形成されているため、導電プラグ６４の密着膜６６は酸化層５５に接して形成されることになる。密着膜６６はＴｉ、ＴｉＮ、またはＴｉとＴｉＮの積層により形成され、電極膜５４はＩｒにより形成されている。ＴｉはＩｒに比べてイオン化傾向が大きいことから、密着膜６６および導電膜６８の製造工程における温度上昇によって、酸化層５５に含まれる酸素が密着膜６６に固相拡散し易くなる。密着膜６６に酸素が拡散することで、密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）の酸化物（ＴｉＯＸ）または酸窒化物（ＴｉＯＮ）からなる絶縁層６５が導電プラグ６４と電極膜５４との間に部分的に形成されることがある。例えば、ＣＶＤ法を用いて導電膜６８を形成する場合、温度が４００℃程度まで上昇することから、酸化層５５に含まれる酸素が密着膜６６に固相拡散し易くなる。
その後、図示は省略するが、実施例１の半導体装置１００と同様に、層間絶縁膜６０の表面にバリア膜７２、配線膜７４、およびバリア膜７６を含む配線７０を形成する。
比較例では、強誘電体キャパシタＣａを形成した後の回復アニール処理によって上部電極４４の電極膜５４の上面に酸化層５５が形成される。このため、電極膜５４に接する導電プラグ６４を形成するときの温度上昇によって、酸化層５５の酸素が導電プラグ６４の密着膜６６に固相拡散する。これにより、密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）の酸化物（ＴｉＯＸ）または酸窒化物（ＴｉＯＮ）からなる絶縁層６５が形成される。導電プラグ６４と電極膜５４との間に絶縁層６５が部分的に形成されることで、導電プラグ６４と上部電極４４との間のコンタクト抵抗が上昇してしまう。また、複数の半導体装置間において、導電プラグ６４と上部電極４４との間のコンタクト抵抗のばらつきが大きくなってしまう。
なお、導電プラグ６４を形成するためのコンタクトホールを、酸化層５５を除去するまで深くエッチングして形成したとしても、密着膜６６は酸化層５５の側面に接して形成される。このため、この場合でも、酸化層５５の酸素が密着膜６６に固相拡散し、密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）の酸化物（ＴｉＯＸ）または酸窒化物（ＴｉＯＮ）からなる絶縁層６５が形成されてしまいう。
これに対し、実施例１では、図３（ａ）および図３（ｂ）のように、強誘電体キャパシタＣａに対する回復アニール処理（熱処理）を行う前に、上部電極４４の電極膜５４の上面に接する酸化抑制膜５６を形成している。このため、強誘電体キャパシタＣａに対して回復アニール処理を行っても、電極膜５４の上面が酸化されることが抑制される。酸化抑制膜５６は、電極膜５４に含まれるＩｒ（第１金属元素）よりイオン化傾向の大きいＡｌ（第３金属元素）の酸化膜または窒化膜である。イオン化傾向の大きい金属元素を含む膜は、イオン化傾向の小さい金属元素を含む膜に比べて、酸化が進行し易い。このため、酸化抑制膜５６が緻密な膜でなく、回復アニール処理において酸素が内部に侵入するような場合でも、酸素はイオン化傾向の大きいＡｌを含む酸化抑制膜５６に取り込まれ易く、電極膜５４にまで到達することが抑制される。よって、電極膜５４の上面が酸化されることが効果的に抑制される。
電極膜５４の上面に酸化層が形成され難いことから、図４（ｂ）のように、導電プラグ６４と電極膜５４との間に密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）の酸化物または酸窒化物からなる絶縁層が形成されることが抑制される。よって、導電プラグ６４と上部電極４４との間のコンタクト抵抗の上昇、および、複数の半導体装置１００間におけるコンタクト抵抗のばらつき、を抑えることができる。
図４（ｂ）のように、導電プラグ６４の密着膜６６は、酸化抑制膜５６の側面に接して形成される。酸化抑制膜５６は、密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）よりイオン化傾向の大きいＡｌ（第３金属元素）の酸化膜または窒化膜である。このため、酸化抑制膜５６に含まれる酸素は、イオン化傾向の小さいＴｉを含む密着膜６６には拡散し難い。よって、密着膜６６が酸化抑制膜５６に接して形成されても、密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）の酸化物または酸窒化物からなる絶縁膜が形成されることが抑制される。
以上のように、実施例１によれば、強誘電体キャパシタＣａの上部電極４４の上面に接して酸化抑制膜５６が設けられている。酸化抑制膜５６を貫通し、酸化抑制膜５６と上部電極４４とに接する密着膜６６と密着膜６６上の導電膜６８とを含む導電プラグ６４が設けられている。酸化抑制膜５６は、上部電極４４に含まれるＩｒ（第１金属元素）および密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）よりイオン化傾向の大きいＡｌ（第３金属元素）の酸化膜（ＡｌｘＯｙ）または窒化膜（ＡｌｘＮｙ）を含む。これにより、上述したように、導電プラグ６４と上部電極４４との間に密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）の酸化物または酸窒化物からなる絶縁膜が形成されることが抑制される。よって、導電プラグ６４と上部電極４４との間のコンタクト抵抗の上昇、および、複数の半導体装置１００間におけるコンタクト抵抗のばらつき、を抑制することができる。
また、実施例１では、上部電極４４はイリジウム（Ｉｒ）を含む。Ｉｒは、酸化されても導電性を有する点で有利であり、触媒作用が比較的弱いために強誘電体膜４２の特性が劣化し難い。また、酸化イリジウムから強誘電体膜４２に酸素が供給されるため、強誘電体キャパシタＣａの特性の劣化を抑制できる。密着膜６６はチタン（Ｔｉ）を含む。これにより、導電膜６８と、上部電極４４および酸化抑制膜５６と、の間の密着性を良好にすることができる。
また、実施例１では、酸化抑制膜５６は、アルミニウム（Ａｌ）の酸化膜（ＡｌｘＯｙ）または窒化膜（ＡｌｘＮｙ）を含む。これにより、導電プラグ６４と上部電極４４との間に密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）の酸化物または酸窒化物からなる絶縁膜の形成が抑制できることに加え、水素等が強誘電体キャパシタＣａに侵入することを抑制できる。なお、酸化抑制膜５６は、アルミニウム（Ａｌ）の酸化膜（ＡｌｘＯｙ）または窒化膜（ＡｌｘＮｙ）に代えて、マグネシウム（Ｍｇ）の酸化膜（ＭｇｘＯｙ）または窒化膜（ＭｇｘＮｙ）を含んでいてもよい。この場合でも、導電プラグ６４と上部電極４４との間に密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）の酸化物または酸窒化物からなる絶縁膜の形成が抑制できることに加え、水素等が強誘電体キャパシタＣａに侵入することを抑制できる。なお、酸化抑制膜５６は、ＡｌｘＯｙ、ＡｌｘＮｙ、ＭｇｘＯｙ、およびＭｇｘＮｙのうちの少なくとも２つの層の積層膜であってもよい。
また、実施例１において、酸化抑制膜５６と保護膜５８は、同じ材料（例えばＡｌｘＯｙ等）で形成されていてもよい。この場合、強誘電体キャパシタＣａの上面におけるＡｌｘＯｙの厚さは、強誘電体キャパシタＣａの側面におけるＡｌｘＯｙの厚さより厚くなる。このように、強誘電体キャパシタＣａの上面におけるＡｌｘＯｙの厚さが厚くなることで、強誘電体キャパシタＣａに水素等が侵入することを効果的に抑制できる。
また、実施例１において、酸化抑制膜５６と保護膜５８は、互いに異なる材料（例えば酸化抑制膜５６がＡｌｘＯｙで、保護膜５８がＡｌｘＮｙまたはＭｇｘＯｙ等）で形成されていてもよい。この場合、酸化抑制膜５６と保護膜５８各々の材料の選択性が広がる。
なお、実施例１において、上部電極４４はＩｒを含んで形成される場合を例に示したが、この場合に限られず、例えば白金（Ｐｔ）等を含んで形成される場合でもよい。密着膜６６はＴｉを含んで形成される場合を例に示したが、密着としての機能を発揮できればその他の材料である場合でもよく、例えばクロム（Ｃｒ）等を含んで形成されてもよい。酸化抑制膜５６は、上部電極４４に含まれる第１金属元素および密着膜６６に含まれる第２金属元素よりもイオン化傾向の大きい第３金属元素の酸化膜または窒化膜を含んで形成されればよく、ＡｌまたはＭｇの酸化膜または窒化膜以外であってもよい。
実施例２に係る半導体装置は、酸化抑制膜５６に窒化イリジウム（ＩｒＮｘ）膜を用いた点で実施例１の半導体装置１００と異なる。その他の構成は実施例１と同じであるため図示および説明を省略する。実施例２に係る半導体装置は、酸化抑制膜５６としてＩｒＮｘ膜を成膜する以外は、図２（ａ）から図４（ｂ）に示した実施例１に係る半導体装置１００の製造方法と同じ方法により形成される。
ここで、ＩｒＮｘ膜とＩｒ膜の酸化特性を評価した実験について説明する。実験には以下の試料１、２を用いた。
試料１：酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板上に密着膜としてのチタン（Ｔｉ）を介して厚さ５ｎｍの窒化イリジウム（ＩｒＮｘ）膜を形成
試料２：酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板上に密着膜としてのチタン（Ｔｉ）膜を介して厚さ５ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）膜を形成
上記の試料１、２を、温度が４００℃、圧力が１Ｔｏｒｒで、酸素の割合が１０％の酸素とアルゴンが混合した雰囲気中に３分間放置し、Ｉｒ膜およびＩｒＮｘ膜の酸化量を調査した。その後、温度を５００℃に上げて３分間放置した後のＩｒ膜およびＩｒＮｘ膜の酸化量を調査し、更に温度を６００℃に上げて３分間放置した後のＩｒ膜およびＩｒＮｘ膜の酸化量を調査した。酸化量の調査はＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いて行った。
試料１：酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板上に密着膜としてのチタン（Ｔｉ）を介して厚さ５ｎｍの窒化イリジウム（ＩｒＮｘ）膜を形成
試料２：酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板上に密着膜としてのチタン（Ｔｉ）膜を介して厚さ５ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）膜を形成
上記の試料１、２を、温度が４００℃、圧力が１Ｔｏｒｒで、酸素の割合が１０％の酸素とアルゴンが混合した雰囲気中に３分間放置し、Ｉｒ膜およびＩｒＮｘ膜の酸化量を調査した。その後、温度を５００℃に上げて３分間放置した後のＩｒ膜およびＩｒＮｘ膜の酸化量を調査し、更に温度を６００℃に上げて３分間放置した後のＩｒ膜およびＩｒＮｘ膜の酸化量を調査した。酸化量の調査はＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いて行った。
図７は、試料１、２に対して行った酸化の調査結果を示す図である。図７の横軸は温度であり、縦軸はＩｒＮｘ膜およびＩｒ膜に対するＩｒＯ２膜の体積割合である。図７に示すように、ＩｒＮｘ膜は、Ｉｒ膜に比べて、酸化し難いことが分かる。すなわち、ＩｒＮｘ膜は、酸素拡散の抑制効果が高いことが言える。
このため、実施例２では、酸化抑制膜５６に窒化イリジウム（ＩｒＮｘ）膜を用いている。これにより、強誘電体キャパシタＣａに対して回復アニール処理を行っても、酸化抑制膜５６は酸素拡散を抑制する効果が高いことから、酸素が電極膜５４にまで到達することが抑制される。よって、電極膜５４の上面が酸化されることが抑制され、その結果、導電プラグ６４と電極膜５４との間に密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）の酸化物または酸窒化物からなる絶縁層が形成されることが抑制される。これにより、導電プラグ６４と上部電極４４との間のコンタクト抵抗の上昇、および、複数の半導体装置間におけるコンタクト抵抗のばらつき、を抑制することができる。また、密着膜６６は酸化抑制膜５６の側面に接して形成されるが、酸化抑制膜５６は窒化イリジウム（ＩｒＮｘ）膜であることから、酸化抑制膜５６から密着膜６６への酸素の拡散が抑制される。よって、この点においても、密着膜６６に含まれるＴｉ（第２金属元素）の酸化物または酸窒化物からなる絶縁膜が形成されることが抑制される。
なお、実施例２においても、実施例１と同じく、上部電極４４はＩｒを含んで形成される場合に限られず、例えば白金（Ｐｔ）等を含んで形成される場合でもよい。密着膜６６はＴｉを含んで形成される場合に限られず、例えばクロム（Ｃｒ）等を含んで形成されてもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 半導体基板
４０ 下部電極（第１電極）
４２ 強誘電体膜
４４ 上部電極（第２電極）
４６ 密着膜
４８ 酸素バリア導電膜
５０、５２、５４ 電極膜
５６ 酸化抑制膜
５８ 保護膜
６０ 層間絶縁膜
６４ 導電プラグ
６５ 絶縁層
６６ 密着膜
６８ 導電膜
１００ 半導体装置
Ｃａ 強誘電体キャパシタ
Ｇ ゲート電極
Ｓ ソース領域
Ｄ ドレイン領域
Ｔａ トランジスタ
４０ 下部電極（第１電極）
４２ 強誘電体膜
４４ 上部電極（第２電極）
４６ 密着膜
４８ 酸素バリア導電膜
５０、５２、５４ 電極膜
５６ 酸化抑制膜
５８ 保護膜
６０ 層間絶縁膜
６４ 導電プラグ
６５ 絶縁層
６６ 密着膜
６８ 導電膜
１００ 半導体装置
Ｃａ 強誘電体キャパシタ
Ｇ ゲート電極
Ｓ ソース領域
Ｄ ドレイン領域
Ｔａ トランジスタ
Claims (8)
- 第１電極と、前記第１電極上に設けられた強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に設けられた第２電極と、を有する強誘電体キャパシタと、
前記第２電極の上面に接して設けられた酸化抑制膜と、
前記酸化抑制膜を貫通し、前記酸化抑制膜と前記第２電極とに接する密着膜と前記密着膜上の導電膜とを含む導電プラグと、を備え、
前記第２電極は第１金属元素を含み、
前記密着膜は第２金属元素を含み、
前記酸化抑制膜は前記第１金属元素および前記第２金属元素よりイオン化傾向の大きい第３金属元素の酸化膜または窒化膜、若しくは、窒化イリジウム膜を含む、半導体装置。 - 前記第１金属元素はイリジウムであり、
前記第２金属元素はチタンである、請求項１に記載の半導体装置。 - 前記酸化抑制膜は前記第３金属元素の酸化膜または窒化膜を含む絶縁膜である、請求項１または２に記載の半導体装置。
- 前記第３金属元素は、アルミニウムまたはマグネシウムである、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記強誘電体キャパシタおよび前記酸化抑制膜を覆う保護膜を備え、
前記酸化抑制膜と前記保護膜は、前記第３金属元素の酸化膜または前記第３金属元素の窒化膜であって同じ材料により形成され、
前記第３金属元素の酸化膜または前記第３金属元素の窒化膜は、前記強誘電体キャパシタの上面における厚さが前記強誘電体キャパシタの側面における厚さよりも厚い、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記強誘電体キャパシタおよび前記酸化抑制膜を覆う保護膜を備え、
前記酸化抑制膜と前記保護膜は、前記第３金属元素の酸化膜または前記第３金属元素の窒化膜であって互いに異なる材料により形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記酸化抑制膜は窒化イリジウム膜である、請求項１または２に記載の半導体装置。
- 第１電極となる膜を成膜する工程と、
前記第１電極となる膜上に強誘電体膜を成膜する工程と、
前記強誘電体膜上に第２電極となる膜を成膜する工程と、
前記第２電極となる膜の上面に接する酸化抑制膜を成膜する工程と、
前記第１電極となる膜と前記強誘電体膜と前記第２電極となる膜と前記酸化抑制膜とをパターニングして、前記第１電極と前記強誘電体膜と前記第２電極とを有する強誘電体キャパシタを形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタに対して酸素雰囲気下で熱処理をする工程と、
前記熱処理の後、前記酸化抑制膜を貫通し、前記酸化抑制膜と前記第２電極とに接する密着膜と前記密着膜上の導電膜とを含む導電プラグを形成する工程と、を備え、
前記第２電極は第１金属元素を含み、前記密着膜は第２金属元素を含み、前記酸化抑制膜は前記第１金属元素および前記第２金属元素よりイオン化傾向の大きい第３金属元素の酸化膜または窒化膜、若しくは、窒化イリジウム膜を含む、半導体装置の製造方法。
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