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JP4828306B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

強誘電体メモリ(FeRAM)は、低電圧及び高速動作が可能な不揮発性メモリであり、メモリセルが1トランジスタ/1キャパシタ(1T/1C)で構成できるため、DRAMなみの集積化が可能であることから、大容量不揮発性メモリとして期待されている。例えば特許文献1、特許文献2には、上記1T/1C型(スタック型)の強誘電体メモリ装置においてメモリ特性や信頼性を低下させ得るタングステンプラグの酸化を防止するために、タングステンプラグとキャパシタとの接点(コンタクト領域)やキャパシタの電極の側壁に拡散防止層を設けることが記載されている。
特開2004−172330号公報 特開2004−31533号公報
A ferroelectric memory (FeRAM) is a non-volatile memory capable of low voltage and high speed operation, and a memory cell can be composed of one transistor / one capacitor (1T / 1C), so that it can be integrated like a DRAM. Therefore, it is expected as a large-capacity nonvolatile memory. For example, Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a tungsten plug and a capacitor in order to prevent oxidation of the tungsten plug, which may deteriorate memory characteristics and reliability in the 1T / 1C type (stacked type) ferroelectric memory device. It is described that a diffusion preventing layer is provided on the contact (contact region) with the electrode and the side wall of the electrode of the capacitor.
JP 2004-172330 A JP 2004-31533 A

ところで、スタック型の強誘電体メモリ装置においては、プラグ形成領域を含む基板上の領域にキャパシタが形成されるため、良好な特性のキャパシタを作製するには、キャパシタ形成面(プラグ表面とその周辺の層間絶縁膜の表面)における平坦性は極めて重要である。例えば特許文献1では、かかる平坦化処理についてタングステンプラグを形成した後にCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理やエッチバック処理を施すことが記載されているが、良好な平坦面を得ようとするとプロセスマージンがほとんどなく量産には不向きである。また、タングステンプラグの表面は結晶粒が大きいために凹凸が生じやすく、タングステンプラグ表面に形成される層の結晶配向を向上させるのが困難であるという問題もある。   By the way, in a stack type ferroelectric memory device, a capacitor is formed in a region on a substrate including a plug formation region. Therefore, in order to produce a capacitor having good characteristics, a capacitor formation surface (a plug surface and its periphery). The flatness of the surface of the interlayer insulating film is extremely important. For example, Patent Document 1 describes that a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process or an etch-back process is performed after forming a tungsten plug for such a planarization process. It is almost unsuitable for mass production. In addition, since the surface of the tungsten plug has large crystal grains, irregularities are likely to occur, and it is difficult to improve the crystal orientation of the layer formed on the surface of the tungsten plug.

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、プラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置におけるデバイス構成層の結晶配向性を向上させた半導体装置、及び前記結晶配向性を向上させることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and includes a semiconductor device having improved crystal orientation of a device constituent layer in a semiconductor device having a conductive connection structure via a plug, and the crystal An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of improving the orientation.

本発明の半導体装置は、基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置であって、前記プラグは、前記貫通孔内に第1導電膜を埋め込んでなるプラグ導電層を有しており、前記プラグ導電層上に形成されたリセス内に、チタン窒化物膜又はチタン合金窒化物膜からなり前記リセスの深さよりも薄い膜厚を有する下地導電膜が、前記リセスの内面を覆って形成され、前記下地導電膜に囲まれる領域内に、シリコンを含むチタン窒化物膜又はシリコンを含むチタン合金窒化物膜からなる第2導電膜が埋め込まれており、前記第2導電膜上には、(111)配向を有する窒化チタン膜からなる第3導電膜が形成されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置の製造方法であって、前記基板上の層間絶縁膜に貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔内に第1導電膜を埋め込んでプラグ導電層を形成する工程と、前記プラグ導電層上に形成されているリセスを含む前記層間絶縁膜上に、チタン窒化物膜又はチタン合金窒化物膜からなる下地導電膜を、前記リセスの深さよりも薄い膜厚に形成する工程と、記下地導電膜上に、シリコンを含むチタン窒化物膜又はシリコンを含むチタン合金窒化物膜からなる第2導電膜を形成する工程と、前記第2導電膜及び前記下地導電膜にCMP処理を施すことで、前記プラグ導電層上のリセス内に前記下地導電膜と前記第2導電膜とを埋め込む工程と、前記第2導電膜の上面と前記層間絶縁膜の表面とに、窒素と水素とが結合した分子構造を有するガスのプラズマを励起して照射する工程と、前記プラズマを照射された前記第2導電膜の上面を含む領域に、(111)配向を有する窒化チタン膜からなる第3導電膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。
本発明は、上記課題を解決するために、基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置であって、前記プラグは、前記貫通孔内に第1導電膜を埋め込んでなるプラグ導電層を有しており、少なくとも前記プラグ導電層上には、シリコンを含む導電材料からなる第2導電膜が形成されており、前記第2導電膜上には、自己配向性を有する導電材料からなる第3導電膜が形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、プラグ導電層上にシリコンを含む導電材料からなる第2導電膜が設けられているので、かかる第2導電膜表面に対する表面改質処理(NHプラズマ処理等のN−H結合を分子構造中に有するガスを励起したプラズマを照射する表面改質処理)を有効に機能させることができる。そして、上記表面改質処理後の第2導電膜上に自己配向性を有する導電材料を成膜してなる第3導電膜において優れた結晶配向性を得られるので、かかる第3導電膜を利用してキャパシタ等のデバイスを形成するならば、デバイスを構成する各層について優れた結晶配向性を得ることができる。
The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device having a conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on a substrate, and the plug is placed in the through hole. A plug conductive layer embedded with the first conductive film, and a recess made of a titanium nitride film or a titanium alloy nitride film in the recess formed on the plug conductive layer and having a thickness smaller than the depth of the recess; A base conductive film having a thickness is formed to cover the inner surface of the recess, and a second conductive layer comprising a titanium nitride film containing silicon or a titanium alloy nitride film containing silicon in a region surrounded by the base conductive film. A film is embedded, and a third conductive film made of a titanium nitride film having a (111) orientation is formed on the second conductive film.
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on a substrate, Forming a through hole in the interlayer insulating film, forming a plug conductive layer by embedding the first conductive film in the through hole, and the interlayer insulation including a recess formed on the plug conductive layer. Forming a base conductive film made of a titanium nitride film or a titanium alloy nitride film on the film in a thickness thinner than the depth of the recess; and a titanium nitride film containing silicon on the base conductive film Alternatively, a step of forming a second conductive film made of a titanium alloy nitride film containing silicon, and a CMP process is performed on the second conductive film and the base conductive film, thereby forming the base in the recess on the plug conductive layer. Conductive film and said first A step of embedding a conductive film, a step of exciting and irradiating plasma of a gas having a molecular structure in which nitrogen and hydrogen are bonded to the upper surface of the second conductive film and the surface of the interlayer insulating film, and the plasma Forming a third conductive film made of a titanium nitride film having a (111) orientation in a region including the upper surface of the second conductive film irradiated with.
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a semiconductor device having a conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on a substrate, wherein the plug includes: A plug conductive layer is formed by embedding a first conductive film in the through hole, and a second conductive film made of a conductive material containing silicon is formed on at least the plug conductive layer. On the two conductive films, a third conductive film made of a conductive material having self-orientation is formed.
According to this configuration, since the second conductive film made of a conductive material containing silicon is provided on the plug conductive layer, surface modification treatment (N—H such as NH 3 plasma treatment) is performed on the surface of the second conductive film. It is possible to effectively function a surface modification treatment in which a plasma in which a gas having a bond in a molecular structure is excited is irradiated. And since the crystal orientation which was excellent in the 3rd electrically conductive film formed by forming the electrically conductive material which has self-orientation on the 2nd electrically conductive film after the said surface modification process can be obtained, this 3rd electrically conductive film is utilized. If a device such as a capacitor is formed, excellent crystal orientation can be obtained for each layer constituting the device.

本発明の半導体装置では、前記第2導電膜が、前記プラグ導電層上に形成されたリセス内に埋め込まれている構成とすることもできる。
この構成によれば、プラグ表面と層間絶縁膜表面との境界の段差を解消して平坦化することができるので、前記段差に起因する第3導電膜の結晶配向性の低下を防止することができる。
In the semiconductor device of the present invention, the second conductive film may be embedded in a recess formed on the plug conductive layer.
According to this configuration, the step at the boundary between the plug surface and the interlayer insulating film surface can be eliminated and flattened, so that it is possible to prevent the crystal orientation of the third conductive film from being lowered due to the step. it can.

本発明の半導体装置では、前記第2導電膜が、シリコンを含むチタン窒化物膜である構成とすることができ、前記第2導電膜が、シリコンを含むチタン合金窒化物膜である構成とすることもできる。これらの導電材料を用いるならば、特にリセス内に第2導電膜を埋め込んだ構造において優れた平坦性を得ることができる。   In the semiconductor device of the present invention, the second conductive film may be a titanium nitride film containing silicon, and the second conductive film is a titanium alloy nitride film containing silicon. You can also. If these conductive materials are used, excellent flatness can be obtained particularly in a structure in which the second conductive film is embedded in the recess.

本発明の半導体装置では、前記プラグ導電層と前記第2導電膜との間に、下地導電膜が形成されている構成とすることもできる。シリコンを含む導電材料では、シリコンを含まない導電材料に比して抵抗が高くなる可能性があり、その程度によっては数十nm程度の薄膜であってもプラグのコンタクト導通不良を生じる可能性がある。そこで、下地導電膜をプラグ導電層上に形成し、下地導電膜上に第2導電膜を形成することで、第2導電膜の膜厚を減ずることができる。特に、リセス内に第2導電膜を埋め込む構造にあっては、リセスの深さによって第2導電膜の膜厚が決定されるため、下地導電膜によってリセスの実質的な深さを小さくしておくことは第2導電膜の膜厚低減に有効である。   In the semiconductor device of the present invention, a base conductive film may be formed between the plug conductive layer and the second conductive film. A conductive material containing silicon may have a higher resistance than a conductive material not containing silicon, and depending on the degree, the contact conduction failure of the plug may occur even with a thin film of about several tens of nanometers. is there. Therefore, the film thickness of the second conductive film can be reduced by forming the base conductive film on the plug conductive layer and forming the second conductive film on the base conductive film. In particular, in the structure in which the second conductive film is embedded in the recess, the film thickness of the second conductive film is determined by the depth of the recess. It is effective to reduce the film thickness of the second conductive film.

本発明の半導体装置では、前記下地導電膜が、チタン窒化物膜又はチタン合金窒化物膜であることが好ましい。これらの材料を用いることで第2導電膜と下地導電膜との密着性や第2導電膜の結晶配向性に優れた構成とすることができ、半導体装置の歩留まり向上や第2導電膜の低抵抗化、第3導電膜の結晶性向上に寄与する構成となる。   In the semiconductor device of the present invention, the base conductive film is preferably a titanium nitride film or a titanium alloy nitride film. By using these materials, a structure having excellent adhesion between the second conductive film and the base conductive film and crystal orientation of the second conductive film can be obtained, which can improve the yield of the semiconductor device and reduce the second conductive film. The structure contributes to resistance and improvement in crystallinity of the third conductive film.

本発明の半導体装置では、前記下地導電膜の膜厚が10nm以下であることが好ましい。下地導電膜は厚く形成する必要はなく、特に第2導電膜をリセスに埋め込む構造においては、下地導電膜によりリセスを埋め立ててしまわないよう上記膜厚に抑えることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, the base conductive film preferably has a thickness of 10 nm or less. The base conductive film does not need to be formed thick. In particular, in the structure in which the second conductive film is embedded in the recess, it is preferable to suppress the thickness to the above-described thickness so that the recess is not buried in the base conductive film.

本発明の半導体装置では、前記第3導電膜が、窒化チタン膜であることが好ましい。このような構成とすることで、第2導電膜上における自己配向性が良好に得られ、またプラグ導電層の酸化防止にも有効な構成となる。   In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the third conductive film is a titanium nitride film. With such a configuration, a good self-orientation property on the second conductive film can be obtained, and the plug conductive layer can be effectively prevented from being oxidized.

本発明の半導体装置の製造方法は、基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置の製造方法であって、前記基板上の層間絶縁膜に貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔内に第1導電膜を埋め込んでプラグ導電層を形成する工程と、少なくとも前記プラグ導電層上にシリコンを含む導電材料からなる第2導電膜を形成する工程と、前記第2導電膜上に、窒素と水素とが結合した分子構造を有するガスのプラズマを励起して照射する工程と、本発明の半導体装置の製造方法は、前記プラズマを照射された前記第2導電膜上に自己配向性を有する導電材料からなる第3導電膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。
この製造方法によれば、プラグ導電層上にシリコンを含有する導電材料からなる第2導電膜を形成しているので、プラグ導電層表面やシリコンを含まない導電材料からなる第2導電膜に表面改質処理を施す場合に比して、表面改質処理の効果を大幅に向上させることができる。これにより、第2導電膜上に形成した第3導電膜について、良好な結晶配向性を得ることができる。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on a substrate, Forming a through hole in the interlayer insulating film, forming a plug conductive layer by embedding the first conductive film in the through hole, and a second conductive material containing silicon at least on the plug conductive layer. A step of forming a conductive film, a step of exciting and irradiating plasma of a gas having a molecular structure in which nitrogen and hydrogen are combined on the second conductive film, and a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, Forming a third conductive film made of a conductive material having self-orientation on the second conductive film irradiated with plasma.
According to this manufacturing method, since the second conductive film made of the conductive material containing silicon is formed on the plug conductive layer, the surface of the plug conductive layer or the second conductive film made of the conductive material not containing silicon is formed on the surface. The effect of the surface modification treatment can be greatly improved as compared with the case of performing the modification treatment. Thereby, favorable crystal orientation can be obtained for the third conductive film formed on the second conductive film.

本発明の半導体装置の製造方法は、前記プラグ導電層上に前記第2導電膜を形成した後、当該第2導電膜にCMP処理を施すことで、前記プラグ導電層上に形成されているリセス内に前記第2導電膜を埋め込むことを特徴とする。このような製造方法とすることで、プラグ導電層上のリセスを平坦化することができるので、プラグと層間絶縁膜との境界における段差に起因して第3導電膜の結晶配向性が低下するのを防止することができ、第3導電膜を利用したデバイスの機能低下を防止することができる。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the second conductive film is formed on the plug conductive layer, and then the second conductive film is subjected to a CMP process, thereby forming the recess formed on the plug conductive layer. The second conductive film is embedded inside. With this manufacturing method, the recess on the plug conductive layer can be flattened, so that the crystal orientation of the third conductive film is lowered due to a step at the boundary between the plug and the interlayer insulating film. Can be prevented, and the functional degradation of the device using the third conductive film can be prevented.

本発明の半導体装置の製造方法は、前記第2導電膜を形成する工程に先立って、前記リセスを含む前記層間絶縁膜上に下地導電膜を形成する工程を有することを特徴とする。このようにリセス内に下地導電膜を形成することで、シリコンを含むため高抵抗膜となるおそれのある第2導電膜を薄くすることができ、プラグのコンタクト導通不良が生じるのを効果的に防止し、半導体装置の歩留まり向上に大いに寄与する。   The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a base conductive film on the interlayer insulating film including the recess prior to the step of forming the second conductive film. By forming the base conductive film in the recess in this way, the second conductive film which may be a high resistance film because of containing silicon can be thinned, and it is possible to effectively prevent a poor contact conduction of the plug. This greatly contributes to improving the yield of semiconductor devices.

本発明の半導体装置の製造方法は、前記第3導電膜がチタンからなる層であり、当該チタン層の形成後に窒素雰囲気下での加熱処理により当該チタン層を窒化チタン層に変換する工程を有することを特徴とする。この製造方法によれば、第2導電膜上にまずチタン層を形成して良好な自己配向作用を得ることができ、その後チタン層を窒化することでチタン層の酸化を防止することができる。また、貫通孔内のプラグ導電層の酸化防止にも寄与する構造となる。   The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step in which the third conductive film is a layer made of titanium, and the titanium layer is converted to a titanium nitride layer by heat treatment in a nitrogen atmosphere after the titanium layer is formed. It is characterized by that. According to this manufacturing method, it is possible to first form a titanium layer on the second conductive film to obtain a good self-orientation effect, and then nitrify the titanium layer to prevent oxidation of the titanium layer. In addition, the structure contributes to prevention of oxidation of the plug conductive layer in the through hole.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(半導体装置)
図1は、本発明の一実施の形態の半導体装置(強誘電体メモリ装置)100を模式的に示す断面図である。図1に示すように、半導体装置100は、強誘電体キャパシタ30と、プラグ20と、強誘電体キャパシタ30のスイッチングトランジスタ18とを備えて構成されている。なお、本実施形態においては、1T/1C型(1トランジスタ/1キャパシタ型)のメモリセルについて説明するが、本発明が適用されるのは1T/1C型のメモリセルに限定されない。
(Semiconductor device)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device (ferroelectric memory device) 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 includes a ferroelectric capacitor 30, a plug 20, and a switching transistor 18 of the ferroelectric capacitor 30. In this embodiment, a 1T / 1C type (1 transistor / 1 capacitor type) memory cell is described. However, the present invention is not limited to a 1T / 1C type memory cell.

スイッチングトランジスタ18は、ゲート絶縁膜11と、ゲート絶縁膜11上に設けられたゲート導電層13と、ソース/ドレイン領域である第1不純物領域17及び第2不純物領域19とを備えている。強誘電体キャパシタ30は、窒化チタン層12と、窒化チタン層12上に形成されたバリア層14と、バリア層14上に形成された第1電極32と、第1電極32上に形成された強誘電体層34と、強誘電体層34上に形成された第2電極36とを備えている。   The switching transistor 18 includes a gate insulating film 11, a gate conductive layer 13 provided on the gate insulating film 11, and a first impurity region 17 and a second impurity region 19 which are source / drain regions. The ferroelectric capacitor 30 is formed on the titanium nitride layer 12, the barrier layer 14 formed on the titanium nitride layer 12, the first electrode 32 formed on the barrier layer 14, and the first electrode 32. A ferroelectric layer 34 and a second electrode 36 formed on the ferroelectric layer 34 are provided.

スイッチングトランジスタ18と強誘電体キャパシタ30とを電気的に接続するプラグ20は、スイッチングトランジスタ18を覆う層間絶縁膜26を貫通して形成された貫通孔24の内部に形成されており、スイッチングトランジスタ18の第2不純物領域19と強誘電体キャパシタ30の窒化チタン層12との間に介挿されている。プラグ20は、貫通孔24内に設けられた第1下地層22aと、第1下地層22a上に形成された第2下地層22bと、第2下地層22bに囲まれる孔部に、例えば、タングステン,モリブデン,タンタル,チタン,ニッケルなどからなる第1導電膜を充填して形成されたプラグ導電層22と、プラグ導電層22の強誘電体キャパシタ30側を覆って形成された第2導電膜21とを備えている。プラグ導電層22は、上記に挙げた金属材料のうちでもタングステンを用いて形成することが好ましい。   The plug 20 that electrically connects the switching transistor 18 and the ferroelectric capacitor 30 is formed in a through hole 24 formed through the interlayer insulating film 26 that covers the switching transistor 18. The second impurity region 19 and the titanium nitride layer 12 of the ferroelectric capacitor 30 are interposed. The plug 20 has a first base layer 22a provided in the through hole 24, a second base layer 22b formed on the first base layer 22a, and a hole surrounded by the second base layer 22b, for example, Plug conductive layer 22 formed by filling a first conductive film made of tungsten, molybdenum, tantalum, titanium, nickel or the like, and a second conductive film formed so as to cover the ferroelectric capacitor 30 side of plug conductive layer 22 21. The plug conductive layer 22 is preferably formed using tungsten among the metal materials mentioned above.

本発明に係る半導体装置では、プラグ導電層22の図示上面が層間絶縁膜26の表面よりも貫通孔24の内部側に位置しており、プラグ導電層22上にいわゆるリセスが形成されている。そして、プラグ導電層22を覆うようにして前記リセス内に形成された第2導電膜21によって、プラグ20の表面と層間絶縁膜26の表面との境界を平坦に調整されたものとなっている。第2導電膜21は、シリコンを含む導電材料からなるものであり、シリコンを添加したチタン窒化物又はシリコンを添加したチタン合金窒化物からなるものとすることが好ましい。本発明では、これらの材料を用いて第2導電膜を形成することで、プラグ20の形成領域の層間絶縁膜26表面について良好な平坦性が得られるようにするとともに、プラグ20表面に対する改質処理の効果を高め、プラグ20上における窒化チタン層12の結晶配向性を良好なものとすることを可能にしている。   In the semiconductor device according to the present invention, the illustrated upper surface of the plug conductive layer 22 is located on the inner side of the through hole 24 with respect to the surface of the interlayer insulating film 26, and a so-called recess is formed on the plug conductive layer 22. The boundary between the surface of the plug 20 and the surface of the interlayer insulating film 26 is adjusted to be flat by the second conductive film 21 formed in the recess so as to cover the plug conductive layer 22. . The second conductive film 21 is made of a conductive material containing silicon, and is preferably made of titanium nitride added with silicon or titanium alloy nitride added with silicon. In the present invention, by forming the second conductive film using these materials, the surface of the interlayer insulating film 26 in the formation region of the plug 20 can be obtained with good flatness, and the surface of the plug 20 can be modified. The effect of the treatment is enhanced, and the crystal orientation of the titanium nitride layer 12 on the plug 20 can be improved.

第2導電膜21上を含む層間絶縁膜26上の領域に形成された窒化チタン層(第3導電膜)12は、少なくとも一部がプラグ20上に設けられている。窒化チタン層12は成膜時に自己配向性を呈する窒化チタンの結晶質膜であり、かつ、(111)配向を有するものとされている。窒化チタン層12は、Ti膜を窒化処理することで形成することができ、TiNからなるものとすることもできる。窒化チタン層12の形成方法については後述する。窒化チタン層12の膜厚は5nm〜20nmであるのが好ましい。   At least a part of the titanium nitride layer (third conductive film) 12 formed in a region on the interlayer insulating film 26 including the second conductive film 21 is provided on the plug 20. The titanium nitride layer 12 is a titanium nitride crystalline film that exhibits self-orientation at the time of film formation, and has a (111) orientation. The titanium nitride layer 12 can be formed by nitriding a Ti film, and can be made of TiN. A method for forming the titanium nitride layer 12 will be described later. The thickness of the titanium nitride layer 12 is preferably 5 nm to 20 nm.

バリア層14は、導電性を有し、かつ、酸素バリア性を有する材料からなるものであれば特に限定されない。バリア層14の形成材料としては、例えば、TiAlN,TiAl,TiSiN,TiN,TaN,TaSiNを挙げることができ、これらのうちでもTiAlNを用いることがより好ましい。バリア層14がTiAlNからなる場合、バリア層14におけるチタン,アルミニウム,窒素の組成(原子比)は、バリア層14の組成を化学式Ti(1−x)Alで表すとき、0<x≦0.3であり、かつ、0<yであるのがより好ましい。 The barrier layer 14 is not particularly limited as long as it is made of a material having conductivity and oxygen barrier properties. Examples of the material for forming the barrier layer 14 include TiAlN, TiAl, TiSiN, TiN, TaN, and TaSiN. Among these, it is more preferable to use TiAlN. When the barrier layer 14 is made of TiAlN, the composition (atomic ratio) of titanium, aluminum, and nitrogen in the barrier layer 14 is 0 <x when the composition of the barrier layer 14 is represented by the chemical formula Ti (1-x) Al x N y. More preferably, ≦ 0.3 and 0 <y.

バリア層14は、結晶質の薄膜とすることが好ましく、(111)配向を有する多結晶膜ないし単結晶膜とすることが好ましい。バリア層14の結晶配向を(111)配向とすることにより、バリア層14上に、バリア層14の結晶配向を反映した結晶配向((111)配向)を有する第1電極32を形成することができるからである。バリア層14の膜厚は少なくとも20nmであることが好ましく、例えば、100〜200nmであることがより好ましい。成膜時にバリア層14の結晶配向を反映した結晶配向を有する第1電極32をバリア層14上に良好に形成するためである。   The barrier layer 14 is preferably a crystalline thin film, and is preferably a polycrystalline film or a single crystal film having a (111) orientation. By setting the crystal orientation of the barrier layer 14 to the (111) orientation, the first electrode 32 having a crystal orientation ((111) orientation) reflecting the crystal orientation of the barrier layer 14 can be formed on the barrier layer 14. Because it can. The film thickness of the barrier layer 14 is preferably at least 20 nm, and more preferably, for example, 100 to 200 nm. This is because the first electrode 32 having a crystal orientation reflecting the crystal orientation of the barrier layer 14 at the time of film formation is satisfactorily formed on the barrier layer 14.

第1電極32は、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、及びイリジウムから選ばれる少なくとも1種の金属材料を用いて形成することができる。さらに、白金またはイリジウムからなるものとすることが好ましく、イリジウムからなるものとすることがより好ましい。第1電極32は、上記金属材料の単層膜でもあってもよく、複数の金属膜を積層した多層膜であってもよい。第1電極32は、バリア層14上にエピタキシャル成長した結晶質の薄膜であることが好ましい。また、第1電極32上に形成される強誘電体層34も、第1電極32上にエピタキシャル成長したものとするのがよい。   The first electrode 32 can be formed using at least one metal material selected from platinum, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, and iridium. Further, it is preferably made of platinum or iridium, more preferably made of iridium. The first electrode 32 may be a single layer film of the above metal material or a multilayer film in which a plurality of metal films are stacked. The first electrode 32 is preferably a crystalline thin film epitaxially grown on the barrier layer 14. In addition, the ferroelectric layer 34 formed on the first electrode 32 is preferably epitaxially grown on the first electrode 32.

例えば、バリア層14が立方晶系に属し、その結晶配向が(111)配向である場合、あるいはバリア層14が六方晶系に属し、その結晶配向が(001)配向である場合、第1電極32の結晶配向が(111)配向であることが好ましい。この構成によれば、第1電極32上に強誘電体層34を形成する際に、強誘電体層34の結晶配向を(111)配向にすることが容易になる。   For example, when the barrier layer 14 belongs to a cubic system and the crystal orientation is a (111) orientation, or when the barrier layer 14 belongs to a hexagonal system and the crystal orientation is a (001) orientation, the first electrode The crystal orientation of 32 is preferably (111) orientation. According to this configuration, when the ferroelectric layer 34 is formed on the first electrode 32, the crystal orientation of the ferroelectric layer 34 can be easily set to the (111) orientation.

強誘電体層34は、強誘電体物質を含む。この強誘電体物質は、A1−b1−aの一般式で示されるペロブスカイト型の結晶構造を有するものとすることが好ましい。AはPbを含み、Pbの一部をLaに置換したものであってもよい。Bは、Zr又はTiである。Xは、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ca、Sr、及びMgから選ばれる少なくとも1つの金属元素である。強誘電体層34に含まれる強誘電体物質としては、強誘電体層として使用可能な公知の材料を使用することができ、例えば、(Pb(Zr,Ti)O)(PZT)、SrBiTa(SBT)、(Bi,La)Ti12(BLT)が挙げられる。これらのうちでも、強誘電体層34の材料としてはPZTが好ましく、この場合、素子の信頼性の観点から、第1電極32はイリジウムであるのがより好ましい。 The ferroelectric layer 34 includes a ferroelectric material. This ferroelectric substance preferably has a perovskite crystal structure represented by the general formula of A 1 -b B 1 -a X a O 3 . A may contain Pb, and a part of Pb may be substituted with La. B is Zr or Ti. X is at least one metal element selected from V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Sr, and Mg. As the ferroelectric substance contained in the ferroelectric layer 34, a known material that can be used as the ferroelectric layer can be used. For example, (Pb (Zr, Ti) O 3 ) (PZT), SrBi can be used. 2 Ta 2 O 9 (SBT), (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 (BLT). Among these, the material of the ferroelectric layer 34 is preferably PZT. In this case, the first electrode 32 is more preferably iridium from the viewpoint of device reliability.

強誘電体層34としてPZTを用いる場合、より大きな自発分極量を獲得するため、PZTにおけるチタンの含有量をジルコニウムの含有量より多くすることが好ましい。このような組成のPZTは正方晶に属し、その自発分極軸はc軸となる。この場合、c軸と直交するa軸配向成分が同時に存在するため、PZTをc軸配向させたときは、このa軸配向成分が分極反転に寄与しないため、強誘電特性が損なわれるおそれがある。これに対して、強誘電体層34に用いられるPZTの結晶配向を(111)配向にすることにより、a軸を基板法線から一定の角度だけずらした方向に向けることができる。すなわち分極軸が基板法線方向の成分をもつようになるため、分極反転に寄与させることができる。よって、強誘電体層34がPZTからなり、PZTにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、PZTの結晶配向が(111)配向であるのが好ましい。   When PZT is used as the ferroelectric layer 34, it is preferable to make the titanium content in the PZT larger than the zirconium content in order to obtain a larger amount of spontaneous polarization. PZT having such a composition belongs to tetragonal crystal, and its spontaneous polarization axis is c-axis. In this case, since an a-axis orientation component orthogonal to the c-axis is present at the same time, when PZT is oriented in the c-axis, the a-axis orientation component does not contribute to polarization reversal, and thus the ferroelectric characteristics may be impaired. . On the other hand, by setting the crystal orientation of PZT used for the ferroelectric layer 34 to the (111) orientation, the a-axis can be oriented in a direction shifted by a certain angle from the substrate normal. That is, since the polarization axis has a component in the substrate normal direction, it can contribute to polarization inversion. Therefore, when the ferroelectric layer 34 is made of PZT and the titanium content in the PZT is larger than the zirconium content, the crystal orientation of the PZT is preferably the (111) orientation in terms of good hysteresis characteristics. .

第2電極36は、第1電極32に使用可能な材料として例示した上記材料により形成することができ、あるいは、アルミニウム,銀,ニッケル等を用いることもできる。第2電極36は、上記に例示した金属材料の単層膜でもよいし、または複数の金属膜を積層した多層膜であってもよい。第2電極36は、白金の単層膜、あるいはイリジウムオキサイド膜とイリジウム膜との積層膜とすることが好ましい。   The second electrode 36 can be formed of the above-described materials exemplified as materials usable for the first electrode 32, or aluminum, silver, nickel, or the like can be used. The second electrode 36 may be a single layer film of the metal material exemplified above, or may be a multilayer film in which a plurality of metal films are stacked. The second electrode 36 is preferably a single layer film of platinum or a laminated film of an iridium oxide film and an iridium film.

本実施の形態の半導体装置100においては、プラグ20の強誘電体キャパシタ30側に第2導電膜21を形成して強誘電体キャパシタ30が形成される層間絶縁膜26及びプラグ20の表面を平坦化しているので、プラグ20とその周囲の層間絶縁膜26との段差に起因する第1電極32、強誘電体層34等の結晶配向性の低下を効果的に防止することができ、結晶配向性に優れた高品質の強誘電体キャパシタ30を具備した強誘電体メモリを構成することができる。   In the semiconductor device 100 of the present embodiment, the second conductive film 21 is formed on the ferroelectric capacitor 30 side of the plug 20 to flatten the surface of the interlayer insulating film 26 on which the ferroelectric capacitor 30 is formed and the plug 20. Therefore, it is possible to effectively prevent a decrease in crystal orientation of the first electrode 32, the ferroelectric layer 34, and the like due to a step between the plug 20 and the surrounding interlayer insulating film 26, and the crystal orientation Thus, a ferroelectric memory including the high-quality ferroelectric capacitor 30 having excellent properties can be configured.

また、詳細は後述するが、プラグ20の形成工程において第2導電膜21により下層側のプラグ導電層22の結晶構造が上層側の強誘電体キャパシタ30を構成する各層の結晶構造に反影されないようにしているため、プラグ20表面と層間絶縁膜26表面との材質の差異に起因する第1電極32,強誘電体層34の結晶配向性の低下も防止することができる。さらに、強誘電体キャパシタ30の第1電極32が窒化チタン層12及びバリア層14を介してプラグ20上に設けられているため、より良好に下層(プラグ20)の結晶構造が反映されていない第1電極32及び強誘電体層34を形成可能になっている。   Although details will be described later, the crystal structure of the lower plug conductive layer 22 is not reflected by the crystal structure of each layer constituting the upper ferroelectric capacitor 30 by the second conductive film 21 in the plug 20 forming step. Therefore, it is possible to prevent the crystal orientation of the first electrode 32 and the ferroelectric layer 34 from being lowered due to the difference in material between the surface of the plug 20 and the surface of the interlayer insulating film 26. Furthermore, since the first electrode 32 of the ferroelectric capacitor 30 is provided on the plug 20 via the titanium nitride layer 12 and the barrier layer 14, the crystal structure of the lower layer (plug 20) is not reflected better. The first electrode 32 and the ferroelectric layer 34 can be formed.

強誘電体キャパシタ30の第1電極32がプラグ20のプラグ導電層22上に直接配置されている場合を仮に想定する。この場合、プラグ導電層22が、結晶性が高い材料からなる場合、プラグ導電層22の結晶配向が第1電極32の結晶配向に影響を及ぼすことがある。例えば、プラグ20のプラグ導電層22がタングステンからなる場合、タングステンは結晶性が高いため、このタングステンからなるプラグ導電層22上に第1電極32が直接設けられると、プラグ導電層22の結晶構造が第1電極32の結晶構造に影響を及ぼし、第1電極32を所望の結晶構造にすることが困難となる。さらに、第1電極32上には強誘電体層34が設けられているため、第1電極32の結晶配向が、強誘電体層34の結晶配向に影響を及ぼすことがある。そして、強誘電体層34の結晶配向は第1電極32の結晶配向を反映しているため、望まない方向に分極が生じる結果、強誘電体キャパシタ30のヒステリシス特性が低下することがある。   A case is assumed in which the first electrode 32 of the ferroelectric capacitor 30 is directly disposed on the plug conductive layer 22 of the plug 20. In this case, when the plug conductive layer 22 is made of a material having high crystallinity, the crystal orientation of the plug conductive layer 22 may affect the crystal orientation of the first electrode 32. For example, when the plug conductive layer 22 of the plug 20 is made of tungsten, since tungsten has high crystallinity, when the first electrode 32 is directly provided on the plug conductive layer 22 made of tungsten, the crystal structure of the plug conductive layer 22 Affects the crystal structure of the first electrode 32, making it difficult to make the first electrode 32 have a desired crystal structure. Furthermore, since the ferroelectric layer 34 is provided on the first electrode 32, the crystal orientation of the first electrode 32 may affect the crystal orientation of the ferroelectric layer 34. Then, since the crystal orientation of the ferroelectric layer 34 reflects the crystal orientation of the first electrode 32, the hysteresis characteristic of the ferroelectric capacitor 30 may be deteriorated as a result of polarization occurring in an undesired direction.

これに対して、本実施の形態の強誘電体キャパシタ30によれば、プラグ20の強誘電体キャパシタ30との接点部側にシリコンを含む導電材料からなる第2導電膜21が設けたことで、かかる第2導電膜21の表面に対して施される表面改質処理の効果を向上させることができるようになっている。これにより、窒化チタン層12の自己配向性が向上し、好ましい配向方向で成長した良好な結晶配向性を有する窒化チタン層12を得ることができる。その結果、窒化チタン層12上のバリア層14についても好ましい結晶配向性が得られるようになり、当該バリア層14上に形成される第1電極32、強誘電体層34についてもプラグ導電層22の結晶配向に影響されない好ましい配向状態とすることができる。これにより、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ30を得ることができる。   On the other hand, according to the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, the second conductive film 21 made of a conductive material containing silicon is provided on the contact portion side of the plug 20 with the ferroelectric capacitor 30. The effect of the surface modification treatment performed on the surface of the second conductive film 21 can be improved. Thereby, the self-orientation of the titanium nitride layer 12 is improved, and the titanium nitride layer 12 having good crystal orientation grown in a preferred orientation direction can be obtained. As a result, a preferable crystal orientation can be obtained also for the barrier layer 14 on the titanium nitride layer 12, and the plug conductive layer 22 for the first electrode 32 and the ferroelectric layer 34 formed on the barrier layer 14. It is possible to obtain a preferred orientation state that is not affected by the crystal orientation. Thereby, the ferroelectric capacitor 30 having excellent hysteresis characteristics can be obtained.

なお、プラグ20の断面積が同じである場合、強誘電体キャパシタ30の平面面積が小さくなるほど、プラグ20の断面積に対する強誘電体キャパシタ30の平面面積の割合が小さくなるため、プラグ導電層22の結晶配向に起因して、第1電極32及び強誘電体層34に及ぶ結晶配向の問題はより深刻化する。これに対して、本実施の強誘電体キャパシタ30によれば、上述した理由により、強誘電体キャパシタ30がより微細化された場合においても、ヒステリシス特性の低下を防止することができる点で有用である。   When the cross-sectional area of the plug 20 is the same, the smaller the planar area of the ferroelectric capacitor 30 is, the smaller the ratio of the planar area of the ferroelectric capacitor 30 to the cross-sectional area of the plug 20 is. Due to this crystal orientation, the problem of crystal orientation extending to the first electrode 32 and the ferroelectric layer 34 becomes more serious. On the other hand, according to the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, for the reason described above, even when the ferroelectric capacitor 30 is further miniaturized, it is useful in that a decrease in hysteresis characteristics can be prevented. It is.

また、本発明の強誘電体キャパシタ30によれば、結晶質のバリア層14上に第1電極32が設けられている。これにより、バリア層14上に設けられる第1電極32の結晶配向性を高めることができる。その結果、第1電極32上に、結晶配向性に優れた強誘電体層34を設けることができるため、ヒステリシス特性に優れている。   Further, according to the ferroelectric capacitor 30 of the present invention, the first electrode 32 is provided on the crystalline barrier layer 14. Thereby, the crystal orientation of the 1st electrode 32 provided on the barrier layer 14 can be improved. As a result, since the ferroelectric layer 34 having excellent crystal orientation can be provided on the first electrode 32, the hysteresis characteristics are excellent.

特に、上述したように、強誘電体層34がPZTからなり、PZTにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、PZTの結晶配向が(111)配向であるのが好ましい。本実施の形態の強誘電体キャパシタ30によれば、結晶配向が(111)配向を有するバリア層14が設けられていることにより、第1電極32及び強誘電体層34の結晶配向を(111)配向にすることが容易である。これにより、本実施の形態の強誘電体キャパシタ30はヒステリシス特性に優れている。   In particular, as described above, when the ferroelectric layer 34 is made of PZT and the titanium content in the PZT is greater than the zirconium content, the crystal orientation of the PZT is (111) oriented in that the hysteresis characteristics are good. Is preferred. According to the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, since the barrier layer 14 having the crystal orientation (111) is provided, the crystal orientation of the first electrode 32 and the ferroelectric layer 34 is (111). ) Easy to align. Thereby, the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment is excellent in hysteresis characteristics.

(半導体装置の製造方法)
次に、上記実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しつつ説明する。
図2(a)〜図2(d)、及び図3(a)〜図3(c)は、それぞれ図1の半導体装置100の製造工程の一例を模式的に示す断面図である。なお、図2及び図3では、図1の半導体装置100のうちスイッチングトランジスタ18を簡略化して示している。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 2A to FIG. 2D and FIG. 3A to FIG. 3C are cross-sectional views schematically showing an example of the manufacturing process of the semiconductor device 100 of FIG. 2 and 3, the switching transistor 18 in the semiconductor device 100 of FIG. 1 is shown in a simplified manner.

本実施形態の半導体装置100の製造方法は、以下の工程S1〜S6を有している。
(S1)基板10上に形成した層間絶縁膜26に貫通孔24を形成する工程。(S2)貫通孔24内を含む層間絶縁膜26上に第1導電膜を形成し、層間絶縁膜26上の第1導電膜を除去することで貫通孔24内に埋め込まれたプラグ導電層22を形成する工程。(S3)プラグ導電層22上のリセスを含む層間絶縁膜26上に第2導電膜を形成する工程。(S4)層間絶縁膜26上の第2導電膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理により除去してプラグ導電層22上のリセス内に第2導電膜を埋め込み、プラグ20の形成領域を含む層間絶縁膜26の上面を平坦化する工程。(S5)プラグ20上にチタン層を形成し、窒素を含む雰囲気下で熱処理を行なうことにより、チタン層を窒化チタン層12に変換する工程。(S6)窒化チタン層12上にバリア層14、第1電極32、強誘電体層34、第2電極36を積層して形成する工程。
The manufacturing method of the semiconductor device 100 of the present embodiment includes the following steps S1 to S6.
(S1) A step of forming the through hole 24 in the interlayer insulating film 26 formed on the substrate 10. (S2) The first conductive film is formed on the interlayer insulating film 26 including the inside of the through hole 24, and the plug conductive layer 22 embedded in the through hole 24 by removing the first conductive film on the interlayer insulating film 26. Forming. (S3) A step of forming a second conductive film on the interlayer insulating film 26 including the recess on the plug conductive layer 22. (S4) The second conductive film on the interlayer insulating film 26 is removed by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process, the second conductive film is embedded in the recess on the plug conductive layer 22, and the interlayer insulation including the region where the plug 20 is formed Flattening the upper surface of the film 26; (S5) A step of converting the titanium layer into the titanium nitride layer 12 by forming a titanium layer on the plug 20 and performing heat treatment in an atmosphere containing nitrogen. (S6) A step of laminating the barrier layer 14, the first electrode 32, the ferroelectric layer 34, and the second electrode 36 on the titanium nitride layer 12.

まず、半導体基板10にスイッチングトランジスタ18等を形成する(図1参照)。次に、例えば常圧又は減圧CVD法により、TEOS(テトラエチルオルソシリケート)、BPSG(ボロンリンシリケートガラス)、NSG(ノンドープトシリケートガラス)等の酸化膜を形成する。このとき、前記酸化膜の膜厚が1μm程度以上であればスイッチングトランジスタ18上を十分に被覆することができる。続いて、CMP処理により前記酸化膜の表面を平坦化することで層間絶縁膜26を形成することができる。その後、例えばフォトリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて層間絶縁膜26に貫通孔24を形成する。   First, the switching transistor 18 and the like are formed on the semiconductor substrate 10 (see FIG. 1). Next, an oxide film such as TEOS (tetraethylorthosilicate), BPSG (boron phosphorus silicate glass), NSG (non-doped silicate glass) is formed by, for example, atmospheric pressure or low pressure CVD. At this time, if the thickness of the oxide film is about 1 μm or more, the switching transistor 18 can be sufficiently covered. Subsequently, the interlayer insulating film 26 can be formed by planarizing the surface of the oxide film by CMP treatment. Thereafter, the through hole 24 is formed in the interlayer insulating film 26 using, for example, a photolithography method and a dry etching method.

次に、貫通孔24が形成された層間絶縁膜26上にスパッタ法等を用いて第1下地層22aとしてのチタン膜、及び第2下地層22bとしての窒化チタン膜を積層し、さらに第1導電膜としてのタングステン膜を形成する。次いで、CMP処理により層間絶縁膜26上の第1下地層22a、第2下地層22b、及び第1導電膜を除去することで、図2(a)に示すように貫通孔24内に第1下地層22a、第2下地層22bを介して第1導電膜を埋め込んでなるプラグ導電層22を形成する。このとき、上記CMP処理によってプラグ導電層22上に深さ30nm程度の凹部からなるリセス24aが形成されている。   Next, a titanium film as the first underlayer 22a and a titanium nitride film as the second underlayer 22b are stacked on the interlayer insulating film 26 in which the through holes 24 are formed by using a sputtering method or the like, and further the first A tungsten film is formed as a conductive film. Next, the first base layer 22a, the second base layer 22b, and the first conductive film on the interlayer insulating film 26 are removed by CMP treatment, so that the first base in the through hole 24 as shown in FIG. A plug conductive layer 22 is formed by embedding the first conductive film via the base layer 22a and the second base layer 22b. At this time, a recess 24a made of a recess having a depth of about 30 nm is formed on the plug conductive layer 22 by the CMP process.

次に、図2(b)に示すように、層間絶縁膜26上にシリコンを含むチタン窒化物又はシリコンを含むチタン合金窒化物からなる第2導電膜121をスパッタ法等により形成する。例えば、数at%のシリコンを添加したTiターゲットを用い、スパッタガスにAr−N混合ガスを用いた成膜を行うことで、数at%のシリコンを含有するチタン窒化物膜を形成することができる。またシリコン含有Tiターゲットに代えてシリコン含有TiAlターゲットを用いて成膜を行えば、数at%のシリコンを含むチタン合金窒化物膜を形成することができる。なお、成膜時の第2導電膜121の膜厚は、100nm〜500nm程度である。またTiターゲット、TiAlターゲットへのシリコンの添加量が多すぎると、ターゲット製造時にシリコンが凝集ないし偏析して異常放電等の原因となるおそれがあるため、シリコン含有量は通常は10at%未満である。 Next, as shown in FIG. 2B, a second conductive film 121 made of titanium nitride containing silicon or titanium alloy nitride containing silicon is formed on the interlayer insulating film 26 by sputtering or the like. For example, a titanium nitride film containing several at% of silicon is formed by performing film formation using a Ti target added with several at% of silicon and using Ar—N 2 mixed gas as a sputtering gas. Can do. Further, if film formation is performed using a silicon-containing TiAl target instead of the silicon-containing Ti target, a titanium alloy nitride film containing several at% of silicon can be formed. Note that the film thickness of the second conductive film 121 during film formation is about 100 nm to 500 nm. In addition, if the amount of silicon added to the Ti target or TiAl target is too large, silicon may agglomerate or segregate during the production of the target, which may cause abnormal discharge, and the silicon content is usually less than 10 at%. .

次に、CMP処理により層間絶縁膜26上の第2導電膜121を除去し、図2(c)に示すように、リセス24a内に第2導電膜21が埋め込まれた状態とする。このようにして、貫通孔24内に埋め込まれた第1下地層22a、第2下地層22b、プラグ導電層22と、リセス24aに埋め込まれたシリコン含有チタン窒化物又はシリコン含有チタン合金窒化物からなる第2導電膜21とを備えたプラグ20を形成することができる。このようにリセス24a内に第2導電膜21を埋め込むことで、プラグ20の図示上面を層間絶縁膜26の表面に対して面一にすることができ、後段の工程で強誘電体キャパシタ30が形成される基板上の領域を良好に平坦化することができる。   Next, the second conductive film 121 on the interlayer insulating film 26 is removed by CMP treatment, and the second conductive film 21 is embedded in the recess 24a as shown in FIG. In this way, the first underlayer 22a, the second underlayer 22b, the plug conductive layer 22 embedded in the through hole 24, and the silicon-containing titanium nitride or silicon-containing titanium alloy nitride embedded in the recess 24a. Thus, the plug 20 including the second conductive film 21 can be formed. By embedding the second conductive film 21 in the recess 24a in this manner, the upper surface of the plug 20 shown in the figure can be flush with the surface of the interlayer insulating film 26, and the ferroelectric capacitor 30 is formed in a subsequent process. A region on the substrate to be formed can be satisfactorily planarized.

次に、図2(d)に示すように、プラグ20を含む層間絶縁膜26上の領域に、NHプラズマ処理を施す。NHプラズマ処理とは、アンモニアガスのプラズマをプラグ20表面(表面部21a)及び層間絶縁膜26の表面に照射することで、当該表面を改質する処理である。このような表面改質処理を行うことで、シリコン酸化物からなる層間絶縁膜26上のみならず、プラグ20上においても自己配向性の材料の成膜により自己配向層の形成が可能になる。本実施形態の場合、自己配向層としてチタン層を形成し、これを窒化処理することで、高度に配向した窒化チタン層12を得る。
上記工程におけるNHプラズマ処理の条件として、例えば、チャンバ内に導入されるNHのガス流量を350sccm、チャンバ内の圧力を1Torr、基板温度を400℃、基板に供給される13.56MHz の高周波電源のパワーを100W、プラズマ発生領域に供給される350 kHzの高周波電源のパワーを55W、電極と半導体基板10との距離を350mils、プラズマ照射時間を60秒に設定する。
Next, as shown in FIG. 2D, NH 3 plasma treatment is performed on the region on the interlayer insulating film 26 including the plug 20. The NH 3 plasma treatment is a treatment for modifying the surface of the plug 20 by irradiating the surface of the plug 20 (surface portion 21a) and the surface of the interlayer insulating film 26 with ammonia gas plasma. By performing such surface modification treatment, a self-alignment layer can be formed not only on the interlayer insulating film 26 made of silicon oxide but also on the plug 20 by forming a self-orientation material. In the case of this embodiment, a titanium layer is formed as a self-alignment layer, and this is nitrided to obtain a highly oriented titanium nitride layer 12.
As the NH 3 plasma treatment conditions in the above process, for example, the flow rate of NH 3 gas introduced into the chamber is 350 sccm, the pressure in the chamber is 1 Torr, the substrate temperature is 400 ° C., and the high frequency of 13.56 MHz supplied to the substrate. The power of the power source is set to 100 W, the power of the 350 kHz high frequency power source supplied to the plasma generation region is set to 55 W, the distance between the electrode and the semiconductor substrate 10 is set to 350 mils, and the plasma irradiation time is set to 60 seconds.

次に、図3(a)に示すように、NHプラズマ処理により表面改質されたプラグ20及び層間絶縁膜26上に、スパッタ法等により厚さ20nm程度のチタン層(自己配向層)12aを形成する。チタン層12aの膜厚は、当該チタン層12aを窒化処理してなる窒化チタン層12上に形成されるバリア層14の配向制御を良好なものとするため、5nm〜20nmとすることが好ましい。チタン層12aの膜厚が5nm未満であると、バリア層14を(111)配向に制御するための(002)配向が得られにくくなる。一方、チタン層12aの膜厚が20nmを超えると、後述する工程において、チタン層12aの窒化が進行しにくくなる。 Next, as shown in FIG. 3A, a titanium layer (self-alignment layer) 12a having a thickness of about 20 nm is formed on the plug 20 and the interlayer insulating film 26 surface-modified by NH 3 plasma treatment by sputtering or the like. Form. The film thickness of the titanium layer 12a is preferably 5 nm to 20 nm in order to improve the orientation control of the barrier layer 14 formed on the titanium nitride layer 12 formed by nitriding the titanium layer 12a. When the thickness of the titanium layer 12a is less than 5 nm, it is difficult to obtain (002) orientation for controlling the barrier layer 14 to (111) orientation. On the other hand, when the thickness of the titanium layer 12a exceeds 20 nm, nitridation of the titanium layer 12a is difficult to proceed in a process described later.

本実施形態では、先のNHプラズマ処理によって自己配向性材料であるチタンが層間絶縁膜26上及び第2導電膜21上でc軸配向するようになり、(002)配向のチタン層12aを得ることができる。ところで、NHプラズマ処理を行わずにチタン層の成膜を行うと、層間絶縁膜26上においても良好な(002)配向が得られないことがわかっている。これは、チタンが酸素原子と結びつきやすいため、何ら表面改質処理をしない状態で成膜するとシリコン酸化物である層間絶縁膜26表面の酸素原子と容易に結合し、チタン結晶の配向軸がc軸からずれた状態で結晶成長が生じるためであると考えられる。 In the present embodiment, titanium, which is a self-orienting material, is c-axis aligned on the interlayer insulating film 26 and the second conductive film 21 by the previous NH 3 plasma treatment, and the (002) -oriented titanium layer 12a is formed. Obtainable. By the way, it is known that when the titanium layer is formed without performing the NH 3 plasma treatment, good (002) orientation cannot be obtained even on the interlayer insulating film 26. This is because titanium is easily bonded to oxygen atoms, and therefore, when the film is formed without any surface modification treatment, it easily bonds to oxygen atoms on the surface of the interlayer insulating film 26, which is a silicon oxide, and the orientation axis of the titanium crystal is c. This is probably because crystal growth occurs in a state deviated from the axis.

一方、NHプラズマ処理を施すことで、層間絶縁膜26上において(002)配向のチタン層12aを容易に得られるようになる。これは、NHプラズマ処理を行うことで、層間絶縁膜26を構成するシリコン酸化物の表面部に露出している酸素原子(O)に対してNH由来のNHx基が結合し、層間絶縁膜26の表面にO−N−H結合を形成するためであると考えられる。そして、チタンと結合しやすい表面の酸素原子に対して窒素原子及び水素原子を結合させることで、層間絶縁膜26とチタンとの反応性を低下させることができ、これにより表面に飛来したチタンのマイグレーションが促進される結果、基板に対して垂直方向にチタン結晶のc軸を配向させることができるのであると考えられる。 On the other hand, by performing the NH 3 plasma treatment, the (002) -oriented titanium layer 12 a can be easily obtained on the interlayer insulating film 26. This is because the NH 3 plasma treatment causes NH 3 groups derived from NH 3 to bond to oxygen atoms (O) exposed on the surface of the silicon oxide constituting the interlayer insulating film 26, thereby causing interlayer insulation. It is considered that this is because an O—N—H bond is formed on the surface of the film 26. The reactivity between the interlayer insulating film 26 and titanium can be reduced by bonding nitrogen atoms and hydrogen atoms to oxygen atoms on the surface that are easily bonded to titanium, and thereby the titanium that has come to the surface can be reduced. As a result of promoting the migration, it is considered that the c-axis of the titanium crystal can be oriented in a direction perpendicular to the substrate.

上述したようにNHプラズマ処理は、シリコン酸化物膜上にチタン等を配向させるのに極めて有効であるが、本実施形態の場合、第2導電膜21がシリコン含有チタン窒化物膜ないしシリコン含有チタン合金窒化物からなるものとされているために、当該第2導電膜21の表面部21aにおいてもNHプラズマ処理が有効に機能するようになっている。シリコンを含有する導電材料からなる第2導電膜21の表面部21aにはシリコン原子が存在しており、かかるシリコン原子に対してNH由来のNHx基が吸着し易いことから、チタン原子と結合しやすいシリコン原子にNHx基が結合してSi−N−H結合を前記表面部21aに形成する。そのため、当該表面部21aとチタンとの反応性が低下し、飛来したチタンのマイグレーションが促進される結果、基板に対してチタン結晶のc軸を配向させることができる。
従って、本実施形態の製造方法によれば、層間絶縁膜26及びプラグ20上の全面で(002)配向のチタン層12aを形成することができる。
As described above, the NH 3 plasma treatment is extremely effective for orienting titanium or the like on the silicon oxide film. However, in the present embodiment, the second conductive film 21 is a silicon-containing titanium nitride film or silicon-containing film. Since it is made of titanium alloy nitride, the NH 3 plasma treatment functions effectively also on the surface portion 21 a of the second conductive film 21. Silicon atoms are present on the surface portion 21a of the second conductive film 21 made of a conductive material containing silicon, and NH 3 groups derived from NH 3 are easily adsorbed to the silicon atoms. An NHx group is bonded to a silicon atom that is easily formed to form a Si—N—H bond in the surface portion 21a. Therefore, the reactivity between the surface portion 21a and titanium is reduced, and migration of the incoming titanium is promoted. As a result, the c-axis of the titanium crystal can be oriented with respect to the substrate.
Therefore, according to the manufacturing method of the present embodiment, the (002) -oriented titanium layer 12 a can be formed on the entire surface of the interlayer insulating film 26 and the plug 20.

次に、図3(b)に示すように、窒素雰囲気下でRTA(Rapid Thermal Annealing)処理によりチタン層12aを窒化処理して窒化チタン層12を得る。RTA処理の条件としては例えば650℃、2分間である。強誘電体キャパシタ30を形成した後の酸素雰囲気下での加熱処理(回復アニール処理)によってこのチタン層が酸化されるのを、本工程のRTA処理によってチタン層を予め窒化しておくことで防止することができる。   Next, as shown in FIG. 3B, the titanium layer 12a is nitrided by an RTA (Rapid Thermal Annealing) process in a nitrogen atmosphere to obtain the titanium nitride layer 12. The conditions for the RTA treatment are, for example, 650 ° C. and 2 minutes. This titanium layer is prevented from being oxidized by the heat treatment (recovery annealing treatment) in an oxygen atmosphere after the ferroelectric capacitor 30 is formed by previously nitriding the titanium layer by the RTA treatment in this step. can do.

次に、図3(c)に示すように、窒化チタン層12上にさらに強誘電体キャパシタ30の構成層を順次積層し、当該積層膜をパターニングすることで本発明に係る半導体装置100を製造することができる。バリア層14以降の製造工程について、以下に簡単に説明する。   Next, as shown in FIG. 3C, the constituent layers of the ferroelectric capacitor 30 are sequentially laminated on the titanium nitride layer 12, and the laminated film is patterned to manufacture the semiconductor device 100 according to the present invention. can do. The manufacturing process after the barrier layer 14 will be briefly described below.

窒化チタン層12上には、スパッタ法やCVD法を用いて、先に記載のTiAlN等からなるバリア層14を形成する。本実施形態では窒化チタン層12が良好な(002)配向を呈するものであるため、かかるバリア層14について(111)配向にエピタキシャル成長したTiAlN膜を形成することができる。
次いで、バリア層14上に、スパッタ法等を用いて例えば膜厚100nmのイリジウム膜を成膜することで、第1電極32を形成する。本実施形態では、バリア層14が良好な(111)配向を呈するものであるため、第1電極32についても良好な(111)配向のイリジウム膜を得ることができる。
On the titanium nitride layer 12, the barrier layer 14 made of TiAlN or the like described above is formed by sputtering or CVD. In this embodiment, since the titanium nitride layer 12 exhibits good (002) orientation, a TiAlN film epitaxially grown in the (111) orientation can be formed on the barrier layer 14.
Next, an iridium film having a thickness of, for example, 100 nm is formed on the barrier layer 14 using a sputtering method or the like, thereby forming the first electrode 32. In this embodiment, since the barrier layer 14 exhibits a good (111) orientation, an iridium film having a good (111) orientation can also be obtained for the first electrode 32.

次いで、第1電極32上に、スピンオン法,スパッタリング法,MOCVD法等を用いて例えば膜厚100nmのPZT膜を形成することで、強誘電体層34を形成する。上述したように第1電極32のイリジウム膜が良好な(111)配向を呈するものであるため、強誘電体層34についても良好な(111)配向のPZT膜を得ることができる。PZTにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、PZTの結晶配向は(111)配向であるのが好ましい。よって、バリア層14の結晶配向を(111)配向にすることにより、第1電極32及び強誘電体層34ともに(111)配向にすることができるため、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ30を得ることができる。   Next, a ferroelectric layer 34 is formed on the first electrode 32 by forming a PZT film having a film thickness of, for example, 100 nm using a spin-on method, a sputtering method, an MOCVD method, or the like. As described above, since the iridium film of the first electrode 32 exhibits a good (111) orientation, a PZT film having a good (111) orientation can also be obtained for the ferroelectric layer 34. When the content of titanium in PZT is larger than the content of zirconium, the crystal orientation of PZT is preferably a (111) orientation in terms of good hysteresis characteristics. Therefore, by setting the crystal orientation of the barrier layer 14 to the (111) orientation, both the first electrode 32 and the ferroelectric layer 34 can be set to the (111) orientation. Therefore, the ferroelectric capacitor 30 having excellent hysteresis characteristics. Can be obtained.

次いで、強誘電体層34上に、例えば膜厚100nmのイリジウムオキサイド膜と膜厚100nmのイリジウム膜との積層膜からなる第2電極36を形成する。第2電極36の成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法やCVD法が挙げられる。
以上の各層の成膜が終了したならば、所定のパターンのレジスト層を第2電極36上に形成し、このレジスト層R1をマスクとして、フォトリソグラフィ法によりパターニングを行なう。これにより、スタック型の強誘電体キャパシタ30を含む半導体装置100が得られる(図1参照)。この半導体装置100に含まれる強誘電体キャパシタ30は、バリア層14上に設けられた第1電極32と、第1電極32上に設けられた強誘電体層34と、強誘電体層34上に設けられた第2電極36とを有する。
Next, on the ferroelectric layer 34, for example, a second electrode 36 made of a laminated film of an iridium oxide film having a thickness of 100 nm and an iridium film having a thickness of 100 nm is formed. A method of forming the second electrode 36 can be selected as appropriate according to the material of the second electrode 36, and examples thereof include a sputtering method and a CVD method.
When the formation of the above layers is completed, a resist layer having a predetermined pattern is formed on the second electrode 36, and patterning is performed by photolithography using the resist layer R1 as a mask. Thereby, the semiconductor device 100 including the stacked ferroelectric capacitor 30 is obtained (see FIG. 1). The ferroelectric capacitor 30 included in the semiconductor device 100 includes a first electrode 32 provided on the barrier layer 14, a ferroelectric layer 34 provided on the first electrode 32, and the ferroelectric layer 34. And a second electrode 36.

なお、半導体装置100についてさらに第2電極36への導電接続構造を形成する場合には、さらに以下のような工程を行えばよい。
まず、基板10上に形成された強誘電体キャパシタ30を覆う水素バリア膜を、スパッタ法ないしALD(Atomic Layer Deposition)法を用いてアルミニウム酸化物(AlOx)を成膜することで形成する。次いで、かかる水素バリア膜を覆う層間絶縁膜を、PE−TEOSやHDP(高密度プラズマCVD)を用いてシリコン酸化物膜を成膜することにより形成し、形成したシリコン酸化物膜の表面をCMP処理により平坦化する。上記層間絶縁膜を形成したならば、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により層間絶縁膜及び水素バリア膜を貫通して上記第2電極36に達する貫通孔を形成し、かかる貫通孔内にプラグ20と同様の形成方法で、第1下地層及び第2下地層並びにプラグ導電層を形成することで、強誘電体キャパシタ30にコンタクトするプラグを形成することができる。
In addition, when the conductive connection structure to the second electrode 36 is further formed in the semiconductor device 100, the following steps may be further performed.
First, a hydrogen barrier film covering the ferroelectric capacitor 30 formed on the substrate 10 is formed by depositing aluminum oxide (AlOx) using a sputtering method or an ALD (Atomic Layer Deposition) method. Next, an interlayer insulating film that covers the hydrogen barrier film is formed by forming a silicon oxide film using PE-TEOS or HDP (high density plasma CVD), and the surface of the formed silicon oxide film is subjected to CMP. Flatten by processing. When the interlayer insulating film is formed, a through hole reaching the second electrode 36 through the interlayer insulating film and the hydrogen barrier film is formed by a photolithography method and a dry etching method. By forming the first base layer, the second base layer, and the plug conductive layer by the same formation method, a plug that contacts the ferroelectric capacitor 30 can be formed.

以上説明したように、本態様の半導体装置100の製造方法によれば、以下の作用効果を有する。
まず、プラグ導電層22上にシリコンを含有する導電材料、例えばシリコン含有チタン窒化物又はシリコン含有チタン合金窒化物からなる第2導電膜21を形成し、かかる第2導電膜21上を含む層間絶縁膜26上の領域にNHプラズマ処理を施すようにしているので、第2導電膜21に含まれるシリコンの作用によりNH3プラズマ処理による表面改質作用を第2導電膜21の表面部21aにおいても有効に機能させることができる。これにより、シリコン酸化物からなる層間絶縁膜26表面のみならず、第2導電膜21の表面においてもチタン層12aを良好にc軸配向させることができ、これを窒化させた窒化チタン層12上に好ましい結晶配向性を有するバリア層14、第1電極32、強誘電体層34を形成することができる。これにより、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ30を形成することができる。
As described above, according to the manufacturing method of the semiconductor device 100 of this aspect, the following operational effects are obtained.
First, a second conductive film 21 made of a conductive material containing silicon, such as silicon-containing titanium nitride or silicon-containing titanium alloy nitride, is formed on the plug conductive layer 22, and interlayer insulation including the second conductive film 21 is included. Since the NH 3 plasma treatment is performed on the region on the film 26, the surface modification action by the NH 3 plasma treatment is also performed on the surface portion 21 a of the second conductive film 21 by the action of silicon contained in the second conductive film 21. It can function effectively. Thereby, the titanium layer 12a can be satisfactorily c-axis oriented not only on the surface of the interlayer insulating film 26 made of silicon oxide but also on the surface of the second conductive film 21, and on the titanium nitride layer 12 obtained by nitriding the titanium layer 12a In addition, the barrier layer 14, the first electrode 32, and the ferroelectric layer 34 having preferable crystal orientation can be formed. Thereby, the ferroelectric capacitor 30 having excellent hysteresis characteristics can be formed.

また、貫通孔24内にプラグ導電層22を埋め込んだときに形成されるリセス24aに前記第2導電膜21を埋め込むことで、窒化チタン層12が形成される面を良好に平坦化することができ、基板上の凹凸に起因して生じる強誘電体キャパシタ30の構成層の結晶配向性の低下を防止することができる。   Further, by embedding the second conductive film 21 in the recess 24a formed when the plug conductive layer 22 is embedded in the through hole 24, the surface on which the titanium nitride layer 12 is formed can be satisfactorily flattened. In addition, it is possible to prevent the crystal orientation of the constituent layer of the ferroelectric capacitor 30 from being lowered due to unevenness on the substrate.

また、プラグ20上に形成したチタン層12aについて窒素を含む雰囲気下でRTA処理を行なうことにより、チタン層12aを窒化チタン層12に変換しているので、窒化チタン層12について良好な結晶配向性を得ることができ、さらには窒化チタン層12上に形成されるバリア層14についても、その結晶配向性を向上させることができる。またRTA処理によりチタン層12aをあらかじめ窒化チタン層12に変換しているので、後の工程(例えば、強誘電体層34の特性回復のためのリカバリーアニール(酸素雰囲気下での熱処理))において、窒化チタン層12が酸化されるのを防止できる。   Further, the titanium layer 12a formed on the plug 20 is subjected to RTA treatment in an atmosphere containing nitrogen to convert the titanium layer 12a to the titanium nitride layer 12. Therefore, the titanium nitride layer 12 has good crystal orientation. Further, the crystal orientation of the barrier layer 14 formed on the titanium nitride layer 12 can also be improved. In addition, since the titanium layer 12a is converted into the titanium nitride layer 12 in advance by the RTA treatment, in a later process (for example, recovery annealing (heat treatment in an oxygen atmosphere) for recovering the characteristics of the ferroelectric layer 34), The titanium nitride layer 12 can be prevented from being oxidized.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について、図4及び図5を参照して説明する。
図4は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。図5は、本実施形態の半導体装置の製造工程を説明するための断面工程図である。
本実施形態の半導体装置200は、第1実施形態に係る半導体装置と同様の基本構成を具備しており、プラグ導電層22上の層構成に差異を有するのみである。従って図4及び図5において図1から図3に示した構成要素と共通のものには同一の符号を付し、詳細な説明は省略することとする。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of this embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional process diagram for explaining a manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment.
The semiconductor device 200 of this embodiment has the same basic configuration as that of the semiconductor device according to the first embodiment, and has only a difference in the layer configuration on the plug conductive layer 22. Accordingly, in FIG. 4 and FIG. 5, the same components as those shown in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態の半導体装置200は、図4に示すように、貫通孔24内に設けられたプラグ20が、プラグ導電層22と、プラグ導電層22上のリセス24a内に形成された下地導電膜23と、下地導電膜23に囲まれる領域内に形成された第2導電膜21とを備えている点に特徴を有している。上記下地導電膜23が形成されていることで、本実施形態の半導体装置200は、スイッチングトランジスタ18と強誘電体キャパシタ30との導通をより良好なものとすることができる。   In the semiconductor device 200 of this embodiment, as shown in FIG. 4, the plug 20 provided in the through hole 24 is formed with a plug conductive layer 22 and a base conductive film formed in a recess 24 a on the plug conductive layer 22. 23 and a second conductive film 21 formed in a region surrounded by the base conductive film 23. By forming the base conductive film 23, the semiconductor device 200 of the present embodiment can make the conduction between the switching transistor 18 and the ferroelectric capacitor 30 better.

先に記載のように、第2導電膜21はシリコンを含む導電材料、例えばシリコン含有チタン窒化物(TiN等)やシリコン含有チタン合金窒化物(TiAlN等)により形成されているため、シリコンを含まない導電材料(TiNやTiAlN)等と比較すると、抵抗が高くなる傾向にある。従って、30nm程度の薄い膜であってもコンタクト導通不良を生じるおそれがある。そこで本実施形態では、プラグ導電層22と第2導電膜21との間に、厚さ10nm未満(数nm程度)のシリコンを含まない導電材料からなる下地導電膜23を形成し、第2導電膜21が埋め込まれるリセスを浅くしている。これにより、第2導電膜21の膜厚を薄くすることができるので、第2導電膜21の抵抗を減ずることができ、コンタクト導通不良の発生を効果的に防止し、半導体装置の製造歩留まり向上に寄与する構成としている。   As described above, the second conductive film 21 is formed of a conductive material containing silicon, for example, silicon-containing titanium nitride (TiN or the like) or silicon-containing titanium alloy nitride (TiAlN or the like). The resistance tends to be higher when compared with no conductive material (TiN, TiAlN) or the like. Therefore, even a thin film of about 30 nm may cause poor contact conduction. Therefore, in the present embodiment, a base conductive film 23 made of a conductive material not containing silicon having a thickness of less than 10 nm (about several nm) is formed between the plug conductive layer 22 and the second conductive film 21, so that the second conductive The recess in which the film 21 is embedded is shallow. Thereby, since the film thickness of the second conductive film 21 can be reduced, the resistance of the second conductive film 21 can be reduced, the occurrence of contact conduction failure can be effectively prevented, and the manufacturing yield of the semiconductor device can be improved. It contributes to the structure.

下地導電膜23は、例えばシリコンを含まないチタン窒化物(TiN等)、チタン合金窒化粒(TiAlN等)により形成することができ、第2導電膜21の構成材料(シリコン含有チタン窒化物、シリコン含有チタン合金窒化物)からシリコンを除いたものと同一の材料を用いて形成することが好ましい。例えば第2導電膜21がシリコンを含有するTiNからなるものである場合には、下地導電膜23をTiNからなる導電膜とすることが好ましい。このような構成とすることで、下地導電膜23と第2導電膜21との密着性や結晶配向性を容易に高めることができる。   The underlying conductive film 23 can be formed of, for example, titanium nitride (TiN or the like) that does not contain silicon or titanium alloy nitride grains (TiAlN or the like). The constituent material of the second conductive film 21 (silicon-containing titanium nitride or silicon) It is preferable to use the same material as that obtained by removing silicon from (containing titanium alloy nitride). For example, when the second conductive film 21 is made of TiN containing silicon, the base conductive film 23 is preferably a conductive film made of TiN. By setting it as such a structure, the adhesiveness and crystal orientation of the base conductive film 23 and the 2nd conductive film 21 can be improved easily.

次に、本実施形態の半導体装置200の製造方法について、図5を参照して説明する。
まず、半導体基板10にスイッチングトランジスタ18等を形成し、スイッチングトランジスタ18等を覆って形成された層間絶縁膜26に貫通孔24を形成する。その後、貫通孔24内に第1下地層22a、第2下地層22b、及びプラグ導電層22を埋め込む。以上の工程は第1実施形態に係る製造方法と同様であるからここでは詳細は説明しない。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 200 of this embodiment will be described with reference to FIG.
First, the switching transistor 18 and the like are formed on the semiconductor substrate 10, and the through hole 24 is formed in the interlayer insulating film 26 formed so as to cover the switching transistor 18 and the like. Thereafter, the first base layer 22 a, the second base layer 22 b, and the plug conductive layer 22 are embedded in the through hole 24. Since the above process is the same as that of the manufacturing method according to the first embodiment, details are not described here.

貫通孔24内にプラグ導電層22を形成したならば、図5(a)に示すように、基板10上の全面に、例えばチタン窒化物(TiN等)からなる下地導電膜23aを形成する。下地導電膜23aの膜厚は、プラグ導電層22上のリセス24aを埋めてしまわない膜厚(例えば数nm)とする。
次に、図5(b)に示すように、下地導電膜23a上の全面に、例えばシリコン含有チタン窒化物からなる第2導電膜121を100nm〜500nm程度の膜厚に形成する。
When the plug conductive layer 22 is formed in the through hole 24, a base conductive film 23a made of, for example, titanium nitride (TiN or the like) is formed on the entire surface of the substrate 10 as shown in FIG. The film thickness of the underlying conductive film 23 a is set to a film thickness (for example, several nm) that does not fill the recess 24 a on the plug conductive layer 22.
Next, as shown in FIG. 5B, a second conductive film 121 made of, for example, silicon-containing titanium nitride is formed to a thickness of about 100 nm to 500 nm on the entire surface of the base conductive film 23a.

次に、第2導電膜121及び下地導電膜23aが形成された基板10をCMP処理に供することで、層間絶縁膜26上の第2導電膜121及び下地導電膜23aを除去し、リセス24a内に下地導電膜23と第2導電膜21とが埋め込まれた状態とする。これらの工程を経た層間絶縁膜26及び第2導電膜21の表面は非常に平坦化されたものとなる。   Next, the substrate 10 on which the second conductive film 121 and the base conductive film 23a are formed is subjected to a CMP process, whereby the second conductive film 121 and the base conductive film 23a on the interlayer insulating film 26 are removed, and the inside of the recess 24a. The base conductive film 23 and the second conductive film 21 are embedded in the substrate. The surfaces of the interlayer insulating film 26 and the second conductive film 21 that have undergone these steps are extremely flattened.

次に、図5(d)に示すように、層間絶縁膜26及び第2導電膜21の表面にNHプラズマ処理を施す。これにより、層間絶縁膜26の表面と第2導電膜21の表面部21aとに、NHに由来するNHx基が結合した状態となる。その後、先の第1実施形態と同様、第2導電膜21上を含む層間絶縁膜26上にチタンを形成すれば、前記NHプラズマ処理の表面改質作用によりチタンのマイグレーションが促進される結果、良好に(002)配向したチタン層12aを形成することができる(図3参照)。以後の工程は第1実施形態に係る半導体装置100の製造方法と同様であるから省略する。 Next, as shown in FIG. 5D, the surface of the interlayer insulating film 26 and the second conductive film 21 is subjected to NH 3 plasma treatment. As a result, NH x groups derived from NH 3 are bonded to the surface of the interlayer insulating film 26 and the surface portion 21 a of the second conductive film 21. After that, as in the first embodiment, if titanium is formed on the interlayer insulating film 26 including the second conductive film 21, the migration of titanium is promoted by the surface modification effect of the NH 3 plasma treatment. The (002) -oriented titanium layer 12a can be formed (see FIG. 3). Subsequent processes are the same as those in the method for manufacturing the semiconductor device 100 according to the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

なお、上記半導体装置(強誘電体メモリ装置)100,200は、携帯電話、パーソナルコンピュータ、液晶装置、電子手帳、ページャ、POS端末、ICカード、ミニディスクプレーヤ、液晶プロジェクタ、及びエンジニアリング・ワークステーション(EWS)、ワードプロセッサ、テレビ、ビューファイダ型またはモニタ直視型のビデオテープレコーダ、電子卓上計算機、カーナビゲーション装置、タッチパネルを備えた装置、時計、ゲーム機器、電気泳動装置など、様々な電子機器に適用することができる。   The semiconductor devices (ferroelectric memory devices) 100 and 200 include mobile phones, personal computers, liquid crystal devices, electronic notebooks, pagers, POS terminals, IC cards, minidisc players, liquid crystal projectors, and engineering workstations ( EWS), word processor, television, view finder type or monitor direct view type video tape recorder, electronic desk calculator, car navigation device, device with touch panel, watch, game device, electrophoresis device, etc. Can do.

第1実施形態に係る半導体装置の模式断面図。1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment. 同、半導体装置の製造方法を説明するための断面工程図。Sectional process drawing for demonstrating the manufacturing method of a semiconductor device. 同、半導体装置の製造方法を説明するための断面工程図。Sectional process drawing for demonstrating the manufacturing method of a semiconductor device. 第2実施形態に係る半導体装置の模式断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment. 同、半導体装置の製造方法を説明するための断面工程図。Sectional process drawing for demonstrating the manufacturing method of a semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

100 半導体装置(強誘電体メモリ装置)、10 半導体基板、12 窒化チタン層、14 バリア層、18 スイッチングトランジスタ、20 プラグ、21 第2導電膜、21a 表面部、22 プラグ導電層(第1導電膜)、22a 第1下地層、22b 第2下地層、23 下地導電膜、26 層間絶縁膜、30 強誘電体キャパシタ、32 第1電極、34 強誘電体層、36 第2電極   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Semiconductor device (ferroelectric memory device), 10 Semiconductor substrate, 12 Titanium nitride layer, 14 Barrier layer, 18 Switching transistor, 20 Plug, 21 2nd electrically conductive film, 21a Surface part, 22 Plug electrically conductive layer (1st electrically conductive film) ), 22a First base layer, 22b Second base layer, 23 Base conductive film, 26 Interlayer insulating film, 30 Ferroelectric capacitor, 32 First electrode, 34 Ferroelectric layer, 36 Second electrode

Claims (5)

基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置であって、
前記プラグは、前記貫通孔内に第1導電膜を埋め込んでなるプラグ導電層を有しており、
前記プラグ導電層上に形成されたリセス内に、チタン窒化物膜又はチタン合金窒化物膜からなり前記リセスの深さよりも薄い膜厚を有する下地導電膜が、前記リセスの内面を覆って形成され、
前記下地導電膜に囲まれる領域内に、シリコンを含むチタン窒化物膜又はシリコンを含むチタン合金窒化物膜からなる第2導電膜が埋め込まれており、
前記第2導電膜上には、(111)配向を有する窒化チタン膜からなる第3導電膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on a substrate,
The plug has a plug conductive layer in which the first conductive film is embedded in the through hole,
In the recess formed on the plug conductive layer, a base conductive film made of a titanium nitride film or a titanium alloy nitride film and having a thickness smaller than the depth of the recess is formed to cover the inner surface of the recess. ,
A second conductive film made of a titanium nitride film containing silicon or a titanium alloy nitride film containing silicon is embedded in a region surrounded by the base conductive film,
A semiconductor device, wherein a third conductive film made of a titanium nitride film having a (111) orientation is formed on the second conductive film.
前記下地導電膜は、前記第2導電膜の構成成分からシリコンを除いた組成を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the base conductive film has a composition obtained by removing silicon from the constituent components of the second conductive film. 前記下地導電膜の膜厚が10nm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a film thickness of the base conductive film is 10 nm or less. 基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置の製造方法であって、
前記基板上の層間絶縁膜に貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔内に第1導電膜を埋め込んでプラグ導電層を形成する工程と、
前記プラグ導電層上に形成されているリセスを含む前記層間絶縁膜上に、チタン窒化物膜又はチタン合金窒化物膜からなる下地導電膜を、前記リセスの深さよりも薄い膜厚に形成する工程と、
前記下地導電膜上に、シリコンを含むチタン窒化物膜又はシリコンを含むチタン合金窒化物膜からなる第2導電膜を形成する工程と、
前記第2導電膜及び前記下地導電膜にCMP処理を施すことで、前記プラグ導電層上のリセス内に前記下地導電膜と前記第2導電膜とを埋め込む工程と、
前記第2導電膜の上面と前記層間絶縁膜の表面とに、窒素と水素とが結合した分子構造を有するガスのプラズマを励起して照射する工程と、
前記プラズマを照射された前記第2導電膜の上面を含む領域に、(111)配向を有する窒化チタン膜からなる第3導電膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device having a conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on a substrate,
Forming a through hole in an interlayer insulating film on the substrate;
Forming a plug conductive layer by embedding a first conductive film in the through hole;
Forming a base conductive film made of a titanium nitride film or a titanium alloy nitride film on the interlayer insulating film including the recess formed on the plug conductive layer to a thickness smaller than the depth of the recess; When,
Forming a second conductive film made of a titanium nitride film containing silicon or a titanium alloy nitride film containing silicon on the base conductive film;
Embedding the base conductive film and the second conductive film in a recess on the plug conductive layer by performing a CMP process on the second conductive film and the base conductive film;
Exciting and irradiating plasma of a gas having a molecular structure in which nitrogen and hydrogen are bonded to the upper surface of the second conductive film and the surface of the interlayer insulating film;
Forming a third conductive film made of a titanium nitride film having a (111) orientation in a region including an upper surface of the second conductive film irradiated with the plasma;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第3導電膜を形成する工程が、
前記第2導電膜の上面を含む領域にチタン層を形成する工程と、当該チタン層の形成後に窒素雰囲気下での加熱処理により当該チタン層を窒化チタン層に変換する工程と、を有することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
Forming the third conductive film comprises :
Forming a titanium layer in a region including the upper surface of the second conductive film, a step of converting the titanium layer to titanium nitride layer after the formation of the titanium layer by heat treatment under a nitrogen atmosphere, to have a The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4 , wherein:
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