JP7772306B2 - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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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。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device.
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。 Ferroelectric random access memory (FeRAM) is a well-known memory that uses polarization reversal of a ferroelectric material to store data in a ferroelectric capacitor. The ferroelectric capacitor comprises a lower electrode, a ferroelectric film disposed on the lower electrode, and an upper electrode disposed on the ferroelectric film. A conductive plug is formed on the upper electrode, connecting to the upper electrode.
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)。 When a ferroelectric film is reduced by hydrogen generated during the manufacturing process of FeRAM, its characteristics deteriorate. Therefore, methods have been proposed to prevent hydrogen from penetrating into the ferroelectric film (see, for example, Patent Document 1). Furthermore, ferroelectric capacitors are formed by patterning them into the desired shape using techniques such as etching, and a recovery annealing process (heat treatment) is performed in an oxygen atmosphere to repair process damage. This recovery annealing process forms an oxide layer on the top surface of the upper electrode, and this oxide layer can increase the contact resistance between the conductive plug and the upper electrode. Therefore, methods have been proposed to prevent this increase in contact resistance (see, for example, Patent Document 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。 However, the method described in Patent Document 2 leaves room for improvement in terms of suppressing an increase in contact resistance between the conductive plug and the upper electrode.
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。 One aspect is to suppress an increase in contact resistance.
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。 In one aspect, the semiconductor device comprises a ferroelectric capacitor having a first electrode, a ferroelectric film provided on the first electrode, and a second electrode provided on the ferroelectric film; an oxidation inhibitor film provided in contact with the upper surface of the second electrode; and a conductive plug penetrating the oxidation inhibitor film and including an adhesion film in contact with the oxidation inhibitor film and the second electrode, and a conductive film on the adhesion film, wherein the second electrode contains a first metal element, the adhesion film contains a second metal element, and the oxidation inhibitor film includes an oxide film or nitride film of a third metal element having a higher ionization tendency than the first metal element and the second metal element, or an iridium nitride film.
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。 In one aspect, a method for manufacturing a semiconductor device includes the steps of: forming a film that will become a first electrode; forming a ferroelectric film on the film that will become the first electrode; forming a film that will become a second electrode on the ferroelectric film; forming an oxidation inhibitor film in contact with the upper surface of the film that will become the second electrode; patterning the film that will become the first electrode, the ferroelectric film, the film that will become the second electrode, and the oxidation inhibitor film to form a ferroelectric capacitor having the first electrode, the ferroelectric film, and the second electrode; performing a heat treatment on the ferroelectric capacitor in an oxygen atmosphere; and, after the heat treatment, forming a conductive plug that penetrates the oxidation inhibitor film and includes an adhesion film in contact with the oxidation inhibitor film and the second electrode and a conductive film on the adhesion film, wherein the second electrode contains a first metal element, the adhesion film contains a second metal element, and the oxidation inhibitor film includes an oxide film or nitride film of a third metal element having a higher ionization tendency than the first metal element and the second metal element, or an iridium nitride film.
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。 One aspect is that it can suppress an increase in contact resistance.
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。 An embodiment of the present invention will now be described with reference to the drawings.
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。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device 100 according to a first embodiment. As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 is formed on a semiconductor substrate 10, which is, for example, a P-type silicon substrate. An element isolation region 12 made of an insulator such as silicon oxide (SiO 2 ) is formed in a surface layer of the semiconductor substrate 10, defining a region in which a transistor Ta is formed. Also, a source region S and a drain region D of the transistor Ta are formed in the surface layer of the semiconductor substrate 10. The source region S and the drain region D are made of, for example, an N-type semiconductor.
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。 A gate electrode G is provided on a semiconductor substrate 10 via a gate insulating film 14. The gate insulating film 14 is made of, for example, SiO2 , and the gate electrode G is made of, for example, polysilicon. The gate electrode G functions as a word line. Sidewalls 16 made of an insulator such as SiO2 are provided on the sides of the gate electrode G. Silicide layers 18 are provided on the surfaces of the source region S, the drain region D, and the gate electrode G to reduce contact resistance. The transistor Ta is a field effect transistor.
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。 A cover film 20, an interlayer insulating film 22, an etch stopper film 24, an interlayer insulating film 26, an oxidation suppression film 28, and a buffer film 30 are stacked on the transistor Ta in this order. The cover film 20 is approximately 50 to 100 nm thick and is made of an insulator such as silicon nitride (SiN). The interlayer insulating film 22 is approximately 300 to 400 nm thick and is made of SiO2 or the like. The etch stopper film 24 is approximately 20 to 50 nm thick and is made of an insulator such as SiN. The interlayer insulating film 26 is approximately 200 to 300 nm thick and is made of SiO2 or the like. The oxidation suppression film 28 is approximately 50 to 150 nm thick and is made of an insulator such as SiN. The buffer film 30 is approximately 200 to 300 nm thick and is made of an insulator such as SiO2 .
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。 Conductive plugs 32, 34 penetrate the interlayer insulating film 22 and cover film 20 and are connected to the source region S and drain region D, respectively. The conductive plugs 32, 34 are made of a conductor such as tungsten (W). A wiring 38 that functions as a bit line is provided, penetrating the interlayer insulating film 26 and etch stopper film 24. The wiring 38 is electrically connected to the drain region D of transistor Ta via the conductive plug 34. The wiring 38 is made of a conductor such as W. A conductive plug 36 is provided, penetrating the buffer film 30, oxidation suppression film 28, interlayer insulating film 26, and etch stopper film 24, and is connected to the conductive plug 32. The conductive plug 36 is made of a conductor such as W.
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。 A ferroelectric capacitor Ca is provided on the buffer film 30. The ferroelectric capacitor Ca has a layered structure in which a lower electrode 40, a ferroelectric film 42, and an upper electrode 44 are stacked. The lower electrode 40 is electrically connected to the source region S of the transistor Ta via conductive plugs 36 and 32.
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。 The lower electrode 40 is formed by stacking an adhesion film 46, an oxygen barrier conductive film 48, and an electrode film 50 in this order. The adhesion film 46 is approximately 1 nm to 10 nm thick and is made of a conductor such as titanium nitride (TiN). The adhesion film 46 functions to improve adhesion between the conductive plug 36 and the oxygen barrier conductive film 48. The oxygen barrier conductive film 48 is approximately 50 nm to 100 nm thick and has low oxygen permeability, functioning to suppress oxygen diffusion into the conductive plug 36. The oxygen barrier conductive film 48 has lower oxygen permeability than the adhesion film 46 and the electrode film 50. The oxygen barrier conductive film 48 is made of, for example, titanium aluminum nitride (TiAlN), titanium aluminum oxynitride (TiAlON), titanium silicon nitride (TiSiN), tantalum aluminum nitride (TaAlN), tantalum aluminum oxynitride (TaAlON), or tantalum silicon nitride (TaSiN). The electrode film 50 is approximately 10 to 100 nm thick and is made of a conductor such as iridium (Ir).
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。 The ferroelectric film 42 is formed containing a ferroelectric oxide having a perovskite crystal structure , such as PZT (Pb(Zr,Ti) O3 ) or SBT ( SrBi2Ta2O9 ), etc. The thickness of the ferroelectric film 42 is about 50 nm to 150 nm.
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。 The upper electrode 44 is formed to contain a first metal element. In Example 1, the first metal element is iridium (Ir). The upper electrode 44 is formed by laminating an electrode film 52 and an electrode film 54 in this order. For example, the electrode film 52 has a thickness of about 100 nm to 200 nm and is made of iridium oxide (IrO 2 ). The electrode film 54 is provided to reduce contact resistance, has a thickness of 50 nm to 150 nm, and is made of iridium (Ir).
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。 An oxidation suppression film 56, which is an insulating film, is provided in contact with the upper surface of the electrode film 54 of the upper electrode 44. The oxidation suppression film 56 includes an oxide film or nitride film of a third metal element. The third metal element is a metal having a higher ionization tendency than the first metal element included in the upper electrode 44 and the second metal element included in the adhesion film 66 of the conductive plug 64, which will be described later. In Example 1, the third metal element is aluminum (Al). For example, the oxidation suppression film 56 is an aluminum oxide (Al x O y ) film or an aluminum nitride (Al x N y ) film having a thickness of approximately 50 nm to 100 nm.
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。 The sides of the lower electrode 40, ferroelectric film 42, upper electrode 44, and oxidation prevention film 56 are continuous, with no discontinuous protruding portions formed. The widths of the lower electrode 40, ferroelectric film 42, upper electrode 44, and oxidation prevention film 56 may continuously narrow from the lower electrode 40 toward the oxidation prevention film 56, or may be approximately the same width.
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。 A protective film 58 is provided to cover the ferroelectric capacitor Ca and the oxidation suppression film 56. The protective film 58 has a thickness of about 20 nm to 70 nm and is made of aluminum oxide (Al x O y ), magnesium oxide (Mg x O y ), aluminum nitride (Al x N y ), or magnesium nitride (Mg x N y ). The protective film 58 has the function of suppressing the penetration of hydrogen and moisture into the ferroelectric capacitor Ca.
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。 The oxidation prevention film 56 and the protective film 58 may be formed of the same material (e.g. , AlxOy ) or different materials (e.g., the oxidation prevention film 56 is AlxOy and the protective film 58 is MgxOy ) . The same material means that the constituent elements are the same, but the composition ratios may be different. When the oxidation prevention film 56 and the protective film 58 are formed of the same material (e.g., AlxOy ), the thickness of AlxOy on the top surface of the upper electrode 44 is thicker than the thickness of AlxOy on the side surface of the ferroelectric capacitor Ca. For example, the thickness of AlxOy on the top surface of the upper electrode 44 may be 1.5 times or more, 2.0 times or more, or 2.5 times or more the thickness of AlxOy on the side surface of the ferroelectric capacitor Ca.
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。 An interlayer insulating film 60 made of SiO 2 or the like is provided on the protective film 58. The thickness of the interlayer insulating film 60 is approximately 1000 nm to 1800 nm. A conductive plug 64 is provided penetrating the interlayer insulating film 60, the protective film 58, and the oxidation suppression film 56. The conductive plug 64 is connected to the upper electrode 44 of the ferroelectric capacitor Ca. The conductive plug 64 includes an adhesion film 66 in contact with the interlayer insulating film 60, the protective film 58, the oxidation suppression film 56, and the electrode film 54 of the upper electrode 44, and a conductive film 68 provided on the adhesion film 66. The adhesion film 66 functions to improve adhesion between the conductive film 68 and the interlayer insulating film 60, the protective film 58, the oxidation suppression film 56, and the electrode film 54 of the upper electrode 44. The adhesion film 66 is formed by containing a second metal element. The second metal element is a metal with a lower ionization tendency than the third metal element (Al) contained in the oxidation suppression film 56. In Example 1, the second metal element is titanium (Ti). For example, the adhesion film 66 has a thickness of about 2 nm to 10 nm and is formed of titanium (Ti), titanium nitride (TiN), or a laminate of Ti and TiN. The conductive film 68 is formed of, for example, tungsten (W).
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。 Wiring 70, which functions as a plate line, is provided on the interlayer insulating film 60. The wiring 70 has a layered structure in which a barrier film 72, a wiring film 74, and a barrier film 76 are stacked. The barrier films 72 and 76 are made of, for example, Ti or TiN. The wiring film 74 is made of a conductor such as an aluminum-copper alloy. The wiring 70 is electrically connected to the upper electrode 44 of the ferroelectric capacitor Ca via a conductive plug 64.
[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。
[Manufacturing method]
2A to 4B are cross-sectional views showing a manufacturing method of the semiconductor device 100 according to the first embodiment. FIG. 4B is an enlarged view of region A in FIG. 4A. As shown in FIG. 2A, an isolation region 12 is formed in a surface layer of a semiconductor substrate 10, e.g., a P-type silicon substrate, using shallow trench isolation (STI) technology. Next, a SiO 2 film for forming a gate insulating film 14 is formed on the surface of the semiconductor substrate 10 using thermal oxidation, and then a polysilicon film for forming a gate electrode G is deposited using chemical vapor deposition (CVD). The SiO 2 film and polysilicon film are then patterned using photolithography and etching to form the gate insulating film 14 and the gate electrode G.
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。 Next, an insulating film such as SiO 2 is formed by CVD to cover the gate electrode G, and then the insulating film is etched back to form sidewalls 16 that cover the side surfaces of the gate electrode G. Next, using the gate electrode G and the sidewalls 16 as a mask, ion implantation is performed to form the source region S and the drain region D. After that, heat treatment is performed to activate the N-type impurity diffusion regions that constitute the source region S and the drain region D. Next, a salicide process is used to form silicide layers 18 on the surfaces of the source region S, the drain region D, and the gate electrode G to reduce contact resistance. This forms a transistor Ta in the semiconductor substrate 10.
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。 As shown in FIG. 2B , a cover film 20 is formed by depositing an insulating film such as SiN on the surface of the transistor Ta using CVD. Next, an interlayer insulating film 22 such as SiO 2 is formed on the cover film 20 using CVD, and the surface of the interlayer insulating film 22 is then planarized using CMP (chemical mechanical polishing). Next, contact holes reaching the source region S and the drain region D are formed in the interlayer insulating film 22 and the cover film 20 using photolithography and etching. Next, an adhesive film such as Ti is formed on the side and bottom surfaces of the contact holes using sputtering or CVD, and the contact holes are then filled with a conductive film such as W using CVD. Next, excess adhesive film and conductive film deposited on the interlayer insulating film 22 are removed using CMP, forming conductive plugs 32 and 34.
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。 2C, an insulating film such as SiN is deposited on the interlayer insulating film 22 using CVD to form an etch stopper film 24. Next, an interlayer insulating film 26 such as SiO2 is formed on the etch stopper film 24 using CVD. Next, photolithography and etching are used to form linear trenches in the interlayer insulating film 26 and the etch stopper film 24 in regions where interconnects 38 will be formed. Next, an adhesive film such as Ti is formed on the side and bottom surfaces of the linear trenches using sputtering or CVD, and then a conductive film such as W is filled into the linear trenches using CVD. Next, CMP is used to remove excess adhesive film and conductive film deposited on the interlayer insulating film 26, thereby forming interconnects 38.
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。 Next, an insulating film such as SiN is deposited on the interlayer insulating film 26 using CVD to form an oxidation prevention film 28. Next, an insulating film such as SiO2 is deposited on the oxidation prevention film 28 using CVD to form a buffer film 30. Next, photolithography and etching are used to form contact holes that penetrate the buffer film 30, the oxidation prevention film 28, the interlayer insulating film 26, and the etch stopper film 24 and reach the conductive plug 32. Next, an adhesion film such as Ti is formed on the side and bottom surfaces of the contact hole using sputtering or CVD, and then the contact hole is filled with a conductive film such as W using CVD. Next, CMP is used to remove excess adhesion film and conductive film deposited on the buffer film 30, thereby forming a conductive plug 36. The conductive plug 36 is connected to the conductive plug 32.
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。 As shown in FIG. 3A , an adhesion film 46 made of, for example, TiN is formed on the buffer film 30 by physical vapor deposition (PVD). An oxygen barrier conductive film 48 made of, for example, TiAlN is formed on the adhesion film 46 by PVD. An electrode film 50 made of, for example, Ir is formed on the oxygen barrier conductive film 48 by PVD. A ferroelectric film 42 made of, for example, PZT is formed on the electrode film 50 by PVD or CVD. Thereafter, the ferroelectric film 42 is subjected to rapid thermal processing, which is a heat treatment in an oxygen atmosphere. This causes desorption and oxidation of excess elements in the ferroelectric film 42, completing the crystallization of the ferroelectric film 42. Next, an electrode film 52 made of, for example, IrO 2 is formed on the ferroelectric film 42 by PVD. An electrode film 54 made of, for example, Ir is formed on the electrode film 52 by PVD. An oxidation prevention film 56 made of, for example, Al x O y or Al x N y is formed on the electrode film 54 by sputtering.
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。 As shown in FIG. 3(b), photolithography and etching are used to pattern the oxidation suppression film 56, electrode film 54, electrode film 52, ferroelectric film 42, electrode film 50, oxygen barrier conductive film 48, and adhesion film 46. This results in the formation of a ferroelectric capacitor Ca having a lower electrode 40 including the adhesion film 46, oxygen barrier conductive film 48, and electrode film 50, and an upper electrode 44 including the ferroelectric film 42, electrode film 52, and electrode film 54. After the ferroelectric capacitor Ca is formed, a recovery annealing process, which is a heat treatment in an oxygen atmosphere, is performed on the ferroelectric capacitor Ca to remove process damage such as etching.
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。 4A and 4B, a protective film 58 made of, for example, AlxOy , MgxOy , AlxNy , or MgxNy is formed by CVD or PVD so as to cover the ferroelectric capacitor Ca and the oxidation suppression film 56. An interlayer insulating film 60 mainly containing SiO2 is formed on the protective film 58 by CVD. The surface of the interlayer insulating film 60 is then planarized by CMP . Next, photolithography and etching are used to form contact holes that penetrate the interlayer insulating film 60, the protective film 58, and the oxidation suppression film 56 and reach the upper electrode 44 of the ferroelectric capacitor Ca. Next, an adhesion film 66 made of, for example, Ti, TiN, or a laminate of Ti and TiN is formed on the side and bottom surfaces of the contact holes by sputtering. Then, a conductive film 68 such as W is filled into the contact holes by CVD. Next, the excess adhesive film 66 and conductive film 68 deposited on the interlayer insulating film 60 are removed by CMP, thereby forming conductive plugs 64 .
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。 After that, as shown in FIG. 1, a barrier film 72, a wiring film 74, and a barrier film 76 are laminated on the surface of the interlayer insulating film 60. Next, this laminated film is patterned using photolithography and etching to form wiring 70. The wiring 70 is electrically connected to the upper electrode 44 of the ferroelectric capacitor Ca via the conductive plug 64. Through the above steps, the semiconductor device 100 of Example 1 is formed.
[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。
[Comparative Example]
The semiconductor device according to the comparative example differs from the semiconductor device 100 of the first embodiment in that no oxidation suppression film is provided on the top surface of the upper electrode 44. The other configurations are the same as those of the semiconductor device 100 of the first embodiment.
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。 5A to 6B are cross-sectional views showing a semiconductor device manufacturing method according to a comparative example. FIG. 6B is an enlarged view of region A in FIG. 6A. First, the same manufacturing process as that shown in FIGS. 2A to 2C of Example 1 is performed. Then, as shown in FIG. 5A, an adhesion film 46 made of TiN, an oxygen barrier conductive film 48 made of TiAlN, an electrode film 50 made of Ir, and a ferroelectric film 42 made of PZT are formed on the buffer film 30. The ferroelectric film 42 is then subjected to rapid thermal processing, which is a heat treatment under an oxygen atmosphere. Next, an electrode film 52 made of IrO2 and an electrode film 54 made of Ir are formed on the ferroelectric film 42.
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。 5B, the electrode film 54, the electrode film 52, the ferroelectric film 42, the electrode film 50, the oxygen barrier conductive film 48, and the adhesive film 46 are patterned using photolithography and etching. This results in a ferroelectric capacitor Ca having a lower electrode 40 including the adhesive film 46, the oxygen barrier conductive film 48, and the electrode film 50, and an upper electrode 44 including the ferroelectric film 42, the electrode film 52, and the electrode film 54. After the ferroelectric capacitor Ca is formed, a recovery annealing process, which is a heat treatment in an oxygen atmosphere, is performed on the ferroelectric capacitor Ca to remove process damage such as etching. During this recovery annealing process, the upper surface of the electrode film 54 is exposed to the oxygen atmosphere, and an oxide layer 55 is formed on the upper surface of the electrode film 54. The oxide layer 55 is, for example, an iridium oxide (IrO x ) layer.
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。 As shown in Figures 6(a) and 6(b), a protective film 58 is formed to cover the ferroelectric capacitor Ca. An interlayer insulating film 60 is formed on the protective film 58. Next, photolithography and etching are used to form contact holes that penetrate the interlayer insulating film 60 and protective film 58 and reach the upper electrodes 44 of the ferroelectric capacitors Ca. Next, an adhesion film 66 made of Ti, TiN, or a laminate of Ti and TiN is formed on the side and bottom surfaces of the contact holes using a sputtering method. Thereafter, a conductive film 68 such as W is filled into the contact holes using a CVD method. Next, CMP is used to remove excess adhesion film 66 and conductive film 68 deposited on the interlayer insulating film 60, thereby forming conductive plugs 64.
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。 Because an oxide layer 55 formed by oxidizing the electrode film 54 is formed on the upper surface of the electrode film 54, the adhesion film 66 of the conductive plug 64 is formed in contact with the oxide layer 55. The adhesion film 66 is formed of Ti, TiN, or a laminate of Ti and TiN, and the electrode film 54 is formed of Ir. Since Ti has a greater ionization tendency than Ir, an increase in temperature during the manufacturing process of the adhesion film 66 and the conductive film 68 facilitates solid-phase diffusion of oxygen contained in the oxide layer 55 into the adhesion film 66. The diffusion of oxygen into the adhesion film 66 may result in the partial formation of an insulating layer 65 made of an oxide (TiO x ) or oxynitride (TiON) of Ti (the second metal element) contained in the adhesion film 66 between the conductive plug 64 and the electrode film 54. For example, when the conductive film 68 is formed using a CVD method, the temperature rises to approximately 400° C., which facilitates solid-phase diffusion of oxygen contained in the oxide layer 55 into the adhesion film 66.
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。 Then, although not shown, wiring 70 including a barrier film 72, a wiring film 74, and a barrier film 76 is formed on the surface of the interlayer insulating film 60, similar to the semiconductor device 100 of Example 1.
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。 In the comparative example, an oxide layer 55 is formed on the upper surface of the electrode film 54 of the upper electrode 44 by a recovery annealing process after the formation of the ferroelectric capacitor Ca. Therefore, due to the temperature rise when forming the conductive plug 64 in contact with the electrode film 54, oxygen in the oxide layer 55 diffuses into the adhesion film 66 of the conductive plug 64 in a solid phase. As a result, an insulating layer 65 made of an oxide (TiO x ) or oxynitride (TiON) of Ti (second metal element) contained in the adhesion film 66 is formed. The partial formation of the insulating layer 65 between the conductive plug 64 and the electrode film 54 increases the contact resistance between the conductive plug 64 and the upper electrode 44. Furthermore, the variation in contact resistance between the conductive plug 64 and the upper electrode 44 between a plurality of semiconductor devices increases.
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。 Even if the contact holes for forming the conductive plugs 64 are formed by etching deeply enough to remove the oxide layer 55, the adhesion film 66 is formed in contact with the side surfaces of the oxide layer 55. Therefore, even in this case, oxygen in the oxide layer 55 diffuses into the adhesion film 66 in a solid phase, and an insulating layer 65 made of an oxide (TiO x ) or oxynitride (TiON) of Ti (second metal element) contained in the adhesion film 66 is formed.
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。 In contrast, in Example 1, as shown in FIGS. 3(a) and 3(b), an oxidation inhibitor film 56 is formed in contact with the upper surface of the electrode film 54 of the upper electrode 44 before performing a recovery annealing treatment (heat treatment) on the ferroelectric capacitor Ca. Therefore, even when a recovery annealing treatment is performed on the ferroelectric capacitor Ca, oxidation of the upper surface of the electrode film 54 is suppressed. The oxidation inhibitor film 56 is an oxide or nitride film of Al (third metal element), which has a higher ionization tendency than Ir (first metal element) contained in the electrode film 54. Films containing metal elements with a higher ionization tendency are more susceptible to oxidation than films containing metal elements with a lower ionization tendency. Therefore, even if the oxidation inhibitor film 56 is not a dense film and oxygen penetrates the interior during the recovery annealing treatment, the oxygen is easily absorbed into the oxidation inhibitor film 56, which contains Al, which has a higher ionization tendency, and is suppressed from reaching the electrode film 54. This effectively suppresses oxidation of the upper surface of the electrode film 54.
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。 Because an oxide layer is less likely to form on the upper surface of the electrode film 54, the formation of an insulating layer made of an oxide or oxynitride of Ti (the second metal element) contained in the adhesion film 66 between the conductive plug 64 and the electrode film 54 is suppressed, as shown in FIG. 4(b). This prevents an increase in contact resistance between the conductive plug 64 and the upper electrode 44 and reduces variations in contact resistance between multiple semiconductor devices 100.
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。 As shown in FIG. 4(b), the adhesion film 66 of the conductive plug 64 is formed in contact with the side surface of the oxidation prevention film 56. The oxidation prevention film 56 is an oxide or nitride film of Al (a third metal element), which has a higher ionization tendency than Ti (a second metal element) contained in the adhesion film 66. Therefore, the oxygen contained in the oxidation prevention film 56 is less likely to diffuse into the adhesion film 66, which contains Ti, which has a lower ionization tendency. Therefore, even if the adhesion film 66 is formed in contact with the oxidation prevention film 56, the formation of an insulating film made of an oxide or oxynitride of Ti (a second metal element) contained in the adhesion film 66 is suppressed.
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。 As described above, according to the first embodiment, the oxidation suppression film 56 is provided in contact with the upper surface of the upper electrode 44 of the ferroelectric capacitor Ca. A conductive plug 64 is provided, which includes an adhesion film 66 that penetrates the oxidation suppression film 56 and is in contact with the oxidation suppression film 56 and the upper electrode 44, and a conductive film 68 on the adhesion film 66. The oxidation suppression film 56 includes an oxide film (Al x O y ) or nitride film (Al x N y ) of Al (a third metal element) that has a higher ionization tendency than Ir (a first metal element) contained in the upper electrode 44 and Ti (a second metal element) contained in the adhesion film 66. This prevents the formation of an insulating film made of an oxide or oxynitride of Ti (a second metal element) contained in the adhesion film 66 between the conductive plug 64 and the upper electrode 44, as described above. Therefore, an increase in contact resistance between the conductive plug 64 and the upper electrode 44 and variations in contact resistance among a plurality of semiconductor devices 100 can be suppressed.
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。 In addition, in Example 1, the upper electrode 44 contains iridium (Ir). Ir is advantageous in that it remains conductive even when oxidized, and its relatively weak catalytic action makes it less likely for the characteristics of the ferroelectric film 42 to deteriorate. Furthermore, oxygen is supplied to the ferroelectric film 42 from iridium oxide, thereby suppressing deterioration of the characteristics of the ferroelectric capacitor Ca. The adhesion film 66 contains titanium (Ti). This improves adhesion between the conductive film 68 and the upper electrode 44 and oxidation suppression film 56.
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。 In the first embodiment, the oxidation suppression film 56 includes an oxide film (Al x O y ) or a nitride film (Al x N y ) of aluminum (Al). This makes it possible to suppress the formation of an insulating film made of an oxide or oxynitride of Ti (second metal element) contained in the adhesion film 66 between the conductive plug 64 and the upper electrode 44, and also to suppress the penetration of hydrogen and the like into the ferroelectric capacitor Ca. Note that the oxidation suppression film 56 may include an oxide film (Mg x O y ) or a nitride film (Mg x N y ) of magnesium (Mg) instead of the oxide film (Al x O y ) or nitride film (Al x N y ) of aluminum (Al). Even in this case, it is possible to suppress the formation of an insulating film made of an oxide or oxynitride of Ti (second metal element) contained in the adhesion film 66 between the conductive plug 64 and the upper electrode 44, and also to suppress the penetration of hydrogen and the like into the ferroelectric capacitor Ca. The oxidation prevention film 56 may be a laminated film of at least two layers selected from AlxOy , AlxNy , MgxOy , and MgxNy .
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。 In addition, in the first embodiment, the oxidation prevention film 56 and the protective film 58 may be formed of the same material (e.g. , AlxOy ). In this case, the thickness of AlxOy on the top surface of the ferroelectric capacitor Ca is thicker than the thickness of AlxOy on the side surface of the ferroelectric capacitor Ca. In this way, by making the thickness of AlxOy on the top surface of the ferroelectric capacitor Ca thicker, it is possible to effectively prevent hydrogen and the like from penetrating into the ferroelectric capacitor Ca.
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。 In the first embodiment, the oxidation suppression film 56 and the protective film 58 may be formed of different materials (for example, the oxidation suppression film 56 may be AlxOy and the protective film 58 may be AlxNy or MgxOy , etc. ), which broadens the range of materials that can be selected for the oxidation suppression film 56 and the protective film 58.
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。 In Example 1, the upper electrode 44 is shown as containing Ir, but this is not limiting and may be formed as containing platinum (Pt), for example. The adhesion film 66 is shown as containing Ti, but may be formed of other materials as long as they can function as an adhesive, such as chromium (Cr). The oxidation prevention film 56 may be formed as long as it contains an oxide or nitride film of a third metal element that has a greater ionization tendency than the first metal element contained in the upper electrode 44 and the second metal element contained in the adhesion film 66, and may be formed as a material other than an oxide or nitride film of Al or Mg.
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。 The semiconductor device according to the second embodiment differs from the semiconductor device 100 according to the first embodiment in that an iridium nitride (IrN x ) film is used as the oxidation prevention film 56. The other configurations are the same as those of the first embodiment, and therefore illustrations and descriptions thereof will be omitted. The semiconductor device according to the second embodiment is formed by the same method as the manufacturing method of the semiconductor device 100 according to the first embodiment shown in FIGS. 2A to 4B, except that an IrN x film is formed as the oxidation prevention film 56.
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。
Here, an experiment for evaluating the oxidation characteristics of an IrNx film and an Ir film will be described. The following samples 1 and 2 were used in the experiment.
Sample 1: A 5 nm thick iridium nitride (IrN x ) film was formed on a magnesium oxide (MgO) substrate with a titanium (Ti) adhesive film interposed therebetween. Sample 2: A 5 nm thick iridium (Ir) film was formed on a magnesium oxide (MgO) substrate with a titanium (Ti) adhesive film interposed therebetween. Samples 1 and 2 were left for 3 minutes in an atmosphere of 10% oxygen and argon at a temperature of 400°C and a pressure of 1 Torr, and the oxidation amounts of the Ir film and IrN x film were investigated. The temperature was then raised to 500°C and left for 3 minutes, after which the oxidation amounts of the Ir film and IrN x film were investigated. The temperature was then raised to 600°C and left for 3 minutes, after which the oxidation amounts of the Ir film and IrN x film were investigated. The oxidation amounts were investigated using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
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。 FIG. 7 shows the results of the oxidation investigation conducted on Samples 1 and 2. The horizontal axis of FIG. 7 represents temperature, and the vertical axis represents the volume ratio of the IrO2 film to the IrNx film and Ir film. As shown in FIG. 7, it can be seen that the IrNx film is less susceptible to oxidation than the Ir film. In other words, it can be said that the IrNx film has a high effect of suppressing oxygen diffusion.
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。 For this reason, in Example 2, an iridium nitride (IrN x ) film is used for the oxidation inhibitor film 56. As a result, even when a recovery annealing process is performed on the ferroelectric capacitor Ca, the oxidation inhibitor film 56 has a high effect of suppressing oxygen diffusion, thereby suppressing oxygen from reaching the electrode film 54. This suppresses oxidation of the upper surface of the electrode film 54, and as a result, suppresses the formation of an insulating layer made of an oxide or oxynitride of Ti (second metal element) contained in the adhesion film 66 between the conductive plug 64 and the electrode film 54. This makes it possible to suppress an increase in contact resistance between the conductive plug 64 and the upper electrode 44 and variations in contact resistance between a plurality of semiconductor devices. Furthermore, although the adhesion film 66 is formed in contact with the side surface of the oxidation inhibitor film 56, because the oxidation inhibitor film 56 is an iridium nitride (IrN x ) film, diffusion of oxygen from the oxidation inhibitor film 56 to the adhesion film 66 is suppressed. Therefore, in this respect as well, the formation of an insulating film made of an oxide or oxynitride of Ti (second metal element) contained in the adhesion film 66 is suppressed.
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。 In Example 2, as in Example 1, the upper electrode 44 is not limited to being formed containing Ir, but may be formed containing, for example, platinum (Pt). The adhesion film 66 is not limited to being formed containing Ti, but may be formed containing, for example, chromium (Cr).
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。 Although the present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments, the present invention is not limited to these specific embodiments, and various modifications and variations are possible within the scope of the invention as set forth in the claims.
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
10 Semiconductor substrate 40 Lower electrode (first electrode)
42 Ferroelectric film 44 Upper electrode (second electrode)
46 Adhesion film 48 Oxygen barrier conductive film 50, 52, 54 Electrode film 56 Oxidation suppression film 58 Protective film 60 Interlayer insulating film 64 Conductive plug 65 Insulating layer 66 Adhesion film 68 Conductive film 100 Semiconductor device Ca Ferroelectric capacitor G Gate electrode S Source region D Drain region Ta Transistor
Claims (8)
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、
前記酸化抑制膜は窒化イリジウム膜である、半導体装置。 a ferroelectric capacitor having a first electrode, a ferroelectric film provided on the first electrode, and a second electrode provided on the ferroelectric film;
an oxidation prevention film provided in contact with an upper surface of the second electrode;
a conductive plug that penetrates the oxidation suppression film and is in contact with the oxidation suppression film and the second electrode, and that includes an adhesive film and a conductive film on the adhesive film;
The oxidation inhibitor film is an iridium nitride film.
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金属元素の窒化膜を含む絶縁膜である、半導体装置。 a ferroelectric capacitor having a first electrode, a ferroelectric film provided on the first electrode, and a second electrode provided on the ferroelectric film;
an oxidation prevention film provided in contact with an upper surface of the second electrode;
a conductive plug that penetrates the oxidation suppression film and is in contact with the oxidation suppression film and the second electrode, and that includes an adhesive film and a conductive film on the adhesive film;
the second electrode includes a first metal element;
the adhesion film contains a second metal element,
the oxidation suppression film is an insulating film including a nitride film of a third metal element having a higher ionization tendency than the first metal element and the second metal element.
前記密着膜はチタンを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。 the second electrode includes iridium;
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the adhesive film contains titanium.
前記酸化抑制膜と前記保護膜は、酸化膜または窒化膜であって同じ材料により形成され、
前記酸化膜または前記窒化膜は、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2または3に記載の半導体装置。 a protective film covering the ferroelectric capacitor and the oxidation suppression film,
the oxidation suppression film and the protective film are oxide films or nitride films formed of the same material;
4. The semiconductor device according to claim 2 , wherein the thickness of said oxide film or said nitride film on the top surface of said ferroelectric capacitor is greater than the thickness of said oxide film or said nitride film on the side surface of said ferroelectric capacitor.
前記酸化抑制膜と前記保護膜は、酸化膜または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2に記載の半導体装置。 a protective film covering the ferroelectric capacitor and the oxidation suppression film,
3. The semiconductor device according to claim 2 , wherein said oxidation suppression film and said protection film are oxide films or nitride films made of different materials.
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、
前記酸化抑制膜は窒化イリジウム膜である、半導体装置の製造方法。 forming a film to be a first electrode;
forming a ferroelectric film on the film that will become the first electrode;
forming a film to be a second electrode on the ferroelectric film;
forming an oxidation prevention film in contact with an upper surface of the film that will become the second electrode;
a step of patterning the film to be the first electrode, the ferroelectric film, the film to be the second electrode, and the oxidation suppression film to form a ferroelectric capacitor having the first electrode, the ferroelectric film, and the second electrode;
a step of subjecting the ferroelectric capacitor to a heat treatment in an oxygen atmosphere;
and after the heat treatment, forming a conductive plug that penetrates the oxidation suppression film and is in contact with the oxidation suppression film and the second electrode, and that includes an adhesive film and a conductive film on the adhesive film,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the oxidation inhibitor film is an iridium nitride film.
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金属元素の窒化膜を含む、半導体装置の製造方法。 forming a film to be a first electrode;
forming a ferroelectric film on the film that will become the first electrode;
forming a film to be a second electrode on the ferroelectric film;
forming an oxidation prevention film in contact with an upper surface of the film that will become the second electrode;
a step of patterning the film to be the first electrode, the ferroelectric film, the film to be the second electrode, and the oxidation suppression film to form a ferroelectric capacitor having the first electrode, the ferroelectric film, and the second electrode;
a step of subjecting the ferroelectric capacitor to a heat treatment in an oxygen atmosphere;
and after the heat treatment, forming a conductive plug that penetrates the oxidation suppression film and is in contact with the oxidation suppression film and the second electrode, and that includes an adhesive film and a conductive film on the adhesive film,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the second electrode contains a first metal element, the adhesion film contains a second metal element, and the oxidation inhibition film contains a nitride film of a third metal element having a greater ionization tendency than the first metal element and the second metal element.
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