JP4622213B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の微細化にともない、情報蓄積用容量素子の面積が減少し、容量の絶対値も減少する傾向にある。容量Cは、例えば平行平板電極構造の場合は、
C=ε・S/d
で決定される。ここで、εは誘電体の誘電率、Sは容量電極(以下、電極とも言う)の面積、dは誘電体の膜厚(電極間の距離)である。情報蓄積用容量素子に使用される電極の面積Sを増大することなく、容量を確保するためには、誘電率εの高い誘電体を使用するか、誘電体の膜厚dを薄くすることが必要である。現在、その膜厚は10nm程度まで薄膜化されており、64Mビット以上の高集積メモリにおいては、容量絶縁膜の薄膜化は限界に達しつつあるため、より誘電率εの高い容量絶縁膜材料の開発が進められ、64M〜256Mビットでは酸化タンタル(Ta2O5)、1GビットのDRAMにおいては、例えば特開平9−186299号公報に記載されているようなチタン酸バリウムストロンチウム(BaxSryTisOt:BST)等の使用が検討されている。また、不揮発性メモリとしては、同様に特開平10−189881号公報に記載されているようなチタン酸ジルコン酸鉛(PbxZryTisOt:PZT)等の使用が検討されている。
【0003】
BSTやPZT等の酸化物は、高温処理を受けないと良好な特性を発揮しないことが知られているため、製造工程において約600℃以上の高温処理が必要となる。そこで、BSTやPZT等の酸化物に接触する容量電極材料としては、高温においても酸化されにくい材料を用いる必要がある。これは、容量電極が酸化されやすい材料である場合には、高温において電極と酸化物との接触界面で酸化還元反応が起こり、酸化物の特性が劣化してしまうためである。
【0004】
このような背景から、酸化されにくい容量電極材料として、例えばルテニウム(Ru)、や白金(Pt)等の貴金属材料やと酸化ルテニウム(RuxOy)等の導電性酸化物が検討されている。しかし、これらの容量電極材料がシリコン(Si)と直接接触すると、シリコン(Si)が容量電極の内部に拡散してしまうため、容量下部電極の下地には拡散を防止するためのバリア膜が必要となる。このバリア膜としては、例えば特開平9−186299号公報に記載されているように窒化チタン(TixNy)等からなる導電性膜が用いられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、BSTやPZT等の酸化物は、高温処理を受けないと良好な特性を発揮しないことが知られているが、1Gビット以上のDRAMに用いるためには、高温処理を酸素雰囲気中で受けないと十分な特性を発揮しないことがわかってきた。そこで、製造工程において、酸素雰囲気中での約600℃以上の高温処理が新たに必要となってきた。しかし、前記のように窒化チタン(TixNy)等からなる導電性膜をバリア膜として用いた構造では、例えば特開平10−189881号公報やマテリアルズ・リサーチ・ソサイエティ会誌(Materials Research Society Bulletin)第21巻第6号(1996年6月発行)の55ページから58ページに記載されている内容からわかるように、BSTやPZT等の中の酸素原子と酸素雰囲気中の酸素原子が、約600℃以上の高温処理の際に容量下部電極を透過してバリア膜に到達し、バリア膜を酸化して導通不良を引き起こすという問題がある。
【0006】
また、これに近い問題として、ゲート電極が、多結晶シリコンと金属膜の間にバリア膜がはさまれた構造(低抵抗化を実現させるための、いわゆるポリメタルゲート構造)となっている場合、ゲート絶縁膜の特性を向上させるための熱処理の際に、バリア膜が酸化されてしまうという問題がある。
【0007】
本発明の目的は、信頼性の高い半導体装置を提供すること、歩留りの高い半導体装置を提供すること、導通不良を起こしにくい容量素子構造を有する半導体装置を提供すること、酸化を起こしにくいゲート構造を有する半導体装置を提供すること、等の課題のうち少なくとも一つを解決することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を行い、導通不良の原因となるバリア膜の酸化は、バリア膜の結晶粒界および結晶粒内を酸素原子が拡散することによって進行することを見出した。したがって、導通不良を防止するためには、バリア膜における酸素原子の粒界拡散および粒内拡散を抑制すれば良いことを見出した。そして、発明者らは、バリア膜中の酸素の拡散通路を狭める添加元素をバリア膜に添加することによって、バリア膜における酸素原子の粒界拡散および粒内拡散を抑制できることを見出した。
【0012】
本願発明の課題は、例えば、半導体基板と、前記半導体基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜の上部に形成されたゲート電極と、を備え、前記ゲート電極は前記ゲート絶縁膜に接するように形成された多結晶シリコン膜と、前記多結晶シリコン膜に接するように形成された主構成材料が窒化チタンであり、コバルト、ニッケル、ルテニウムからなる群から選ばれる一種類の添加元素を含有したバリア膜と、前記バリア膜に接するように形成された金属膜とを備え、前記バリア膜の前記主構成材料に対する前記添加元素の含有率が0.05at.% 以上18at.%以下とする半導体装置により解決される。
【0013】
この構成によれば、酸化を起こしにくいゲート構造を有する半導体装置を提供することができる。
【0015】
なお、ここで導電性膜の主構成金属元素とは、導電性膜に最も多く含まれる金属元素を意味する。また、主構成材料とは、最も多く含まれる材料を意味する。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に示した実施例により詳細に説明する。
まず、本発明における第一の実施例であるDRAM(Dynamic Random Access Memory)メモリセルの断面構造を図1に示す。これは、図2に示した平面レイアウトの一例において、A-BあるいはC-Dで切断した断面図である。本実施例の半導体装置は、図1に示すように、シリコン基板1の主面のアクティブ領域に形成されたMOS(Metal Oxide Semiconductor)型のトランジスタ2と、その上部に配置された情報蓄積用容量素子3とを備えている。絶縁膜4は、素子間分離のための膜である。
【0017】
メモリセルのMOSトランジスタ2は、ゲ−ト電極5、ゲ−ト絶縁膜6および拡散層7で構成されている。ゲ−ト絶縁膜6は、例えばシリコン酸化膜、窒化珪素膜あるいは強誘電体膜あるいはこれらの積層構造からなる。また、ゲ−ト電極5は、例えば多結晶シリコン膜や金属薄膜、あるいは金属シリサイド膜あるいはこれらの積層構造からなる。前記ゲ−ト電極5の上部および側壁には例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜9が形成されている。メモリセル選択用MOSトランジスタの一方の拡散層7には、プラグ10を介してビット線11が接続されている。MOSトランジスタの上部全面には、例えばBPSG〔Boron-doped Phospho Silicate Glass〕膜やSOG(Spin On Glass)膜、あるいは化学気相蒸着法やスパッタ法で形成したシリコン酸化膜や窒化膜等からなる絶縁膜12が形成されている。
【0018】
MOSトランジスタを覆う絶縁膜12の上部には情報蓄積用容量素子3が形成されている、情報蓄積用容量素子3は、メモリセル選択用MOSトランジスタの他方の拡散層8に、例えば多結晶シリコンからなるプラグ13を介して接続されている。情報蓄積用容量素子3は、下層から順に、導電性のバリア膜14、容量下部電極15、高誘電率あるいは強誘電性を有する酸化物膜16、容量上部電極17を積層した構造で構成されている。この情報蓄積用容量素子23は絶縁膜1518で覆われている。
【0019】
ここで、バリア膜14は、少なくとも一種類の添加元素を含有し、該添加元素のうちの少なくとも一種が、バリア膜14における酸素原子の拡散通路を狭める作用を持つ。具体的には、バリア膜14の主構成材料が窒化チタン(TixNy)である場合、このバリア膜14には、シリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)からなる群から選ばれる一種類の添加元素を含有させる。また、バリア膜14の主構成材料が窒化タングステン(WxNy)である場合、このバリア膜14には、モリブデン(Mo)を添加元素として含有させる。また、バリア膜14の主構成材料がルテニウム(Ru)である場合、このバリア膜14には、シリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)からなる群から選ばれる一種類の添加元素を含有させる。
【0020】
以下、本実施例の効果について説明する。
従来の半導体装置においては、高誘電率あるいは強誘電性を有する酸化物膜16を形成する際あるいはこの後の熱処理の際に、酸素雰囲気中で約600℃以上の高温にさらされると、バリア膜14の酸化が進行し、導通不良を生じることが実験的に明らかになった。発明者らは、バリア膜14の酸化は、バリア膜14の結晶粒界および結晶粒内を酸素原子が拡散することによって進行することを見出した。そこで、発明者らは、酸素の粒界拡散および粒内拡散を抑制することによって酸化による導通不良は防止されることを見出した。また、発明者らは、バリア膜中の酸素原子の拡散通路を狭める添加元素をバリア膜に添加することによって、バリア膜における酸素原子の粒界拡散および粒内拡散を抑制できることを見出した。本実施例では、バリア膜14は、少なくとも一種類の添加元素を含有し、該添加元素のうちの少なくとも一種が、バリア膜14は、酸素原子の拡散通路を狭める添加元素を含有していることを特徴としているため、バリア膜14における酸素原子の粒界拡散および粒内拡散が抑制され、導通不良が防止される。これを詳しく説明するために、分子動力学シミュレーションにより、結晶粒界における酸素原子の拡散係数を計算した結果を以下に示す。分子動力学シミュレーションとは、例えばジャーナルオブアプライドフィジックス(Journal of Applied Physics)の第54巻(1983年発行)の4864ページから4878ページまでに記述されているように、原子間ポテンシャルを通して各原子に働く力を計算し、この力を基にニュートンの運動方程式を解くことによって各時刻における各原子の位置を算出する方法である。分子動力学シミュレーションにより拡散係数を計算する方法については、例えばフィジカルレビューB(Physical Review B)の第29巻(1984年発行)の5363ページから5371ページまでに記述されている。ここでは、温度を1000 Kに設定して結晶粒界および結晶粒内における酸素原子の拡散係数を計算した例を用いて説明する。なお、ここで説明する効果は、シミュレーション条件を変えても同様に説明することができる。
【0021】
本実施例では、上記の分子動力学法に電荷移動を取り入れて異種元素間の相互作用を計算することにより、以下の効果を明らかにすることができた。はじめに、バリア膜の主構成材料が窒化チタン(TixNy)である場合について、結晶粒界における酸素原子の拡散係数に対する添加元素の影響を解析した結果について述べる。図3、図4は、添加元素として、シリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)を含有させた場合の、拡散係数の濃度依存性を解析した結果である。ここで、DGB0は添加元素を含有しない場合の粒界拡散係数を示す。DIN0は添加元素を含有しない場合の粒内拡散係数を示す。図3からわかるように、シリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)の添加濃度が0.05at.%以上になると拡散を抑制する効果が顕著となる。また、図4からわかるように、添加濃度が約18at.%以上になると拡散を抑制する効果が弱くなる。これは、添加元素があまり多くなると、主構成材料である窒化チタン(TixNy)の結晶構造が乱されるので、酸素が拡散しやすくなるためである。
【0022】
次に、バリア膜の主構成材料が窒化タングステン(WxNy)である場合について、結晶粒界における酸素原子の拡散係数に対する添加元素の影響を解析した結果について述べる。図5、図6は、添加元素として、モリブデン(Mo)を含有させた場合の、拡散係数の濃度依存性を解析した結果である。ここで、DGB0は添加元素を含有しない場合の粒界拡散係数を示す。DIN0は添加元素を含有しない場合の粒内拡散係数を示す。図5からわかるように、モリブデン(Mo)の添加濃度が0.05at.%以上になると拡散を抑制する効果が顕著となる。また、図6からわかるように、添加濃度が約18at.%以上になると拡散を抑制する効果が弱くなる。これは、添加元素があまり多くなると、主構成材料である窒化タングステン(WxNy)の結晶構造が乱されるので、酸素が拡散しやすくなるためである。
【0023】
次に、バリア膜の主構成材料がルテニウム(Ru)である場合について、結晶粒界における酸素原子の拡散係数に対する添加元素の影響を解析した結果について述べる。図7、図8は、添加元素として、シリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)を含有させた場合の、拡散係数の濃度依存性を解析した結果である。ここで、DGB0は添加元素を含有しない場合の粒界拡散係数を示す。DIN0は添加元素を含有しない場合の粒内拡散係数を示す。図7からわかるように、シリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)の添加濃度が0.05at.%以上になると拡散を抑制する効果が顕著となる。また、図8からわかるように、添加濃度が約18at.%以上になると拡散を抑制する効果が弱くなる。これは、添加元素があまり多くなると、主構成材料であるルテニウム(Ru)の結晶構造が乱されるので、酸素が拡散しやすくなるためである。したがって、添加濃度は0.05at.%以上18at.%以下が好ましい。
【0024】
次に、本発明における第二の実施例であるDRAM(Dynamic Random Access Memory)メモリセルの断面構造を図9に示す。これも、図2に示した平面レイアウトの一例において、A-BあるいはC-Dで切断した断面図である。第二の実施例の第一の実施例との違いは、バリア膜14の下部にさらに別の導電性膜19が形成されている点である。特に、容量下部電極15の主構成材料がルテニウム(Ru)であり、バリア膜14の主構成材料が窒化チタン(TixNy)である場合には、ルテニウム(Ru)と窒化チタン(TixNy)の結晶構造を安定なものとするために、導電性膜19としてチタン(Ti)を用いることが好ましい。ルテニウム(Ru)と窒化チタン(TixNy)の結晶構造を安定なものとすることによって、容量絶縁膜16の結晶構造が安定なものとなり、デバイス特性が向上する。また、導電性膜14aとプラグ13の間にはさらに一層以上の別の膜が存在していてもよい。
【0025】
次に、本発明における第三の実施例であるDRAM(Dynamic Random Access Memory)メモリセルの断面構造を図10に示す。これも、図2に示した平面レイアウトの一例において、A-BあるいはC-Dで切断した断面図である。第三の実施例の第一の実施例との違いは、プラグ13に接触して導電性膜20が形成されている点である。特に、プラグ13の主構成材料が窒化タングステン(WxNy)である場合には、絶縁膜12との密着性を向上させるために、例えば窒化チタン(TixNy)を主構成材料とする導電性膜20を形成することが好ましい。この場合、導電性膜20と絶縁膜12の間にはさらに一層以上の別の膜が存在していてもよい。
【0026】
次に、本発明における第四の実施例であるDRAM(Dynamic Random Access Memory)メモリセルの断面構造を図11に示す。これも、図2に示した平面レイアウトの一例において、A-BあるいはC-Dで切断した断面図である。第四の実施例の第一の実施例との主な違いは、ゲート電極5が、金属膜5a、バリア膜5b、多結晶シリコン膜5cの3層構造(すなわち、ポリメタルゲート構造)となっていることである。ここで、バリア膜5bの主構成材料が窒化チタン(TixNy)である場合、このバリア膜5bには、シリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)からなる群から選ばれる一種類の添加元素を含有させる。また、バリア膜5bの主構成材料が窒化タングステン(WxNy)である場合、このバリア膜5bには、モリブデン(Mo)を添加元素として含有させる。また、バリア膜5bの主構成材料がルテニウム(Ru)である場合、このバリア膜5bには、シリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)からなる群から選ばれる一種類の添加元素を含有させる。これによって、バリア膜5bが酸化されにくくなるという効果が得られる。金属膜5aには、融点が高く、抵抗の低いタングステン(W)やモリブデン(Mo)が使用されることが多いので、この場合には、同種の元素からなる材料、すなわちモリブデン(Mo)を添加元素として含有した窒化タングステン(WxNy)をバリア膜5bとして用いることが好ましい。酸化に強いルテニウム(Ru)が金属膜5aとして用いられる場合には、同種の元素からなる材料、すなわちルテニウム(Ru)にシリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)からなる群から選ばれる一種類の添加元素を含有させたものをバリア膜5bとして用いることが好ましい。
【0027】
これらの実施例においては、情報蓄積用容量素子3とシリコン基板1とがプラグ13を介して接続されている場合について示したが、情報蓄積用容量素子3とシリコン基板1とがとが直接接していてもよい。
【0028】
また、以上の実施例において、容量下部電極15の主構成材料がルテニウム(Ru)である場合、この容量下部電極15にシリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)からなる群から選ばれる一種類の添加元素を含有させると、容量下部電極15を酸素が透過しにくくなり、結果としてバリア膜14の酸化がより抑制しやすくなるという効果が得られる。また、以上の実施例において、容量下部電極15や容量上部電極16は、複数の膜から構成されていてもよい。
【0029】
また、以上の実施例において、添加元素を含有したバリア膜は、例えば2元スパッタ法、1元スパッタ法、化学気相蒸着法等で成膜できる。
なお、例えば2元スパッタ法を用いて成膜すれば、単元素のターゲットを使用でるのでターゲットの入手が容易であり、また添加元素の比率を変化させることも容易である。また、添加元素を含有したターゲットを用いて1元スパッタ法で成膜すれば、スパッタ時間が短縮でき、また、添加元素の比率を一定に保つことができる。さらに、混合ガスを用いた化学気相蒸着法で成膜すれば、絶縁膜に溝を形成してから溝を埋め込んでバリア膜を成膜する場合に、溝幅が狭くても埋め込み性が良い。
【0030】
また、より簡単に添加元素を含有させるには、主構成材料の膜を成膜した後、添加元素の膜を成膜し、基板温度を200℃以上に上げる熱処理を行うとよい。この場合、添加元素の膜は、熱処理後にエッチング等によって取り除くことが好ましい。
【0031】
また、以上の実施例において、バリア膜14の主構成材料が窒化チタン(TixNy)である場合には、シリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)からなる群から選ばれる一種類の添加元素を含有させることが、バリア膜14の酸化を防止する上で有効であることを説明したが、バリア膜14とプラグ13の密着性を向上させるという付加的な効果を得るには添加元素としてシリコン(Si)を選択することが好ましい。これは、プラグ13はシリコンを主構成材料とする場合が多く、同種のシリコン元素をバリア膜14に添加するとプラグ13との結合が強くなるためである。また、バリア膜14の電気抵抗を劣化させないためには、添加元素として電気抵抗の低いコバルト(Co)またはニッケル(Ni)を選択することが好ましい。また、容量下部電極15との密着性を向上させるという付加的な効果を得るには添加元素としてルテニウム(Ru)を選択することが好ましい。これは、容量下部電極15はルテニウムを主構成材料とする場合が多く、同種のルテニウム元素をバリア膜14に添加すると容量下部電極15との結合が強くなるためである。
【0032】
また、以上の実施例において、バリア膜14の主構成材料がルテニウム(Ru)である場合には、シリコン(Si)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)からなる群から選ばれる一種類の添加元素を含有させることが、バリア膜14の酸化を防止する上で有効であることを説明したが、バリア膜14とプラグ13の密着性を向上させるという付加的な効果を得るには添加元素としてシリコン(Si)を選択することが好ましい。また、バリア膜14の電気抵抗を劣化させないためには、添加元素としてコバルト(Co)またはニッケル(Ni)を選択することが好ましい。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、信頼性の高い半導体装置を提供すること、歩留りの高い半導体装置を提供すること、導通不良を起こしにくい容量素子構造を有する半導体装置を提供すること、酸化を起こしにくいゲート構造を有する半導体装置を提供すること、等のうち少なくとも一つを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例に係る半導体装置の主要部の断面図である。
【図2】本発明の第一の実施例に係る半導体装置の平面レイアウトの一例を示す図である。
【図3】本発明の第一の実施例に係る窒化チタンをバリア膜の主構成材料として用いた場合の、拡散係数の添加濃度依存性を低濃度領域について示した図である。
【図4】本発明の第一の実施例に係る窒化チタンをバリア膜の主構成材料として用いた場合の、拡散係数の添加濃度依存性を高濃度領域について示した図である。
【図5】本発明の第一の実施例に係る窒化タングステンをバリア膜の主構成材料として用いた場合の、拡散係数の添加濃度依存性を低濃度領域について示した図である。
【図6】本発明の第一の実施例に係る窒化タングステンをバリア膜の主構成材料として用いた場合の、拡散係数の添加濃度依存性を高濃度領域について示した図である。
【図7】本発明の第一の実施例に係るルテニウムをバリア膜の主構成材料として用いた場合の、拡散係数の添加濃度依存性を低濃度領域について示した図である。
【図8】本発明の第一の実施例に係るルテニウムをバリア膜の主構成材料として用いた場合の、拡散係数の添加濃度依存性を高濃度領域について示した図である。
【図9】本発明の第二の実施例に係る半導体装置の主要部の断面図である。
【図10】本発明の第三の実施例に係る半導体装置の主要部の断面図である。
【図11】本発明の第四の実施例に係る半導体装置の主要部の断面図である。
【符号の説明】
1…シリコン基板、2…トランジスタ、3…情報蓄積用容量素子、4…素子分離膜、5…ゲート電極、6…ゲート絶縁膜、7、8…拡散層、9…絶縁膜、10…プラグ、11…ビット線、12…絶縁膜、13…プラグ、14…導電性膜、15…容量下部電極、16…容量絶縁膜、17…容量上部電極、18…絶縁膜、19…導電性膜、20…導電性膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the miniaturization of a semiconductor device, the area of the information storage capacitive element has decreased, and the absolute value of the capacitance tends to decrease. For example, in the case of a parallel plate electrode structure, the capacitance C is
C = ε · S / d
Determined by Here, ε is the dielectric constant of the dielectric, S is the area of the capacitive electrode (hereinafter also referred to as electrode), and d is the thickness of the dielectric (distance between the electrodes). In order to ensure the capacitance without increasing the area S of the electrode used for the information storage capacitive element, it is necessary to use a dielectric having a high dielectric constant ε or to reduce the thickness d of the dielectric. is necessary. Currently, the film thickness has been reduced to about 10 nm, and in highly integrated memories of 64 Mbits or more, the capacity insulation film is reaching the limit. development is underway, tantalum oxide (Ta 2 O 5) is 64M~256M bits, in the DRAM of 1G bits, for example, barium strontium titanate, as described in JP-a-9-186299 (Ba x Sr y The use of Ti s O t (BST), etc. is being studied. As the non-volatile memory, as well as lead zirconate titanate, as described in JP-A-10-189881 (Pb x Zr y Ti s O t: PZT) Using the like have been studied.
[0003]
Since it is known that oxides such as BST and PZT do not exhibit good characteristics unless subjected to high temperature treatment, high temperature treatment of about 600 ° C. or higher is required in the production process. Therefore, it is necessary to use a material that does not easily oxidize even at a high temperature as a capacitor electrode material that contacts an oxide such as BST or PZT. This is because when the capacitor electrode is a material that is easily oxidized, an oxidation-reduction reaction occurs at the contact interface between the electrode and the oxide at a high temperature, and the characteristics of the oxide deteriorate.
[0004]
Against this background, noble metal materials such as ruthenium (Ru) and platinum (Pt) and conductive oxides such as ruthenium oxide (Ru x O y ) are being studied as capacitive electrode materials that are difficult to oxidize. . However, when these capacitor electrode materials are in direct contact with silicon (Si), silicon (Si) diffuses inside the capacitor electrode, so a barrier film is required to prevent diffusion under the capacitor lower electrode. It becomes. As this barrier film, a conductive film made of titanium nitride (Ti x N y ) or the like is used as described in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-186299.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As mentioned above, it is known that oxides such as BST and PZT do not exhibit good characteristics unless they are subjected to high-temperature treatment, but for use in DRAMs of 1 Gbit or more, high-temperature treatment is performed in an oxygen atmosphere. It has been found that sufficient properties are not exhibited unless it is received inside. Therefore, a high-temperature treatment at about 600 ° C. or higher in an oxygen atmosphere is newly required in the manufacturing process. However, in the structure using the conductive film made of titanium nitride (Ti x N y ) or the like as the barrier film as described above, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-189881 and Journal of Materials Research Society Bulletin As can be seen from the contents described on pages 55 to 58 of Vol. 21 No. 6 (issued in June 1996), oxygen atoms in BST, PZT, etc. and oxygen atoms in the oxygen atmosphere are about There is a problem in that the high-temperature treatment at 600 ° C. or more passes through the capacitor lower electrode and reaches the barrier film, and oxidizes the barrier film to cause poor conduction.
[0006]
Also, as a problem close to this, when the gate electrode has a structure in which a barrier film is sandwiched between polycrystalline silicon and a metal film (a so-called polymetal gate structure for realizing low resistance) There is a problem that the barrier film is oxidized during the heat treatment for improving the characteristics of the gate insulating film.
[0007]
An object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device, to provide a semiconductor device with a high yield, to provide a semiconductor device having a capacitor element structure that is less likely to cause poor conduction, and to a gate structure that is less likely to cause oxidation It is to solve at least one of the problems such as providing a semiconductor device having the above.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The inventors have conducted intensive research to solve the above problems, and that the oxidation of the barrier film, which causes poor conduction, proceeds by the diffusion of oxygen atoms within the crystal grain boundaries and crystal grains of the barrier film. I found it. Therefore, it has been found that in order to prevent poor conduction, it is sufficient to suppress the grain boundary diffusion and intragranular diffusion of oxygen atoms in the barrier film. The inventors have found that by adding an additive element for narrowing the oxygen diffusion path in the barrier film to the barrier film, the grain boundary diffusion and intragranular diffusion of oxygen atoms in the barrier film can be suppressed.
[0012]
An object of the present invention includes, for example, a semiconductor substrate, a gate insulating film formed on one main surface side of the semiconductor substrate, and a gate electrode formed on the gate insulating film, wherein the gate electrode is and a polycrystalline silicon film formed in contact with the gate insulating film, main constituent material wherein is formed in contact with the polycrystalline silicon film is titanium nitride, is selected from cobalt, nickel, the group consisting of ruthenium A barrier film containing one kind of additive element; and a metal film formed so as to be in contact with the barrier film, wherein the content of the additive element with respect to the main constituent material of the barrier film is 0.05 at.% Or more This can be solved by a semiconductor device of 18 at.
[0013]
According to this configuration, it is possible to provide a semiconductor device having a gate structure that hardly causes oxidation.
[0015]
Here, the main constituent metal element of the conductive film means a metal element contained most in the conductive film. The main constituent material means a material that is contained most.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the examples shown in the drawings.
First, FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a DRAM (Dynamic Random Access Memory) memory cell according to the first embodiment of the present invention. This is a cross-sectional view taken along AB or CD in the example of the planar layout shown in FIG. As shown in FIG. 1, the semiconductor device of this embodiment includes a MOS (Metal Oxide Semiconductor)
[0017]
The
[0018]
An information storage
[0019]
Here, the
[0020]
Hereinafter, the effect of the present embodiment will be described.
When a conventional semiconductor device is exposed to a high temperature of about 600 ° C. or higher in an oxygen atmosphere when forming the
[0021]
In this example, the following effects could be clarified by calculating the interaction between different elements by incorporating charge transfer into the above molecular dynamics method. First, the results of analyzing the influence of the additive element on the diffusion coefficient of oxygen atoms at the grain boundaries in the case where the main constituent material of the barrier film is titanium nitride (Ti x N y ) will be described. 3 and 4 show the results of analyzing the concentration dependence of the diffusion coefficient when silicon (Si), cobalt (Co), nickel (Ni), and ruthenium (Ru) are added as additive elements. Here, D GB0 represents the grain boundary diffusion coefficient when no additive element is contained. DIN0 represents the intragranular diffusion coefficient when no additive element is contained. As can be seen from FIG. 3, when the additive concentration of silicon (Si), cobalt (Co), nickel (Ni), and ruthenium (Ru) is 0.05 at.% Or more, the effect of suppressing diffusion becomes significant. Further, as can be seen from FIG. 4, when the added concentration is about 18 at. This is because if the additive element is too much, the crystal structure of titanium nitride (Ti x N y ), which is the main constituent material, is disturbed, so that oxygen is likely to diffuse.
[0022]
Next, the result of analyzing the influence of the additive element on the diffusion coefficient of oxygen atoms at the crystal grain boundary in the case where the main constituent material of the barrier film is tungsten nitride (W x N y ) will be described. 5 and 6 show the results of analyzing the concentration dependence of the diffusion coefficient when molybdenum (Mo) is added as an additive element. Here, D GB0 represents the grain boundary diffusion coefficient when no additive element is contained. DIN0 represents the intragranular diffusion coefficient when no additive element is contained. As can be seen from FIG. 5, when the additive concentration of molybdenum (Mo) is 0.05 at.% Or more, the effect of suppressing diffusion becomes significant. Further, as can be seen from FIG. 6, when the additive concentration is about 18 at.% Or more, the effect of suppressing diffusion is weakened. This is because when the additive element is too much, the crystal structure of tungsten nitride (W x N y ), which is the main constituent material, is disturbed, so that oxygen easily diffuses.
[0023]
Next, the results of analyzing the influence of the additive element on the diffusion coefficient of oxygen atoms at the grain boundaries when the main constituent material of the barrier film is ruthenium (Ru) will be described. 7 and 8 show the results of analyzing the concentration dependence of the diffusion coefficient when silicon (Si), cobalt (Co), and nickel (Ni) are added as additive elements. Here, D GB0 represents the grain boundary diffusion coefficient when no additive element is contained. DIN0 represents the intragranular diffusion coefficient when no additive element is contained. As can be seen from FIG. 7, when the additive concentration of silicon (Si), cobalt (Co), and nickel (Ni) is 0.05 at.% Or more, the effect of suppressing diffusion becomes significant. Further, as can be seen from FIG. 8, when the added concentration is about 18 at.% Or more, the effect of suppressing diffusion is weakened. This is because if the additive element is too much, the crystal structure of ruthenium (Ru), which is the main constituent material, is disturbed, so that oxygen easily diffuses. Therefore, the addition concentration is preferably 0.05 at.
[0024]
Next, FIG. 9 shows a cross-sectional structure of a DRAM (Dynamic Random Access Memory) memory cell according to the second embodiment of the present invention. This is also a cross-sectional view taken along AB or CD in the example of the planar layout shown in FIG. The difference of the second embodiment from the first embodiment is that another conductive film 19 is formed below the
[0025]
Next, FIG. 10 shows a cross-sectional structure of a DRAM (Dynamic Random Access Memory) memory cell according to a third embodiment of the present invention. This is also a cross-sectional view taken along AB or CD in the example of the planar layout shown in FIG. The difference of the third embodiment from the first embodiment is that the
[0026]
Next, FIG. 11 shows a sectional structure of a DRAM (Dynamic Random Access Memory) memory cell according to the fourth embodiment of the present invention. This is also a cross-sectional view taken along AB or CD in the example of the planar layout shown in FIG. The main difference of the fourth embodiment from the first embodiment is that the
[0027]
In these embodiments, the case where the information
[0028]
In the above embodiment, when the main constituent material of the capacitor
[0029]
In the above embodiments, the barrier film containing the additive element can be formed by, for example, a binary sputtering method, a single sputtering method, a chemical vapor deposition method, or the like.
For example, if a film is formed using a binary sputtering method, a target of a single element can be used, so that the target can be easily obtained and the ratio of additive elements can be easily changed. Further, if a film is formed by a one-way sputtering method using a target containing an additive element, the sputtering time can be shortened and the ratio of the additive element can be kept constant. Furthermore, if the film is formed by a chemical vapor deposition method using a mixed gas, when a barrier film is formed by filling a groove after forming a groove in the insulating film, the filling property is good even if the groove width is narrow. .
[0030]
In order to contain the additive element more simply, after forming a film of the main constituent material, a film of the additive element is formed, and heat treatment is performed to raise the substrate temperature to 200 ° C. or higher. In this case, the film of the additive element is preferably removed by etching or the like after the heat treatment.
[0031]
In the above embodiment, when the main constituent material of the
[0032]
Further, in the above embodiment, when the main constituent material of the
[0033]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device, to provide a semiconductor device with a high yield, to provide a semiconductor device having a capacitive element structure that is unlikely to cause poor conduction, and to a gate structure that is unlikely to cause oxidation. It is possible to realize at least one of the following.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a planar layout of the semiconductor device according to the first example of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an additive concentration dependency of a diffusion coefficient in a low concentration region when titanium nitride according to the first embodiment of the present invention is used as a main constituent material of a barrier film.
FIG. 4 is a diagram showing the concentration dependence of diffusion coefficient in a high concentration region when titanium nitride according to the first embodiment of the present invention is used as a main constituent material of a barrier film.
FIG. 5 is a graph showing the additive concentration dependence of the diffusion coefficient in the low concentration region when tungsten nitride according to the first embodiment of the present invention is used as the main constituent material of the barrier film.
FIG. 6 is a graph showing the concentration dependence of diffusion coefficient in a high concentration region when tungsten nitride according to the first embodiment of the present invention is used as a main constituent material of a barrier film.
FIG. 7 is a graph showing the additive concentration dependence of the diffusion coefficient in the low concentration region when ruthenium according to the first embodiment of the present invention is used as the main constituent material of the barrier film.
FIG. 8 is a diagram showing the dependence of the diffusion coefficient on the concentration concentration in the high concentration region when ruthenium according to the first embodiment of the present invention is used as the main constituent material of the barrier film.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記半導体基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、
このゲート絶縁膜の上部に形成されたゲート電極と、を備え、
前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜に接するように形成された多結晶シリコン膜と、
前記多結晶シリコン膜に接するように形成され、主構成材料が窒化チタンであり、コバルト、ニッケル、ルテニウムからなる群から選ばれる一種類の添加元素を含有したバリア膜と、
前記バリア膜に接するように形成された金属膜と、を備え、
前記バリア膜の前記主構成材料に対する前記添加元素の含有率が0.05at.% 以上18at.%以下であることを特徴とする半導体装置。A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on one main surface side of the semiconductor substrate;
A gate electrode formed on top of the gate insulating film,
The gate electrode includes a polycrystalline silicon film formed in contact with the gate insulating film;
A barrier film that is formed so as to be in contact with the polycrystalline silicon film, the main constituent material is titanium nitride, and contains one kind of additive element selected from the group consisting of cobalt, nickel, and ruthenium;
A metal film formed in contact with the barrier film,
The semiconductor device, wherein a content ratio of the additive element with respect to the main constituent material of the barrier film is 0.05 at.% Or more and 18 at.% Or less.
前記半導体基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、
このゲート絶縁膜の上部に形成されたゲート電極と、を備え、
前記ゲート電極は前記ゲート絶縁膜に接するように形成された多結晶シリコン膜と、
前記多結晶シリコン膜に接するように形成され、主構成材料が窒化タングステンであり、添加元素としてモリブデンを含有したバリア膜と、
前記バリア膜に接するように形成され、主構成材料がタングステンまたはモリブデンである金属膜と、を備え、
前記バリア膜の前記主構成材料に対する前記添加元素の含有率が0.05at.% 以上18at.%以下であることを特徴とする半導体装置。A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on one main surface side of the semiconductor substrate;
A gate electrode formed on top of the gate insulating film,
The gate electrode is a polycrystalline silicon film formed in contact with the gate insulating film;
A barrier film formed in contact with the polycrystalline silicon film, the main constituent material is tungsten nitride, and molybdenum is added as an additive element;
A metal film that is formed in contact with the barrier film and whose main constituent material is tungsten or molybdenum, and
The semiconductor device, wherein a content ratio of the additive element with respect to the main constituent material of the barrier film is 0.05 at.% Or more and 18 at.% Or less.
前記半導体基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、
このゲート絶縁膜の上部に形成されたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極は前記ゲート絶縁膜に接するように形成された多結晶シリコン膜と、
前記多結晶シリコン膜に接するように形成され、主構成材料がルテニウムであり、シリコン、コバルト、ニッケルからなる群から選ばれる一種類の添加元素を含有したバリア膜と、
前記バリア膜に接するように形成された主構成材料がルテニウムである金属膜と、を備え、
前記バリア膜の前記主構成材料に対する前記添加元素の含有率が0.05at.% 以上18at.%以下であることを特徴とする半導体装置。A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on one main surface side of the semiconductor substrate;
A gate electrode formed on top of the gate insulating film,
The gate electrode is a polycrystalline silicon film formed in contact with the gate insulating film;
Wherein formed in contact with the polycrystalline silicon film, the main component material is ruthenium, and a barrier film containing one kind of additive elements selected from the group consisting of divorced, cobalt, nickel,
A metal film whose main constituent material formed so as to be in contact with the barrier film is ruthenium, and
The semiconductor device, wherein a content ratio of the additive element with respect to the main constituent material of the barrier film is 0.05 at.% Or more and 18 at.% Or less.
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