JP2001217206A - 原子層蒸着法を利用した金属層形成方法およびこれを用いた半導体素子 - Google Patents

原子層蒸着法を利用した金属層形成方法およびこれを用いた半導体素子

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 原子層蒸着法を利用したステップカバレージ
が優秀で、所望する抵抗及び伝導度を容易に決定するこ
とができ、酸素の拡散を防止できる金属層形成方法、お
よび前記金属層形成方法によって形成された金属層を障
壁金属層、キャパシタの下部電極または上部電極として
備えた半導体素子を提供する。 【解決手段】 反応性金属Ａ、窒素Ｎ、反応性金属と窒
素との非晶質結合用元素Ｂの各ソースガスを、原子層蒸
着法によって交互にチャンバー内に注入して各原子層を
交互に積層させる金属層形成方法、およびこの方法によ
って形成された金属層を半導体素子の障壁金属層、下部
電極または上部電極として備えてなる半導体素子。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は原子層蒸着法（ａｔ
ｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用
した金属層形成方法並びにその金属層を障壁金属層、キ
ャパシタの上部電極、またはキャパシタの下部電極とし
て備えた半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体素子が徐々に高集積化されるにつ
れ、小さい面積で大きいキャパシタンスを得るための誘
電定数（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）が
大きい高誘電物質が開発されている。例えば、パーブス
カイト結晶構造を有するＢＳＴ（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ
3）は、既存のキャパシタに用いられたシリコン窒化
膜、シリコン窒化酸化膜、または酸化タンタル（Ｔａ2
Ｏ5）膜と異なり誘電定数がバルク状態で数百〜１００
０程度になる物質である。このようなＢＳＴ膜を用いる
場合、膜厚を５００Å以上にしても等価酸化膜厚さを１
０Å以下になるように誘電膜を薄膜化できるという長所
を有する。ＢＳＴ用電極には白金（Ｐｔ）のように酸化
されない電極や、またはルテニウム（Ｒｕ）、イリジウ
ム（Ｉｒ）のように酸化されて酸化ルテニウム（ＲｕＯ
2）、酸化イリジウム（ＩｒＯ2）を形成しても伝導体の
性質を有する電極を用いることができる。
【０００３】ＢＳＴ膜において優秀なキャパシタンスと
漏洩電流特性とを得るためにはＢＳＴを蒸着した後の高
温熱処理が必要である。この際、酸素の拡散によるオー
ミック層とポリシリコンプラグとの酸化を防止するため
に障壁金属層を形成する必要がある。障壁金属層は、ポ
リシリコンプラグと下部電極との間に介在される。
【０００４】前記障壁金属層にはＴｉＮ膜が主に用いら
れているが、ＴｉＮの場合４５０℃以上であれば酸化さ
れる。そして、ＢＳＴ膜蒸着後に酸素雰囲気で高温熱処
理を実施する場合、白金は酸素を容易に通過させるので
ＴｉＮ膜及びポリシリコンプラグが酸化される問題があ
り、特に前記ＴｉＮ膜が酸化されると不導体であるＴｉ
Ｏ2が生成される問題がある。
【０００５】また、白金やケイ素などが前記ＴｉＮ膜内
部に拡散し、結果的に障壁金属層としての役割を果たせ
なくなる問題がある。白金とケイ素との拡散は、ＴｉＮ
の柱状構造に起因することが知られている。したがっ
て、膜構造を、拡散経路として作用する粒界を有さない
非晶質構造とすることによって酸素の拡散を抑制する必
要がある。
【０００６】このような必要から現在高融点金属を含む
化合物に対する研究が活発に進められている。前記高融
点金属を含む化合物からなる障壁金属層は、化学気相蒸
着法によって蒸着する場合、組成が複雑なため組成の調
節性及び再現性が低下する問題点がある。このような問
題点があるため、高融点金属を含む化合物からなる障壁
金属層を形成する際には、窒素雰囲気下での反応性スパ
ッタリング工程が一般的に用いられている。しかしこの
ようなスパッタリングによって形成された障壁金属層
は、ステップカバレージが悪い短所があるので、半導体
素子が高集積化され複雑な構造を有するキャパシタ等に
障壁金属層を形成する場合、例えばトレンチ型キャパシ
タにおいて、縦横比が高いトレンチの底部に障壁金属層
を形成しなければならない場合には使用し難くなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明が達成しようと
する技術的課題は、原子層蒸着法を利用して、ステップ
カバレージに優れ、組成の適切な調節によって所望する
抵抗及び伝導度を容易に決定することができ、かつ酸素
の拡散を防止できる有用な金属層形成方法を提供するこ
とにある。
【０００８】本発明が達成しようとする他の技術的課題
は、前記金属層形成方法によって形成された金属層を障
壁金属層、キャパシタの下部電極または上部電極として
備えた半導体素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記技術的課題を達成す
る本発明は、半導体基板上に反応性金属Ａ、窒素Ｎ、並
びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶化を防止するた
めのアルミニウムＢの各ソースガスを注入して前記半導
体基板上に前記ソースガスを化学吸着させることによっ
て複数の原子層を積層させるＡ−Ｂ−Ｎ構造の金属層形
成方法であって、前記各ソースガスをパルス形態で交互
に注入することによって各原子層が交互に積層されるよ
うにし、前記各ソースガスの注入回数を調節して前記金
属層の組成比を調節することを特徴とする原子層蒸着法
を利用した金属層形成方法である。
【００１０】前記反応性金属はチタン、タンタル、タン
グステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン及び
ニオブからなる群より選択されることが好ましい。
【００１１】前記アルミニウムのソースガスの注入回数
を調節することによって前記金属層の電気伝導度及び抵
抗を調節することが好ましい。
【００１２】前記金属層は、アルミニウムの含有量が１
０〜３５原子％であるＴｉＡｌＮ層であることが好まし
い。
【００１３】前記反応性金属がチタンであり、該チタン
のソースガスはＴｉＣｌ4、ＴＤＭＡＴ及びＴＤＥＡＴ
からなる群より選択されることが好ましい。
【００１４】前記アルミニウムのソースガスは、ＴＭ
Ａ、ＴＥＡ、ＴＩＢＡ及びＡｌＣｌｘからなる群より選
択されることが好ましい。
【００１５】前記窒素のソースガスは、Ｎ2またはＮＨ3
であることが好ましい。
【００１６】前記ソースガスをパージするためのパージ
ガスは、前記金属層形成中、連続的に注入されることが
できる。前記ソースガスをパージするためのパージガス
は、前記金属層形成中、前記ソースガスが注入されない
時に注入されるようにパルス型形態で注入してもよい。
【００１７】また本発明は、半導体基板上に、コンタク
トホールを備えた絶縁膜と、前記コンタクトホールの底
面上に形成された導電性物質膜と、前記コンタクトホー
ル内部の導電性物質膜上部に形成された下部電極と、前
記下部電極上に形成された高誘電膜と、前記高誘電膜上
部に形成された上部電極とを含むキャパシタを備えた半
導体素子であって、前記コンタクトホール内部の導電性
物質膜と前記下部電極との間に、反応性金属Ａからなる
原子層、窒素Ｎからなる原子層、並びに前記反応性金属
及び前記窒素の結晶化を防止するためのアルミニウムＢ
からなる原子層が原子層蒸着法によって交互に積層され
たＡ−Ｂ−Ｎ構造の障壁金属層を備えてなり、前記障壁
金属層の組成比は前記各原子層の積層回数によって調節
されてなることを特徴とする半導体素子である。
【００１８】前記反応性金属は、チタン、タンタル、タ
ングステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン及
びニオブからなる群より選択されることが好ましい。
【００１９】前記アルミニウムからなる原子層の積層回
数を調節することによって前記障壁金属層の電気伝導度
及び抵抗が調節されてなることが好ましい。
【００２０】前記障壁金属層がＴｉＡｌＮであって、ア
ルミニウムの組成比を大きくすることにより、前記障壁
金属層の比抵抗が増加されてなることが好ましい。
【００２１】前記障壁金属層がＴｉＡｌＮであって、前
記障壁金属層中のアルミニウムの含有量は１０〜３５原
子％であることが好ましい。
【００２２】また本発明は、半導体基板上部に形成され
た下部電極と、前記下部電極上に形成された高誘電膜
と、前記高誘電膜上部に形成された上部電極とを備えた
キャパシタを含む半導体素子であって、前記下部電極
は、反応性金属Ａからなる原子層、窒素Ｎからなる原子
層、並びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶化を防止
するための非晶質結合用元素Ｂからなる原子層が原子層
蒸着法によって交互に積層されたＡ−Ｂ−Ｎ構造の窒素
化合物からなり、前記下部電極の組成比は前記各原子層
の積層回数によって調節されてなることを特徴とする半
導体素子である。
【００２３】前記上部電極は、反応性金属Ａからなる原
子層、窒素Ｎからなる原子層、並びに前記反応性金属及
び前記窒素の結晶化を防止するための非晶質結合用元素
Ｂからなる原子層が原子層蒸着法によって交互に積層さ
れたＡ−Ｂ−Ｎ構造の窒素化合物からなり、前記上部電
極の組成比は前記各原子層の積層回数によって調節され
てなることが好ましい。
【００２４】前記反応性金属はチタン、タンタル、タン
グステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン及び
ニオブからなる群より選択されることが好ましい。
【００２５】前記非晶質結合用元素は、ケイ素またはホ
ウ素であることが好ましい。
【００２６】前記非晶質結合用元素はアルミニウムであ
ることが好ましい。
【００２７】前記非晶質結合用元素からなる原子層の積
層回数を調節することによって前記下部電極の電気伝導
度及び抵抗が決定されてなることが好ましい。
【００２８】また本発明は、半導体基板上に反応性金属
Ａ、窒素Ｎ、並びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶
化を防止するための非晶質結合用元素Ｂの各ソースガス
をパルス形態で交互に供給して前記半導体基板上に化学
吸着させる際に前記各ソースガスの注入回数を調節しす
ることによって、組成比が調節されたＡ−Ｂ−Ｎ構造の
金属層を形成する段階と、前記金属層上に酸素拡散防止
層を形成する段階と、前記金属層を形成する段階及び前
記酸素拡散防止層を形成する段階を繰り返して前記金属
層及び酸素拡散防止層が複数回積層された多重金属層を
形成する段階とを含んでなることを特徴とする原子層蒸
着法を利用した金属層形成方法である。
【００２９】前記酸素拡散防止層は、前記金属層が形成
された半導体基板上に金属元素及び酸素のソースガスを
パルス形態で交互に供給して形成することが好ましい。
【００３０】前記酸素拡散防止層を形成する段階は、原
子層蒸着法により前記金属層上に酸素が含まれた物質層
を形成する段階と、前記金属層及び物質層が形成された
半導体基板を熱処理する段階とを含むことが好ましい。
【００３１】前記反応性金属Ａはチタン、タンタル、タ
ングステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン及
びニオブからなる群より選択されることが好ましい。
【００３２】前記反応性金属及び前記窒素の結晶化を防
止するための非晶質結合用元素は、アルミニウム、ケイ
素及びホウ素からなる群より選択されることが好まし
い。
【００３３】前記非晶質結合用元素のソースガスの注入
回数を調節することによって前記金属層の電気伝導度及
び抵抗を調節することが好ましい。
【００３４】前記反応性金属がチタンであって、該チタ
ンのソースガスは、ＴｉＣｌ4、ＴＤＭＡＴ及びＴＤＥ
ＡＴからなる群より選択されることが好ましい。
【００３５】前記非晶質結合用元素がアルミニウムであ
って、該アルミニウムのソースガスは、ＴＭＡ、ＴＥ
Ａ、ＴＩＢＡ及びＡｌＣｌｘからなる群より選択される
ことが好ましい。
【００３６】前記窒素のソースガスとしてＮ2またはＮ
Ｈ3を用いることが好ましい。
【００３７】前記酸素拡散防止層は、アルミニウム酸化
膜で形成することが好ましい。
【００３８】また本発明は、半導体基板上にコンタクト
ホールを備えた絶縁膜と、前記コンタクトホールの底面
上に形成された導電性物質膜と、前記コンタクトホール
内部の導電性物質膜上部に形成された下部電極と、前記
下部電極上に形成された高誘電膜と、前記高誘電膜上部
に形成された上部電極とを含むキャパシタを備えた半導
体素子であって、前記コンタクトホール内部の導電性物
質膜と前記下部電極との間に、反応性金属Ａからなる原
子層、窒素Ｎからなる原子層、並びに前記反応性金属及
び前記窒素の結晶化を防止するための非晶質結合用元素
Ｂからなる原子層が原子層蒸着法によって交互に積層さ
れたＡ−Ｂ−Ｎ構造の金属層と、酸素拡散防止層とが複
数回積層された障壁金属層とが形成されてなることを特
徴とする半導体素子である。
【００３９】前記酸素拡散防止層上に酸素が含まれた物
質層がさらに形成されてなることが好ましい。
【００４０】前記反応性金属は、チタン、タンタル、タ
ングステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン及
びニオブからなる群より選択されることが好ましい。
【００４１】前記反応性金属及び前記窒素の結晶化を防
止するための非晶質結合用元素Ｂは、アルミニウム、ケ
イ素及びホウ素からなる群より選択されることが好まし
い。
【００４２】前記非晶質結合用元素による原子層の積層
回数の比率によって前記障壁金属層の電気伝導度及び抵
抗が調節されてなることが好ましい。
【００４３】前記酸素拡散防止層は、アルミニウム酸化
膜であることが好ましい。
【００４４】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照しなが
ら本発明をより詳細に説明する。
【００４５】＜本発明の原子層蒸着法を利用した金属層
形成方法の第１態様＞まず、本発明の原子層蒸着法を簡
単に説明する。本発明において原子層蒸着法とは、反応
物質をチャンバー内に順次注入し、順次除去する方式に
よって、半導体基板上に複数の原子層を順次蒸着する方
法である。このような原子層蒸着法は、化学気相蒸着法
（ＣＶＤ）のような化学反応を用いる蒸着法であるが、
各々のガスを同時に注入してチャンバー内で混合せず、
ガスを一種ずつパルス形態で流す点でＣＶＤと区別され
る。例えば、ガスＡとガスＢとを用いる場合、まずガス
Ａを注入して基板上にガスＡ分子を化学吸着させＡの原
子層を形成する。チャンバーに残留するガスＡは、アル
ゴンや窒素のような不活性ガスでパージする。その後、
ガスＢを注入して化学吸着させることによってＡの原子
層上にＢの原子層を形成する。前記Ａの原子層とＢの原
子層との間の反応は化学吸着されたＡ原子層の表面での
み起きる。このためにいかなる形態を有した表面であっ
ても優れたステップカバレージが得られる。ＡとＢとの
反応後、チャンバーに残存するガスＢ及び副生成物をパ
ージする。ガスＡとガスＢとの注入による原子層蒸着を
繰り返すことによって、薄膜の厚さを原子層単位で調節
することができる。
【００４６】次に、本発明の原子層蒸着法を利用した金
属層形成方法の第１態様を説明する。すなわち、半導体
基板上に反応性金属Ａ、窒素Ｎ、並びに前記反応性金属
及び前記窒素の結晶化を防止するためのアルミニウムＢ
の各ソースガスを注入して前記半導体基板上に前記ソー
スガスを化学吸着させることによって複数の原子層を積
層させるＡ−Ｂ−Ｎ構造の金属層形成方法であって、前
記各ソースガスをパルス形態で交互に注入することによ
って各原子層が交互に積層されるようにし、前記各ソー
スガスの注入回数を調節して前記金属層の組成比を調節
することを特徴とする原子層蒸着法を利用した金属層形
成方法である。前記金属層は、複数の原子層がＡ−Ｂ−
Ｎ構造で積層している構造である。ここで、前記Ａは反
応性金属であり、前記Ｎは窒素であり、前記Ｂは非晶質
結合用元素である。前記反応性金属は、遷移金属であ
り、チタン、タンタル、タングステン、ジルコニウム、
ハフニウム、モリブデン、ニオブなどを用いることが好
ましい。前記非晶質結合用元素はアルミニウム、ケイ
素、ホウ素などを用いることが好ましく、前記反応性金
属を構成する元素を利用することもできる。前記非晶質
結合用元素とは、前記反応性金属と窒素との結合を阻害
して、前記金属層を非晶質にする役割を果たす元素をい
う。また、前記非晶質結合用元素は、後続の熱処理工程
でＡ−Ｂ−Ｎ構造の金属層が結晶化することを妨げる役
割も果たす。なお、本発明においてＡ−Ｂ−Ｎ構造と
は、この順序に積層した金属層のみを指すものではな
く、Ａ、Ｂ、Ｎが所望の順序に積層された構造を指すも
のである。
【００４７】本発明の金属層の代表的な例としてＴｉＡ
ｌＮ膜を挙げることができる。チタンと用いる際のチタ
ンのソースガスとしては、ＴｉＣｌ4、ＴＤＭＡＴ（Ｔ
ｅｔｒａｋｉｓ ＤｉＭｅｔｈｙｌ Ａｍｉｎｏ Ｔｉ
ｔａｎｉｕｍ）、およびＴＤＥＡＴ（Ｔｅｔｒａｋｉｓ
ＤｉＥｔｈｙｌ Ａｍｉｎｏ Ｔｉｔａｎｉｕｍ）か
らなる群より選択されるいずれか一つを用いることが好
ましい。アルミニウムを用いる際のアルミニウムのソー
スガスとしては、ＴＭＡ（ＴｒｉＭｅｔｈｙｌＡｌｕｍ
ｉｎｕｍ）、ＴＥＡ（ＴｒｉＥｔｈｙｌ Ａｌｕｍｉｎ
ｕｍ）、ＴＩＢＡ（Ｔｒｉ−Ｉｓｏ−Ｂｕｔｙｌ Ａｌ
ｕｍｉｎｕｍ）、およびＡｌＣｌｘ（ｘは任意）からな
る群より選択されるいずれか一つを用いることが好まし
い。窒素Ｎのソースガスとしては、Ｎ2、またはＮＨ3を
用いることが好ましい。
【００４８】たとえばＴｉＡｌＮ膜を形成する場合、ま
ず、半導体基板を原子層蒸着チャンバー内にローディン
グする。続いて、ガス供給器からガス供給管などを通し
て原子層蒸着チャンバー内に前記金属層を構成する３種
元素、すなわち、反応性金属チタン、窒素、およびアル
ミニウムのソースガスを供給する。各ソースガスの供給
にあたり、各ソースガスをパルス形態で交互に注入する
ことによって半導体基板上にＴｉ原子層、Ｎ原子層、お
よびアルミニウム原子層を交互に積層させることができ
る。このとき、前記各ソースガスの注入順序及び／又は
注入回数を適切に調節することによって、チタン、Ｎ、
アルミニウムからなる金属層の組成比を適切に調整する
ことができる。特に、前記非晶質結合用元素アルミニウ
ムからなる原子層の積層回数（注入回数）の比率を変化
させて前記金属層の組成比を調節することで、より効果
的に電気伝導度及び抵抗を調節することができる。
【００４９】以下、チタン、Ｎ、アルミニウムの組成金
属層を作製する際の組成比調節方法を説明する。
【００５０】図１及び図２は、本発明の原子層蒸着法を
利用した金属層形成方法におけるソースガス及びパージ
ガスの注入方法の一例を示すグラフである。
【００５１】図１及び図２に示すように、ＴｉＣｌ4、
ＴＭＡ、ＮＨ3をＴｉＣｌ4−ＴＭＡ−ＴｉＣｌ4−ＮＨ3
のサイクルで繰り返しながら注入することによって、チ
タンリッチなＴｉＡｌＮ層を形成することができる。蒸
着時の基板温度は、３００〜７００℃が望ましく、チャ
ンバー内圧力は０．１〜１０Ｔｏｒｒ（約１３〜１３０
０Ｐａ）、前記ソースガスが注入されるパルスオン時間
は０．１〜１０秒が適当である。
【００５２】図１は前記ソースガスの注入中にパージガ
スをオンオフなしに連続的に注入してパージ作業を実施
する場合であり、図２は前記ソースガスを注入されない
間（すなわち、一のソースガスの注入を停止し、次のソ
ースガスの注入を開始するまでの間）にパージガスをパ
ルス形態で注入してパージ作業を実施する場合である。
この際パージガスとしてはＡｒ、Ｎ2、Ｈｅなどのガス
を用いることができる。
【００５３】図３及び図４は、本発明の原子層蒸着法を
利用した金属層形成方法におけるソースガス及びパージ
ガスの注入方法の他の例を示すグラフである。
【００５４】図３及び図４に示すように、ＴｉＣｌ4、
ＴＭＡ、ＮＨ3をＴｉＣｌ4−ＮＨ3−ＴＭＡ−ＮＨ3のサ
イクルで繰り返しながら注入してＴＭＡのパルスオン時
間がＴｉＣｌ4のパルスオン時間より長くすることによ
りアルミニウムリッチなＴｉＡｌＮ層を形成することが
できる。前記蒸着時チャンバー条件は、図１及び図２の
場合と同様である。すなわち、基板温度は、３００〜７
００℃が望ましく、チャンバー内圧力は０．１〜１０Ｔ
ｏｒｒ（約１３〜１３００Ｐａ）、前記ソースガスが注
入されるパルスオン時間は０．１〜１０秒が適当であ
る。
【００５５】図３は前記ソースガスの注入中にパージガ
スをオンオフなしに連続的に注入してパージ作業を実施
する場合であり、図４は前記ソースガスが注入されない
間（すなわち、一のソースガスの注入を停止し、次のソ
ースガスの注入を開始するまでの間）にパージガスをパ
ルス形態で注入してパージ作業を実施する場合である。
この際パージガスとしてはＡｒ、Ｎ2、Ｈｅなどのガス
が用いられる。
【００５６】前記した組成の調節方法を利用して各ソー
スガスの注入回数を適切に調節することによって金属層
における原子の蒸着比を適切に調節でき、金属層はその
蒸着比によって、例えば表１に示すように伝導度及び抵
抗が相異なるものとなる。
【００５７】
【表１】
【００５８】表１に示すように、ＴｉＡｌＮ層の組成で
チタンに対するアルミニウムの含有量が増えることによ
ってＴｉＡｌＮ層の比抵抗が増加することが分かる。比
抵抗ρは、電気伝導度の逆数に比例するので、比抵抗が
増えれば電気伝導度は減少する。つまり、ＴｉＡｌＮ層
の用途によって適切な電気伝導度及び抵抗値を有するよ
うに適切に形成することができる。
【００５９】図５は、ＴｉＡｌＮ層においてＴｉＮ＋Ａ
ｌＮに対するＡｌＮの組成比とＴｉＡｌＮ層の比抵抗値
の変化を示すグラフである。
【００６０】図５に示すように、ＴｉＡｌＮ層中のアル
ミニウム含有量が増加するにしたがってＴｉＡｌＮ層の
比抵抗が増加することが分かる。キャパシタの上部電極
または下部電極とポリシリコン層との間の障壁金属層と
して用いられる場合、比抵抗値は素子のパターンによっ
て異なる場合があるが通常３００〜１００００μΩ・ｃ
ｍ程度が適当で、この範囲の比抵抗値を得るにはＴｉＡ
ｌＮ層におけるアルミニウムの含有量は１０〜３５原子
％程度が望ましい。
【００６１】図６は、本発明により形成されたＴｉＡｌ
Ｎ膜のＸ線回折（ＸＲＤ）結果を示すスペクトルであ
る。図６の上側のスペクトルは、チタンリッチなＴｉＡ
ｌＮ膜のＸＲＤであり、下側のグラフはアルミニウムリ
ッチなＴｉＡｌＮ膜のＸＲＤである。図６に示されたよ
うに、本発明の方法によって形成されたＴｉＡｌＮ膜
は、微小なＴｉＡｌＮピークが観察されるが全体的に非
晶質状態であることが分かる。
【００６２】図７は従来のＴｉＮ膜及び本発明の方法に
より作製されたＴｉＡｌＮ膜の表面ＳＥＭ写真である。
図７に示すように本発明のＴｉＡｌＮ膜は、従来のＴｉ
Ｎ膜に比べて非常に平らな表面を有する。
【００６３】図８は、本発明によるＴｉＡｌＮ膜の耐熱
性と耐酸化性とを実験するために、酸素雰囲気での熱処
理前後のＴｉＡｌＮ膜の面抵抗（Ｒｓ）変化を示したグ
ラフである。図８において、Ａは熱処理前のＴｉＡｌＮ
膜、Ｂは０．１Ｔｏｒｒ（約１３Ｐａ）の酸素雰囲気で
６００℃３０分間熱処理したＴｉＡｌＮ膜、Ｃは０．１
Ｔｏｒｒ（約１３Ｐａ）の酸素雰囲気下、７００℃で３
０分間熱処理したＴｉＡｌＮ膜を示す。
【００６４】図８に示すように、０．１Ｔｏｒｒ（約１
３Ｐａ）の酸素雰囲気下、６００℃で３０分間熱処理さ
れた２５０ÅのＴｉＡｌＮ膜のＲｓは、熱処理前のＴｉ
ＡｌＮ膜のＲｓと比較してたいして変わらない。すなわ
ち、優れた耐熱性及び耐酸化性を有する。このようにＴ
ｉＡｌＮ膜の耐熱性及び耐酸化性が良い理由は、熱処理
時ＴｉＡｌＮ膜内のアルミニウムが表面に移動してＴｉ
ＡｌＮ膜表面上に酸化膜、すなわちＡｌ2Ｏ3膜を形成し
て酸素の拡散を防止するためである。
【００６５】前記のように本発明の金属膜は、耐熱性及
び耐酸化性が高く、各々の原子層を蒸着して形成するの
で非常にコンパクトな領域でもステップカバレージが優
秀で、各々の原子層を順序どおり吸着して形成するので
ＣＶＤ法に比べて組成比の調節が容易で組成の再現性が
優れた特性を有する。
【００６６】以下に、前記した原子層蒸着法を利用して
形成された金属層を障壁金属層として備えたトレンチ型
キャパシタ及びその製造方法、前記金属層を上部電極と
して備えたシリンダ型キャパシタ及びその製造方法、及
び前記金属層を下部電極として備えたトレンチ型キャパ
シタ及びその製造方法を実施の形態１〜３で詳細に説明
する。
【００６７】＜実施の形態１＞実施の形態１では図９〜
図１２を参照して、原子層蒸着法を利用して形成された
金属層を障壁金属層として採り入れたトレンチ型キャパ
シタを備えた半導体素子、すなわち半導体基板上に、コ
ンタクトホールを備えた絶縁膜と、前記コンタクトホー
ルの底面上に形成された導電性物質膜と、前記コンタク
トホール内部の導電性物質膜上部に形成された下部電極
と、前記下部電極上に形成された高誘電膜と、前記高誘
電膜上部に形成された上部電極とを含むキャパシタを備
えた半導体素子であって、前記コンタクトホール内部の
導電性物質膜と前記下部電極との間に、反応性金属Ａか
らなる原子層、窒素Ｎからなる原子層、並びに前記反応
性金属及び前記窒素の結晶化を防止するためのアルミニ
ウムＢからなる原子層が原子層蒸着法によって交互に積
層されたＡ−Ｂ−Ｎ構造の障壁金属層を備えてなり、前
記障壁金属層の組成比は前記各原子層の積層回数によっ
て調節されてなることを特徴とする半導体素子に関して
説明する。
【００６８】図９に示すように、半導体基板１０４上に
シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）からなる絶縁層１１０を形
成する。続いて、前記絶縁層１１０をフォトエッチング
してコンタクトホールを形成する。
【００６９】図１０に示すように、トレンチ型キャパシ
タを形成するにあたり、前記コンタクトホールの内部は
必要なキャパシタンスに応じて、ポリシリコンを埋め込
まなくてもよく、所定の深さまで一部分埋め込むことも
できる。一部分埋め込む時は、コンタクトホール内にポ
リシリコンを埋め込んだ後に、ウエットエッチングまた
は化学的機械的研磨とウエットエッチングを併用してコ
ンタクトホールの下部に所定の高さまでポリシリコン膜
１１２を残すことができる。
【００７０】図１１に示すように前記ポリシリコン膜１
１２および絶縁層１１０で形成されたトレンチ表面に、
耐熱性及び耐酸化性が向上した障壁金属層１１４を形成
する。前記障壁金属層１１４は、反応性金属Ａ、窒素
Ｎ、並びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶化を防止
するための非晶質結合用元素Ｂが原子層蒸着法によって
交互に積層された状態に作製された導電層である。上述
したように前記反応性金属は、チタン、タンタル、タン
グステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、ニ
オブなどを用いることが好ましく、前記非晶質結合用元
素はアルミニウム、ケイ素、ホウ素などを用いることが
好ましい。前記非晶質結合用元素は、前記反応性金属と
窒素との結合を阻害して前記金属層を非晶質にする役割
をする。
【００７１】前記障壁金属層としては、反応性金属チタ
ン、窒素、並びに非晶質結合用元素の各ソースガス、Ｔ
ｉＣｌ4、ＮＨ3、ＴＭＡをパルス形態で供給して前記ポ
リシリコン膜１１２上に前記ソースガスを化学的に吸着
させることにより作製された複数の原子層からなるＴｉ
ＡｌＮ層などが挙げられる。このＴｉＡｌＮ層は、所望
の順序に各ソースガスを交互に供給することにより、供
給される各ソースガスに対応する原子層が交互に積層さ
れた構成を有する。前記ＴｉＡｌＮ層は、上述したよう
に耐熱性及び耐酸化性が良い。そして、前記各ソースガ
スの注入回数（各原子層の積層回数）を適切に調節する
ことによって前記障壁金属層１１４を構成するチタン、
アルミニウム、及びＮの各組成比を調節することができ
る。前記各組成比を調節することによって所望の電気伝
導度及び抵抗を有する障壁金属層を得ることができる。
特に、アルミニウムからなる原子層の積層回数を調節す
ることにより、金属層の電気伝導度および抵抗を調節す
ることができる。より具体的には、アルミニウムの組成
比を増加させることによって、障壁金属層の比抵抗を増
加させることができる。
【００７２】組成の調節や好適なソースガスは、図１〜
図４を参照として説明した例を適用することができ、原
子層の蒸着時蒸着条件も同様に適用できる。パージ操作
も、図１及び図３のように前記ソースガスの注入中にパ
ージガスをオンオフなしに連続的に続けて注入してパー
ジ作業を実施してもよく、図２及び図４のように前記ソ
ースガスを注入する間にパージガスをパルス形態で注入
してパージ作業を実施してもよい。この時パージガスと
してはＡｒ、Ｎ2、Ｈｅなどのガスが用いられうる。
【００７３】前記ポリシリコン膜１１２を含んだ絶縁層
１１０上部にＴｉＡｌＮ層等の金属層を形成した後、前
記コンタクトホール外部に蒸着された金属層部分をウエ
ットエッチングや化学的機械的研磨でエッチバックして
取り除くことによってコンタクトホール内部にのみ形成
された障壁金属層１１４を完成させることができる。本
発明の原子層蒸着法を利用した障壁金属層１１４は、従
来の障壁金属層と異なり、厚さの調節が自在で、また、
組成の正確な調節が容易である。具体的には、ＴｉＡｌ
Ｎを障壁金属層として用いた場合には、アルミニウムの
組成比を大きくすることによって障壁金属層の比抵抗を
調節できる。障壁金属層の比抵抗値は、３００〜１００
００μΩ・ｃｍ程度が適当であり、ＴｉＡｌＮ層を障壁
金属層として用いた場合には、障壁金属層中のアルミニ
ウムの含有量は１０〜３５原子％程度になるようにアル
ミニウムの組成を調節することが好ましい。このように
アルミニウムからなる原子層の積層回数を調節すること
によって障壁金属層の電気伝導度および抵抗を調節する
ことができる。
【００７４】続いて図１２に示すように、製造物上部に
銅、アルミニウム、タングステン等のような金属からな
るトレンチ型下部電極１１６を形成する。下部電極１１
６が銅のように拡散しやすい金属である場合には、障壁
金属層１１４は拡散防止に特に有用である。
【００７５】次に、誘電定数が大きいタンタル酸化膜
（Ｔａ2Ｏ5）、またはＰＺＴ（（Ｐｂ，Ｚｒ）Ｔｉ
Ｏ3）、ＢＳＴ（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3）、ＳＴＯ（Ｓ
ｒＴｉＯ3）等のような強誘電体を用いて、前記トレン
チ型下部電極層１１６上に誘電膜１１８を形成し、その
上部に上部電極１２０を順に形成する。
【００７６】＜実施の形態２＞実施の形態２では図１３
〜図１７を参照として、原子層蒸着法を利用して形成さ
れた金属層を上部電極に採り入れたシリンダ型キャパシ
タを含む半導体素子、すなわち半導体基板上部に形成さ
れた下部電極と、前記下部電極上に形成された高誘電膜
と、前記高誘電膜上部に形成された上部電極とを備えた
キャパシタを含む半導体素子であって、前記上部電極
は、反応性金属Ａからなる原子層、窒素Ｎからなる原子
層、並びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶化を防止
するための非晶質結合用元素Ｂからなる原子層が原子層
蒸着法によって交互に積層されたＡ−Ｂ−Ｎ構造の窒素
化合物からなり、前記上部電極の組成比は前記各原子層
の積層回数によって調節されてなる半導体素子について
説明する。
【００７７】図１３に示すように、半導体基板１０４上
にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）からなる絶縁層２１０を
形成する。続いて、前記絶縁層２１０内にフォトエッチ
ング工程を利用してコンタクトホールを形成する。
【００７８】図１４に示すように、前記コンタクトホー
ルの内部を導電性物質で埋め込んでプラグ（ポリシリコ
ン膜）２１２を形成する。例えばドープされたポリシリ
コンで埋め込んでポリプラグを形成することができる。
【００７９】図１５に示すように、前記プラグ（ポリシ
リコン膜）２１２を含んだ絶縁層２１０上部にフォトレ
ジストパターン（図示せず）を利用してアルミニウム、
タングステン等のような金属からなるシリンダ型下部電
極２１４を形成する。前記シリンダ型下部電極２１４及
びプラグ（ポリシリコン膜）２１２間には、後の熱処理
工程時にポリプラグの酸化を防止するためのＴｉＮ、Ｔ
ａＮなどを利用した障壁金属層２１６を形成する。下部
電極２１４が銅のように拡散しやすい金属である場合に
は三元系金属層、例えばＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、Ｔｉ
ＡｌＮ等からなる障壁金属層２１６を用いると拡散防止
に特に有用である。
【００８０】図１６に示すように、誘電定数が大きいタ
ンタル酸化膜（Ｔａ2Ｏ5）またはＰＺＴ（（Ｐｂ，Ｚ
ｒ）ＴｉＯ3）、ＢＳＴ（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3）、Ｓ
ＴＯ（ＳｒＴｉＯ3）等のような強誘電体を用いて、前
記シリンダ型下部電極２１４上にシリンダ型の誘電膜２
１８を形成する。
【００８１】図１７に示すように、前記誘電膜２１８上
部に上部電極２２０を形成する。前記上部電極２２０
は、反応性金属Ａ、窒素Ｎ、並びに前記反応性金属及び
前記窒素の結晶化を防止するための非晶質結合用元素Ｂ
が原子層蒸着法によって交互に積層された導電層であ
る。前記上部電極２２０の組成比は各原子層の積層回数
によって調節され、前記上部電極中の非晶質結合用元素
からなる原子層の積層回数を調節することによって上部
電極２２０の電気伝導度及び抵抗を適宜調節できる。前
記反応性金属としては、チタン、タンタル、タングステ
ン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、ニオブな
どが挙げられる。前記反応性金属及び前記窒素の結晶化
を防止するための非晶質結合用元素としては、アルミニ
ウム、ケイ素、ホウ素などが挙げられる。
【００８２】本実施の形態では前記上部電極２２０をＴ
ｉＡｌＮ層で形成することが好ましい。前記金属層がＴ
ｉＡｌＮ層の場合、チタンソースガスは、ＴｉＣｌ4、
ＴＤＭＡＴ、およびＴＤＥＡＴからなる群より選択で
き、アルミニウムソースガスはＴＭＡ、ＴＥＡ、ＴＩＢ
Ａ、およびＡｌＣｌｘ（ｘは任意）からなる群より選択
でき、窒素ソースガスはＮ2またはＮＨ3を用いることが
できる。
【００８３】前記上部電極２２０作製の具体例として
は、次のような方法が挙げられる。すなわち、原子層蒸
着チャンバー内への前記三元系窒素化物の各ソースガス
の供給時、各ソースガスをパルス形態で交互に注入する
ことによって半導体基板１０４上の高誘電膜２１８上部
に各原子層を積層して形成する。
【００８４】例えば前記上部電極２２０としてＴｉＡｌ
Ｎ層を用いる際には、反応性金属チタン、窒素、並びに
非晶質結合用元素の各ソースガス、例えば、ＴｉＣ
ｌ4、ＮＨ3、ＴＭＡをパルス形態で供給して前記高誘電
膜２１８上に前記ソースガスを化学的に吸着させること
により作製することができる。このとき、前記上部電極
２２０は、所望の順序に各ソースガスを交互に供給する
ことにより、供給される各ソースガスに対応する原子層
が交互に積層された構成を有する。このため、前記各ソ
ースガスの注入回数を適切に調節することによって前記
上部電極２２０を構成するチタン、アルミニウム、及び
窒素の各組成比を適切に決定でき、所望する電気伝導度
及び抵抗を調節することができる。
【００８５】組成の調節の例は、図１〜図４を参照とし
て前記で説明した例が適用することができ、原子層の蒸
着時蒸着条件も同様に適用できる。
【００８６】パージ作業も、図１および図３のように前
記ソースガスの注入中にパージガスをオンオフなしに連
続的に注入してパージ作業を遂行してもよく、図２及び
図４のように前記ソースガスの注入パルス間にパージガ
スによるパージ作業を遂行してもよい。この時パージガ
スとしてはＡｒ、Ｎ2、Ｈｅなどのガスが用いられる。
【００８７】本実施の形態におけるシリンダ型キャパシ
タにおいては、複雑な構成を有する上部電極を蒸着する
時にも上部電極のステップカバレージが非常に優秀で、
誘電定数も高く、電気的信頼性にも優れたキャパシタを
製造できる。
【００８８】上述したように本実施の形態では上部電極
形成時、個々の原子層が順番に吸着されて形成されるの
で、ＣＶＤ法に比べて組成比の調節が容易で、組成の再
現性も優れる。すなわち、上部電極を構成する各ソース
ガスのパルス注入順序及び回数を調節するだけで上部電
極の組成を容易に調節でき、上部電極の電気伝導度及び
抵抗を必要な程度に非常に容易に調節できる。また、組
成の再現性も優れたものとなる。
【００８９】＜実施の形態３＞本実施の形態３では図１
８〜図２２を参照して、原子層蒸着法を利用して形成さ
れた金属層を下部電極として採り入れたトレンチ型キャ
パシタを含む半導体素子、すなわち半導体基板上部に形
成された下部電極と、前記下部電極上に形成された高誘
電膜と、前記高誘電膜上部に形成された上部電極とを備
えたキャパシタを含む半導体素子であって、前記下部電
極は、反応性金属Ａからなる原子層、窒素Ｎからなる原
子層、並びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶化を防
止するための非晶質結合用元素Ｂからなる原子層が原子
層蒸着法によって交互に積層されたＡ−Ｂ−Ｎ構造の窒
素化合物からなり、前記下部電極の組成比は前記各原子
層の積層回数によって調節されてなることを特徴とする
半導体素子に関して説明する。
【００９０】図１８に示すように、半導体基板１０４上
にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）からなる絶縁層３１０を
形成する。続いて、前記絶縁層３１０内にフォトエッチ
ング工程を利用してコンタクトホールを形成する。
【００９１】図１９に示すように、トレンチ型キャパシ
タを形成するにあたり前記コンタクトホールの内部は必
要なキャパシタンスに応じて、埋め込まなくてもよく、
所定の深さまで一部分埋め込むこともできる。一部分埋
め込む時は、コンタクトホール内にポリシリコンを埋め
込んだ後に、ウエットエッチングまたは化学的機械的研
磨とウエットエッチングを併用してコンタクトホールの
下部に所定の高さまでポリシリコン膜３１２を残す。
【００９２】図２０に示すように前記ポリシリコン膜３
１２および絶縁層３１０で形成されたトレンチ表面に下
部電極３１４を形成する。前記下部電極３１４は、実施
の形態２の上部電極２２０と類似の方法で形成すること
ができる。
【００９３】すなわち、前記下部電極３１４は、反応性
金属Ａ、窒素Ｎ、並びに前記反応性金属及び前記窒素の
結晶化を防止するための非晶質結合用元素Ｂが原子層蒸
着法によって交互に積層された導電層である。前記下部
電極３１４の各原子層の組成比は各原子層の積層回数に
よって決定され、前記各原子層中に含まれる非晶質結合
用元素を含む原子層の積層回数の比率によって下部電極
の電気伝導度及び抵抗を適切に決定できる。
【００９４】前記反応性金属及び窒素の結晶化を防止す
るための非晶質結合用元素を構成する物質は実施の形態
２の場合と同様である。
【００９５】本実施の形態で前記下部電極３１４は、実
施の形態２の上部電極２２０と同様にＴｉＡｌＮ層で形
成することが好ましく、ソースガスとしては、チタンソ
ースガスはＴｉＣｌ4、ＴＤＭＡＴ、およびＴＤＥＡＴ
からなる群より選択され、アルミニウムソースガスはＴ
ＭＡ、ＴＥＡ、ＴＩＢＡ、およびＡｌＣｌｘ（ｘは任
意）からなる群より選択される、そして窒素のソースガ
スとしてはＮ2またはＮＨ3であることが好ましい。
【００９６】下部電極３１４は、前記実施の形態２の上
部電極２２０と同様の形成方法によって形成される。
【００９７】前記下部電極３１４としてＴｉＡｌＮ層を
構成する場合は、反応性金属チタン、窒素、並びに非晶
質結合用元素の各ソースガス、ＴｉＣｌ4、ＮＨ3、ＴＭ
Ａをパルス形態で供給して前記ポリシリコン膜３１２及
び絶縁層３１０上に前記ソースガスを化学的に吸着させ
て複数の原子層を構成することができる。
【００９８】また前記下部電極３１４は、各ソースガス
を順番に交互に供給することにより、対応する原子層が
交互に配列された構成を有する。前記各ソースガスの注
入回数を適切に調節することによって前記下部電極３１
４を構成するチタン、アルミニウム、及び窒素の各組成
比を適切に決定して、必要な電気伝導度及び抵抗を適切
に決定することができる。
【００９９】組成の調節の例は、図１〜図４を参照して
前記で説明した例を適用することができ、原子層の蒸着
時蒸着条件も同様に適用できる。反応性金属、並びに反
応性金属および窒素の結晶化を防止するための非晶質結
合用元素は、実施の形態２で述べたものと同様のものが
適用できる。
【０１００】パージ作業も、図１及び図３のように前記
ソースガスの注入中にパージガスをオンオフなしに連続
的に続けて注入してパージ作業を遂行してもよく、図２
及び図４のように前記ソースガスの注入パルス間にパー
ジガスによるパージ作業を遂行してもよい。この時パー
ジガスとしてはＡｒ、Ｎ2、Ｈｅなどのガスが用いられ
る。
【０１０１】前記のように所定の回数の原子層を蒸着し
た後、フォトレジストパターン等のようなマスクを利用
して必要なパターンの下部電極３１４を形成する。
【０１０２】図２１に示すように、誘電定数が大きいタ
ンタル酸化膜（Ｔａ2Ｏ5）またはＰＺＴ（（Ｐｂ，Ｚ
ｒ）ＴｉＯ3）、ＢＳＴ（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3）、Ｓ
ＴＯ（ＳｒＴｉＯ3）等のような強誘電体を用いて、前
記トレンチ型下部電極３１４を包むトレンチ型の誘電膜
３１８を形成する。
【０１０３】図２２に示すように、前記高誘電膜３１８
上部に上部電極３２０を形成する。前記上部電極３２０
は、熱処理工程時に下部にある高誘電膜３１８による酸
化を防止するためにＴｉＮ、ＴａＮなどを利用して障壁
層の役割をする金属層３２０ａを形成して、その上部に
ポリシリコン層３２０ｂを形成することもできる。
【０１０４】前記上部電極３２０は、前記金属層３２０
ａ及びポリシリコン層３２０ｂで形成する代わりに、反
応性金属Ａ、窒素Ｎ、並びに前記反応性金属及び前記窒
素の結晶化を防止する非晶質結合用元素Ｂからなる金属
層、例えばＴｉＡｌＮ層で形成することもできる。この
時、トレンチ型の高誘電膜３１８に対するステップカバ
レージを優れたものとするために、上部電極３２０形成
時、前記下部電極３１４形成時と同様に原子層蒸着法を
利用して形成することが望ましい。
【０１０５】前記のように下部電極３１４を原子層蒸着
法によって形成されたＴｉＡｌＮ層で構成すれば、前記
ＴｉＡｌＮ層の高い耐熱性及び耐酸化性により障壁金属
層としての役割が十分に果たされるため、下部電極３１
４下に接するポリシリコン膜３１２または半導体基板１
０４との間に障壁層を別途に形成する必要がなく、工程
を単純化することができる。
【０１０６】また、下部電極３１４形成にあたっては個
々の原子層を蒸着して形成するので、非常にコンパクト
な領域でもステップカバレージが優秀なものとなる。し
たがって、本実施の形態におけるトレンチ型キャパシタ
の場合のように縦横比が高い複雑な構成の下部電極を蒸
着する時にも下部電極のステップカバレージが非常に優
秀で、誘電定数が高く、また電気的信頼性に優れたキャ
パシタを製造できる。
【０１０７】さらに、下部電極形成時、個々の原子層を
順番に吸着して形成するのでＣＶＤ法に比べて組成比の
調節が容易で組成の再現性が優れる。すなわち、下部電
極を構成する各ソースガスのパルス注入順序及び回数を
調節するだけで、上部電極の組成を容易に調節できるよ
うになり、下部電極の電気伝導度及び抵抗を必要な程度
に非常に容易に調節できる。また、組成の再現性も優れ
たものとなる。
【０１０８】＜本発明の原子層蒸着法を利用した金属層
形成方法の第２態様＞続いて、本発明にかかる金属層形
成方法の第２態様、すなわち、半導体基板上に反応性金
属Ａ、窒素Ｎ、並びに前記反応性金属及び前記窒素の結
晶化を防止するための非晶質結合用元素Ｂの各ソースガ
スをパルス形態で交互に供給して前記半導体基板上に化
学吸着させる際に前記各ソースガスの注入回数を調節し
することによって、組成比が調節されたＡ−Ｂ−Ｎ構造
の金属層を形成する段階と、前記金属層上に酸素拡散防
止層を形成する段階と、前記金属層を形成する段階及び
前記酸素拡散防止層を形成する段階を繰り返して前記金
属層及び酸素拡散防止層が複数回積層された多重金属層
を形成する段階とを含んでなることを特徴とする原子層
蒸着法を利用した金属層形成方法について説明する。
【０１０９】図２３は、本発明の第２態様にかかる原子
層蒸着法を利用した金属層の断面図であり、図２４は図
２３の酸素拡散防止層形成時における原子層蒸着のため
のソースガス及びパージガスの注入方法の例を示すグラ
フである。
【０１１０】図２３に示すように、本発明の第２態様に
かかる原子層蒸着法を利用した金属層は多重金属層４０
５である。前記多重金属層４０５は、金属層４０１と酸
素拡散防止層４０３とが複数回積層された構造からな
る。前記金属層４０１と酸素拡散防止層４０３とは原子
層蒸着装備を利用してインサイチュで形成することが好
ましい。前記酸素拡散防止層４０３は、電子の流れが阻
害されないように薄く、例えば５〜１５Åの厚さで形成
することが好ましい。
【０１１１】具体的には、前記金属層４０１は、第１態
様の金属層形成方法で説明したものと同様の方法によっ
て形成される。すなわち、前記金属層４０１は、反応性
金属Ａ、窒素Ｎ、並びに前記反応性金属及び前記窒素の
結晶化を防止するための非晶質結合用元素Ｂが原子層蒸
着法によって交互に積層された状態に配列されたＡ−Ｂ
−Ｎ構造に形成される。より具体的には、前記金属層４
０１は、半導体基板（図示せず）上に反応性金属Ａ、窒
素Ｎ、並びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶化を防
止するための非晶質結合用元素Ｂの各ソースガスをパル
ス形態で交互に順序を定めて供給し、前記各ソースガス
の注入回数を調節して供給することによって組成比を調
節して前記半導体基板上に化学吸着して、Ａ−Ｂ−Ｎ構
造に形成される。
【０１１２】前記反応性金属Ａは、チタン、タンタル、
タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデ
ン、ニオブなどを用いることが好ましく、前記非晶質結
合用元素Ｂはアルミニウム、ケイ素、ホウ素などを用い
ることが好ましい。前記金属層４０１の形成時の工程条
件、例えば蒸着温度、ソースガス等は金属層形成方法の
第１態様と同様に調節することが好ましい。本態様では
前記金属層４０１をＴｉＡｌＮ層で形成することが好ま
しい。チタンのソースガスとしては、ＴｉＣｌ4、ＴＤ
ＭＡＴ、ＴＤＥＡＴなどが好ましく、アルミニウムのソ
ースガスとしては、ＴＭＡ、ＴＥＡ、ＴＩＢＡ、ＡｌＣ
ｌｘ（ｘは任意）などが好ましく、窒素のソースガスと
しては、Ｎ2、ＮＨ3などが好ましい。前記の実施形態同
様に、ソースガスの注入回数を調節することによって金
属層の電気伝導度および抵抗を調節することができ、特
に非晶質結合用元素のソースガスを調製することが好ま
しい。
【０１１３】次に、前記金属層４０１上に酸素拡散防止
層４０３を形成する。このとき原子層蒸着法を利用して
酸素拡散防止層を形成することが好ましい。前記酸素拡
散防止層４０３は、外部から拡散する酸素の浸透を防止
しうる。前記酸素拡散防止層４０３は、前記金属元素、
例えばアルミニウムソース及び酸素のソースガスを図２
４のようにパルス形態で交互に供給して前記金属層４０
１上に酸素拡散防止層を形成することが好ましい。本態
様では前記酸素拡散防止層４０３としてアルミニウム酸
化膜などを利用することが好ましい。前記アルミニウム
酸化膜形成時のアルミニウムソースガスはＴＭＡ、ＴＥ
Ａ、ＴＩＢＡまたはＡｌＣｌｘ（ｘは任意）を、前記酸
素ソースガスとしてはＯ2、Ｎ2Ｏを、パージガスとして
はＡｒ、Ｎ2、Ｈｅなどのガスを利用することが好まし
い。
【０１１４】このような金属層を形成する工程と、酸素
拡散防止層を形成する工程を繰り返すことによって形成
される多重金属層４０５は、第１態様で説明したように
耐熱性及び耐酸化性に優れる金属層４０１内部（各金属
層４０１の間）に、酸素拡散防止層４０３が追加で形成
されているため、耐熱性及び耐酸化性をより一層向上さ
せることができる。すなわち、第１態様にかかる金属層
は、表面で酸化層が形成されて酸素の拡散を防止し、第
２態様にかかる多重金属層４０５は表面及び内部に酸素
拡散防止層４０３が形成されて酸素の拡散をより効果的
に防止する。
【０１１５】＜本発明の原子層蒸着法を利用した金属層
形成方法の第３態様＞図２５及び図２６は、本発明の第
３態様にかかる原子層蒸着法を利用した金属層形成方法
を説明する断面図である。
【０１１６】本発明の第３態様にかかる原子層蒸着法を
利用した金属層は、図２６に示されるように多重金属層
５０７である。ただし、第３態様による多重金属層５０
７は、第２態様と異なり、金属層５０１、酸素拡散防止
層５０３及び物質層５０５の３層構造が複数回積層され
ており、酸素拡散防止層５０３は後述のように熱処理に
よって自然に形成される。
【０１１７】次に、本発明の第３態様にかかる原子層蒸
着法を利用した金属層形成方法を説明する。
【０１１８】図２５に示すように、基板（図示せず）上
に金属層５０１を形成する。前記金属層５０１は、第１
態様の金属層形成方法で説明したものと同様に形成され
る。すなわち、前記金属層５０１は、反応性金属Ａ、窒
素Ｎ並びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶化を防止
するための非晶質結合用元素Ｂが、原子層蒸着法によっ
て交互に積層された状態に配列されたＡ−Ｂ−Ｎ構造に
形成される。前記反応性金属Ａには、第１態様と同様に
チタン、タンタル、タングステン、ジルコニウム、ハフ
ニウム、モリブデン、ニオブなどが用いられ、前記非晶
質結合用元素Ｂにはアルミニウム、ケイ素、ホウ素など
が用いられることが好ましい。前記金属層５０１の形成
時の工程条件、例えば蒸着温度、ソースガス等は第１態
様及び第２態様の金属層形成方法と同様に調節される。
本態様では前記金属層５０１をＴｉＡｌＮ層で形成す
る。
【０１１９】次に、前記金属層５０１上に酸素が含まれ
た物質層５０５を形成する。前記物質層５０５は、原子
層蒸着法を利用して形成することができ、本態様ではＴ
ｉＯＮ膜で形成することが好ましい。すなわち、原子層
蒸着チャンバーにチタン、酸素及び窒素の各ソースガス
をパルス形態で交互に順序を定めて供給することによっ
て前記ＴｉＯＮ膜を形成する。
【０１２０】図２６に示すように、前記金属層５０１及
び物質層５０５が形成された半導体基板を熱処理して前
記金属層５０１と物質層５０５との間に酸素拡散防止層
５０３を形成する。前記酸素拡散防止層５０３は、前記
金属層５０１の金属物質と物質層５０５の酸素とが反応
して形成される。例えば、前記金属層５０１をＴｉＡｌ
Ｎ膜で形成して前記物質層５０５をＴｉＯＮ膜で形成す
る場合、前記金属層５０１のアルミニウムが表面に移動
して前記物質層５０５の酸素と反応してアルミニウム酸
化膜で酸素拡散防止層５０３が形成される。第３態様に
よる多重金属層５０７は、金属層５０１、酸素拡散防止
層５０３及び物質層５０５の３層構造が複数回積層され
た構造をすることができる。
【０１２１】このように形成される多重金属層５０７
は、第１態様で説明したように耐熱性及び耐酸化性に優
れた金属層５０１内（金属層５０１と金属層５０１との
間）に、酸素拡散防止層５０３が追加で形成されるた
め、耐熱性及び耐酸化性をより一層向上させることがで
きる。
【０１２２】上記説明した金属層形成方法の第３態様に
おいても、使用されるガス、蒸着温度などの各条件は前
述したものを好適に用いることができる。
【０１２３】＜本発明の第２及び第３態様にかかる原子
層蒸着法を利用して形成された金属層を障壁金属層とし
て備えた半導体素子の製造方法＞以下、本発明の第２及
び第３態様にかかる原子層蒸着法を利用して形成された
金属層を障壁金属層として備えた半導体素子の製造方法
を図２７及び図２８を利用して詳細に説明する。すなわ
ち、製造される半導体素子は、半導体基板上にコンタク
トホールを備えた絶縁膜と、前記コンタクトホールの底
面上に形成された導電性物質膜と、前記コンタクトホー
ル内部の導電性物質膜上部に形成された下部電極と、前
記下部電極上に形成された高誘電膜と、前記高誘電膜上
部に形成された上部電極とを含むキャパシタを備えた半
導体素子であって、前記コンタクトホール内部の導電性
物質膜と前記下部電極との間に、反応性金属Ａからなる
原子層、窒素Ｎからなる原子層、並びに前記反応性金属
及び前記窒素の結晶化を防止するための非晶質結合用元
素Ｂからなる原子層が原子層蒸着法によって交互に積層
されたＡ−Ｂ−Ｎ構造の金属層と、酸素拡散防止層とが
複数回積層された障壁金属層とが形成されてなることを
特徴とする半導体素子である。
【０１２４】図２７に示すように、半導体基板６０１上
にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）からなる絶縁層６０３を
形成する。次に、前記絶縁層６０３内にフォトエッチン
グ工程を利用してコンタクトホールを形成する。続い
て、前記コンタクトホールの内部の一定高さまでポリシ
リコンで埋めることにより、導電性物質膜であるプラグ
（ポリシリコン膜）６０５を形成する。前記プラグ（ポ
リシリコン膜）６０５は、ポリシリコンを埋め込んだ後
に、ウエットエッチングまたは化学的機械的研磨とウエ
ットエッチングを併用してコンタクトホールの下部に所
定の高さまでポリシリコン膜を残すことによって形成す
ることができる。
【０１２５】図２８に示すように、前記プラグ（ポリシ
リコン膜）６０５が形成された半導体基板６０１の全面
に金属層を形成した後、エッチバックまたは化学的機械
的研磨して前記コンタクトホールを埋める障壁金属層６
０７を形成する。前記障壁金属層６０７は、本発明の第
２態様または第３態様による金属層形成方法で形成する
ことができる。すなわち、前記障壁金属層６０７は、原
子層蒸着法を利用して反応性金属Ａ−非晶質結合用元素
Ｂ−窒素Ｎ構造の金属層と酸素拡散防止層（厚さ５〜１
５Å程度）とが複数回、例えば３〜１０回積層された２
層構造の多重金属層で形成したり、Ａ−Ｂ−Ｎ構造の金
属層、酸素拡散防止層及び物質層の３層構造が複数回、
例えば３〜１０回積層された多重金属層で形成すること
ができる。酸素拡散防止層はアルミニウム酸化膜である
ことが好ましく、ソースガスの注入回数（原子層の積層
回数）を調節することによって金属層の電気伝導度およ
び抵抗を調節することができ、特に非晶質結合用元素の
ソースガスを調製することが好ましい。
【０１２６】前記反応性金属は、チタン、タンタル、タ
ングステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、
ニオブなどが用いられ、前記非晶質結合用元素はアルミ
ニウム、ケイ素、ホウ素などが用いられることが好まし
い。本実施の形態では前記障壁金属層６０７をＴｉＡｌ
Ｎ層で形成して、５０〜５００Åの厚さで形成すること
が好ましい。障壁金属層６０７を多重金属層で形成する
場合、後続する熱処理工程においてプラグの酸化をより
確実に防止することができる。
【０１２７】次に、前記障壁金属層６０７が形成された
半導体基板６０１上に下部電極６０９を形成する。前記
下部電極６０９は、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒ
ｕ）、イリジウム（Ｉｒ）や、酸化ルテニウム（ＲｕＯ
2）、酸化イリジウム（ＩｒＯ2）を利用して形成するこ
とができる。前記下部電極６０９上に誘電定数が大きい
タンタル酸化膜（Ｔａ2Ｏ5）またはＰＺＴ（（Ｐｂ，Ｚ
ｒ）ＴｉＯ3）、ＢＳＴ（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3）、Ｓ
ＴＯ（ＳｒＴｉＯ3）等のような強誘電体を用いて誘電
膜６１１を形成する。続けて、前記誘電膜６１１上部に
上部電極６１３を形成する。前記上部電極６１３は、前
記下部電極６０９と同様の物質で形成することができ
る。
【０１２８】上記説明は、金属層がＴｉＡｌＮ層からな
る場合を例に挙げて説明してが、本発明はＴｉＡｌＮ層
に限られるものではないことはもちろんである。
【０１２９】
【発明の効果】上述したように本発明の原子層蒸着法を
用いて形成される金属層または多重金属層は、耐熱性及
び耐酸化性が高く、各々の原子層を蒸着して形成するの
で非常にコンパクトな領域でもステップカバレージが優
れ、各々の原子層を順番に吸着して形成するのでＣＶＤ
法に比べて組成比の調節が容易で組成の再現性に優れた
特性を有する。
【０１３０】また、本発明の原子層蒸着法を利用して形
成される金属層または多重金属層はソースガスの注入回
数を適切に決定するだけで所望する組成比に調整するこ
とができる。従って、金属層または多重金属層の抵抗及
び電気伝導度を非常に容易に調節できる。
【０１３１】また、本発明の原子層蒸着法を利用して形
成される金属層または多重金属層を半導体素子の障壁金
属層、下部電極または上部電極に採り入れた際には、上
記特性を持たせることができる。特に、本発明の金属層
または多重金属層を上部電極に採り入れる場合、上述し
た効果以外にポリシリコンプラグの酸化を防止でき、下
部電極に採り入れる場合は下部電極と基板とが接する面
に別途に障壁金属層を形成する必要がないので製造工程
が単純になる。また、上部電極または下部電極として採
り入れる場合、上部電極または下部電極の組成を容易に
調節でき、電気伝導度及び抵抗を容易に調節できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の原子層蒸着法を利用した金属層形成
方法におけるソースガス及びパージガスの注入方法の一
例を示すグラフである。
【図２】 本発明の原子層蒸着法を利用した金属層形成
方法におけるソースガス及びパージガスの注入方法の他
の例を示すグラフである。
【図３】 本発明の原子層蒸着法を利用した金属層形成
方法におけるソースガス及びパージガスの注入方法のさ
らに他の例を示すグラフである。
【図４】 本発明の原子層蒸着法を利用した金属層形成
方法におけるソースガス及びパージガスの注入方法のさ
らに他の例を示すグラフである。
【図５】 ＴｉＡｌＮ層においてＴｉＮ＋ＡｌＮに対す
るＡｌＮの組成比とＴｉＡｌＮ層の比抵抗値の変化を示
すグラフである。
【図６】 本発明により形成されたＴｉＡｌＮ膜のＸ線
回折（ＸＲＤ）結果を示すスペクトルである。
【図７】 従来のＴｉＮ膜及び本発明の方法により作製
されたＴｉＡｌＮ膜の表面ＳＥＭ写真である。
【図８】 ＴｉＡｌＮ膜の熱処理前後の面抵抗Ｒｓ変化
を示すグラフである。
【図９】 本発明の実施の形態１において、コンタクト
ホールを形成した状態を示す図である。
【図１０】 本発明の実施の形態１において、ポリシリ
コン膜が形成された状態を示す図である。
【図１１】 本発明の実施の形態１において、障壁金属
層が形成された状態を示す図である。
【図１２】 本発明の実施の形態１において、上部電極
が形成された状態を示す図である。
【図１３】 本発明の実施の形態２において、コンタク
トホールが形成された状態を示す図である。
【図１４】 本発明の実施の形態２において、プラグが
形成された状態を示す図である。
【図１５】 本発明の実施の形態２において、下部電極
が形成された状態を示す図である。
【図１６】 本発明の実施の形態２において、誘電膜が
形成された状態を示す図である。
【図１７】 本発明の実施の形態２において、上部電極
が形成された状態を示す図である。
【図１８】 本発明の実施の形態３において、コンタク
トホールが形成された状態を示す図である。
【図１９】 本発明の実施の形態３において、ポリシリ
コン膜が形成された状態を示す図である。
【図２０】 本発明の実施の形態３において、下部電極
が形成された状態を示す図である。
【図２１】 本発明の実施の形態３において、誘電膜が
形成された状態を示す図である。
【図２２】 本発明の実施の形態３において、上部電極
が形成された状態を示す図である。
【図２３】 本発明の金属層形成方法の第２態様にかか
る原子層蒸着法を利用した金属層の断面図である。
【図２４】 本発明の金属層形成方法の第２態様にかか
る原子層蒸着法において、ソースガス及びパージガスの
注入方法の例を示すグラフである。
【図２５】 本発明の金属層形成方法の第３態様にかか
る原子層蒸着法において、金属層および物質層が積層さ
れた状態を示す図である。
【図２６】 本発明の金属層形成方法の第３態様にかか
る原子層蒸着法において、酸素拡散防止層が形成された
状態を示す図である。
【図２７】 本発明の金属層形成方法の第２または第３
態様にかかる原子層蒸着法を用いて半導体素子を形成す
る過程において、ポリシリコン膜が形成された状態を示
す図である。
【図２８】 本発明の金属層形成方法の第２または第３
態様にかかる原子層蒸着法を用いて半導体素子を形成す
る過程において、上部電極が形成された状態を示す図で
ある。
【符号の説明】
１０４、６０１ 半導体基板 １１０、２１０、３１０、６０３ 絶縁層 １１２、２１２、３１２、６０５ ポリシリコン膜 １１４、２１６、６０７ 障壁金属層 １１６、２１４、３１４、６０９ 下部電極 １１８、２１８、３１８、６１１ 誘電膜 １２０、２２０、３２０、６１３ 上部電極 ４０１、５０１、 金属層 ４０３、５０３ 酸素拡散防止層 ５０５ 物質層
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/822 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４４Ｃ 27/105 ６２１Ｃ 27/108 21/8242 (72)発明者 蔡 允 淑 大韓民国京畿道水原市八達区牛満２洞 牛 満住公アパート208棟504号 (72)発明者 全 麟 相 大韓民国京畿道水原市八達区仁渓洞371− １番地 三星アパート103棟1708号 (72)発明者 崔 吉 鉉 大韓民国京畿道城南市盆唐区盆唐洞セッビ ョルマウル 友邦アパート302棟602号

Claims (36)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上に反応性金属Ａ、窒素Ｎ、
    並びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶化を防止する
    ためのアルミニウムＢの各ソースガスを注入して前記半
    導体基板上に前記ソースガスを化学吸着させることによ
    って複数の原子層を積層させるＡ−Ｂ−Ｎ構造の金属層
    形成方法であって、 前記各ソースガスをパルス形態で交互に注入することに
    よって各原子層が交互に積層されるようにし、前記各ソ
    ースガスの注入回数を調節して前記金属層の組成比を調
    節することを特徴とする原子層蒸着法を利用した金属層
    形成方法。
  2. 【請求項２】 前記反応性金属はチタン、タンタル、タ
    ングステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン及
    びニオブからなる群より選択されることを特徴とする請
    求項１に記載の原子層蒸着法を利用した金属層形成方
    法。
  3. 【請求項３】 前記アルミニウムのソースガスの注入回
    数を調節することによって前記金属層の電気伝導度及び
    抵抗を調節することを特徴とする請求項１または２に記
    載の原子層蒸着法を利用した金属層形成方法。
  4. 【請求項４】 前記金属層は、アルミニウムの含有量が
    １０〜３５原子％であるＴｉＡｌＮ層であることを特徴
    とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子層蒸着
    法を利用した金属層形成方法。
  5. 【請求項５】 前記反応性金属はチタンであり、該チタ
    ンのソースガスはＴｉＣｌ4、ＴＤＭＡＴ及びＴＤＥＡ
    Ｔからなる群より選択されることを特徴とする請求項１
    〜４のいずれか１項に記載の原子層蒸着法を利用した金
    属層形成方法。
  6. 【請求項６】 前記アルミニウムのソースガスは、ＴＭ
    Ａ、ＴＥＡ、ＴＩＢＡ及びＡｌＣｌｘからなる群より選
    択されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項
    に記載の原子層蒸着法を利用した金属層形成方法。
  7. 【請求項７】 前記窒素のソースガスは、Ｎ2またはＮ
    Ｈ3であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１
    項に記載の原子層蒸着法を利用した金属層形成方法。
  8. 【請求項８】 前記ソースガスをパージするためのパー
    ジガスは、前記金属層形成中、連続的に注入されること
    を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の原子
    層蒸着法を利用した金属層形成方法。
  9. 【請求項９】 前記ソースガスをパージするためのパー
    ジガスは、前記金属層形成中、前記ソースガスが注入さ
    れない時に注入されるようにパルス形態で注入されるこ
    とを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の原
    子層蒸着法を利用した金属層形成方法。
  10. 【請求項１０】 半導体基板上に、コンタクトホールを
    備えた絶縁膜と、前記コンタクトホールの底面上に形成
    された導電性物質膜と、前記コンタクトホール内部の導
    電性物質膜上部に形成された下部電極と、前記下部電極
    上に形成された高誘電膜と、前記高誘電膜上部に形成さ
    れた上部電極とを含むキャパシタを備えた半導体素子で
    あって、 前記コンタクトホール内部の導電性物質膜と前記下部電
    極との間に、反応性金属Ａからなる原子層、窒素Ｎから
    なる原子層、並びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶
    化を防止するためのアルミニウムＢからなる原子層が原
    子層蒸着法によって交互に積層されたＡ−Ｂ−Ｎ構造の
    障壁金属層を備えてなり、前記障壁金属層の組成比は前
    記各原子層の積層回数によって調節されてなることを特
    徴とする半導体素子。
  11. 【請求項１１】 前記反応性金属は、チタン、タンタ
    ル、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブ
    デン及びニオブからなる群より選択されることを特徴と
    する請求項１０に記載の半導体素子。
  12. 【請求項１２】 前記アルミニウムからなる原子層の積
    層回数を調節することによって前記障壁金属層の電気伝
    導度及び抵抗が調節されてなることを特徴とする請求項
    １０または１１に記載の半導体素子。
  13. 【請求項１３】 前記障壁金属層がＴｉＡｌＮであっ
    て、アルミニウムの組成比を大きくすることにより、前
    記障壁金属層の比抵抗が増加されてなることを特徴とす
    る請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の半導体素
    子。
  14. 【請求項１４】 前記障壁金属層がＴｉＡｌＮであっ
    て、前記障壁金属層中のアルミニウムの含有量は１０〜
    ３５原子％であることを特徴とする請求項１０〜１３の
    いずれか１項に記載の半導体素子。
  15. 【請求項１５】 半導体基板上部に形成された下部電極
    と、前記下部電極上に形成された高誘電膜と、前記高誘
    電膜上に形成された上部電極とを備えたキャパシタを含
    む半導体素子であって、 前記下部電極は、反応性金属Ａからなる原子層、窒素Ｎ
    からなる原子層、並びに前記反応性金属及び前記窒素の
    結晶化を防止するための非晶質結合用元素Ｂからなる原
    子層が原子層蒸着法によって交互に積層されたＡ−Ｂ−
    Ｎ構造の窒素化合物からなり、前記下部電極の組成比は
    前記各原子層の積層回数によって調節されてなることを
    特徴とする半導体素子。
  16. 【請求項１６】 前記上部電極は、反応性金属Ａからな
    る原子層、窒素Ｎからなる原子層、並びに前記反応性金
    属及び前記窒素の結晶化を防止するための非晶質結合用
    元素Ｂからなる原子層が原子層蒸着法によって交互に積
    層されたＡ−Ｂ−Ｎ構造の窒素化合物からなり、前記上
    部電極の組成比は前記各原子層の積層回数によって調節
    されてなることを特徴とする請求項１５に記載の半導体
    素子。
  17. 【請求項１７】 前記反応性金属はチタン、タンタル、
    タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン
    及びニオブからなる群より選択されることを特徴とする
    請求項１５または１６に記載の半導体素子。
  18. 【請求項１８】 前記反応性金属及び前記窒素の結晶化
    を防止するための非晶質結合用元素Ｂは、ケイ素または
    ホウ素であることを特徴とする請求項１５〜１７のいず
    れか１項に記載の半導体素子。
  19. 【請求項１９】 前記反応性金属及び前記窒素の結晶化
    を防止するための非晶質結合用元素はアルミニウムであ
    ることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれか１項に
    記載の半導体素子。
  20. 【請求項２０】 前記非晶質結合用元素からなる原子層
    の積層回数を調節することによって前記下部電極の電気
    伝導度及び抵抗が決定されてなることを特徴とする請求
    項１５〜１９のいずれか１項に記載の半導体素子。
  21. 【請求項２１】 半導体基板上に反応性金属Ａ、窒素
    Ｎ、並びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶化を防止
    するための非晶質結合用元素Ｂの各ソースガスをパルス
    形態で交互に供給して前記半導体基板上に化学吸着させ
    る際に、前記各ソースガスの注入回数を調節しすること
    によって組成比が調節されたＡ−Ｂ−Ｎ構造の金属層を
    形成する段階と、前記金属層上に酸素拡散防止層を形成
    する段階と、前記金属層を形成する段階及び前記酸素拡
    散防止層を形成する段階を繰り返して前記金属層及び酸
    素拡散防止層が複数回積層された多重金属層を形成する
    段階とを含んでなることを特徴とする原子層蒸着法を利
    用した金属層形成方法。
  22. 【請求項２２】 前記酸素拡散防止層は、前記金属層が
    形成された半導体基板上に金属元素及び酸素のソースガ
    スをパルス形態で交互に供給して形成することを特徴と
    する請求項２１に記載の原子層蒸着法を利用した金属層
    形成方法。
  23. 【請求項２３】 前記酸素拡散防止層を形成する段階
    は、原子層蒸着法により前記金属層上に酸素が含まれた
    物質層を形成する段階と、前記金属層及び物質層が形成
    された半導体基板を熱処理する段階とを含むことを特徴
    とする請求項２１に記載の原子層蒸着法を利用した金属
    層形成方法。
  24. 【請求項２４】 前記反応性金属Ａはチタン、タンタ
    ル、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブ
    デン及びニオブからなる群より選択されることを特徴と
    する請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の原子層蒸
    着法を利用した金属層形成方法。
  25. 【請求項２５】 前記非晶質結合用元素は、アルミニウ
    ム、ケイ素及びホウ素からなる群より選択されることを
    特徴とする請求項２１〜２４のいずれか１項に記載の原
    子層蒸着法を利用した金属層形成方法。
  26. 【請求項２６】 前記非晶質結合用元素のソースガスの
    注入回数を調節することによって前記金属層の電気伝導
    度及び抵抗を調節することを特徴とする請求項２１〜２
    ５のいずれか１項に記載の原子層蒸着法を利用した金属
    層形成方法。
  27. 【請求項２７】 前記反応性金属がチタンであって、該
    チタンのソースガスは、ＴｉＣｌ4、ＴＤＭＡＴ及びＴ
    ＤＥＡＴからなる群より選択されることを特徴とする請
    求項２１〜２６のいずれか１項に記載の原子層蒸着法を
    利用した金属層形成方法。
  28. 【請求項２８】 前記非晶質結合用元素がアルミニウム
    であって、該アルミニウムのソースガスは、ＴＭＡ、Ｔ
    ＥＡ、ＴＩＢＡ及びＡｌＣｌｘからなる群より選択され
    ることを特徴とする請求項２１〜２７のいずれか１項に
    記載の原子層蒸着法を利用した金属層形成方法。
  29. 【請求項２９】 前記窒素のソースガスとしてＮ2また
    はＮＨ3を用いることを特徴とする請求項２１〜２８の
    いずれか１項に記載の原子層蒸着法を利用した金属層形
    成方法。
  30. 【請求項３０】 前記酸素拡散防止層は、アルミニウム
    酸化膜で形成することを特徴とする請求項２１〜２９の
    いずれか１項に記載の原子層蒸着法を利用した金属層形
    成方法。
  31. 【請求項３１】 半導体基板上にコンタクトホールを備
    えた絶縁膜と、前記コンタクトホールの底面上に形成さ
    れた導電性物質膜と、前記コンタクトホール内部の導電
    性物質膜上部に形成された下部電極と、前記下部電極上
    に形成された高誘電膜と、前記高誘電膜上部に形成され
    た上部電極とを含むキャパシタを備えた半導体素子であ
    って、 前記コンタクトホール内部の導電性物質膜と前記下部電
    極との間に、反応性金属Ａからなる原子層、窒素Ｎから
    なる原子層、並びに前記反応性金属及び前記窒素の結晶
    化を防止するための非晶質結合用元素Ｂからなる原子層
    が原子層蒸着法によって交互に積層されたＡ−Ｂ−Ｎ構
    造の金属層と、酸素拡散防止層とが複数回積層された障
    壁金属層が形成されてなることを特徴とする半導体素
    子。
  32. 【請求項３２】 前記酸素拡散防止層上に酸素が含まれ
    た物質層がさらに形成されてなることを特徴とする請求
    項３１に記載の半導体素子。
  33. 【請求項３３】 前記反応性金属は、チタン、タンタ
    ル、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブ
    デン及びニオブからなる群より選択されることを特徴と
    する請求項３１または３２に記載の半導体素子。
  34. 【請求項３４】 前記非晶質結合用元素は、アルミニウ
    ム、ケイ素及びホウ素からなる群より選択されることを
    特徴とする請求項３１〜３３のいずれか１項に記載の半
    導体素子。
  35. 【請求項３５】 前記非晶質結合用元素による原子層の
    積層回数の比率によって前記障壁金属層の電気伝導度及
    び抵抗が調節されてなることを特徴とする請求項３１〜
    ３４のいずれか１項に記載の半導体素子。
  36. 【請求項３６】 前記酸素拡散防止層は、アルミニウム
    酸化膜であることを特徴とする請求項３１〜３５のいず
    れか１項に記載の半導体素子。
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