JP2004006929A

JP2004006929A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2004006929A
Application number: JP2003191583A
Authority: JP
Inventors: Tomio Iwasaki; 岩▲崎▼　富生; Hiroyuki Ota; 太田　裕之; Isamu Asano; 浅野　勇; Yuzuru Oji; 大路　譲; Yoshitaka Nakamura; 中村　吉孝
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: JP4622213B2

Abstract

【課題】信頼性の高い半導体装置を提供する。また、歩留りの高い半導体装置を提供する。また、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。
【解決手段】シリコン（Ｓｉ）基板の一主面側に、導電性膜と、該導電性膜に接触する第一電極と、該第一電極に接触する高誘電率あるいは強誘電性の酸化物膜と、該酸化物膜に接触する第二電極が，この順序で形成されている情報蓄積用容量素子を備えた半導体装置において、酸素の拡散通路を狭める元素を前記導電性膜に含有させる。
【選択図】図１

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（Ｔａ_２Ｏ_５）、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（Ｂａ_ｘＳｒ_ｙＴｉ_ｓＯ_ｔ：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（Ｐｂ_ｘＺｒ_ｙＴｉ_ｓＯ_ｔ：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（Ｒｕ_ｘＯ_ｙ）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（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）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（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）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。
【０００９】
本願発明の課題は、例えば、半導体基板と、半導体基板の一主面側に形成された主構成材料が窒化チタンであり、少なくともシリコン、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する導電性膜（以下、バリア層ともいう）と、導電性膜に接するように形成された第一電極（以下、容量下部電極ともいう）と、第一電極に接するように形成された高誘電率または強誘電性の酸化物膜と、酸化膜に接するように形成された第二電極（以下、容量上部電極ともいう）とを備えた半導体装置により解決される。
【００１０】
このように構成すれば、バリア層における酸素原子の拡散係数を低くすることができるためバリア膜の酸化防止ができ、半導体装置の導通不良が防止できる。
【００１１】
なお、主構成材料に対する添加元素の含有率は０．０５ａｔ．％　以上１８ａｔ．％以下であることが望ましい。
【００１２】
また、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、少なくともシリコン、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た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。
【００１４】
また、本願発明の課題は、例えば、シリコン基板の一主面側に、導電性膜と、該導電性膜に接触する第一電極と、該第一電極に接触する高誘電率あるいは強誘電性の酸化物膜と、該酸化物膜に接触する第二電極を、この順に積層して形成する工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記導電性膜の製造工程が、窒化チタンを成膜する工程と、シリコン、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膜を成膜する工程と、基板温度を２００℃以上に上げる熱処理工程とがこの順に行われる工程を備えた半導体装置の製造方法により解決される。
【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（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）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（Ｗ_ｘＮ_ｙ）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（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）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、Ｄ_ＧＢ０は添加元素を含有しない場合の粒界拡散係数を示す。Ｄ_ＩＮ０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（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）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（Ｗ_ｘＮ_ｙ）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、Ｄ_ＧＢ０は添加元素を含有しない場合の粒界拡散係数を示す。Ｄ_ＩＮ０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（Ｗ_ｘＮ_ｙ）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、Ｄ_ＧＢ０は添加元素を含有しない場合の粒界拡散係数を示す。Ｄ_ＩＮ０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（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）である場合には、ルテニウム（Ｒｕ）と窒化チタン（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）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（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）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（Ｗ_ｘＮ_ｙ）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（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）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１５ａ、バリア膜１５ｂ、多結晶シリコン膜１５ｃ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１５ｂの主構成材料が窒化チタン（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）である場合、このバリア膜１５ｂ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１５ｂの主構成材料が窒化タングステン（Ｗ_ｘＮ_ｙ）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１５ｂの主構成材料がルテニウム（Ｒｕ）である場合、このバリア膜１５ｂ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１５ｂが酸化されにくくなるという効果が得られる。金属膜１５ａ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（Ｗ_ｘＮ_ｙ）をバリア膜１５ｂ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１５ａ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１５ｂ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（Ｔｉ_ｘＮ_ｙ）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。

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の一主面側に形成された主構成材料が窒化チタンであり、少なくともシリコン、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する導電性膜と、
前記導電性膜に接するように形成された第一電極と、
前記第一電極に接するように形成された高誘電率または強誘電性の酸化物膜と、
前記酸化膜に接するように形成された第二電極と
を備えた半導体装置。
請求項１において、前記第一電極の主構成材料がルテニウムまたは酸化ルテニウムである半導体装置。
請求項１または２において、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．％以下である半導体装置。
シリコン基板と、
前記シリコン基板の一主面側に形成された主構成材料が窒化チタンであり、少なくともシリコン、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、その含有量が前記主構成材料に対して０．０５ａｔ．％　以上１８ａｔ．％以下である導電性膜と、
前記導電性膜に接するように形成された主構成材料がルテニウムまたは酸化ルテニウムである第一電極と、
前記第一電極に接するように形成された主構成材料がチタン酸バリウムストロンチウムまたは酸化ルテニウムである酸化物膜と、
前記酸化膜に接するように形成された第二電極と
を備えた半導体装置。
シリコン基板と、
前記シリコン基板の一主面側に形成された主構成材料が窒化タングステンであり、モリブデンを添加元素として含有し、その含有量が前記主構成材料に対して０．０５ａｔ．％　以上１８ａｔ．％以下である導電性膜と、
前記導電性膜に接するように形成された主構成材料がルテニウムまたは酸化ルテニウムである第一電極と、
前記第一電極に接するように形成された主構成材料がチタン酸バリウムストロンチウムまたは酸化ルテニウムである酸化物膜と、
前記酸化膜に接するように形成された第二電極と
を備えた半導体装置。
シリコン基板と、
前記シリコン基板の一主面側に形成された主構成材料がルテニウムであり、少なくともシリコン、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、その含有量が前記主構成材料に対して０．０５ａｔ．％　以上１８ａｔ．％以下である導電性膜と、
前記導電性膜に接するように形成された主構成材料がルテニウムまたは酸化ルテニウムである第一電極と、
前記第一電極に接するように形成された主構成材料がチタン酸バリウムストロンチウムまたは酸化ルテニウムである酸化物膜と、
前記酸化膜に接するように形成された第二電極と
を備えた半導体装置。
シリコン基板と、
前記シリコン基板の一主面側に形成された主構成材料が窒化チタンであり、少なくともシリコン、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、その含有量が前記主構成材料に対して０．０５ａｔ．％　以上１８ａｔ．％以下である導電性膜と、
前記導電性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り、少なくともシリコン、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、その含有量が前記主構成材料に対して０．０５ａｔ．％　以上１８ａｔ．％以下である第一電極と、
前記第一電極に接するように形成された主構成材料がチタン酸バリウムストロンチウムまたは酸化ルテニウムである酸化物膜と、
前記酸化膜に接するように形成された第二電極と
を備えた半導体装置。
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、少なくともシリコン、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
を備えた半導体装置。
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た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
を備えた半導体装置。
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ルテニウムであり、少なくともシリコン、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た半導体装置。
請求項９乃至１０の何れかにおいて、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．％以下である半導体装置。
シリコン基板の一主面側に、導電性膜と、該導電性膜に接触する第一電極と、該第一電極に接触する高誘電率あるいは強誘電性の酸化物膜と、該酸化物膜に接触する第二電極を、この順に積層して形成する工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記導電性膜の製造工程が、窒化チタンを成膜する工程と、シリコン、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膜を成膜する工程と、基板温度を２００℃以上に上げる熱処理工程とがこの順に行われる工程を備えた半導体装置の製造方法。