JP2004119832A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】特性や信頼性に優れたキャパシタを備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板10と、半導体基板の上方に設けられ、金属性を有する下部電極31と、金属性を有する上部電極33と、下部電極と上部電極との間に設けられた誘電体領域32とを含むキャパシタとを備えた半導体装置であって、誘電体領域は、シリコンと酸素とハフニウム及びジルコニウムの中から選択された少なくとも一つの元素とを含有する第1の誘電体膜を含む。
【選択図】 図1
【解決手段】半導体基板10と、半導体基板の上方に設けられ、金属性を有する下部電極31と、金属性を有する上部電極33と、下部電極と上部電極との間に設けられた誘電体領域32とを含むキャパシタとを備えた半導体装置であって、誘電体領域は、シリコンと酸素とハフニウム及びジルコニウムの中から選択された少なくとも一つの元素とを含有する第1の誘電体膜を含む。
【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、特にキャパシタを有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、RF回路等のアナログ回路とCMOS回路等のロジック回路を同一チップ内に集積化したLSIが検討されている。このようなアナログ回路とロジック回路にはいずれも、トランジスタの他にキャパシタが含まれている。したがって、アナログ回路とロジック回路を同一チップ内に集積化するためには、それぞれの回路に要求されるキャパシタ特性を同時に満たすことが必要になる。
【0003】
このような要求に対し、金属電極間に誘電体膜(絶縁膜)を挟んだMIM(Metal−Insulator−Metal)キャパシタが提案されている。このMIMキャパシタは、電極材料にポリシリコン等の半導体を用いたキャパシタに比べて、金属電極を用いるため高いQ値を得ることができる等のメリットがある。また、誘電体膜にSiO2 やSiNよりも誘電率の高い材料を用いることで、電気容量を高めることが可能である。
【0004】
従来技術として、特許文献1には、キャパシタの誘電体領域として複数の誘電体膜を設けた構造が開示されている。誘電体膜としては、ZrO2 膜やTa2O5膜等が開示されている。
【0005】
特許文献2には、電極と誘電体膜との間に拡散バリア層を設けたキャパシタが開示されている。電極としてはチタン窒化物等が、誘電体膜としてはタンタル酸化物やジルコニウム酸化物等が、拡散バリア層としてはジルコニウム窒化物やジルコニウム炭化物等が記載されている。
【0006】
特許文献3には、複数の誘電体膜を有する多層誘電体スタックが開示されている。誘電体膜としては、ZrO2 膜、HfO2 膜及びTa2O5 膜等が開示されている。
【0007】
しかしながら、誘電体膜としてZrO2 膜、HfO2 膜或いはTa2O5 膜を用いた場合、以下に述べるように、リーク電流が大きいといった問題や、電気容量の変動が大きいといった問題が生じ得る。
【0008】
例えば、MIMキャパシタの電極には、拡散バリア性や平滑性に優れたTiN膜やWN膜等の金属窒化物膜が用いられることが多い。しかしながら、このような金属窒化物膜を電極として用いた場合、Ta2O5 膜(誘電体膜)と金属窒化物膜(電極)との界面において金属窒化物膜の酸化反応が生じやすい。その結果、誘電体膜に酸素欠損が生じ、リーク電流増大の原因になる。この界面反応は、成膜時には無視できる程度の大きさであるが、その後の熱工程において加速される。したがって、素子の高温動作を保証する上で大きな問題となる。
【0009】
また、誘電体膜としてZrO2 膜或いはHfO2 膜を用いた場合には、リーク電流の抑制は可能であるが、電気容量の電圧依存性や温度依存性が高いため、電気容量の変動が大きいという問題が生じ得る。
【0010】
【特許文献1】
特開2000−183289号公報
【0011】
【特許文献2】
特開2000−208720号公報
【0012】
【特許文献3】
特開2001−267566号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のキャパシタは、リーク電流が大きいといった問題や、電気容量の変動が大きいといった問題があった。したがって、従来は、特性や信頼性に優れたキャパシタを備えた半導体装置を得ることが困難であった。
【0014】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、特性や信頼性に優れたキャパシタを備えた半導体装置を提供することを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に設けられ、金属性を有する下部電極と、金属性を有する上部電極と、前記下部電極と上部電極との間に設けられた誘電体領域とを含むキャパシタと、を備えた半導体装置であって、前記誘電体領域は、シリコンと酸素とハフニウム及びジルコニウムの中から選択された少なくとも一つの元素とを含有する第1の誘電体膜を含むことを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【0017】
(基本構成)
まず、本発明の実施形態に係る半導体装置の基本的な構成について、図1及び図2を参照して説明する。
【0018】
図1は、本実施形態に係る半導体装置の全体的な構成例を模式的に示した断面図である。
【0019】
図1に示した半導体装置は、半導体基板10と、半導体基板10上に設けられた中間領域20と、中間領域20上に設けられたキャパシタ30とを備えている。半導体基板10には例えばシリコン基板が用いられ、半導体基板10の表面部にはMISトランジスタ11等の能動素子が設けられている。中間領域20には層間絶縁膜の他、配線及びプラグ等が含まれる。キャパシタ30は、下部電極31、下部電極31上に設けられた誘電体領域32、及び誘電体領域32上に設けられた上部電極33によって形成されている。
【0020】
図2(a)〜図2(d)は、図1に示したキャパシタ30の構成例を模式的に示した断面図である。
【0021】
図2(a)に示した例は、誘電体領域32として、シリコンと酸素とハフニウム(Hf)及びジルコニウム(Zr)の少なくとも一方の元素とを含有する誘電体膜(第1の誘電体膜)32aを設けたものであり、誘電体膜32aの下面及び上面がそれぞれ下部電極31及び上部電極33に接触している。以下、ハフニウムを含有した膜をHfSiO2 膜(或いはHfSiO膜)、ジルコニウムを含有した膜をZrSiO2 膜(或いはZrSiO膜)、ハフニウム及びジルコニウムを含有した膜を(Hf,Zr)SiO2 膜(或いは(Hf,Zr)SiO膜)と表す。誘電体膜32aには、さらに窒素が含有されていてもよく、この場合には、HfSiON膜、ZrSiON膜、(Hf,Zr)SiON膜と表す。なお、誘電体膜32aに含有されたシリコンの原子数をNSi、上記少なくとも一方の元素の原子数をNelとすると、NSi<Nel/2であることが望ましい。このようにシリコンの原子数の比率を設定することで、高い誘電率を有する誘電体膜を得ることが可能である。
【0022】
図2(b)に示した例は、誘電体領域32として、誘電体膜32a上に、誘電体膜32aとは異なる誘電体膜(第2の誘電体膜)32bを設けたものであり、誘電体膜32aの下面が下部電極31に接触している。誘電体膜32bには、誘電体膜32aよりも比誘電率が高い誘電体材料、特に比誘電率が20以上の誘電体材料を用いることが望ましい。例えば、誘電体膜32bとして、Ta2O5 膜やHfO2 膜等を用いることができる。
【0023】
図2(c)に示した例は、誘電体領域32として、誘電体膜32a下に誘電体膜32bを設けたものであり、誘電体膜32aの上面が上部電極33に接触している。
【0024】
図2(d)に示した例は、誘電体領域32として、誘電体膜32a上に誘電体膜32b、誘電体膜32b上に誘電体膜32c(第3の誘電体膜)を設けたものであり、誘電体膜32aの下面が下部電極31に、誘電体膜32cの上面が上部電極33に接触している。誘電体膜32cには、上述した誘電体膜32aと同様の誘電体材料を用いることができる。
【0025】
なお、上述した各例において、下部電極31及び上部電極33には、金属性を有する導電膜(金属伝導を示す導電膜)として、例えば金属窒化物膜(TiN膜、WN膜、TaN膜等)或いは金属窒化物膜と金属膜との積層膜を用いることができる。
【0026】
このように、本実施形態によれば、キャパシタの誘電体膜として、シリコンと酸素とハフニウム及びジルコニウムの少なくとも一方の元素とを含有する誘電体膜を設けている。このような構成により、誘電体膜と電極との界面における酸化還元反応が抑制され、リーク電流の低減をはかることができるとともに、電気容量の電圧依存性や温度依存性を低減することができ、電気容量の変動を抑制することができる。よって、特性や信頼性に優れたキャパシタを得ることが可能となる。また、上記誘電体膜にさらに窒素が含有されている場合には、誘電率を高めることが可能となるとともに、結晶化し難くなるためにリーク電流をより低減することが可能となる。また、Ta2O5 膜やHfO2 膜等の誘電体膜を組み合わせることで、誘電体領域全体の誘電率を高めることが可能であり、また誘電体領域全体の成膜速度の向上をはかることが可能となる。
【0027】
以下、本発明の具体的な実施形態として、実施形態1〜実施形態3について説明する。
【0028】
(実施形態1)
図3(a)〜図3(e)は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【0029】
まず、図3(a)に示すように、半導体基板(図示せず)上の層間絶縁膜21内にスルーホールを形成する。層間絶縁膜21内には、予め配線層が形成されていてもよい。続いて、全面にCu膜を堆積し、さらにCMP等によって平坦化処理を行う。これにより、スルーホールにCu膜が埋め込まれたプラグ22が形成される。続いて、全面に絶縁膜としてSiN膜23を形成する。このSiN膜23を設けることにより、後の熱処理工程においてCuの拡散を防止することが可能である。
【0030】
次に、図3(b)に示すように、下部電極膜31としてTiN膜をスパッタリングによって形成する。続いて、下部電極膜31上に誘電体膜(誘電体領域)32を厚さ50nm形成する。本例では、誘電体膜32としてHfSiO2 膜を用いた試料と、HfSiON膜を用いた試料を作製した。HfSiO2 膜を用いた試料は、酸素を含む雰囲気でのスパッタリングにより、HfSiON膜を用いた試料は、酸素及び窒素を含む雰囲気でのスパッタリングにより形成した。いずれの試料も、Hf:Si=8:2(原子数比)のターゲットを用いた。このターゲット中にはZrが500ppm含有されており、形成された膜中からも対応する比率のZrが検出された。また、HfSiON膜について、酸素と窒素の比率をオージェ電子分光法で評価した結果、O:N=8:2(原子数比)であった。続いて、誘電体膜32上に上部電極膜33としてTiN膜をスパッタリングによって形成する。
【0031】
次に、図3(c)に示すように、レジスト膜34を形成する。さらに、レジスト膜34をマスクとして、上部電極膜33をエッチングする。
【0032】
次に、図3(d)に示すように、レジスト膜35を形成する。さらに、レジスト膜35をマスクとして、誘電体膜32及び下部電極膜31をエッチングする。これにより、MIMキャパシタ構造が形成される。
【0033】
次に、図3(e)に示すように、MIMキャパシタ構造を層間絶縁膜41で覆う。続いて、層間絶縁膜41内にスルーホールを形成した後、全面にCu膜を堆積する。さらに、CMP等によって平坦化処理を行うことで、スルーホールにCu膜が埋め込まれたプラグ42及びプラグ43が形成される。プラグ42はキャパシタの電極に、プラグ43はプラグ22に接続されるものである。続いて、全面に絶縁膜としてSiN膜44を形成する。このSiN膜44を設けることにより、Cuの拡散が防止されるとともに、外部からの水分の侵入を防止することができる。
【0034】
以上の工程により、下部電極31、誘電体膜32及び上部電極33が積層されたキャパシタを有する半導体装置が得られる。
【0035】
以上のようにして得られたキャパシタの特性を測定した。その結果、誘電体膜32としてHfSiO2 膜を用いた試料では、リーク電流は±3Vまで10−10A/mm2 以下、電気容量は4.0fF/μm2 、電気容量の電圧変動は70ppm/V、25〜85℃における電気容量の温度変動は90ppm/℃であった。誘電体膜32としてHfSiON膜を用いた試料では、リーク電流は±3Vまで10−10A/mm2 以下、電気容量は4.2fF/μm2 、電気容量の電圧変動は60ppm/V、25〜85℃における電気容量の温度変動は80ppm/℃であった。HfSiON膜を用いた場合には、HfSiO2 膜を用いた場合よりも誘電率を向上させることが可能である。またNを加えることで、アニールを施しても結晶化し難くなるため、リーク電流の抑制に有効である。
【0036】
(比較例1)
比較例として、誘電体膜32としてHfO2 膜を用いた試料を作製した。HfO2 膜は、厚さ50nmであり、Hfターゲットを用いたスパッタリングにより形成した。誘電体膜32としてHfO2 膜を用いた以外は、第1の実施形態のキャパシタと同様である。
【0037】
キャパシタの特性を測定したところ、リーク電流は±3Vまで10−10A/mm2 以下、電気容量は4.5fF/μm2 であったが、電気容量の電圧変動は250ppm/V、25〜85℃における電気容量の温度変動は200ppm/℃であり、本実施形態に比べて特性が大きく劣っていた。
【0038】
(実施形態2)
本実施形態は、キャパシタの誘電体領域32を積層構造とするものである。誘電体領域32以外の基本的な構成及び製造工程については、第1の実施形態と同様である。キャパシタの基本的な構成は、図2(d)で示したものに対応している。すなわち、上層誘電体膜と下層誘電体膜との間に中間誘電体膜を挟んだ構造に対応している。
【0039】
誘電体領域32の上層誘電体膜及び下層誘電体膜に、HfSiO2 膜を用いた試料(試料A)、HfSiON膜を用いた試料(試料B)、ZrSiO2 膜を用いた試料(試料C)、及びZrSiON膜を用いた試料(試料D)を作製した。いずれの試料も、スパッタリングにより形成し、上層誘電体膜及び下層誘電体膜の厚さは5nmとした。試料A及び試料BについてはHf:Si=8:2のターゲットを、試料C及び試料DについてはZr:Si=6:4のターゲットを用いた。いずれの試料も、中間誘電体膜にはTa2O5 膜を用いた。Ta2O5 膜は、厚さ40nmであり、Taターゲットを用いたスパッタリング法によって形成した。また、いずれの試料も、上層誘電体膜、中間誘電体膜及び下層誘電体膜を、試料を大気に晒さずに連続的に形成した。なお、HfSiO2 膜、HfSiON膜、ZrSiO2 膜、ZrSiON膜及びTa2O5 膜の比誘電率はそれぞれ、18、20、16、18及び27である。
【0040】
作製した各試料(試料A〜試料D)について、キャパシタの特性を測定した。その結果、いずれの試料も、リーク電流は±3Vまで10−10A/mm2 以下であった。電気容量は、試料Aでは4.0fF/μm2 、試料Bでは4.2fF/μm2 、試料Cでは3.7fF/μm2 、試料Dでは3.9fF/μm2 であった。電気容量の電圧変動は、試料Aでは100ppm/V、試料Bでは80ppm/V、試料Cでは60ppm/V、試料Dでは40ppm/Vであった。25〜85℃における電気容量の温度変動は、試料Aでは80ppm/℃、試料Bでは90ppm/℃、試料Cでは45ppm/℃、試料Dでは38ppm/℃であった。
【0041】
(比較例2)
比較例として、誘電体領域32としてTa2O5 膜のみを用いた試料を作製した。Ta2O5 膜は、厚さ40nmであり、Taターゲットを用いたスパッタリングにより形成した。誘電体領域32としてTa2O5 膜を用いた以外は、第1の実施形態のキャパシタと同様である。
【0042】
キャパシタの特性を測定したところ、リーク電流は±3Vにおいて10−8A/mm2 程度、電気容量の電圧変動は480ppm/V、25〜85℃における電気容量の温度変動は200ppm/℃であり、本実施形態に比べて特性が大きく劣っていた。
【0043】
(実施形態3)
図4(a)〜図4(e)は、第3の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【0044】
まず、図4(a)に示すように、半導体基板(図示せず)上の層間絶縁膜21内にスルーホールを形成する。層間絶縁膜21内には、予め配線層が形成されていてもよい。続いて、全面にW膜を堆積し、さらにCMP等によって平坦化処理を行う。これにより、スルーホールにW膜が埋め込まれたプラグ22が形成される。
【0045】
次に、図4(b)に示すように、下部電極膜31として、TiN膜/Ti膜/TiN膜の積層膜をスパッタリングによって連続的に形成する。続いて、下部電極膜31上に誘電体膜(誘電体領域)32を、以下のようにして形成する。まず、下部電極膜31上に、Hf(OBu)4 及びSi(OEt)4 を用いた有機溶剤(Hf:Si=5:1)をスピン塗布する。続いて、O2 存在下で励起波長172nmの光を用いてUV−O3 処理を行う。その後、酸素雰囲気中で400℃の熱処理を行うことで、厚さ8nmのHfSiO2 膜を形成する。これらの塗布工程、UV−O3 処理工程及び熱処理工程を3回繰り返し、総厚24nmの誘電体膜(HfSiO2 膜)32を形成する。X線回折により、結晶性を確認したところ、HfSiO2 膜はアモルファスであった。続いて、上部電極膜33として、TiN膜/Ti膜/TiN膜の積層膜をスパッタリングによって連続的に形成する。
【0046】
次に、図4(c)に示すように、レジスト膜34を形成する。さらに、レジスト膜34をマスクとして、上部電極膜33をエッチングする。
【0047】
次に、図4(d)に示すように、レジスト膜35を形成する。さらに、レジスト膜35をマスクとして、誘電体膜32及び下部電極膜31をエッチングする。
【0048】
次に、図4(e)に示すように、レジスト膜35を除去することで、下部電極31、誘電体膜32及び上部電極33が積層されたMIMキャパシタ構造が形成される。その後の工程は、図示しないが、MIMキャパシタ構造を覆う層間絶縁膜の形成工程、スルーホールの形成工程、スルーホール内へのAlプラグの形成工程等を行う。
【0049】
以上のようにして得られたキャパシタの特性を測定したところ、リーク電流は±3Vまで10−10A/mm2 以下、電気容量は7.0fF/μm2 、電気容量の電圧変動は80ppm/V、25〜85℃における電気容量の温度変動は100ppm/℃であった。このように、キャパシタの誘電体膜に塗布膜を用いた場合にも、第1及び第2の実施形態と同様、特性に優れたキャパシタを得ることが可能である。
【0050】
また、塗布膜の原料(Hf(OBu)4 及びSi(OEt)4 を用いた有機溶剤)に含まれるHfとSiの比率(Hf:Si)を変えた試料も作製した。Siの量が相対的に増加するとともに誘電体膜の誘電率は下がり、Hf:Si=5:5の試料では比誘電率が10以下であった。したがって、ある程度以上の誘電率を持った誘電体膜を得るためには、誘電体膜に含有されたSi原子数の比率をある程度小さくすることが望ましい。
【0051】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【0052】
【発明の効果】
本発明によれば、リーク電流や電気容量変動を抑制することができ、特性や信頼性に優れたキャパシタを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る半導体装置の全体的な構成例を模式的に示した断面図である。
【図2】図1に示したキャパシタの構成例を模式的に示した断面図である。
【図3】本発明の第1及び第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図4】本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
10…半導体基板
11…MISトランジスタ
20…中間領域
21、41…層間絶縁膜
22、42、43…プラグ
23、44…SiN膜
30…キャパシタ
31…下部電極
32…誘電体領域
32a、32b、32c…誘電体膜
33…上部電極
34、35…レジスト膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、特にキャパシタを有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、RF回路等のアナログ回路とCMOS回路等のロジック回路を同一チップ内に集積化したLSIが検討されている。このようなアナログ回路とロジック回路にはいずれも、トランジスタの他にキャパシタが含まれている。したがって、アナログ回路とロジック回路を同一チップ内に集積化するためには、それぞれの回路に要求されるキャパシタ特性を同時に満たすことが必要になる。
【0003】
このような要求に対し、金属電極間に誘電体膜(絶縁膜)を挟んだMIM(Metal−Insulator−Metal)キャパシタが提案されている。このMIMキャパシタは、電極材料にポリシリコン等の半導体を用いたキャパシタに比べて、金属電極を用いるため高いQ値を得ることができる等のメリットがある。また、誘電体膜にSiO2 やSiNよりも誘電率の高い材料を用いることで、電気容量を高めることが可能である。
【0004】
従来技術として、特許文献1には、キャパシタの誘電体領域として複数の誘電体膜を設けた構造が開示されている。誘電体膜としては、ZrO2 膜やTa2O5膜等が開示されている。
【0005】
特許文献2には、電極と誘電体膜との間に拡散バリア層を設けたキャパシタが開示されている。電極としてはチタン窒化物等が、誘電体膜としてはタンタル酸化物やジルコニウム酸化物等が、拡散バリア層としてはジルコニウム窒化物やジルコニウム炭化物等が記載されている。
【0006】
特許文献3には、複数の誘電体膜を有する多層誘電体スタックが開示されている。誘電体膜としては、ZrO2 膜、HfO2 膜及びTa2O5 膜等が開示されている。
【0007】
しかしながら、誘電体膜としてZrO2 膜、HfO2 膜或いはTa2O5 膜を用いた場合、以下に述べるように、リーク電流が大きいといった問題や、電気容量の変動が大きいといった問題が生じ得る。
【0008】
例えば、MIMキャパシタの電極には、拡散バリア性や平滑性に優れたTiN膜やWN膜等の金属窒化物膜が用いられることが多い。しかしながら、このような金属窒化物膜を電極として用いた場合、Ta2O5 膜(誘電体膜)と金属窒化物膜(電極)との界面において金属窒化物膜の酸化反応が生じやすい。その結果、誘電体膜に酸素欠損が生じ、リーク電流増大の原因になる。この界面反応は、成膜時には無視できる程度の大きさであるが、その後の熱工程において加速される。したがって、素子の高温動作を保証する上で大きな問題となる。
【0009】
また、誘電体膜としてZrO2 膜或いはHfO2 膜を用いた場合には、リーク電流の抑制は可能であるが、電気容量の電圧依存性や温度依存性が高いため、電気容量の変動が大きいという問題が生じ得る。
【0010】
【特許文献1】
特開2000−183289号公報
【0011】
【特許文献2】
特開2000−208720号公報
【0012】
【特許文献3】
特開2001−267566号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のキャパシタは、リーク電流が大きいといった問題や、電気容量の変動が大きいといった問題があった。したがって、従来は、特性や信頼性に優れたキャパシタを備えた半導体装置を得ることが困難であった。
【0014】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、特性や信頼性に優れたキャパシタを備えた半導体装置を提供することを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に設けられ、金属性を有する下部電極と、金属性を有する上部電極と、前記下部電極と上部電極との間に設けられた誘電体領域とを含むキャパシタと、を備えた半導体装置であって、前記誘電体領域は、シリコンと酸素とハフニウム及びジルコニウムの中から選択された少なくとも一つの元素とを含有する第1の誘電体膜を含むことを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【0017】
(基本構成)
まず、本発明の実施形態に係る半導体装置の基本的な構成について、図1及び図2を参照して説明する。
【0018】
図1は、本実施形態に係る半導体装置の全体的な構成例を模式的に示した断面図である。
【0019】
図1に示した半導体装置は、半導体基板10と、半導体基板10上に設けられた中間領域20と、中間領域20上に設けられたキャパシタ30とを備えている。半導体基板10には例えばシリコン基板が用いられ、半導体基板10の表面部にはMISトランジスタ11等の能動素子が設けられている。中間領域20には層間絶縁膜の他、配線及びプラグ等が含まれる。キャパシタ30は、下部電極31、下部電極31上に設けられた誘電体領域32、及び誘電体領域32上に設けられた上部電極33によって形成されている。
【0020】
図2(a)〜図2(d)は、図1に示したキャパシタ30の構成例を模式的に示した断面図である。
【0021】
図2(a)に示した例は、誘電体領域32として、シリコンと酸素とハフニウム(Hf)及びジルコニウム(Zr)の少なくとも一方の元素とを含有する誘電体膜(第1の誘電体膜)32aを設けたものであり、誘電体膜32aの下面及び上面がそれぞれ下部電極31及び上部電極33に接触している。以下、ハフニウムを含有した膜をHfSiO2 膜(或いはHfSiO膜)、ジルコニウムを含有した膜をZrSiO2 膜(或いはZrSiO膜)、ハフニウム及びジルコニウムを含有した膜を(Hf,Zr)SiO2 膜(或いは(Hf,Zr)SiO膜)と表す。誘電体膜32aには、さらに窒素が含有されていてもよく、この場合には、HfSiON膜、ZrSiON膜、(Hf,Zr)SiON膜と表す。なお、誘電体膜32aに含有されたシリコンの原子数をNSi、上記少なくとも一方の元素の原子数をNelとすると、NSi<Nel/2であることが望ましい。このようにシリコンの原子数の比率を設定することで、高い誘電率を有する誘電体膜を得ることが可能である。
【0022】
図2(b)に示した例は、誘電体領域32として、誘電体膜32a上に、誘電体膜32aとは異なる誘電体膜(第2の誘電体膜)32bを設けたものであり、誘電体膜32aの下面が下部電極31に接触している。誘電体膜32bには、誘電体膜32aよりも比誘電率が高い誘電体材料、特に比誘電率が20以上の誘電体材料を用いることが望ましい。例えば、誘電体膜32bとして、Ta2O5 膜やHfO2 膜等を用いることができる。
【0023】
図2(c)に示した例は、誘電体領域32として、誘電体膜32a下に誘電体膜32bを設けたものであり、誘電体膜32aの上面が上部電極33に接触している。
【0024】
図2(d)に示した例は、誘電体領域32として、誘電体膜32a上に誘電体膜32b、誘電体膜32b上に誘電体膜32c(第3の誘電体膜)を設けたものであり、誘電体膜32aの下面が下部電極31に、誘電体膜32cの上面が上部電極33に接触している。誘電体膜32cには、上述した誘電体膜32aと同様の誘電体材料を用いることができる。
【0025】
なお、上述した各例において、下部電極31及び上部電極33には、金属性を有する導電膜(金属伝導を示す導電膜)として、例えば金属窒化物膜(TiN膜、WN膜、TaN膜等)或いは金属窒化物膜と金属膜との積層膜を用いることができる。
【0026】
このように、本実施形態によれば、キャパシタの誘電体膜として、シリコンと酸素とハフニウム及びジルコニウムの少なくとも一方の元素とを含有する誘電体膜を設けている。このような構成により、誘電体膜と電極との界面における酸化還元反応が抑制され、リーク電流の低減をはかることができるとともに、電気容量の電圧依存性や温度依存性を低減することができ、電気容量の変動を抑制することができる。よって、特性や信頼性に優れたキャパシタを得ることが可能となる。また、上記誘電体膜にさらに窒素が含有されている場合には、誘電率を高めることが可能となるとともに、結晶化し難くなるためにリーク電流をより低減することが可能となる。また、Ta2O5 膜やHfO2 膜等の誘電体膜を組み合わせることで、誘電体領域全体の誘電率を高めることが可能であり、また誘電体領域全体の成膜速度の向上をはかることが可能となる。
【0027】
以下、本発明の具体的な実施形態として、実施形態1〜実施形態3について説明する。
【0028】
(実施形態1)
図3(a)〜図3(e)は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【0029】
まず、図3(a)に示すように、半導体基板(図示せず)上の層間絶縁膜21内にスルーホールを形成する。層間絶縁膜21内には、予め配線層が形成されていてもよい。続いて、全面にCu膜を堆積し、さらにCMP等によって平坦化処理を行う。これにより、スルーホールにCu膜が埋め込まれたプラグ22が形成される。続いて、全面に絶縁膜としてSiN膜23を形成する。このSiN膜23を設けることにより、後の熱処理工程においてCuの拡散を防止することが可能である。
【0030】
次に、図3(b)に示すように、下部電極膜31としてTiN膜をスパッタリングによって形成する。続いて、下部電極膜31上に誘電体膜(誘電体領域)32を厚さ50nm形成する。本例では、誘電体膜32としてHfSiO2 膜を用いた試料と、HfSiON膜を用いた試料を作製した。HfSiO2 膜を用いた試料は、酸素を含む雰囲気でのスパッタリングにより、HfSiON膜を用いた試料は、酸素及び窒素を含む雰囲気でのスパッタリングにより形成した。いずれの試料も、Hf:Si=8:2(原子数比)のターゲットを用いた。このターゲット中にはZrが500ppm含有されており、形成された膜中からも対応する比率のZrが検出された。また、HfSiON膜について、酸素と窒素の比率をオージェ電子分光法で評価した結果、O:N=8:2(原子数比)であった。続いて、誘電体膜32上に上部電極膜33としてTiN膜をスパッタリングによって形成する。
【0031】
次に、図3(c)に示すように、レジスト膜34を形成する。さらに、レジスト膜34をマスクとして、上部電極膜33をエッチングする。
【0032】
次に、図3(d)に示すように、レジスト膜35を形成する。さらに、レジスト膜35をマスクとして、誘電体膜32及び下部電極膜31をエッチングする。これにより、MIMキャパシタ構造が形成される。
【0033】
次に、図3(e)に示すように、MIMキャパシタ構造を層間絶縁膜41で覆う。続いて、層間絶縁膜41内にスルーホールを形成した後、全面にCu膜を堆積する。さらに、CMP等によって平坦化処理を行うことで、スルーホールにCu膜が埋め込まれたプラグ42及びプラグ43が形成される。プラグ42はキャパシタの電極に、プラグ43はプラグ22に接続されるものである。続いて、全面に絶縁膜としてSiN膜44を形成する。このSiN膜44を設けることにより、Cuの拡散が防止されるとともに、外部からの水分の侵入を防止することができる。
【0034】
以上の工程により、下部電極31、誘電体膜32及び上部電極33が積層されたキャパシタを有する半導体装置が得られる。
【0035】
以上のようにして得られたキャパシタの特性を測定した。その結果、誘電体膜32としてHfSiO2 膜を用いた試料では、リーク電流は±3Vまで10−10A/mm2 以下、電気容量は4.0fF/μm2 、電気容量の電圧変動は70ppm/V、25〜85℃における電気容量の温度変動は90ppm/℃であった。誘電体膜32としてHfSiON膜を用いた試料では、リーク電流は±3Vまで10−10A/mm2 以下、電気容量は4.2fF/μm2 、電気容量の電圧変動は60ppm/V、25〜85℃における電気容量の温度変動は80ppm/℃であった。HfSiON膜を用いた場合には、HfSiO2 膜を用いた場合よりも誘電率を向上させることが可能である。またNを加えることで、アニールを施しても結晶化し難くなるため、リーク電流の抑制に有効である。
【0036】
(比較例1)
比較例として、誘電体膜32としてHfO2 膜を用いた試料を作製した。HfO2 膜は、厚さ50nmであり、Hfターゲットを用いたスパッタリングにより形成した。誘電体膜32としてHfO2 膜を用いた以外は、第1の実施形態のキャパシタと同様である。
【0037】
キャパシタの特性を測定したところ、リーク電流は±3Vまで10−10A/mm2 以下、電気容量は4.5fF/μm2 であったが、電気容量の電圧変動は250ppm/V、25〜85℃における電気容量の温度変動は200ppm/℃であり、本実施形態に比べて特性が大きく劣っていた。
【0038】
(実施形態2)
本実施形態は、キャパシタの誘電体領域32を積層構造とするものである。誘電体領域32以外の基本的な構成及び製造工程については、第1の実施形態と同様である。キャパシタの基本的な構成は、図2(d)で示したものに対応している。すなわち、上層誘電体膜と下層誘電体膜との間に中間誘電体膜を挟んだ構造に対応している。
【0039】
誘電体領域32の上層誘電体膜及び下層誘電体膜に、HfSiO2 膜を用いた試料(試料A)、HfSiON膜を用いた試料(試料B)、ZrSiO2 膜を用いた試料(試料C)、及びZrSiON膜を用いた試料(試料D)を作製した。いずれの試料も、スパッタリングにより形成し、上層誘電体膜及び下層誘電体膜の厚さは5nmとした。試料A及び試料BについてはHf:Si=8:2のターゲットを、試料C及び試料DについてはZr:Si=6:4のターゲットを用いた。いずれの試料も、中間誘電体膜にはTa2O5 膜を用いた。Ta2O5 膜は、厚さ40nmであり、Taターゲットを用いたスパッタリング法によって形成した。また、いずれの試料も、上層誘電体膜、中間誘電体膜及び下層誘電体膜を、試料を大気に晒さずに連続的に形成した。なお、HfSiO2 膜、HfSiON膜、ZrSiO2 膜、ZrSiON膜及びTa2O5 膜の比誘電率はそれぞれ、18、20、16、18及び27である。
【0040】
作製した各試料(試料A〜試料D)について、キャパシタの特性を測定した。その結果、いずれの試料も、リーク電流は±3Vまで10−10A/mm2 以下であった。電気容量は、試料Aでは4.0fF/μm2 、試料Bでは4.2fF/μm2 、試料Cでは3.7fF/μm2 、試料Dでは3.9fF/μm2 であった。電気容量の電圧変動は、試料Aでは100ppm/V、試料Bでは80ppm/V、試料Cでは60ppm/V、試料Dでは40ppm/Vであった。25〜85℃における電気容量の温度変動は、試料Aでは80ppm/℃、試料Bでは90ppm/℃、試料Cでは45ppm/℃、試料Dでは38ppm/℃であった。
【0041】
(比較例2)
比較例として、誘電体領域32としてTa2O5 膜のみを用いた試料を作製した。Ta2O5 膜は、厚さ40nmであり、Taターゲットを用いたスパッタリングにより形成した。誘電体領域32としてTa2O5 膜を用いた以外は、第1の実施形態のキャパシタと同様である。
【0042】
キャパシタの特性を測定したところ、リーク電流は±3Vにおいて10−8A/mm2 程度、電気容量の電圧変動は480ppm/V、25〜85℃における電気容量の温度変動は200ppm/℃であり、本実施形態に比べて特性が大きく劣っていた。
【0043】
(実施形態3)
図4(a)〜図4(e)は、第3の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【0044】
まず、図4(a)に示すように、半導体基板(図示せず)上の層間絶縁膜21内にスルーホールを形成する。層間絶縁膜21内には、予め配線層が形成されていてもよい。続いて、全面にW膜を堆積し、さらにCMP等によって平坦化処理を行う。これにより、スルーホールにW膜が埋め込まれたプラグ22が形成される。
【0045】
次に、図4(b)に示すように、下部電極膜31として、TiN膜/Ti膜/TiN膜の積層膜をスパッタリングによって連続的に形成する。続いて、下部電極膜31上に誘電体膜(誘電体領域)32を、以下のようにして形成する。まず、下部電極膜31上に、Hf(OBu)4 及びSi(OEt)4 を用いた有機溶剤(Hf:Si=5:1)をスピン塗布する。続いて、O2 存在下で励起波長172nmの光を用いてUV−O3 処理を行う。その後、酸素雰囲気中で400℃の熱処理を行うことで、厚さ8nmのHfSiO2 膜を形成する。これらの塗布工程、UV−O3 処理工程及び熱処理工程を3回繰り返し、総厚24nmの誘電体膜(HfSiO2 膜)32を形成する。X線回折により、結晶性を確認したところ、HfSiO2 膜はアモルファスであった。続いて、上部電極膜33として、TiN膜/Ti膜/TiN膜の積層膜をスパッタリングによって連続的に形成する。
【0046】
次に、図4(c)に示すように、レジスト膜34を形成する。さらに、レジスト膜34をマスクとして、上部電極膜33をエッチングする。
【0047】
次に、図4(d)に示すように、レジスト膜35を形成する。さらに、レジスト膜35をマスクとして、誘電体膜32及び下部電極膜31をエッチングする。
【0048】
次に、図4(e)に示すように、レジスト膜35を除去することで、下部電極31、誘電体膜32及び上部電極33が積層されたMIMキャパシタ構造が形成される。その後の工程は、図示しないが、MIMキャパシタ構造を覆う層間絶縁膜の形成工程、スルーホールの形成工程、スルーホール内へのAlプラグの形成工程等を行う。
【0049】
以上のようにして得られたキャパシタの特性を測定したところ、リーク電流は±3Vまで10−10A/mm2 以下、電気容量は7.0fF/μm2 、電気容量の電圧変動は80ppm/V、25〜85℃における電気容量の温度変動は100ppm/℃であった。このように、キャパシタの誘電体膜に塗布膜を用いた場合にも、第1及び第2の実施形態と同様、特性に優れたキャパシタを得ることが可能である。
【0050】
また、塗布膜の原料(Hf(OBu)4 及びSi(OEt)4 を用いた有機溶剤)に含まれるHfとSiの比率(Hf:Si)を変えた試料も作製した。Siの量が相対的に増加するとともに誘電体膜の誘電率は下がり、Hf:Si=5:5の試料では比誘電率が10以下であった。したがって、ある程度以上の誘電率を持った誘電体膜を得るためには、誘電体膜に含有されたSi原子数の比率をある程度小さくすることが望ましい。
【0051】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【0052】
【発明の効果】
本発明によれば、リーク電流や電気容量変動を抑制することができ、特性や信頼性に優れたキャパシタを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る半導体装置の全体的な構成例を模式的に示した断面図である。
【図2】図1に示したキャパシタの構成例を模式的に示した断面図である。
【図3】本発明の第1及び第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図4】本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
10…半導体基板
11…MISトランジスタ
20…中間領域
21、41…層間絶縁膜
22、42、43…プラグ
23、44…SiN膜
30…キャパシタ
31…下部電極
32…誘電体領域
32a、32b、32c…誘電体膜
33…上部電極
34、35…レジスト膜
Claims (10)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の上方に設けられ、金属性を有する下部電極と、金属性を有する上部電極と、前記下部電極と上部電極との間に設けられた誘電体領域とを含むキャパシタと、
を備えた半導体装置であって、
前記誘電体領域は、シリコンと酸素とハフニウム及びジルコニウムの中から選択された少なくとも一つの元素とを含有する第1の誘電体膜を含む
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記第1の誘電体膜は、窒素をさらに含有する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記誘電体領域は、前記上部電極と前記第1の誘電体膜との間又は前記下部電極と前記第1の誘電体膜との間に設けられ、前記第1の誘電体膜とは異なる第2の誘電体膜をさらに含む
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 前記誘電体領域は、前記上部電極と前記第1の誘電体膜との間に設けられ、前記第1の誘電体膜とは異なる第2の誘電体膜と、前記上部電極と前記第2の誘電体膜との間に設けられ、シリコンと酸素とハフニウム及びジルコニウムの中から選択された少なくとも一つの元素とを含有する第3の誘電体膜と、をさらに含む
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 前記第2の誘電体膜の誘電率は、前記第1の誘電体膜の誘電率よりも高い
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 - 前記第2の誘電体膜の誘電率は、前記第1の誘電体膜及び第3の誘電体膜の誘電率よりも高い
ことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。 - 前記第2の誘電体膜の比誘電率は20以上である
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体装置。 - 前記下部電極及び上部電極の少なくとも一方は、金属窒化物膜を含む
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 前記第1の誘電体膜に含有されたシリコンの原子数は、前記第1の誘電体膜に含有された前記少なくとも一つの元素の原子数の1/2よりも少ない
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 前記第1の誘電体膜は、塗布膜で形成されている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
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