JP2004158738A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】強誘電体膜を有するキャパシタを被覆する絶縁膜中の水や水素による膜剥がれを防止し、また強誘電体膜の還元を防止して、キャパシタの電気的特性の向上を図る。
【解決手段】強誘電体膜１４を有する素子（例えばキャパシタ１６）を被覆する金属系絶縁膜（例えば酸化アルミニウム膜）１７を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、金属系絶縁膜１７は、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により形成されるものである。
【選択図】 図１
【解決手段】強誘電体膜１４を有する素子（例えばキャパシタ１６）を被覆する金属系絶縁膜（例えば酸化アルミニウム膜）１７を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、金属系絶縁膜１７は、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により形成されるものである。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、詳しくは強誘電体キャパシタのような強誘電体膜を有する素子を被覆する絶縁膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁膜上に形成されたキャパシタ上に、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、例えば酸化アルミニウム膜を被覆形成した後、キャパシタの上部電極に達するコンタクトホールを開孔し、このコンタクトホールを通じて上部電極と導通させるための配線を形成する。このアルミニウム配線を形成する際に発せられる熱によって絶縁膜から水や水素が発生し、その発生した水もしくは水素がコンタクトホールから侵入して、強誘電体膜を還元するという現象が起こっていた。このことにより、キャパシタの電気的特性が劣化していた。
【０００３】
次に、従来の製造方法を、図７の製造工程図によって説明する。
図７の（１）に示すように、熱酸化法によって、シリコン基板１１上に酸化シリコン膜１２を例えば３００ｎｍの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜１２上に下部電極膜１３を、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２ ）膜１３１を４０ｎｍの厚さに成膜した後、イリジウム（Ｉｒ）膜１３２を１００ｎｍの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜１３上に強誘電体膜１４を形成する。ここでは、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ を１００ｎｍの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜１４の結晶化温度は酸素雰囲気中で７００℃〜８００℃とした。さらにスパッタ法によって、強誘電体膜１４上にイリジウム（Ｉｒ）を１００ｎｍの厚さに堆積して上部電極膜１５を形成する。
【０００４】
その後、図７の（２）に示すように、上記上部電極膜１５、強誘電体膜１４、下部電極膜１３を順次加工して、キャパシタ１６を形成する。
【０００５】
次に、図７の（３）に示すように、プロセスガスにアルゴンガスのみを用いたスパッタ法によって、上記キャパシタ１６を被覆するバリア膜となる金属系絶縁膜１７を、酸化アルミニウム膜を例えば５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。さらに、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、その金属系絶縁膜１７上に絶縁膜１８を、例えば酸化シリコンを２５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。したがって、金属系絶縁膜１７と絶縁膜１８とからなる層間絶縁膜１９の膜厚は３００ｎｍとなる。
【０００６】
その後、図７の（４）に示すように、上記層間絶縁膜１９にキャパシタ１６の上部電極膜１５に達するコンタクトホール２０を形成し、さらにコンタクトホール２０を通じて上部電極膜１５に接続される配線２１を、例えばアルミニウム系材料で形成する。
【０００７】
次に、上記図７によって説明した製造方法により製造されたキャパシタ１６の電気的特性を評価した。さらに、窒素シンターを行った後の電気的特性も評価した。図８に配線２１を形成した直後の電流（リーク電流）−電圧（印加電圧）特性（以下、Ｉ−Ｖ特性という）を示す。また、図９に窒素シンター直後のＩ−Ｖ特性を示す。なお、この窒素シンターは、４００℃の窒素雰囲気中で３０分行った。この結果、配線２１を形成した直後と比較して、窒素シンター直後では耐圧の劣化が観察された。この耐圧劣化は、窒素シンターによって、金属系絶縁膜１７や絶縁膜１８中の水素や水分が要因と考えられる。
【０００８】
または、強誘電体膜を有するキャパシタ上に、プロセスガスにアルゴンガスのみを用いたスパッタ法によって、例えば酸化アルミニウム膜からなるバリア膜を被覆形成した後、さらにスパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、酸化シリコン等の酸化膜からなる絶縁膜を形成する。その後、この絶縁膜からキャパシタの上部電極膜へ通じるコンタクトホールを開孔する。その後、不活性ガス雰囲気中もしくは不活性ガスである窒素雰囲気中で、４００℃の温度で熱処理を行って、酸化膜からなる絶縁膜中の水分や水素を膜の外部に放出させていた。その後、上部電極膜と導通させるための配線を、例えばアルミニウム配線で形成していた。
【０００９】
この従来の製造方法を、図１０の製造工程断面図によって以下に説明する。
【００１０】
図１０の（１）に示すように、前記図７によって説明したのと同様に、熱酸化法によって、シリコン基板１１上に酸化シリコン膜１２を例えば３００ｎｍの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜１２上に下部電極膜１３を、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２ ）膜１３１を４０ｎｍの厚さに成膜した後、イリジウム（Ｉｒ）膜１３２を１００ｎｍの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜１３上に強誘電体膜１４を形成する。ここでは、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ を１００ｎｍの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜１４の結晶化温度は酸素雰囲気中で７００℃〜８００℃とした。さらにスパッタ法によって、強誘電体膜１４上にイリジウム（Ｉｒ）を１００ｎｍの厚さに堆積して上部電極膜１５を形成する。
【００１１】
その後、前記図７の（２）に示すように、上記上部電極膜１５、強誘電体膜１４、下部電極膜１３を順次加工して、キャパシタ１６を形成する。
【００１２】
次に、前記図７の（３）に示すように、プロセスガスにアルゴンガスのみを用いたスパッタ法によって、上記キャパシタ１６を被覆する金属系絶縁膜１７を、酸化アルミニウム膜を例えば５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。さらに、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、その金属系絶縁膜１７上に絶縁膜１８を、例えば酸化シリコンを２５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。したがって、金属系絶縁膜１７と絶縁膜１８とからなる層間絶縁膜１９の膜厚は３００ｎｍとなる。
【００１３】
その後、前記図７の（４）によって説明したのと同様に、上記層間絶縁膜１９に上部電極膜１５に達するコンタクトホール２０を形成する。その後、４００℃の窒素雰囲気中で１時間の熱処理を行う。
【００１４】
次に、図１０の（２）に示すように、前記図７の（４）によって説明したのと同様に、コンタクトホール２０を通じて上部電極膜１５に接続される配線２１を、例えばアルミニウム系材料で形成する。
【００１５】
上記図１０によって説明した製造方法により製造されたキャパシタの電気的特性を評価した。さらに、窒素シンターを行った後の電気的特性も評価した。図１１にアルミニウム配線を形成した直後のＩ−Ｖ特性を示す。また、図１２に窒素シンター直後のＩ−Ｖ特性を示す。この窒素シンターは、４００℃の窒素雰囲気中で３０分行った。この結果、前記図７に示した製造方法よりもこの図１０によって示した製造方法の方が、リーク電流が発生する電圧が高くなり、リーク電流が少なくなっていることから耐圧が良くなっていることが認められた。
【００１６】
さらに、上記製造方法に対して、アルミニウム配線を形成する工程が終了した後、コンタクト特性を良化させるために、窒素シンター処理を行う。また、キャパシタを形成するプロセスにおいて劣化した、同一基板上に形成されたトランジスタの特性を回復させるためのフォーミングアニールを実施する。このシンターは窒素雰囲気で、例えば４００℃程度の温度で行われる。また、フォーミングアニールは、例えば水素５％と窒素９５％の雰囲気で、４００℃程度の温度で行われる。なおフォーミングアニールは必ずしも行わなくてもよい。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミニウム配線を形成する際に発生する熱によって、絶縁膜から水や水素が発生し、その発生した水もしくは水素がコンタクトホールから侵入して、強誘電体膜が還元され、電気的特性が劣化するという問題があった。また、フォーミングアニール後に電気的特性が劣化するという問題があった。
【００１８】
上記電気特性の劣化の要因としては、アルミニウム配線を形成した後に、窒素シンターを行うと酸化物の絶縁膜中から水や水素が発生する。もしくは、酸化物の絶縁膜から発生した水がアルミニウムと反応し、さらに多量の水素が発生する。このように発生した水や水素はコンタクトホールの開口部から、上部電極や強誘電体膜へ拡散し、これらの水や水素によって膜剥がれが発生して、電気的特性が劣化されていた。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置の製造方法である。
【００２０】
本発明の半導体装置の製造方法は、強誘電体膜を有する素子を被覆する金属系絶縁膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、前記金属系絶縁膜は、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により形成される。
【００２１】
上記半導体装置に製造方法では、絶縁膜を形成する金属系絶縁膜が酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により形成されることから、例えば金属系絶縁膜を酸化アルミニウム膜で形成する場合には添加ガスに酸素を用いる。この場合、酸素が含まれることから、成膜される酸化アルミニウム膜の酸化が強化され、Ａｌ２ Ｏ３ 膜となる。また、例えば金属系絶縁膜を窒化アルミニウム膜で形成する場合には添加ガスに窒素を用いる。この場合、窒素が含まれることから、成膜される窒化アルミニウム膜の窒化が強化され、ＡｌＮ膜となる。また、酸窒化アルミニウム膜も同様に添加ガスに用いる酸素と窒素とによって酸窒化が強化される。このように金属系絶縁膜中の酸化、窒化もしくは酸窒化が強化されるので、絶縁膜中の水素や水分が強誘電体膜に侵入することが回避され、強誘電体膜が還元されることがなくなる。さらに、水分や水素が離脱した部分のダングリングボンドに酸素もしくは窒素が結合し、金属系絶縁膜がより緻密に構成されるのでより強固な金属系絶縁膜になる。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【００２２】
したがって、キャパシタの電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体膜を有する素子を備えた半導体装置が製造されることになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置の製造方法によって形成される半導体装置は、強誘電体膜を有する素子、例えば強誘電体膜を挟むように上部電極および下部電極とを設けたキャパシタを有する。このキャパシタの上部、下部電極にはイリジウム（Ｉｒ）や白金（Ｐｔ）のような貴金属からなる電極を用いる。強誘電体膜を構成する強誘電体材料としては、例えばＰｂＺｒｘ Ｔｉ１−ｘＯ３ 、ＰｂＴｉＯ３ 等の鉛系化合物、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ 、Ｂｉ４ Ｔｉ３ Ｏ１２等のビスマス層状化合物等を用いる。これらの強誘電体膜は、アルコキシド原料としたＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、レーザアブレーション法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、回転塗布法、ＬＳＭＣＤ法等により成膜することができる。成膜後は熱処理を行って結晶化させ、安定化させている。
【００２４】
上記キャパシタ上には、外部から前記キャパシタへの水素の侵入を阻止する金属系絶縁膜として、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により例えば酸化アルミニウム膜が成膜されている。さらにその上に、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、酸化シリコン等の酸化物の絶縁膜が形成されている。このように、積層の層間絶縁膜構造としている。上記酸化物の絶縁膜の脱水および脱水素化は熱処理によって行われている。この熱処理によって、膜間の密着性が高められ、さらに後の工程で熱処理を行っても、膜剥がれが発生しなくなり、特性劣化が無い安定したキャパシタを有する半導体装置となっている。
【００２５】
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第１実施の形態を、図１の製造工程図によって説明する。
【００２６】
図１の（１）に示すように、熱酸化法によって、シリコン基板１１上に酸化シリコン膜１２を例えば３００ｎｍの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜１２上に下部電極膜１３を、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２ ）膜１３１を４０ｎｍの厚さに成膜した後、イリジウム（Ｉｒ）膜１３２を１００ｎｍの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜１３上に強誘電体膜１４を形成する。ここでは、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ を１００ｎｍの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜１４の結晶化温度は酸素雰囲気中で７００℃〜８００℃とした。次いで、スパッタ法によって、強誘電体膜１４上にイリジウム（Ｉｒ）を１００ｎｍの厚さに堆積して上部電極膜１５を形成する。その後、上部電極膜１５、強誘電体膜１４、下部電極膜１３を順次加工して、キャパシタ１６を形成する。
【００２７】
次いで、図１の（２）に示すように、スパッタ法によって、上記キャパシタ１６を被覆して、上記キャパシタ１６への水素の侵入を防止する金属系絶縁膜１７を、例えば酸化アルミニウムを５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。
【００２８】
上記スパッタ法は、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法による。例えば、上記のように酸化アルミニウム膜を形成する場合には、アルゴンに酸素を添加したガスをスパッタガスとして用いる。このとき、アルゴンガスに対する添加ガス（酸素）の混入比は、少なくとも酸素ガスが混入されていて、その最大混入量がアルゴンの流量に対して体積流量比で１０％以下とする。この添加ガスは、成膜する金属系絶縁膜種によって異なる。例えば酸化系金属系絶縁膜の場合には酸素を添加し、窒化系金属系絶縁膜の場合には窒素を添加することが好ましい。なお、窒化系金属ターゲットを用い酸素を添加して酸窒化系金属系絶縁膜を形成すること、もしくは酸化系金属ターゲットを用い窒素を添加して酸窒化系金属系絶縁膜を形成することも可能である。この場合には、一酸化二窒素（Ｎ２ Ｏ）酸化窒素を用いることも可能である。
【００２９】
その後、酸素雰囲気中で熱処理を行う。ここでは４００℃の酸素雰囲気中で１時間の熱処理を行った。この熱処理は、１００℃〜８５０℃の酸素雰囲気中で行う。また上記金属系絶縁膜１７としては、酸化アルミニウムの他に、酸化タンタル（Ｔａ２ Ｏ５ ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２ ）、酸化チタン（ＴｉＯ２ ）、酸化ジルコニウム（ＺｎＯ２ ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いて形成することができる。
【００３０】
さらに、図１の（３）に示すように、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、その金属系絶縁膜１７上に絶縁膜１８を例えば酸化シリコンを２５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。その後、酸素雰囲気中で熱処理を行う。ここでは４００℃の酸素雰囲気中で１時間の熱処理を行った。この熱処理は、１００℃〜８５０℃の酸素雰囲気中で行う。したがって、層間絶縁膜１９の膜厚は３００ｎｍとなる。
【００３１】
上記各酸素雰囲気中での熱処理温度を１００℃〜８５０℃としたのは、１００℃より低いと、絶縁膜中の水分の気化が不十分となり、また８５０℃を越える温度で行うと、例えばＣＭＯＳトランジスタの特性に悪影響がでる恐れがある。したがって、酸素雰囲気中の熱処理は上記温度範囲とした。
【００３２】
その後、図１の（４）に示すように、上記層間絶縁膜１９に上部電極膜１５に達するコンタクトホール２０を形成し、さらにコンタクトホール２０を通じて上部電極膜１５に接続される配線２１を、例えばアルミニウム系材料で形成する。その後、従来と同様に窒素シンターを行う。この窒素シンターは、４００℃の窒素雰囲気で３０分実施した。
【００３３】
ここで、上記金属系絶縁膜１７を形成するスパッタ法の酸素流量の範囲を決定した根拠を説明する。以下の説明における流量比は体積％で表す。図２には、酸化アルミニウム（Ａｌ２ Ｏ３ ）膜の成膜をアルゴンガスのみ（Ａｒガス＝１００％、酸素ガスの混入流量比＝０％）で行ったスパッタ方法と、アルゴンガスに対する酸素ガスの混入を流量比で１、２、３、５、８、１０％と変化させて行ったスパッタ方法とで行った場合の、酸素ガスの流量比に対する酸化アルミニウム膜の屈折率の変化を示した。屈折率の測定はウエハー内９点で行い、図２に示すように、各酸素ガスの混入比の条件毎に最大値（ＭＡＸ）、平均値（ＡＶＧ）、最小値（ＭＩＮ）をプロットした。この結果から、屈折率は、アルゴンガスに対する酸素ガスの混入を流量比が多くなるにつれて小さくなり、酸素ガスの混入流量比が５％をこえると、屈折率の値はほぼ一定になることが分かった。また、通常のスパッタ装置では、処理室内を一定の減圧状態に保持するためにクライオポンプにより真空引きが行われている。このため、アルゴンの流量に対する酸素流量が１０数％をこえると、一般に危険を伴うことがあるとされているため、ここでは１０％以下としている。以上のことを踏まえて、屈折率が流量比の変化に影響を受け難いようにすることが好ましく、それには酸素ガスの混入流量比は５％以上１０％以下が好ましい。
【００３４】
次に、金属系絶縁膜（酸化アルミニウム膜）の屈折率と膜厚との関係について調べた。その結果を図３によって説明する。図３は、アルゴンガスのみ（Ａｒガス＝１００％、酸素ガスの混入流量比＝０％）を用いたスパッタ法によって、酸化アルミニウム（Ａｌ２ Ｏ３ ）膜の成膜を行い、その膜厚の変化による屈折率の変化を示した。屈折率の測定はウエハー内９点で行い、各膜厚毎に最大値（ＭＡＸ）、平均値（ＡＶＧ）、最小値（ＭＩＮ）をプロットした。この結果から、屈折率は、成膜した厚みが１００〜１５０ｎｍ付近で最大値を示すことがわかった。この傾向は、アルゴンガスに酸素を混入したスパッタ法においても同様なる傾向であった。したがって、所望の屈折率を得たい場合には、酸化アルミニウム膜の膜厚を調整すればよいことがわかる。
【００３５】
上記第１実施の形態の半導体装置の製造方法では、金属系絶縁膜１７を、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により形成することから、金属系絶縁膜１７中の酸化、窒化もしくは酸窒化が強化されるので、絶縁膜１８中の水素や水分が強誘電体膜１４に侵入することが回避され、強誘電体膜１４が還元されることがなくなる。さらに、水分や水素が離脱した部分のダングリングボンドに酸素もしくは窒素が結合し、金属系絶縁膜１７がより緻密に構成されるのでより強固な金属系絶縁膜１７になる。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。さらに、金属系絶縁膜１７のスパッタ成膜時に酸素を用いた場合には、この酸素ガスによって強誘電体膜１４へも酸素が供給される。このため、酸化物系の強誘電体膜では、酸化が強化される。
【００３６】
したがって、金属系絶縁膜１７によって、キャパシタ１６の電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体膜１４を有する素子を備えた半導体装置が製造されることになる。
【００３７】
また、金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８を形成した後でコンタクトホール２０を形成する前に、１００℃以上８５０℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行うことから、金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８中の水分や水素が膜中より離脱される。つまり、熱処理温度が１００℃以上であるため、離脱した水分は気化し、また水素は酸素と結合して気化し、膜中より除去される。このようにして金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８中の水分、水素は離脱されているので、金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８にキャパシタ１６の上部電極膜１５に通じるコンタクトホール２０を形成しても、コンタクトホール２０を通じて金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８中の水素や水分が強誘電体膜１４に侵入することが回避され、強誘電体膜１４が還元されることがなくなる。
【００３８】
さらに、酸素雰囲気中での熱処理であるため、水分や水素が離脱したダングリングボンドに酸素が結合し、酸化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸化膜になる。また金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８が窒化膜からなる場合であっても、ダングリングボンドに酸素が結合することにより、窒化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸窒化膜となる。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【００３９】
したがって、上記熱処理によっても、キャパシタ１６の電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体メモリ装置が製造されることになる。
【００４０】
上記第１実施の形態の半導体装置の製造方法により製造された半導体装置では、上記製造方法による作用効果が得られたものとなる。
【００４１】
次に、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法に係る第２実施の形態を、図４の製造工程図によって説明する。
【００４２】
図４の（１）に示すように、前記第１実施の形態の前記図１の（１）によって説明したように、シリコン基板１１上に熱酸化法によって酸化シリコン膜１２を例えば３００ｎｍの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜１２上に下部電極膜１３を、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２ ）膜１３１を４０ｎｍの厚さに成膜した後、イリジウム（Ｉｒ）膜１３２を１００ｎｍの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜１３上に強誘電体膜１４を形成する。ここでは、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ を１００ｎｍの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜１４の結晶化温度は酸素雰囲気中で７００℃〜８００℃とした。次いで、スパッタ法によって、強誘電体膜１４上にイリジウム（Ｉｒ）を１００ｎｍの厚さに堆積して上部電極膜１５を形成する。その後、上部電極膜１５、強誘電体膜１４、下部電極膜１３を順次加工して、キャパシタ１６を形成する。
【００４３】
次いで、図４の（２）に示すように、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、上記キャパシタ１６を被覆する金属系絶縁膜１７を、例えば酸化アルミニウムを５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。
【００４４】
ここでの金属系絶縁膜１７を形成するスパッタ法は、前記第１実施の形態で説明したスパッタ法と同様である。したがって、スパッタ法におけるアルゴンガスに対する酸素の流量比の決定理由は上記第１実施の形態で説明したのと同様である。
【００４５】
続けて、その金属系絶縁膜１７上に、例えば酸化シリコン等の酸化膜からなる絶縁膜１８を例えば２５０ｎｍの厚さに形成する。したがって、金属系絶縁膜１７と絶縁膜１８とを合わせた層間絶縁膜１９の膜厚は３００ｎｍとなる。
【００４６】
その後、酸素雰囲気中で熱処理を行う。ここでは４００℃の酸素雰囲気中で１時間の熱処理を行った。この熱処理は、１００℃〜８５０℃の酸素雰囲気中で行う。上記金属系絶縁膜１７としては、酸化アルミニウムの他に、酸化タンタル（Ｔａ２ Ｏ５ ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２ ）、酸化チタン（ＴｉＯ２ ）、酸化ジルコニウム（ＺｎＯ２ ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いて形成することができる。
【００４７】
次に、図４の（３）に示すように、上記層間絶縁膜１９に上部電極膜１５に達するコンタクトホール２０を形成し、さらにコンタクトホール２０を通じて上部電極膜１５に接続される配線２１を、例えばアルミニウム系材料で形成する。その後、従来と同様に窒素シンターを行う。この窒素シンターは、４００℃の窒素雰囲気で３０分実施した。
【００４８】
上記図４によって説明した製造方法により製造されたキャパシタの電気的特性を評価した。この評価は、窒素シンターを行った後のものである。図５は、上記第２実施の形態で説明した製造方法において、金属系絶縁膜１７を形成するスパッタ法で、アルゴンガスに対する酸素ガスを流量比で８％の混入させて、酸化アルゴン膜を５０ｎｍの厚さに成膜し、続けてＣＶＤ法で酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）膜を２５０ｎｍの厚さに成膜した後、４００℃の窒素ガス雰囲気中で１時間の熱処理を実施し、さらにＡｌ配線加工を経て窒素シンターを行った後の電気特性値（Ｉ−Ｖ特性）を示す図である。図５に示すように、上記図４によって説明した本発明の製造方法により形成されたキャパシタ１６はリーク電流の発生がなく、従来技術の製造方法で形成したキャパシタよりも耐圧が向上されていることがわかった。この傾向は、図１によって説明した製造方法により形成したキャパシタでも同様の結果となった。
【００４９】
次に、比較例を図６に示す。図６は、上記第２実施の形態で説明した製造方法において、金属系絶縁膜１７を形成するスパッタ法で、アルゴンガスを１００％で酸化アルゴン膜を５０ｎｍの厚さに成膜し、続けてＣＶＤ法で酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）膜を２５０ｎｍの厚さに成膜した後、４００℃の窒素ガス雰囲気中で１時間の熱処理を実施し、さらにＡｌ配線加工を経て窒素シンターを行った後の電気特性値（Ｉ−Ｖ特性）を示す図である。図６に示すように、従来技術で説明した製造方法で形成したキャパシタよりも耐圧は向上されているが、高電圧（例えば７Ｖ）を印加した際に若干のリーク電流が検出されることがあった。
【００５０】
したがって、酸素を含むアルゴンガスを用いたスパッタ法によって、金属系絶縁膜を形成することにより、上記検出範囲±７Ｖの印加電圧の範囲内においてリーク電流を全く発生させないようにすることが可能になった。
【００５１】
また、上記第２実施の形態における半導体装置の製造方法でも、前記説明した第１実施の形態の半導体装置の製造方法と同様なる作用効果が得られる。
【００５２】
したがって、キャパシタ１６の電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体メモリ装置が製造されることになる。
【００５３】
上記第２実施の形態の強誘電体メモリ装置の製造方法により製造された強誘電体メモリ装置では、金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８を形成した後、もしくは絶縁膜１８を形成した後で、コンタクトホールを形成する前に、１００℃以上８５０℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行ったものであるから、コンタクトホールを形成する前には、金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８中の水分や水素が膜中より離脱されている。つまり、熱処理温度が１００℃以上であるため、離脱した水分は気化され、また水素は酸素と結合して気化され、膜中より除去されている。このように金属系絶縁膜１７中、絶縁膜１８中の水分、水素は離脱されているので、層間絶縁膜１９にキャパシタ１６の上部電極膜１５に通じるコンタクトホール２０が形成されても、コンタクトホール２０を通じて層間絶縁膜１９中の水素や水分が強誘電体膜１４に侵入することが回避され、強誘電体膜１４が還元されることがなくなる。
【００５４】
さらに、酸素雰囲気中での熱処理であるため、水分や水素が離脱したダングリングボンドに酸素が結合し、酸化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸化膜になっている。また金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８が窒化膜からなる場合であっても、ダングリングボンドに酸素が結合することにより、窒化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸窒化膜となっている。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【００５５】
したがって、キャパシタ１６は、電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化がないものとなる。また水素や水分による膜剥がれが防止されるので、膜の密着性の劣化がないものとなっている。よって、安定した強誘電体メモリ装置になる。
【００５６】
さらに、上記各実施の形態において、アルゴンガスに対する酸素、窒素等の添加ガスの混入比を、スパッタ法が進行する過程で減少させることも可能である。例えば、金属系絶縁膜１７が、初めの５ｎｍ〜１０ｎｍの膜厚が成膜されるまでは、例えば添加ガス流量を５％〜１０％程度として、バリア性に優れた膜を成膜し、その後添加ガス流量を５％未満に低減して、屈折率の高い膜を成膜することも可能である。
【００５７】
なお、上記各実施の形態においては、図示はしていないが、シリコン基板１１には選択素子としてのＭＩＳトランジスタが形成され、そのＭＩＳトランジスタを被覆するように絶縁膜１２が形成されている。さらに、キャパシタ１６とＭＩＳトランジスタとを接続するコンタクトが形成されている。
【００５８】
上記各製造方法では、強誘電体膜１４にＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ を用いた構成例を説明したが、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ 以外のキャパシタに用いることができる強誘電体膜材料であってもよい。例えば、ＰＺＴ〔Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ 〕、ＳｒＢｉ２ ＴａＯ９ 、ＢａＴｉＯ３ 、ＰｂＴｉＯ３ 、ＬｉＮｂＯ３ 、ＬｉＴａＯ３ 、ＳｂＳＩ、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ 、（Ｂｉ，Ｌａ４ ）Ｔｉ３ Ｏ１２、ＰｂをＬａ、Ｓｒ、Ｃａで置換したＰＺＴ、ＰＬＳＣＺＴ（Ｐｂ０．９６Ｌａ０．１Ｓｒ０．２Ｃａ０．１Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７Ｏ３ ）、Ｂｉ層状強誘電体のＢｉ４ Ｔｉ３ Ｏ１２のＢｉをＮｄで置換したＢｉ３．５４Ｎｄ０．４６Ｔｉ３ Ｏ１２などの強誘電体膜を用いることもできる。
【００５９】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の半導体装置の製造方法によれば、金属系絶縁膜の成膜を、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により行うので、混入した添加ガスにより金属系絶縁膜の酸素、窒素もしくは酸化窒素を強化することができる。また、酸素ガスを使用した場合には強誘電体膜へも同時に酸素が供給され、強誘電体膜の酸化を強化することができる利点がある。よって、酸化、窒化もしくは酸窒化が強化された金属系絶縁膜によって、強誘電体膜への水や水素の進入を防ぐことができるので強誘電体膜が還元されなくなり、膜同士の密着性が向上し、膜剥がれも防止することができる。従って、強誘電体膜を含む素子を形成した後の工程を経ても電気特性の劣化が殆ど無く、特に耐圧の優れた安定した強誘電体膜を含む素子、例えば強誘電体キャパシタを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法に係る第１実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２】金属系絶縁膜の屈折率と混入される酸素ガスの体積流量比との関係図である。
【図３】金属系絶縁膜の屈折率と膜厚との関係図である。
【図４】本発明の半導体装置の製造方法に係る第２実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図５】第２実施の形態における窒素シンター直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図６】第２実施の形態において１００％アルゴンガスを用いたスパッタ法により金属系絶縁膜を形成した場合における窒素シンター直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図７】従来の強誘電体メモリ装置の製造方法を示す製造工程断面図である。
【図８】図５に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における配線を形成した直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図９】図５に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における窒素シンターを行った直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図１０】従来の強誘電体メモリ装置の製造方法を示す製造工程断面図である。
【図１１】図８に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における配線を形成した直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図１２】図８に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における窒素シンターを行った直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
１４…強誘電体膜、１７…金属系絶縁膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、詳しくは強誘電体キャパシタのような強誘電体膜を有する素子を被覆する絶縁膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁膜上に形成されたキャパシタ上に、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、例えば酸化アルミニウム膜を被覆形成した後、キャパシタの上部電極に達するコンタクトホールを開孔し、このコンタクトホールを通じて上部電極と導通させるための配線を形成する。このアルミニウム配線を形成する際に発せられる熱によって絶縁膜から水や水素が発生し、その発生した水もしくは水素がコンタクトホールから侵入して、強誘電体膜を還元するという現象が起こっていた。このことにより、キャパシタの電気的特性が劣化していた。
【０００３】
次に、従来の製造方法を、図７の製造工程図によって説明する。
図７の（１）に示すように、熱酸化法によって、シリコン基板１１上に酸化シリコン膜１２を例えば３００ｎｍの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜１２上に下部電極膜１３を、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２ ）膜１３１を４０ｎｍの厚さに成膜した後、イリジウム（Ｉｒ）膜１３２を１００ｎｍの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜１３上に強誘電体膜１４を形成する。ここでは、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ を１００ｎｍの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜１４の結晶化温度は酸素雰囲気中で７００℃〜８００℃とした。さらにスパッタ法によって、強誘電体膜１４上にイリジウム（Ｉｒ）を１００ｎｍの厚さに堆積して上部電極膜１５を形成する。
【０００４】
その後、図７の（２）に示すように、上記上部電極膜１５、強誘電体膜１４、下部電極膜１３を順次加工して、キャパシタ１６を形成する。
【０００５】
次に、図７の（３）に示すように、プロセスガスにアルゴンガスのみを用いたスパッタ法によって、上記キャパシタ１６を被覆するバリア膜となる金属系絶縁膜１７を、酸化アルミニウム膜を例えば５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。さらに、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、その金属系絶縁膜１７上に絶縁膜１８を、例えば酸化シリコンを２５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。したがって、金属系絶縁膜１７と絶縁膜１８とからなる層間絶縁膜１９の膜厚は３００ｎｍとなる。
【０００６】
その後、図７の（４）に示すように、上記層間絶縁膜１９にキャパシタ１６の上部電極膜１５に達するコンタクトホール２０を形成し、さらにコンタクトホール２０を通じて上部電極膜１５に接続される配線２１を、例えばアルミニウム系材料で形成する。
【０００７】
次に、上記図７によって説明した製造方法により製造されたキャパシタ１６の電気的特性を評価した。さらに、窒素シンターを行った後の電気的特性も評価した。図８に配線２１を形成した直後の電流（リーク電流）−電圧（印加電圧）特性（以下、Ｉ−Ｖ特性という）を示す。また、図９に窒素シンター直後のＩ−Ｖ特性を示す。なお、この窒素シンターは、４００℃の窒素雰囲気中で３０分行った。この結果、配線２１を形成した直後と比較して、窒素シンター直後では耐圧の劣化が観察された。この耐圧劣化は、窒素シンターによって、金属系絶縁膜１７や絶縁膜１８中の水素や水分が要因と考えられる。
【０００８】
または、強誘電体膜を有するキャパシタ上に、プロセスガスにアルゴンガスのみを用いたスパッタ法によって、例えば酸化アルミニウム膜からなるバリア膜を被覆形成した後、さらにスパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、酸化シリコン等の酸化膜からなる絶縁膜を形成する。その後、この絶縁膜からキャパシタの上部電極膜へ通じるコンタクトホールを開孔する。その後、不活性ガス雰囲気中もしくは不活性ガスである窒素雰囲気中で、４００℃の温度で熱処理を行って、酸化膜からなる絶縁膜中の水分や水素を膜の外部に放出させていた。その後、上部電極膜と導通させるための配線を、例えばアルミニウム配線で形成していた。
【０００９】
この従来の製造方法を、図１０の製造工程断面図によって以下に説明する。
【００１０】
図１０の（１）に示すように、前記図７によって説明したのと同様に、熱酸化法によって、シリコン基板１１上に酸化シリコン膜１２を例えば３００ｎｍの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜１２上に下部電極膜１３を、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２ ）膜１３１を４０ｎｍの厚さに成膜した後、イリジウム（Ｉｒ）膜１３２を１００ｎｍの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜１３上に強誘電体膜１４を形成する。ここでは、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ を１００ｎｍの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜１４の結晶化温度は酸素雰囲気中で７００℃〜８００℃とした。さらにスパッタ法によって、強誘電体膜１４上にイリジウム（Ｉｒ）を１００ｎｍの厚さに堆積して上部電極膜１５を形成する。
【００１１】
その後、前記図７の（２）に示すように、上記上部電極膜１５、強誘電体膜１４、下部電極膜１３を順次加工して、キャパシタ１６を形成する。
【００１２】
次に、前記図７の（３）に示すように、プロセスガスにアルゴンガスのみを用いたスパッタ法によって、上記キャパシタ１６を被覆する金属系絶縁膜１７を、酸化アルミニウム膜を例えば５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。さらに、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、その金属系絶縁膜１７上に絶縁膜１８を、例えば酸化シリコンを２５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。したがって、金属系絶縁膜１７と絶縁膜１８とからなる層間絶縁膜１９の膜厚は３００ｎｍとなる。
【００１３】
その後、前記図７の（４）によって説明したのと同様に、上記層間絶縁膜１９に上部電極膜１５に達するコンタクトホール２０を形成する。その後、４００℃の窒素雰囲気中で１時間の熱処理を行う。
【００１４】
次に、図１０の（２）に示すように、前記図７の（４）によって説明したのと同様に、コンタクトホール２０を通じて上部電極膜１５に接続される配線２１を、例えばアルミニウム系材料で形成する。
【００１５】
上記図１０によって説明した製造方法により製造されたキャパシタの電気的特性を評価した。さらに、窒素シンターを行った後の電気的特性も評価した。図１１にアルミニウム配線を形成した直後のＩ−Ｖ特性を示す。また、図１２に窒素シンター直後のＩ−Ｖ特性を示す。この窒素シンターは、４００℃の窒素雰囲気中で３０分行った。この結果、前記図７に示した製造方法よりもこの図１０によって示した製造方法の方が、リーク電流が発生する電圧が高くなり、リーク電流が少なくなっていることから耐圧が良くなっていることが認められた。
【００１６】
さらに、上記製造方法に対して、アルミニウム配線を形成する工程が終了した後、コンタクト特性を良化させるために、窒素シンター処理を行う。また、キャパシタを形成するプロセスにおいて劣化した、同一基板上に形成されたトランジスタの特性を回復させるためのフォーミングアニールを実施する。このシンターは窒素雰囲気で、例えば４００℃程度の温度で行われる。また、フォーミングアニールは、例えば水素５％と窒素９５％の雰囲気で、４００℃程度の温度で行われる。なおフォーミングアニールは必ずしも行わなくてもよい。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミニウム配線を形成する際に発生する熱によって、絶縁膜から水や水素が発生し、その発生した水もしくは水素がコンタクトホールから侵入して、強誘電体膜が還元され、電気的特性が劣化するという問題があった。また、フォーミングアニール後に電気的特性が劣化するという問題があった。
【００１８】
上記電気特性の劣化の要因としては、アルミニウム配線を形成した後に、窒素シンターを行うと酸化物の絶縁膜中から水や水素が発生する。もしくは、酸化物の絶縁膜から発生した水がアルミニウムと反応し、さらに多量の水素が発生する。このように発生した水や水素はコンタクトホールの開口部から、上部電極や強誘電体膜へ拡散し、これらの水や水素によって膜剥がれが発生して、電気的特性が劣化されていた。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置の製造方法である。
【００２０】
本発明の半導体装置の製造方法は、強誘電体膜を有する素子を被覆する金属系絶縁膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、前記金属系絶縁膜は、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により形成される。
【００２１】
上記半導体装置に製造方法では、絶縁膜を形成する金属系絶縁膜が酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により形成されることから、例えば金属系絶縁膜を酸化アルミニウム膜で形成する場合には添加ガスに酸素を用いる。この場合、酸素が含まれることから、成膜される酸化アルミニウム膜の酸化が強化され、Ａｌ２ Ｏ３ 膜となる。また、例えば金属系絶縁膜を窒化アルミニウム膜で形成する場合には添加ガスに窒素を用いる。この場合、窒素が含まれることから、成膜される窒化アルミニウム膜の窒化が強化され、ＡｌＮ膜となる。また、酸窒化アルミニウム膜も同様に添加ガスに用いる酸素と窒素とによって酸窒化が強化される。このように金属系絶縁膜中の酸化、窒化もしくは酸窒化が強化されるので、絶縁膜中の水素や水分が強誘電体膜に侵入することが回避され、強誘電体膜が還元されることがなくなる。さらに、水分や水素が離脱した部分のダングリングボンドに酸素もしくは窒素が結合し、金属系絶縁膜がより緻密に構成されるのでより強固な金属系絶縁膜になる。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【００２２】
したがって、キャパシタの電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体膜を有する素子を備えた半導体装置が製造されることになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置の製造方法によって形成される半導体装置は、強誘電体膜を有する素子、例えば強誘電体膜を挟むように上部電極および下部電極とを設けたキャパシタを有する。このキャパシタの上部、下部電極にはイリジウム（Ｉｒ）や白金（Ｐｔ）のような貴金属からなる電極を用いる。強誘電体膜を構成する強誘電体材料としては、例えばＰｂＺｒｘ Ｔｉ１−ｘＯ３ 、ＰｂＴｉＯ３ 等の鉛系化合物、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ 、Ｂｉ４ Ｔｉ３ Ｏ１２等のビスマス層状化合物等を用いる。これらの強誘電体膜は、アルコキシド原料としたＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、レーザアブレーション法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、回転塗布法、ＬＳＭＣＤ法等により成膜することができる。成膜後は熱処理を行って結晶化させ、安定化させている。
【００２４】
上記キャパシタ上には、外部から前記キャパシタへの水素の侵入を阻止する金属系絶縁膜として、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により例えば酸化アルミニウム膜が成膜されている。さらにその上に、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、酸化シリコン等の酸化物の絶縁膜が形成されている。このように、積層の層間絶縁膜構造としている。上記酸化物の絶縁膜の脱水および脱水素化は熱処理によって行われている。この熱処理によって、膜間の密着性が高められ、さらに後の工程で熱処理を行っても、膜剥がれが発生しなくなり、特性劣化が無い安定したキャパシタを有する半導体装置となっている。
【００２５】
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第１実施の形態を、図１の製造工程図によって説明する。
【００２６】
図１の（１）に示すように、熱酸化法によって、シリコン基板１１上に酸化シリコン膜１２を例えば３００ｎｍの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜１２上に下部電極膜１３を、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２ ）膜１３１を４０ｎｍの厚さに成膜した後、イリジウム（Ｉｒ）膜１３２を１００ｎｍの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜１３上に強誘電体膜１４を形成する。ここでは、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ を１００ｎｍの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜１４の結晶化温度は酸素雰囲気中で７００℃〜８００℃とした。次いで、スパッタ法によって、強誘電体膜１４上にイリジウム（Ｉｒ）を１００ｎｍの厚さに堆積して上部電極膜１５を形成する。その後、上部電極膜１５、強誘電体膜１４、下部電極膜１３を順次加工して、キャパシタ１６を形成する。
【００２７】
次いで、図１の（２）に示すように、スパッタ法によって、上記キャパシタ１６を被覆して、上記キャパシタ１６への水素の侵入を防止する金属系絶縁膜１７を、例えば酸化アルミニウムを５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。
【００２８】
上記スパッタ法は、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法による。例えば、上記のように酸化アルミニウム膜を形成する場合には、アルゴンに酸素を添加したガスをスパッタガスとして用いる。このとき、アルゴンガスに対する添加ガス（酸素）の混入比は、少なくとも酸素ガスが混入されていて、その最大混入量がアルゴンの流量に対して体積流量比で１０％以下とする。この添加ガスは、成膜する金属系絶縁膜種によって異なる。例えば酸化系金属系絶縁膜の場合には酸素を添加し、窒化系金属系絶縁膜の場合には窒素を添加することが好ましい。なお、窒化系金属ターゲットを用い酸素を添加して酸窒化系金属系絶縁膜を形成すること、もしくは酸化系金属ターゲットを用い窒素を添加して酸窒化系金属系絶縁膜を形成することも可能である。この場合には、一酸化二窒素（Ｎ２ Ｏ）酸化窒素を用いることも可能である。
【００２９】
その後、酸素雰囲気中で熱処理を行う。ここでは４００℃の酸素雰囲気中で１時間の熱処理を行った。この熱処理は、１００℃〜８５０℃の酸素雰囲気中で行う。また上記金属系絶縁膜１７としては、酸化アルミニウムの他に、酸化タンタル（Ｔａ２ Ｏ５ ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２ ）、酸化チタン（ＴｉＯ２ ）、酸化ジルコニウム（ＺｎＯ２ ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いて形成することができる。
【００３０】
さらに、図１の（３）に示すように、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、その金属系絶縁膜１７上に絶縁膜１８を例えば酸化シリコンを２５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。その後、酸素雰囲気中で熱処理を行う。ここでは４００℃の酸素雰囲気中で１時間の熱処理を行った。この熱処理は、１００℃〜８５０℃の酸素雰囲気中で行う。したがって、層間絶縁膜１９の膜厚は３００ｎｍとなる。
【００３１】
上記各酸素雰囲気中での熱処理温度を１００℃〜８５０℃としたのは、１００℃より低いと、絶縁膜中の水分の気化が不十分となり、また８５０℃を越える温度で行うと、例えばＣＭＯＳトランジスタの特性に悪影響がでる恐れがある。したがって、酸素雰囲気中の熱処理は上記温度範囲とした。
【００３２】
その後、図１の（４）に示すように、上記層間絶縁膜１９に上部電極膜１５に達するコンタクトホール２０を形成し、さらにコンタクトホール２０を通じて上部電極膜１５に接続される配線２１を、例えばアルミニウム系材料で形成する。その後、従来と同様に窒素シンターを行う。この窒素シンターは、４００℃の窒素雰囲気で３０分実施した。
【００３３】
ここで、上記金属系絶縁膜１７を形成するスパッタ法の酸素流量の範囲を決定した根拠を説明する。以下の説明における流量比は体積％で表す。図２には、酸化アルミニウム（Ａｌ２ Ｏ３ ）膜の成膜をアルゴンガスのみ（Ａｒガス＝１００％、酸素ガスの混入流量比＝０％）で行ったスパッタ方法と、アルゴンガスに対する酸素ガスの混入を流量比で１、２、３、５、８、１０％と変化させて行ったスパッタ方法とで行った場合の、酸素ガスの流量比に対する酸化アルミニウム膜の屈折率の変化を示した。屈折率の測定はウエハー内９点で行い、図２に示すように、各酸素ガスの混入比の条件毎に最大値（ＭＡＸ）、平均値（ＡＶＧ）、最小値（ＭＩＮ）をプロットした。この結果から、屈折率は、アルゴンガスに対する酸素ガスの混入を流量比が多くなるにつれて小さくなり、酸素ガスの混入流量比が５％をこえると、屈折率の値はほぼ一定になることが分かった。また、通常のスパッタ装置では、処理室内を一定の減圧状態に保持するためにクライオポンプにより真空引きが行われている。このため、アルゴンの流量に対する酸素流量が１０数％をこえると、一般に危険を伴うことがあるとされているため、ここでは１０％以下としている。以上のことを踏まえて、屈折率が流量比の変化に影響を受け難いようにすることが好ましく、それには酸素ガスの混入流量比は５％以上１０％以下が好ましい。
【００３４】
次に、金属系絶縁膜（酸化アルミニウム膜）の屈折率と膜厚との関係について調べた。その結果を図３によって説明する。図３は、アルゴンガスのみ（Ａｒガス＝１００％、酸素ガスの混入流量比＝０％）を用いたスパッタ法によって、酸化アルミニウム（Ａｌ２ Ｏ３ ）膜の成膜を行い、その膜厚の変化による屈折率の変化を示した。屈折率の測定はウエハー内９点で行い、各膜厚毎に最大値（ＭＡＸ）、平均値（ＡＶＧ）、最小値（ＭＩＮ）をプロットした。この結果から、屈折率は、成膜した厚みが１００〜１５０ｎｍ付近で最大値を示すことがわかった。この傾向は、アルゴンガスに酸素を混入したスパッタ法においても同様なる傾向であった。したがって、所望の屈折率を得たい場合には、酸化アルミニウム膜の膜厚を調整すればよいことがわかる。
【００３５】
上記第１実施の形態の半導体装置の製造方法では、金属系絶縁膜１７を、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により形成することから、金属系絶縁膜１７中の酸化、窒化もしくは酸窒化が強化されるので、絶縁膜１８中の水素や水分が強誘電体膜１４に侵入することが回避され、強誘電体膜１４が還元されることがなくなる。さらに、水分や水素が離脱した部分のダングリングボンドに酸素もしくは窒素が結合し、金属系絶縁膜１７がより緻密に構成されるのでより強固な金属系絶縁膜１７になる。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。さらに、金属系絶縁膜１７のスパッタ成膜時に酸素を用いた場合には、この酸素ガスによって強誘電体膜１４へも酸素が供給される。このため、酸化物系の強誘電体膜では、酸化が強化される。
【００３６】
したがって、金属系絶縁膜１７によって、キャパシタ１６の電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体膜１４を有する素子を備えた半導体装置が製造されることになる。
【００３７】
また、金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８を形成した後でコンタクトホール２０を形成する前に、１００℃以上８５０℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行うことから、金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８中の水分や水素が膜中より離脱される。つまり、熱処理温度が１００℃以上であるため、離脱した水分は気化し、また水素は酸素と結合して気化し、膜中より除去される。このようにして金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８中の水分、水素は離脱されているので、金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８にキャパシタ１６の上部電極膜１５に通じるコンタクトホール２０を形成しても、コンタクトホール２０を通じて金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８中の水素や水分が強誘電体膜１４に侵入することが回避され、強誘電体膜１４が還元されることがなくなる。
【００３８】
さらに、酸素雰囲気中での熱処理であるため、水分や水素が離脱したダングリングボンドに酸素が結合し、酸化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸化膜になる。また金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８が窒化膜からなる場合であっても、ダングリングボンドに酸素が結合することにより、窒化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸窒化膜となる。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【００３９】
したがって、上記熱処理によっても、キャパシタ１６の電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体メモリ装置が製造されることになる。
【００４０】
上記第１実施の形態の半導体装置の製造方法により製造された半導体装置では、上記製造方法による作用効果が得られたものとなる。
【００４１】
次に、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法に係る第２実施の形態を、図４の製造工程図によって説明する。
【００４２】
図４の（１）に示すように、前記第１実施の形態の前記図１の（１）によって説明したように、シリコン基板１１上に熱酸化法によって酸化シリコン膜１２を例えば３００ｎｍの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜１２上に下部電極膜１３を、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２ ）膜１３１を４０ｎｍの厚さに成膜した後、イリジウム（Ｉｒ）膜１３２を１００ｎｍの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜１３上に強誘電体膜１４を形成する。ここでは、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ を１００ｎｍの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜１４の結晶化温度は酸素雰囲気中で７００℃〜８００℃とした。次いで、スパッタ法によって、強誘電体膜１４上にイリジウム（Ｉｒ）を１００ｎｍの厚さに堆積して上部電極膜１５を形成する。その後、上部電極膜１５、強誘電体膜１４、下部電極膜１３を順次加工して、キャパシタ１６を形成する。
【００４３】
次いで、図４の（２）に示すように、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によって、上記キャパシタ１６を被覆する金属系絶縁膜１７を、例えば酸化アルミニウムを５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。
【００４４】
ここでの金属系絶縁膜１７を形成するスパッタ法は、前記第１実施の形態で説明したスパッタ法と同様である。したがって、スパッタ法におけるアルゴンガスに対する酸素の流量比の決定理由は上記第１実施の形態で説明したのと同様である。
【００４５】
続けて、その金属系絶縁膜１７上に、例えば酸化シリコン等の酸化膜からなる絶縁膜１８を例えば２５０ｎｍの厚さに形成する。したがって、金属系絶縁膜１７と絶縁膜１８とを合わせた層間絶縁膜１９の膜厚は３００ｎｍとなる。
【００４６】
その後、酸素雰囲気中で熱処理を行う。ここでは４００℃の酸素雰囲気中で１時間の熱処理を行った。この熱処理は、１００℃〜８５０℃の酸素雰囲気中で行う。上記金属系絶縁膜１７としては、酸化アルミニウムの他に、酸化タンタル（Ｔａ２ Ｏ５ ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２ ）、酸化チタン（ＴｉＯ２ ）、酸化ジルコニウム（ＺｎＯ２ ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いて形成することができる。
【００４７】
次に、図４の（３）に示すように、上記層間絶縁膜１９に上部電極膜１５に達するコンタクトホール２０を形成し、さらにコンタクトホール２０を通じて上部電極膜１５に接続される配線２１を、例えばアルミニウム系材料で形成する。その後、従来と同様に窒素シンターを行う。この窒素シンターは、４００℃の窒素雰囲気で３０分実施した。
【００４８】
上記図４によって説明した製造方法により製造されたキャパシタの電気的特性を評価した。この評価は、窒素シンターを行った後のものである。図５は、上記第２実施の形態で説明した製造方法において、金属系絶縁膜１７を形成するスパッタ法で、アルゴンガスに対する酸素ガスを流量比で８％の混入させて、酸化アルゴン膜を５０ｎｍの厚さに成膜し、続けてＣＶＤ法で酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）膜を２５０ｎｍの厚さに成膜した後、４００℃の窒素ガス雰囲気中で１時間の熱処理を実施し、さらにＡｌ配線加工を経て窒素シンターを行った後の電気特性値（Ｉ−Ｖ特性）を示す図である。図５に示すように、上記図４によって説明した本発明の製造方法により形成されたキャパシタ１６はリーク電流の発生がなく、従来技術の製造方法で形成したキャパシタよりも耐圧が向上されていることがわかった。この傾向は、図１によって説明した製造方法により形成したキャパシタでも同様の結果となった。
【００４９】
次に、比較例を図６に示す。図６は、上記第２実施の形態で説明した製造方法において、金属系絶縁膜１７を形成するスパッタ法で、アルゴンガスを１００％で酸化アルゴン膜を５０ｎｍの厚さに成膜し、続けてＣＶＤ法で酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）膜を２５０ｎｍの厚さに成膜した後、４００℃の窒素ガス雰囲気中で１時間の熱処理を実施し、さらにＡｌ配線加工を経て窒素シンターを行った後の電気特性値（Ｉ−Ｖ特性）を示す図である。図６に示すように、従来技術で説明した製造方法で形成したキャパシタよりも耐圧は向上されているが、高電圧（例えば７Ｖ）を印加した際に若干のリーク電流が検出されることがあった。
【００５０】
したがって、酸素を含むアルゴンガスを用いたスパッタ法によって、金属系絶縁膜を形成することにより、上記検出範囲±７Ｖの印加電圧の範囲内においてリーク電流を全く発生させないようにすることが可能になった。
【００５１】
また、上記第２実施の形態における半導体装置の製造方法でも、前記説明した第１実施の形態の半導体装置の製造方法と同様なる作用効果が得られる。
【００５２】
したがって、キャパシタ１６の電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体メモリ装置が製造されることになる。
【００５３】
上記第２実施の形態の強誘電体メモリ装置の製造方法により製造された強誘電体メモリ装置では、金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８を形成した後、もしくは絶縁膜１８を形成した後で、コンタクトホールを形成する前に、１００℃以上８５０℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行ったものであるから、コンタクトホールを形成する前には、金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８中の水分や水素が膜中より離脱されている。つまり、熱処理温度が１００℃以上であるため、離脱した水分は気化され、また水素は酸素と結合して気化され、膜中より除去されている。このように金属系絶縁膜１７中、絶縁膜１８中の水分、水素は離脱されているので、層間絶縁膜１９にキャパシタ１６の上部電極膜１５に通じるコンタクトホール２０が形成されても、コンタクトホール２０を通じて層間絶縁膜１９中の水素や水分が強誘電体膜１４に侵入することが回避され、強誘電体膜１４が還元されることがなくなる。
【００５４】
さらに、酸素雰囲気中での熱処理であるため、水分や水素が離脱したダングリングボンドに酸素が結合し、酸化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸化膜になっている。また金属系絶縁膜１７および絶縁膜１８が窒化膜からなる場合であっても、ダングリングボンドに酸素が結合することにより、窒化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸窒化膜となっている。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【００５５】
したがって、キャパシタ１６は、電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化がないものとなる。また水素や水分による膜剥がれが防止されるので、膜の密着性の劣化がないものとなっている。よって、安定した強誘電体メモリ装置になる。
【００５６】
さらに、上記各実施の形態において、アルゴンガスに対する酸素、窒素等の添加ガスの混入比を、スパッタ法が進行する過程で減少させることも可能である。例えば、金属系絶縁膜１７が、初めの５ｎｍ〜１０ｎｍの膜厚が成膜されるまでは、例えば添加ガス流量を５％〜１０％程度として、バリア性に優れた膜を成膜し、その後添加ガス流量を５％未満に低減して、屈折率の高い膜を成膜することも可能である。
【００５７】
なお、上記各実施の形態においては、図示はしていないが、シリコン基板１１には選択素子としてのＭＩＳトランジスタが形成され、そのＭＩＳトランジスタを被覆するように絶縁膜１２が形成されている。さらに、キャパシタ１６とＭＩＳトランジスタとを接続するコンタクトが形成されている。
【００５８】
上記各製造方法では、強誘電体膜１４にＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ を用いた構成例を説明したが、ＳｒＢｉ２ Ｔａ２ Ｏ９ 以外のキャパシタに用いることができる強誘電体膜材料であってもよい。例えば、ＰＺＴ〔Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ 〕、ＳｒＢｉ２ ＴａＯ９ 、ＢａＴｉＯ３ 、ＰｂＴｉＯ３ 、ＬｉＮｂＯ３ 、ＬｉＴａＯ３ 、ＳｂＳＩ、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ 、（Ｂｉ，Ｌａ４ ）Ｔｉ３ Ｏ１２、ＰｂをＬａ、Ｓｒ、Ｃａで置換したＰＺＴ、ＰＬＳＣＺＴ（Ｐｂ０．９６Ｌａ０．１Ｓｒ０．２Ｃａ０．１Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７Ｏ３ ）、Ｂｉ層状強誘電体のＢｉ４ Ｔｉ３ Ｏ１２のＢｉをＮｄで置換したＢｉ３．５４Ｎｄ０．４６Ｔｉ３ Ｏ１２などの強誘電体膜を用いることもできる。
【００５９】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の半導体装置の製造方法によれば、金属系絶縁膜の成膜を、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により行うので、混入した添加ガスにより金属系絶縁膜の酸素、窒素もしくは酸化窒素を強化することができる。また、酸素ガスを使用した場合には強誘電体膜へも同時に酸素が供給され、強誘電体膜の酸化を強化することができる利点がある。よって、酸化、窒化もしくは酸窒化が強化された金属系絶縁膜によって、強誘電体膜への水や水素の進入を防ぐことができるので強誘電体膜が還元されなくなり、膜同士の密着性が向上し、膜剥がれも防止することができる。従って、強誘電体膜を含む素子を形成した後の工程を経ても電気特性の劣化が殆ど無く、特に耐圧の優れた安定した強誘電体膜を含む素子、例えば強誘電体キャパシタを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法に係る第１実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２】金属系絶縁膜の屈折率と混入される酸素ガスの体積流量比との関係図である。
【図３】金属系絶縁膜の屈折率と膜厚との関係図である。
【図４】本発明の半導体装置の製造方法に係る第２実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図５】第２実施の形態における窒素シンター直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図６】第２実施の形態において１００％アルゴンガスを用いたスパッタ法により金属系絶縁膜を形成した場合における窒素シンター直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図７】従来の強誘電体メモリ装置の製造方法を示す製造工程断面図である。
【図８】図５に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における配線を形成した直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図９】図５に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における窒素シンターを行った直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図１０】従来の強誘電体メモリ装置の製造方法を示す製造工程断面図である。
【図１１】図８に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における配線を形成した直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図１２】図８に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における窒素シンターを行った直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
１４…強誘電体膜、１７…金属系絶縁膜
Claims (3)
- 強誘電体膜を有する素子を被覆する金属系絶縁膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記金属系絶縁膜は、酸素、窒素および酸化窒素のうちの少なくとも１種からなる添加ガスを含むアルゴンガスを用いたスパッタ法により形成される
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記アルゴンガスに対する添加ガスの混入比は、少なくとも添加ガスを混入しその最大混入量は流量比で１０％以下とする
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。 - 前記アルゴンガスに対する前記添加ガスの混入比を、スパッタ法が進行する過程で減少させる
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006261443A (ja) * | 2005-03-17 | 2006-09-28 | Fujitsu Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
| KR100777768B1 (ko) | 2005-03-30 | 2007-11-20 | 후지쯔 가부시끼가이샤 | 반도체 장치 및 그 제조 방법 |
| US7528490B2 (en) | 2004-06-25 | 2009-05-05 | Seiko Epson Corporation | Semiconductor device and ferroelectric memory, and method for manufacturing semiconductor device |
-
2002
- 2002-11-08 JP JP2002324701A patent/JP2004158738A/ja active Pending
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