JP2004193176A

JP2004193176A - Semiconductor device and its manufacturing method

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Publication number: JP2004193176A
Application number: JP2002355904A
Authority: JP
Inventors: Toru Nasu; 徹那須
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: JP3972128B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device in which the deterioration of the characteristics of a capacity film containing a metal oxide is suppressed and the characteristics of transistors are stabilized, and to provide a method for manufacturing the same. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes a laminated structure containing a semiconductor substrate 30, transistors 1, 1' formed on the semiconductor substrate 30, a capacitive element 7 disposed on an upper layer from the transistors 1, 1' and having a capacity film 7b including the metal oxide, a hydrogen barrier film 18 disposed so as to cover the capacity film 7b in the upper layer than the capacitive element 7, and a moisture resistant protective film 19 disposed on the upper layer than the hydrogen barrier film 18 in such a manner that this laminated structure further includes a hydrogen-containing film 17 disposed by avoiding positions directly above and directly below the capacity film 7b in the lower layer from the hydrogen barrier film 18. The method for manufacturing the same is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属酸化物を含む容量膜を有する容量素子とトランジスタとを含む半導体装置、およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強誘電体は自発分極を生じる物質であり、これを含む容量膜を用いることにより、強誘電体メモリと呼ばれる低電圧および高速動作が可能な不揮発性メモリが実現できる。近年、既に小容量でありながら信頼性の高い強誘電体メモリ（半導体装置）が実用化されており、現在、さらに高集積化を目指した開発が進められている。
【０００３】
図９に、従来の半導体装置の一例を示す。図９に示すように、トランジスタ１０１，１０１′が形成された半導体基板１００より上方には、強誘電体を含む容量膜１０３ｂを有する容量素子１０３が配置されている。容量素子１０３より上層には、容量膜１０３ｂを覆うように水素バリア膜１０９が配置され、水素バリア膜１０９より上層には、耐湿性保護膜１１０が配置されている。図９において、１０２および１０４は層間絶縁膜、１０６は配線層、１１１は外部電極取り出し口、１０５はコンタクトプラグ、１０３ｃは容量素子の上部電極、１０３ａは容量素子の下部電極である。トランジスタ１０１，１０１′は電極部（ゲート１０１ａ，１０１ａ′、ソース１０１ｂ，１０１ｂ′およびドレイン１０１ｃ，１０１ｃ′）を含んでいる。
【０００４】
上記した強誘電体メモリに用いられる容量膜１０３ｂは、通常、鉛やビスマスなどの低融点金属を含む金属酸化物である。これらは水素が存在する雰囲気中で熱処理すると容易に還元し、電気伝導性などの特性が劣化する。ところで、耐湿性保護膜１１０は、通常、窒化シリコンを含むが、窒化シリコンを含む耐湿性保護膜１１０を化学気相堆積法（プラズマＣＶＤ法）にて形成する際の雰囲気中には若干の水素が含まれる。図９に示したように、容量素子１０３より上層に、容量膜１０３ｂを覆うように水素バリア膜１０９を配置すれば、耐湿性保護膜１１０を形成する際の雰囲気中に含まれる水素が容量膜１０３ｂにまで到達しにくくなり、容量膜１０３ｂの特性の劣化を抑制できる。
【０００５】
しかしながら上記した方法では、半導体装置の微細化に対応できない。現在、半導体装置において主として用いられているトランジスタは、ＭＯＳＦＥＴと呼ばれる電界効果型トランジスタである。このような構造のトランジスタの上層に配線層などを形成する際に、プラズマエッチングなどすることによって半導体基板のチャンネル部に結晶欠陥が形成されることがある。チャンネル部に結晶欠陥が形成されると、トランジスタの最も重要な特性である閾値電圧が変動する。半導体装置の微細化を進めると、トランジスタの閾値電圧も低くなるため、上記変動を許容できず、トランジスタの動作に支障をきたすことが重大な問題となっていた。
【０００６】
この問題は、半導体基板に水素を供給し、結晶欠陥を水素で補償すれば解決できる。具体的には、水素を含有する窒化シリコン膜を耐湿性保護膜１１０として用い、耐湿性保護膜１１０を加熱することにより発生する水素を半導体基板１００の結晶欠陥に供給して、トランジスタ１０１，１０１′の特性を安定化していた。図１０にその様子を示している。耐湿性保護膜１１０を加熱すると、耐湿性保護膜１１０から発生する水素が半導体基板１００にまで拡散し、トランジスタ１０１，１０１′の特性を安定化できる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−９１５１２号公報（第３−４頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法では多量の水素が発生するため、水素の一部が容量膜１０３ｂに回り込み、容量膜１０３ｂの特性劣化を充分に抑制できないという問題がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成されたトランジスタと、前記トランジスタより上層に配置され、金属酸化物を含む容量膜を有する容量素子と、前記容量素子より上層において、前記容量膜を覆うように配置された水素バリア膜と、前記水素バリア膜より上層に配置された耐湿性保護膜とを含む積層構造を含み、前記積層構造が、前記水素バリア膜より下層において、前記容量膜の直上および直下を避けて配置された水素含有膜をさらに含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、金属酸化物を含む容量膜を有する容量素子と、水素含有膜とを含む積層体を、トランジスタが形成された半導体基板上に形成する第１の工程と、前記積層体が形成された前記半導体基板を、酸化性ガスを含む雰囲気中にて熱処理する第２の工程と、前記第２の工程後に、水素バリア膜を前記容量素子より上層において前記容量膜を覆うように形成し、耐湿性保護膜を前記水素バリア膜より上層に形成する第３の工程とを含み、前記第１の工程において、前記水素含有膜を、前記容量膜の直上および直下を避けて形成することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置では、水素含有膜が、水素バリア膜より下層において、容量膜の直上および直下を避けて配置されている。本発明の半導体装置の作製過程において、水素バリア膜を形成する前に、水素含有膜と容量素子とを含む積層体が形成された半導体基板を、酸化性ガスを含む雰囲気中で熱処理すれば、水素含有膜から発生する水素をトランジスタへ選択的に供給でき、かつ、水素含有膜から発生した水素による容量膜の還元を酸化性ガスにより抑制できる。したがって、半導体基板に形成された結晶欠陥を水素により補償してトランジスタの特性を安定化でき、かつ、水素による容量膜の特性の劣化を抑制できる。また、水素バリア膜を、容量素子より上層において容量膜を覆うように配置しており、水素バリア膜より上層に耐湿性保護膜を配置しているので、耐湿性保護膜を形成する際の雰囲気中に水素が含まれていても、その水素が下層へ拡散することを水素バリア膜により抑制できる。したがって、耐湿性保護膜を形成する際の雰囲気中に含まれる水素が容量膜にまで達しにくくなり、容量膜の特性の劣化を抑制できる。
【００１２】
本発明の半導体装置では、積層構造が、容量素子と水素含有膜との間に配置された１層以上の絶縁層をさらに含んでいることが好ましい。容量素子と水素含有膜との間に１層以上の絶縁層を配置すれば、容量素子と水素含有膜とが相互に反応する材料から形成されていても、水素含有膜を形成する過程において、水素含有膜と容量素子との反応を防止できる。
【００１３】
積層構造が、容量素子と水素含有膜との間に１層の絶縁層を含み、その絶縁層の半導体基板側の面に容量素子が接して配置され、その面の反対面に水素含有膜が接して配置されていることが好ましい。このように、水素含有膜が容量素子より上層に配置された形態では、水素含有膜と容量素子とが１層の絶縁層を介して配置されていると、容量素子の上層に１層の絶縁層のみが存在する状態で、水素含有膜と容量素子とを含む積層体が形成された半導体基板を、酸化性ガスを含む雰囲気中で熱処理できる。したがって、容量膜に酸素が供給され易く、水素による容量膜の特性劣化を効果的に抑制できる。さらに、容量素子と水素含有膜とが相互に反応する材料から形成されていても、水素含有膜を形成する過程において、水素含有膜と容量素子との反応を防止できる。
【００１４】
水素含有膜は、容量膜より下層であって容量膜と接して配置された層上に配置されていることが好ましい。容量膜と水素含有膜とを同一面上に配置すれば、容量膜が露出した状態で、水素含有膜と容量膜とを含む積層体が形成された半導体基板を、酸化性ガスを含む雰囲気中で容易に熱処理できる。容量膜を酸化性ガスに曝しながら熱処理すると、水素含有膜から発生する水素による容量膜の還元が酸化性ガスにより効果的に抑制されるので、容量膜の特性の劣化をより効果的に抑制できる。
【００１５】
水素含有膜は、容量膜より下層に配置されていることが好ましい。水素含有膜をトランジスタのより近くに配置すれば、水素含有膜から発生する水素が半導体基板に供給されやすく、トランジスタの特性を効果的に安定化できる。さらに、容量膜が露出した状態で、水素含有膜と容量膜とを含む積層体が形成された半導体基板を、酸化性ガスを含む雰囲気中で熱処理することもできるので、水素含有膜から発生した水素による容量膜の特性の劣化を効果的に抑制できる。
【００１６】
水素含有膜は、トランジスタの直上の領域内に配置されていることが好ましい。水素含有膜から発生する水素による容量膜への影響を低減し、かつ、トランジスタの特性を効果的に安定化できるからである。
【００１７】
水素バリア膜は、耐湿性保護膜の直下の全域に配置されていることが好ましい。耐湿性保護膜を形成する際の雰囲気中に水素が含まれていても、その水素による容量膜の特性の劣化をより効果的に抑制できるからである。
【００１８】
積層構造は、水素バリア膜と耐湿性保護膜との間に配置された１層以上の配線層をさらに含んでいてもよい。水素バリア膜より上層に配線層や耐湿性保護膜を形成する際の雰囲気中に水素が含まれていても、その水素による容量膜の劣化を抑制できるからである。
【００１９】
積層構造が、水素バリア膜と耐湿性保護膜との間に配置された１層以上の配線層と、耐湿性保護膜を貫通する外部電極取出し口と、水素バリア膜を貫通して上記配線層とトランジスタの電極部とを接続するコンタクトプラグとをさらに含む場合、水素バリア膜は、耐湿性保護膜および外部電極取出し口の直下の全域からコンタクトプラグが配置された領域を除いた領域に配置されていることが好ましい。水素バリア膜より上層に配線層や耐湿性保護膜を形成する際の雰囲気中に水素が含まれていても、その水素による容量膜の劣化を効果的に抑制できるからである。
【００２０】
水素バリア膜より下層であって水素バリア膜と接して配置された層の水素バリア膜と接した面は、平面であることが好ましい。水素バリア膜を平面上に形成すれば、水素バリア膜の結晶の均一性が増し、水素バリア性能を高めることができるからである。
【００２１】
耐湿性保護膜は、窒化シリコンを含んでいてもよい。水素バリア膜は、酸化アルミニウムを含むことが好ましい。酸化アルミニウムを含む水素バリア膜は高い水素バリア性能を有するからである。水素含有膜は、窒化シリコンを含むことが好ましい。窒化シリコンを含む水素含有膜は、水素を多く含むことができるからである。容量膜は、ビスマス層状構造を有する強誘電体を含むことが好ましい。ビスマス層状構造を有する強誘電体は、分極反転による膜疲労の耐久性に優れ、容量膜としての信頼性が高いからである。
【００２２】
次に、本発明の半導体装置の製造方法について説明する。
【００２３】
本発明の半導体装置の製造方法では、水素含有膜を、容量膜の直上および直下の領域を避けて形成した後、水素含有膜と容量素子とを含む積層体が形成された半導体基板を、酸化性ガスを含む雰囲気中で熱処理する。これにより、水素含有膜から発生する水素をトランジスタに選択的に供給でき、かつ、水素含有膜から発生した水素による容量膜の還元を酸化性ガスにより抑制できる。したがって、半導体基板に形成された結晶欠陥を水素により補償してトランジスタの特性を安定化でき、かつ、水素による容量膜の特性の劣化を抑制できる。また、水素バリア膜を、容量素子より上層において容量膜を覆うように形成し、水素バリア膜より上層に耐湿性保護膜を形成するので、耐湿性保護膜を形成する際の雰囲気中に水素が含まれていても、水素の下層への拡散を水素バリア膜により抑制できる。したがって、耐湿性保護膜を形成する際の雰囲気中に含まれる水素が容量膜にまで達しにくくなり、容量膜の特性の劣化を抑制できる。
【００２４】
以下に、本発明の半導体装置の一例を、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
本実施の形態の半導体装置は、図１に示すように、半導体基板３０と、半導体基板３０に形成されたトランジスタ１，１´とを含んでいる。半導体基板３０にはトランジスタ１とトランジスタ１´とを分離する、例えば酸化シリコンからなる素子分離膜２２が形成されている。トランジスタ１，１′は、電極部（ゲート１ａ，１ａ´、ソース１ｂ，１ｂ′およびドレイン１ｃ，１ｃ´）を含んでいる。トランジスタ１，１´の上層には、例えば、酸化シリコンを主成分とする第１の層間絶縁膜２が配置され、第１の層間絶縁膜２上には、例えば、タングステンを主成分とする第１の配線層４が配置されている。第１の層間絶縁膜２の内部には、第１の配線層４とソース１ｂなどとを接続する、主成分が例えばタングステンの第１のコンタクトプラグ３が配置されている。
【００２６】
第１の配線層４および第１の層間絶縁膜２上には、例えば、酸化シリコンを主成分とする第２の層間絶縁膜５が配置され、第２の層間絶縁膜５上には、容量素子を構成する下部電極７ａが配置されている。下部電極７ａは、例えば、上層よりＰｔ／ＩｒＯ_２／Ｉｒ／ＴｉＡｌＮで構成された積層膜であり、Ｐｔはキャパシタ電極、ＩｒＯ_２／Ｉｒは酸素バリア、ＴｉＡｌＮはタングステンの拡散バリアとしての役割を果たす。尚、ＴｉＡｌＮは、ＴｉとＡｌとＮとが任意の比率で混合された窒化物を意味する。下部電極７ａは、例えばタングステンを主成分とする第２のコンタクトプラグ６を介してドレイン１ｃ´と電気的に接続している。
【００２７】
第２の層間絶縁膜５上には、例えば、酸化シリコンを主成分とするスペーサー層８が配置されており、スペーサー層８は下部電極７ａとほぼ面一となるように形成されている。スペーサー層８および下部電極７ａ上には、例えば、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９（ビスマス層状構造を有する強誘電体）を主成分とする容量膜７ｂが配置され、容量膜７ｂ上には、例えば、Ｐｔからなる上部電極７ｃが配置されている。下部電極７ａ、容量膜７ｂおよび上部電極７ｃにより容量素子７が構成される。
【００２８】
容量膜７ｂ、上部電極７ｃおよびスペーサー層８上には、例えば、酸化シリコンを主成分とする第３の層間絶縁膜９が配置され、第３の層間絶縁膜９上には、例えば、アルミニウムを主成分とする第２の配線層１１が配置されている。第２の配線層１１は、第２の層間絶縁膜５、スペーサー層８および第３の層間絶縁膜９を貫通して配置された、例えばタングステンを主成分とする第３のコンタクトプラグ１０を介して、第１の配線層４と電気的に接続している。
【００２９】
第２の配線層１１および第３の層間絶縁膜９上には、例えば、酸化シリコンを主成分とする第４の層間絶縁膜１２が配置され、第４の層間絶縁膜１２上には、例えば、アルミニウムを主成分とする第３の配線層１４が配置されている。第３の配線層１４は、第４の層間絶縁膜１２の内部を貫通して配置された、例えばタングステンを主成分とする第４のコンタクトプラグ１３を介して、第２の配線層１１と電気的に接続している。
【００３０】
容量素子７、第２のコンタクトプラグ６、トランジスタ１´および第１の配線層４によりメモリセルが構成される。以下、半導体装置がこのメモリセルを含む領域を「メモリセル領域１５」という。このメモリセル領域１５において、第１の配線層４はビット線の役割を果たし、上部電極７ｃはセルプレートの役割を果たす。一方、トランジスタ１を含む領域を「周辺回路領域１６」という。
【００３１】
周辺回路領域１６において、第３の配線層１４および第４の層間絶縁膜１２上には、例えば窒化シリコンを含む水素含有膜１７が配置されている。水素含有膜１７、第３の配線層１４および第４の層間絶縁膜１２上には、例えば酸化アルミニウムを含む水素バリア膜１８が配置され、水素バリア膜１８上には、例えば窒化シリコンを含む耐湿性保護膜１９が配置されている。水素バリア膜１８と耐湿性保護膜１９とを貫通して外部電極取出し口２１が形成されており、外部電極取出し口２１において、第３の配線層１４の一部が露出している。
【００３２】
本実施の形態の半導体装置では、水素含有膜１７が、水素バリア膜１８より下層において、容量膜７ｂの直上および直下を避け、さらには、メモリセル領域１５を避けて配置されている。本実施の形態の半導体装置の作製過程において、水素バリア膜１８を形成する前に、水素含有膜１７と容量素子７とを含む積層体が形成された半導体基板３０を、酸化性ガスを含む雰囲気中で熱処理すれば、水素含有膜１７から発生した水素をトランジスタ１，１′に選択的に供給でき、かつ水素含有膜１７から発生した水素による容量膜７ｂの還元を酸化性ガスにより抑制できる。したがって、半導体基板３０の表面に形成された結晶欠陥を水素により補償してトランジスタ１，１′の特性を安定化でき、かつ水素による容量膜７ｂの特性の劣化を抑制できる。ここで、酸化性ガスとは、酸素元素を含む物質の気体であり、例えば、酸素、オゾン、一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）などが挙げられる。
【００３３】
また、容量素子７と水素含有膜１７とが相互に反応する材料から形成されている場合、例えば、窒化シリコンの水素含有膜に対して、容量素子７の上部電極７ｃがＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｔａを含む場合、図１に示したように、容量素子７と水素含有膜１７との間に１層以上の絶縁層が配置されていれば、水素含有膜１７を形成する過程において、水素含有膜と上部電極７ｂとの反応、例えばシリサイド反応を防止できる。
【００３４】
水素含有膜１７は、周辺回路領域１６の全域に配置されているが、水素含有膜をトランジスタの直上の領域内に配置すれば、水素含有膜から発生する水素による容量膜への影響を低減し、かつ、トランジスタの特性を効果的に安定化できる。
【００３５】
水素バリア膜１８は、水素バリア性能の高い酸化アルミニウムを含んでいるが、酸化チタンや酸化タンタルなどの他の金属酸化物をさらに含んでいてもよい。酸化アルミニウムに換えて、窒化チタン、窒化タンタル、窒化アルミニウムあるいはこれら複数種を含んでいてもよい。上記した材料を含む水素バリア膜１８が導電性を有する場合、例えば、窒化チタン、窒化タンタルを含む場合は、第３の配線層１４と水素バリア膜１８との間に１層以上のバッファ層（絶縁層）を配置する必要がある。このバッファ層の水素バリア膜と接する面は平面であることがさらに好ましい。水素バリア膜を平面上に形成すれば、水素バリア膜の結晶の均一性が増し、水素バリア性能を高めることができるからである。水素バリア膜と接する面は、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法などを用いて平坦化できる。
【００３６】
金属酸化物を含む容量膜７は、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９を主成分とするビスマス層状構造を有する強誘電体の他に、他のビスマス層状構造を有する強誘電体、例えば、Ｂｉ_３．２５Ｌａ_０．７５Ｔｉ_３Ｏ_１２などでもよい。ビスマス層状構造を有する強誘電体は、分極反転による膜疲労耐性に優れるため、信頼性の高い強誘電体メモリを実現できる。また、容量膜７は、ビスマス層状構造を有する強誘電体に制限されず、Ｐｂ（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（０≦ｘ≦１）などのペロブスカイト構造を有する強誘電体、（Ｂｉ_１−ｘＳｒ_ｘ）ＴｉＯ_３（０≦ｘ≦１）、Ｔａ_２Ｏ_５などの高誘電率の金属酸化物でもよい。
【００３７】
図１に示した半導体装置は、容量素子７より下層に配置された１層の配線層（第１の配線層４）と、容量素子７より上層に配置された２層の配線層（第２の配線層１１、第３の配線層１４）を含んでいるが、容量素子７より下層において、配線層はかならずしも必要ではなく、あるいは２層以上の配線層を備えていてもよい。容量素子７より上層には、１層以上の配線層を備えていればよい。
【００３８】
次に、図１に示した半導体装置の製造方法の一例について、図２を用いて説明する。
【００３９】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板３０に、トランジスタ１，１´と、トランジスタ１，１´を分離する酸化シリコンからなる素子分離膜２２を形成する。トランジスタ１，１´は電極部（ゲート１ａ，１ａ´、ソース１ｂ，１ｂ′およびドレイン１ｃ，１ｃ´）を含んでいる。
【００４０】
次に、トランジスタ１，１′が形成された半導体基板３０上に、酸化シリコンを主成分とする第１の層間絶縁膜２を形成する。次に、第１の層間絶縁膜２の一部をプラズマエッチングにより除去してソース１ｂなどに到達するコンタクト孔を形成し、このコンタクト孔内にタングステンを主成分とする金属を埋め込んで、第１のコンタクトプラグ３を形成する。
【００４１】
次に、タングステンを主成分とする金属膜を第１の層間絶縁膜２上に形成した後、所定の形状にパターニングして第１の配線層４を形成する。次に、第１の配線層４および第１の層間絶縁膜２上に、酸化シリコンを主成分とする第２の層間絶縁膜５を形成する。次に、第１の層間絶縁膜２および第２の層間絶縁膜５の内部にドレイン１ｃ´に到達するコンタクト孔をプラズマエッチングにより形成し、このコンタクト孔内にタングステンを主成分とする金属を埋め込んで、第２のコンタクトプラグ６を形成する。
【００４２】
次に、上層からＰｔ／ＩｒＯ_２／Ｉｒ／ＴｉＡｌＮの順で積層された積層膜を用意し、この積層膜を第２のコンタクトプラグ６を覆うように第２の層間絶縁膜５上に配置して下部電極７ａを形成する。次に、下部電極７ａおよび第２の層間絶縁膜５上に、酸化シリコンを主成分とする膜を形成し、この膜をＣＭＰ法により下部電極７ａが露出するまで研磨して、スペーサー層８を形成する。
【００４３】
次に、下部電極７ａおよびスペーサー層８上に、化学溶液塗布（ＣＳＤ）法により、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９を主成分とする強誘電体膜を形成し、所定の形状にパターニングして容量膜７ｂを形成する。次に、容量膜７ｂ上にＰｔ膜を形成し、所定の形状にパターニングして上部電極７ｃを形成する。
【００４４】
次に、容量膜７ｂ、上部電極７ｃおよびスペーサー層８上に、酸化シリコンを主成分とする第３の層間絶縁膜９を形成する。次に、第２の層間絶縁膜５、スペーサー層８および第３の層間絶縁膜９の内部に、第１の配線層４に到達するコンタクト孔をプラズマエッチングにより形成し、このコンタクト孔内にタングステンを主成分とする金属を埋め込んで、第３のコンタクトプラグ１０を形成する。
【００４５】
次に、第３の層間絶縁膜９上にアルミニウムを主成分とする金属膜を形成した後、所定の形状にパターニングして第２の配線層１１を形成する。次に、第２の配線層１１および第３の層間絶縁膜９上に、酸化シリコンを主成分とする第４の層間絶縁膜１２を形成する。次に、第４の層間絶縁膜１２の内部に、第２の配線層１１に到達するコンタクト孔をプラズマエッチングにより形成し、このコンタクト孔内にタングステンを主成分とする金属を埋め込んで、第４のコンタクトプラグ１３を形成する。次に、第４の層間絶縁膜１２上にアルミニウムを主成分とする金属膜を形成した後、所定の形状にパターニングして、第３の配線層１４を形成する。
【００４６】
次に、図２（ｂ）に示すように、第３の配線層１４および第４の層間絶縁膜１２上の全面に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成した後、メモリセル領域１５の部分をドライエッチングにより除去して水素含有膜１７を形成する。プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成すれば、水素を多く含む水素含有膜１７を形成できる。
【００４７】
以上のようにして、金属酸化物を含む容量膜７ｂを有する容量素子７と水素含有膜１７とを含む積層体を、トランジスタ１，１′が形成された半導体基板３０上に形成する。
【００４８】
次に、水素含有膜１７と容量素子７とを含む積層体が形成された半導体基板３０を、１００％酸素雰囲気中で、４５０℃、３０分間、熱処理する。
【００４９】
次に、図２（ｃ）に示すように、水素含有膜１７、第３の配線層１４および第４の層間絶縁膜１２上に酸化アルミニウムを主成分とする膜を形成し、この膜上に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成する。次に、酸化アルミニウムを主成分とする膜と窒化シリコン膜を、プラズマエッチングにより第３の配線層１４の一部が露出するように除去して、外部電極取出し口２１を形成する。外部電極取出し口２１となる箇所が除去された酸化アルミニウムを主成分とする膜が、水素バリア膜１８となり、外部電極取出し口２１となる箇所が除去された窒化シリコン膜が耐湿性保護膜１９となる。酸化アルミニウムを主成分とする膜を、酸化性ガスを含む雰囲気中にてアルミニウムを含むターゲットをスパッタリングして形成すれば、水素バリア性能の高い水素バリア膜１８を形成できる。
【００５０】
尚、第１〜第４の層間絶縁膜、スペーサー層８などの絶縁層の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｒａｓｓ）法などの通常の成膜方法でよいが、容量素子７より上層の第３の層間絶縁膜９および第４の層間絶縁膜１２については、水素を放出しないスパッタ法を用いることもある。
【００５１】
図３（ａ）に、図２（ｂ）を用いて説明した１００％酸素雰囲気中での熱処理の様子を示している。図３（ａ）に示すように、水素含有膜１７と容量素子７とを含む積層体が形成された半導体基板３０を、１００％酸素雰囲気中で熱処理すると、水素含有膜１７から発生した水素が下方に拡散する。この水素により半導体基板３０に形成された結晶欠陥が補償されるので、トランジスタ１，１′の特性を安定化できる。この熱処理に際して、水素含有膜１７から発生した水素の一部がメモリ領域１５に回り込んでも、水素による容量膜７ｂの還元を酸素が抑制するので、容量膜７ｂの特性の劣化を抑制できる。また、第３の層間絶縁膜９、第４の層間絶縁膜１２、第２の配線層１１および第３の配線層１４などを形成する際の雰囲気中に水素が含まれ、その水素により容量膜７ｂの一部が還元されていても、還元された容量膜７ｂを酸素により酸化して、容量膜７ｂの特性を回復できる。
【００５２】
図２（ｂ）および図３（ａ）を用いて説明した熱処理は、１００％酸素雰囲気中で行っているが、雰囲気中には、酸素などの酸素性ガスの他に、窒素、アルゴンなどの不活性ガスを含んでいてもよい。また、水素含有膜１７と容量素子７とを含む積層体が形成された半導体基板３０を、まず、窒素などの不活性ガスのみを含む雰囲気中で熱処理をして水素含有膜１７から水素を発生させた後、酸化性ガス含む雰囲気中で熱処理をしてもよい。
【００５３】
図２（ｂ）および図３（ａ）を用いて説明した熱処理は、雰囲気温度が４５０℃であるが、雰囲気温度は３５０〜５００℃の範囲であればよい。３５０℃より低いと十分な量の水素が水素含有膜１７から発生せず、酸化性ガスによる容量膜７ｂの特性劣化の抑制も充分でない。５００℃より高いと、アルミニウムを含む場合に、アルミニウムが溶融するため好ましくない。
【００５４】
図３（ｂ）に、窒化シリコンを含む耐湿性保護膜１９をプラズマＣＶＤ法により形成する過程を示している。耐湿性保護膜１９をプラズマＣＶＤ法にて形成する際、雰囲気中に若干の水素が含まれる。水素バリア膜１８を、耐湿性保護膜１９の直下の全域に配置しているので、耐湿性保護膜１９を形成する際の雰囲気中に含まれる水素が下層へ拡散することを水素バリア膜１８により効果的に抑制でき、水素による容量膜７ｂの特性の劣化を効果的に抑制できる。尚、水素バリア膜１８を、少なくとも容量膜７ｂを覆う範囲にのみ配置した場合でも、耐湿性保護膜１９を形成する際の雰囲気中の水素が容量膜７ｂにまで到達しにくくなり、容量膜７ｂの特性の劣化を抑制できる。
【００５５】
（実施の形態２）
本実施の形態の半導体装置は、図４（ａ）に示すように、水素含有膜１７の配置位置が異なること以外は実施の形態１と同様であり、図４において、実施の形態１と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
実施の形態１では、水素含有膜１７が、第３の配線層１４より上層に配置されているの対し（図１参照）、本実施の形態では、容量素子７上に配置されたバッファ層２０（絶縁層）上に配置されている。すなわち、容量素子７と水素含有膜１７との間に１層の絶縁層（バッファ層２０）が配置され、その絶縁層の半導体基板側の面に容量素子７が接して配置され、その反対面に水素含有膜１７が接して配置されている。このように、水素含有膜１７が容量素子７より上層に配置された形態では、水素含有膜１７と容量素子７とが１層の絶縁層を介して配置されていると、容量素子７の上層に１層の絶縁層（バッファ層２０）のみが存在する状態で、水素含有膜１７と容量素子７とを含む積層体が形成された半導体基板３０を、酸化性ガスを含む雰囲気中で熱処理できる。容量素子７の上層に１層の絶縁層のみが存在する状態で熱処理できるので、実施の形態１に比べて容量膜７ｂに酸素が供給され易く、水素含有膜１７から発生する水素による容量膜７ｂの劣化を効果的に抑制できる。さらに、容量素子と水素含有膜とが相互に反応する材料から形成されていても、容量素子と水素含有膜との間に１層の絶縁層を配置しているので、水素含有膜と容量素子との反応を防止できる。
【００５７】
尚、上部電極７ｂと水素含有膜１７とが、相互に反応しない材料から形成されている場合、例えば、窒化シリコンを含む水素含有膜１７に対して上部電極７ｂがＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＴｉＮ、ＴａＮを主成分とする場合、バッファ層２０は無い方がよい。すなわち、図４（ｂ）に示すように、容量膜７ｂが、水素含有膜１７より下層であって水素含有膜１７と接して配置された層（スペーサー層８）上に配置されていることが好ましい。容量膜７ｂと水素含有膜１７とを同一面上に配置した形態では、容量膜７ｂを酸化性ガスに曝しながら、容量膜７ｂと水素含有膜１７とを含む積層体が形成された半導体基板３０を、酸化性ガスを含む雰囲気中で容易に熱処理できるので、容量膜７ｂに酸素がより供給され易く、水素含有膜１７から発生する水素による容量膜７ｂの特性の劣化を効果的に抑制できる。
【００５８】
また、図５に示すように、水素含有膜１７は、容量膜７ｂより下層に配置されていてもよい。水素含有膜１７をよりトランジスタ１，１′の近くに配置すれば、水素含有膜１７から発生する水素が半導体基板３０に供給されやすく、トランジスタ１，１′の特性を効果的に安定化できる。また、容量膜７ｂが露出した状態で、水素含有膜１７と容量膜７ｂとを含む積層体が形成された半導体基板３０を、酸化性ガスを含む雰囲気中で熱処理することもできるので、水素含有膜１７から発生した水素による容量膜７ｂの特性の劣化を効果的に抑制できる。
【００５９】
次に、図４（ａ）に示した半導体装置の製造方法の一例について図６（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
【００６０】
トランジスタ１，１′および素子分離膜２２が形成された半導体基板３０上に、第１の層間絶縁膜２、第１のコンタクトプラグ３、第１の配線層４、第２の層間絶縁膜５、第２のコンタクトプラグ６、下部電極７ａ、スペーサー層８、容量膜７ｂおよび上部電極７ｃを形成するまでは、実施の形態１と同様である（図６（ａ）参照）。
【００６１】
次に、図６（ｂ）に示すように、容量膜７ｂ、上部電極７ｃおよびスペーサー層８上に、例えばプラズマＣＶＤ法にて酸化シリコンを主成分とするバッファ層２０を形成する。次に、バッファ層２０上の全面に、プラズマＣＶＤ法にて窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜のメモリセル領域１５の部分をドライエッチングにより除去して、水素含有膜１７を形成する。このようにして、容量素子７と水素含有膜１７とを含む積層体を、トランジスタ１，１′が形成された半導体基板３０上に形成する。
【００６２】
次に、水素含有膜１７と容量素子７とを含む積層体が形成された半導体基板３０を、実施の形態１と同様にして、酸化性ガスを含む雰囲気中で熱処理する。
【００６３】
次に、図６（ｃ）に示すように、水素含有膜１７およびバッファ層２０上に、第３の層間絶縁膜９を形成する。次に、第２の層間絶縁膜５、スペーサー層８、バッファ層２０、水素含有膜１７および第３の層間絶縁膜９の内部に、第１の配線層４に到達するコンタクト孔をプラズマエッチングにより形成し、このコンタクト孔内にタングステンを主成分とする金属を埋め込んで、第３のコンタクトプラグ１０を形成する。
【００６４】
次に、第３の層間絶縁膜９上に、アルミニウムを主成分とする金属膜を形成した後、所定の形状にパターニングして第２の配線層１１を形成する。次に、第２の配線層１１および第３の層間絶縁膜９上に、酸化シリコンを主成分とする第４の層間絶縁膜１２を形成する。次に、第４の層間絶縁膜１２の内部に、第２の配線層１１に到達するコンタクト孔をプラズマエッチングにより形成し、このコンタクト孔内にタングステンを主成分とする金属を埋め込んで、第４のコンタクトプラグ１３を形成する。次に、第４の層間絶縁膜１２上にアルミニウムを主成分とする金属膜を形成した後、所定の形状にパターニングして第３の配線層１４を形成する。
【００６５】
次に、第３の配線層１４および第４の層間絶縁膜１２上に、酸化アルミニウムを含む膜を形成する。酸化アルミニウムを含む膜は、酸化性ガスを含む雰囲気中にてアルミニウムを含むターゲットをスパッタリングして形成する。次に、酸化アルミニウムを含む膜上に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成する。次に、酸化アルミニウムを主成分とする膜と窒化シリコン膜とを、プラズマエッチングにより、第３の配線層１４の一部が露出するように除去して、外部電極取出し口２１を形成する。外部電極取出し口２１となる箇所が除去された酸化アルミニウムを主成分とする膜が、水素バリア膜１８となり、外部電極取出し口２１となる箇所が除去された窒化シリコン膜が耐湿性保護膜１９となる。
【００６６】
尚、図６（ｂ）を用いて説明した酸化性ガスを含む雰囲気中での熱処理は、水素含有膜１７の形成直後に行っているが、容量素子７と水素含有膜１７とを含む積層体を半導体基板３０上に形成した後、水素バリア膜１８を形成する前であればこれに制限されない。熱処理回数も１回に制限されず複数回であってもよい。
【００６７】
（実施の形態３）
本実施の形態の半導体装置は、図７に示すように、半導体装置における水素バリア膜１８の配置位置が異なること以外は実施の形態２と同様であり、図７において、実施の形態２と同一の部材については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６８】
実施の形態２では、水素バリア膜１８が、最上層に配置された配線層（第３の配線層１４）より上層に配置されているのに対し（図４（ａ）参照）、本実施の形態では、第２の配線層１１、第３の配線層１４より下層に配置されている。すなわち、水素バリア膜１８と耐湿性保護膜１９との間に１層以上の配線層が配置されている。このような形態では、水素バリア膜１８より上層に配線層（第２の配線層１１、第３の配線層１４）や耐湿性保護膜１９などを形成する際の雰囲気中に水素が含まれていても、その水素の下層への拡散を水素バリア膜１８により抑制でき、水素による容量膜７ｂの劣化を抑制できる。
【００６９】
さらに、本実施の形態では、耐湿性保護膜１９を貫通する外部電極取出し口２１が設けられており、配線層（第２の配線層１１）とトランジスタの電極部とを接続するコンタクトプラグ（第３のコンタクトプラグ１０）が、水素バリア膜１８を貫通して配置されている。また、水素バリア膜１８が、耐湿性保護膜１９および外部電極取出し口２１の直下の全域からコンタクトプラグ（第３のコンタクトプラグ１０）が配置された領域を除いた領域に配置されている。このような形態であれば、水素バリア膜１８より上層に配線層（第２の配線層１１、第３の配線層１４）や耐湿性保護膜１８などを形成する際の雰囲気中に水素が含まれていても、その水素による容量膜７ｂの劣化を効果的に抑制できる。
【００７０】
尚、水素バリア膜１８が導電性を有する場合は、第３のコンタクトプラグ１０と水素バリア膜１８との導通を防ぐために、水素バリア膜１８は、第３のコンタクトプラグ１０の周囲を避けて配置される必要がある。また、図４（ｂ）に示した形態において、水素バリア膜１８を容量素子７と接するように配置することもできるが、水素バリア膜が導電性を有する場合は、容量素子と水素バリア膜との間に導通を防ぐバッファ層（絶縁層）を配置する必要がある。
【００７１】
次に、図７に示した半導体装置の製造方法の一例について、図８を用いて説明する。
【００７２】
図８（ａ）に示すように、トランジスタ１，１′および素子分離膜２２が形成された半導体基板３０上に、第１の層間絶縁膜２、第１のコンタクトプラグ３、第１の配線層４、第２の層間絶縁膜５、第２のコンタクトプラグ６、下部電極７ａ、スペーサー層８、容量膜７ｂ、上部電極７ｃ、バッファ層２０および水素含有膜１７を形成するまでは、実施の形態２と同様である。
【００７３】
次に、図６（ｂ）を用いて説明した工程と同様にして、水素含有膜１７と容量素子７とを含む積層体が形成された半導体基板３０を、実施の形態２と同様にして、酸化性ガスを含む雰囲気中で熱処理する。
【００７４】
次に、図８（ｂ）に示すように、水素含有膜１７およびバッファ層２０上の全面に水素バリア膜１８を形成する。水素バリア膜１８は、酸化性ガスを含む雰囲気中にてアルミニウムを含むターゲットをスパッタリングして形成する。
【００７５】
次に、水素バリア膜１８上に、酸化シリコンを主成分とする第３の層間絶縁膜９を形成する。次に、第２の層間絶縁膜５、スペーサー層８、バッファ層２０、水素含有膜１７、水素バリア膜１８および第３の層間絶縁膜９の内部に、第１の配線層４に到達するコンタクト孔をプラズマエッチングにより形成し、そのコンタクト孔内にタングステンを主成分とする金属を埋め込んで、第３のコンタクトプラグ１０を形成する。
【００７６】
次に、第３の層間絶縁膜９上に、アルミニウムを主成分とする金属膜を形成した後、所定の形状にパターニングして第２の配線層１１を形成する。次に、第２の配線層１１および第３の層間絶縁膜９上に、酸化シリコンを主成分とする第４の層間絶縁膜１２を形成する。次に、第４の層間絶縁膜１２の内部に、第２の配線層１１に到達するコンタクト孔をプラズマエッチングにより形成し、このコンタクト孔内にタングステンを主成分とする金属を埋め込んで、第４のコンタクトプラグ１３を形成する。次に、第４の層間絶縁膜上１２に、酸化アルミニウムを主成分とする金属膜を形成した後、所定の形状にパターニングして第３の配線層１４を形成する。
【００７７】
次に、第４の層間絶縁膜１２および第３の配線層１４上の全面に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜をプラズマエッチングにより第３の配線層１４の一部が露出するように除去して、外部電極取出し口２１を形成する。外部電極取出し口２１となる箇所が除去された窒化シリコン膜が耐湿性保護膜１９となる。
【００７８】
上記実施の形態１〜３では、酸化性ガスを含む雰囲気中での熱処理後、水素含有膜１７を残して水素バリア膜１８を形成しているが、水素含有膜１７を、例えばドライエッチングして完全に除去しても良い。水素含有膜１７を除去すれば段差の増加を防ぐことができ、次の積層工程が容易となる。
【００７９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明では、トランジスタの特性が安定化され、金属酸化物を含む容量膜の特性の劣化が抑制された半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の一例を示す要部断面図
【図２】図１に示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図
【図３】図１に示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図
【図４】本発明の半導体装置の他の例を示す要部断面図
【図５】本発明の半導体装置の他の例を示す要部断面図
【図６】図４に示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図
【図７】本発明の半導体装置の他の例を示す要部断面図
【図８】図７に示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図
【図９】従来の半導体装置を示す要部断面図
【図１０】従来の半導体装置の課題を示す模式図
【符号の説明】
１，１´ トランジスタ
１ａ，１ａ´ ゲート
１ｂ，１ｂ´ ソース
１ｃ，１ｃ′ ドレイン
２第１の層間絶縁膜
３第１のコンタクトプラグ
４第１の配線層
５第２の層間絶縁膜
６第２のコンタクトプラグ
７容量素子
７ａ下部電極
７ｂ容量膜
７ｃ上部電極
８スペーサー層
９第３の層間絶縁膜
１０第３のコンタクトプラグ
１１第２の配線層
１２第４の層間絶縁膜
１３第４のコンタクトプラグ
１４第３の配線層
１５メモリセル領域
１６周辺回路領域
１７水素含有膜
１８水素バリア膜
１９耐湿性保護膜
２０バッファ層
２１外部電極取出し口
２２素子分離膜
３０半導体基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a transistor and a capacitor having a capacitor film including a metal oxide, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
A ferroelectric substance is a substance that causes spontaneous polarization. By using a capacitor film including the ferroelectric substance, a nonvolatile memory capable of operating at a low voltage and at a high speed called a ferroelectric memory can be realized. In recent years, a ferroelectric memory (semiconductor device) having a small capacity and high reliability has already been put into practical use, and development for further higher integration is currently underway.
[0003]
FIG. 9 shows an example of a conventional semiconductor device. As shown in FIG. 9, a capacitor 103 having a capacitor film 103b containing a ferroelectric substance is disposed above the semiconductor substrate 100 on which the transistors 101 and 101 'are formed. A hydrogen barrier film 109 is disposed above the capacitive element 103 so as to cover the capacitive film 103b, and a moisture-resistant protective film 110 is disposed above the hydrogen barrier film 109. In FIG. 9, 102 and 104 are interlayer insulating films, 106 is a wiring layer, 111 is an external electrode outlet, 105 is a contact plug, 103c is an upper electrode of a capacitor, and 103a is a lower electrode of a capacitor. The transistors 101 and 101 'include electrode portions (gates 101a and 101a', sources 101b and 101b ', and drains 101c and 101c').
[0004]
The capacitance film 103b used in the above-mentioned ferroelectric memory is usually a metal oxide containing a low melting point metal such as lead or bismuth. These are easily reduced by heat treatment in an atmosphere in which hydrogen is present, and properties such as electric conductivity are deteriorated. Incidentally, the moisture-resistant protective film 110 usually contains silicon nitride, but a slight amount of hydrogen is contained in an atmosphere when the moisture-resistant protective film 110 containing silicon nitride is formed by a chemical vapor deposition method (plasma CVD method). Is included. As shown in FIG. 9, if the hydrogen barrier film 109 is disposed above the capacitor 103 so as to cover the capacitor film 103 b, hydrogen contained in the atmosphere when the moisture-resistant protective film 110 is formed can be removed. It becomes difficult to reach the capacitor 103b, and the deterioration of the characteristics of the capacitor film 103b can be suppressed.
[0005]
However, the above method cannot cope with miniaturization of a semiconductor device. At present, a transistor mainly used in a semiconductor device is a field-effect transistor called a MOSFET. When a wiring layer or the like is formed over a transistor having such a structure, crystal defects may be formed in a channel portion of a semiconductor substrate by plasma etching or the like. When a crystal defect is formed in a channel portion, a threshold voltage which is the most important characteristic of a transistor changes. As the miniaturization of the semiconductor device is advanced, the threshold voltage of the transistor also becomes lower. Therefore, the above fluctuation cannot be tolerated, and there is a serious problem that the operation of the transistor is hindered.
[0006]
This problem can be solved by supplying hydrogen to the semiconductor substrate and compensating for crystal defects with hydrogen. Specifically, a silicon nitride film containing hydrogen is used as the moisture-resistant protective film 110, and hydrogen generated by heating the moisture-resistant protective film 110 is supplied to crystal defects of the semiconductor substrate 100, so that the transistors 101, 101 'Characteristics were stabilized. FIG. 10 shows this state. When the moisture-resistant protective film 110 is heated, hydrogen generated from the moisture-resistant protective film 110 diffuses to the semiconductor substrate 100, so that the characteristics of the transistors 101 and 101 'can be stabilized.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-91512 (page 3-4, FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, since a large amount of hydrogen is generated in the above method, a part of the hydrogen goes around the capacitance film 103b, and there is a problem that the characteristic deterioration of the capacitance film 103b cannot be sufficiently suppressed.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a transistor formed on the semiconductor substrate, a capacitor which is disposed in a layer above the transistor and has a capacitor film including a metal oxide, and a layer above the capacitor. A hydrogen barrier film disposed so as to cover the capacitance film, and a laminated structure including a moisture-resistant protective film disposed above the hydrogen barrier film, wherein the laminated structure is below the hydrogen barrier film, It is characterized by further including a hydrogen-containing film disposed so as to avoid immediately above and immediately below the capacitance film.
[0010]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a first step of forming a stacked body including a capacitor including a capacitor film including a metal oxide and a hydrogen-containing film over a semiconductor substrate on which a transistor is formed; A second step of heat-treating the semiconductor substrate on which the stacked body is formed in an atmosphere containing an oxidizing gas; and after the second step, forming a hydrogen barrier film above the capacitance element by removing the capacitance film. And a third step of forming a moisture-resistant protective film above the hydrogen barrier film. In the first step, the hydrogen-containing film is formed so as not to be directly above and immediately below the capacitor film. It is characterized by being formed by.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the semiconductor device of the present invention, the hydrogen-containing film is disposed below the hydrogen barrier film so as not to be located immediately above and immediately below the capacitance film. In the manufacturing process of the semiconductor device of the present invention, before forming the hydrogen barrier film, if the semiconductor substrate on which the stacked body including the hydrogen-containing film and the capacitor is formed is heat-treated in an atmosphere containing an oxidizing gas, Hydrogen generated from the hydrogen-containing film can be selectively supplied to the transistor, and reduction of the capacitance film by hydrogen generated from the hydrogen-containing film can be suppressed by the oxidizing gas. Therefore, the characteristics of the transistor can be stabilized by compensating the crystal defects formed in the semiconductor substrate with hydrogen, and the deterioration of the characteristics of the capacitor film due to hydrogen can be suppressed. In addition, since the hydrogen barrier film is disposed so as to cover the capacitance film above the capacitor element and the moisture-resistant protective film is disposed above the hydrogen barrier film, the atmosphere when forming the moisture-resistant protective film is formed. Even if hydrogen is contained therein, diffusion of the hydrogen to the lower layer can be suppressed by the hydrogen barrier film. Therefore, it becomes difficult for hydrogen contained in the atmosphere when the moisture-resistant protective film is formed to reach the capacitance film, and deterioration of the characteristics of the capacitance film can be suppressed.
[0012]
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the stacked structure further includes one or more insulating layers disposed between the capacitor and the hydrogen-containing film. By disposing one or more insulating layers between the capacitor and the hydrogen-containing film, even if the capacitor and the hydrogen-containing film are formed of materials that react with each other, in the process of forming the hydrogen-containing film, The reaction between the hydrogen-containing film and the capacitor can be prevented.
[0013]
The stacked structure includes one insulating layer between the capacitor and the hydrogen-containing film, and the capacitor is disposed in contact with a surface of the insulating layer on the semiconductor substrate side, and a hydrogen-containing film is provided on a surface opposite to the surface. Preferably, they are arranged in contact. In this manner, in the mode in which the hydrogen-containing film is disposed above the capacitor, if the hydrogen-containing film and the capacitor are disposed via the single insulating layer, one layer of insulating material is provided above the capacitor. In the state where only the layer exists, the semiconductor substrate on which the stacked body including the hydrogen-containing film and the capacitor is formed can be heat-treated in an atmosphere containing an oxidizing gas. Therefore, oxygen is easily supplied to the capacitance film, and deterioration of the characteristics of the capacitance film due to hydrogen can be effectively suppressed. Further, even when the capacitor and the hydrogen-containing film are formed of materials that react with each other, the reaction between the hydrogen-containing film and the capacitor can be prevented in the process of forming the hydrogen-containing film.
[0014]
It is preferable that the hydrogen-containing film is disposed on a layer which is below the capacitance film and is in contact with the capacitance film. If the capacitance film and the hydrogen-containing film are arranged on the same surface, the semiconductor substrate on which the stacked body including the hydrogen-containing film and the capacitance film is formed in an atmosphere containing an oxidizing gas in a state where the capacitance film is exposed. For easy heat treatment. When the heat treatment is performed while exposing the capacitance film to the oxidizing gas, the reduction of the capacitance film by hydrogen generated from the hydrogen-containing film is effectively suppressed by the oxidizing gas, so that the deterioration of the characteristics of the capacitance film can be more effectively suppressed. .
[0015]
It is preferable that the hydrogen-containing film is disposed below the capacitance film. When the hydrogen-containing film is arranged closer to the transistor, hydrogen generated from the hydrogen-containing film is easily supplied to the semiconductor substrate, and characteristics of the transistor can be effectively stabilized. Furthermore, since the semiconductor substrate on which the laminated body including the hydrogen-containing film and the capacitance film is formed can be heat-treated in an atmosphere containing an oxidizing gas in a state where the capacitance film is exposed, the semiconductor substrate is generated from the hydrogen-containing film. The deterioration of the characteristics of the capacitance film due to hydrogen can be effectively suppressed.
[0016]
The hydrogen-containing film is preferably provided in a region immediately above the transistor. This is because the effect of the hydrogen generated from the hydrogen-containing film on the capacitor film can be reduced and the characteristics of the transistor can be effectively stabilized.
[0017]
The hydrogen barrier film is preferably disposed in the entire area immediately below the moisture-resistant protective film. This is because even if hydrogen is contained in the atmosphere when the moisture-resistant protective film is formed, deterioration of the characteristics of the capacitance film due to the hydrogen can be more effectively suppressed.
[0018]
The stacked structure may further include one or more wiring layers disposed between the hydrogen barrier film and the moisture-resistant protective film. This is because, even if hydrogen is contained in the atmosphere for forming the wiring layer and the moisture-resistant protective film above the hydrogen barrier film, deterioration of the capacitance film due to the hydrogen can be suppressed.
[0019]
The laminated structure has at least one wiring layer disposed between the hydrogen barrier film and the moisture-resistant protective film, an external electrode outlet penetrating the moisture-resistant protective film, and the wiring layer penetrating the hydrogen barrier film. And a contact plug connecting the electrode portion of the transistor to the transistor, the hydrogen barrier film is arranged in a region excluding the region where the contact plug is arranged from the entire region immediately below the moisture-resistant protective film and the external electrode outlet. Is preferred. This is because, even if hydrogen is contained in the atmosphere when the wiring layer or the moisture-resistant protective film is formed above the hydrogen barrier film, deterioration of the capacitance film due to the hydrogen can be effectively suppressed.
[0020]
It is preferable that the surface of the layer which is below the hydrogen barrier film and is in contact with the hydrogen barrier film and in contact with the hydrogen barrier film is flat. This is because, when the hydrogen barrier film is formed on a plane, the uniformity of the crystal of the hydrogen barrier film is increased, and the hydrogen barrier performance can be improved.
[0021]
The moisture-resistant protective film may include silicon nitride. The hydrogen barrier film preferably contains aluminum oxide. This is because a hydrogen barrier film containing aluminum oxide has high hydrogen barrier performance. The hydrogen-containing film preferably contains silicon nitride. This is because a hydrogen-containing film containing silicon nitride can contain much hydrogen. The capacitance film preferably includes a ferroelectric having a bismuth layer structure. This is because a ferroelectric having a bismuth layer structure has excellent durability against film fatigue due to polarization reversal and high reliability as a capacitance film.
[0022]
Next, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described.
[0023]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after the hydrogen-containing film is formed avoiding regions immediately above and immediately below the capacitor film, the semiconductor substrate on which the stacked body including the hydrogen-containing film and the capacitor is formed is oxidized. Heat treatment in an atmosphere containing a reactive gas. Thus, hydrogen generated from the hydrogen-containing film can be selectively supplied to the transistor, and reduction of the capacitance film by hydrogen generated from the hydrogen-containing film can be suppressed by the oxidizing gas. Therefore, the characteristics of the transistor can be stabilized by compensating the crystal defects formed in the semiconductor substrate with hydrogen, and the deterioration of the characteristics of the capacitor film due to hydrogen can be suppressed. In addition, since the hydrogen barrier film is formed so as to cover the capacitor film above the capacitor element and the moisture-resistant protective film is formed above the hydrogen barrier film, hydrogen is contained in the atmosphere when the moisture-resistant protective film is formed. Even if it is contained, diffusion of hydrogen to the lower layer can be suppressed by the hydrogen barrier film. Therefore, it becomes difficult for hydrogen contained in the atmosphere when the moisture-resistant protective film is formed to reach the capacitance film, and deterioration of the characteristics of the capacitance film can be suppressed.
[0024]
Hereinafter, an example of a semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0025]
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the semiconductor device of the present embodiment includes a semiconductor substrate 30 and transistors 1 and 1 ′ formed on the semiconductor substrate 30. An element isolation film 22 made of, for example, silicon oxide is formed on the semiconductor substrate 30 to separate the transistor 1 from the transistor 1 ′. The transistors 1, 1 'include electrode portions (gates 1a, 1a', sources 1b, 1b ', and drains 1c, 1c'). A first interlayer insulating film 2 mainly composed of, for example, silicon oxide is disposed on the upper layer of the transistors 1 and 1 ′, and a first interlayer insulating film 2 mainly composed of, for example, tungsten is formed on the first interlayer insulating film 2. One wiring layer 4 is arranged. Inside the first interlayer insulating film 2, a first contact plug 3 whose main component is, for example, tungsten, which connects the first wiring layer 4 to the source 1b or the like is arranged.
[0026]
On the first wiring layer 4 and the first interlayer insulating film 2, for example, a second interlayer insulating film 5 containing silicon oxide as a main component is disposed, and on the second interlayer insulating film 5, a capacitor is provided. A lower electrode 7a constituting the element is arranged. The lower electrode 7a is made of, for example, Pt / IrO ₂ / Ir / TiAlN, where Pt is a capacitor electrode, IrO ₂ / Ir serves as an oxygen barrier and TiAlN serves as a diffusion barrier for tungsten. Note that TiAlN means a nitride in which Ti, Al, and N are mixed at an arbitrary ratio. The lower electrode 7a is electrically connected to the drain 1c 'via a second contact plug 6 containing, for example, tungsten as a main component.
[0027]
On the second interlayer insulating film 5, for example, a spacer layer 8 mainly composed of silicon oxide is disposed, and the spacer layer 8 is formed so as to be substantially flush with the lower electrode 7a. On the spacer layer 8 and the lower electrode 7a, for example, SrBi ₂ Ta ₂ O ₉ A capacitance film 7b mainly composed of (a ferroelectric having a bismuth layer structure) is disposed, and an upper electrode 7c made of, for example, Pt is disposed on the capacitance film 7b. The lower electrode 7a, the capacitance film 7b, and the upper electrode 7c form the capacitance element 7.
[0028]
On the capacitance film 7b, the upper electrode 7c, and the spacer layer 8, for example, a third interlayer insulating film 9 containing silicon oxide as a main component is arranged. On the third interlayer insulating film 9, for example, aluminum is formed. A second wiring layer 11 as a main component is arranged. The second wiring layer 11 is interposed via a third contact plug 10 mainly composed of, for example, tungsten, penetrating through the second interlayer insulating film 5, the spacer layer 8 and the third interlayer insulating film 9. And is electrically connected to the first wiring layer 4.
[0029]
On the second wiring layer 11 and the third interlayer insulating film 9, for example, a fourth interlayer insulating film 12 containing silicon oxide as a main component is arranged, and on the fourth interlayer insulating film 12, for example, And a third wiring layer 14 mainly composed of aluminum. The third wiring layer 14 is electrically connected to the second wiring layer 11 via a fourth contact plug 13 mainly penetrating tungsten, for example, disposed through the inside of the fourth interlayer insulating film 12. Connected.
[0030]
A memory cell is constituted by the capacitor 7, the second contact plug 6, the transistor 1 ', and the first wiring layer 4. Hereinafter, a region where the semiconductor device includes the memory cell is referred to as “memory cell region 15”. In the memory cell region 15, the first wiring layer 4 functions as a bit line, and the upper electrode 7c functions as a cell plate. On the other hand, a region including the transistor 1 is referred to as a “peripheral circuit region 16”.
[0031]
In the peripheral circuit region 16, a hydrogen-containing film 17 containing, for example, silicon nitride is disposed on the third wiring layer 14 and the fourth interlayer insulating film 12. A hydrogen barrier film 18 containing, for example, aluminum oxide is disposed on the hydrogen-containing film 17, the third wiring layer 14, and the fourth interlayer insulating film 12, and a moisture-resistant film containing, for example, silicon nitride is provided on the hydrogen barrier film 18. The protective film 19 is disposed. An external electrode outlet 21 is formed through the hydrogen barrier film 18 and the moisture-resistant protective film 19, and a part of the third wiring layer 14 is exposed at the external electrode outlet 21.
[0032]
In the semiconductor device of the present embodiment, the hydrogen-containing film 17 is disposed below the hydrogen barrier film 18 so as not to be located directly above and directly below the capacitance film 7b, and further to be arranged so as to avoid the memory cell region 15. In the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment, before forming the hydrogen barrier film 18, the semiconductor substrate 30 on which the stacked body including the hydrogen-containing film 17 and the capacitor 7 is formed is placed in an atmosphere containing an oxidizing gas. If the heat treatment is performed in the inside, the hydrogen generated from the hydrogen-containing film 17 can be selectively supplied to the transistors 1 and 1 ′, and the reduction of the capacity film 7 b by the hydrogen generated from the hydrogen-containing film 17 can be suppressed by the oxidizing gas. Therefore, the crystal defects formed on the surface of the semiconductor substrate 30 can be compensated by hydrogen to stabilize the characteristics of the transistors 1 and 1 ′, and the deterioration of the characteristics of the capacitance film 7b due to hydrogen can be suppressed. Here, the oxidizing gas is a gas of a substance containing an oxygen element, for example, oxygen, ozone, nitrous oxide (N ₂ O) and the like.
[0033]
When the capacitance element 7 and the hydrogen-containing film 17 are made of a material that reacts with each other, for example, the upper electrode 7c of the capacitance element 7 is made of Pt, Ir, Ru, In the case where Ti and Ta are included, as shown in FIG. 1, if one or more insulating layers are disposed between the capacitor 7 and the hydrogen-containing film 17, in the process of forming the hydrogen-containing film 17, A reaction between the hydrogen-containing film and the upper electrode 7b, for example, a silicide reaction can be prevented.
[0034]
The hydrogen-containing film 17 is disposed over the entire peripheral circuit region 16. However, if the hydrogen-containing film is disposed in a region immediately above the transistor, the effect of hydrogen generated from the hydrogen-containing film on the capacitance film is reduced. In addition, the characteristics of the transistor can be effectively stabilized.
[0035]
The hydrogen barrier film 18 includes aluminum oxide having high hydrogen barrier performance, but may further include another metal oxide such as titanium oxide or tantalum oxide. Instead of aluminum oxide, titanium nitride, tantalum nitride, aluminum nitride, or a plurality thereof may be included. When the hydrogen barrier film 18 containing the above-described material has conductivity, for example, when it contains titanium nitride or tantalum nitride, one or more buffer layers (between the third wiring layer 14 and the hydrogen barrier film 18) are formed. An insulating layer). The surface of the buffer layer in contact with the hydrogen barrier film is more preferably a flat surface. This is because, when the hydrogen barrier film is formed on a plane, the uniformity of the crystal of the hydrogen barrier film is increased, and the hydrogen barrier performance can be improved. The surface in contact with the hydrogen barrier film can be planarized by using, for example, a chemical mechanical polishing (CMP) method.
[0036]
The capacitance film 7 containing the metal oxide is made of SrBi ₂ Ta ₂ O ₉ In addition to a ferroelectric having a bismuth layered structure containing as a main component, a ferroelectric having another bismuth layered structure, for example, Bi _3.25 La _0.75 Ti ₃ O ₁₂ And so on. A ferroelectric having a bismuth layer structure has excellent film fatigue resistance due to polarization reversal, so that a highly reliable ferroelectric memory can be realized. Further, the capacitance film 7 is not limited to a ferroelectric having a bismuth layered structure, but may be composed of Pb (Zr _1-x Ti _x ) O ₃ Ferroelectrics having a perovskite structure such as (0 ≦ x ≦ 1), (Bi _1-x Sr _x ) TiO ₃ (0 ≦ x ≦ 1), Ta ₂ O ₅ For example, a metal oxide having a high dielectric constant such as a metal oxide may be used.
[0037]
The semiconductor device shown in FIG. 1 includes one wiring layer (first wiring layer 4) disposed below the capacitor 7 and two wiring layers (second wiring layer) disposed above the capacitor 7. The wiring layer 11 and the third wiring layer 14) are included, but the wiring layer is not necessarily required below the capacitive element 7, or two or more wiring layers may be provided. It is sufficient that at least one wiring layer is provided above the capacitive element 7.
[0038]
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
[0039]
First, as shown in FIG. 2A, a transistor 1, 1 'and an element isolation film 22 made of silicon oxide for separating the transistors 1, 1' are formed on a semiconductor substrate 30. The transistors 1, 1 'include electrode portions (gates 1a, 1a', sources 1b, 1b ', and drains 1c, 1c').
[0040]
Next, a first interlayer insulating film 2 mainly containing silicon oxide is formed on the semiconductor substrate 30 on which the transistors 1 and 1 'are formed. Next, a part of the first interlayer insulating film 2 is removed by plasma etching to form a contact hole reaching the source 1b and the like, and a metal containing tungsten as a main component is buried in the contact hole to form the first hole. Is formed.
[0041]
Next, a metal film containing tungsten as a main component is formed on the first interlayer insulating film 2 and then patterned into a predetermined shape to form a first wiring layer 4. Next, a second interlayer insulating film 5 containing silicon oxide as a main component is formed on the first wiring layer 4 and the first interlayer insulating film 2. Next, a contact hole reaching the drain 1c 'is formed in the first interlayer insulating film 2 and the second interlayer insulating film 5 by plasma etching, and a metal mainly containing tungsten is buried in the contact hole. Then, the second contact plug 6 is formed.
[0042]
Next, from the upper layer, Pt / IrO ₂ A laminated film laminated in the order of / Ir / TiAlN is prepared, and the laminated film is arranged on the second interlayer insulating film 5 so as to cover the second contact plug 6, thereby forming the lower electrode 7a. Next, a film mainly composed of silicon oxide is formed on the lower electrode 7a and the second interlayer insulating film 5, and this film is polished by a CMP method until the lower electrode 7a is exposed. Form.
[0043]
Next, SrBi is applied on the lower electrode 7a and the spacer layer 8 by a chemical solution coating (CSD) method. ₂ Ta ₂ O ₉ Is formed and patterned into a predetermined shape to form a capacitor film 7b. Next, a Pt film is formed on the capacitance film 7b, and is patterned into a predetermined shape to form the upper electrode 7c.
[0044]
Next, a third interlayer insulating film 9 containing silicon oxide as a main component is formed on the capacitor film 7b, the upper electrode 7c, and the spacer layer 8. Next, a contact hole reaching the first wiring layer 4 is formed in the second interlayer insulating film 5, the spacer layer 8, and the third interlayer insulating film 9 by plasma etching, and tungsten is formed in the contact hole. The third contact plug 10 is formed by embedding a metal mainly composed of.
[0045]
Next, a metal film containing aluminum as a main component is formed on the third interlayer insulating film 9 and then patterned into a predetermined shape to form the second wiring layer 11. Next, a fourth interlayer insulating film 12 containing silicon oxide as a main component is formed on the second wiring layer 11 and the third interlayer insulating film 9. Next, a contact hole reaching the second wiring layer 11 is formed in the fourth interlayer insulating film 12 by plasma etching, and a metal containing tungsten as a main component is buried in the contact hole. Is formed. Next, a metal film containing aluminum as a main component is formed on the fourth interlayer insulating film 12 and then patterned into a predetermined shape to form a third wiring layer 14.
[0046]
Next, as shown in FIG. 2B, a silicon nitride film is formed on the entire surface of the third wiring layer 14 and the fourth interlayer insulating film 12 by a plasma CVD method, and then a portion of the memory cell region 15 is formed. Is removed by dry etching to form a hydrogen-containing film 17. If a silicon nitride film is formed by a plasma CVD method, a hydrogen-containing film 17 containing a large amount of hydrogen can be formed.
[0047]
As described above, a stacked body including the capacitor 7 having the capacitor film 7b including the metal oxide and the hydrogen-containing film 17 is formed on the semiconductor substrate 30 on which the transistors 1 and 1 'are formed.
[0048]
Next, the semiconductor substrate 30 on which the stacked body including the hydrogen-containing film 17 and the capacitor 7 is formed is heat-treated at 450 ° C. for 30 minutes in a 100% oxygen atmosphere.
[0049]
Next, as shown in FIG. 2C, a film containing aluminum oxide as a main component is formed on the hydrogen-containing film 17, the third wiring layer 14, and the fourth interlayer insulating film 12, and the film is formed on this film. Then, a silicon nitride film is formed by a plasma CVD method. Next, the film mainly composed of aluminum oxide and the silicon nitride film are removed by plasma etching so that a part of the third wiring layer 14 is exposed, thereby forming the external electrode outlet 21. The film containing aluminum oxide as a main component from which the portion serving as the external electrode outlet 21 has been removed becomes the hydrogen barrier film 18, and the silicon nitride film from which the portion serving as the external electrode outlet 21 has been removed forms the moisture-resistant protective film 19. Become. If a film containing aluminum oxide as a main component is formed by sputtering a target containing aluminum in an atmosphere containing an oxidizing gas, the hydrogen barrier film 18 with high hydrogen barrier performance can be formed.
[0050]
The insulating layers such as the first to fourth interlayer insulating films and the spacer layer 8 are formed by a normal film forming method such as a plasma CVD method, a thermal CVD method, and an SOG (Spin-On-Grass) method. Preferably, the third interlayer insulating film 9 and the fourth interlayer insulating film 12 above the capacitor 7 may be formed by a sputtering method which does not release hydrogen.
[0051]
FIG. 3A shows a state of the heat treatment in the 100% oxygen atmosphere described with reference to FIG. As shown in FIG. 3A, when the semiconductor substrate 30 on which the stacked body including the hydrogen-containing film 17 and the capacitor 7 is formed is heat-treated in a 100% oxygen atmosphere, hydrogen generated from the hydrogen-containing film 17 is reduced. Spreads downward. Since the crystal defects formed in the semiconductor substrate 30 are compensated by the hydrogen, the characteristics of the transistors 1 and 1 'can be stabilized. In this heat treatment, even if a part of the hydrogen generated from the hydrogen-containing film 17 flows into the memory region 15, oxygen suppresses the reduction of the capacity film 7b by hydrogen, so that the deterioration of the characteristics of the capacity film 7b can be suppressed. In addition, hydrogen is contained in the atmosphere when the third interlayer insulating film 9, the fourth interlayer insulating film 12, the second wiring layer 11, the third wiring layer 14, and the like are formed, and the hydrogen causes the capacitance film to be formed. Even if a part of 7b is reduced, the reduced capacity film 7b can be oxidized with oxygen to recover the characteristics of the capacity film 7b.
[0052]
The heat treatment described with reference to FIGS. 2B and 3A is performed in a 100% oxygen atmosphere. In the atmosphere, in addition to an oxygen gas such as oxygen, nitrogen, argon, or the like is included. It may contain an inert gas. The semiconductor substrate 30 on which the stacked body including the hydrogen-containing film 17 and the capacitor 7 is formed is first heat-treated in an atmosphere containing only an inert gas such as nitrogen to generate hydrogen from the hydrogen-containing film 17. After that, heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas.
[0053]
The heat treatment described with reference to FIGS. 2B and 3A has an atmosphere temperature of 450 ° C., but the atmosphere temperature may be in a range of 350 to 500 ° C. If the temperature is lower than 350 ° C., a sufficient amount of hydrogen is not generated from the hydrogen-containing film 17 and the suppression of the characteristic deterioration of the capacitance film 7b due to the oxidizing gas is not sufficient. If the temperature is higher than 500 ° C., it is not preferable because aluminum is melted when aluminum is contained.
[0054]
FIG. 3B shows a process of forming the moisture-resistant protective film 19 containing silicon nitride by a plasma CVD method. When forming the moisture-resistant protective film 19 by the plasma CVD method, a slight amount of hydrogen is contained in the atmosphere. Since the hydrogen barrier film 18 is arranged over the entire area immediately below the moisture-resistant protective film 19, the hydrogen barrier film 18 prevents hydrogen contained in the atmosphere when the moisture-resistant protective film 19 is formed from diffusing to the lower layer. It is possible to effectively suppress the deterioration of the characteristics of the capacitance film 7b due to hydrogen. Note that even when the hydrogen barrier film 18 is arranged only in a range covering at least the capacitance film 7b, it becomes difficult for hydrogen in the atmosphere when the moisture-resistant protective film 19 is formed to reach the capacitance film 7b. Of the characteristics can be suppressed.
[0055]
(Embodiment 2)
The semiconductor device of the present embodiment is the same as the first embodiment except that the arrangement position of the hydrogen-containing film 17 is different as shown in FIG. The same reference numerals are given to the members described above, and the description thereof is omitted.
[0056]
In the first embodiment, the hydrogen-containing film 17 is disposed above the third wiring layer 14 (see FIG. 1), whereas in the present embodiment, the buffer layer 20 disposed on the capacitive element 7 is provided. (Insulating layer). That is, one insulating layer (buffer layer 20) is disposed between the capacitor 7 and the hydrogen-containing film 17, and the capacitor 7 is disposed in contact with the surface of the insulating layer on the semiconductor substrate side, and the opposite surface is provided. And a hydrogen-containing film 17 is disposed in contact therewith. As described above, in the mode in which the hydrogen-containing film 17 is disposed above the capacitor 7, if the hydrogen-containing film 17 and the capacitor 7 are disposed via one insulating layer, the upper layer In a state where only one insulating layer (buffer layer 20) is present, the semiconductor substrate 30 on which the stacked body including the hydrogen-containing film 17 and the capacitor 7 is formed can be heat-treated in an atmosphere containing an oxidizing gas. . Since heat treatment can be performed in a state where only one insulating layer is present on the upper layer of the capacitive element 7, oxygen is easily supplied to the capacitive film 7 b as compared with the first embodiment, and the capacitive film 7 b is formed by hydrogen generated from the hydrogen-containing film 17. Degradation can be effectively suppressed. Further, even if the capacitor and the hydrogen-containing film are made of a material that reacts with each other, since one insulating layer is disposed between the capacitor and the hydrogen-containing film, the hydrogen-containing film and the capacitor Reaction can be prevented.
[0057]
When the upper electrode 7b and the hydrogen-containing film 17 are made of materials that do not react with each other, for example, the upper electrode 7b is made of IrO with respect to the hydrogen-containing film 17 containing silicon nitride. ₂ , RuO ₂ , TiN, and TaN as main components, it is better not to have the buffer layer 20. That is, as shown in FIG. 4B, the capacitance film 7b may be disposed on a layer (spacer layer 8) which is lower than the hydrogen-containing film 17 and is disposed in contact with the hydrogen-containing film 17. preferable. In the case where the capacitance film 7b and the hydrogen-containing film 17 are arranged on the same plane, the semiconductor substrate 30 on which the stacked body including the capacitance film 7b and the hydrogen-containing film 17 is formed while exposing the capacitance film 7b to an oxidizing gas. Can be easily heat-treated in an atmosphere containing an oxidizing gas, so that oxygen is more easily supplied to the capacitance film 7b, and deterioration of characteristics of the capacitance film 7b due to hydrogen generated from the hydrogen-containing film 17 can be effectively suppressed.
[0058]
Further, as shown in FIG. 5, the hydrogen-containing film 17 may be disposed below the capacitance film 7b. If the hydrogen-containing film 17 is arranged closer to the transistors 1 and 1 ', hydrogen generated from the hydrogen-containing film 17 is easily supplied to the semiconductor substrate 30, and the characteristics of the transistors 1 and 1' can be effectively stabilized. Further, the semiconductor substrate 30 on which the stacked body including the hydrogen-containing film 17 and the capacitance film 7b is formed can be heat-treated in an atmosphere containing an oxidizing gas in a state where the capacitance film 7b is exposed. Deterioration of the characteristics of the capacitance film 7b due to hydrogen generated from the film 17 can be effectively suppressed.
[0059]
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 4A will be described with reference to FIGS.
[0060]
A first interlayer insulating film 2, a first contact plug 3, a first wiring layer 4, a second interlayer insulating film 5, a first interlayer insulating film 2, a first contact plug 3, a second interlayer insulating film 5, The steps up to the formation of the second contact plug 6, the lower electrode 7a, the spacer layer 8, the capacitor film 7b, and the upper electrode 7c are the same as in the first embodiment (see FIG. 6A).
[0061]
Next, as shown in FIG. 6B, a buffer layer 20 containing silicon oxide as a main component is formed on the capacitor film 7b, the upper electrode 7c, and the spacer layer 8 by, for example, a plasma CVD method. Next, a silicon nitride film is formed on the entire surface of the buffer layer 20 by a plasma CVD method, and a portion of the memory cell region 15 of the silicon nitride film is removed by dry etching to form a hydrogen-containing film 17. Thus, a stacked body including the capacitor 7 and the hydrogen-containing film 17 is formed on the semiconductor substrate 30 on which the transistors 1 and 1 'are formed.
[0062]
Next, the semiconductor substrate 30 on which the stacked body including the hydrogen-containing film 17 and the capacitor 7 is formed is heat-treated in an atmosphere containing an oxidizing gas in the same manner as in the first embodiment.
[0063]
Next, as shown in FIG. 6C, a third interlayer insulating film 9 is formed on the hydrogen-containing film 17 and the buffer layer 20. Next, contact holes reaching the first wiring layer 4 are formed in the second interlayer insulating film 5, the spacer layer 8, the buffer layer 20, the hydrogen-containing film 17, and the third interlayer insulating film 9 by plasma etching. A third contact plug 10 is formed by burying a metal containing tungsten as a main component in the contact hole.
[0064]
Next, a metal film containing aluminum as a main component is formed on the third interlayer insulating film 9 and then patterned into a predetermined shape to form the second wiring layer 11. Next, a fourth interlayer insulating film 12 containing silicon oxide as a main component is formed on the second wiring layer 11 and the third interlayer insulating film 9. Next, a contact hole reaching the second wiring layer 11 is formed in the fourth interlayer insulating film 12 by plasma etching, and a metal containing tungsten as a main component is buried in the contact hole. Is formed. Next, a metal film containing aluminum as a main component is formed on the fourth interlayer insulating film 12 and then patterned into a predetermined shape to form a third wiring layer 14.
[0065]
Next, a film containing aluminum oxide is formed on third wiring layer 14 and fourth interlayer insulating film 12. The film containing aluminum oxide is formed by sputtering a target containing aluminum in an atmosphere containing an oxidizing gas. Next, a silicon nitride film is formed over the film containing aluminum oxide by a plasma CVD method. Next, the film mainly composed of aluminum oxide and the silicon nitride film are removed by plasma etching so that a part of the third wiring layer 14 is exposed, so that the external electrode outlet 21 is formed. The film containing aluminum oxide as a main component from which the portion serving as the external electrode outlet 21 has been removed becomes the hydrogen barrier film 18, and the silicon nitride film from which the portion serving as the external electrode outlet 21 has been removed forms the moisture-resistant protective film 19. Become.
[0066]
The heat treatment in the atmosphere containing the oxidizing gas described with reference to FIG. 6B is performed immediately after the formation of the hydrogen-containing film 17. Is not limited to this as long as it is formed on the semiconductor substrate 30 and before the hydrogen barrier film 18 is formed. The number of heat treatments is not limited to one, but may be plural.
[0067]
(Embodiment 3)
The semiconductor device according to the present embodiment is the same as the second embodiment except that the arrangement position of the hydrogen barrier film 18 in the semiconductor device is different as shown in FIG. The same reference numerals are given to the members described above, and the description thereof is omitted.
[0068]
In the second embodiment, the hydrogen barrier film 18 is disposed above the uppermost wiring layer (the third wiring layer 14) (see FIG. 4A). In the embodiment, they are arranged below the second wiring layer 11 and the third wiring layer 14. That is, one or more wiring layers are arranged between the hydrogen barrier film 18 and the moisture-resistant protective film 19. In such an embodiment, hydrogen is contained in the atmosphere when the wiring layers (the second wiring layer 11 and the third wiring layer 14), the moisture-resistant protective film 19, and the like are formed above the hydrogen barrier film 18. However, the diffusion of hydrogen to the lower layer can be suppressed by the hydrogen barrier film 18, and the deterioration of the capacity film 7b due to hydrogen can be suppressed.
[0069]
Further, in the present embodiment, an external electrode outlet 21 penetrating through the moisture-resistant protective film 19 is provided, and a contact plug (second plug) connecting the wiring layer (second wiring layer 11) and the electrode portion of the transistor is provided. 3 contact plugs 10) are arranged to penetrate the hydrogen barrier film 18. Further, the hydrogen barrier film 18 is disposed in a region excluding the region where the contact plug (the third contact plug 10) is disposed from the entire region immediately below the moisture-resistant protective film 19 and the external electrode outlet 21. In such a form, hydrogen is contained in the atmosphere when the wiring layers (second wiring layer 11 and third wiring layer 14) and the moisture-resistant protective film 18 are formed above the hydrogen barrier film 18. However, the deterioration of the capacitance film 7b due to the hydrogen can be effectively suppressed.
[0070]
When the hydrogen barrier film 18 has conductivity, the hydrogen barrier film 18 is disposed around the third contact plug 10 in order to prevent conduction between the third contact plug 10 and the hydrogen barrier film 18. Need to be done. In addition, in the embodiment shown in FIG. 4B, the hydrogen barrier film 18 can be arranged so as to be in contact with the capacitor 7, but when the hydrogen barrier film has conductivity, the capacitor and the hydrogen barrier It is necessary to arrange a buffer layer (insulating layer) for preventing conduction between the layers.
[0071]
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 7 will be described with reference to FIG.
[0072]
As shown in FIG. 8A, a first interlayer insulating film 2, a first contact plug 3, and a first wiring layer are formed on a semiconductor substrate 30 on which transistors 1, 1 'and an isolation film 22 are formed. 4, the embodiment until the second interlayer insulating film 5, the second contact plug 6, the lower electrode 7a, the spacer layer 8, the capacitor film 7b, the upper electrode 7c, the buffer layer 20, and the hydrogen-containing film 17 are formed. Same as 2.
[0073]
Next, the semiconductor substrate 30 on which the stacked body including the hydrogen-containing film 17 and the capacitor 7 is formed in the same manner as in the process described with reference to FIG. Heat treatment is performed in an atmosphere containing an oxidizing gas.
[0074]
Next, as shown in FIG. 8B, a hydrogen barrier film 18 is formed on the entire surface of the hydrogen-containing film 17 and the buffer layer 20. The hydrogen barrier film 18 is formed by sputtering a target containing aluminum in an atmosphere containing an oxidizing gas.
[0075]
Next, a third interlayer insulating film 9 containing silicon oxide as a main component is formed on the hydrogen barrier film 18. Next, a contact reaching the first wiring layer 4 is formed inside the second interlayer insulating film 5, the spacer layer 8, the buffer layer 20, the hydrogen-containing film 17, the hydrogen barrier film 18, and the third interlayer insulating film 9. A hole is formed by plasma etching, and a metal mainly containing tungsten is buried in the contact hole to form a third contact plug 10.
[0076]
Next, a metal film containing aluminum as a main component is formed on the third interlayer insulating film 9 and then patterned into a predetermined shape to form the second wiring layer 11. Next, a fourth interlayer insulating film 12 containing silicon oxide as a main component is formed on the second wiring layer 11 and the third interlayer insulating film 9. Next, a contact hole reaching the second wiring layer 11 is formed in the fourth interlayer insulating film 12 by plasma etching, and a metal containing tungsten as a main component is buried in the contact hole. Is formed. Next, a metal film containing aluminum oxide as a main component is formed on the fourth interlayer insulating film 12, and then patterned into a predetermined shape to form a third wiring layer.
[0077]
Next, a silicon nitride film is formed on the entire surface of the fourth interlayer insulating film 12 and the third wiring layer 14 by plasma CVD, and the silicon nitride film is partially etched by plasma etching. Is removed so as to be exposed to form an external electrode outlet 21. The silicon nitride film from which the portion serving as the external electrode outlet 21 has been removed becomes the moisture-resistant protective film 19.
[0078]
In the first to third embodiments, after the heat treatment in an atmosphere containing an oxidizing gas, the hydrogen barrier film 18 is formed while the hydrogen-containing film 17 is left. It may be completely removed. If the hydrogen-containing film 17 is removed, an increase in the level difference can be prevented, and the next laminating step becomes easy.
[0079]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device in which characteristics of a transistor are stabilized and deterioration of characteristics of a capacitor film including a metal oxide is suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a main part showing an example of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a step of the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a process sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor device illustrated in FIG. 1;
FIG. 4 is a sectional view of a main part showing another example of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of a main part showing another example of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 6 is a process sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor device illustrated in FIG. 4;
FIG. 7 is a sectional view of a principal part showing another example of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 8 is a process sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 7;
FIG. 9 is a sectional view of a main part showing a conventional semiconductor device.
FIG. 10 is a schematic view showing a problem of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1,1 'transistor
1a, 1a 'gate
1b, 1b 'source
1c, 1c 'drain
2 First interlayer insulating film
3 First contact plug
4 First wiring layer
5 Second interlayer insulating film
6 Second contact plug
7 Capacitance element
7a Lower electrode
7b capacitance film
7c Upper electrode
8 Spacer layer
9 Third interlayer insulating film
10 Third contact plug
11 Second wiring layer
12 Fourth interlayer insulating film
13 Fourth contact plug
14 Third wiring layer
15 Memory cell area
16 Peripheral circuit area
17 Hydrogen-containing membrane
18 Hydrogen barrier film
19 Moisture resistant protective film
20 Buffer layer
21 External electrode outlet
22 Device isolation film
30 Semiconductor substrate

Claims

A semiconductor substrate, a transistor formed over the semiconductor substrate, a capacitor disposed above the transistor and including a capacitor film including a metal oxide, and a capacitor disposed above the capacitor and covering the capacitor film. A stacked structure including a hydrogen barrier film and a moisture-resistant protective film disposed above the hydrogen barrier film, wherein the stacked structure is located below the hydrogen barrier film and directly above and below the capacitance film. A semiconductor device, further comprising a hydrogen-containing film disposed so as to avoid it.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the stacked structure further includes one or more insulating layers disposed between the capacitance element and the hydrogen-containing film.

The laminated structure includes one layer of the insulating layer, wherein the capacitor is disposed in contact with a surface of the insulating layer on the semiconductor substrate side, and the hydrogen-containing film is disposed in contact with a surface opposite to the surface. 3. The semiconductor device according to 2.

2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the hydrogen-containing film is disposed on a layer below the capacitance film and disposed in contact with the capacitance film. 3.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the hydrogen-containing film is disposed below the capacitance film.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the hydrogen-containing film is disposed in a region immediately above the transistor.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the hydrogen barrier film is disposed in an entire area immediately below the moisture-resistant protective film.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the stacked structure further includes one or more wiring layers disposed between the hydrogen barrier film and the moisture-resistant protective film.

The transistor includes an electrode portion, and the stacked structure includes an external electrode outlet that penetrates the moisture-resistant protective film, and a contact plug that penetrates the hydrogen barrier film and connects the wiring layer and the electrode portion. 9. The semiconductor device according to claim 8, further comprising: the hydrogen barrier film is disposed in a region excluding a region in which the contact plug is disposed from an entire region immediately below the moisture-resistant protective film and the external electrode outlet.

The semiconductor device according to claim 1, wherein a surface of the layer disposed below and in contact with the hydrogen barrier film and in contact with the hydrogen barrier film is a flat surface.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the moisture-resistant protective film includes silicon nitride.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the hydrogen barrier film includes aluminum oxide.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the hydrogen-containing film includes silicon nitride.

14. The semiconductor device according to claim 1, wherein the capacitance film includes a ferroelectric having a bismuth layer structure.

A first step of forming a stacked body including a capacitor including a capacitor film including a metal oxide and a hydrogen-containing film on a semiconductor substrate on which a transistor is formed, and the semiconductor substrate including the stacked body formed A heat treatment in an atmosphere containing an oxidizing gas, and after the second step, a hydrogen barrier film is formed so as to cover the capacitance film above the capacitance element, and a moisture-resistant protective film is formed. Forming a hydrogen-containing film in a layer above the hydrogen barrier film, wherein in the first step, the hydrogen-containing film is formed so as not to be directly above and immediately below the capacitance film. Manufacturing method.

The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 15, further comprising: after the second step and before the third step, removing the hydrogen-containing film.

The method according to claim 15, wherein in the first step, the hydrogen-containing film containing silicon nitride is formed by a plasma CVD method.

The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 15, wherein in the third step, the hydrogen barrier film containing aluminum oxide is formed by sputtering a target containing aluminum in an atmosphere containing an oxidizing gas.