JP2005011866A

JP2005011866A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2005011866A
Application number: JP2003171802A
Authority: JP
Inventors: Junji Noma; 淳史野間; Takumi Mikawa; 巧三河
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】上部電極の上面のうち水素透過防止層が存在していない領域を介して、水素が容量素子に進入することを防止する。
【解決手段】半導体装置は、第１の絶縁層１０１の上に順次に形成された、下部電極１０４、容量絶縁膜１０５及び上部電極１０６から構成されている容量素子１０７と、容量素子１０７を覆うように形成されており、上部電極１０６の上面を露出させる開口部１０８ａを有する上部絶縁性水素透過防止層１０８と、上部絶縁性水素透過防止層１０８の上に形成されており、第１の開口部１０８ａと連通する第２の開口部１０９ａを有する第２の絶縁層１０９と、前記上部電極１０６の上面における第１の開口部１８ａ及び第２の開口部１０９ａに露出している領域に形成された上部導電性水素透過防止層１０６と、上部導電性水素透過防止層１０６の上に形成された配線層１１１とを備えている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体膜又は高誘電率膜よりなる容量絶縁膜を用いる容量素子を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタル技術の進展に伴って、大容量のデータを高速に処理又は保存する傾向が進展される中で、電子機器に使用される半導体装置の高集積化、高性能化が要求されている。そこで、半導体記憶装置（ＤＲＡＭ）の高集積化を実現するために、シリコン酸化物又はシリコン窒化物よりなる従来の容量絶縁膜に代えて、高誘電率膜よりなる容量絶縁膜を容量素子に用いる技術が広く研究開発されている。また、従来にない低動作電圧であって且つ高速での書き込み及び読み出し動作を可能とする不揮発性ＲＡＭを実現するために、容量絶縁膜として自発分極特性を有する強誘電体膜に関する研究開発が盛んに行なわれている。
【０００３】
一般に、高誘電率膜又は強誘電体膜の材料としては、チタン酸バリウムストロンチウム、五酸化タンタル、チタン酸ジルコン酸鉛又はタンタル酸ビスマスストロンチウム等の絶縁性金属酸化物が広く用いられる。
【０００４】
しかしながら、これらの絶縁性金属酸化物は製造工程における水素を含む雰囲気中での熱処理により容易に還元されるので、リーク電流の増加、比誘電率の減少又は残留分極値の減少等といった容量素子の特性劣化を引き起こす。従って、これらの絶縁性金属酸化物を用いた容量素子を半導体集積回路上に集積化する場合には、半導体集積回路の製造工程において必須である水素を含む雰囲気中での熱処理の際に、水素が容量素子に到達することを防止する必要がある。このため、容量素子を何らかの水素透過防止層によって被覆する方法が行なわれている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
以下、従来の半導体装置について図７を参照しながら説明する。
【０００６】
図７に示すように、半導体基板１上に第１の絶縁層２が形成されており、該第１の絶縁層２には、下端が半導体基板１と連通するコンタクトプラグ３が形成されている。第１の絶縁層２及びコンタクトプラグ３の上に順次形成された、下面がコンタクトプラグ３の上端と電気的に接続される下部電極４、容量絶縁膜５及び上部電極６から構成される容量素子７が形成されている。
【０００７】
第１の絶縁層２の上に、容量素子７を覆うように水素透過防止層８及び第２の絶縁層９が下から順に形成されており、水素透過防止層８及び第２の絶縁層９には、上部電極６の上面を露出させる開口部６ａが形成されている。開口部６ａに露出している上部電極６の上面及び第２の絶縁層９の上に、上部電極６と電気的に接続される配線層１０が形成されている。
【０００８】
尚、図７に示した半導体装置の構成において、水素透過防止層８は、容量素子７の上部電極６と下部電極４とが短絡しないように絶縁性材料から構成されていなければならない。
【０００９】
次に、図７に示した従来の半導体装置の製造方法について、図８（ａ）〜（ｃ）並びに図９（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。
【００１０】
図８（ａ）に示すように、半導体基板１上に全面に亘って第１の絶縁層２を堆積する。
【００１１】
次に、図８（ｂ）に示すように、第１の絶縁層２における所定の領域に半導体基板１の上面と連通するコンタクトホール３ａを形成した後、該コンタクトホール３ａを充填するようにコンタクトプラグ３を形成する。
【００１２】
次に、図８（ｃ）に示すように、第１の絶縁層２及びコンタクトプラグ３の上に順次形成された、下面がコンタクトプラグ３の上端と電気的に接続する下部電極４、容量絶縁膜５及び上部電極６よりなる容量素子７を形成する。
【００１３】
次に、図９（ａ）に示すように、第１の絶縁層２の上に、容量素子７を覆うように全面に亘って下から順に水素透過防止層８及び第２の絶縁層９を堆積した後、水素透過防止層８及び第２の絶縁層９における所定の領域に上部電極６の上面を露出させる開口部６ａを形成する。
【００１４】
次に、図９（ｂ）に示すように、第２の絶縁層９の上に、開口部６ａに露出している上部電極６の上面を含む全面に亘って導電層を堆積した後、該導電層を所定の形状にエッチングすることにより、上部電極６の上面と電気的に接続するパターニングされた配線層１０を形成する。
【００１５】
前述のように、従来の半導体装置及びその製造方法によると、水素透過防止層８によって容量素子７の上方を覆うことにより、水素を含む雰囲気中における熱処理の際に容量素子７の上方から容量素子７へ水素が侵入することを防止している。
【００１６】
【特許文献１】
特許第３３３１３３４号公報（第１５頁、第２０図）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、下部電極、容量絶縁膜及び上部電極よりなる容量素子を有する半導体装置においては、容量素子を機能させるために、配線を用いて下部電極又は上部電極に対して電気的な接続を行なう必要がある。
【００１８】
前記従来の半導体装置においては、図７に示すように、上部電極６に対して電気的な接続を行なうために配線層１０が形成されている。
【００１９】
しかしながら、配線層１０を形成する場合、水素透過防止層８が絶縁性材料により構成されていることに鑑みると、上部電極６と配線層１０とが電気的に接続されるように形成するためには、図９（ａ）に示したように、上部電極６の上面の少なくとも一部が露出するように水素透過防止層８を除去することが必然となり、水素透過防止層８を除去することにより露出した上部電極６の上面と配線層１０とが直接接続される構成にならざるを得ない。
【００２０】
従って、半導体装置を製造する工程において、例えば、半導体基板１上に別途形成されているトランジスタ素子が配線層１０の形成の際に被ったダメージを回復するために行なわれる水素雰囲気中での熱処理等のように、配線層１０を形成した後に必須の処理となる水素雰囲気中での熱処理によって、上部電極６の上面のうち水素透過防止層８が存在していない領域を介して水素が容量素子７に侵入する。これにより、容量絶縁膜５が還元されて容量素子７の特性劣化が生じるという問題があった。
【００２１】
前記に鑑み、本発明は、上部電極の上面のうち水素透過防止層が存在していない領域を介して、水素が容量素子に進入することを防止することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、第１の絶縁層の上に順次形成された、下部電極、強誘電体膜又は高誘電率膜よりなる容量絶縁膜及び上部電極から構成されている容量素子と、容量素子を覆うように形成されており、上部電極の上面を露出させる第１の開口部を有する上部絶縁性水素透過防止層と、上部絶縁性水素透過防止層の上に形成されており、第１の開口部と連通する第２の開口部を有する第２の絶縁層と、上部電極の上面における第１及び第２の開口部に露出している領域に形成された上部導電性水素透過防止層と、上部導電性水素透過防止層の上に形成された配線層とを備えていることを特徴とする。
【００２３】
本発明の半導体装置によると、第１及び第２の開口部に露出している上部電極の上面に上部導電性水素透過防止層が形成されているため、配線層と上部電極とが上部導電性水素透過防止層を介して電気的に接続されるので、上部電極の上面のうち上部絶縁性水素透過防止層が存在してない領域を介して、水素が容量素子に進入することを防止できる。また、上部絶縁性水素透過防止層と上部導電性水素透過防止層とによって容量素子の上方が覆われているので、容量素子の上方から容量素子への水素進入を確実に防止できる。
【００２４】
本発明の半導体装置において、上部導電性水素透過防止層は、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなることが好ましい。
【００２５】
このようにすると、容量素子への電気的接続を損なうことなく水素の透過を効果的に防止できると共に、上部導電性水素透過防止層に接続される配線層との密着性が向上する。
【００２６】
本発明の半導体装置において、下部電極の下面は、第１の絶縁層に埋め込まれたコンタクトプラグの上端と電気的に接続されてもよい。
【００２７】
本発明の半導体装置において、第１の絶縁層と下部電極との間に形成されており、上部絶縁性水素透過防止層の下部と接続された下部絶縁性水素透過防止層をさらに備えていることが好ましい。
【００２８】
このようにすると、容量素子の上方のみならず下方からの容量素子への水素進入を防止することができる。
【００２９】
本発明の半導体装置において、下部電極の下面は、第１の絶縁層及び下部絶縁性水素透過防止層に埋め込まれたコンタクトプラグの上端と電気的に接続されてもよい。
【００３０】
本発明の半導体装置において、下部絶縁性水素透過防止層及びコンタクトプラグと、下部電極との間に形成された下部導電性水素透過防止層をさらに備えていることが好ましい。
【００３１】
このようにすると、コンタクトプラグと下部電極とが下部導電性水素透過防止層を介して電気的に接続されるので、下部絶縁性水素透過防止層が存在してない領域を介して、水素が容量素子に進入することを防止できる。また、下部絶縁性水素透過防止層と下部導電性水素透過防止層とによって容量素子の下方が覆われているので、容量素子の下方から容量素子への水素進入を確実に防止できる。これにより、容量素子の上方のみならず下方からの容量素子への水素進入を確実に防止することができる。
【００３２】
本発明の半導体装置において、下部導電性水素透過防止層は、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなることが好ましい。
【００３３】
このようにすると、容量素子への電気的接続を損なうことなく水素の透過を効果的に防止できると共に、導電性水素透過防止層に接続される層との密着性が向上する。
【００３４】
本発明の半導体装置の製造方法は、第１の絶縁層の上に順次形成された、下部電極、強誘電体膜又は高誘電率膜よりなる容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子を形成する工程と、容量素子を覆うように上部絶縁性水素透過防止層を形成する工程と、上部絶縁性水素透過防止層の上に第２の絶縁層を形成する工程と、上部絶縁性水素透過防止層及び第２の絶縁層に、上部電極の上面を露出させる開口部を形成する工程と、上部電極の上面における開口部に露出している領域に、上部導電性水素透過防止層を介して配線層を形成する工程とを備える。
【００３５】
本発明の半導体装置の製造方法によると、開口部に露出している上部電極の上面に上部導電性水素透過防止層を介して配線層を形成するため、配線層と上部電極とが上部導電性水素透過防止層を介して電気的に接続されるので、上部電極の上面のうち上部絶縁性水素透過防止層が存在してない領域を介して、水素が容量素子に進入することを防止できる。また、上部絶縁性水素透過防止層と上部導電性水素透過防止層とによって容量素子の上方が覆われているので、容量素子の上方から容量素子への水素進入を確実に防止できる。
【００３６】
本発明の半導体装置の製造方法において、上部導電性水素透過防止層及び配線層は、同一のエッチング工程で形成されることが好ましい。
【００３７】
このようにすると、配線層に対するエッチング工程とは別に上部導電性水素透過防止層に対するエッチング工程が必要とされないので、工程数を増大させることなく容易に半導体装置を製造することができる。
【００３８】
本発明の半導体装置の製造方法において、上部導電性水素透過防止層は、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなることが好ましい。
【００３９】
このようにすると、容量素子への電気的接続を損なうことなく水素の透過を効果的に防止できると共に、上部導電性水素透過防止層に接続される配線層との密着性が向上する。
【００４０】
本発明の半導体装置の製造方法において、容量素子を形成する工程よりも前に、第１の絶縁層に埋め込まれ且つ上端が下部電極の下面と電気的に接続されるコンタクトプラグを形成する工程をさらに備えてもよい。
【００４１】
本発明の半導体装置の製造方法において、容量素子を形成する工程よりも前に、第１の絶縁層の上に、上部絶縁性水素透過防止層の下部と接続される下部絶縁性水素透過防止層を形成する工程をさらに備えることが好ましい。
【００４２】
このようにすると、容量素子の上方のみならず下方からの容量素子への水素進入を防止することができる。
【００４３】
本発明の半導体装置の製造方法において、下部絶縁性水素透過防止層を形成する工程と容量素子を形成する工程との間に、第１の絶縁層及び下部絶縁性水素透過防止層に埋め込まれ且つ上端が下部電極の下面と電気的に接続されるコンタクトプラグを形成する工程をさらに備えてもよい。
【００４４】
本発明の半導体装置の製造方法において、コンタクトプラグを形成する工程と容量素子を形成する工程との間に、下部絶縁性水素透過防止層及びコンタクトプラグの上に下部導電性水素透過防止層を形成する工程をさらに備え、容量素子を形成する工程は、下部導電性水素透過防止層の上に下部電極を形成する工程を含むことが好ましい。
【００４５】
このようにすると、コンタクトプラグと下部電極とが下部導電性水素透過防止層を介して電気的に接続されるので、下部絶縁性水素透過防止層が存在してない領域を介して、水素が容量素子に進入することを防止できる。また、下部絶縁性水素透過防止層と下部導電性水素透過防止層とによって容量素子の下方が覆われているので、容量素子の下方から容量素子への水素進入を確実に防止できる。これにより、容量素子の上方のみならず下方からの容量素子への水素進入を確実に防止することができる。
【００４６】
本発明の半導体装置の製造方法において、下部導電性水素透過防止層は、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなることが好ましい。
【００４７】
このようにすると、容量素子への電気的接続を損なうことなく水素の透過を効果的に防止できると共に、導電性水素透過防止層に接続される層との密着性が向上する。
【００４８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る半導体装置について、図１を参照しながら説明する。
【００４９】
図１に示すように、半導体基板１０１上に酸化シリコンよりなる第１の絶縁層１０２が形成されており、該第１の絶縁層１０２には、下端が半導体基板１０１と連通するタングステンよりなるコンタクトプラグ１０３が形成されている。第１の絶縁層１０２及びコンタクトプラグ１０３の上に、下から順次形成された、下面がコンタクトプラグ１０３の上端と電気的に接続される白金よりなる下部電極１０４、Ｓｒ_２Ｂｉ_２（Ｔａ_２−ｘＮｂ_ｘ）Ｏ_９（２≧Ｘ≧０）よりなる容量絶縁膜１０５及び白金よりなる上部電極１０６から構成される容量素子１０７が形成されている。
【００５０】
第１の絶縁層１０２の上に、容量素子１０７を覆うように下から順に酸化アルミニウムよりなる上部絶縁性水素透過防止層１０８及び酸化シリコンよりなる第２の絶縁層１０９が形成されており、上部絶縁性水素透過防止層１０８及び第２の絶縁層１０９には、上部電極１０６の上面を露出させる開口部１０６ａ（第１及び第２の開口部に相当する）が形成されている。上部電極１０６の上面における開口部１０６ａに露出している領域及び第２の絶縁層１０９の上に、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなる上部導電性水素透過防止層１１０が形成されている。該上部導電性水素透過防止層１１０の上に、アルミニウムよりなる配線層１１１が形成されている。これにより、配線層１１１は上部導電性水素透過防止層１１０を介して上部電極１０６と電気的に接続されている。
【００５１】
以下、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図２（ａ）〜（ｃ）及び図３（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００５２】
図２（ａ）に示すように、ＣＶＤ法等により、半導体基板１０１の上に全面に亘るように、酸化シリコンよりなる第１の絶縁層１０２を堆積する。
【００５３】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）法等により、第１の絶縁層１０２における所定の領域に半導体基板１０１の上面と連通するコンタクトホール１０３ａを形成した後、ＣＶＤ法及びＣＭＰ法等を用いて、コンタクトホール１０３ａを充填するようにタングステンよりなるコンタクトプラグ１０３を形成する。
【００５４】
次に、図２（ｃ）に示すように、スパッタ法等により、第１の絶縁層１０２及びコンタクトプラグ１０３の上に、下から順に白金よりなる層、Ｓｒ_２Ｂｉ_２（Ｔａ_２−ｘＮｂ_ｘ）Ｏ_９（２≧Ｘ≧０）よりなる層及び白金よりなる層を堆積し、これらの層を所定の形状にエッチングした後、酸素雰囲気中での急速加熱法を用いて８００℃で１分間の熱処理を行なって、エッチング後のＳｒ_２Ｂｉ_２（Ｔａ_２−ｘＮｂ_ｘ）Ｏ_９（２≧Ｘ≧０）層を結晶化させることにより、白金よりなる下部電極１０４、Ｓｒ_２Ｂｉ_２（Ｔａ_２−ｘＮｂ_ｘ）Ｏ_９（２≧Ｘ≧０）よりなる容量絶縁膜１０５及び白金よりなる上部電極１０６から構成される容量素子１０７を形成する。また、このような容量素子１０７の形成において、下部電極１０４の下面はコンタクトプラグ１０３の上端と電気的に接続されるように形成されている。
【００５５】
次に、図３（ａ）に示すように、スパッタ法又はＣＶＤ法等により、第１の絶縁層１０２の上に、容量素子１０７を覆うように全面に亘って下から順に酸化アルミニウムよりなる上部絶縁性水素透過防止層１０８及び酸化シリコンよりなる第２の絶縁層１０９を堆積した後、上部絶縁性水素透過防止層１０８及び第２の絶縁層１０９に対してＲＩＥ等を行なって、上部絶縁性水素透過防止層１０８及び第２の絶縁層１０９における所定の領域に上部電極１０６の上面を露出させる開口部１０６ａを形成する。
【００５６】
次に、図３（ｂ）に示すように、スパッタ法等により、上部電極１０６の上面における開口部１０６ａに露出している領域及び第２の絶縁層１０９の上に全面に亘るように、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなる上部導電性水素透過防止層１１０ａを堆積した後、スパッタ法等により、上部導電性水素透過防止層１１０ａの上にアルミニウムよりなる配線層１１１ａを堆積する。
【００５７】
次に、図３（ｃ）に示すように、上部導電性水素透過防止層１１０ａ及び配線層１１１ａに対してＲＩＥ法等を用いた同一のエッチング工程により、所定の形状にパターニングされた上部導電性水素透過防止層１１０及び配線層１１１を形成する。これにより、配線層１１１は上部導電性水素透過防止層１１０を介して上部電極１０６と電気的に接続される。
【００５８】
以上のように、第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、開口部１０６ａに露出している上部電極１０６の上面に上部導電性水素透過防止層１１０が形成されているため、配線層１１１と上部電極１０６とが上部導電性水素透過防止層１１０を介して電気的に接続されるので、上部電極１０６の上面のうち上部絶縁性水素透過防止層１０８が存在してない領域を介して、水素が容量素子１０７に進入することを防止できる。
【００５９】
また、上部絶縁性水素透過防止層１０８と上部導電性水素透過防止層１１０とによって容量素子１０７の上方が覆われているので、容量素子１０７の上方から容量素子１０７への水素進入を確実に防止できる。これにより、配線層１１１を形成した後の水素雰囲気中における熱処理の際においても、容量素子１０７への上方からの水素侵入を確実に防止できるので、容量絶縁膜１０５が還元されることによって生じる容量素子１０７の特性劣化を防止でき、優れた特性を有する容量素子１０７を備えた半導体装置を実現することができる。
【００６０】
さらに、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、上部導電性水素透過防止層１１０及び配線層１１１は同一のエッチング工程により形成されるので、配線層１１１に対するエッチング工程とは別に上部導電性水素透過防止層１１０に対するエッチング工程が必要とされないので、工程数を増大させることなく極めて容易に半導体装置を製造することができる。
【００６１】
尚、第１の実施形態においては、上部導電性水素透過防止層１１０は窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなる場合について説明したが、水素の透過を防止する機能（以下、水素透過防止能という）を有する導電性の材質であれば他のいかなる材質よりなる場合であってもよい。ただし、導電性及び水素透過防止能を十分に有すると共に、チタンが配線層１１１その他の層に対する密着性を向上させる点を考慮すると、上部導電性水素透過防止層１１０は窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなることが好ましい。
【００６２】
また、上部絶縁性水素透過防止層１０８は酸化アルミニウムよりなる場合について説明したが、水素透過防止能を有する絶縁性の材質であれば他のいかなる材質よりなる場合であってもよい。
【００６３】
また、容量絶縁膜１０５を結晶化する際の熱処理によってコンタクトプラグ１０３が酸化されることを防止する目的で、コンタクトプラグ１０３と下部電極１０４との間に導電性の酸化防止層が介在する構成にしてもよい。
【００６４】
また、容量絶縁膜１０５はＳｒ_２Ｂｉ_２（Ｔａ_２−ｘＮｂ_ｘ）Ｏ_９（２≧Ｘ≧０）よりなる場合について説明したが、他のビスマス層状ペロブスカイト構造を有する化合物、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムストロンチウム又は酸化タンタル等により構成されていても前述の効果と同様の効果を得ることができる。
【００６５】
また、第１の実施形態においては、容量素子１０７がコンタクトプラグ１０３の上に形成された構造を有するスタック型の容量素子を用いて説明したが、コンタクトプラグ１０３を用いることなく第１の絶縁層１０２の上に容量素子１０７が形成された構造を有するプレーナ型の容量素子の場合であっても、前述の効果と同様の効果を得ることができる。
【００６６】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係る半導体装置について、図４を参照しながら説明する。
【００６７】
図４に示すように、半導体基板２０１上に、酸化シリコンよりなる第１の絶縁層２０２が形成されている。該第１の絶縁層２０２の上に、窒化シリコンよりなる下部絶縁性水素透過防止層２０３が形成されている。第１の絶縁層２０２及び下部絶縁性水素透過防止層２０３には、下端が半導体基板２０１と連通するタングステンよりなるコンタクトプラグ２０４が形成されている。下部絶縁性水素透過防止層２０３及びコンタクトプラグ２０４の上に、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなる下部導電性水素透過防止層２０５が形成されている。
【００６８】
下部導電性水素透過防止層２０５の上に、下から順次形成された、下面が下部導電性水素透過防止層２０５を介してコンタクトプラグ２０４の上端と電気的に接続され且つ窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物及び白金の積層構造よりなる水素透過防止能を有する下部電極２０６、Ｓｒ_２Ｂｉ_２（Ｔａ_２−ｘＮｂ_ｘ）Ｏ_９（２≧Ｘ≧０）よりなる容量絶縁膜２０７及び白金よりなる上部電極２０８から構成される容量素子２０９が形成されている。
【００６９】
下部絶縁性水素透過防止層２０３の上に、容量素子２０９を覆うように下から順に酸化アルミニウムよりなる上部絶縁性水素透過防止層２１０及び酸化シリコンよりなる第２の絶縁層２１１が形成されており、上部絶縁性水素透過防止層２１０及び第２の絶縁層２１１には、上部電極２０８の上面を露出させる開口部２０８ａ（第１及び第２の開口部に相当する）が形成されている。尚、上部絶縁性水素透過防止層２１０は下部絶縁性水素透過防止層２０３の上面では延びるように形成されている。
【００７０】
上部電極２０８の上における開口部２０８ａに露出している領域及び第２の絶縁層２１１の上に、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなる上部導電性水素透過防止層２１２が形成されている。該上部導電性水素透過防止層２１２の上にアルミニウムよりなる配線層２１３が形成されている。これにより、配線層２１３は上部導電性水素透過防止層２１２を介して上部電極２０８と電気的に接続されている。
【００７１】
以下、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図５（ａ）〜（ｃ）及び図６（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００７２】
図５（ａ）に示すように、ＣＶＤ法等により、半導体基板２０１の上に全面に亘るように、下から順に、酸化シリコンよりなる第１の絶縁層２０２及び窒化シリコンよりなる下部絶縁性水素透過防止層２０３を堆積する。
【００７３】
次に、図５（ｂ）に示すように、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）法等により、第１の絶縁層２０２及び下部絶縁性水素透過防止層２０３における所定の領域に半導体基板２０１の上面と連通するコンタクトホール２０４ａを形成した後、ＣＶＤ法及びＣＭＰ法等を用いて、コンタクトホール２０４ａを充填するようにタングステンよりなるコンタクトプラグ２０４を形成する。
【００７４】
次に、図５（ｃ）に示すように、スパッタ法等により、下部絶縁性水素透過防止層２０３及びコンタクトプラグ２０４の上に、コンタクトプラグ２０４と電気的に接続するように、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなる下部導電性水素透過防止層２０５を形成する。該下部導電性水素透過防止層２０５の上に、下から順に、白金よりなる層、Ｓｒ_２Ｂｉ_２（Ｔａ_２−ｘＮｂ_ｘ）Ｏ_９（２≧Ｘ≧０）よりなる層及び白金よりなる層を堆積し、これらの層を所定の形状にエッチングした後、酸素雰囲気中での急速加熱法を用いて８００℃で１分間の熱処理を行なって、エッチング後のＳｒ_２Ｂｉ_２（Ｔａ_２−ｘＮｂ_ｘ）Ｏ_９（２≧Ｘ≧０）層を結晶化させることにより、白金よりなる下部電極２０６、Ｓｒ_２Ｂｉ_２（Ｔａ_２−ｘＮｂ_ｘ）Ｏ_９（２≧Ｘ≧０）よりなる容量絶縁膜２０７及び白金よりなる上部電極２０８から構成される容量素子２０９を形成する。また、このような容量素子２０９の形成において、下部電極２０６の下面はコンタクトプラグ２０４の上端と電気的に接続されるように形成されている。
【００７５】
次に、図６（ａ）に示すように、スパッタ法又はＣＶＤ法等により、下部絶縁性水素透過防止層２０３の上に、容量素子２０９を覆うように全面に亘って下から順に酸化アルミニウムよりなる上部絶縁性水素透過防止層２１０及び酸化シリコンよりなる第２の絶縁層２１１を堆積した後、上部絶縁性水素透過防止層２１０及び第２の絶縁層２１１に対してＲＩＥ等を行なって、上部絶縁性水素透過防止層２１０及び第２の絶縁層２１１における所定の領域に上部電極２０８の上面を露出させる開口部２０８ａを形成する。尚、上部絶縁性水素透過防止層２１０は下部絶縁性水素透過防止層２０３の上面では延びるように形成されている。
【００７６】
次に、図６（ｂ）に示すように、スパッタ法等により、上部電極２０８の上面における開口部２０８ａに露出している領域及び第２の絶縁層２１１の上に全面に亘るように、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなる上部導電性水素透過防止層２１２ａを堆積した後、スパッタ法等により、上部導電性水素透過防止層２１２ａの上にアルミニウムよりなる配線層２１３ａを堆積する。
【００７７】
次に、図６（ｃ）に示すように、上部導電性水素透過防止層２１２ａ及び配線層２１３ａに対してＲＩＥ法等を用いた同一のエッチング工程により、所定の形状にパターニングされた上部導電性水素透過防止層２１２及び配線層２１３を形成する。これにより、配線層２１３は上部導電性水素透過防止層２１２を介して上部電極２０８と電気的に接続される。
【００７８】
以上のように、第２の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、開口部２０８ａに露出している上部電極２０８の上面に上部導電性水素透過防止層２１２が形成されているため、配線層２１３と上部電極２０８とが上部導電性水素透過防止層２１２を介して電気的に接続されるので、上部電極２０８の上面のうち上部絶縁性水素透過防止層２１０が存在してない領域を介して、水素が容量素子２０９に進入することを防止できる。
【００７９】
また、上部絶縁性水素透過防止層２１０と上部導電性水素透過防止層２１２とによって容量素子２０９の上方が覆われているので、容量素子２０９の上方から容量素子２０９への水素進入を確実に防止できる。これにより、配線層２１３を形成した後の水素雰囲気中における熱処理の際においても、容量素子２０９への上方からの水素侵入を確実に防止できるので、容量絶縁膜２０７が還元されることによって生じる容量素子２０９の特性劣化を防止でき、優れた特性を有する容量素子２０９を備えた半導体装置を実現することができる。
【００８０】
ここで、一般に、容量素子２０９を備えた半導体集積回路において、容量素子２０９を形成する領域以外の領域において第２の絶縁層２１１、上部絶縁性水素透過防止層２１０及び第１の絶縁層２０２を貫通して延びるように半導体基板２０１に到達するタングステンよりなるコンタクトプラグが別途形成されることが多い。この場合、コンタクトプラグを形成する際におけるタングステンの成膜は水素雰囲気中において行なわれるので、コンタクトプラグが形成される開口部から第１の絶縁層２０２内に水素が拡散し、容量素子２０９の下方から容量素子２０９へ水素が侵入する経路が生じる。
【００８１】
しかしながら、第２の本実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、容量素子２０９の下方に形成された下部絶縁性水素透過防止層２０３及び下部導電性水素透過防止層２０５によって、容量素子２０９の下方から容量素子２０９に水素が進入することを極めて効果的に防止できる。
【００８２】
従って、第２の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、下部絶縁性水素透過防止層２０３、下部導電性水素透過防止層２０５、上部絶縁性水素透過防止層２１０及び上部導電性水素透過防止層２１２によって、上方及び下方から容量素子２０９を完全に被覆する構成を実現することができるため、容量素子２０９へのいかなる方向からの水素進入を防止できるので、容量絶縁膜２０７が還元されることによる容量素子２０９の特性劣化を完全に防止でき、さらに優れた特性を有する容量素子２０９を備えた半導体装置を実現することができる。
【００８３】
さらに、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、上部導電性水素透過防止層２１２及び配線層２１３は同一のエッチング工程により形成されるので、配線層２１３ａに対するエッチング工程とは別に上部導電性水素透過防止層２１２ａに対するエッチング工程が必要とされないので、工程数を増大させることなく極めて容易に優れた特性を有する半導体装置を製造することができる。
【００８４】
尚、第２の実施形態においては、下部導電性水素透過防止層２０５及び上部導電性水素透過防止層２１２は、それぞれ窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなる場合について説明したが、水素透過防止能を有する導電性の材質であれば他のいかなる材質よりなる場合であってもよい。ただし、導電性及び水素透過防止能を十分に有すると共に、チタンが配線層２１３その他接続される他の層に対する密着性を向上させる点を考慮すると、下部導電性水素透過防止層２０５及び上部導電性水素透過防止層２１２は窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなることが好ましい。
【００８５】
また、下部絶縁性水素透過防止層２０３及び上部絶縁性水素透過防止層２１０は酸化アルミニウムよりなる場合について説明したが、水素透過防止能を有する絶縁性の材質であれば他のいかなる材質よりなる場合であってもよい。
【００８６】
また、容量絶縁膜２０７を結晶化する際の熱処理によってコンタクトプラグ２０４が酸化されることを防止する目的で、コンタクトプラグ２０４と下部電極２０６との間に導電性の酸化防止層が介在する構成にしてもよい。
【００８７】
また、容量絶縁膜２０７はＳｒ_２Ｂｉ_２（Ｔａ_２−ｘＮｂ_ｘ）Ｏ_９（２≧Ｘ≧０）よりなる場合について説明したが、他のビスマス層状ペロブスカイト構造を有する化合物、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムストロンチウム又は酸化タンタル等により構成されていても前述の効果と同様の効果を得ることができる。
【００８８】
また、第２の実施形態においては、容量素子２０９がコンタクトプラグ２０４上に形成された構造を有するスタック型の容量素子を用いて説明したが、コンタクトプラグ２０４を用いずに下部絶縁性水素透過防止層２０３の上に容量素子２０９が形成された構造を有するプレーナ型の容量素子の場合であっても、前述の効果と同様の効果を得ることができる。尚、この場合は、下部導電性水素透過防止層２０５が形成されていない構造であっても構わない。
【００８９】
【発明の効果】
前述のように、本発明によると、第１及び第２の開口部に露出している上部電極の上面に上部導電性水素透過防止層が形成されているため、配線層と上部電極とが上部導電性水素透過防止層を介して電気的に接続されるので、上部電極の上面のうち上部絶縁性水素透過防止層が存在してない領域を介して、水素が容量素子に進入することを防止できる。また、上部絶縁性水素透過防止層と上部導電性水素透過防止層とによって容量素子の上方が覆われているので、容量素子の上方から容量素子への水素進入を確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図７】従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、従来の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、従来の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１、２０１半導体基板
１０２、２０２第１の絶縁層
１０３、２０４コンタクトプラグ
１０４、２０６下部電極
１０５、２０７容量絶縁膜
１０６、２０８上部電極
１０６ａ、２０８ａ開口部（第１及び第２の開口部）
１０７、２０９容量素子
１０８、２１０上部絶縁性水素透過防止層
１０９、２１１第２の絶縁層
１１０ａ、２１２ａ上部導電性水素透過防止層
１１０、２１２パターニング後の上部導電性水素透過防止層
１１１ａ、２１３ａ配線層
１１１、２１３パターニング後の配線層
２０５下部導電性水素透過防止層

Claims

第１の絶縁層の上に順次形成された、下部電極、強誘電体膜又は高誘電率膜よりなる容量絶縁膜及び上部電極から構成されている容量素子と、
前記容量素子を覆うように形成されており、前記上部電極の上面を露出させる第１の開口部を有する上部絶縁性水素透過防止層と、
前記上部絶縁性水素透過防止層の上に形成されており、前記第１の開口部と連通する第２の開口部を有する第２の絶縁層と、
前記上部電極の上面における前記第１及び第２の開口部に露出している領域に形成された上部導電性水素透過防止層と、
前記上部導電性水素透過防止層の上に形成された配線層とを備えていることを特徴とする半導体装置。
前記上部導電性水素透過防止層は、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記下部電極の下面は、前記第１の絶縁層に埋め込まれたコンタクトプラグの上端と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第１の絶縁層と前記下部電極との間に形成されており、前記上部絶縁性水素透過防止層の下部と接続された下部絶縁性水素透過防止層をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記下部電極の下面は、前記第１の絶縁層及び前記下部絶縁性水素透過防止層に埋め込まれたコンタクトプラグの上端と電気的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記下部絶縁性水素透過防止層及び前記コンタクトプラグと、前記下部電極との間に形成された下部導電性水素透過防止層をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
前記下部導電性水素透過防止層は、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
第１の絶縁層の上に順次形成された、下部電極、強誘電体膜又は高誘電率膜よりなる容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子を形成する工程と、
前記容量素子を覆うように上部絶縁性水素透過防止層を形成する工程と、
前記上部絶縁性水素透過防止層の上に第２の絶縁層を形成する工程と、
前記上部絶縁性水素透過防止層及び前記第２の絶縁層に、前記上部電極の上面を露出させる開口部を形成する工程と、
前記上部電極の上面における前記開口部に露出している領域に、上部導電性水素透過防止層を介して配線層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記上部導電性水素透過防止層及び前記配線層は、同一のエッチング工程で形成されることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
前記上部導電性水素透過防止層は、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
前記容量素子を形成する工程よりも前に、前記第１の絶縁層に埋め込まれ且つ上端が前記下部電極の下面と電気的に接続されるコンタクトプラグを形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
前記容量素子を形成する工程よりも前に、前記第１の絶縁層の上に、前記上部絶縁性水素透過防止層の下部と接続される下部絶縁性水素透過防止層を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
前記下部絶縁性水素透過防止層を形成する工程と前記容量素子を形成する工程との間に、前記第１の絶縁層及び前記下部絶縁性水素透過防止層に埋め込まれ且つ上端が前記下部電極の下面と電気的に接続されるコンタクトプラグを形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
前記コンタクトプラグを形成する工程と前記容量素子を形成する工程との間に、前記下部絶縁性水素透過防止層及び前記コンタクトプラグの上に下部導電性水素透過防止層を形成する工程をさらに備え、
前記容量素子を形成する工程は、前記下部導電性水素透過防止層の上に前記下部電極を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
前記下部導電性水素透過防止層は、窒化チタンと窒化アルミニウムとの化合物よりなることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。