JP2007053141A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 導電プラグの酸化を防止するとともに、強誘電体キャパシタの下部電極の結晶配向性を改善し、強誘電体膜の分極性を向上する半導体装置を製造する。
【解決手段】 半導体装置の製造方法は、半導体基板上の絶縁膜に、前記半導体基板上の素子に接続する導電性プラグを形成する工程と、前記導電性プラグ上に、チタンアルミナイトライドから成る酸素バリア層を形成する工程と、前記酸素バリア層上に、チタンから成るシード層を形成する工程と、前記シード層上に、強誘電体キャパシタの下部電極膜を形成する工程とを含む。
【選択図】 図2

Description

本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特に、強誘電体キャパシタを有する半導体装置とその製造方法に関する。
電源を切っても情報を記憶することのできる不揮発性メモリとして、フラッシュメモリや強誘電体メモリ(FRAM)が知られている。
フラッシュメモリは、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(IGFET)のゲート絶縁膜中に埋め込んだフローティングゲートを有し、フローティングゲートに記憶情報を表わす電荷を蓄積することによって情報を記憶する。情報の書き込み、消去には絶縁膜を通過するトンネル電流を流す必要があり、比較的高い電圧を必要とする。
FRAMは、強誘電体のヒステリシス特性を利用して情報を記憶する。強誘電体膜を1対の電極間のキャパシタ誘電体として有する強誘電体キャパシタは、電極間の印加電圧に応じて分極を生じ、印加電圧を取り去っても自発分極を有する。印加電圧の極性を反転すれば、自発分極の極性も反転する。この自発分極を検出すれば情報を読み出すことが出来る。FRAMは、フラッシュメモリに比べ低電圧で動作し、省電力で高速の書き込みができる。
図1(a)および図1(b)は、FRAMのメモリセルの回路図を示す。図1(a)は1ビットの情報の記憶に2つのトランジスタTa,Tbと2つのキャパシタCa,Cbを用いる2T/2C形式の回路であり、従来技術のFRAMに使用されている。1つのキャパシタCaに“1”または“0”の情報を記憶し、もう一方のキャパシタCbに反対の情報を記憶するという相補的な動作をさせる。プロセスの変動に対して強い構成になるが、以下に述べる1T/1C型式に比べてセル面積が約2倍になる。
図1(b)は、1ビットの情報の記憶に1つのトランジスタT1またはT2と1つのキャパシタC1またはC2を用いる1T/1C型式の回路であり、DRAMと構成が同じで、セル面積が小さく高集積化が可能である。しかし、メモリセルから読み出された電荷が“1”の情報か“0”の情報かを判定するために、基準電圧が必要となる。この基準電圧を発生させるリファレンスセルは、読み出される毎に分極を反転させることになるので、疲労により、メモリセルよりも早く劣化してしまう。また、1T/1Cは、判定のマージンが2T/2Cに比べて狭くなり、プロセスの変動に対して弱い。
FRAMの強誘電体膜は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、LaドープPZT(PLZT)等のPZT系材料や、SrBiTa(SBT、Y1)、SrBi(Ta、Nb)(SBTN、YZ)等のBi層状構造化合物等で形成される。強誘電体薄膜は水素により還元し易く、FRAMとしての品質を確保するためには、強誘電体薄膜の形成後、500℃〜700℃で酸化性雰囲気中にて回復アニールを行う必要がある。強誘電体キャパシタ形成後のプロセスには、層間絶縁膜の成長など、水素が発生する工程があるためである。
次世代のFRAM、例えば0.18μmFRAMでは、1T/1Cは当然で、さらに集積度を向上させるため、スタックキャパシタ構造(強誘電体キャパシタとトランジスタ部をプラグ電極で直接つなぐ構造)を採用する方向である。
プラグ電極には一般的にタングステン(W)が用いられる。タングステンはドープドシリコンに比べ低抵抗で耐熱性もあるためである。しかし、タングステンは酸化されると非常に高抵抗の酸化物となるので、一部が酸化しただけでも抵抗が高くなりコンタクトの確保が難しくなってFRAMとして機能しなくなる。
一方、強誘電体キャパシタの下部電極には、酸化性雰囲気で回復アニールが行われるため、白金(Pt)やイリジウム(Ir)等の貴金属や、酸化しても導電性を維持することのできるIrO、SrRuO、La0.5Sr0.5CoO等が用いられる。しかし、これらの下部電極は、600℃前後の温度では酸素の拡散を抑制することが出来ない。したがって、高温で回復アニールを行うと、下部電極を通じてプラグ電極であるタングステンを酸化させてしまう。
このような界面酸化を防止するために下部電極とプラグ電極間に酸素バリア層を設けることが提案されている(たとえば、特許文献1参照)。この方法によれば、酸素バリア層として、チタンアルミナイトライド(TiAlN)を用いると、プラグ電極を酸化することなく、高誘電率材料のキャパシタを形成できる。なぜなら、TiAlNの酸化速度は、TiNよりも2桁以上遅いためである。また、AlNは絶縁体であるが、不純物が添加されたAlNは導電体となる。不純物の添加は、Nを不足させるか、Tiのような陽イオン性の不純物を添加することで実現できる。
ところで、強誘電体膜の形成方法としては現在ではスパッタ法が用いられているが、その他に、ゾルゲル法、MOCVD法が知られている。スパッタ法により強誘電体膜、例えばPZT膜を形成する場合には、下地となる下部電極膜の材料として白金(Pt)が用いられる。これは、PZT膜の結晶の自発分極を大きくするためには、その下地となる下部電極膜が(111)面に強く配向している必要があるところ、白金(Pt)は、(111)面に強く配向しており、PZT膜の下地となる下部電極膜として適しているからである。
しかし、スパッタ法により形成されたPZT膜は、高温で成膜すると結晶性が悪いので、アモルファスな膜を低温で形成後に、酸素雰囲気中でRTA処理を行って結晶化する必要がある。RTA処理による結晶化は、700℃以上の高温が必要なため、スタック構造においては、チタンアルミナイトライド(TiAlN)のような酸素バリア層を用いてもWプラグ電極を酸化させてしまう恐れがある。
これに対して、PZT膜をMOCVD法により形成すれば、PZT膜は成長過程において下部電極膜上で良好な結晶性を保ったまま成長されるので、結晶化アニールが不要となって低温化が期待できる。しかし、PZT膜をMOCVD法により形成する場合に下部電極膜の構成材料としてPtを用いると、PZT膜中の鉛(Pb)がPtと反応してPtPbxを形成してしまい、下部電極膜とPZT膜の界面に荒れが生じ、膜質が劣化する。従って、MOCVD法によりPZT膜を形成する場合には、下部電極膜としてPtを採用することはできない。
そこで、MOCVD法により強誘電体膜を形成する場合には、下部電極膜としてPt以外の貴金属材料や導電性貴金属酸化物の採用が考えられる。それらの材料のうち、酸化イリジウム(IrOx)などの酸化物導電材を下部電極膜として用いると、MOCVD法によりPZT膜を形成する際に酸化物導電材が還元されるので採用するのは難しい。
そのため、下部電極の材料としてイリジウム(Ir)のようなPZT膜と反応しにくい貴金属が採用されている。また、酸素バリア層としてチタンアルミナイトライド(TiAlN)を用いると、700℃で回復アニールを行っても、Wプラグ電極のコンタクト性を維持しており、耐酸化性の上で有利である。
特開平8−64786号公報
しかし、本発明者が調査したところ、チタンアルミナイトライド上に形成したイリジウムの結晶性が劣ることが分かった。チタンアルミナイトライド自体の結晶性が劣るため、イリジウムの結晶性も引きずられて悪くなり、強誘電体膜の結晶性も悪くなってFRAMとしての機能を十分引き出すことが出来なくなるという問題が生じる。
そこで、本発明は、スタックキャパシタ構造のFRAMにおいて、耐酸化性に優れたチタンアルミナイトライドを用いた場合でも、下部電極であるイリジウムの結晶性を向上させ、強誘電体膜の結晶性を維持することのできる半導体装置、換言すれば、高信頼性を持った強誘電体膜を有する半導体装置と、その製造方法を提供することを課題とする。
イリジウムを成膜する前に、チタンアルミナイトライド上に、自己配向性の強いTi層をシード層として成膜する。これによって、イリジウムの結晶性がよくなり、さらにその上に形成される強誘電体膜の結晶性も向上する。
具体的には、本発明の第1の側面では、強誘電体キャパシタを有する半導体装置を提供する。この半導体装置において、強誘電体キャパシタの下部電極は、前記強誘電体キャパシタを素子に接続する導電性プラグ上に位置するチタンアルミナイトライド膜上に、チタン膜を介して形成されていることを特徴とする。
本発明の第2の側面では、半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、
(a)半導体基板上の絶縁膜に、前記半導体基板上の素子に接続する導電性プラグを形成する工程と、
(b)前記導電性プラグ上に、チタンアルミナイトライドから成る酸素バリア層を形成する工程と、
(c)前記酸素バリア層上に、チタンから成るシード層を形成する工程と、
(d)前記シード層上に、強誘電体キャパシタの下部電極膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする。
このような半導体装置およびその製造方法では、強誘電体キャパシタを基板上の素子と接続する導電プラグの酸化を効果的に防止するとともに、強誘電体キャパシタの下部電極の結晶性を改善し、強誘電体膜の分極特性を向上することができる。
強誘電体薄膜の結晶性を改善する一方で、コンタクトプラグの酸化を防止できるので、高いスイッチング電荷量Qswを保ったまま、基板上の素子とのコンタクトをとることが可能になる。
この結果、高信頼性を持つスタック構造の強誘電体キャパシタを得ることができる。
以下、本発明の具体的な実施の形態につき、図面を参照しながら説明する。上述したように、本発明では、すぐれた酸素バリア性を有するが結晶の配向性に劣るチタンアルミナイトライド(TiAlN)を用いつつ、強誘電体キャパシタの下部電極および強誘電体膜の配向性を高く維持するために、TiAlN上にチタン(Ti)膜を挿入する。
図2〜図4は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
図2(a)に示すように、まず基板10上の素子分離領域11で区画されるウェル領域12に、公知の方法でMOSトランジスタ20を作製する。MOSトランジスタ20を保護するカバー絶縁膜(たとえばSiON膜)21を形成し、第1の層間絶縁膜22を堆積し、MOSトランジスタ20の不純物拡散領域に到達するコンタクトプラグ30を形成する。コンタクトプラグ30の形成は、たとえば、層間絶縁膜22に開口したコンタクトホール(不図示)内に、TiN(50nm)/Ti(30nm)グルー膜30aをスパッタリングし、タングステン(W)30bをCVDにより堆積した後にCMPで平坦化する。
次に、図2(b)に示すように、強誘電体キャパシタの下部電極を構成するTiAlN膜40、Ti膜50、Ir膜60、強誘電体膜70、上部電極と構成するIrO2膜80、Ir膜90を、この順で堆積する。具体的には、酸素バリア層としてのTiAlN膜40を100nm成膜し、次に上層の配向性を改善するためのシード層であるTi膜50を20nm成膜する。そして、電極膜としてIr膜60をスパッタにより100nm形成する。
下部電極であるIr膜60上に、第一層目のPZTをMOCVD法により5nm堆積し、その上に連続してMOCVD法によりPZT膜を115nm成膜して、強誘電体膜70とする。その際の基板温度は620℃であり、圧力は5Torrである。1層目と2層目のPZT膜は同じ組成のものであるが、唯一の違いは成膜時の酸素分圧であり、1層目の成膜時は酸素分圧を下げている。低酸素分圧の方がPZT膜自身の結晶性が改善されるためである。しかし、全層、低酸素分圧で成膜すると、PZT膜中の酸素欠損が多くなってリーク電流が増大するので、2段階成長法を採用している。
さらに、強誘電体膜であるPZT膜70上に、上部電極層となる厚さが150nmのIrO膜80をスパッタ法により形成し、次いで50nmのIr膜90を形成する。
次に、図2(c)に示すように、パターニング、エッチング技術を用いて、上部電極72、強誘電体膜70、下部電極71から成るスタック構造の強誘電体キャパシタ75を形成する。その後、上部電極成膜による強誘電体膜へのダメージを回復するために、回復アニールを施す。この例では、アニール炉で550℃、O雰囲気で60分のアニールを行う。
次に、図3(d)に示すように、ステップカバレッジが良好なアルミニウム酸化物層膜の保護膜100を、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法により20nm堆積する。
次に、図3(e)に示すように、第2の層間絶縁膜110を成膜した後、CMPにより平坦化を行う。この例では、層間絶縁膜110は、HDP(High Density Plasma)装置を用いた酸化膜であり、CMP後の残し膜厚は、強誘電体キャパシタ75の上部電極90上300nmとする。
次に、図4(f)に示すように、パターニング、エッチング技術を用いて、下層のWプラグ30と接続するコンタクトホール(不図示)を形成する。その後、グルー膜120aを形成し、タングステン(W)120bを成膜した後にW−CMPを行い、Wプラグ120を形成する。この例では、グルー膜はTiN(50nm)を用いる。このWプラグ120と、下層のWプラグ30とで、via−to−viaコンタクトが実現でき、上層のメタル配線(後述)から基板へのコンタクトが達成される。
次に、図4(g)に示すように、たとえばSiON(100nm)でタングステン(W)酸化防止膜(不図示)を成膜する。続いて、パターニング、エッチングにより、強誘電体キャパシタ75の上部電極90に達するコンタクトホール(不図示)を形成し、その後回復アニールを施す。この例では、500℃、Oのファーネスアニールを60分間行う。そして、W酸化防止膜をエッチバックする。さらにTiNグルー膜130aと、コンタクトホール内に充填されるタングステン(W)130bを成膜し、CMPを用いてWおよびTiNを平坦化し、Wプラグ130を形成する。
さらに、第2層絶縁膜110上に第1のメタル配線140を形成する。この例では、TiN(70nm)膜140a、Al−Cu(360nm)膜140b、TiN(50nm)膜140aを順次成膜して、所定の形状にパターニングして、メタル配線140とする。この後すべては図示していないが、2層目以降のメタル配線と配線間のコンタクトプラグを形成していき、最後にSiNにより構成されるカバー膜を形成する。
このようにして製造される半導体装置は、強誘電体キャパシタ75の下部電極71において、酸素バリアとして機能するTiAlN膜40の上に、結晶の配向性を改善するTi膜(Tiシード層)50を形成してから電極膜Irを形成するので、コンタクトプラグ30の酸化を防止するとともに、下部電極を構成する金属(Ir)膜60および強誘電体膜70の配向性を向上することができる。
図5は、Tiシード層50の効果について、従来工程と本実施形態とを比較する実験結果を示すグラフである。図5(a)は、従来技術として、熱酸化膜上にTiAlN膜を形成し、その上にTiシード層を設けずに、Ir膜を形成したときのIr膜のXRD(X線回折)によるロッキングカーブを示す。図5(b)は、本発明の実施形態に基づき、熱酸化膜上にTiAlN膜を形成し、その上にTiシード層50を設けてから、Ir膜を形成したときのIr膜のXRDロッキングカーブである。
Tiシード層50の有無を除いては、同じプロセス条件でサンプルウェハを作成し、それぞれのIr(111)ピークをX線回折法により調査して、Ir膜の結晶性を比較した。より具体的には、Ir(111)ピークに関して、ウェハ中心部のみのロッキングカーブ測定を行い、半値幅(FWHM:Full Width at Half Maximum)を求めた。半値幅は狭いほど結晶が揃っていることを意味し、結晶性の良さを示す
図5(a)の従来技術によるサンプルでは、ピークがつぶれ、HWHM値は、12°近くになっている。これに比べ、図5(b)の実施形態によるサンプルでは、Ir(111)ピークの積分強度が増大し、半値幅が図5(a)と比較して、2°以上小さくなって、10°未満になっている。このことから、下地のTi膜の存在により、Ir膜の結晶配向性が改善されていることが分かる。
以上のことから、本発明によれば、スタック構造のFRAMにおいて酸素バリア層としてチタンアルミナイトライド(TiAlN)を用いた場合でも、下部電極であるイリジウムの結晶性が改善され、強誘電体であるPZT膜の結晶性を向上させることが可能になる。その結果、高いスイッチング電荷量Qsw、つまり高信頼性を持つ強誘電体キャパシタを得ることができる。
最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
(付記1) 強誘電体キャパシタを有する半導体装置であって、
前記強誘電体キャパシタの下部電極は、前記強誘電体キャパシタを素子に接続する導電性プラグ上に位置するチタンアルミナイトライド膜上に、チタン膜を介して形成されていることを特徴とする半導体装置。
(付記2) 前記下部電極膜は、イリジウム(Ir)であることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3) 前記強誘電体キャパシタは、強誘電体膜として、前記下部電極膜上に位置するPZT膜を有することを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記4) 前記チタンアルミナイトライド膜は、前記導電性プラグとその周辺領域を覆って島状に形成されていることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記5) 前記チタン膜上の下部電極膜のX線回折パターンの半値幅は、10°未満であることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記6) 前記導電性プラグは、タングステン(W)から成るプラグであることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記7) 半導体基板上の絶縁膜に、前記半導体基板上の素子に接続する導電性プラグを形成する工程と、
前記導電性プラグ上に、チタンアルミナイトライドから成る酸素バリア層を形成する工程と、
前記酸素バリア層上に、チタン(Ti)から成るシード層を形成する工程と、
前記シード層上に、強誘電体キャパシタの下部電極膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記8) 前記下部電極膜は、イリジウム(Ir)で形成されることを特徴とする付記7に記載の半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記下部電極膜上に、強誘電体膜としてPZT膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする付記7に記載の半導体装置の製造方法。
(付記10) 前記下部電極膜上に、MOCVD法により強誘電体膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする付記7に記載の半導体装置の製造方法。
(付記11) 前記強誘電体膜上に上部電極膜を形成する工程と、
前記上部電極膜、強誘電体膜、下部電極膜。チタンシード膜、および酸素バリア層を所定の形状にパターニングして、前記強誘電体キャパシタを形成する工程と
をさらに含むことを特徴とする付記8または9に記載の半導体装置の製造方法。
(付記12) 前記強誘電体キャパシタのパターニングの後に、回復アニールを行なう工程
をさらに含むことを特徴とする付記11に記載の半導体装置の製造方法。
(付記13) 前記導電性プラグは、タングステン(W)から成るプラグであることを特徴とする付記7に記載の半導体装置の製造方法。
FRAMのメモリセルの回路図であり、図1(a)は2T/2C型、図1(b)は1T/1C型の回路を示す。 本発明の実施例による強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造工程(その1)を示す断面図である。 本発明の実施例による強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造工程(その2)を示す断面図であり、図2(c)に引き続く工程を示す。 本発明の実施例による強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造工程(その3)を示す断面図であり、図3(e)に引き続く工程を示す。 イリジウムの結晶性を示すグラフであり、図5(a)は従来の工程で形成したサンプルのイリジウムのロッキングカーブ、図5(b)は実施形態の工程で形成したサンプルのイリジウムのロッキングカーブである。
符号の説明
10 基板
20 MOSトランジスタ
30 導電性プラグ(Wプラグ)
40 チタンアルミナイトライド膜(酸素バリア層)
50 チタン膜(シード膜)
60 イリジウム(下部電極膜)
70 強誘電体膜
75 強誘電体キャパシタ
80 酸化イリジウム膜(上部電極膜)
90 イリジウム膜(上部電極膜)

Claims (10)

  1. 強誘電体キャパシタを有する半導体装置であって、
    前記強誘電体キャパシタの下部電極は、前記強誘電体キャパシタを素子に接続する導電性プラグ上に位置するチタンアルミナイトライド膜上に、チタン膜を介して形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記下部電極膜は、イリジウム(Ir)であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記強誘電体キャパシタは、強誘電体膜として、前記下部電極膜上に位置するPZT膜を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記チタンアルミナイトライド膜は、前記導電性プラグとその周辺領域を覆って島状に形成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。
  5. 前記チタン膜上の下部電極膜のX線回折パターンの半値幅は、10°未満であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  6. 前記導電性プラグは、タングステン(W)から成るプラグであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  7. 半導体基板上の絶縁膜に、前記半導体基板上の素子に接続する導電性プラグを形成する工程と、
    前記導電性プラグ上に、チタンアルミナイトライドから成る酸素バリア層を形成する工程と、
    前記酸素バリア層上に、チタン(Ti)から成るシード層を形成する工程と、
    前記シード層上に、強誘電体キャパシタの下部電極膜を形成する工程と
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 前記下部電極膜は、イリジウム(Ir)で形成されることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記下部電極膜上に、強誘電体膜としてPZT膜を形成する工程
    をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記下部電極膜上に、MOCVD法により強誘電体膜を形成する工程
    をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
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