JP2008016464A

JP2008016464A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2008016464A
Application number: JP2006182906A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Hayashi; 慎一郎林; Koichiro Yuki; 康一郎幸
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-07-03
Filing date: 2006-07-03
Publication date: 2008-01-24

Abstract

【課題】膜厚の縮小とキャパシタ容量の増加を実現すると共に、界面反応を抑制してＭＩＭキャパシタの信頼性を向上することを目的とする。
【解決手段】ＭＩＭキャパシタ１１の少なくとも下部電極をスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜６から形成することにより、膜厚の縮小とキャパシタ容量の増加を実現すると共に、界面反応が抑制してＭＩＭキャパシタの信頼性を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）キャパシタ、アナログ回路等を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。

アナログ系回路を含む半導体装置には、一般に、上部電極と下部電極との間に容量絶縁膜を有するＭＩＭキャパシタが搭載されている。半導体装置の微細化に伴い、ＭＩＭキャパシタの薄膜化やそこでの高性能化、さらには製造時の信頼性の向上が要求される。

前記ＭＩＭキャパシタは、半導体基板上に配置された層間絶縁膜内に互いに離隔された上部金属配線及び下部金属電極が配置されている。前記上部金属配線、前記下部金属電極、及び前記層間絶縁膜を覆う金属層間絶縁膜を貫いてビアホールが配置され、前記ビアホールは前記下部金属電極を露出させている。前記金属層間絶縁膜内に前記ビアホールの上部を横切る上部金属配線が配置されている。また前記金属層間絶縁膜を貫いて前記少なくとも一つのキャパシタトレンチ領域が配置され、前記下部金属電極を露出させている。前記上部金属配線のグループを埋め込み、前記ビアホールを介して前記下部金属電極に電気的に接続された上部金属配線が配置されている。前記少なくとも一つのキャパシタトレンチ領域の内部面を覆った金属薄膜の内部面を覆う誘電膜が配置され、前記誘電膜によって取り囲まれた前記少なくとも一つのキャパシタトレンチ領域を埋め込む上部金属電極が配置されている（例えば、特許文献１参照）。

前記金属薄膜はＴｉ、Ｔａ、Ｗ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ及びＷＳｉＮの一群から選択されたいずれか一つである構成を取っている。
特開２００５−３５４０８０号公報

特許文献１に開示された発明によるＭＩＭキャパシタ及びその製造方法には、前記下部電極や前記上部電極と前記誘電膜との間での界面反応が相変らず存在し、ＭＩＭキャパシタの信頼性の劣化が相変わらず起こるという問題点があった。

要するに、界面反応を減らし製造コストの節減でき得るＭＩＭキャパシタ及びその製造方法が切望され、特に前記誘電膜が５０ｎｍ以下の膜厚領域で膜厚の縮小とともにキャパシタ容量の増加が実現でき、信頼性が高く、実用的なＭＩＭキャパシタ及びその製造方法が切実に要求されている。

本発明の半導体装置及び半導体装置の製造方法は、膜厚の縮小とキャパシタ容量の増加を実現すると共に、界面反応を抑制してＭＩＭキャパシタの信頼性を向上することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の半導体装置は、絶縁膜を介して複数層の配線層が形成され、ＭＩＭキャパシタが設けられる半導体装置であって、前記ＭＩＭキャパシタが、前記配線層の内の１層上に形成されてスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜からなる下部電極と、前記下部電極の上に形成される絶縁性金属窒化膜よりなる容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜の上に形成される上部電極とを備えることを特徴とする。

請求項２記載の半導体装置は、絶縁膜を介して複数層の配線層が形成され、ＭＩＭキャパシタが設けられる半導体装置であって、前記ＭＩＭキャパシタが、前記絶縁膜上に形成されてスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜からなる下部電極と、前記下部電極の上に形成される絶縁性金属窒化膜よりなる容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜の上に形成される上部電極とを備えることを特徴とする。

請求項３記載の半導体装置は、請求項２記載の半導体装置において、前記下部電極が形成された配線層の上層の配線層を用いて前記上部電極が形成されることを特徴とする。
請求項４記載の半導体装置は、請求項１または請求項２または請求項３のいずれかに記載の半導体装置において、前記上部電極がスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜からなることを特徴とする。

請求項５記載の半導体装置は、請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体装置において、前記導電性金属窒化膜は、高融点金属窒化膜の結晶粒界に非金属窒化膜を含有することにより、前記スタッフト結晶構造を構成することを特徴とする。

請求項６記載の半導体装置は、請求項５に記載の半導体装置において、前記導電性金属窒化膜は、Ａ_１−ｘＢ_ｘＮ（但し、ｘは、０．０５≦ｘ≦０．４の関係を満たす）よりなり、前記金属元素Ａは、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆの一群から少なくとも一つ選択された高融点金属元素であり、前記金属元素Ｂは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｕの一群から少なくとも一つ選択された非金属元素であることを特徴とする。

請求項７記載の半導体装置は、請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６のいずれかに記載の半導体装置において、前記絶縁性窒化膜として、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化ガリウム一群から少なくとも一つを選択することを特徴とする。

請求項８記載の半導体装置は、請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７のいずれかに記載の半導体装置において、前記上部電極の導電層部がアルミニウム合金、または銅もしくはその合金よりなることを特徴とする。

請求項９記載の半導体装置の製造方法は、絶縁膜を介して１層または複数層の配線層を有する半導体装置のＭＩＭキャパシタを形成するに際し、最上部にスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜が形成された第１の配線層を所定の領域に形成する工程と、前記第１の配線層上に絶縁性金属窒化膜よりなる容量絶縁膜を堆積する工程と、前記容量絶縁膜上に導電層を堆積する工程と、前記容量絶縁膜及び前記導電層を選択的にエッチングして前記ＭＩＭキャパシタを形成する工程とを有し、前記ＭＩＭキャパシタの下部電極として前記導電性金属窒化膜、上部電極として前記導電層を用いることを特徴とする。

請求項１０記載の半導体装置の製造方法は、絶縁膜を介して１層または複数層の配線層を有する半導体装置のＭＩＭキャパシタを形成するに際し、前記絶縁膜上にスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜を形成する工程と、前記導電性金属窒化膜上に絶縁性金属窒化膜を堆積する工程と、前記絶縁性金属窒化膜を選択的にエッチングして前記ＭＩＭキャパシタの容量絶縁膜を形成する工程と、前記容量絶縁膜上及び露出した導電性金属窒化膜上に導電層を堆積する工程と、前記容量絶縁膜及び前記導電層を選択的にエッチングして前記ＭＩＭキャパシタ及び前記配線層の内の１層を形成する工程とを有し、前記ＭＩＭキャパシタの下部電極として前記導電性金属窒化膜、上部電極として前記導電層を用いることを特徴とする。

請求項１１記載の半導体装置の製造方法は、請求項９または請求項１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記上部電極となる導電層がアルミニウム合金、または銅もしくはその合金よりなることを特徴とする。

請求項１２記載の半導体装置の製造方法は、請求項９または請求項１０または請求項１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記導電性金属窒化膜は、高融点金属窒化膜の結晶粒界に非金属窒化膜を含有することにより、前記スタッフト結晶構造を構成することを特徴とする。

請求項１３記載の半導体装置の製造方法は、請求項９または請求項１０または請求項１１または請求項１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記導電性金属窒化膜は、スパッタ装置により形成され、前記スパッタ装置で使用するスパッタターゲットは高融点金属と非金属を含有した合金よりなり、前記スパッタ装置において基板と前記スパッタターゲットの距離を１０ｃｍ以上４０ｃｍ以下とすることにより、前記導電性金属窒化膜をスタッフト結晶構造とすることを特徴とする。

請求項１４記載の半導体装置の製造方法は、請求項９または請求項１０または請求項１１または請求項１２または請求項１３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記絶縁性窒化膜として、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化ガリウム一群から少なくとも一つを選択することを特徴とする。

以上により、膜厚の縮小とキャパシタ容量の増加を実現すると共に、界面反応を抑制してＭＩＭキャパシタの信頼性を向上することができる。

以上のように、ＭＩＭキャパシタの少なくとも下部電極をスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜から形成することにより、膜厚の縮小とキャパシタ容量の増加を実現すると共に、界面反応が抑制してＭＩＭキャパシタの信頼性を向上することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に関わるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置及びその製造方法について、図１を参照しながら説明する。

図１は第１の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の構造を示す断面図である。
第１の実施の形態によると、図１に示すように、基板１上に形成された第１の絶縁膜２の上にバリアメタルとしてＴｉとＴｉＮからなる積層膜４、ＡｌＣｕ膜５（第１の導電膜）及びスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜（第２の導電膜）６が順に積層されてなる電気的に寄与する第１の配線７が形成されている。該第１の配線層７の最上層となる該スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜６を下部電極として、絶縁性金属窒化物よりなる容量絶縁膜８、ＡｌＣｕ膜９並びにＴｉＮ膜１０が順に積層されてなる上部電極から構成されるＭＩＭキャパシタ１１が形成されている。

ＭＩＭキャパシタ１１、第１の配線７を覆うように第２の絶縁膜３が形成されており、該第２の絶縁膜３にＷ膜が埋め込まれたコンタクト１２ａ及び１２ｂが形成されている。第２の絶縁膜３の上にコンタクト１２ａを介してＭＩＭキャパシタ１１と接続される第２の配線１６ａが形成されている。また、第２の絶縁膜３の上にコンタクト１２ｂを介して第１の配線７と接続される第２の配線１６ｂが形成されている。

なお、該第２の配線１６ａ及び１６ｂは、バリアメタルとしてＴｉとＴｉＮからなる積層膜１３、ＡｌＣｕ膜１４及びＴｉＮ膜１５が順に積層されてなる電気的に寄与する同一の膜層により形成されている。

以上のように、本実施形態によると、ＭＩＭキャパシタ１１の下部電極は、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜から形成されており、下部電極と容量絶縁膜との界面反応を抑制できる。すなわち、スタッフト結晶構造は結晶粒界にスタッフィング（詰め物）した構造であるので、金属の相互拡散の経路となる空隙のある結晶粒界が排除でき、界面反応が抑制できるため、ＭＩＭキャパシタの信頼性を向上することができる。

また、容量絶縁膜は絶縁性金属窒化膜よりなり、下部電極も導電性金属窒化膜よりなる構成であるので、ともに窒化物である。すなわち、例えばどちらかが酸化物である場合に起こるような、非金属部分の相互拡散による界面反応を抑制して下部電極近傍での低誘電率層の生成を排除できるので、膜厚の縮小によるキャパシタ容量の増加を実現することができる。
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の断面図であり、ＭＩＭキャパシタと一般の配線部分を示している。

図２に示すように、基板２１上に形成された第１の絶縁膜２２の上にバリアメタルとしてＴｉとＴｉＮからなる積層膜２４、ＡｌＣｕ膜２５及びＴｉＮ膜２６が順に積層されてなる電気的に寄与する同一の膜層よりなる第１の配線２７ａ及び２７ｂが形成されている。該第１の配線層２７ａ及び２７ｂを覆うように第２の絶縁膜２３が形成されており、該第１の絶縁膜２３にはＷ膜が埋め込まれたコンタクト２８ａ、２８ｂ及び２８ｃが形成されている。第２の絶縁膜２３及びコンタクト２８ａの上に、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜（第１の導電膜）２９よりなる下部電極、絶縁性金属窒化物よりなる容量絶縁膜３０、及びＡｌＣｕ膜３１（第２の導電膜）並びにＴｉＮ膜３２が順に積層されてなる上部電極から構成されるＭＩＭキャパシタ３３ａが形成されている。

また、第２の絶縁膜２３及びコンタクト２８ｂの上に、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜２９、ＡｌＣｕ膜３１及びＴｉＮ膜３２が順に積層されてなる電気的に寄与する第２の配線３３ｂ及び３３ｃが形成されている。なお、コンタクト２８ａは第１の配線２７ａとＭＩＭキャパシタ３３ａとを接続しており、コンタクト２８ｂは第１の配線２７ａと第２の配線３３ｂとを接続しており、コンタクト２８ｃは第１の配線２７ｂと第２の配線３３ｃとを接続している。

ＭＩＭキャパシタ３３ａ、第２の配線３３ｂ及び３３ｃを覆うように第３の絶縁膜３４が形成されており、該第３の絶縁膜３４にＷ膜が埋め込まれたコンタクト３５ａ及び３５ｂが形成されている。第３の絶縁膜３４の上にコンタクト３５ａを介してＭＩＭキャパシタ３３ａと接続される第３の配線３９ａが形成されている。また、第３の絶縁膜３４の上にコンタクト３５ｂを介して第２の配線３３ｂと接続される第３の配線３９ｂが形成されている。

なお、該第３の配線３９ａ及び３９ｂは、バリアメタルとしてＴｉとＴｉＮからなる積層膜３６、ＡｌＣｕ膜３７及びＴｉＮ膜３８が順に積層されてなる電気的に寄与する同一の膜層により形成されている。

以上のように、本実施形態によると、ＭＩＭキャパシタ３３ａの下部電極は、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜から形成されており、下部電極と容量絶縁膜との界面反応を抑制できる。すなわち、スタッフト結晶構造は結晶粒界にスタッフィング（詰め物）した構造であるので、金属の相互拡散の経路となる空隙のある結晶粒界が排除でき、界面反応が抑制できるため、ＭＩＭキャパシタの信頼性を向上することができる。

また、容量絶縁膜は絶縁性金属窒化膜よりなり、下部電極も導電性金属窒化膜よりなる構成であるので、ともに窒化物である。すなわち、例えばどちらかが酸化物である場合に起こるような、非金属部分の相互拡散による界面反応を抑制して下部電極近傍での低誘電率層の生成を排除できるので、膜厚の縮小によるキャパシタ容量の増加を実現することができる。

さらに、ＭＩＭキャパシタ３３ａの上部電極は、チップ内部の集積回路における第３の絶縁膜３４で被覆された層内で用いられる配線層を利用して形成されているので、配線を構成する膜とは別に新たな膜を用いて上部電極を形成する必要がなくなる。このため、微細素子を有する高集積半導体装置において、上部電極に相当する膜厚分の段差を低減することができる。
（第３の実施形態）
図３は第３の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の構造を示す断面図であり、ＭＩＭキャパシタとその近辺の一般の配線部分を示している。尚、図３においては、前記図１で示したような同様機能を有する部分については同一符号を用いている。

第３の実施形態によると、図３に示すように、基板１上に形成された第１の絶縁膜２の上にバリアメタルとしてＴｉとＴｉＮからなる積層膜４、ＡｌＣｕ膜５（第１の導電膜）及びスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜（第２の導電膜）６が順に積層されてなる電気的に寄与する第１の配線７が形成されている。該第１の配線層７の最上層となる該スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜６を下部電極として、絶縁性金属窒化物よりなる容量絶縁膜８、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜１７及びＡｌＣｕ膜９並びにＴｉＮ膜１０が順に積層されてなる上部電極から構成されるＭＩＭキャパシタ１１が形成されている。

以上のように、本実施形態によると、ＭＩＭキャパシタ１１の下部電極と上部電極は、ともにスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜から形成されており、下部電極及び上部電極と容量絶縁膜との両方の界面反応を抑制できる。すなわち、スタッフト結晶構造は結晶粒界にスタッフィング（詰め物）した構造であるので、金属の相互拡散の経路となる空隙のある結晶粒界が排除でき、界面反応が抑制できるため、ＭＩＭキャパシタの信頼性を向上することができる。

さらに、第３の実施形態では、第１の実施形態に比較して、上部電極もスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜から形成されており、ＭＩＭキャパシタ形成後の熱処理や応力が負荷されるプロセスにおいて上部電極近傍での低誘電率層の生成も排除でき、ＭＩＭキャパシタの劣化が発生しない。
（第４の実施形態）
図４は第４の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の構造を示す断面図であり、ＭＩＭキャパシタとその近辺の一般の配線部分を示している。尚、図４においては、前記図２で示したような同様機能を有する部分については同一符号を用いている。

図４に示すように、基板２１上に形成された第１の絶縁膜２２の上にバリアメタルとしてＴｉとＴｉＮからなる積層膜２４、ＡｌＣｕ膜２５及びＴｉＮ膜２６が順に積層されてなる電気的に寄与する同一の膜層よりなる第１の配線２７ａ及び２７ｂが形成されている。該第１の配線層２７ａ及び２７ｂを覆うように第２の絶縁膜２３が形成されており、該第１の絶縁膜２３にはＷ膜が埋め込まれたコンタクト２８ａ、２８ｂ及び２８ｃが形成されている。第２の絶縁膜２３及びコンタクト２８ａの上に、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜（第１の導電膜）２９よりなる下部電極、絶縁性金属窒化物よりなる容量絶縁膜３０、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜４０及びＡｌＣｕ膜３１（第２の導電膜）並びにＴｉＮ膜３２が順に積層されてなる上部電極から構成されるＭＩＭキャパシタ３３ａが形成されている。

また、第２の絶縁膜２３及びコンタクト２８ｂの上に、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化物４０、ＡｌＣｕ膜３１及びＴｉＮ膜３２が順に積層されてなる電気的に寄与する第２の配線３３ｂ及び３３ｃが形成されている。なお、コンタクト２８ａは第１の配線２７ａとＭＩＭキャパシタ３３ａとを接続しており、コンタクト２８ｂは第１の配線２７ａと第２の配線３３ｂとを接続しており、コンタクト２８ｃは第１の配線２７ｂと第２の配線３３ｃとを接続している。

以上のように、本実施形態によると、ＭＩＭキャパシタ３３ａの下部電極と上部電極は、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜から形成されており、下部電極及び上部電極と容量絶縁膜との界面反応を抑制できる。すなわち、スタッフト結晶構造は結晶粒界にスタッフィング（詰め物）した構造であるので、金属の相互拡散の経路となる空隙のある結晶粒界が排除でき、界面反応が抑制できるため、ＭＩＭキャパシタの信頼性を向上することができる。

また、容量絶縁膜は絶縁性金属窒化膜よりなり、下部電極及び上部電極も導電性金属窒化膜よりなる構成であるので、ともに窒化物である。すなわち、例えばどちらかが酸化物である場合に起こるような、非金属部分の相互拡散による界面反応を抑制して下部電極近傍での低誘電率層の生成を排除できるので、膜厚の縮小によるキャパシタ容量の増加を実現することができる。

さらに、ＭＩＭキャパシタ３３ａの上部電極は、チップ内部の集積回路における第３の絶縁膜３４で被覆された層内で用いられる配線層を利用して形成されているので、配線を構成する膜とは別に新たな膜を用いて上部電極を形成する必要がなくなる。このため、微細素子を有する高集積半導体装置において、上部電極に相当する膜厚分の段差を低減することができる。

さらに、第４の実施形態では、第２の実施形態に比較して、上部電極もスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜から形成されており、ＭＩＭキャパシタ形成後の熱処理や応力が負荷されるプロセスにおいて上部電極近傍での低誘電率層の生成も排除でき、ＭＩＭキャパシタの劣化が発生しない。

加えて、第２の配線３３ｂ、３３ｃの下層はスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜から形成されており、熱的安定性や応力安定性が増すため、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性が向上する。
（第５の実施形態）
図５（ａ）〜（ｄ）は第５の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図であり、特に、前記図１や図３に示したようなＭＩＭキャパシタを含む半導体装置の製造方法を示している。尚、図５においては、前記図１で示したような同様機能を有する部分については同一符号を用いている。

まず、図５（ａ）に示すように、半導体基板１上に形成された第１の絶縁膜２の上に、バリアメタルとしてＴｉとＴｉＮからなる積層膜４、ＡｌＣｕ膜５（第１の導電層）及びスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜６（第２の導電膜）として膜厚が５０ｎｍであるＴｉ_０．７５Ａｌ_０．２５Ｎ膜、が順に積層されてなる第１の導電層７’が形成されている。

該スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜６は、ロングスロースパッタ法により、所望の組成を有するＴｉとＡｌの合金からなるスパッタターゲットを使用して、スパッタガスとしてアルゴンと窒素を使用し、基板１と該スパッタターゲットの距離を３０ｃｍにして、スパッタ圧力を０．３Ｐａとし、膜厚が５０ｎｍであるＴｉ_０．７５Ａｌ_０．２５Ｎ膜として堆積する。このようにして、スパッタ時間と形成された膜厚が比例する関係となり、いわゆるインキュベーション時間がなく、制御性に優れ、工業的に使用することができるスパッタが可能となる。

その上に、図５（ｂ）に示すように、レジストパターン１８をマスクにして、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜（Ｔｉ_０．７５Ａｌ_０．２５Ｎ膜）６、ＡｌＣｕ膜５、Ｔｉ及びＴｉＮからなる積層膜４を選択的にドライエッチングすることにより、第１の配線層７と、その一部としてＭＩＭキャパシタの下部電極となる導電性金属窒化膜６を形成する。

次に、図５（ｃ）に示すように、アッシングと洗浄技術とによりレジストパターン１８を除去した後に、基板温度３５０℃でモノシラン及びＮ_２Ｏガスからなる雰囲気下で、ＣＶＤ法によりスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜６の上に膜厚が４０ｎｍである窒化シリコン膜からなる容量絶縁膜８を堆積する。さらに、スパッタ法により所望の組成を有するＡｌとＣｕの合金からなるスパッタターゲットを使用して、スパッタガスとしてアルゴンを使用し、基板１と該スパッタターゲットの距離を３ｃｍにして、スパッタ圧力を３Ｐａとし、膜厚が１００ｎｍであるＡｌＣｕ膜９を堆積する。その後、ＡｌＣｕ膜９上に膜厚が５０ｎｍであるＴｉＮ膜１０を堆積する。

次に、図５（ａ）〜（ｂ）と同様にして、ＭＩＭキャパシタを形成する領域（第１の領域）にＴｉＮ膜１０、ＡｌＣｕ膜９、窒化シリコン膜８を選択的にパターニングすることにより、ＭＩＭキャパシタ１１を形成する。

最後に、図５（ｄ）に示すように、第２の絶縁膜２の上に、ＭＩＭキャパシタ１１を覆うように表面が平坦化された第３の絶縁膜３を形成する。そして、第３の絶縁膜３にコンタクトホールを形成した後、該コンタクトホールにＷ膜を埋め込んでコンタクト１２ａ及び１２ｂを形成する。その後、第３の絶縁膜３及びコンタクト１２ａ及び１２ｂの上に第２の配線１６ａ及び１６ｂを形成する。

以上のようにして完成したＭＩＭキャパシタ１１を構成する下部電極はスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜（Ｔｉ_０．７５Ａｌ_０．２５Ｎ膜）６よりなり、上部電極はＡｌＣｕ膜９とＴｉＮ膜１０との積層膜よりなる。また、下部電極は第１の配線７の最上層を兼ねているため、上部電極及び下部電極へ電圧を印加することができる。

以上のように、本実施形態によると、ＭＩＭキャパシタ１１の下部電極は、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜から形成されており、下部電極と容量絶縁膜との界面反応を抑制できる。すなわち、スタッフト結晶構造は結晶粒界にスタッフィング（詰め物）した構造であるので、金属の相互拡散の経路となる空隙のある結晶粒界が排除でき、界面反応が抑制できるため、ＭＩＭキャパシタの信頼性を向上することができる。また、容量絶縁膜は絶縁性金属窒化膜よりなり、下部電極も導電性金属窒化膜よりなる構成であるので、ともに窒化物である。すなわち、例えばどちらかが酸化物である場合に起こるような、非金属部分の相互拡散による界面反応を抑制して下部電極近傍での低誘電率層の生成を排除できるので、膜厚の縮小によるキャパシタ容量の増加を実現することができる。

さらに、第３の実施形態のように上部電極もスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜から形成すれば、ＭＩＭキャパシタ形成後の熱処理や応力が負荷されるプロセスにおいて上部電極近傍での低誘電率層の生成も排除でき、ＭＩＭキャパシタの劣化が発生しない。
（第６の実施形態）
図６（ａ）〜（ｃ）及び図７（ａ）〜（ｂ）は第６の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図であり、特に、前記図２や図４に示したようなＭＩＭキャパシタを含む半導体装置の製造方法を示している。尚、図６においては、前記図２で示したような同様機能を有する部分については同一符号を用いている。

まず、図６（ａ）に示すように、半導体基板２１上に形成された第１の絶縁膜２２の上に、バリアメタルとしてＴｉとＴｉＮからなる積層膜２４、ＡｌＣｕ膜２５及びＴｉＮ膜２６が順に積層されてなる電気的に寄与する同一の膜層よりなる第１の配線２７ａ及び２７ｂが形成されている。第１の配線２７ａ及び２７ｂを形成した後、該第１の配線２７ａ及び２７ｂを覆うように表面が平坦化された第２の絶縁膜２３を形成する。次に、該第２の絶縁膜２３に第１の配線２７ａ及び２７ｂの上面と連通するコンタクトホールとを形成した後、該コンタクトホールにＷ膜を埋め込んでコンタクト２８ａ及び２８ｂ並びに２８ｃを形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、第２の絶縁膜２３及びコンタクト２８ａ、２８ｂ並びに２８ｃの上に、ロングスロースパッタ法により、所望の組成を有するＴｉとＡｌの合金からなるスパッタターゲットを使用して、スパッタガスとしてアルゴンと窒素を使用し、ロングスロースパッタ装置内に配置された基板２１と該スパッタターゲットの距離を３０ｃｍにして、スパッタ圧力を０．３Ｐａとし、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜２９（第１の導電膜）として膜厚が５０ｎｍであるＴｉ_０．７５Ａｌ_０．２５Ｎ膜を堆積する。このようにして、スパッタ時間と形成された膜厚が比例する関係となり、いわゆるインキュベーション時間がなく、制御性に優れ、工業的に使用することができるスパッタが可能となる。

さらに、基板温度３５０℃でモノシラン及びＮ_２Ｏガスからなる雰囲気下で、ＣＶＤ法によりスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜２９の上に、絶縁性窒化膜からなる容量絶縁膜３０となる膜厚が４０ｎｍである窒化シリコン膜（容量絶縁膜）を堆積する。そして、窒化シリコン膜の上であって且つＭＩＭキャパシタを形成する領域（第１の領域）にレジストパターン４１を形成した後、レジストパターン４１をマスクにしてＣＦ_４とＣＨＦ_３とからなる混合ガスを用いて窒化シリコン膜を選択的にドライエッチングして絶縁性窒化膜からなる容量絶縁膜３０を形成する。

そして、図６（ｃ）に示すように、アッシングと洗浄技術とによりレジストパターン４１を除去した後、スパッタ法によりスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜２９及び絶縁性窒化膜からなる容量絶縁膜３０の上に膜厚が４００ｎｍであるＡｌＣｕ膜３１（第２の導電膜）を堆積する。その後、ＡｌＣｕ膜３１上に膜厚が５０ｎｍであるＴｉＮ膜３２を順次堆積してなる第２の配線３３’を形成する。

次に、ＴｉＮ膜３２の上であって且つ配線を形成する領域（第２の領域）とＴｉＮ膜３２の上であって且つＭＩＭキャパシタを形成する領域であって下方に絶縁性窒化膜からなる容量絶縁膜３０が存在する領域とにレジストパターン４２を形成する。

そして、図６（ｄ）に示すように、レジストパターン４２をマスクにしてＴｉＮ膜３２、ＡｌＣｕ膜３１、窒化シリコン膜３０及びスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜（Ｔｉ_０．７５Ａｌ_０．２５Ｎ膜）２９を選択的にドライエッチングすることにより、ＭＩＭキャパシタ３３ａ及び第２の配線３３ｂ及び３３ｃを形成する。

さらに、第２の絶縁膜２３の上に、ＭＩＭキャパシタ３３ａ及び第２の配線３３ｂ及び３３ｃを覆うように表面が平坦化された第３の絶縁膜３４を形成する。そして、第３の絶縁膜３４にコンタクトホールを形成した後、該コンタクトホールにＷ膜を埋め込んでコンタクト３５ａ及び３５ｂを形成する。

最後に、図６（ｅ）に示すように、第３の絶縁膜３４及びコンタクト３５ａ及び３５ｂの上に第３の配線３９ａ及び３９ｂを形成する。該第３の配線３９ａ及び３９ｂは、バリアメタルとしてＴｉとＴｉＮからなる積層膜３６、ＡｌＣｕ膜３７及びＴｉＮ膜３８が順に積層されてなる電気的に寄与する同一の膜層により形成されている。

以上のようにして完成したＭＩＭキャパシタ３３ａを構成する下部電極はスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜（Ｔｉ_０．７５Ａｌ_０．２５Ｎ膜）２９よりなり、上部電極はＡｌＣｕ膜３１とＴｉＮ膜３２との積層膜よりなる。また、下部電極はコンタクト２８ａを介して第１の配線２７ａに接続されると共に、上部電極は第３の配線３９ａに接続される。このため、上部電極及び下部電極へ電圧を印加することができる。

また、本実施形態によると、チップ内部の集積回路における第３の絶縁膜３４で被覆された層内で用いられる配線を製造する工程を利用してスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜（Ｔｉ_０．７５Ａｌ_０．２５Ｎ膜）２９、ＡｌＣｕ膜３１及びＴｉＮ膜３２を形成する工程に加えて、絶縁性窒化膜からなる容量絶縁膜３０としての窒化シリコン膜を形成する工程を追加するだけでＭＩＭキャパシタ３３ａを形成することができる。従って、コンタクトホールにＷ膜を埋め込んでコンタクトを形成する必要がある高密度微細素子に対応した半導体装置を製造する工程数を削減することができると共に製造コストを低減することができる。

さらに、第４の実施形態のように上部電極もスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜、例えばＴｉ_０．７５Ａｌ_０．２５Ｎ膜やＴａ_０．７Ｓｉ_０．３Ｎ膜から形成すれば、ＭＩＭキャパシタ形成後の熱処理や応力が負荷されるプロセスにおいて上部電極近傍での低誘電率層の生成も排除でき、ＭＩＭキャパシタの劣化が発生せず、第２の配線３３ｂ、３３ｃの下層はスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜から形成されており、熱的安定性や応力安定性が増すため、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性が向上する。
（第７の実施形態）
図８は第７の実施形態における半導体装置の製造方法のロングスロースパッタ条件を示す図であり、特にスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜を製造するロングスロースパッタを使用する際に好適な条件を示す図である。また、図９は第７の実施形態における半導体装置の製造方法を用いた場合の容量特性を示す図であり、該好適な条件により製造されたＭＩＭキャパシタでの容量特性を示す図である。さらに、図１０は第７の実施形態における半導体装置の製造方法を用いた場合の導電性金属窒化膜の組成と容量特性の関係を示す図であり、該好適な条件により製造された、スタッフトバリア結晶構造を有する導電性金属窒化膜の組成を変えたときのＭＩＭキャパシタでの容量特性を示す図である。

図８では、前記の本発明の第５から６の実施形態に係る半導体装置の製造方法で使用した、ロングスロースパッタ条件のうち、スパッタ圧力を０．３Ｐａとし、基板とスパッタターゲットの距離を変えて、ＭＩＭキャパシタの容量特性を測定した。図９では、ロングスロースパッタ条件を好適な条件で製造した時の、ＭＩＭキャパシタの容量絶縁膜の膜厚を変えて、ＭＩＭキャパシタの容量特性を測定した。

上記測定したＭＩＭキャパシタは１辺が５μｍの四角形状であり、面積総和が１ｍｍ^２となるように４万個のアレイ状とした。また、ＭＩＭキャパシタの膜厚は４０ｎｍとし、印加した電圧は３．６Ｖである。

図８から分かるように、基板とスパッタターゲットの距離が相対的に長くなり、ロングスロースパッタ条件となって、ＭＩＭキャパシタの容量特性が向上することがわかる。好適な条件としては、スパッタレートのトレードオフの関係で決まり、ロングスロースパッタが安定して使用できる条件は最大値の概８０％であるので、基板とスパッタターゲットの距離は１０ｃｍ以上４０ｃｍ以下であることが分かる。同様にして基板とスパッタターゲットの距離を３０ｃｍにしたときのスパッタ圧力を変えてＭＩＭキャパシタの容量特性を評価した。その結果、同様に０．１Ｐａ以上１Ｐａ以下が好ましいことが分かった。

図９は上記ロングスロースパッタ条件が好適な一条件下、基板とスパッタターゲットの距離が３０ｃｍであり、スパッタ圧力が０．３Ｐａで、ＭＩＭキャパシタの容量絶縁膜の膜厚を変えたときの結果である。図９から分かるように、本発明の第７の実施形態による、スタッフトバリア結晶構造を有する導電性金属窒化膜を使用することにより、容量絶縁膜が５０ｎｍ以下のＭＩＭキャパシタも実用でき、１０ｎｍまで実用可能であることが分かる。

図１０は上記ロングスロースパッタ条件が好適な一条件下、基板とスパッタターゲットの距離が３０ｃｍであり、スパッタ圧力が０．３Ｐａで、ＭＩＭキャパシタのスタッフト結晶構造を有する絶縁性窒化膜の組成を変えたときの結果である。図１０から分かるように、本発明の第７の実施形態による、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜を使用することにより、ｘ値が０．０５以上０．４以下とすることにより、実用的なＭＩＭキャパシタが製造できることが分かる。

前記第１〜第７の各実施形態においては、スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜として、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮやＴａ_１−ｘＳｉ_ｘＮ膜等の、高融点金属窒化膜の結晶粒界に非金属窒化膜を含有する構成を使用して説明したが、該導電性金属窒化膜は、Ａ_１−ｘＢ_ｘＮ（但し、ｘは、０．０５≦ｘ≦０．４の関係を満たす）よりなり、該金属元素Ａは、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆの一群から少なくとも一つ選択された高融点金属元素であり、該金属元素Ｂは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｕの一群から少なくとも一つ選択された非金属元素であればよい。

また、前記第１〜第７の各実施形態においては、上部電極や下部電極にスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜として、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮやＴａ_１−ｘＳｉ_ｘＮ膜等の、高融点金属窒化膜の結晶粒界に非金属窒化膜を含有する構成を使用して説明したが、該上部電極と下部電極に使用する該導電性金属窒化膜は、同一材料同一組成でも、同一材料異なる組成でも、異なる材料でもよい。特に異なる材料を使用した場合は、ＭＩＭキャパシタ形成後の熱処理や応力が負荷されるプロセスにおいて、形状変化が上下で同一方向に助長して発生する効果も排除でき、熱的安定性や応力安定性が増すため、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性が向上する。

また、前記第１〜第７の各実施形態においては、絶縁性窒化膜からなる容量絶縁膜として窒化シリコンや窒化アルミニウムを用いて説明したが、窒化ガリウムでもよい。
また、上部電極となる導電膜としてＡｌＣｕ膜を例に説明したが、アルミニウム合金、または銅もしくはその合金を用いることもできる。

さらに、前記第１〜第７の各実施形態においては、バリアメタル膜の材料としてＴｉＮ膜又はＴｉＮ膜及びＴｉ膜よりなる積層膜を用いたが、これに限定されるものではなく本発明の実施形態に適合するような、Ｔｉ膜、Ｗ膜、Ｔａ膜等の高融点金属膜、高融点金属シリサイド膜、高融点金属炭化物膜も好適であるので、これらの材料を単体として又は絶縁膜に対する密着層であるＴｉ膜等と組み合わせて使用することもできる。

また、半導体装置の配線層数も任意である。

本発明の半導体装置及び半導体装置の製造方法は、膜厚の縮小とキャパシタ容量の増加を実現すると共に、界面反応を抑制してＭＩＭキャパシタの信頼性を向上することができ、ＭＩＭキャパシタ、アナログ回路等を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法等に有用である。

第１の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の構造を示す断面図第２の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の構造を示す断面図第３の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の構造を示す断面図第４の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の構造を示す断面図第５の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図第６の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図第６の実施形態におけるＭＩＭキャパシタを有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図第７の実施形態における半導体装置の製造方法のロングスロースパッタ条件を示す図第７の実施形態における半導体装置の製造方法を用いた場合の容量特性を示す図第７の実施形態における半導体装置の製造方法を用いた場合の導電性金属窒化膜の組成と容量特性の関係を示す図

符号の説明

１、２１基板
２、２２第１の絶縁膜
３、２３第２の絶縁膜
４、２４積層膜
５、２５ＡｌＣｕ膜
６、２９、１７、４０スタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜
７、７’、２７ａ、２７ｂ第１の配線
８、３０絶縁性窒化膜からなる容量絶縁膜
９ＡｌＣｕ膜
１０ＴｉＮ膜
１１、３３ａＭＩＭキャパシタ
１２ａ、１２ｂ、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、３５ａ、３５ｂコンタクト
１３、３６積層膜
１４、３７ＡｌＣｕ膜
１５、３８ＴｉＮ膜
１８、４１，４２レジストパターン
１６ａ、１６ｂ、３３’３３ｂ、３３ｃ第２の配線
２６ＴｉＮ膜
３１ＡｌＣｕ膜
３２ＴｉＮ膜
３４第３の絶縁膜
３９ａ、３９ｂ第３の配線

Claims

絶縁膜を介して複数層の配線層が形成され、ＭＩＭキャパシタが設けられる半導体装置であって、
前記ＭＩＭキャパシタが、
前記配線層の内の１層上に形成されてスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜からなる下部電極と、
前記下部電極の上に形成される絶縁性金属窒化膜よりなる容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜の上に形成される上部電極と
を備えることを特徴とする半導体装置。
絶縁膜を介して複数層の配線層が形成され、ＭＩＭキャパシタが設けられる半導体装置であって、
前記ＭＩＭキャパシタが、
前記絶縁膜上に形成されてスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜からなる下部電極と、
前記下部電極の上に形成される絶縁性金属窒化膜よりなる容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜の上に形成される上部電極と
を備えることを特徴とする半導体装置。
前記下部電極が形成された配線層の上層の配線層を用いて前記上部電極が形成されることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
前記上部電極がスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜からなることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
前記導電性金属窒化膜は、高融点金属窒化膜の結晶粒界に非金属窒化膜を含有することにより、前記スタッフト結晶構造を構成することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
前記導電性金属窒化膜は、Ａ_１−ｘＢ_ｘＮ（但し、ｘは、０．０５≦ｘ≦０．４の関係を満たす）よりなり、
前記金属元素Ａは、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆの一群から少なくとも一つ選択された高融点金属元素であり、
前記金属元素Ｂは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｕの一群から少なくとも一つ選択された非金属元素であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
前記絶縁性窒化膜として、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化ガリウム一群から少なくとも一つを選択することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６のいずれかに記載の半導体装置。
前記上部電極の導電層部がアルミニウム合金、または銅もしくはその合金よりなることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
絶縁膜を介して１層または複数層の配線層を有する半導体装置のＭＩＭキャパシタを形成するに際し、
最上部にスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜が形成された第１の配線層を所定の領域に形成する工程と、
前記第１の配線層上に絶縁性金属窒化膜よりなる容量絶縁膜を堆積する工程と、
前記容量絶縁膜上に導電層を堆積する工程と、
前記容量絶縁膜及び前記導電層を選択的にエッチングして前記ＭＩＭキャパシタを形成する工程と
を有し、前記ＭＩＭキャパシタの下部電極として前記導電性金属窒化膜、上部電極として前記導電層を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
絶縁膜を介して１層または複数層の配線層を有する半導体装置のＭＩＭキャパシタを形成するに際し、
前記絶縁膜上にスタッフト結晶構造を有する導電性金属窒化膜を形成する工程と、
前記導電性金属窒化膜上に絶縁性金属窒化膜を堆積する工程と、
前記絶縁性金属窒化膜を選択的にエッチングして前記ＭＩＭキャパシタの容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜上及び露出した導電性金属窒化膜上に導電層を堆積する工程と、
前記容量絶縁膜及び前記導電層を選択的にエッチングして前記ＭＩＭキャパシタ及び前記配線層の内の１層を形成する工程と
を有し、前記ＭＩＭキャパシタの下部電極として前記導電性金属窒化膜、上部電極として前記導電層を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記上部電極となる導電層がアルミニウム合金、または銅もしくはその合金よりなることを特徴とする請求項９または請求項１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記導電性金属窒化膜は、高融点金属窒化膜の結晶粒界に非金属窒化膜を含有することにより、前記スタッフト結晶構造を構成することを特徴とする請求項９または請求項１０または請求項１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記導電性金属窒化膜は、スパッタ装置により形成され、前記スパッタ装置で使用するスパッタターゲットは高融点金属と非金属を含有した合金よりなり、前記スパッタ装置において基板と前記スパッタターゲットの距離を１０ｃｍ以上４０ｃｍ以下とすることにより、前記導電性金属窒化膜をスタッフト結晶構造とすることを特徴とする請求項９または請求項１０または請求項１１または請求項１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記絶縁性窒化膜として、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化ガリウム一群から少なくとも一つを選択することを特徴とする請求項９または請求項１０または請求項１１または請求項１２または請求項１３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。