JP2010003742A - 半導体装置、及び薄膜キャパシタの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 下部電極となるTiN膜の表面のラフネスを低減させるために、化学機械研磨、Arによるスパッタリング、Ta膜の堆積等の工程が必要になる。
【解決手段】 半導体基板(10)の上に薄膜キャパシタが配置されている。この薄膜キャパシタは、少なくとも表層部が非晶質または微結晶の金属で形成された下部電極(21a,22a)、該下部電極の上に配置された誘電体膜(23a)、及び該誘電体膜の上に配置された上部電極(24a)を含む。
【選択図】 図1−3
【解決手段】 半導体基板(10)の上に薄膜キャパシタが配置されている。この薄膜キャパシタは、少なくとも表層部が非晶質または微結晶の金属で形成された下部電極(21a,22a)、該下部電極の上に配置された誘電体膜(23a)、及び該誘電体膜の上に配置された上部電極(24a)を含む。
【選択図】 図1−3
Description
本発明は、基板上に薄膜キャパシタが形成されている半導体装置、及び薄膜キャパシタの製造方法に関する。
高周波デバイス用のキャパシタや、デカップリング用のキャパシタに、金属/絶縁膜/金属(MIM)構造が採用されつつある。電極に金属を用いると、多結晶シリコン等を用いた場合に比べて、電極の抵抗を低減させ、かつ電極の空乏化を防止することができる。電気的特性及び加工性の面から、MIMキャパシタの上部電極及び下部電極にTiNが広く用いられている。ところが、TiN膜は、通常、柱状構造の多結晶になるため、表面の粗度(ラフネス)が大きくなりやすい。下部電極の表面のラフネスが大きくなると、局所的な電界集中によって、絶縁破壊が生じやすくなり、かつリーク電流も増大する。
TiN膜を堆積させた後に、化学機械研磨を行ったり、Arで表層部をスパッタリングしたりすることにより、表面の平坦化させることができる(特許文献1)。また、TiN膜の上にTa膜を堆積させることにより、表面のラフネスを低減させることができる(特許文献2)。また、TiNを薄膜抵抗素子に適用する研究(非特許文献1)、及びTiNの成長メカニズムに関する研究(非特許文献2)について報告されている。
従来の方法では、下部電極となるTiN膜の表面のラフネスを低減させるために、化学機械研磨、Arによるスパッタリング、Ta膜の堆積等の工程が必要になる。
上記課題を解決するための半導体装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上に配置され、少なくとも表層部が非晶質または微結晶の金属で形成された下部電極、該下部電極の上に配置された誘電体膜、及び該誘電体膜の上に配置された上部電極を含む薄膜キャパシタと
を有する。
半導体基板と、
前記半導体基板の上に配置され、少なくとも表層部が非晶質または微結晶の金属で形成された下部電極、該下部電極の上に配置された誘電体膜、及び該誘電体膜の上に配置された上部電極を含む薄膜キャパシタと
を有する。
この薄膜キャパシタの製造方法は、
半導体基板の上に、導電材料からなる第1の下部電極膜を形成する工程と、
前記第1の下部電極膜の上に、TiとNとを含む金属からなる第2の下部電極膜を、非晶質または微結晶になる条件で形成する工程と、
前記第2の下部電極膜の上に、誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜の上に、導電材料からなる上部電極膜を形成する工程と
を有する。
半導体基板の上に、導電材料からなる第1の下部電極膜を形成する工程と、
前記第1の下部電極膜の上に、TiとNとを含む金属からなる第2の下部電極膜を、非晶質または微結晶になる条件で形成する工程と、
前記第2の下部電極膜の上に、誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜の上に、導電材料からなる上部電極膜を形成する工程と
を有する。
下部電極の表層部を非晶質または微結晶にすることにより、その表面のラフネスを低減させることができる。
図1A〜図1Hを参照して、実施例による半導体装置の製造方法について説明する。
図1Aに示すように、シリコン等の半導体基板10の表層部に素子分離絶縁膜11が形成され、活性領域が画定されている。活性領域内にMOSトランジスタ12が形成されている。半導体基板10の上に、多層配線層15が形成されている。MOSトランジスタ12は、多層配線層15内のプラグや配線を介して、多層配線層15内の最上層の配線17に接続されている。素子分離絶縁膜11、MOSトランジスタ12、及び多層配線層15は、公知のフォトリソグラフィ、エッチング、成膜、化学機械研磨等の技術を用いて形成される。
多層配線層15の上に、化学気相成長(CVD)により、厚さ100nmの酸化シリコン膜20を形成する。酸化シリコン膜20の上に、Alからなる厚さ150nmの第1の下部電極膜21をスパッタリングにより形成する。第1の下部電極膜21の上に、非晶質または微結晶のTiNからなる厚さ50nmの第2の下部電極膜22を、スパッタリングにより形成する。第2の下部電極膜22の成膜条件は、例えば下記の通りである。
・スパッタリング装置 DCマグネトロンスパッタリング装置
・ターゲット 金属チタン
・スパッタガス ArとN2との混合ガス
・ガス流量 Ar:100sccm、N2:20sccm
・チャンバ内圧力 0.47Pa(3.5mTorr)
・基板温度 室温
・DCパワー 3000W
・成膜時間 20秒
第2の下部電極膜22の上に、SiNからなる厚さ40nmの誘電体膜23をCVDにより形成する。誘電体膜23の上に、TiNからなる厚さ100nmの上部電極膜24をスパッタリングにより形成する。
・スパッタリング装置 DCマグネトロンスパッタリング装置
・ターゲット 金属チタン
・スパッタガス ArとN2との混合ガス
・ガス流量 Ar:100sccm、N2:20sccm
・チャンバ内圧力 0.47Pa(3.5mTorr)
・基板温度 室温
・DCパワー 3000W
・成膜時間 20秒
第2の下部電極膜22の上に、SiNからなる厚さ40nmの誘電体膜23をCVDにより形成する。誘電体膜23の上に、TiNからなる厚さ100nmの上部電極膜24をスパッタリングにより形成する。
上部電極膜24の上に、レジストパターン30を形成する。このレジストパターン30をエッチングマスクとして、上部電極膜24をエッチングする。このエッチングには、塩素系ガス、例えば流量60sccmのCl2と流量80sccmのBCl2とを用いたドライエッチングを適用することができる。上部電極膜24をエッチングした後、レジストパターン30を除去する。
図1Bに示すように、レジストパターン30が形成されていた領域にTiNからなる上部電極24aが残る。なお、誘電体膜23の表層部も薄くエッチングされる。
図1Cに示すように、誘電体膜23及び上部電極24aの上に、SiCからなる厚さ70nmの被覆膜35を形成する。図1C以降においては、基板10、及び多層配線層15の基板側の一部分が省略して示されている。被覆膜35の形成には、化学気相成長(CVD)を用いることができる。
図1Dに示すように、被覆膜35の上にレジストパターン36を形成する。平面視において、レジストパターン36は上部電極24aを内包する。
レジストパターン36をエッチングマスクとして、被覆膜35から第1の下部電極21までをエッチングする。このエッチングは、上部電極膜24のエッチングと同じ条件で行うことができる。エッチング後、レジストパターン36を除去する。
図1Eに示すように、レジストパターン36が形成されていた領域に、SiCからなる被覆膜35a、Alからなる第1の下部電極21a、非晶質または微結晶のTiNからなる第2の下部電極22a、及びSiNからなる誘電体膜23aが残る。なお、レジストパターン36で覆われていなかった領域の酸化シリコン膜20の表層部が、薄くエッチングされる。第1の下部電極21a、第2の下部電極22a、誘電体膜23a、及び上部電極24aにより、MIMキャパシタ25が構成される。
図1Fに示すように、MIMキャパシタ25及び酸化シリコン膜20の上に、酸化シリコンからなる厚さ1200nmの層間絶縁膜40を形成し、化学機械研磨(CMP)を施すことによってその表面を平坦化する。
図1Gに示すように、ビアホール45h、46h、47hを形成する。ビアホール45hは、層間絶縁膜40及び酸化シリコン膜20を貫通して、配線17まで達する。ビアホール46hは、上部電極24aの脇に配置され、層間絶縁膜40、被覆膜35及び誘電体膜23aを貫通して、第2の下部電極22aまで達する。ビアホール47hは、層間絶縁膜40及び被覆膜35を貫通して、上部電極24aまで達する。
ビアホール45h、46h、47h内に、それぞれ導電プラグ45、46、47を充填する。これらの導電プラグ45〜47の各々は、厚さ50nmのTiN膜と、厚さ300nmのタングステン(W)を順番に堆積させた後、CMPを用いて余分な部分を除去することにより形成される。導電プラグ45は、多層配線層15の最上層配線17に接続される。導電プラグ46及び47は、それぞれMIMキャパシタ25の第2の下部電極22a及び上部電極24aに接続される。
図1Hに示すように、層間絶縁膜40の上に、Alからなる配線50、51、52を形成する。配線50、51、52は、それぞれ導電プラグ45、46、47に接続される。例えば、配線51は電源用配線であり、配線52は接地用配線である。このとき、MIMキャパシタ25は、電源用配線と接地用配線とを接続することになる。
次に、TiNで形成された第2の下部電極膜23の成膜条件と、その表面のラフネスについて説明する。
図2A〜図2Fに、SiO2膜上に、スパッタガスの組成比を変えてTiN膜またはTi膜を形成した複数の試料A〜FのSEM写真を示す。試料A〜FのTiN膜形成時の(Ar流量、N2流量)は、それぞれ(20sccm、100sccm)、(40sccm、80sccm)、(60sccm、60sccm)、(80sccm、40sccm)、(100sccm、20sccm)、(120sccm、0sccm)である。
試料A〜Dにおいては、柱状構造が観察されるが、試料E及びFにおいては、柱状構造が見られない。スパッタガス中の窒素濃度が高いと、TiN膜が柱状構造の多結晶になり、窒素濃度が低くなるに従って、柱状構造から粒状構造に変化することがわかる。
図3に、試料A〜FのTiN膜表面の算術平均粗さ、及び二乗平均平方根粗さの測定結果を示す。横軸は、試料A〜Fを表し、縦軸は、粗さを単位「nm」で表す。窒素ガスの流量を相対的に少なくすると、粗さが低減されることが分かる。表面粗さが低減しているのは、TiN膜が柱状構造から粒状構造に変化するためである。
図4に、試料A〜FのTiN膜のX線回折パターンを示す。試料A〜Dにおいては、36.5°付近に、TiNの(111)面に起因する盛り上がりが見られる。試料Fの膜はTi膜であるため、TiNの(111)面に起因する盛り上がりは見られず、Tiの(200)面及び(101)面に起因する鋭いピークが現れる。
これに対し、試料Eにおいては、TiNの(111)面に起因する盛り上がりが見られず、Tiの(200)面及び(101)面に起因するピークの近傍に、ややブロードなピークが見られる。試料EのX線回折パターンのピークが、Tiの(200)面及び(101)面のピークの位置よりも低角度側にずれているのは、TiにNが含まれることによって、格子定数が純粋なTiのものから変化しているためである。また、TiNの(111)面に起因する盛り上がりが見られないことから、TiNの大きな結晶粒が形成されていないことがわかる。これらの分析結果から、試料EのTiN膜は、非晶質または微結晶であることがわかる。
ここで、「TiN」という表記は、TiとNとの組成比が1:1であるいことを意味せず、主としてTiとNとを含む物質であることを意味する。「非晶質または微結晶のTiN」は、X線回折パターンに、TiNの(111)面に起因するピークまたは盛り上がりが見られないようなTiNを意味する。
図5に、試料A〜FのTiN膜またはTi膜の抵抗率を示す。横軸は、スパッタガス中のN2ガスの分圧比を単位「%」で表し、縦軸は、抵抗率を単位「Ω・cm」で表す。スパッタガス中のN2ガスの分圧比が33%以上の条件で作製した試料A〜DのTiN膜の抵抗率は、220Ω・cm以上になっている。これに対し、N2ガス分圧比が17%の条件で作製した試料EのTiN膜の抵抗率は、200Ω・cmであり、試料FのTi膜の抵抗率と、試料A〜DのTiN膜の抵抗率との中間の値になっている。
この評価結果からも、試料A〜DのTiN膜が柱状構造を示していることが伺われる。また、抵抗率の測定結果は、試料EのTiN膜が、柱状構造の多結晶ではなく、Tiに近い構造であるというX線回折結果と整合する。
図6に、スパッタガス中の窒素分圧比を変えて作製したTiN膜中の元素濃度の測定結果を示す。横軸は、スパッタガス中の窒素ガスの分圧比を単位「%」で表し、縦軸は、元素濃度を単位「原子%」で表す。なお、元素濃度は、XPS分析により各元素に起因するピークの面積強度を求め、Physical Electronics, Inc.の推奨する感度計数を用いて算出した。
窒素ガス分圧比が33%以上のとき、TiとNとの濃度比がほぼ1:1であり、化学量論的組成比に近いTiNが形成されていることがわかる。この結果は、X線回折パターンによる評価結果、及び抵抗率による評価結果と整合する。窒素ガス分圧比が17%のとき、N濃度が約8原子%まで低下している。このように、化学量論的組成比に比べて窒素が少量になっているため、柱状構造を持つTiN結晶が形成されないと考えられる。
図7Aに、MIMキャパシタ構造を持つ3種類の試料のTDDB試験結果を示す。横軸は、経過時間を対数目盛りで表し、縦軸は累積故障率を単位「%」で表す。
図7B〜図7Dに、それぞれ3つの試料の断面構造を示す。いずれの試料においても、誘電体膜は、厚さ40nmのSiN膜であり、上部電極は、厚さ100nmのTiN膜である。図7Bに示した試料の下部電極は、厚さ150nmの柱状構造の多結晶TiN膜である。図7Cに示した試料の下部電極は、厚さ200nmのAl膜と、厚さ10nmの柱状構造の多結晶TiN膜との2層構造を有する。図7Dに示した試料の下部電極は、厚さ200nmのAl膜と、厚さ50nmの非晶質または微結晶TiN膜との2層構造を有する。
図7Aに示した符号7B〜7Dで示された測定結果は、それぞれ図7B〜図7Dの試料のものである。図7B及び図7Cの試料の測定結果から、TiN膜の厚さを10nmまで薄くすることにより、寿命が一桁程度長くなることがわかる。これは、TiN膜を薄くしたことにより、柱状の結晶粒の成長が抑制され、TiN膜の表面のラフネスが低減したためと考えられる。
図7Dの試料のように、下部電極のTiN膜を非晶質または微結晶にすると、その厚さが50nmであっても、図7Cの試料と同等以上の寿命が得られる。これは、下部電極のTiN膜を非晶質または微結晶にしたことにより、その表面の粗度が低減されているためである。
図8Aに、MIMキャパシタ構造を有する2つの試料P及びQの耐圧測定結果を示す。横軸は、印加電圧を線形目盛りで表し、縦軸は、累積故障率を単位「%」で表す。
図8Bに、試料P及びQの断面構造を示す。下部電極は、厚さ150nmのAl膜と、厚さ50nmのTiN膜との2層構造を有する。誘電体膜は、厚さ40nmのSiN膜で構成される。上部電極は、厚さ100nmのTiN膜で構成される。試料Pにおいては、下部電極のTiN膜形成時のスパッタガスであるAr及びN2の流量を、それぞれ28sccm及び85sccmとした。すなわち、窒素ガスの分圧比は約75%である。試料Qにおいては、下部電極のTiN膜形成時のスパッタガスであるAr及びN2の流量を、それぞれ28sccm及び40sccmとした。すなわち、窒素ガスの分圧比は約59%である。
図8Aの符号P及びQで示された測定結果は、それぞれ試料P及びQのものである。下部電極のTiN膜形成時の窒素ガスの分圧を低くすることによって、耐圧が高くなっていることが分かる。これは、下部電極のTiN膜の表面の粗度が低減されたためである。
図9に、TiN膜の厚さの異なる3つの試料R、S、T、及びTi膜が形成された試料UのX線回折パターンを示す。いずれの試料においても、TiN膜は、スパッタガスであるAr及びN2の流量を、それぞれ100sccm及び20sccmとして成膜した。試料UのTi膜は、スパッタガスであるArの流量を100sccmとして成膜した。試料R、S、TのTiN膜の厚さは、それぞれ25nm、50nm、100nmである。
TiN膜が厚くなるに従って、Tiの(200)面及び(101)面に起因するピークの近傍に、ブロードなピークが現れる。TiN膜の厚さが25nmのときは、ほとんどピークが見られない。このことから、厚さが25nm程度の時には、結晶化が殆ど進んでおらず、非晶質の状態であると考えられる。
下部電極の表層部を構成するTiN膜の表面の粗度を低減させるためには、このTiN膜をなるべく薄くすることが好ましい。図7A〜図7Dを参照して説明したように、TiN膜を非晶質または微結晶にすることにより、厚さを50nmにしても、十分な寿命が確保される。このことから、TiN膜の厚さが50nm以下の範囲で、十分な寿命が確保できると考えられる。
図1Gに示したTiNからなる第2の下部電極22aは、誘電体膜23aを貫通するビアホール46hを形成する際に、エッチング停止層として機能する。Alからなる第1の下部電極21aは、誘電体膜23aのエッチング条件において、十分なエッチング耐性を有しない。このため、第2の下部電極22aが薄すぎると、ビアホールの底面を下部電極21aまたは22aで停止させることが困難になる。ビアホールを、第2の下部電極22aで再現性よく停止させるために、第2の下部電極22aの厚さを、20nm以上にすることが好ましい。
また、TiN膜中の窒素濃度が低下し、その組成が純粋なTiに近づくと、誘電体膜23aにビアホールを形成する際のエッチング条件におけるエッチング耐性が低下してしまう。図6に示した窒素濃度8原子%のTiN膜で、十分なエッチング耐性が確保できることが確認されている。エッチング耐性の観点から、TiN膜中の窒素濃度を8原子%以上にすることが好ましい。
さらに、図1Hにおいて、第2の下部電極22aは、第1の下部電極21a内のAl原子と、導電プラグ46内のW原子との相互拡散を防止するバリア膜としても機能する。
上記実施例では、MIMキャパシタの下部電極の表層部(第2の下部電極22a)に、純粋なTiと、化学量論的組成比を持つTiNとの中間的な性質を持つTiN膜を採用している。これにより、化学量論的組成比を持つTiNを採用する場合に比べて、下部電極の表面の粗度を低減させることができる。さらに、下部電極にTiを採用する場合に比べて、十分なエッチング耐性及びバリア性を確保することができる。
上記実施例では、下部電極のTiN膜の上に、表面の平坦化のための別の材料からなる膜を堆積させる必要がない。また、表面を平坦化するためのCMPやエッチバック等を行う必要もない。
また、上記実施例では、第2の下部電極22aにTiとNとを含む金属を用いたが、その他の非晶質または微結晶の金属を用いてもよい。非晶質または微結晶の金属を用いることにより、多結晶の金属を用いる場合に比べて、表面のラフネスを低減させることができる。また、上記実施例では、第1の下部電極21aにAlを用いた。第1の下部電極21aは、MIMキャパシタ25の下部電極の抵抗を低減させる機能を持つ。従って、第1の下部電極21aに、第2の下部電極22aよりも抵抗率の低いAl以外の導電材料を用いてもよい。
なお、上部電極24aのTiNは、非晶質または微結晶である必要はなく、柱状構造を有する多結晶であってもよい。また、上部電極24aに、TiN以外の導電材料を用いてもよい。誘電体膜23aには、SiN以外の誘電体材料を用いてもよい。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
10 半導体基板
11 素子分離絶縁膜
12 MOSトランジスタ
15 多層配線層
17 配線
20 酸化シリコン膜
21 第1の下部電極膜
21a 第1の下部電極
22 第2の下部電極膜
22a 第2の下部電極
23、23a 誘電体膜
24 上部電極膜
24a 上部電極
25 MIMキャパシタ
30 レジストパターン
35 被覆膜
36 レジストパターン
40 層間絶縁膜
45、46、47 導電プラグ
50、51、52 配線
11 素子分離絶縁膜
12 MOSトランジスタ
15 多層配線層
17 配線
20 酸化シリコン膜
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22a 第2の下部電極
23、23a 誘電体膜
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24a 上部電極
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30 レジストパターン
35 被覆膜
36 レジストパターン
40 層間絶縁膜
45、46、47 導電プラグ
50、51、52 配線
Claims (6)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の上に配置され、少なくとも表層部が非晶質または微結晶の金属で形成された下部電極、該下部電極の上に配置された誘電体膜、及び該誘電体膜の上に配置された上部電極を含む薄膜キャパシタと
を有する半導体装置。 - 前記下部電極が、前記半導体基板側の第1の下部電極と、前記誘電体膜に接する第2の下部電極とを含み、該第2の下部電極が、TiとNとを含む金属で形成され、その厚さが50nm以下であり、前記第1の下部電極が、該第2の下部電極よりも低抵抗の材料で形成されている請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2の下部電極膜の窒素濃度が、8原子%〜35原子%の範囲内である請求項2に記載の半導体装置。
- 半導体基板の上に、導電材料からなる第1の下部電極膜を形成する工程と、
前記第1の下部電極膜の上に、TiとNとを含む金属からなる第2の下部電極膜を、非晶質または微結晶になる条件で形成する工程と、
前記第2の下部電極膜の上に、誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜の上に、導電材料からなる上部電極膜を形成する工程と
を有する薄膜キャパシタの製造方法。 - 前記第2の下部電極膜を、Tiのターゲットを用い、スパッタガスとして、Arと窒素とを用い、スパッタガスの全流量に対する窒素ガスの流量の比を30%以下にして、反応性スパッタリングにより形成する請求項4に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
- 前記第2の下部電極膜の厚さが50nm以下になるように該第2の下部電極膜を形成する請求項4または5に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
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2009
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