JP2010219229A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device that can suppress an increase in contact resistance between a lower electrode and a via interconnect and has a capacitive element, and a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes the capacitive element formed on a semiconductor substrate 101 and having the lower electrode 110, a dielectric film 120, and an upper electrode 130. The lower electrode 110 of the capacitive element has a metal film 111 which is, for example, a Ti film, and TiN film 113 formed on the metal film 111. The semiconductor device further includes an insulating film 142 covering the capacitive element, and the via interconnect 150 penetrating the insulating film 142 to come into contact with the TiN film 113 of the lower electrode 110. The TiN film 113 is preferably &lt;30 nm thick. On at least a part of a surface of the Ti film 111, a nitride layer 112 is formed by nitriding the Ti film 111 to be interposed between the via interconnect 150 and the Ti film 111. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、MIM容量素子を有する半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having an MIM capacitor and a method for manufacturing the same.

半導体集積回路は、トランジスタ等の能動素子と同一基板上に、静電容量素子などの様々な受動素子を備えている。近年、例えば携帯電話といった可搬式通信機器などの高性能化、小型化に伴い、半導体集積回路に備えられる静電容量素子には大容量化、高性能化が求められている。一般的に、このような静電容量素子は下部電極−誘電体膜−上部電極を有する。各電極に金属を用いる金属−絶縁体−金属(Metal-Insulator-Metal;MIM)容量素子は、寄生容量及び寄生抵抗が小さく、静電容量素子の高性能化を実現することに適している。   A semiconductor integrated circuit includes various passive elements such as capacitance elements on the same substrate as active elements such as transistors. 2. Description of the Related Art In recent years, with increasing performance and miniaturization of portable communication devices such as mobile phones, the capacitance elements provided in semiconductor integrated circuits are required to have higher capacity and higher performance. Generally, such a capacitance element has a lower electrode-dielectric film-upper electrode. A metal-insulator-metal (MIM) capacitor using a metal for each electrode has a small parasitic capacitance and parasitic resistance, and is suitable for realizing high performance of the capacitor.

MIM容量素子の大容量化、高性能化のため、誘電率を考慮した誘電体膜の材料の選択や薄層化に関して種々の検討が為されている。それと同時に、金属電極についても種々の検討が為されている。金属電極は、一般的に、誘電体膜との間で相互作用しない材料から形成される。例えば、下部電極及び上部電極の双方が窒化チタン(TiN)からなるMIM容量素子が知られている。   In order to increase the capacity and performance of the MIM capacitor, various studies have been made regarding the selection of a dielectric film material in consideration of the dielectric constant and the reduction in thickness. At the same time, various studies have been made on metal electrodes. The metal electrode is generally formed from a material that does not interact with the dielectric film. For example, an MIM capacitor element in which both the lower electrode and the upper electrode are made of titanium nitride (TiN) is known.

また、アルミニウムやチタンを容量素子の電極として用いた場合、電極に接続される金属配線の形成プロセスにおいて、該プロセスに用いられるフッ素がアルミニウムやチタンと反応することにより、金属配線とのコンタクト抵抗を増大させ得ることが知られている。   In addition, when aluminum or titanium is used as an electrode of a capacitor element, in the process of forming a metal wiring connected to the electrode, the fluorine used in the process reacts with aluminum or titanium, thereby reducing the contact resistance with the metal wiring. It is known that it can be increased.

TiNからなる下部電極を使用する容量素子において、TiN膜の膜厚を増加させると、TiN表面の凹凸が大きくなる傾向にある。下部電極に凹凸が形成されると、上部電極と下部電極との間の誘電体膜の厚さは下部電極の凸部で薄くなってしまう。このように誘電体膜が局所的に薄くなることは、容量素子の信頼性を低下させる要因となる。   In a capacitive element using a lower electrode made of TiN, when the thickness of the TiN film is increased, the unevenness of the TiN surface tends to increase. When irregularities are formed on the lower electrode, the thickness of the dielectric film between the upper electrode and the lower electrode is reduced by the convex portion of the lower electrode. Thus, the local thinning of the dielectric film is a factor that reduces the reliability of the capacitive element.

また、下部電極として、Ti膜などの金属膜上にTiN膜を積層させた構造も知られている。   A structure in which a TiN film is laminated on a metal film such as a Ti film is also known as a lower electrode.

特開平10−209272号公報JP-A-10-209272 特開2003−273217号公報JP 2003-273217 A

I.Kume等、「High Performance SiN-MIM Decoupling Capacitors with Surface-smoothed Bottom Electrodes for High-speed MPUs」、Extended Abstracts of 2006 International Conference on Solid State Devices and Materials、2006年、p.1026-1027I. Kume et al., “High Performance SiN-MIM Decoupling Capacitors with Surface-smoothed Bottom Electrodes for High-speed MPUs”, Extended Abstracts of 2006 International Conference on Solid State Devices and Materials, 2006, p.1026-1027 S.Jeannot等、「Toward next high performances MIM generation:up to 30fF/μm2 with 3D architecture and high-k materials」、Technical digest of International Electron Devices Meeting 2007、2007年12月、p.997-1000S. Jeannot et al., “Toward next high performances MIM generation: up to 30fF / μm2 with 3D architecture and high-k materials”, Technical digest of International Electron Devices Meeting 2007, December 2007, p.997-1000

容量素子を形成後、容量素子を覆う絶縁膜に、下部電極に達するコンタクトホールを形成してビア配線を形成する際、TiN膜の下にある金属層がビア配線成膜ガスと反応してコンタクト抵抗が増大するという問題が生じる。   After forming the capacitive element, when forming a contact hole reaching the lower electrode in the insulating film covering the capacitive element, the metal layer under the TiN film reacts with the via wiring deposition gas to contact The problem of increased resistance arises.

一観点によれば、下部電極と誘電体膜と上部電極とを有する容量素子を備えた半導体装置が提供される。容量素子の下部電極は、金属膜と、該金属膜上に形成されたTiN膜とを有する。当該半導体装置は更に、容量素子を覆う絶縁膜と、絶縁膜を貫通して下部電極のTiN膜と接触するビア配線とを含む。金属膜の表面の少なくとも一部には、ビア配線とTi膜との間に介在するよう、下部電極の上記金属膜の窒化処理による窒化層が形成されている。   According to one aspect, a semiconductor device including a capacitive element having a lower electrode, a dielectric film, and an upper electrode is provided. The lower electrode of the capacitive element has a metal film and a TiN film formed on the metal film. The semiconductor device further includes an insulating film that covers the capacitive element, and via wiring that contacts the TiN film of the lower electrode through the insulating film. A nitride layer formed by nitriding the metal film of the lower electrode is formed on at least a part of the surface of the metal film so as to be interposed between the via wiring and the Ti film.

他の一観点によれば、容量素子を備えた半導体装置の製造方法が提供される。当該方法は、半導体基板上に金属膜を成膜する工程と、該金属膜上にTiN膜を成膜する工程と、該TiN膜上に誘電体膜及び導電膜を成膜する工程とを含む。当該方法は更に、上記金属膜を窒化処理し上記金属膜の表面に窒化層を形成する工程を含む。この窒化層を形成する工程は、金属膜の成膜後に該金属膜の表面に対して行うことができる。この窒化層を形成する工程は、上記TiN膜及び金属膜へのコンタクト用ビア開口の形成後に、該ビア開口により露出された上記金属膜の表面に対して行ってもよい。   According to another aspect, a method for manufacturing a semiconductor device including a capacitive element is provided. The method includes a step of forming a metal film on a semiconductor substrate, a step of forming a TiN film on the metal film, and a step of forming a dielectric film and a conductive film on the TiN film. . The method further includes a step of nitriding the metal film to form a nitride layer on the surface of the metal film. The step of forming the nitride layer can be performed on the surface of the metal film after the metal film is formed. The step of forming the nitride layer may be performed on the surface of the metal film exposed by the via opening after the formation of the contact via opening to the TiN film and the metal film.

開示の技術は、下部電極とビア配線とのコンタクト抵抗の増大を抑制可能な容量素子を有する半導体装置を提供することを可能にする。   The disclosed technique makes it possible to provide a semiconductor device having a capacitive element capable of suppressing an increase in contact resistance between the lower electrode and the via wiring.

第1実施形態に従ったMIM容量素子を有する半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device which has a MIM capacitive element according to 1st Embodiment. 下部電極表面の凹凸の抑制を示す断面写真である。It is a cross-sectional photograph which shows suppression of the unevenness | corrugation of the lower electrode surface. NHプラズマ処理の有/無での下部電極コンタクト抵抗を比較する図である。It is a figure which compares the lower electrode contact resistance with / without NH 3 plasma treatment. 図1の半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device of FIG. 1. 図1の半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device of FIG. 1. 図1の半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device of FIG. 1. 第2実施形態に従ったMIM容量素子を有する半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device which has a MIM capacitive element according to 2nd Embodiment. 図7の半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device of FIG. 7. 図7の半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device of FIG. 7. 図7の半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device of FIG. 7.

以下、添付図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

先ず、図1を参照して、第1実施形態に従った容量素子100を有する半導体装置を説明する。ここでは、上部電極および下部電極に金属層を用いたMIM容量素子を例に説明するが、上部電極は金属層に限らず、例えば不純物がドープされたSi層であってもよい。   First, a semiconductor device having the capacitive element 100 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. Here, an MIM capacitor element using metal layers for the upper electrode and the lower electrode will be described as an example. However, the upper electrode is not limited to a metal layer, and may be, for example, a Si layer doped with impurities.

MIM容量素子100は、半導体基板101に積層された層間絶縁膜102上に形成されている。半導体基板101には、特に限定されないが、例えばトランジスタ等の半導体素子が形成されている。層間絶縁膜102は例えば銅(Cu)又はアルミニウム(Al)等からなる下層配線103を内包している。   The MIM capacitor element 100 is formed on the interlayer insulating film 102 laminated on the semiconductor substrate 101. Although it does not specifically limit in the semiconductor substrate 101, For example, semiconductor elements, such as a transistor, are formed. The interlayer insulating film 102 includes a lower layer wiring 103 made of, for example, copper (Cu) or aluminum (Al).

MIM容量素子100はまた、層間絶縁膜102上に形成された、下層配線の導電材の拡散防止膜104と、拡散防止膜104上に形成された、必要に応じての絶縁膜105とを有する。拡散防止膜104は、例えば、厚さ70nm程度の炭化シリコン(以下、SiCと表記する)膜とし得る。絶縁膜105は、例えば、厚さ100nm程度の酸化シリコン(以下、SiOと表記する)膜とし得る。   The MIM capacitor element 100 also includes a diffusion preventive film 104 for the conductive material of the lower layer wiring formed on the interlayer insulating film 102 and an insulating film 105 formed on the diffusion preventive film 104 as necessary. . The diffusion prevention film 104 can be, for example, a silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) film having a thickness of about 70 nm. The insulating film 105 can be, for example, a silicon oxide (hereinafter referred to as SiO) film having a thickness of about 100 nm.

必要に応じての絶縁膜105上には、MIM容量素子100の下部電極110、誘電体膜120及び上部電極130が形成されている。下部電極110は、下層側から順に、Ti膜111、アンモニア(NH)プラズマ処理などの窒化処理されたTi膜111表面である窒化層112、及びTiN膜113を有する。Ti膜111は、典型的にスパッタリングにより成膜され、その表面窒化層112を含めて例えば80nmの厚さを有する。TiN膜113は、柱状結晶を有しないよう典型的に10−30nmの厚さにスパッタリングにより成膜される。誘電体膜120は、典型的にSiO又は窒化シリコン(以下、SiNと表記する)を有し、MIM容量素子の所望の容量値及び信頼性を満たすように厚さが決定される。例えば、誘電体膜120は厚さ40nmのSiO膜とし得る。しかしながら、誘電体膜120は高誘電率誘電体などのその他の材料、又はそれらとSiO及び/又はSiNとの組み合わせを有していてもよい。上部電極130は、特に限定されないが、例えば、厚さ100nmのTiN膜とし得る。 A lower electrode 110, a dielectric film 120, and an upper electrode 130 of the MIM capacitor element 100 are formed on the insulating film 105 as necessary. The lower electrode 110 includes, in order from the lower layer side, a Ti film 111, a nitride layer 112 that is the surface of the Ti film 111 that has been nitrided by ammonia (NH 3 ) plasma treatment, and the TiN film 113. The Ti film 111 is typically formed by sputtering, and has a thickness of, for example, 80 nm including the surface nitride layer 112. The TiN film 113 is typically formed by sputtering to a thickness of 10-30 nm so as not to have columnar crystals. The dielectric film 120 typically includes SiO or silicon nitride (hereinafter referred to as SiN), and the thickness is determined so as to satisfy a desired capacitance value and reliability of the MIM capacitor element. For example, the dielectric film 120 may be a 40 nm thick SiO film. However, the dielectric film 120 may have other materials such as a high dielectric constant dielectric, or a combination thereof with SiO and / or SiN. The upper electrode 130 is not particularly limited, and may be a TiN film having a thickness of 100 nm, for example.

MIM容量素子100は更に、上部電極130上に形成されたエッチングストッパ膜141と、上部電極130/誘電体膜120/下部電極110の積層構造を覆う層間絶縁膜142と、層間絶縁膜142内に形成されたビア配線150を有する。また、半導体装置は、層間絶縁膜142及びビア配線150の上に、MIM容量素子100を種々の半導体素子及び/又は電気回路と接続するための1層以上の上層配線(図示せず)を有する。   The MIM capacitor element 100 further includes an etching stopper film 141 formed on the upper electrode 130, an interlayer insulating film 142 covering the stacked structure of the upper electrode 130 / dielectric film 120 / lower electrode 110, and an interlayer insulating film 142. The via wiring 150 is formed. Further, the semiconductor device has one or more upper layer wirings (not shown) for connecting the MIM capacitor element 100 to various semiconductor elements and / or electric circuits on the interlayer insulating film 142 and the via wiring 150. .

エッチングストッパ膜141は、ビア配線150用のビア開口を形成するためのエッチング工程においてエッチングストッパとして機能する膜であり、好ましくは拡散防止膜104と同一の材料、例えばSiC、を有する。層間絶縁膜142は例えばSiO膜とし得る。ビア配線150は、例えば、タングステン(W)プラグ152と、グルーレイヤであるTiN膜151とを含む。   The etching stopper film 141 is a film that functions as an etching stopper in an etching process for forming a via opening for the via wiring 150, and preferably has the same material as the diffusion prevention film 104, for example, SiC. The interlayer insulating film 142 can be, for example, a SiO film. The via wiring 150 includes, for example, a tungsten (W) plug 152 and a TiN film 151 that is a glue layer.

ビア配線150のうち、上部電極130へのビア配線は、エッチングストッパ膜141を貫通し、上部電極130と電気的に接触し、下層配線103へのビア配線は、絶縁膜105及び拡散防止膜104を貫通し、下層配線103と電気的に接触している。また、下部電極110へのビア配線150は、TiN膜113の途中まで延在していてもよいし、図示のようにTiN膜113を貫通して窒化層112内まで延在していてもよい。しかしながら、下部電極110へのビア配線150は、Ti層111に直接的に接触しないように形成されている。   Of the via wiring 150, the via wiring to the upper electrode 130 passes through the etching stopper film 141 and is in electrical contact with the upper electrode 130, and the via wiring to the lower layer wiring 103 includes the insulating film 105 and the diffusion prevention film 104. And is in electrical contact with the lower layer wiring 103. The via wiring 150 to the lower electrode 110 may extend partway through the TiN film 113, or may extend through the TiN film 113 and into the nitride layer 112 as illustrated. . However, the via wiring 150 to the lower electrode 110 is formed so as not to directly contact the Ti layer 111.

本実施形態に係る半導体装置は、MIM容量素子100の下部電極110としてTiN/Tiの積層膜113/111を有し、TiN膜113は30nm未満の厚さであることが好ましい。TiN膜113は、このような厚さを有することにより、スパッタリングにより成膜された場合でも表面凹凸が小さく、耐圧などの容量素子の電気特性において好ましい。   The semiconductor device according to this embodiment includes a TiN / Ti laminated film 113/111 as the lower electrode 110 of the MIM capacitor element 100, and the TiN film 113 preferably has a thickness of less than 30 nm. Since the TiN film 113 has such a thickness, even when it is formed by sputtering, the surface unevenness is small, which is preferable in terms of electric characteristics of the capacitive element such as a withstand voltage.

図2は、異なる下部電極を有する2つのMIM容量素子について、走査透過電子顕微鏡(STEM)により撮影した断面写真を示している。図2の(a)の下部電極は厚さ150nmのTiN膜であり、(b)の下部電極は厚さ20nmのTiN膜113/厚さ80nmのTi膜を有する積層膜である。これらの写真は、上部電極へのビア配線を含む断面において、下部電極表面の凹凸を観察したものである。(b)においては、(a)のTiN膜表面と比較して、TiN膜113表面の凹凸が抑制された。   FIG. 2 shows cross-sectional photographs taken with a scanning transmission electron microscope (STEM) of two MIM capacitor elements having different lower electrodes. The lower electrode in FIG. 2A is a TiN film having a thickness of 150 nm, and the lower electrode in FIG. 2B is a laminated film having a TiN film 113 having a thickness of 20 nm / Ti film having a thickness of 80 nm. These photographs are observations of irregularities on the surface of the lower electrode in a cross section including the via wiring to the upper electrode. In (b), the unevenness on the surface of the TiN film 113 was suppressed as compared with the surface of the TiN film in (a).

また、これら(a)、(b)に対応するMIM容量素子のそれぞれについて誘電体膜経時破壊(Time Dependent Dielectric Breakdown;TDDB)試験を行った。MIM容量素子の動作温度Tj=125℃、電圧Vcc=3.6Vにおいて0.1%不良が発生するまでの寿命は、(a)4.1E+4時間から(b)3.9E+5時間に改善した。   In addition, a dielectric dependent time breakdown (TDDB) test was performed for each of the MIM capacitor elements corresponding to (a) and (b). The lifetime until a 0.1% defect occurred at the operating temperature Tj = 125 ° C. and the voltage Vcc = 3.6 V of the MIM capacitor element was improved from (a) 4.1E + 4 hours to (b) 3.9E + 5 hours.

さらに、本実施形態に係る半導体装置は、下部電極110のTi膜111の表面に、NHプラズマ処理、NOプラズマ処理などの窒化処理による窒化層112を有する。従って、下部電極110へのビア配線150が、30nm未満の厚さのTiN膜113を貫通したとしても、その下のTi膜111まで達しないようにすることが可能である。仮に、このビア配線150用のビア開口がTi膜111まで達すると、その後のプラグ形成工程において使用される成膜ガスがTiと反応し、プラグと下部電極とのコンタクト抵抗が上昇するという問題が生じる。例えば、ビア開口により露出されたTi膜111のTiが、ビア開口へのWプラグ152の埋込時に使用する六フッ化タングステン(WF)ガスのフッ素と反応することにより、ビア配線150の底部や側壁に空洞や異物(反応生成物)が発生する。この現象は、Wプラグ152と下部電極110とのコンタクト抵抗を増大させる要因となる。しかしながら、本実施形態によれば、Ti膜111表面のNHプラズマ処理による窒化層112により、この現象の発生を防止することができる。 Furthermore, the semiconductor device according to the present embodiment has a nitride layer 112 formed by nitriding treatment such as NH 3 plasma treatment or N 2 O plasma treatment on the surface of the Ti film 111 of the lower electrode 110. Therefore, even if the via wiring 150 to the lower electrode 110 penetrates the TiN film 113 having a thickness of less than 30 nm, it can be prevented from reaching the Ti film 111 therebelow. If the via opening for the via wiring 150 reaches the Ti film 111, the film forming gas used in the subsequent plug forming process reacts with Ti, and the contact resistance between the plug and the lower electrode increases. Arise. For example, the Ti of the Ti film 111 exposed through the via opening reacts with the fluorine of tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas used when the W plug 152 is embedded in the via opening, whereby the bottom of the via wiring 150 is formed. In addition, cavities and foreign substances (reaction products) are generated on the side walls. This phenomenon increases the contact resistance between the W plug 152 and the lower electrode 110. However, according to the present embodiment, the occurrence of this phenomenon can be prevented by the nitride layer 112 by NH 3 plasma treatment on the surface of the Ti film 111.

図3は、Wプラグ152と下部電極110とのコンタクト抵抗を、Ti膜111表面の(1)NHプラズマ処理なしの場合と、(2)NHプラズマ処理あり、すなわち、窒化層112を形成した場合とで比較した結果を示している。条件(1)、(2)のそれぞれについて、ビアごとのコンタクト抵抗を、ウェハ2枚、77点/ウェハの測定点で測定した。(1)NHプラズマ処理なしでは、約7Ω−15Ωの範囲でコンタクト抵抗がバラつくのに対し、(2)NHプラズマ処理ありでは、コンタクト抵抗が高い側にバラつくことが抑制され、約7Ω−10Ωの範囲のコンタクト抵抗を安定して得ることができる。 3 shows the contact resistance between the W plug 152 and the lower electrode 110 when (1) NH 3 plasma treatment is not performed on the surface of the Ti film 111 and (2) NH 3 plasma treatment is performed, that is, the nitride layer 112 is formed. The result compared with the case where it did is shown. For each of the conditions (1) and (2), the contact resistance for each via was measured at two wafers at 77 points / wafer measurement points. (1) Without NH 3 plasma treatment, the contact resistance varies in the range of about 7Ω-15Ω, whereas (2) With NH 3 plasma treatment, the contact resistance is suppressed from varying to the higher side, and about A contact resistance in the range of 7Ω-10Ω can be stably obtained.

なお、図3は、ビア150の成膜に先立って、Ti層111の表面(条件(2)では、その窒化された表面)から5nm程度のRFエッチングを行ったときのコンタクト抵抗を示している。条件(2)について、RFエッチング量を10nm、20nmと増大させて同様の測定を行ったところ、コンタクト抵抗は約6Ω−10Ωの範囲で安定したままであった。このことから、この測定サンプルにおいては、Ti膜111表面のNHプラズマ処理は20nm以上の厚さの窒化層112を形成し得ると推察される。この場合は、下部電極110へのコンタクト開口の、窒化層112表面からの侵入量を20nm以下とすることにより、このNHプラズマ処理による効果、すなわち、コンタクト抵抗の増大を抑制する効果を得ることができる。 FIG. 3 shows the contact resistance when RF etching of about 5 nm is performed from the surface of the Ti layer 111 (the nitrided surface in the condition (2)) prior to the formation of the via 150. . Regarding condition (2), when the same measurement was performed with the RF etching amount increased to 10 nm and 20 nm, the contact resistance remained stable in the range of about 6Ω-10Ω. From this, it is assumed that in this measurement sample, the NH 3 plasma treatment on the surface of the Ti film 111 can form the nitride layer 112 having a thickness of 20 nm or more. In this case, the effect of this NH 3 plasma treatment, that is, the effect of suppressing the increase in contact resistance is obtained by setting the amount of penetration of the contact opening to the lower electrode 110 from the surface of the nitride layer 112 to 20 nm or less. Can do.

続いて、図4−6を参照して、図1のMIM容量素子100を有する半導体装置の製造方法を説明する。   Next, a method for manufacturing a semiconductor device having the MIM capacitor element 100 of FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

最初に、図4(a)に示すように、半導体基板101に積層され、例えばCu又はAlを有する下層配線103を内包する層間絶縁膜102の上に、拡散防止膜104及び絶縁膜105を成膜する。拡散防止膜104、絶縁膜105は、それぞれ例えば、厚さ70nmのSiC膜、厚さ100nmのSiO膜とし得る。   First, as shown in FIG. 4A, a diffusion preventing film 104 and an insulating film 105 are formed on an interlayer insulating film 102 that is stacked on a semiconductor substrate 101 and encloses a lower wiring 103 having, for example, Cu or Al. Film. The diffusion prevention film 104 and the insulating film 105 can be, for example, a SiC film having a thickness of 70 nm and a SiO film having a thickness of 100 nm, respectively.

次に、図4(b)に示すように、厚さ50nm−100nm、例えば80nmのTi膜である第1の下部電極用導電膜111”を成膜する。この成膜は、例えば、アルゴン(Ar)雰囲気下にて、Tiをターゲットにしたスパッタリングによって行い得る。   Next, as shown in FIG. 4B, a first lower electrode conductive film 111 ″, which is a Ti film having a thickness of 50 nm to 100 nm, for example, 80 nm, is formed. Ar) In an atmosphere, sputtering can be performed using Ti as a target.

次に、図4(c)に示すように、NHプラズマ処理によりTi膜111”の表面を窒化し、Ti膜111’及び窒化層112’を形成する。窒化層は10nm−30nmの膜厚で形成する。プラズマ処理の条件は、以下に限定されないが、例えば、NH流量2000sccm、N流量7000sccm、圧力2.7Torr、時間10秒とし得る。 Next, as shown in FIG. 4C, the surface of the Ti film 111 ″ is nitrided by NH 3 plasma treatment to form a Ti film 111 ′ and a nitride layer 112 ′. The nitride layer has a thickness of 10 nm to 30 nm. The plasma treatment conditions are not limited to the following, but may be, for example, NH 3 flow rate 2000 sccm, N 2 flow rate 7000 sccm, pressure 2.7 Torr, time 10 seconds.

次に、図4(d)に示すように、例えば厚さ20nmのTiN膜である第2の下部電極用導電膜113’をスパッタリングにより成膜する。このスパッタリングは、Ar及びNを含有する雰囲気下にて、Tiをターゲットにして行い得る。このとき、TiN膜113’の厚さを30nm未満にすることにより、TiN膜113の表面に例えば針状の突起といった凹凸が発生されることを抑制し得る。以上の工程群により、積層の下部電極用導電膜110’(TiN膜113’/窒化層112’/Ti膜111’)が得られる。 Next, as shown in FIG. 4D, a second lower electrode conductive film 113 ′, which is a TiN film having a thickness of 20 nm, for example, is formed by sputtering. This sputtering can be performed using Ti as a target in an atmosphere containing Ar and N 2 . At this time, by making the thickness of the TiN film 113 ′ less than 30 nm, it is possible to suppress the occurrence of irregularities such as needle-like protrusions on the surface of the TiN film 113. Through the above process group, a laminated lower electrode conductive film 110 ′ (TiN film 113 ′ / nitride layer 112 ′ / Ti film 111 ′) is obtained.

次いで、図5(a)に示すように、誘電体膜120、上部電極用導電膜130’、及びエッチングストッパ膜141を成膜する。好ましくは、誘電体膜120の成膜に先立って、TiN膜113’表面の欠陥を除去して膜質を均一化するため、NOプラズマ処理を行う。誘電体膜120は、例えば厚さ40nmのSiO膜であり、化学的気相成長(CVD)法により成膜し得る。上部電極用導電膜130’は、例えば厚さ100nmのTiN膜であり、スパッタリングにより成膜し得る。エッチングストッパ膜141は、例えば厚さ70nmのSiC膜であり、CVD法により成膜し得る。 Next, as shown in FIG. 5A, a dielectric film 120, an upper electrode conductive film 130 ′, and an etching stopper film 141 are formed. Preferably, prior to the formation of the dielectric film 120, N 2 O plasma treatment is performed in order to remove defects on the surface of the TiN film 113 ′ and make the film quality uniform. The dielectric film 120 is, for example, a 40 nm thick SiO film, and can be formed by a chemical vapor deposition (CVD) method. The upper electrode conductive film 130 ′ is a TiN film having a thickness of 100 nm, for example, and can be formed by sputtering. The etching stopper film 141 is a SiC film having a thickness of 70 nm, for example, and can be formed by a CVD method.

次に、図5(b)に示すように、リソグラフィー工程及びエッチング工程により、エッチングストッパ膜141及び上部電極用導電膜130’をパターニングする。これにより、上部電極130が形成される。このとき、露出された誘電体膜120が部分的にエッチングされてもよい。   Next, as shown in FIG. 5B, the etching stopper film 141 and the upper electrode conductive film 130 'are patterned by a lithography process and an etching process. Thereby, the upper electrode 130 is formed. At this time, the exposed dielectric film 120 may be partially etched.

次に、図5(c)に示すように、リソグラフィー工程及びエッチング工程により誘電体膜120、下部電極用導電膜110’をパターニングする。これにより、下部電極110が形成される。図示した例においては下部電極用導電膜110’の下に絶縁膜105が存在するため、露出された絶縁膜105が部分的にエッチングされるまで、下部電極用導電膜110’を十分にオーバーエッチングすることが可能である。   Next, as shown in FIG. 5C, the dielectric film 120 and the lower electrode conductive film 110 'are patterned by a lithography process and an etching process. Thereby, the lower electrode 110 is formed. In the illustrated example, since the insulating film 105 exists under the lower electrode conductive film 110 ′, the lower electrode conductive film 110 ′ is sufficiently over-etched until the exposed insulating film 105 is partially etched. Is possible.

次に、図5(d)に示すように、上部電極130/誘電体膜120/下部電極110の積層構造を覆うように層間絶縁膜142を成膜し、該層間絶縁膜を化学的機械的研磨(CMP)法により平坦化する。層間絶縁膜142は、例えば厚さ930nmのプラズマSiO膜とし得る。   Next, as shown in FIG. 5D, an interlayer insulating film 142 is formed so as to cover the laminated structure of the upper electrode 130 / dielectric film 120 / lower electrode 110, and the interlayer insulating film is chemically and mechanically formed. Planarization is performed by polishing (CMP). The interlayer insulating film 142 may be a plasma SiO film having a thickness of 930 nm, for example.

次いで、図6(a)に示すように、リソグラフィー工程及びエッチング工程により、層間絶縁膜142内に上部電極130、下部電極110及び下層配線103に向けてビア開口150’を形成する。   Next, as illustrated in FIG. 6A, via openings 150 ′ are formed in the interlayer insulating film 142 toward the upper electrode 130, the lower electrode 110, and the lower layer wiring 103 by a lithography process and an etching process.

このとき、工程削減の観点から、これら全てのビア開口150’を同時に形成することが好ましい。上部電極130へのビア開口150’、下部電極110へのビア開口150’は、下層配線103へのビア開口150’よりも浅いため、エッチングストッパ膜141及び下部電極110のTiN膜113に対する層間絶縁膜142のエッチング選択比が高くなるよう、例えばガスの流量や圧力といったエッチング条件を決定する。例えば、エッチングストッパ膜141が厚さ70nmのSiC膜であり且つ拡散防止膜104がSiC膜である場合、C、O及びArの混合ガスを用いたエッチング工程を用いることができる。このエッチング工程は、上部電極130、下部電極、下層配線103へのビア開口150’を、それぞれ、エッチングストッパ膜141内、TiN膜113上/内、拡散防止膜104上/内で停止させ得る。しかしながら、本実施形態は全てのビア開口150’を同時に形成することに限定されるものではなく、それぞれのビア開口150’を別々に形成する複数のリソグラフィー工程及びエッチング工程を用いてもよい。それぞれのビア開口150’を別々に形成する場合、MIM容量素子100を構成する各膜の材料や、各エッチング条件の自由度を高められる。 At this time, it is preferable to form all of these via openings 150 ′ simultaneously from the viewpoint of process reduction. Since the via opening 150 ′ to the upper electrode 130 and the via opening 150 ′ to the lower electrode 110 are shallower than the via opening 150 ′ to the lower wiring 103, interlayer insulation of the etching stopper film 141 and the lower electrode 110 with respect to the TiN film 113 is performed. Etching conditions such as gas flow rate and pressure are determined so that the etching selectivity of the film 142 is increased. For example, when the etching stopper film 141 is a SiC film having a thickness of 70 nm and the diffusion prevention film 104 is a SiC film, an etching process using a mixed gas of C 4 F 6 , O 2 and Ar can be used. In this etching step, via openings 150 ′ to the upper electrode 130, the lower electrode, and the lower layer wiring 103 can be stopped in the etching stopper film 141, on / in the TiN film 113, and on / in the diffusion prevention film 104, respectively. However, the present embodiment is not limited to forming all the via openings 150 ′ at the same time, and a plurality of lithography processes and etching processes for forming the respective via openings 150 ′ separately may be used. When each via opening 150 ′ is formed separately, the material of each film constituting the MIM capacitor element 100 and the degree of freedom of each etching condition can be increased.

次に、図6(b)に示すように、上部電極130へのビア開口150’、下層配線103へのビア開口150’それぞれの底部に存在する、エッチングストッパ膜141、拡散防止膜104を除去する。例えば、CH、O及びNの混合ガスを用いたエッチング処理を用いることが可能である。このエッチング処理により、下部電極110へのビア開口150’も深化されるが、TiN膜113の厚さを、例えば10nm以上など、適切に選定することにより、該ビア開口150’が窒化層112を超えてTi膜111内まで延在することを防止し得る。 Next, as shown in FIG. 6B, the etching stopper film 141 and the diffusion prevention film 104 existing at the bottoms of the via opening 150 ′ to the upper electrode 130 and the via opening 150 ′ to the lower layer wiring 103 are removed. To do. For example, an etching process using a mixed gas of CH 2 F 2 , O 2, and N 2 can be used. By this etching process, the via opening 150 ′ to the lower electrode 110 is also deepened. However, by appropriately selecting the thickness of the TiN film 113 such as 10 nm or more, the via opening 150 ′ forms the nitride layer 112. It can be prevented that it extends beyond the Ti film 111.

次に、図6(c)に示すように、ビア開口150’内に、例えばTiNのグルーレイヤ151とWプラグ152とを有するビア配線150を形成する。例えば、グルーレイヤ151となるTiN膜をスパッタリングにより50nmの厚さに成膜し、Wプラグ152となるW膜をCVD法により厚さ300nmに成膜し、CMP法により平坦化する。なお、グルーレイヤ151の成膜に先立って、各ビア開口150’の底部に存在する金属膜表面の酸化物をRFエッチングにより除去することが好ましい。以上の工程群により、図1に示したMIM容量素子100が形成される。その後、必要とされる1層以上の上層配線(図示せず)を形成する。   Next, as shown in FIG. 6C, a via wiring 150 having, for example, a TiN glue layer 151 and a W plug 152 is formed in the via opening 150 ′. For example, a TiN film to be the glue layer 151 is formed to a thickness of 50 nm by sputtering, a W film to be the W plug 152 is formed to a thickness of 300 nm by the CVD method, and is planarized by the CMP method. Prior to the formation of the glue layer 151, it is preferable to remove the oxide on the surface of the metal film existing at the bottom of each via opening 150 'by RF etching. Through the above process group, the MIM capacitor element 100 shown in FIG. 1 is formed. Thereafter, one or more required upper layer wirings (not shown) are formed.

次に、図7を参照して、第2実施形態に従ったMIM容量素子200を有する半導体装置を説明する。MIM容量素子200は概して、上述の第1実施形態に従ったMIM容量素子100と同様の構成を有しており、対応する構成要素には同様の参照符号が付されている。   Next, a semiconductor device having the MIM capacitor element 200 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The MIM capacitor element 200 generally has the same configuration as that of the MIM capacitor element 100 according to the first embodiment described above, and corresponding components are denoted by the same reference numerals.

MIM容量素子200は、半導体基板201に積層された層間絶縁膜202上に形成されている。半導体基板201には、特に限定されないが、例えばトランジスタ等の半導体素子が形成されている。層間絶縁膜202は例えばCu又はAl等からなる下層配線203を内包している。   The MIM capacitor element 200 is formed on an interlayer insulating film 202 stacked on the semiconductor substrate 201. Although it does not specifically limit in the semiconductor substrate 201, For example, semiconductor elements, such as a transistor, are formed. The interlayer insulating film 202 includes a lower layer wiring 203 made of, for example, Cu or Al.

MIM容量素子200はまた、層間絶縁膜202上に形成された拡散防止膜204と、拡散防止膜204上に形成された、必要に応じての絶縁膜205とを有する。拡散防止膜204は、例えば、厚さ70nm程度のSiC膜とし得る。絶縁膜205は、例えば、厚さ100nm程度のSiO膜とし得る。   The MIM capacitor element 200 also includes a diffusion prevention film 204 formed on the interlayer insulation film 202 and an insulation film 205 as necessary formed on the diffusion prevention film 204. The diffusion prevention film 204 can be, for example, a SiC film having a thickness of about 70 nm. The insulating film 205 can be a SiO film having a thickness of about 100 nm, for example.

必要に応じての絶縁膜205上には、MIM容量素子200の下部電極210、誘電体膜220及び上部電極230が形成されている。下部電極210は、下層側から順に、Ti膜211、及びTiN膜213を有する。Ti膜211は、典型的にスパッタリングにより成膜され、例えば80nmの厚さを有する。TiN膜213は、柱状結晶を有しないよう典型的に10−30nmの厚さにスパッタリングにより成膜される。下部電極210は更に、Ti膜211を局所的にNHプラズマ処理することにより形成された窒化層212を有する。誘電体膜220は、典型的にSiO又はSiNを有し、MIM容量素子の所望の容量値及び信頼性を満たすように厚さが決定される。例えば、誘電体膜120は厚さ40nmのSiO膜とし得る。しかしながら、誘電体膜120は高誘電率誘電体などのその他の材料、又はそれらとSiO及び/又はSiNとの組み合わせを有していてもよい。上部電極230は、特に限定されないが、例えば、厚さ100nmのTiN膜とし得る。 A lower electrode 210, a dielectric film 220, and an upper electrode 230 of the MIM capacitor element 200 are formed on the insulating film 205 as necessary. The lower electrode 210 includes a Ti film 211 and a TiN film 213 in order from the lower layer side. The Ti film 211 is typically formed by sputtering and has a thickness of, for example, 80 nm. The TiN film 213 is typically formed by sputtering to a thickness of 10-30 nm so as not to have columnar crystals. The lower electrode 210 further includes a nitride layer 212 formed by locally treating the Ti film 211 with NH 3 plasma. The dielectric film 220 typically includes SiO or SiN, and the thickness is determined so as to satisfy a desired capacitance value and reliability of the MIM capacitor element. For example, the dielectric film 120 may be a 40 nm thick SiO film. However, the dielectric film 120 may have other materials such as a high dielectric constant dielectric, or a combination thereof with SiO and / or SiN. The upper electrode 230 is not particularly limited, but may be a TiN film having a thickness of 100 nm, for example.

MIM容量素子200は更に、上部電極230上に形成されたエッチングストッパ膜241と、上部電極230/誘電体膜220/下部電極210の積層構造を覆う層間絶縁膜242と、層間絶縁膜242内に形成されたビア配線250を有する。また、半導体装置は、層間絶縁膜242及びビア配線250の上に、MIM容量素子200を種々の半導体素子及び/又は電気回路と接続するための1層以上の上層配線(図示せず)を有する。   The MIM capacitor element 200 further includes an etching stopper film 241 formed on the upper electrode 230, an interlayer insulating film 242 that covers the laminated structure of the upper electrode 230 / dielectric film 220 / lower electrode 210, and an interlayer insulating film 242. A via wiring 250 is formed. In addition, the semiconductor device has one or more upper layer wirings (not shown) for connecting the MIM capacitor element 200 to various semiconductor elements and / or electric circuits on the interlayer insulating film 242 and the via wiring 250. .

エッチングストッパ膜241は、好ましくは拡散防止膜204と同一の材料、例えばSiC、を有する。層間絶縁膜242は例えばSiO膜とし得る。ビア配線250は、例えば、タングステン(W)プラグ252と、グルーレイヤであるTiN膜251とを含む。ビア配線250のうち、上部電極230へのビア配線は、エッチングストッパ膜241を貫通し、上部電極230と電気的に接触し、下層配線203へのビア配線は、絶縁膜205及び拡散防止膜204を貫通し、下層配線203と電気的に接触している。また、下部電極210へのビア配線250は、TiN膜213を貫通してTi膜211内に達するように形成されているが、窒化層212の存在により、Ti膜211とは直接的に接触していない。   The etching stopper film 241 preferably has the same material as the diffusion prevention film 204, for example, SiC. The interlayer insulating film 242 can be, for example, a SiO film. The via wiring 250 includes, for example, a tungsten (W) plug 252 and a TiN film 251 that is a glue layer. Of the via wiring 250, the via wiring to the upper electrode 230 passes through the etching stopper film 241 and is in electrical contact with the upper electrode 230, and the via wiring to the lower layer wiring 203 includes the insulating film 205 and the diffusion prevention film 204. And is in electrical contact with the lower layer wiring 203. In addition, the via wiring 250 to the lower electrode 210 is formed so as to penetrate the TiN film 213 and reach the Ti film 211. However, due to the presence of the nitride layer 212, the via wiring 250 directly contacts the Ti film 211. Not.

本実施形態に係る半導体装置は、MIM容量素子200の下部電極210としてTiN/Tiの積層膜213/211を有し、TiN膜213は30nm未満の厚さを有する。TiN膜113は、このような厚さを有することにより、スパッタリングにより成膜された場合でも柱状結晶を有しない。従って、図2を参照して説明したように、TiN膜213の表面の凹凸が抑制され、MIM容量素子の寿命が改善される。   The semiconductor device according to the present embodiment includes a TiN / Ti stacked film 213/211 as the lower electrode 210 of the MIM capacitor element 200, and the TiN film 213 has a thickness of less than 30 nm. By having such a thickness, the TiN film 113 does not have columnar crystals even when formed by sputtering. Therefore, as described with reference to FIG. 2, the unevenness of the surface of the TiN film 213 is suppressed, and the life of the MIM capacitor element is improved.

さらに、本実施形態に係る半導体装置は、下部電極210へのビア配線250と下部電極210のTi膜211との間に、NHプラズマ処理などの窒化処理による窒化層212を有する。従って、図3を参照して説明したように、Wプラグ252の成膜時のTi膜211のフッ化反応、ひいては、該ビア配線250と下部電極210とのコンタクト抵抗の増大が抑制される。本実施形態においては、図10を参照して後述するように、下部電極へのコンタクトホール250’を形成した後に、コンタクトホール底部で露出した下部電極に対して窒化処理を行うため、コンタクトホール250’がTi膜211の表面から深く、例えば20nmを超えて、形成された場合であっても、コンタクト抵抗の増大を確実に抑制することができる。従って、本実施形態に係る半導体装置は、ビア配線250用のビア開口のエッチング工程の余裕度を拡大し得る。 Furthermore, the semiconductor device according to the present embodiment includes a nitride layer 212 formed by nitriding treatment such as NH 3 plasma treatment between the via wiring 250 to the lower electrode 210 and the Ti film 211 of the lower electrode 210. Therefore, as described with reference to FIG. 3, the fluorination reaction of the Ti film 211 during the formation of the W plug 252, and hence the increase in contact resistance between the via wiring 250 and the lower electrode 210 is suppressed. In this embodiment, as will be described later with reference to FIG. 10, after forming the contact hole 250 ′ to the lower electrode, the lower electrode exposed at the bottom of the contact hole is subjected to nitriding, so that the contact hole 250 Even when 'is formed deep from the surface of the Ti film 211, for example, exceeding 20 nm, an increase in contact resistance can be reliably suppressed. Therefore, the semiconductor device according to the present embodiment can increase the margin of the etching process of the via opening for the via wiring 250.

続いて、図8−10を参照して、図7のMIM容量素子200を有する半導体装置の製造方法を説明する。図4−6に示したMIM容量素子100の製造方法と共通する工程は詳細には説明しない。   Next, a method for manufacturing a semiconductor device having the MIM capacitor element 200 of FIG. 7 will be described with reference to FIGS. Processes common to the method for manufacturing the MIM capacitor 100 shown in FIGS. 4-6 will not be described in detail.

最初に、図8(a)に示すように、半導体基板201に積層され且つ下層配線203を内包する層間絶縁膜202の上に、拡散防止膜204及び絶縁膜205を成膜する。   First, as shown in FIG. 8A, a diffusion prevention film 204 and an insulating film 205 are formed on an interlayer insulating film 202 that is stacked on the semiconductor substrate 201 and encloses the lower layer wiring 203.

次に、図8(b)に示すように、例えば厚さ80nmのTi膜である第1の下部電極用導電膜211’を成膜する。この成膜は、例えば、アルゴン(Ar)雰囲気下にて、Tiをターゲットにしたスパッタリングによって行い得る。   Next, as shown in FIG. 8B, a first lower electrode conductive film 211 ', which is a Ti film having a thickness of 80 nm, for example, is formed. This film formation can be performed, for example, by sputtering using Ti as a target in an argon (Ar) atmosphere.

次に、図8(c)に示すように、例えば厚さ20nmのTiN膜である第2の下部電極用導電膜213’をスパッタリングにより成膜する。このスパッタリングは、Ar及びNを含有する雰囲気下にて、Tiをターゲットにして行い得る。このとき、TiN膜113’の厚さを30nm未満にすることにより、TiN膜113の表面に例えば針状の突起といった凹凸が発生されることを抑制し得る。以上の工程群により、積層の下部電極用導電膜210’(TiN膜213’/Ti膜211’)が得られる。 Next, as shown in FIG. 8C, a second lower electrode conductive film 213 ′, which is a TiN film having a thickness of, for example, 20 nm, is formed by sputtering. This sputtering can be performed using Ti as a target in an atmosphere containing Ar and N 2 . At this time, by making the thickness of the TiN film 113 ′ less than 30 nm, it is possible to suppress the occurrence of irregularities such as needle-like protrusions on the surface of the TiN film 113. Through the above process group, a laminated lower electrode conductive film 210 ′ (TiN film 213 ′ / Ti film 211 ′) is obtained.

次に、図8(d)に示すように、誘電体膜220、上部電極用導電膜230’、及びエッチングストッパ膜241を成膜する。   Next, as shown in FIG. 8D, a dielectric film 220, an upper electrode conductive film 230 ', and an etching stopper film 241 are formed.

次いで、図9(a)に示すように、リソグラフィー工程及びエッチング工程により、エッチングストッパ膜241及び上部電極用導電膜230’をパターニングし、上部電極230を形成する。   Next, as shown in FIG. 9A, the etching stopper film 241 and the upper electrode conductive film 230 ′ are patterned by a lithography process and an etching process to form the upper electrode 230.

次に、図9(b)に示すように、リソグラフィー工程及びエッチング工程により誘電体膜220、下部電極用導電膜210’をパターニングする。これにより、TiN膜213/Ti膜211の積層構造が得られる。   Next, as shown in FIG. 9B, the dielectric film 220 and the lower electrode conductive film 210 'are patterned by a lithography process and an etching process. Thereby, a laminated structure of the TiN film 213 / Ti film 211 is obtained.

次に、図9(c)に示すように、層間絶縁膜242を成膜し、該層間絶縁膜をCMP法により平坦化するする。   Next, as shown in FIG. 9C, an interlayer insulating film 242 is formed, and the interlayer insulating film is planarized by a CMP method.

次に、図9(d)に示すように、リソグラフィー工程及びエッチング工程により、層間絶縁膜242内に上部電極230、TiN膜213/Ti膜211の積層構造、及び下層配線203に向けてビア開口250’を形成する。図6(a)を参照して説明したように、これら全てのビア開口250’を同時に形成することが好ましいが、少なくとも一部のビア開口250’を別形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 9D, via openings are formed in the interlayer insulating film 242 toward the upper electrode 230, the laminated structure of the TiN film 213 / Ti film 211, and the lower layer wiring 203 by a lithography process and an etching process. 250 'is formed. As described with reference to FIG. 6A, it is preferable to form all of these via openings 250 'simultaneously, but at least a part of the via openings 250' may be formed separately.

次いで、図10(a)に示すように、上部電極230へのビア開口250’、下層配線203へのビア開口250’それぞれの底部に存在する、エッチングストッパ膜241、拡散防止膜204を除去する。TiN膜213は典型的に10−30nmの厚さにされているため、このときのエッチング処理により、TiN膜213/Ti膜211の積層構造へのビア開口250’はTiN膜213を貫通してTi膜211内まで延在し、Ti膜211の一部を露出させる。   Next, as shown in FIG. 10A, the etching stopper film 241 and the diffusion prevention film 204 existing at the bottoms of the via opening 250 ′ to the upper electrode 230 and the via opening 250 ′ to the lower layer wiring 203 are removed. . Since the TiN film 213 is typically 10-30 nm thick, the etching process at this time causes the via opening 250 ′ to the laminated structure of the TiN film 213 / Ti film 211 to penetrate the TiN film 213. Extending into the Ti film 211, a part of the Ti film 211 is exposed.

次に、図10(b)に示すように、露出したTi膜211の表面をNHプラズマ処理により窒化し、窒化層212を形成する。プラズマ処理の条件は、以下に限定されないが、例えば、NH流量2000sccm、N流量7000sccm、圧力2.7Torr、時間10秒とし得る。 Next, as shown in FIG. 10B, the exposed surface of the Ti film 211 is nitrided by NH 3 plasma treatment to form a nitride layer 212. The plasma treatment conditions are not limited to the following, but may be, for example, NH 3 flow rate 2000 sccm, N 2 flow rate 7000 sccm, pressure 2.7 Torr, time 10 seconds.

次に、図10(c)に示すように、ビア開口250’内に、例えばTiNのグルーレイヤ251とWプラグ252とを有するビア配線250を形成する。以上の工程群により、図7に示したMIM容量素子200が形成される。その後、必要とされる1層以上の上層配線(図示せず)を形成する。   Next, as shown in FIG. 10C, a via wiring 250 having, for example, a TiN glue layer 251 and a W plug 252 is formed in the via opening 250 ′. Through the above process group, the MIM capacitor element 200 shown in FIG. 7 is formed. Thereafter, one or more required upper layer wirings (not shown) are formed.

以上、実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。例えば、第1実施形態におけるTi膜の表面全体のNHプラズマ処理、及び第2実施形態におけるTi膜の表面の局所的なNHプラズマ処理は、必要に応じて組み合わせてもよい。また、下部電極はTi膜を含む積層構造を有するとして説明したが、Ti膜に替えて、NHプラズマ処理により窒化層が形成され、該窒化層によりプラグ成膜時のフッ化反応が抑制されるその他の金属膜を用いてもよい。 Although the embodiment has been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist described in the claims. For example, the NH 3 plasma treatment on the entire surface of the Ti film in the first embodiment and the local NH 3 plasma treatment on the surface of the Ti film in the second embodiment may be combined as necessary. Although the lower electrode has been described as having a laminated structure including a Ti film, a nitride layer is formed by NH 3 plasma treatment instead of the Ti film, and the nitride layer suppresses the fluorination reaction during plug formation. Other metal films may be used.

以上の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
半導体基板上に形成され上面に窒化層を有する金属膜と、前記金属膜上に形成されたTiN膜と、前記TiN膜上に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成された上部電極とを有する容量素子と、
前記容量素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜を貫通して前記TiN膜と接触するビア配線と、
を有する半導体装置。
(付記2)
前記TiN膜の厚さが10nm以上且つ30nm未満である、付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
前記窒化層の厚さが10nm以上且つ30nm未満である、付記1又は2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記窒化層は前記Ti膜の表面全体に形成されている、付記1乃至3いずれか一に記載の半導体装置。
(付記5)
前記窒化層は、前記ビア配線の前記TiN膜を貫通した部分に沿って形成されている、付記1乃至3いずれか一に記載の半導体装置。
(付記6)
半導体基板上に金属膜を成膜する工程と、
前記金属膜を窒化処理し、前記金属膜の表面に窒化層を形成する工程と、
前記窒化層上にTiN膜を成膜する工程と、
前記TiN膜上に誘電体膜及び導電膜を成膜する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(付記7)
前記導電膜上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に前記TiN膜に達するビア開口を形成する工程と、
前記ビア開口内にビア配線を形成する工程と、
を更に有する付記6に記載の半導体装置の製造方法。
(付記8)
半導体基板上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜上にTiN膜を形成する工程と、
前記TiN膜上に誘電体膜及び導電膜を形成する工程と、
前記導電膜上に絶縁膜を成膜する工程と、
前記絶縁膜に前記金属膜に達するビア開口を形成する工程と、
前記ビア開口による前記金属膜の露出表面を窒化処理し、前記金属膜の前記露出表面に窒化層を形成する工程と、
前記ビア開口内にビア配線を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(付記9)
前記TiN膜の厚さが10nm以上且つ30nm未満である、付記6乃至8いずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記窒化層の厚さが10nm以上且つ30nm未満である、付記6乃至9いずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記窒化処理はNHプラズマ処理である、付記6乃至10いずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
Regarding the above description, the following additional notes are disclosed.
(Appendix 1)
A metal film formed on a semiconductor substrate and having a nitride layer on the upper surface, a TiN film formed on the metal film, a dielectric film formed on the TiN film, and formed on the dielectric film A capacitive element having an upper electrode;
An insulating film covering the capacitive element;
A via wiring penetrating the insulating film and contacting the TiN film;
A semiconductor device.
(Appendix 2)
The semiconductor device according to appendix 1, wherein the thickness of the TiN film is 10 nm or more and less than 30 nm.
(Appendix 3)
The semiconductor device according to appendix 1 or 2, wherein the nitride layer has a thickness of 10 nm or more and less than 30 nm.
(Appendix 4)
The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 3, wherein the nitride layer is formed over the entire surface of the Ti film.
(Appendix 5)
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride layer is formed along a portion of the via wiring penetrating the TiN film.
(Appendix 6)
Forming a metal film on a semiconductor substrate;
Nitriding the metal film and forming a nitride layer on the surface of the metal film;
Forming a TiN film on the nitride layer;
Forming a dielectric film and a conductive film on the TiN film;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
(Appendix 7)
Forming an insulating film on the conductive film;
Forming a via opening reaching the TiN film in the insulating film;
Forming via wiring in the via opening;
The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 6, further comprising:
(Appendix 8)
Forming a metal film on a semiconductor substrate;
Forming a TiN film on the metal film;
Forming a dielectric film and a conductive film on the TiN film;
Forming an insulating film on the conductive film;
Forming a via opening reaching the metal film in the insulating film;
Nitriding the exposed surface of the metal film through the via opening, and forming a nitride layer on the exposed surface of the metal film;
Forming via wiring in the via opening;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
(Appendix 9)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 6 to 8, wherein the thickness of the TiN film is 10 nm or more and less than 30 nm.
(Appendix 10)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 6 to 9, wherein the nitride layer has a thickness of 10 nm or more and less than 30 nm.
(Appendix 11)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 6 to 10, wherein the nitriding treatment is NH 3 plasma treatment.

100、200 MIM容量素子
101、201 半導体基板
102、142、202、242 層間絶縁膜
103、203 下層配線
104、204 拡散防止膜
105、205 絶縁膜
110、210 下部電極
111、211 第1の下部電極膜
112、212 第1の下部電極膜の窒化層
113、213 第2の下部電極膜
120、220 誘電体膜
130、230 上部電極
141、241 エッチングストッパ膜
150、250 ビア配線
150’、250’ ビア開口
151、251 グルーレイヤ
152、252 プラグ
100, 200 MIM capacitive element 101, 201 Semiconductor substrate 102, 142, 202, 242 Interlayer insulating film 103, 203 Lower layer wiring 104, 204 Diffusion prevention film 105, 205 Insulating film 110, 210 Lower electrode 111, 211 First lower electrode Films 112 and 212 First lower electrode film nitride layer 113 and 213 Second lower electrode film 120 and 220 Dielectric film 130 and 230 Upper electrode 141 and 241 Etching stopper film 150 and 250 Via wiring 150 'and 250' Via Opening 151,251 Glue layer 152,252 Plug

Claims (8)

半導体基板上に形成され上面に窒化層を有する金属膜と、前記金属膜上に形成されたTiN膜と、前記TiN膜上に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成された上部電極とを有する容量素子と、
前記容量素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜を貫通して前記TiN膜と接触するビア配線と、
を有する半導体装置。
A metal film formed on a semiconductor substrate and having a nitride layer on the upper surface, a TiN film formed on the metal film, a dielectric film formed on the TiN film, and formed on the dielectric film A capacitive element having an upper electrode;
An insulating film covering the capacitive element;
A via wiring penetrating the insulating film and contacting the TiN film;
A semiconductor device.
前記TiN膜の厚さが10nm以上且つ30nm未満である、請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the TiN film is 10 nm or more and less than 30 nm. 前記窒化層の厚さが10nm以上且つ30nm未満である、請求項1又は2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride layer has a thickness of 10 nm or more and less than 30 nm. 半導体基板上に金属膜を成膜する工程と、
前記金属膜を窒化処理し、前記金属膜の表面に窒化層を形成する工程と、
前記窒化層上にTiN膜を成膜する工程と、
前記TiN膜上に誘電体膜及び導電膜を成膜する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
Forming a metal film on a semiconductor substrate;
Nitriding the metal film and forming a nitride layer on the surface of the metal film;
Forming a TiN film on the nitride layer;
Forming a dielectric film and a conductive film on the TiN film;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記導電膜上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に前記TiN膜に達するビア開口を形成する工程と、
前記ビア開口内にビア配線を形成する工程と、
を更に有する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film on the conductive film;
Forming a via opening reaching the TiN film in the insulating film;
Forming via wiring in the via opening;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, further comprising:
半導体基板上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜上にTiN膜を形成する工程と、
前記TiN膜上に誘電体膜及び導電膜を形成する工程と、
前記導電膜上に絶縁膜を成膜する工程と、
前記絶縁膜に前記金属膜に達するビア開口を形成する工程と、
前記ビア開口による前記金属膜の露出表面を窒化処理し、前記金属膜の前記露出表面に窒化層を形成する工程と、
前記ビア開口内にビア配線を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
Forming a metal film on a semiconductor substrate;
Forming a TiN film on the metal film;
Forming a dielectric film and a conductive film on the TiN film;
Forming an insulating film on the conductive film;
Forming a via opening reaching the metal film in the insulating film;
Nitriding the exposed surface of the metal film through the via opening, and forming a nitride layer on the exposed surface of the metal film;
Forming via wiring in the via opening;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記TiN膜の厚さが10nm以上且つ30nm未満である、請求項4乃至6いずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the thickness of the TiN film is 10 nm or more and less than 30 nm. 前記窒化層の厚さが10nm以上且つ30nm未満である、請求項4乃至7いずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the nitride layer has a thickness of 10 nm or more and less than 30 nm.
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