JP2011146507A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置は、上部電極膜(上部電極膜114、上部電極膜116)と下部電極膜110との間に容量絶縁膜112が設けられた容量素子を備え、下部電極膜110は、少なくとも容量絶縁膜112と接する部分に、多結晶窒化チタンを有する。
【選択図】図1
Description
上部電極膜と下部電極膜との間に容量絶縁膜が設けられた容量素子を備え、
前記下部電極膜は、少なくとも前記容量絶縁膜と接する部分に、多結晶窒化チタンを有する、半導体装置が提供される。
上部電極膜と下部電極膜との間に容量絶縁膜が設けられた容量素子を形成する半導体装置の製造方法であって、
基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
選択的な除去により、前記層間絶縁膜に凹部を設ける工程と、
前記凹部の底部上および側壁上に、前記下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極膜上に、前記容量絶縁膜および前記上部電極膜をこの順番で形成する工程と、を備え、
前記下部電極膜を形成する工程において、前記下部電極膜の少なくとも前記容量絶縁膜と接する部分に、多結晶窒化チタンを形成する、半導体装置の製造方法が提供される。
図1および図2は、本実施の形態における半導体装置の製造手順の工程断面図を示す。
ここでは、半導体装置が、DRAMキャパシタの構成にMIM(Metal−Insulator−Metal)構造を用いた場合について説明する。
まず、半導体基板(シリコン基板100)上に、絶縁膜102(第1の層間絶縁膜)を設ける。次いで、絶縁膜102にコンタクトホールを設ける。このコンタクトホール内に金属膜を埋め込み、平坦化処理を行うことで、コンタクト104を形成する。ここで、シリコン基板100には、不図示のトランジスタなどの半導体素子が設けられている。そして、コンタクト104は、トランジスタの拡散層に接続している。コンタクト104としては、例えば、タングステン(W)を用いる。
下部電極膜110の成膜工程においては、たとえば、層間絶縁膜106上に下部電極膜110を形成する成膜処理を行う。成膜処理の後に、この下部電極膜110に窒化処理とともに結晶化処理を行う。これにより、少なくとも表層が多結晶の窒化チタンである下部電極膜110を成膜する。
たとえば、窒化処理には、窒素ラジカルを下部電極膜110に接触させる工程を含む。
下部電極膜110が同等に窒化されているとき、下部電極膜110の表面方向における窒素含有量が、40以上(原子%:atomic%)となる。
また、下部電極膜110が同等に結晶化されているとき、たとえば下部電極膜110の表面方向における結晶面の主面が同じとなる。
以上により、MIM構造のDRAMキャパシタを有する半導体装置が得られる。
本実施の形態の半導体装置は、上部電極膜(上部電極膜114、上部電極膜116)と下部電極膜110との間に容量絶縁膜112が設けられた容量素子を備え、下部電極膜110は、少なくとも容量絶縁膜112と接する部分に、多結晶窒化チタンを有する。
本実施の形態における多結晶構造は、下記の特性により表現することができる。
(1)結晶面が存在する。
図3に示すように、TiNの結晶性をIn−plane XRDで調査した。その結果、(1)結晶面に関して、TiNには、(111)、(220)、(200)の回折ピークが見られた。これにより、本例に係るリモートプラズマALD装置により得られたTiNは、結晶化していることが確認された。また、多結晶窒化チタンの結晶面は、(200)面を主面として有することが分かった。また、多結晶窒化チタンの結晶面は、(111)、(200)、(220)面のいずれかを有すればよく、(220)面を主面として有してもよい。
本実施の形態においては、下部電極膜110の表層が多結晶窒化チタンであり、この多結晶窒化チタン上に容量絶縁膜112が形成される。このため、容量絶縁膜112の形成過程において、容量絶縁膜112の下層が、直下の多結晶窒化チタンの結晶性を引き継ぐ。その結果、容量絶縁膜112は下層から上層まで、結晶化することになる。したがって、本実施の形態においては、下層が非結晶状態の容量絶縁膜と比較すると、全体のキャパシタ容量が高くなる。
この一般式に従えば、容量絶縁膜を薄膜化すると、キャパシタ容量は増加する。しかしながら、容量絶縁膜の下層が非結晶であると、非結晶は結晶より低誘電率を有するために、全体のキャパシタ容量については、増加せず減少してしまう。
これに対して、本実施の形態においては、容量絶縁膜112が薄膜化、たとえば容量絶縁膜112の膜厚が8nm以下とした場合でも、容量絶縁膜112の下層は、高誘電率の多結晶であるので、全体のキャパシタ容量については減少せず、増加する。
図4(a)は、本実施の形態における容量絶縁膜の薄膜時のキャパシタ容量とリーク電流との挙動を示す。図4(b)は、本実施の形態に係るMIMキャパシタの断面構造を模式的に示す。図5(a)は、下部電極膜が非結晶である例における容量絶縁膜の薄膜時のキャパシタ容量とリーク電流との挙動を示す。図5(b)は、下部電極膜が非結晶である例におけるMIMキャパシタの断面構造を模式的に示す。
言い換えると、本実施の形態においては、MIMキャパシタにおいて結晶化した下部電極を用いることにより、容量膜の結晶性を向上させ、キャパシタ容量を増大させるとともに、容量膜薄膜時の容量が低下することを抑制することができる。
以下、第2の実施の形態について、図1および図2を用い、第1の実施の形態と異なる点を説明する。すなわち、第1の実施の形態においては下部電極膜110の成膜において、窒化処理と結晶化処理とを同じ装置を用いて行ったが、これに限定せずに、第2の実施の形態においては、下部電極成膜と窒化・結晶化処理とを別々の装置を用いて行うことができる。
102 絶縁膜
104 コンタクト
106 層間絶縁膜
108 凹部
110 下部電極膜
112 容量絶縁膜
114 上部電極膜
116 上部電極膜
200 TiN
202 ZrO2
300 TiN
302 ZrO2
304 ZrO2
306 ZrO2
Claims (10)
- 上部電極膜と下部電極膜との間に容量絶縁膜が設けられた容量素子を備え、
前記下部電極膜は、少なくとも前記容量絶縁膜と接する部分に、多結晶窒化チタンを有する、半導体装置。 - 前記多結晶窒化チタンの窒素含有量が、40原子%以上である、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記多結晶窒化チタンの結晶面は、(111)、(200)、(220)面のいずれかを有する、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記容量絶縁膜は、多結晶金属酸化物であり、
前記多結晶金属酸化物が、ZrO2、HfO2、およびTa2O3、ならびにこれらにTi、Al、Yまたはランタノイドを添加したものからなる群から選択される少なくとも一種を含む、請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。 - 前記容量絶縁膜の膜厚が、8nm以下である、請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置。
- 基板と
前記基板上に設けられた層間絶縁膜とをさらに備え、
前記層間絶縁膜には凹部が設けられており、
前記凹部の底部上および側壁上に前記下部電極膜および前記容量絶縁膜が設けられている、請求項1から5のいずれかに記載の半導体装置。 - 上部電極膜と下部電極膜との間に容量絶縁膜が設けられた容量素子を形成する半導体装置の製造方法であって、
基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
選択的な除去により、前記層間絶縁膜に凹部を設ける工程と、
前記凹部の底部上および側壁上に、前記下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極膜上に、前記容量絶縁膜および前記上部電極膜をこの順番で形成する工程と、を備え、
前記下部電極膜を形成する工程において、前記下部電極膜の少なくとも前記容量絶縁膜と接する部分に、多結晶窒化チタンを形成する、半導体装置の製造方法。 - 前記下部電極膜を形成する工程は、窒素ラジカルを前記下部電極膜に接触させる工程を含む、請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記窒素ラジカルは、リモートプラズマ方法により得られる、請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記下部電極膜を形成する工程は、
前記下部電極膜を前記凹部の底部上および側壁上のみに残すように加工する加工工程と、
前記加工工程の後に、前記窒素ラジカルを前記下部電極膜に接触させる工程と、を含む、請求項8または9に記載の半導体装置の製造方法。
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