JP2786244B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、キャパシタセルを持つ半導体装置の形成に
適用して有効な技術に関するもので、例えば、キャパシ
タセルの一方の電極が高融点金属シリサイドまたは高融
点金属から形成され、かつ当該電極がその上層に位置す
るAl配線またはAl合金配線にコンタクトする半導体装置
の形成に利用して有効な技術に関するものである。

［従来の技術］ 半導体本体内に形成された不純物層と、この不純物層
の上に形成された高誘電率絶縁膜をはさんで上記不純物
層と対峙される高融点金属シリサイドまたは高融点金属
から形成される電極と、からなるキャパシタセルを持つ
半導体装置については、例えば、特開昭59−4152号公報
に記載されている。この技術では、高誘電率絶縁膜の上
に、化学量論的に規定される量を越えない量のSiを含有
する高融点金属シリサイド等から形成される電極を設け
ている。

ところで、従来、上記のような半導体装置にあって
は、一般に、高誘電率絶縁膜の直上位置から十分離れた
位置で、高融点金属シリサイドとその上層に位置するAl
配線またはAl合金配線とをコンタクトさせていた。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、半導体装置の高集積化・微細化の要請に伴
い、キャパシタセル自体をも微細化することが望まれる
が、その要望に応えるべく、高融点金属シリサイドとそ
の上層に位置するAl配線またはAl合金配線とを高誘電率
絶縁膜の直上位置またはその近傍位置でコンタクトさせ
ようとすると、耐圧が低くなりキャパシタの特性が劣化
してしまうことが判った。

そして、その原因を追及するに、その原因はAl配線ま
たはAl合金配線形成の後の熱処理にあることが判った。
つまり、高融点金属シリサイドはAlのバリア性が悪く、
熱処理の際、Alが高誘電率絶縁膜まで拡散し、該高誘電
率絶縁膜中にAlが混入してしまうことが確認された。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、Al配線ま
たはAl合金配線形成後の熱処理においてもキャパシタ特
性が劣化することがなく、しかも高集積化・微細化に資
する構造を持つ半導体装置を提供することを目的として
いる。

この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴
については、本明細書の記述および添附図面から明らか
になるであろう。

［課題を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち代表的なものの概
要を説明すれば、下記のとおりである。

即ち、半導体本体内に形成された不純物層と、この不
純物層の上に形成された絶縁膜をはさんで上記不純物層
と対峙される高融点金属シリサイドまたは高融点金属か
ら形成される電極と、から構成されるキャパシタを持
ち、上記電極がそれより上層に位置するAl配線またはAl
合金配線にコンタクトされる構造を持つ半導体装置にお
いて、上記電極を下記一般式［１］または［２］ Mo（Si）ｘ ‥‥［１］ Ｗ（Si）ｘ ‥‥［２］ （但し、式［１］，［２］中のｘは1.2以下の数を表
す。） から形成し、キャパシタ部の直上位置またはその近傍位
置でAl配線またはAl合金配線のコンタクトをさせたもの
である。

［作用］ 上記した手段によれば、Al配線またはAl合金配線とコ
ンタクトされるキャパシタセルの電極材料として上記の
ような組成を持つ材料を用いているので、該電極がAlの
バリア層として機能する。その結果、Al配線またはAl合
金配線形成の後における熱処理によってもキャパシタ特
性の劣化を生じることはなくなる。

また、キャパシタセルの真上位置またはその近傍位置
にAl配線またはAl合金配線と電極とのコンタクト部を設
けているので、半導体装置の高集積化・微細化が図れる
こととなる。

［実施例］ 以下、本発明に係る半導体装置の実施例を図面に基づ
いて説明する。

第１図には本発明に係る半導体装置の実施例における
キャパシタセルが示されている。

同図において、符号Ｃはキャパシタセル全体を示し、
ここでは、キャパシタセルＣはＰ型の半導体本体１内に
形成されたN⁺不純物層２と、その上に形成されたTa₂O₅
膜（絶縁膜）３をはさんで上記不純物層２と対峙される
高融点金属シリサイドまたは高融点金属からなる電極４
とから構成されている。そして、この電極４は、上記Ta
₂O₅膜３の直上位置にて、該電極４の上層に位置するAl
配線またはAl合金配線５とコンタクトされている。

ここで、電極４は、具体的に言えば、下記一般式
［１］または［２］ Mo（Si）ｘ ‥‥［１］ Ｗ（Si）ｘ ‥‥［２］ （但し、式［１］，［２］中のｘは０を1.2以下の数を
表す。） から形成される。好ましくはｘが0.8〜1.2、より好まし
くはｘが１の材料で電極４を形成することが望ましい。

なお、第１図において符号６および７はリンガラスか
らなる層間絶縁膜を表している。

上記のように構成された半導体装置において、電極４
は、Al配線またはAl合金配線５形成後の熱処理の際に、
Alのバリア層として機能し、Ta₂O₅膜３へのAlへの混入
を防止する。

この効果を裏付けるため、下記のような実験を行なっ
た。

先ず、第２図に示すような従来構造のサンプルを製造
した。

同図において、符号Ｃはキャパシタセル全体を示し、
ここでは、キャパシタセルＣはＰ型の半導体本体１内に
形成されたN⁺不純物層２と、その上に形成されたTa₂O₅
膜（絶縁膜）３をはさんで上記不純物層２と対峙される
電極４とから構成されている。そして、この電極４は、
上記Ta₂O₅膜３の直上位置から離れた位置にて、該電極
４の上層に位置するAl配線またはAl合金配線５とコンタ
クトされている。なお、同図において符号6,7はリンガ
ラスを示している。

ここで、電極４の材料として下記一般式［１］ Mo（Si）ｘ ‥‥［１］ で表されるケイ素・モリブデン化合物として上記［１］
式中のｘが0.8,1.2,1.7,2.1のものを用いた。さらに、
電極４の材料として純Ｗを用いた。

そして、そのそれぞれについて、Al合金配線５の形成
後に475℃の熱処理（N₂アニール）を加えた。この熱処
理時間と、リーク電流１μA/cm²時の耐圧を調べたのが
第３図である。同図において記号○はｘ＝0.8のもの、
●はｘ＝1.2のもの、△はｘ＝1.7のもの、▲はｘ＝2.1
のもの、×は純Ｗのものを示している。

従来構造においてはMo（Si）ｘのｘ＞2.0（ストイキ
メトリな組成）のときの組成ｘ＝2.1のみ熱処理による
耐圧の劣化が見られる。

ところが、ｘが0.8,1.2,1.7,2.1のもの、および純Ｗ
で電極４を形成し、Al合金配線５をTa₂O₅膜３の直上位
置に設けたものでは、第４図に示すようにMo（Si）ｘの
ｘ＝1.7の組成のものにもかなり大きな耐圧変化が見ら
れた。

次に、Al直上構造において耐圧劣化の見られたｘ＝1.
7のものと耐圧が劣化しないｘ＝1.2のものについてオー
ジェ分析によって深さ方向の元素分布を調べてみた。そ
の結果が第５図および第６図に示されている。ここで、
第５図はｘ＝1.7のもの、第６図はｘ＝1.2のものを示し
ている。

第５図に示すｘ＝1.7のものでは、AlがMo（Si）ｘ中
を拡散し、Ta₂O₅膜３まで達していることがわかる。こ
れに対して、第６図に示すｘ＝1.2の深さ方向の元素分
布においてはAlがMo（Si）ｘとの界面付近に留まってお
り、Mo（Si）ｘ膜がAlのバリア層として作用しているこ
とがわかる。つまり、キャパシタ電極としてｘ＝1.2以
下のものを使用することによりAl電極形成後の熱処理に
よるキャパシタ特性の劣化を防止できることは明白であ
る。

なお、第７図（Ａ）〜（Ｄ）に基づいて、本発明の一
実施例のキャパシタ部分の製造工程を説明する。

第７図（Ａ）に示すように、単結晶Siからなる半導体
本体１にイオン・イン・プランテーションにてリンを打
込みN⁺不純物層２を形成する。次に、第７図（Ｂ）に示
すようにCVD法にてリンガラス６を堆積した後、キャパ
シタ部をホトリソグラフィにて形成する。次いで、第７
図（Ｃ）に示すようにTa₂O₅を反応性スパッタリングに
て堆積してTa₂O₅膜３を形成した後、電極４を形成す
る。その後、第７図（Ｄ）に示すようにCVDにてリンガ
ラス７を堆積した後ホトリソグラフィにてコンタクト穴
をキャパシタ部真上位置に形成する。そして、第１図に
示すようにAl合金をスパッタリングにて堆積した後、ホ
トリソグラフィにて配線５を形成する。

なお、Mo（Si）ｘ膜のSiの組成ができるだけ多い方が
リンガラス堆積時にMo（Si）ｘ表面の酸化を低減でき
る。その点からは、ｘを0.8以上とするのが好ましい、
としたのである。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。

例えば、上記実施例では、コンタクト穴の位置をキャ
パシタ部直上位置としているが、第８図に示すように、
キャパシタ直上位置近傍にある場合についても、本願発
明は有効である。

また、上記実施例では、Mo（Si）ｘの実験例について
述べたが、Ｗ（Si）ｘの場合にもｘが1.2以下のものに
ついて同様の効果が得られた。

なお、キャパシタセルの絶縁膜の材料として、上記実
施例ではTa₂O₅を用いているが、SiO₂、酸化チタン、酸
化ニオビウムまたは酸化ハフニウムを用いても良いし、
さらにはそれらを組合せにて絶縁膜を形成するようにし
ても良い。

［発明の効果］ 本願において開示される発明のうち代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりであ
る。

即ち、半導体本体内に形成された不純物層と、この不
純物層の上に形成された絶縁膜をはさんで上記不純物層
と対峙される高融点金属シリサイドまたは高融点金属か
ら形成される電極と、から構成されるキャパシタセルを
持ち、上記電極がそれより上層に位置するAl配線または
Al合金配線にコンタクトされる構造を持つ半導体装置に
おいて、上記電極を下記一般式［１］または［２］ Mo（Si）ｘ ‥‥［１］ Ｗ（Si）ｘ ‥‥［２］ （但し、式［１］，［２］中のｘは1.2以下の数を表
す。） から形成し、キャパシタ部の直上位置またはその近傍位
置でAl配線またはAl合金配線のコンタクトをさせたの
で、熱処理による高誘電率絶縁膜へのAlの拡散を防止で
きるので、高誘電率絶縁膜の耐圧劣化を防止するのに効
果がある。また、メモリセルの面積の縮小化に効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体装置の実施例におけるキャ
パシタセルの縦断面図、 第２図は従来構造のキャパシタセルの縦断面図、 第３図は従来構造のキャパシタセルにおけるアニール後
の耐圧を示すグラフ、 第４図はAl直上構造のキャパシタセルにおけるアニール
後のキャパシタの耐圧を示すグラフ、 第５図はｘ＝1.7のキャパシタセル深さ方向元素分布、 第６図はｘ＝1.2のキャパシタセル深さ方向元素分布、 第７図（Ａ）〜（Ｄ）は第１図のキャパシタセルの製造
方法の途中工程を示す縦断面図、 第８図は他の実施例のキャパシタセルの縦断面図であ
る。 １……半導体本体、２……拡散層、３……絶縁膜、４…
…電極、５……配線。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁膜と、Mo（Si）ｘまたはＷ（Si）ｘ
   （ｘは0.8以上1.2以下）からなる電極とを有するキャパ
   シタと、 前記電極とコンタクトされているアルミニウム配線層ま
   たはアルミニウム合金配線層とを有することを特徴とす
   る半導体装置。
2. 【請求項２】前記絶縁膜は、Ta₂O₅、SiO₂、酸化チタ
   ン、酸化ニオビウム、酸化ハフニウムの何れか、または
   これらの組合せであることを特徴とする請求項１記載の
   半導体装置。