JP3376611B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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恭博 嶋田
明浩 松田
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、強誘電体薄膜を容量絶
縁膜とする大容量の容量素子を内蔵する半導体装置およ
びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、不要輻射の防止またはメモリセル
の微細化のためにチタン酸バリウム、チタン酸鉛等に代
表される強誘電体薄膜の高誘電率を利用した容量素子を
内蔵するIC、LSIの開発が試みられている。
【0003】以下に従来の半導体装置について説明す
る。図5は従来の半導体装置の要部断面図であり、容量
素子が形成されている領域について示したものである。
図5において、1はP型のシリコン基板、2はN型ウエ
ル、3はP−chトランジスタの分離領域であるN領
域、4はN−chトランジスタの分離領域であるP領
域、5はトランジスタを分離する分離酸化膜、6aはゲ
ート絶縁膜、6bはゲート電極、7は層間絶縁膜、9は
下電極、10は強誘電体薄膜、11は上電極、12は容
量素子の保護膜、13はコンタクトホール、14はアル
ミ配線である。図5に示すように従来の半導体装置の容
量素子は、層間絶縁膜7の上に直接下電極9が形成され
ており、その上に強誘電体薄膜10および上電極11が
形成されていた。
【0004】また従来の半導体装置の製造方法におい
て、容量素子は次にようにして形成される。なお層間絶
縁膜7が形成されるまでの工程は省略する。まず層間絶
縁膜7の上に下電極9となる第1の金属薄膜および強誘
電体薄膜10を形成した後強誘電体薄膜10を加熱処理
する。次に上電極11となる第2の金属薄膜を形成す
る。次に上電極11と強誘電体薄膜10を選択的に残し
て不要部を除去し、さらに下電極9を選択的に残して不
要部を除去する。次に全体に容量素子の保護膜12を形
成し、コンタクトホール13を形成しアルミ配線14を
形成する。なおコンタクトホール13の内、シリコン基
板1の上に形成された集積回路に配線14を接続するも
のは層間絶縁膜7と保護膜12の両方を貫通するもので
あり、容量素子の下電極9および上電極11に配線14
を接続するものは保護膜12を貫通するだけでよい。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、容量素子を形成する際行われる600℃
以上の高温熱処理工程において強誘電体薄膜に含まれる
金属成分および水分、また雰囲気として用いる酸素等が
層間絶縁膜中を拡散してトランジスタ領域および分離領
域を劣化または破壊するという課題を有していた。
【0006】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の請求項1記載の半導体装置の製造方法は、集
積回路が作り込まれた支持基板上に形成された層間絶縁
膜上の全面にシリコン窒化膜を形成し、前記シリコン窒
化膜上に第1の金属薄膜および強誘電体薄膜を形成する
工程と、強誘電体薄膜を酸素雰囲気中で加熱処理する工
程と、加熱処理された強誘電体薄膜上に第2の金属薄膜
を形成する工程と、前記第2の金属薄膜、前記強誘電体
薄膜の容量素子となる部分、前記第1の金属薄膜および
前記シリコン窒化膜を選択的に残して他の部分を除去
し、それぞれ上電極、容量絶縁膜、下電極からなる容量
素子および前記下電極と略同一形状のシリコン窒化膜を
形成する工程と、前記容量素子上に保護膜を形成する工
程と、この保護膜、前記シリコン窒化膜および前記層間
絶縁膜の所定の領域にコンタクトホールを形成する工程
と、前記コンタクトホールに配線を形成する工程とを有
するものである。また、本発明の請求項2記載の半導体
装置の製造方法は、請求項1記載の半導体装置の製造方
法において、シリコン窒化膜に代えて下層がシリコン窒
化膜で上層がシリコン酸化膜で構成される多層膜を形成
し、かつ前記記下電極が、上層が白金層で下層がチタン
層で構成される多層膜を形成することを特徴とするもの
である。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の半導体装置は、集積回路が作り込まれた支持
基板の上に下電極、容量絶縁膜となる強誘電体薄膜およ
び上電極からなる容量素子が形成されており、かつ下電
極の下部に下電極と略同一の形状でシリコン窒化膜が形
成されている構成を有しており、またその製造方法は、
層間絶縁膜の上にシリコン窒化膜を形成する工程、その
上に容量素子を形成する工程、容量素子の下電極と略同
一の形状でシリコン窒化膜を選択的に残す工程を備えた
構成を有している。
【0008】
【作用】この構成によって、強誘電体薄膜を熱処理する
工程においては集積回路が形成された支持基板の全面に
窒化シリコン膜が形成されているため高温熱処理を行っ
てもトランジスタ領域および分離領域が汚染されること
がなく、また最終的には容量素子の下部にのみ窒化シリ
コン膜を残しているためその他の領域において層間絶縁
膜に窒化シリコン膜による応力がかかることがなく、信
頼性の高い半導体装置を実現できる。
【0009】
【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。
【0010】図1は本発明の第1の実施例における半導
体装置の要部断面図であり、容量素子が形成された領域
について示したものである。図1において、図5に示す
従来例と同一箇所には同一符号を付して説明を省略す
る。なお本実施例が図5に示す従来例と異なる点は、層
間絶縁膜7と下電極9の間に下電極9と略同形状のシリ
コン窒化膜8が形成されていることである。このように
下電極9の下部にのみシリコン窒化膜8を残すことによ
り、シリコン窒化膜8が層間絶縁膜7に及ぼす応力を最
低限に抑えることができる。
【0011】次に第1の実施例の半導体装置の製造方法
について、図面を参照しながら説明する。図2(a)〜
(e)は本発明の第1の実施例の半導体装置の製造方法
の工程断面図である。これらの図において、シリコン基
板1に作り込まれた集積回路の部分は省略し、層間絶縁
膜7を形成した後の工程について説明する。まず図2
(a)に示すように、層間絶縁膜7の上に減圧CVD法
によりシリコン窒化膜8を形成し、その上にスパッタ法
またはEB蒸着法により第1の金属薄膜9(この金属薄
膜は後工程で下電極9となるため、同じ符号で示してい
る)を形成する。次にゾルゲル法により強誘電体薄膜1
0の構成元素を含有する有機金属化合物溶液を回転塗布
した後、窒素雰囲気中200〜400℃で1〜5分加熱
し乾燥する。次に酸素雰囲気中650〜750℃の高温
で焼成して強誘電体薄膜10を形成する。次に図2
(b)に示すように、スパッタ法またはEB蒸着法によ
り第2の金属薄膜11(この金属薄膜は後工程で上電極
11となるため、同じ符号で示している)を形成する。
次に図2(c)に示すように、上電極11と強誘電体薄
膜10をイオンミリング法により形成する。次に図2
(d)に示すように、上電極11および強誘電体薄膜1
0より大きく面積をとって下電極9を形成する。次に図
2(e)に示すように、下電極9と略同一のパターンで
シリコン窒化膜8を残す。図2では以降の工程を省略し
ているが、さらに保護膜12を形成し、コンタクトホー
ル13を形成し、アルミ配線14を形成して図1に示す
半導体装置となる。
【0012】次に本発明の第2の実施例について、図面
を参照しながら説明する。図3は本発明の第2の実施例
における半導体装置の要部断面図であり、容量素子が形
成された領域について示したものである。図2におい
て、図5に示す従来例および図1に示す第1の実施例と
同一箇所には同一符号を付して説明を省略する。なお本
実施例が図1に示す第1の実施例と異なる点は、下電極
9とシリコン窒化膜8との間にシリコン酸化膜8aが形
成されていることである。第1の実施例で下電極9がチ
タン層と白金層の2層構造である場合、チタン層とシリ
コン窒化膜8とが反応しやすいためプロセス条件によっ
ては剥離が生じたりするが、シリコン酸化膜8aを介在
させることにより防止できる。なおシリコン酸化膜8a
にはりん、ボロンが含有されていても問題はない。
【0013】次に第2の実施例の半導体装置の製造方法
について、図面を参照しながら説明する。図4(a)〜
(e)は本発明の第2の実施例の半導体装置の製造方法
の工程断面図である。これらの図において、シリコン基
板1に作り込まれた集積回路の部分は省略し、層間絶縁
膜7を形成した後の工程について説明する。まず図4
(a)に示すように、層間絶縁膜7の上に減圧CVD法
によりシリコン窒化膜8およびシリコン酸化膜8aを形
成し、その上にスパッタ法またはEB蒸着法により第1
の金属薄膜9(この金属薄膜は後工程で下電極9となる
ため、同じ符号で示している)を形成する。以降図4
(d)の工程までは図2に示す工程と全く同一であり、
説明を省略する。次に図2(e)に示すように、下電極
9と略同一のパターンでシリコン酸化膜8aおよびシリ
コン窒化膜8を残す。図4では以降の工程を省略してい
るが、さらに保護膜12を形成し、コンタクトホール1
3を形成し、アルミ配線14を形成して図3に示す半導
体装置となる。
【0014】なお図1においてシリコン窒化膜8を下電
極9と略同一の形状として説明したが、シリコン基板1
の層間絶縁膜7の上全面にシリコン窒化膜8が形成され
ており、その上の一部に容量素子が形成されていても良
い。ただしこの場合には、コンタクトホール13は保護
膜12、シリコン窒化膜8および層間絶縁膜7を貫通し
て形成すれば良い。また図3においてシリコン窒化膜8
とシリコン酸化膜8aとの多層膜を下電極9と略同一の
形状として説明したが、シリコン基板1の層間絶縁膜7
の上全面にシリコン窒化膜8とシリコン酸化膜8aが形
成されており、その上の一部に容量素子が形成されてい
ても良い。ただしこの場合には、コンタクトホール13
は保護膜12、シリコン酸化膜8aとシリコン窒化膜8
および層間絶縁膜7を貫通して形成すれば良い。さらに
は、シリコン基板1の層間絶縁膜7の上全面にシリコン
窒化膜8が形成されており、その上の一部に下電極9と
略同一の形状のシリコン酸化膜8aが形成されており、
そのシリコン酸化膜8aの上に容量素子が形成されてい
ても良い。ただしこの場合には、コンタクトホール13
は保護膜12、シリコン窒化膜8および層間絶縁膜7を
貫通して形成すれば良い。
【0015】なお図2および図4に示す製造工程におい
て強誘電体薄膜10をゾルゲル法で形成した例について
説明したが、熱分解法等の他の液相法やスパッタ法また
はEB蒸着法等の気相法で形成しても良い。
【0016】なおシリコン基板1の全面にシリコン窒化
膜8またはシリコン窒化膜8とシリコン酸化膜8aを形
成する場合には、第1および第2の実施例で用いられて
いる層間絶縁膜7は省略しても良い。
【0017】
【発明の効果】以上のように本発明は容量素子の下電極
の下部に下電極と略同一の形状でシリコン窒化膜または
シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の多層膜を形成する構
成により、容量素子形成時に高温熱処理を行ってもトラ
ンジスタ領域および分離領域が汚染されることがなく、
また最終的には容量素子の下部にのみ窒化シリコン膜を
残しているためその他の領域において層間絶縁膜に窒化
シリコン膜による応力がかかることがなく、信頼性の高
い半導体装置およびその製造方法を実現できるものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例における半導体装置の要
部断面図
【図2】(a)〜(e)は本発明の第1の実施例の半導
体装置の製造方法の工程断面図
【図3】本発明の第2の実施例における半導体装置の要
部断面図
【図4】(a)〜(e)は本発明の第2の実施例の半導
体装置の製造方法の工程断面図
【図5】従来の半導体装置の要部断面図
【符号の説明】
1 シリコン基板(支持基板) 8 シリコン窒化膜 9 下電極 10 強誘電体薄膜 11 上電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 嶋田 恭博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 子工業株式会社内 (72)発明者 松田 明浩 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 子工業株式会社内 (72)発明者 林 慎一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−232961(JP,A) 特開 平3−34580(JP,A) 特開 平3−54828(JP,A) 特開 平4−221848(JP,A) 特開 平4−92469(JP,A) 特開 平4−102367(JP,A) 特開 平4−287968(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/822 H01L 27/04

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 集積回路が作り込まれた支持基板上に形
    成された層間絶縁膜上の全面にシリコン窒化膜を形成
    し、前記シリコン窒化膜上に第1の金属薄膜および強誘
    電体薄膜を形成する工程と、強誘電体薄膜を酸素雰囲気
    中で加熱処理する工程と、加熱処理された強誘電体薄膜
    上に第2の金属薄膜を形成する工程と、前記第2の金属
    薄膜、前記強誘電体薄膜、前記第1の金属薄膜および前
    記シリコン窒化膜を選択的に残して他の部分を除去し、
    それぞれ上電極、容量絶縁膜、下電極からなる容量素子
    および前記下電極と略同一形状のシリコン窒化膜を形成
    する工程と、前記容量素子上に保護膜を形成する工程
    と、この保護膜、前記シリコン窒化膜および前記層間絶
    縁膜の所定の領域にコンタクトホールを形成する工程
    と、前記コンタクトホールに配線を形成する工程とを有
    する半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 シリコン窒化膜に代えて下層がシリコン
    窒化膜で上層がシリコン酸化膜で構成される多層膜を形
    成し、かつ前記下電極が、上層が白金層で下層がチタン
    層で構成される多層膜を形成することを特徴とする請求
    項1記載の半導体装置の製造方法。
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