JP4011391B2

JP4011391B2 - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP4011391B2
Application number: JP2002129747A
Authority: JP
Inventors: 政良多留谷; 剛森; 賢治新谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-05-01
Filing date: 2002-05-01
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2022-05-01
Also published as: JP2003324157A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より特定的には、キャパシタ等の容量素子を含む半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１６に、従来の半導体装置の一例を示す。該半導体装置は、特開２００１−１６８２９０号公報に開示されている。
【０００３】
図１６に示すように、上記半導体装置は、半導体基板１上に容量素子を有する。該容量素子は、Ｐｔ膜からなる下部電極２、誘電体膜３、上部電極４および該上部電極４上に形成された密着層５を有する。また、下部電極２、誘電体膜３、密着層５により覆われている上部電極４は、絶縁膜６により覆われている。絶縁膜６にコンタクトホール７を形成し、該コンタクトホール７内に金属配線８を形成する。金属配線８と絶縁膜６とを覆うように保護膜９を形成する。
【０００４】
このような容量素子では、密着層５は、ＴｉＮなどの金属窒化膜もしくはＴｉＯ_x等の金属酸化膜の単層膜または金属窒化膜と金属酸化膜との積層膜で構成されている。
【０００５】
図１７（ａ）〜（ｆ）に、従来の半導体装置の他の例を示す。該半導体装置は、特開平７−２９７３６４号公報に開示されている。
【０００６】
図１７（ａ）に示すように半導体基板１上にＰＳＧ膜１０を形成し、図１７（ｂ）〜（ｄ）に示すようにＰＳＧ膜１０上に容量素子を形成する。容量素子は、Ｐｔ膜からなる下部電極２、誘電体膜３および上部電極４からなっており、下部電極２、誘電体膜３、上部電極４は、図１７（ｅ）に示すように、絶縁膜６により覆われている。この絶縁膜６上に、図１７（ｆ）に示すように、金属配線８を形成する。
【０００７】
上記の容量素子では、絶縁膜６として、Ｐｔ層との密着力を十分なものとするために、燐（Ｐ）を添加した酸化膜（ＰＳＧ膜）が用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図１６に示す半導体装置では、密着層５の欠落した部分において剥離が生じるという問題点があった。たとえば、絶縁膜６にコンタクトホール７を形成するエッチング加工工程において、そのエッチング後のレジスト残渣や加工残渣などを除去するための、洗浄液による湿式洗浄工程において、上部電極４と絶縁膜６の界面で剥離が生じるという問題があった。
【０００９】
図１７に示す半導体装置においても、製造工程において、密着性がないために剥離を生じるという問題があった。たとえば、絶縁膜６にコンタクトホールを形成するエッチング加工工程において、そのエッチング後のレジスト残渣や加工残渣などを十分に洗浄するために、薬液を用いる洗浄処理を行なった場合に、洗浄液によるＰＳＧ膜１０の優先的なエッチングが生じることによって、下部電極２と絶縁膜６の界面で剥離が生じるという問題があった。
【００１０】
また、いずれの発明においても、容量素子が大面積となった場合には、膜ストレスの増大により容量素子の部分において、絶縁膜６と上部電極４などの間で剥離を生じるという問題点があった。
【００１１】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、半導体装置の信頼性を向上させることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、基板上の第一の絶縁膜上に形成された下部電極と、下部電極上に形成された誘電体膜と、誘電体膜上に形成された上部電極と、下部電極、誘電体膜および上部電極を覆い、シリコンを含む金属酸化膜もしくはシリコンを含む金属酸化窒化膜からなる密着層と、密着層を覆うように基板全面上に形成された第二の絶縁膜と、第二の絶縁膜を貫通し、上部電極および下部電極にそれぞれ電気的に導通する第一と第二の配線部とを備える。
【００１３】
このように下部電極、誘電体膜、上部電極を覆うように密着層を設けることにより、密着層と第二の絶縁膜との接触面積を増大することができ、第二の絶縁膜が密着層から剥離することを効果的に抑制することができる。
【００１４】
下部電極および上部電極は、好ましくは、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒを含む白金族金属からなり、密着層は、好ましくは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれた群からなる少なくとも一種の元素を含む。
【００１５】
また上記密着層の厚みは、好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、密着層は、相対的に薄い第一の密着層と、相対的に厚い第二の密着層を含むものであってもよい。さらに、誘電体膜は、好ましくは、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）、チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃）などの誘電率が２０以上２０００以下の高誘電率膜である。ここで、誘電率を２０００以下としたのは、本願の出願時点で実用的であると考えられる材料がこの範囲に含まれるからであり、将来的にこの値以上の誘電率を有する実用的な材料が開発された場合にはその材料を使用することができる。
【００１６】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、次の各工程を備える。基板上に第一の絶縁膜を介して下部電極、誘電体膜および上部電極を形成する。下部電極、誘電体膜および上部電極を覆うように、シリコンを含む金属膜もしくはシリコンを含む金属窒化膜を堆積する。該金属膜もしくは金属窒化膜に酸化処理を施すことにより、シリコンを含む金属酸化膜もしくはシリコンを含む金属酸化窒化膜で構成される密着層を形成する。密着層を覆うように基板全面上に第二の絶縁膜を形成する。第二の絶縁膜を貫通し、上部電極および下部電極にそれぞれ電気的に導通する配線部を形成する。上記酸化処理の温度は、好ましくは、０℃以上４５０℃以下である。
【００１７】
上記のように下部電極、誘電体膜および上部電極の形成後にこれらを覆うようにシリコンを含む金属膜もしくはシリコンを含む金属窒化膜を堆積し、該金属膜もしくは金属窒化膜に酸化処理を施すことにより、シリコンを含む金属酸化膜もしくはシリコンを含む金属酸化窒化膜で構成され下部電極、誘電体膜および上部電極を覆う密着層を形成することができる。このような密着層を形成することにより、密着層と第二の絶縁膜との接触面積を増大することができ、第二の絶縁膜が密着層から剥離することを効果的に抑制することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１５を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１における半導体装置の断面図である。本例では、回路素子が形成された半導体基板上に絶縁膜を形成した後、金属電極と誘電体膜からなる容量素子を形成する場合について説明する。
【００２０】
図１に示すように、トランジスタや抵抗、配線などの回路素子が形成されたシリコン基板等の半導体基板１上に、絶縁膜１１を形成する。たとえば絶縁膜１１は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法で形成したシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）である。この絶縁膜１１の下あるいは内部には配線層と層間絶縁膜が複数層積層されたような回路素子を有しているが、簡単のため図示を省略している。
【００２１】
絶縁膜１１上に密着層２１を形成する。密着層２１としては、たとえばチタン（Ｔｉ）等の金属、窒化チタン（ＴｉＮ）等の金属窒化物および／またはその積層物であるＴｉＮ/Ｔｉなどを用いる。密着層２１上に下部電極２を形成する。下部電極２は、たとえば白金（Ｐｔ）などの貴金属で構成する。なお、白金以外の材料としてルテニウム（Ｒｕ）やイリジウム（Ｉｒ）等の白金族金属を用いることもできる。
【００２２】
下部電極２上に、誘電体膜３を形成する。誘電体膜３には、たとえばチタン酸スロトンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）のような高誘電率材料を用いる。なお、誘電体膜３は、このほかチタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃）や、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅あるいはＴａＯ_x）などを用いることができる。
【００２３】
誘電体膜３上に上部電極４を形成する。上部電極４の材質は、下部電極２の場合と同様に、たとえば白金である。該上部電極４と、下部電極２と、誘電体膜３とでキャパシタ（容量素子）が形成される。上部電極４上に密着層４１を形成する。密着層４１としては、ＴｉＮ膜を挙げることができる。
【００２４】
密着層４１、上部電極４、誘電体膜３、下部電極２、密着層２１および絶縁膜１１を覆うように密着層５１を形成する。密着層５１は、密着層４１の上面および側面上から、上部電極４の側面上、誘電体膜３の上面および側面上、下部電極２の上面および側面上、密着層２１の側面上に延在し、絶縁膜１１の上面上に達している。
【００２５】
密着層５１としては、金属酸化膜や金属酸化窒化膜等を挙げることができる。具体的には、ＴｉＳｉ膜を酸化した金属酸化膜や、ＴｉＳｉＮ膜を酸化した金属酸化窒化膜を使用可能である。密着層５１の厚みは、好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００２６】
密着層５１を覆うように絶縁膜６を形成する。絶縁膜６には、プラズマＣＶＤ法を用いて形成したＳｉＯ₂膜などを用いることができる。絶縁膜６にコンタクトホール（接続孔）６１，６２を形成する。コンタクトホール６１は、絶縁膜６、密着層５１および密着層４１を貫通して上部電極４に達し、コンタクトホール６２は、絶縁膜６および密着層５１を貫通して下部電極２に達する。
【００２７】
コンタクトホール６１，６２内にバリアメタルであるＴｉＮ膜７１，７２と、アルミニウム（Ａｌ）等の金属配線８１，８２を形成する。この金属配線８１，８２、ＴｉＮ膜７１，７２および絶縁膜６を覆うように保護膜９を形成する。保護膜はＳｉＯ₂やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などの絶縁膜で構成される。
【００２８】
次に、上記の構造を有する本発明の半導体装置の製造方法について、図２〜図１２を用いて説明する。図２〜図１２は本発明の実施の形態１における半導体装置の製造工程図である。
【００２９】
図２に示すように、半導体基板１上に、ＣＶＤ法で絶縁膜１１を形成する。この絶縁膜１１の上に、容量素子を形成する膜を順次堆積させる。まず図３に示すように、スパッタリング法により下部電極２の密着層２１を形成する。成膜温度は、３００℃でその膜厚は５０ｎｍである。
【００３０】
次に、下部電極２をスパッタリング法により形成する。成膜温度は２００℃から４００℃の間であり、その厚みは５０から２００ｎｍである。下部電極２上に誘電体膜３を成膜する。誘電体膜３の成膜方法には、アルゴンと酸化ガス雰囲気中でのＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いる。成膜時間を３５分間とすることで、膜厚７０ｎｍのチタン酸ストロンチウム膜を得ることができる。また、その際の基板温度を３５０℃とすることで、誘電率が１００程度の高誘電率とすることができる。なお成膜方法としては、プラズマＣＶＤ法なども用いることができる。
【００３１】
誘電体膜３の上に、上部電極４を下部電極と同様にして堆積する。上部電極４の材質は白金であり、その膜厚は７０ｎｍの程度である。この上に、上部電極４の密着層４１を形成してもよい。この実施の形態においては、スパッタリング法により密着層４１としてＴｉＮ膜を形成している。
【００３２】
次に、図４〜図６に示されているように容量素子を形成したい部分を残すように、フォトリソグラフィー法とドライエッチング法を用いて順次、微細加工を行なう。
【００３３】
たとえば、上部電極４を形成する部分に、フォトリソグラフィー法でレジストマスクを形成し、ドライエッチング装置で該マスクを用いてエッチングすることで、図４に示すように、密着層４１と上部電極４の加工がなされる。エッチングには、アルゴンと塩素のガスのプラズマを用いる。
【００３４】
同様にして、図５および図６に示すように、誘電体膜３と、下部電極２および密着層２１の加工を行なう。この例では、上部電極４よりも誘電体膜３の面積が大きく、さらに誘電体膜３よりも下部電極２の面積（上面の面積）が大きくなるような階段状の形態となっている。場合によっては、上部電極４と誘電体膜３を同じ形態とし、一度に加工することも可能である。また、下部電極２部分は、後でコンタクトホールを通して配線を形成できるように、上部電極４や誘電体膜３よりも上面の面積が大きくなっている。
【００３５】
ここで、ドライエッチングによるダメージを回復させる目的で、加熱処理を行なう。加熱条件は、４００℃、窒素雰囲気中の常圧加熱炉を用いる。加熱時間は３０分である。なお、雰囲気ガスはアルゴンなどの希ガスでも、酸素でも同様の効果が得られる。
【００３６】
下部電極２、誘電体膜３および上部電極４を含む積層構造を覆うように密着層５１を形成する。密着層５１の形成方法は、図７および図８の方法を用いて行なわれる。
【００３７】
まず、図７に示すように、半導体基板１上全体にシリコン（Ｓｉ）を含んだ金属膜５０を堆積する。金属膜５０には、たとえばスパッタリング法で形成したＴｉＳｉ膜などを用いることできる。その膜厚は、たとえば１０ｎｍ程度である。この金属膜５０を酸化することによって、図８に示すように、金属酸化膜である密着層５１を得る。酸化の方法は、たとえば４００℃の酸素雰囲気中で２０分間加熱する方法でよい。このほか、オゾン雰囲気中での加熱処理や、酸化雰囲気中でのプラズマ酸化処理などを用いてもよい。上記酸化処理の温度は、好ましくは、０℃以上４５０℃以下である。熱酸化を用いた場合には３００〜４５０℃とすることが好ましく、プラズマ酸化やオゾン酸化を用いる場合は４００℃以下が望ましい。
【００３８】
また、金属膜５０としては、スパッタリング法で形成したＴｉＳｉＮ膜などのシリコンを含む金属窒化膜を用いることできる。その膜厚は、たとえば１０ｎｍ程度である。これを酸化することによって、シリコンを含む金属酸化窒化膜である密着層５１を得る。酸化の方法は、たとえば４００℃の酸素雰囲気中で２０分間加熱する方法でよい。このほか、オゾン雰囲気中での加熱処理や、酸化雰囲気中でのプラズマ酸化処理などを用いてもよい。
【００３９】
その後、図９のように、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ₂膜などの絶縁膜６を形成する。そして、図１０のように絶縁膜６において、上部電極４および下部電極２と金属配線８１，８２との接続部分にそれぞれコンタクトホール（接続孔）６１、６２を、フォトリソグラフィーとドライエッチングで形成する。
【００４０】
上部電極４へのコンタクトホール６１は、密着層５１および密着層４１を貫通し上部電極４に達するような形状とする。また、下部電極２への接続孔６２は、密着層５１を貫通し下部電極２に達するような形状とすることが望ましい。
【００４１】
コンタクトホール６１、６２の内部側面およびその周辺の絶縁膜６の上面の部分には、加工の残渣物が残っていることがある。これを除去するために、剥離液によって湿式異物除去処理を行なう。剥離液には、ＳｉＯ₂を極僅かに溶かすような薬液を用いる。薬液の温度は６０℃で処理時間は１０分などの条件を用いる。
【００４２】
続いて、図１１のように、上部電極４および下部電極２への配線を形成する。その方法は、半導体基板１上全面にバリアメタルとなるＴｉＮ膜７０をスパッタリング法で形成し、さらに金属配線としてアルミニウム（Ａｌ）膜８０などを堆積する。
【００４３】
次いで、フォトリソグラフィーでパターニングしたマスクを用いて、ＴｉＮ膜７０およびアルミニウム膜８０をドライエッチングし、図１２のようにパターニングする。それにより、ＴｉＮ膜７１，７２と金属配線８１，８２とを形成する。金属配線８１，８２は、必要に応じて、容量素子の周辺の回路や電源供給用の配線、入力信号の配線などに接続される。
【００４４】
最後に、図１のように保護膜９を形成することで容量素子部分の工程が終了する。また、場合によってはさらに追加の配線層および絶縁膜の積層工程が繰り返される。
【００４５】
このように下部電極２、誘電体膜３、上部電極４を覆うように密着層５１を設けたことにより、絶縁膜６と密着層５１との接触面積を増大することができ、絶縁膜６が密着層５１から剥離することを効果的に抑制することができる。特に、絶縁膜６にコンタクトホール６１，６２開孔後のエッチング残差除去のための湿式異物除去処理を行なっても、絶縁膜６と下部電極２との間において剥離が生じない。
【００４６】
また、密着層５１はＳｉを含んでいるために、ＳｉＯ₂もしくはＳｉＮからなる絶縁膜６，１１との密着性が優れ、剥離しにくくなる。また、密着層５１に用いられているＳｉは酸化されることにより高い絶縁性を示すので、密着層５１が上部電極４と下部電極２の間を接続するように形成されたとしても、上部電極４と下部電極２の間のリーク電流を増加させることはない。
【００４７】
さらに、密着層５１はＴｉを含んでいるが、Ｔｉは反応性が高く、また特に酸素、窒素との結合が強いため、ＳｉＯ₂もしくはＳｉＮからなる絶縁膜６，１１との密着性がより優れ、剥離しにくくなる。また、密着層５１に含まれるＴｉは酸化されることにより高い絶縁性を示すので、密着層５１が上部電極４と下部電極２の間を接続するように形成されたとしても、上部電極４と下部電極２の間のリーク電流を増加させることはない。
【００４８】
次に、本実施の形態１における半導体装置を評価するために種々の実験を行ったので、その結果について説明する。比較したのは、密着層５１が形成されていない容量素子のサンプルと、密着層５１としてＴｉＳｉＮを酸化して形成した金属酸化窒化膜が形成されている容量素子のサンプルである。
【００４９】
まず、両者の容量素子を、絶縁膜６を形成する段階まで形成した。ここでは、絶縁膜６の形成方法として、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）と酸素ガスを用いたプラズマＣＶＤ法を用いた。
【００５０】
次に、コンタクトホール６１，６２の加工を行なった。ここで、コンタクトホール６１，６２の周辺には、加工の際に飛び散ったエッチング残渣やレジストの変質したものが残留している。これらを除去するために、剥離性のある薬液による洗浄処理を行なった。洗浄処理は温度６０℃の薬液を用い、時間は２０分とした。
【００５１】
その結果、密着層５１が形成されていないサンプルにおけるコンタクトホール６２の約半数ほどにおいて、下部電極２と絶縁膜６との間において剥離が生じていた。
【００５２】
ところが、密着層５１が形成されているサンプルにおいては、そのような剥離は観察されず洗浄工程を経た後も密着性が良好であることが分かった。さらに、密着層５１が形成されてないサンプルで絶縁膜６において、燐を含んだ（燐珪酸ガラス）ＰＳＧ膜を用いた場合も、剥離している部分が観察された。
【００５３】
従って、剥離を防ぐためには、容量素子の全面に渡って、密着層５１を形成することが有効であることが確かめられた。
【００５４】
次に、密着層５１としてＴｉＳｉの酸化膜およびＴｉＳｉＮの酸化膜を用いたサンプル同士での比較を行なった。まず、コンタクトホールを設けた後の洗浄工程での剥離の有無を確かめたところ、いずれのサンプルにおいても、剥離は認められなかった。また、Ｔｉの代わりにタンタル（Ｔａ）を用いた場合にも、同様に剥離は認められなかった。
【００５５】
今度は、密着層５１の絶縁性の評価を行なった。比較したサンプルは、（Ａ）密着層５１を形成しなかったもの、（Ｂ）ＴｉＳｉの酸化膜からなる密着層５１を用いたもの、および（Ｃ）ＴｉＳｉＮの酸化膜からなる密着層５１を用いたものである。
【００５６】
サンプルとしては、図１２で示した形状のもので、保護膜９を形成せずに、金属配線８１および８２を形成した段階のものを使用することとした。金属配線８１および８２の間に電圧をかけてリーク電流を測定し、絶縁破壊に達してリーク電流が急増する地点での電圧、すなわち絶縁破壊電圧を計測した。
【００５７】
その結果を、図１３に示す。まず、サンプル（Ａ）では、およそ２０Ｖ以上の絶縁耐圧を示している。これが、誘電体膜自体の理想的な絶縁破壊耐圧を示していると考えられる。ただし、密着性の不足する部分において、１０Ｖ程度に絶縁破壊耐圧が低下している不良個所が見られる。これに対しサンプル（Ｂ）および（Ｃ）においては、およそ２０Ｖ前後の範囲に絶縁耐圧が揃っており、理想的な誘電体膜３の絶縁耐圧と遜色ないことが分かる。
【００５８】
従って、密着層５１を設けることによって、膜の剥離などの問題が無くなるとともに、十分な絶縁性を維持することが可能であることが分かった。
【００５９】
本実施の形態１では、密着層５１として、ＴｉＳｉを酸化して得た膜やＴｉＳｉＮを酸化して得た膜を用いているが、Ｔｉの代りにＴａを用いた場合にも、同様の結果を得ている。さらに、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などの元素も、同様な密着力を有するとともに、Ｓｉとの化合物を形成したのちの酸化膜、および酸化窒化膜の絶縁特性が優れていることが知られている。従って、これらの元素あるいはその混合物を用いた場合にも同様な効果が得られる。
【００６０】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図１４は本発明の実施の形態２における半導体装置の断面図である。
【００６１】
本実施の形態２では、密着層５１が、密着層４１、上部電極４、誘電体膜３および下部電極２の上面を覆っているが、下部電極２の側面および密着層２１の側面を覆っていない。それ以外は実施の形態１の場合と同様である。
【００６２】
本実施の形態２の半導体装置を作製する際には、実施の形態１の場合と同様に、回路素子が形成された半導体基板１上に絶縁膜１１を形成した後、下部電極２および上部電極４と誘電体膜３とからなる容量素子を形成するが、本実施の形態２においては、密着層５１の形成工程を変更している。
【００６３】
まず、実施の形態１と同様の方法で、上部電極２および誘電体膜３の加工までの工程を行なう。次に、ウエハ上全体にシリコンを含む金属窒化膜をスパッタリング法で堆積する。ここでは、基板温度２００℃窒素雰囲気中のスパッタリング法によってＴｉＳｉＮ膜を５ｎｍ形成した。これに４００℃酸素雰囲気中での酸化処理を行なって密着層５１を形成する。
【００６４】
これに続いて、フォトリソグラフィーとドライエッチング法を用いて、下部電極２の加工を行なう。以下、絶縁膜６を形成する工程以降を、実施の形態１と同様の方法で行ない、図１４に示す容量素子を有する半導体装置を得る。
【００６５】
図１４のような構成とすることで、容量素子の形成されている平面上であって他の回路部分に密着層５１を必要としない部分があった場合に、密着層５１をあとから除去することが不要となる利点がある。
【００６６】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図１５は本実施の形態３における半導体装置の断面図である。
【００６７】
本実施の形態３では、実施の形態２と同様の形状の密着層５１を形成し、密着層５１を覆うようにシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）５２を形成し、シリコン窒化膜５２上に絶縁膜６３を形成している。また、絶縁膜６３上にシリコン窒化膜５３を形成し、この上に絶縁膜６４を形成している。
【００６８】
コンタクトホール６１は、シリコン窒化膜５３、絶縁膜６３、シリコン窒化膜５２、密着層５１および密着層４１を貫通して上部電極４に達し、コンタクトホール６２は、シリコン窒化膜５３、絶縁膜６３、シリコン窒化膜５２および密着層５１を貫通して下部電極２に達する。
【００６９】
コンタクトホール６１内からシリコン窒化膜５３上にバリアメタルとしての窒化タンタル膜７３を介して金属配線８３を形成し、コンタクトホール６２内からシリコン窒化膜５３上にバリアメタルとしての窒化タンタル膜７４を介して金属配線８４を形成する。それ以外の構成は、実施の形態１および２と同様である。
【００７０】
本実施の形態３においては、金属配線８３，８４の材料として銅（Ｃｕ）を用いている。まず、上部電極４および誘電体膜３の加工までの工程を、実施の形態１と同様の方法で行なう。
【００７１】
次に、ウエハ上全体にシリコンを含む金属窒化膜をスパッタリング法で堆積する。ここでは、基板温度２００℃窒素雰囲気中のスパッタリング法によってＴｉＳｉＮ膜を５ｎｍ形成した。これに４００℃酸素雰囲気中での酸化処理を行なって密着層５１を形成する。これに続いて、フォトリソグラフィーとドライエッチング法を用いて、下部電極２の加工を行なう。
【００７２】
密着層５１上に、プラズマＣＶＤ法でシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）５２を６０ｎｍ堆積する。このＳｉＮ膜５２はダマシン法によるＣｕ配線の形成工程で使われるエッチングストッパーである。この上に絶縁膜６３を形成する。ここでは、絶縁膜６３にプラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ₂膜を用いている。この上面を平坦化するために、化学機械研磨法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing法）を用いて表面を研磨する。
【００７３】
絶縁膜６３の上に、シリコン窒化膜５３をプラズマＣＶＤ法により形成する。なお、このシリコン窒化膜５３は、工程によっては省略することも可能である。シリコン窒化膜５３上に、絶縁膜６４を形成する。ここでは、絶縁膜６４としてフッ素（Ｆ）を添加したシリコン酸化膜（ＦＳＧ）を用いている。
【００７４】
この後、フォトリソグラフィーとドライエッチング法により、コンタクトホールを開孔し、一般に知られているデュアルダマシン法によりＣｕ配線を形成し、図１５の形態の容量素子を有する半導体装置を得る。
【００７５】
なお、図１５において、配線部分のバリアメタル７３および７４としてはスパッタリング法で形成した窒化タンタル（ＴａＮ）が用いられている。また、金属配線８３および８４の材料はメッキ法で形成したＣｕである。
【００７６】
このような形態の容量素子を作成するためには、ＣＭＰ法による平坦化研磨をする必要があり、十分な膜の密着性が必要である。密着層５１を形成しない場合には、１００ミクロン角程度の比較的大きい面積の容量素子を形成した部分で、膜剥がれが発生する場合があった。これに対して、密着層５１を形成した場合には、剥離などの問題を生じることはなかった。
【００７７】
また、密着層５１の上に形成する膜を、スパッタリング法により形成したＳｉＮや、ＳｒＴｉＯ₃、ＴａＯ_x、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃、ＴｉＯ_xなどとすることで、水素バリア膜の役割を持たせることも可能である。この方法によって、形成した容量素子は、水素還元雰囲気での処理工程である、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＮの形成工程や、Ｈ₂アニール処理などの工程を経た後も良好な特性を維持していた。
【００７８】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、下部電極、誘電体膜、上部電極を覆うように密着層を設けているので、第二の絶縁膜が密着層から剥離することを抑制することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００８０】
また、密着層がシリコン（Ｓｉ）を含み、第一および第二の絶縁膜がたとえばシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）等の絶縁膜で構成される場合には、第一および第二の絶縁膜との密着性がより優れ、密着層がより剥離しにくくなる。さらに、密着層に用いられているＳｉは酸化されることにより高い絶縁性を示すので、上部電極と下部電極の間を接続するように密着層を形成したとしても、上部電極と下部電極の間のリーク電流を増加させることがない。
【００８１】
また電極材料として、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒを含む白金族金属を用いた場合には、誘電体膜の絶縁特性が向上し、大きな容量を得ることができる。この場合に、密着層の材料として、シリコンを含む金属酸化膜もしくは金属酸化窒化膜からなり、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれた群からなる少なくとも一種の元素を含む材料を用いることにより、密着層と、下部電極、高・強誘電体膜、上部電極および絶縁膜との良好な密着性が得られる。また、これらの元素は、酸化されることにより高い絶縁性を示すので、密着層が上部電極と下部電極の間を接続するように形成されたとしても、上部電極と下部電極の間のリーク電流を増加させることはない。
【００８２】
また密着層の厚みが５ｎｍより薄い場合には、不連続な膜となる可能性があり、密着層による密着力が低下する。そこで、密着層の厚みを５ｎｍ以上とすることにより、十分な密着強度が得られる。他方、密着層の厚みを２０ｎｍ以下とすることで、密着層を膜厚方向に亘って均一に酸化できるため、十分な絶縁特性を得ることができる。これにより、上部電極と下部電極の間でショートを起こすことを効果的に抑制することができる。
【００８３】
密着層は、後工程で有効となるバリア層としても機能し得るが、このためにはある程度の厚みのある密着層が必要である。厚い絶縁性の密着層を作製するためには、金属膜もしくは金属窒化膜の膜厚を厚く堆積したのち、酸化処理によって形成すればよい。しかし、この方法を用いた場合には、膜厚方向に全体を酸化することが困難となる。そこで、薄い金属膜もしくは金属窒化膜を堆積した後、これを酸化して薄い第一の密着層を形成し、該第一の密着層上にこれよりも厚い第二の密着層を形成することによって、絶縁性の良好な厚い密着層を形成できる。これにより、ホール形状の加工を行なうエッチングの停止に用いる、いわゆるエッチングストッパーや、水素雰囲気中の処理工程での還元作用による特性劣化を防止するために容量素子を守る水素バリア層として、密着層を用いることが可能となる。また、上部電極や下部電極を酸化するような問題も生じない。
【００８４】
誘電体膜が、誘電率２０以上２０００以下の高誘電率膜である場合、必要な容量を得るための容量素子の面積を、誘電率の小さな誘電体膜を用いた場合よりも小さくすることができる。そのため、容量素子のある部分の第一の絶縁膜上と第二の絶縁膜との間の密着性がよくなり、剥離を起しにくくなる。
【００８５】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、第二の絶縁膜が密着層から剥離することを効果的に抑制することができるので、半導体装置の信頼性を向上することができる。また、最初から、酸化性の密着層を直接（酸化雰囲気中で）形成した場合には、上部電極および下部電極などを同時に酸化してしまう可能性があり、容量素子の電気特性が劣化することが懸念される。しかし、本発明の製造方法では、密着層の堆積を酸化雰囲気中で行う必要がないため、密着層の堆積時に上部電極や下部電極を酸化することはなく、その後の酸化処理において密着層の金属部分のみを酸化することができる。そのため、良好な密着性および電気特性が得られる。
【００８６】
また、高温の処理を行なうと、密着層の下の部分にも酸化が及ぶため容量素子の特性が損なわれるなどの問題が生じ得るが、酸化処理の温度を４５０℃以下とすることで、密着層のみの酸化を行なうことができる。したがって、電極材料などを酸化することがなく、容量素子の電気特性が劣化しない。しかし、０℃よりも低温であると、水分の影響を受けて密着層の金属部分を均一に酸化することができない。そこで、酸化処理の温度を０℃以上とすることにより、密着層の金属部分を均一に酸化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の断面図である。
【図２】図１に示す半導体装置の製造工程における第１工程を示す断面図である。
【図３】図１に示す半導体装置の製造工程における第２工程を示す断面図である。
【図４】図１に示す半導体装置の製造工程における第３工程を示す断面図である。
【図５】図１に示す半導体装置の製造工程における第４工程を示す断面図である。
【図６】図１に示す半導体装置の製造工程における第５工程を示す断面図である。
【図７】図１に示す半導体装置の製造工程における第６工程を示す断面図である。
【図８】図１に示す半導体装置の製造工程における第７工程を示す断面図である。
【図９】図１に示す半導体装置の製造工程における第８工程を示す断面図である。
【図１０】図１に示す半導体装置の製造工程における第９工程を示す断面図である。
【図１１】図１に示す半導体装置の製造工程における第１０工程を示す断面図である。
【図１２】図１に示す半導体装置の製造工程における第１１工程を示す断面図である。
【図１３】密着層の有無による半導体装置の電気特性の相違を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における半導体装置の断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態３における半導体装置の断面図である。
【図１６】従来の半導体装置の一例の断面図である。
【図１７】（ａ）〜（ｆ）は、従来の半導体装置の他の例の各製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１半導体基板、２下部電極、３誘電体膜、４上部電極、５，２１，４１，５１密着層、６，１１，６３，６４絶縁膜、７，６１，６２コンタクトホール（接続孔）、８，８１，８２，８３，８４金属配線、９保護膜、１０ＰＳＧ膜、５０金属膜、５２，５３シリコン窒化膜、７０，７１，７２ＴｉＮ膜、７３，７４窒化タンタル膜、８０アルミニウム膜。

Claims

基板上の第一の絶縁膜上に形成された下部電極と、
前記下部電極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、
前記下部電極、誘電体膜および上部電極を覆い、シリコンを含む金属酸化膜もしくはシリコンを含む金属酸化窒化膜からなる密着層と、
前記密着層を覆うように前記基板全面上に形成された第二の絶縁膜と、
前記第二の絶縁膜を貫通し、前記上部電極および下部電極にそれぞれ電気的に導通する第一と第二の配線部と、
を備えた半導体装置。
前記下部電極および上部電極は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒを含む白金族金属からなり、
前記密着層は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれた群からなる少なくとも一種の元素を含む、請求項１に記載の半導体装置。
前記密着層の厚みは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
前記密着層は、相対的に薄い第一の密着層と、相対的に厚い第二の密着層とを含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
前記誘電体膜は、誘電率が２０以上２０００以下の高誘電率膜である、請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
基板上に第一の絶縁膜を介して下部電極、誘電体膜および上部電極を形成する工程と、
前記下部電極、誘電体膜および上部電極を覆うように、シリコンを含む金属膜もしくはシリコンを含む金属窒化膜を堆積する工程と、
前記金属膜もしくは金属窒化膜に酸化処理を施すことにより、シリコンを含む金属酸化膜もしくはシリコンを含む金属酸化窒化膜で構成される密着層を形成する工程と、
前記密着層を覆うように前記基板全面上に第二の絶縁膜を形成する工程と、
前記第二の絶縁膜を貫通し、前記上部電極および下部電極にそれぞれ電気的に導通する配線部を形成する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。
前記酸化処理の温度は、０℃以上４５０℃以下である、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。