JP5040912B2 - 強誘電体素子を有する半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は，強誘電体素子を有する半導体装置に関し，特に，強誘電体膜への水素の侵入を防止するためのブロック膜で挟まれた層間絶縁膜に形成されるコンタクト用のプラグ電極の新規な構造に関する。
強誘電体素子を有する半導体装置の代表例として，強誘電体キャパシタをメモリセルとする強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）がある。この強誘電体メモリは，強誘電体膜の分極作用を利用して２つの状態を記憶する。強誘電体膜を利用した素子，例えば強誘電体キャパシタ，を有する半導体装置では，強誘電体膜の特性劣化を防止することが重要な課題である。
強誘電体膜は，チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），ＬａドープＰＺＴ（ＰＬＺＴ）などのＰＺＴ系材料，Ｂｉ層状構造化合物などで形成され，下部電極上にアモルファス状態の強誘電体膜を形成し，熱処理により結晶化される。
かかる強誘電体膜は酸化物であり，シリコン基板や外部から侵入する水素により還元されるとその特性が劣化することが知られている。そのために，強誘電体膜の上下に水素や水分の侵入を防止するためのブロック層を複数層形成することが提案されている。例えば，特許文献１，２などに示されるとおりである。
特許文献１には，強誘電体キャパシタの下部電極の下に酸化アルミニウムからなるキャップ層１２を設け，上部電極の上に水素をトラップするエンキャップ層１９を形成することが記載されている。また，特許文献２には，強誘電体キャパシタの上部電極の上に酸化アルミニウムからなる水素侵入防止用のバリア膜１７を形成することが記載されている。
さらに，特許文献３には，水素バリア層８０を層間絶縁膜中に形成して，強誘電体キャパシタへの水素の侵入を防止することが記載されている。また，特許文献４にも，強誘電体膜への水素の侵入を防止するハードマスク材からなる絶縁膜７を強誘電体キャパシタの上に形成することが記載されている。
特開２００２−２８９７９３号公報
特開２００４−２２５５３号公報
特開２００１−１５７０３号公報
特開２００３−１９７８７８号公報
しかしながら，強誘電体膜への水素の侵入を防止するための水素ブロック膜を層間絶縁膜に形成すると，逆にその水素ブロック膜の存在により層間絶縁膜内の水分や水素の外部への放出が困難になる。そのため，複数の水素ブロック膜で挟まれた層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し，そこにコンタクト用のプラグ電極を形成する工程において，層間絶縁膜のコンタクトホールの側壁から放出される水分や水素のガスなどに起因して，プラグ電極の形成不良が生じる。
層間絶縁膜から水分や水素を脱ガスするために高温アニールを長時間または高温で行うことが考えられるが，長時間のアニールは製造工程のスループットの劣化を招き，また高温でのアニールは強誘電体キャパシタの特性劣化を招き好ましくない。
そこで，本発明の目的は，層間絶縁膜などに良好に形成できるコンタクトプラグ電極構造を有する半導体装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために，本発明の第１の側面によれば，強誘電体膜を有する半導体装置において，
第１の導電層と，前記第１の導電層の上に形成された層間絶縁膜と，前記層間絶縁膜上に形成された第２の導電層とを有し，
前記層間絶縁膜内に水素または水分の移動を抑制する複数のブロック層が形成され，
当該層間絶縁膜に形成され，前記第１及び第２の導電層間を接続するコンタクトプラグが，チタン膜などの層間絶縁膜との密着性を向上させる密着層と金属窒化膜または金属シリサイド膜などのバリア性を有するバリア層とを含むグルー層と，当該グルー層上に形成されたタングステンプラグ層とを有することを特徴とする。
第１の導電層と，前記第１の導電層の上に形成された層間絶縁膜と，前記層間絶縁膜上に形成された第２の導電層とを有し，
前記層間絶縁膜内に水素または水分の移動を抑制する複数のブロック層が形成され，
当該層間絶縁膜に形成され，前記第１及び第２の導電層間を接続するコンタクトプラグが，チタン膜などの層間絶縁膜との密着性を向上させる密着層と金属窒化膜または金属シリサイド膜などのバリア性を有するバリア層とを含むグルー層と，当該グルー層上に形成されたタングステンプラグ層とを有することを特徴とする。
上記の目的を達成するために，本発明の第２の側面によれば，強誘電体膜を有する半導体装置において，
第１の導電層と，前記第１の導電層の上に形成された層間絶縁膜と，前記層間絶縁膜上に形成された第２の導電層とを有し，
前記層間絶縁膜内及び前記第１の導電層の下にそれぞれ水素または水分の移動を抑制するブロック層が形成され，
当該層間絶縁膜に形成され，前記第１及び第２の導電層間を接続するコンタクトプラグが，チタン膜などの層間絶縁膜との密着性を向上させる密着層と金属窒化膜または金属シリサイド膜などのバリア性を有するバリア層とを含むグルー層と，当該グルー層上に形成されたタングステンプラグ層とを有することを特徴とする。
第１の導電層と，前記第１の導電層の上に形成された層間絶縁膜と，前記層間絶縁膜上に形成された第２の導電層とを有し，
前記層間絶縁膜内及び前記第１の導電層の下にそれぞれ水素または水分の移動を抑制するブロック層が形成され，
当該層間絶縁膜に形成され，前記第１及び第２の導電層間を接続するコンタクトプラグが，チタン膜などの層間絶縁膜との密着性を向上させる密着層と金属窒化膜または金属シリサイド膜などのバリア性を有するバリア層とを含むグルー層と，当該グルー層上に形成されたタングステンプラグ層とを有することを特徴とする。
上記の目的を達成するために，本発明の第３の側面によれば，強誘電体膜を有する半導体装置において，
半導体基板と，前記半導体基板上に形成された絶縁膜と，前記絶縁膜上に形成された導電層とを有し，
前記絶縁膜内に複数の水素または水分の移動を抑制するブロック層が形成され，
当該絶縁膜に形成され，前記半導体基板及び導電層間を接続するコンタクトプラグが，チタン膜などの層間絶縁膜との密着性を向上させる密着層と金属窒化膜または金属シリサイド膜などのバリア性を有するバリア層とを含むグルー層と，当該グルー層上に形成されたタングステンプラグ層とを有することを特徴とする。
半導体基板と，前記半導体基板上に形成された絶縁膜と，前記絶縁膜上に形成された導電層とを有し，
前記絶縁膜内に複数の水素または水分の移動を抑制するブロック層が形成され，
当該絶縁膜に形成され，前記半導体基板及び導電層間を接続するコンタクトプラグが，チタン膜などの層間絶縁膜との密着性を向上させる密着層と金属窒化膜または金属シリサイド膜などのバリア性を有するバリア層とを含むグルー層と，当該グルー層上に形成されたタングステンプラグ層とを有することを特徴とする。
本発明によるグルー層により層間絶縁膜の側壁との密着性が向上し機械的強度が向上する。またグルー層形成後の大気中での放置や水洗処理などによる吸湿やタングステンプラグ形成時の過熱による層間絶縁膜の側壁からの水素ガスの放出が抑制される。これらによりコンタクトプラグの形成不良を抑制することができる。
３０，３１，３４：層間絶縁膜 ２８，３２：ブロック膜
３６：コンタクトホール ３８−１／３８−２：グルー層
ＢＥＬ，ＦＥＲ，ＴＥＬ：強誘電体キャパシタ
３６：コンタクトホール ３８−１／３８−２：グルー層
ＢＥＬ，ＦＥＲ，ＴＥＬ：強誘電体キャパシタ
以下，図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し，本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず，特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
図１は，本実施の形態における半導体装置の一部を示す断面図である。図１（Ａ）は，図示しない半導体基板の上に形成された構造の断面図であり，図１（Ｂ）はその拡大断面図である。強誘電体膜ＦＥＲ，下部電極ＢＥＬ，上部電極ＴＥＬからなる強誘電体キャパシタが形成され，その上に絶縁層２０が形成されている。絶縁層２０にはコンタクト用のタングステンプラグ２２と電極コンタクトＢＥＣ，ＴＥＣが形成され，絶縁層２０の上には所定パターンの第１の導電層２６が形成されている。第１の導電層２６上には，第１の層間絶縁層３０，３１，３４とそれらの間に形成された水素のブロック層３２とが形成され，その上に第２の導電層４０が形成される。同様に，第２の導電層４０上には，第２の層間絶縁層４２，４３，４５とそれらの間に形成された水素のブロック層４４とが形成され，その上に第３の導電層５０が形成される。さらに，絶縁膜５２，５４が形成され，一部が開口されて第３の導電層５０が電極パッドにされる。
上記の如く，外部からの水素や水分が強誘電体膜ＦＥＲに到達して特性劣化を生じないようにするために，層間絶縁膜内にブロック層２８，３２，４４が形成される。このブロック層２８，３２，４４は，例えばアルミナ膜であり，外部から侵入する水素や水分を有効にブロックすることができる。
従来，層間絶縁膜に形成されたコンタクトホール内にタングステンなどからなるコンタクトプラグ３８，４８を形成する場合，コンタクトホール内にスパッタリング法で金属の下地層を形成し，それを種にしてＣＶＤ法などによりタングステンを成長させる。しかし，このタングステンが良好に成長することができず，コンタクトホール内に空洞が形成されることが見いだされた。
この理由は必ずしも定かではないが，次のように考えられる。すなわち，ブロック層２８，３２，４４は，外部からの水素や水分を有効にブロックするが，それと同時に，層間絶縁膜内に存在する水素や水分の外部への放出もブロックしてしまう。そして，層間絶縁膜にコンタクトホールを形成した後に不活性ガスによるアニール処理を行って層間絶縁膜から脱水を行ったとしても，ブロック層を形成したことにより，コンタクトホールを介しての脱水となるため脱水効果が不十分になってしまう。そのため，ＣＶＤ法によりタングステンを成長させるときに，加熱によりコンタクトホールの内壁から水分または水素が脱ガスされ，それがタングステンの成長不良を招いていることが考えられる。または，下地層としてコンタクトホールに形成されるＴｉＮ層が，上記のＣＶＤ工程で内壁からの脱ガスにより破れたり剥がれたりして，タングステンの成長を妨げていることが考えられる。
図１（Ｂ）のコンタクトプラグ３８の部分の拡大断面図に示したとおり，層間絶縁膜３０，３１がブロック層２８，３２で挟まれているために，矢印のように水分または水素のガスがコンタクトホールの内壁から放出されようとし，タングステンを良好に成長させることが困難になっている。そのため，コンタクトプラグが良好に形成されず一部欠損することにより，導電層間のコンタクト不良を招く。形成不良の具体例では，コンタクトホール内に空間が形成されて，コンタクトホール内にタングステンが不完全に埋め込まれている。
上記のコンタクト不良は，第２の導電層４０と第３の導電層５０との間のコンタクトプラグ４８においても同様に生じる。この場合，第２，第３の導電層４０，５０の間の層間絶縁膜４２，４３，４５には，１層のブロック層４４しか設けられていないが，第２の導電層４０の下にブロック層３２が形成されている。このブロック層３２，４４により挟まれた層間絶縁膜４２，４３は，上記と同様の理由により水素や水分の脱ガスが不十分となっており，コンタクトプラグ４８形成のためのタングステンの成長が困難になる。
そこで，本実施の形態では，このように複数のブロック層で挟まれた層間絶縁層にコンタクトホールを形成し，そこにコンタクトプラグの金属を成長させるに際して，コンタクトホール内に，チタン層と金属窒化膜または金属シリサイド膜とを有するグルー層を下地層としてスパッタリング法などで形成し，その上にＣＶＤ法によりタングステンを成長する。
図２は，第１の実施の形態におけるコンタクトプラグの形成工程を示す断面図である。これは，第１の導電層２６と第２の導電層４０（図１参照）との間のコンタクトプラグの形成例である。図１（Ａ）で説明したとおり，下部電極ＢＥＬと上部電極ＴＥＬとに挟まれた強誘電体膜ＦＥＲにより強誘電体キャパシタが形成され，シリケートガラスからなる絶縁膜２０が形成されている。そして，絶縁膜２０上に第１の導電層（アルミニウムと銅）２６と第１のブロック層（アルミナ）２８とが形成され，さらに，第１の層間絶縁膜（シリケートガラス）３０，３１，３４が形成され，それらの間に第２のブロック層（アルミナ）３２が挟まれて形成されている。
この第１の層間絶縁膜３０，３１は，２つのブロック層２８，３２により挟まれた構造になる。そして，第１の層間絶縁膜３０，３１，３４にコンタクトホール３６が形成され，グルー層の１層目としてチタンなどの密着性を向上させる密着層３８−１がスパッタリング法で形成され，コンタクトホール３６の底と内壁とが被覆される。これが図２（Ａ）の状態である。密着層３８−１は，１０〜５０ｎｍ程度の膜厚である。密着層３８−１はその上層に形成されるＴｉＮなどのバリア性を有するバリア層のストレスを緩和する作用があり，シリケートガラスなどのシリコン酸化膜からなる第１の層間絶縁膜に対して密着性を向上させることができる。従って密着層３８−１はＴｉに限定されずその他のストレス緩和作用のある導電性材料も適用可能である。Ｔｉ以外の例としてアルミ(Ａｌ)、ニッケル(Ｎｉ)、鉄(Ｆｅ)、銅(Ｃｕ)、銀(Ａｇ)、ルビジウム(Ｒｂ)、インジウム(Ｉｎ)、スズ(Ｓｎ)、鉛(Ｐｂ)、Ｐｔ(白金)、金(Ａｕ)などの柔軟性を有する金属が挙げられる。そして，図２（Ｂ）に示すとおり，グルー層としてさらに金属窒化膜を含むバリア層３８−２をスパッタリング法で形成する。金属窒化膜３８−２は，例えばＴｉＮ膜，ＴｉＡｌＮ膜，またはＴｉＮ／ＴｉＡｌＮの二層膜である。この金属窒化膜３８−２は，５０〜１００ｎｍ程度の膜厚である。
チタン膜３８−１は，前述のとおり第１の層間絶縁膜３０，３１，３４を構成するシリコン酸化膜に対して密着性が高い。そして，チタン膜３８−１とＴｉＮ膜３８−２の積層構造にすることで機械的強度とバリア性が向上する。さらに，チタン膜３８−１にＴｉＡｌＮ膜３８−２，または，チタン膜３８−１にＴｉＮ膜／ＴｉＡｌＮ膜の２層構造膜３８−２を形成することで，水分または水素のブロック層としての機能も持たせることができる。ＴｉＡｌＮ膜は，ＴｉＮ膜に比較すると耐湿性が高くグルー層形成後の大気中での放置やタングステンプラグ形成前の水洗処理などによるコンタクトホール３６の内壁からの水分の侵入及びタングステンプラグ形成時の加熱によるコンタクトホール内壁からの脱ガスを抑制することができる。
そして，金属窒化膜３８−２上にＣＶＤ法によりタングステンが成長され，コンタクトホールがタングステンで埋められ，その後ＣＭＰ法により表面が平坦化され，コンタクトホール３６内にコンタクトプラグが形成される。
上記のグルー層３８−２／３８−１の例は，次の通りである。
ＴｉＮ（５０〜１００ｎｍ）／Ｔｉ（１０〜５０ｎｍ）
ＴｉＡｌＮ（５０〜１００ｎｍ）／Ｔｉ（１０〜５０ｎｍ）
ＴｉＡｌＮ（５０〜１００ｎｍ）／ＴｉＮ（１０〜５０ｎｍ）／Ｔｉ（１０〜５０ｎｍ）
グルー層の金属窒化膜３８−２は，上記以外にＴｉＳｉＮ膜，ＴａＮ膜，ＣｒＮ膜，ＨｆＮ膜，ＺｒＮ膜，ＴｉＡｌＮ膜，ＴａＡｌＮ膜，ＣｒＡｌＮ膜，ＨｆＡｌＮ膜のいずれかの単層膜あるいは積層膜でも良い。
ＴｉＮ（５０〜１００ｎｍ）／Ｔｉ（１０〜５０ｎｍ）
ＴｉＡｌＮ（５０〜１００ｎｍ）／Ｔｉ（１０〜５０ｎｍ）
ＴｉＡｌＮ（５０〜１００ｎｍ）／ＴｉＮ（１０〜５０ｎｍ）／Ｔｉ（１０〜５０ｎｍ）
グルー層の金属窒化膜３８−２は，上記以外にＴｉＳｉＮ膜，ＴａＮ膜，ＣｒＮ膜，ＨｆＮ膜，ＺｒＮ膜，ＴｉＡｌＮ膜，ＴａＡｌＮ膜，ＣｒＡｌＮ膜，ＨｆＡｌＮ膜のいずれかの単層膜あるいは積層膜でも良い。
また，グルー層はチタン膜３８−１とＴｉシリサイド、Ｃｏシリサイド、Ｍｏシリサイド、Ｎｂシリサイド、Ｔａシリサイド、Ｗシリサイド、Ｖシリサイド、Ｎｉシリサイドなどの金属シリサイド膜でもよい。このようにチタン膜と金属シリサイド膜からなるグルー層でも，層間絶縁膜との密着性は高く，機械的強度、更に水分ブロック性、脱ガスブロック性も強化されるので，従来の脱ガスによるタングステンの成長不良が抑制される。ここでバリア層３８−２は金属窒化膜と金属シリサイド膜との積層構造も可能である。この場合グルー層は少なくとも３層以上の構造となる。
上記グルー層では層間絶縁膜との密着性を増強させるためにバリア膜の下層にバリア膜のストレスを緩和させる作用を有するＴｉ膜を成長させているが，前述したようにその他のストレスを緩和する作用のある導電性材料も適用可能である。またバリア膜として金属窒化膜や金属シリサイド膜を例として挙げたがその他のバリア性を有する導電性材料も適用可能である。つまりグルー層の構造としてはＴｉと金属窒化膜あるいは金属シリサイド膜の組み合わせ以外でも機械的強度に加えて耐湿性や脱ガスブロック性が向上する材料の組み合わせが可能である。
図３は，第２の実施の形態におけるコンタクトプラグの形成工程を示す断面図である。これは，第２の導電層４０と第３の導電層５０（図１参照）との間のコンタクトプラグの形成例である。図１（Ａ）で説明したとおり，第１の導電層（アルミニウムと銅）２６上には，第１の層間絶縁層（シリケートガラス）３０，３１，３４とそれらの間に形成されたブロック層（アルミナ）３２とが形成され，その上に第２の導電層（アルミニウムと銅）４０が形成される。同様に，第２の導電層４０上には，第２の層間絶縁層（シリケートガラス）４２，４３，４５と，それらの間に形成されたブロック層（アルミナ）４４とが形成され，その上に第３の導電層（アルミニウムと銅）５０（図１参照）が形成される。
図３に示されるとおり，第２の層間絶縁膜４２，４３は，２つのブロック層３２，４４により挟まれた構造になる。つまり，第２の層間絶縁膜に設けられたブロック層４４と，第２の導電層４０の下に形成されたブロック層３２により，第２の層間絶縁膜４２，４３が挟まれた構造になる。そして，第２の層間絶縁層にコンタクトホール４６が形成され，所定時間の不活性ガス雰囲気中によるアニールが行われ，コンタクトホール内にコンタクトプラグが形成される。
図３（Ａ）に示されるとおり，グルー層としてコンタクトホール４６内にチタン膜４８−１が形成され，コンタクトホール４６の底面と内壁が被覆される。さらに，図３（Ｂ）に示されるとおり，チタン膜４８−１の上に金属窒化膜４８−２が形成される。または，チタン膜４８−１の上に金属シリサイド膜４８−２が形成される。このグルー層の材料，膜厚の例は，上記の第１の実施の形態と同じである。そして，グルー層４８−２／４８−１の上にタングステンがＣＶＤ法により形成されてコンタクトホールがタングステンにより埋め込まれ，ＣＭＰ法により表面が平坦化される。
コンタクトプラグの下地層であるグルー層をチタン膜と金属窒化膜または金属シリサイド膜との２層構造にすることで，酸化シリコンからなる第２の層間絶縁膜４２，４３との密着性が高くなり，且つ機械的強度が向上する。またＴｉＡｌＮや金属シリサイド膜などを使用することでグルー層形成後の大気中での放置や水洗処理などによるコンタクトホール内壁からの吸湿やタングステン形成時の脱ガスも同時に抑制される。よって，コンタクトホール４６の内壁からの脱ガスによるタングステン成長の不良を回避することができる。
上記の第１，第２の実施の形態において，ブロック膜は，少なくともアルミナ膜，チタン酸化膜を含む金属酸化膜であり，２０〜１５０nmの膜厚を有する。または，ブロック膜は，少なくともSiON，SiNを含むシリコン窒化膜，ボロン窒化膜などの窒化物膜，SiCを含む炭化物膜，またはポリイミドを含む樹脂膜であり，５０〜３００nmの膜厚を有する。
［具体的な製造プロセス例］
［プレーナタイプの強誘電体メモリ］
図４〜図１１は，本実施の形態における半導体装置の製造プロセスを示す断面図である。この例は，強誘電体キャパシタを利用した強誘電体メモリで，セルトランジスタと強誘電体キャパシタとが平面状に配置されたプレーナータイプのメモリである。図４〜図１１の製造工程（Ａ）〜（Ｋ）の順に説明する。
［プレーナタイプの強誘電体メモリ］
図４〜図１１は，本実施の形態における半導体装置の製造プロセスを示す断面図である。この例は，強誘電体キャパシタを利用した強誘電体メモリで，セルトランジスタと強誘電体キャパシタとが平面状に配置されたプレーナータイプのメモリである。図４〜図１１の製造工程（Ａ）〜（Ｋ）の順に説明する。
図４の工程（Ａ）に示されるとおり，シリコン半導体基板１０内にP型ウエル領域，N型ソース，ドレイン領域が形成され，基板上にゲート絶縁膜，ゲート電極が形成されて，トランジスタＴＲが形成されている。トランジスタＴＲとフィールド酸化膜１２の上にＳｉＯＮ膜１４，ノンドープシリケートグラスからなる絶縁膜１５，１６，ブロック層１８が形成されている。ブロック層１８は，基板側からの水分または水素をブロックするためのアルミナ膜である。そして，ブロック層１８の上に下部電極ＢＥＬと強誘電体膜ＦＥＲと上部電極ＴＥＬとが形成され，それらを被覆するために全面に別のブロック膜（アルミナ）１９が形成される。これにより強誘電体キャパシタはブロック膜１８，１９により挟まれることになるが，図４（Ａ）にはブロック膜１９は示されていない。
さらに，ノンドープシリケートグラスからなる絶縁膜２０が形成され，表面がＣＭＰ法により平坦化される。そして，フォトレジスト膜によるリソグラフィ工程により，基板１０のソース，ドレイン領域に達するコンタクトホールが形成され，ＣＶＤ法などの公知の方法でタングステンからなるコンタクトプラグ２２が形成される。その後，上部電極ＴＥＬと下部電極ＢＥＬに達するコンタクトホール２４が形成される。そして，熱処理によるアニール工程が行われる。ここまでの工程が終了した状態が，図４の工程（Ａ）に示されている。
図４の工程（Ｂ）に示されるとおり，スパッタリング法によりＴｉＮ，Ａｌ−Ｃｕ，Ｔｉ，ＴｉＮの積層膜２６を形成し，第１の導電層２６が形成される。このとき，強誘電体キャパシタへのコンタクトホール２４，２３内に積層膜２６が埋められる。その結果，トランジスタＴＲのソース，ドレイン領域と強誘電体キャパシタの上部電極ＴＥＬとが接続される。
図５の工程（Ｃ）に示されるとおり，第１の導電層２６がリソグラフィ法によりパターニングされ，絶縁膜２０と第１の導電層２６との上にスパッタリング法によりアルミナ膜からなるブロック層２８が例えば２０ｎｍ形成される。
図５の工程（Ｄ）に示されるとおり，アルミナ膜のブロック層２８上に，第１の層間絶縁膜として，テトラエトキシオルソシリケート（ＴＥＯＳ）をソースガスとするプラズマＣＶＤ法によりノンドープのシリケートグラス膜（酸化シリコン）３０を例えば２６００ｎｍ程度形成する。さらに，その表面平坦化してから，同じシリケートグラス膜３１を形成する。そして，その上に，アルミナ膜からなるブロック層３２を５０ｎｍ程度形成し，更にシリケートグラス膜３４を上記と同じ方法で１００ｎｍ程度形成する。この結果，シリケートグラス膜３０，３１，３４からなる第１の層間絶縁膜内にブロック層３２が挟まれた構造になる。
図６の工程（Ｅ）では，第１の層間絶縁膜３０，３１，３４及びブロック層３２に第１の導電層２６に達するコンタクトホール３６が形成される。図中，破線ブロック１００の部分が，図２（Ａ）と一致する。すなわち，第１の層間絶縁膜３０，３１が，２つのブロック層２８，３２により挟まれている。この状態でコンタクトホール３６内にタングステンのコンタクトプラグを形成すると，第１の層間絶縁膜３０，３１からの水分または水素などの脱ガスとみられる原因により，コンタクトプラグを良好に形成することができず，コンタクト不良の原因になる。
そこで，図６の工程（Ｆ）では，グルー層として，スパッタリング法によりチタン膜（１０〜５０ｎｍ），チタンナイトライド膜（ＴｉＮ，５０〜１００ｎｍ）を順に形成し，さらにＣＶＤ法によりタングステン膜（５００〜７００ｎｍ）を形成し，タングステン膜を全面エッチングしてコンタクトホール３６内に３層構造のコンタクトプラグ３８を形成する。このとき，チタン膜の密着性向上と，チタン膜とＴｉＮ膜の積層構造による強度向上とにより，第１の層間絶縁膜３０，３１の側壁が露出されていても，そこにタングステンプラグを良好に形成することができる。このグルー層は，前述した別の組合せであっても良い。
次に，図７の工程（Ｇ）では，スパッタリング法によりＡｌ−Ｃｕ（約５５０ｎｍ）膜，Ｔｉ膜，ＴｉＮ膜の積層構造を有する第２の導電層４０が形成される。
そして，図８の工程（Ｈ）で，第２の層間絶縁膜４２，４３，４５とその間のブロック層４４とを形成する。ブロック膜４４を有する第２の層間絶縁膜の材料と膜厚は，第１の層間絶縁膜と同等である。
その後，図９の工程（Ｉ）に示すとおり，第２の層間絶縁膜４２，４３，４５及びブロック層４４に第２の導電層４０に達するコンタクトホール４６をエッチングにより形成する。この状態で，図中破線ブロック２００は，図３（Ａ）と同じ構造である。つまり，ノンドープのシリケートグラス膜からなる第２の層間絶縁膜４２，４３は，第２の導電層４０の下に形成されているブロック層３２と第２の層間絶縁膜内に形成されているブロック層４３とで挟まれている。したがって，矢印で示すようにコンタクトホール４６の側壁でのシリケートグラス膜（酸化シリコン膜）からの脱ガスなどの原因で，コンタクトホール４６内にタングステンなどの金属材料を良好に形成することができない。
そして，図１０の工程（Ｊ）で，グルー層としてスパッタリング法によりチタン膜（１０〜５０ｎｍ），チタンナイトライド膜（ＴｉＮ，５０〜１００ｎｍ）を順に形成し，さらにＣＶＤ法によりタングステン膜（５００〜７００ｎｍ）を形成し，タングステン膜を全面エッチングしてコンタクトホール４６内に３層構造のコンタクトプラグ４８を形成する。この場合も，チタン膜とＴｉＮ膜のグルー層を形成したことにより，コンタクトホール内でのＣＶＤ法によるタングステンの成長を良好に行うことができる。そして，タングステン膜が全面エッチングされて，コンタクトホール内にコンタクトプラグ４８が形成される。
さらに，図１１の工程（Ｋ）に示されるとおり，スパッタリング法によりＡｌ−Ｃｕ（約５５０ｎｍ）膜，Ｔｉ膜，ＴｉＮ膜の積層構造を有する第３の導電層５０が形成される。つまり，第２の導電層４０と第３の導電層５０とがコンタクトプラグ４８により接続される。その後は，図示しないカバー絶縁膜が全面に形成され，第３の導電層５０の一部がコンタクトパッドとして露出される。
［スタックタイプの強誘電体メモリ］
図１２は，スタックタイプの強誘電体メモリに本実施の形態を適用した例を示す断面図である。図１２の工程（Ａ）では，シリコン半導体基板１０にＳＴＩ法による素子分離絶縁膜１２が形成され，Ｐ型ウエル領域が形成され，Ｎチャネルトランジスタが形成される。トランジスタ構造についての説明は省略する。
図１２は，スタックタイプの強誘電体メモリに本実施の形態を適用した例を示す断面図である。図１２の工程（Ａ）では，シリコン半導体基板１０にＳＴＩ法による素子分離絶縁膜１２が形成され，Ｐ型ウエル領域が形成され，Ｎチャネルトランジスタが形成される。トランジスタ構造についての説明は省略する。
基板１０の表面には，ＣＶＤ法によるＳｉＮＯ膜１４とＳｉＯ2膜１５とが形成される。ＳｉＮＯ膜１４は，基板１０からの水分をブロックするための膜である。そして，これらの膜１４，１５にコンタクトホールが形成され，スパッタリング法によるグルー層とＣＶＤ法によるタングステンとからなるコンタクトプラグ９０，９２が形成される。グルー層は，前述と同様にチタン膜（３０ｎｍ）とチタン窒化膜（５０ｎｍ）の積層構造が好ましい。または，チタン膜と金属シリサイド膜の積層構造が好ましい。
表面が平坦化された後，下部電極ＢＥＬと強誘電体膜ＦＥＲと上部電極ＴＥＬとが形成されパターニングされて，強誘電体キャパシタがコンタクトプラグ９２に上に形成される。これで，トランジスタの上に強誘電体キャパシタが形成されたスタック構造になる。
そして，強誘電体キャパシタの上面と側面，及び層間絶縁膜１５の上に，例えばＴＭＡとＯ３とを原料に用いた原子層堆積法（ＡＬＤ法）により，アルミナ膜（２０ｎｍ）５２を形成する。これが水素または水分のブロック層になる。さらに，その上に，ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法によりノンドープシリケートガラス膜５４を形成し，ＣＭＰ法による研磨で表面を平坦化し，シリケートガラス膜５４の膜厚を３００ｎｍ程度にする。
次に，図１２の工程（Ｂ）に示すとおり，ＡＬＤ法によりシリケートガラス膜５４の上にアルミナ膜（２０ｎｍ）５６を形成する。このアルミナ膜も水素または水分のブロック層になる。そして，図１２の工程（Ｃ）に示すとおり，ノンドープシリケートガラス膜５８をＴＥＯＳによるＣＶＤ法で形成する。その結果，アルミナ膜５２，５６とシリケートガラス膜５４，５８からなる層間絶縁膜６０が形成される。
図１３の工程（Ｄ）に示されるように，層間絶縁膜６０にコンタクトホール６２が形成され，コンタクトホール内にグルー層６４とタングステン６６とからなるコンタクトプラグ電極６８が形成され，表面がＣＭＰ法により平坦化される。グルー層６４の構造と成長方法は，前述と同じである。同様にタングステン６６の成長方法も前述と同じである。コンタクトホール６２が形成される層間絶縁膜６０は，シリコン酸化膜であるシリケートガラス５４がアルミナ膜からなるブロック膜５２，５６により挟まれているので，コンタクトホール６２の側壁のシリケートガラスからの脱ガスがコンタクトプラグの形成不良を招くおそれがある。しかし，本実施の形態では，チタン膜とチタン窒化膜または金属シリサイド膜との２層構造のグルー層をスパッタリング法で形成するので，その後のＣＶＤ法によるタングステン成長時の成長不良を回避することができる。
そして，図１３の工程（Ｅ）に示されるとおり，誘電体キャパシタの上部電極ＴＥＬに達するコンタクトホール７０を形成し，導電層８２を形成しパターニングする。導電層８２は，例えば，ＴｉＮなどのバリア層７２，Ａｌ−Ｃｕ層７４，バリア層７６の３層構造である。
以上の通り，スタックタイプの場合でも，ブロック膜で挟まれた層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し，そこにコンタクトプラグを形成する場合に，前述のチタン膜とＴｉＮ膜のグルー層をスパッタリング法で形成し，その後ＣＶＤ法でタングステン膜を形成することで，良好にタングステン膜を形成することができる。
以上の実施の形態では，導電層間の層間絶縁膜がブロック膜で挟まれており，その層間絶縁膜にコンタクトプラグを形成する場合を例にして，コンタクトプラグの新規な構造を説明した。しかしながら，半導体基板の不純物領域と導電層間の絶縁膜内に複数のブロック膜で挟まれた構造の場合も，同様の理由でコンタクトプラグを良好に形成することができない。したがって，そのような場合も，本実施の形態の新規なグルー層を有するコンタクトプラグを適用することができる。つまり，図４の工程（Ａ）に示した絶縁膜１５，１６内に図示しないブロック膜が形成されているとすると，それとブロック膜１８とで絶縁膜が挟まれることになり，コンタクホール内にコンタクトプラグの金属層を良好に形成することができなくなる。そこで，このコンタクトプラグ２２においても，前述のチタン膜とＴｉＮ膜のグルー層をスパッタリング法で形成し，その後ＣＶＤ法でタングステン膜を形成することで，良好にタングステン膜を形成することができる。
Claims (10)
- 強誘電体膜を有する半導体装置において，
第１の導電層と，前記第１の導電層の上に形成された層間絶縁膜と，前記層間絶縁膜上に形成された第２の導電層とを有し，
前記層間絶縁膜内に水素または水分の移動を抑制する複数のブロック層が形成され，
当該層間絶縁膜及び当該複数のブロック層に形成され，前記第１及び第２の導電層間を接続するコンタクトプラグが，当該層間絶縁膜との密着性を向上させる密着層とバリア性を有するバリア層とを含むグルー層と，当該グルー層上に形成されたタングステンプラグ層とを有することを特徴とする半導体装置。 - 強誘電体膜を有する半導体装置において，
第１の導電層と，前記第１の導電層の上に形成された層間絶縁膜と，前記層間絶縁膜上に形成された第２の導電層とを有し，
前記層間絶縁膜内及び前記第１の導電層の下にそれぞれ水素または水分の移動を抑制するブロック層が形成され，
当該層間絶縁膜及び当該複数のブロック層に形成され，前記第１及び第２の導電層間を接続するコンタクトプラグが，当該層間絶縁膜との密着性を向上させる密着層とバリア性を有するバリア層とを含むグルー層と，当該グルー層上に形成されたタングステンプラグ層とを有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項１または２において，
前記第１の導電層が，配線層または前記強誘電体膜による強誘電体キャパシタの電極層であることを特徴とする半導体装置。 - 強誘電体膜を有する半導体装置において，
半導体基板と，前記半導体基板上に形成された絶縁膜と，前記絶縁膜上に形成された導電層とを有し，
前記絶縁膜内に複数の水素または水分の移動を抑制するブロック層が形成され，
当該絶縁膜及び当該複数のブロック層に形成され，前記半導体基板及び導電層間を接続するコンタクトプラグが，当該絶縁膜との密着性を向上させる密着層とバリア性を有するバリア層とを含むグルー層と，当該グルー層上に形成されたタングステンプラグ層とを有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項１，２または４において，
前記密着層は，チタン(Ｔｉ),アルミ(Ａｌ),ニッケル(Ｎｉ),鉄(Ｆｅ),銅(Ｃｕ),銀(Ａｇ),ルビジウム(Ｒｂ),インジウム(Ｉｎ),スズ(Ｓｎ),鉛(Ｐｂ),Ｐｔ(白金),金(Ａｕ)などから選択される１層あるいは２層以上の層であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１，２，または４において、
前記バリア層は水素または水分の移動を抑制する金属窒化膜であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１，２または４において，
前記バリア層は水素または水分の移動を抑制する金属シリサイド膜であることを特徴とする半導体装置。 - 強誘電体膜を有する半導体装置の製造方法において，
第１の導電層上に，内部に水素または水分の移動を抑制する複数のブロック層を有する層間絶縁膜を形成する工程と，
前記層間絶縁膜及び前記複数のブロック層に内に前記第１の導電層に達する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内に，前記層間絶縁膜との密着性を向上させる密着層とバリア性を有するバリア層とを含むグルー層を形成する工程と，
前記コンタクトホール内の前記グルー層上にタングステンプラグ層を形成する工程と，
前記タングステンプラグ層上に第２の導電層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 強誘電体膜を有する半導体装置の製造方法において，
水素または水分の移動を抑制する第１のブロック層上に形成された第１の導電層の上に，内部に第２のブロック層を有する層間絶縁膜を形成する工程と，
前記層間絶縁膜及び前記複数のブロック層に内に前記第１の導電層に達する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内に，前記層間絶縁膜との密着性を向上させる密着層とバリア性を有するバリア層とを含むグルー層を形成する工程と，
前記コンタクトホール内の前記グルー層上にタングステンプラグ層を形成する工程と，
前記タングステンプラグ層上に第２の導電層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 強誘電体膜を有する半導体装置において，
半導体基板上に，内部に水素または水分の移動を抑制する複数のブロック層を有する層間絶縁膜を形成する工程と，
前記層間絶縁膜及び前記複数のブロック層に内に前記半導体基板に達する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内に，前記層間絶縁膜との密着性を向上させる密着層とバリア性を有するバリア層とを含むグルー層を形成する工程と，
前記コンタクトホール内の前記グルー層上にタングステンプラグ層を形成する工程と，
前記タングステンプラグ層上に導電層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2006/306625 WO2007116433A1 (ja) | 2006-03-30 | 2006-03-30 | 強誘電体素子を有する半導体装置 |
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