JPWO2005031869A1 - 半導体装置，半導体装置の製造方法，半導体製造装置及びコンピュータ記録媒体 - Google Patents
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Abstract
本発明は，膜厚を増大させることなく，キャパシタ容量の低下を抑制することを目的としている。キャパシタを有する半導体装置において，キャパシタは，下部電極とも上部電極と，下部電極と上部電極とに挟まれた絶縁膜とを備えている。下部電極の絶縁層側の表面は窒化されている。下部電極がポリシリコンの場合，表面が窒化されることにより，後工程での熱処理時の耐酸化性が向上する。特に，ＤＲＡＭにおいては，キャパシタの容量が大きくなるため，その効果が大きい。またキャパシタ内部のリーク電流も減る。
Description
本発明は，プラズマ処理を用いて形成されるキャパシタを有する半導体装置と，その製造方法，及びそのキャパシタを形成する際に用いるプラズマ処理が実行可能な半導体製造装置，さらにはコンピュータ記録媒体に関する。
半導体装置としてのＤＲＡＭは，そのメモリセル内にＭＯＳトランジスタと記憶用の電荷を蓄積するキャパシタとを有する構造である。近年，半導体装置の微細化に伴い，半導体装置内のトランジスタやキャパシタのサイズの縮小化が要求されている。ところで，キャパシタの容量はその面積に比例し，厚みに反比例するため，厚みを薄くするには自ずと限界がある。
キャパシタの構造としては，ＭＩＭ（Metal Insulator Metal）構造やＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）構造が多く採用される。ＭＩＳ構造の半導体層（下部電極）には，例えば，ポリシリコンが用いられる。
上記のようなキャパシタ構造では，ポリシリコン等の下部電極，容量膜形成後に，熱処理をする工程がある。ポリシリコン電極は熱処理により表面が酸化し，ＳｉＯ２層となってしまう。その結果，キャパシタを構成する絶縁膜の見かけの誘電率が減少し容量が減ってしまう。
一方，ロジックデバイスの周辺回路に前記の下部のポリシリコン材料による電極の代わりに窒化チタン（ＴｉＮ）を使用することがある。キャパシタの下部電極としての窒化チタンは，熱処理されるとポリシリコンの場合と同様にその表面が酸化してしまう。その結果，ＴｉＯが形成され，導電抵抗が増大してしまう。あるいはキャパシタを構成する見かけの絶縁膜の厚みが増して容量が減るという問題が生じた。
日本国特許公開公報２００１−２７４１４８号には，シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜をプラズマ処理で形成する方法が開示されている。
本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり，膜厚を増大させることなく，キャパシタ容量の低下を抑制できる半導体装置，その製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。また，キャパシタにおけるリーク電流の抑制も目的としている。
上記目的を達成するために，本発明の第１の態様は，キャパシタを有する半導体装置であって，前記キャパシタが，下部電極と，上部電極と，前記下部電極と前記上部電極とに挟まれた絶縁膜とを備え，前記下部電極の絶縁層側の表面が窒化されている。
また，本発明の第２の態様は，半導体装置の製造方法において，キャパシタ用の下部電極を半導体基板上に成形する工程と，前記下部電極の表面を窒化する工程と，前記下部電極上に絶縁膜を形成する工程と，前記絶縁膜上に上部電極を形成する工程とを有する。
更に，本発明の第３の態様は，上部電極，下部電極，及びこれらの電極の間に形成された絶縁膜とを有するキャパシタの製造工程で使用される装置において，処理すべき半導体基板を収容する処理容器と，前記処理容器内に処理に応じたガスを供給するガス供給手段と，前記処理容器内にプラズマを励起すべくマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段とを備える。そして，前記下部電極の表面に窒化膜を形成すべく，前記下部電極が形成された前記半導体基板を前記処理容器にロードした後，前記ガス供給手段は窒素ガスを当該処理容器に供給する。
本発明の各態様において，下部電極がポリシリコンの場合，表面が窒化されることにより，後工程での熱処理時の耐酸化性が向上する。一般に，ＤＲＡＭにおいては，キャパシタの容量が大きくなるため，本発明をＤＲＡＭのキャパシタに適用した場合の効果は更に顕著になる。
また，下部電極として窒化チタンを用いた場合には，当該窒化チタンの表面を更に窒化して窒素リッチな層を形成する。これにより，ポリシリコンの下部電極の場合と同様に，後工程での熱処理時の耐酸化性が向上する。
キャパシタ用の下部電極を半導体基板上に成形する工程と，前記下部電極の表面を窒化する工程と，前記下部電極上に絶縁膜を形成する工程と，前記絶縁膜上に上部電極を形成する工程とは，例えば半導体製造装置において行われる。そしてこれらの各工程は，コンピュータ記録媒体が有するソフトウエアに基づいてコンピュータが半導体製造装置を制御することによって実行される。
本発明においては，キャパシタの下部電極表面に対して窒化処理をすることにより，耐酸化性が向上するのみならず，キャパシタ内部のリーク電流も減る。その結果，見かけの誘電率の低下が抑制され，絶縁膜の膜厚も厚く形成することが可能となる。
１０ キャパシタ
１１ シリコン基板
１２ 下部電極
１４ 絶縁膜
１６ 上部電極
１８ 窒化層
２０ プラズマ処理装置
２１ プラズマ処理容器
２１Ａ，２１Ｂ 排気ポート
２２ 基板保持台
２８ 導波管
２７ ガス供給口
Ｗ シリコンウエハ
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以下，本発明について，ＤＲＡＭにおけるキャパシタの製造を例にとって説明する。ＤＲＡＭを構成する複数のメモリセルの各々は，１個のＭＯＳトランジスタと１個のキャパシタと素子分離領域とを含む構造を採る。ＭＯＳトランジスタは，例えば，Ｐ型シリコン基板にＮ型にドープされたソース電極とドレイン電極，ゲート絶縁膜およびゲート電極とからなる。ドレイン電極は，ビット線に接続される。ゲート電極は，ワード線に接続される。ゲート電極部の周囲には保護酸化膜が形成される。
図１の（Ａ）は，本発明の第１実施例に係るキャパシタ１０の構造を示す。キャパシタ１０は，シリコン基板１１上に形成された層間絶縁膜１７と，層間絶縁膜１７上に形成された下部電極１２と，下部電極１２の上に形成された絶縁膜１４と，絶縁膜１４上に形成された上部電極層１６とを含む。上部電極層１６はＴｉＮ等のメタル層であり，下部電極１２はポリシリコンからなる。下部電極１２は，絶縁膜１４に接する面側に窒化層１８を有する。キャパシタ１０には，ＭＯＳトランジスタのソース部１５とポリシリコン１９により電気的に接続される。
次に，キャパシタ１０を形成するプロセスについて図２に基づいて説明する。まず，層間絶縁膜１７にエッチングによりコンタクトホールを開口し，ＣＶＤ法等によりポリシリコンを堆積させ下部電極１２を形成する（ステップＳ１）。その後，下部電極１２の表面にプラズマ窒化処理により窒化層１８（ポリシリコン窒化膜）を形成する（ステップＳ２）。その後窒化膜１８上に絶縁膜１４を成膜する（ステップＳ３）。そしてさらに上部電極層１６を成膜する（ステップＳ４）その後，例えば表面積を大きくするため凹凸形状とするための必要なエッチングを施し，キャパシタ１０を形成する。
図３は，本発明のプラズマ窒化処理に用いられる半導体製造装置（プラズマ処理装置）２０の構成の概略を示している。半導体製造装置２０は，被処理基板としてのシリコンウエハＷを保持する基板保持台２２が備えられた処理容器２１を有する。基板保持台２２の内部には，ヒータ２２ａが設けられており，電源２２ｂからの電力の供給によって，シリコンウエハＷを所望の温度に加熱することが可能である。
処理容器２１内の気体（ガス）は排気ポート２１Ａおよび２１Ｂから，排気ポンプ２１Ｃを介して排気される。基板保持台２２の周囲には，アルミニウムからなるガスバッフル板（仕切り板）２１１が配置されている。ガスバッフル板２１１の上面には石英カバー２１２が設けられている。
処理容器２１の装置上方には，基板保持台２２上のシリコンウエハＷに対応して開口部が設けられている。この開口部は，石英やＡｌ２Ｏ３からなる誘電体板２３により塞がれている。誘電体板２３の上部（処理容器２１の外側）には，平面アンテナ２４が配置されている。この平面アンテナ２４には，導波管から供給された電磁波が透過するための複数のスロット２４ａが形成されている。平面アンテナ２４の更に上部（外側）には，波長短縮板２５と導波管２８が配置されている。波長短縮板２５の上部を覆うように，冷却プレート２６が処理容器２１の外側に配置されている。冷却プレート２６の内部には，冷媒が流れる冷媒路２６ａが設けられている。
処理容器２１の内部側壁には，プラズマ窒化処理の際にガスを導入するためのガス供給口２７が設けられている。本実施の形態において，処理ガス供給源として，アルゴンガス供給源４１，窒素ガス供給源４２が用意され，各々バルブ４１ａ，４２ａ，流量調整を行うマスフローコントローラ４１ｂ，４２ｂ，そしてバルブ４１ｃ，４２ｃを介して，ガス供給口２７に接続されている。また，処理容器２１の内壁の内側には，容器全体を囲むように冷媒流路２１ａが形成されている。
半導体製造装置２０には，プラズマを励起するための数ＧＨｚの電磁波を発生する電磁波発生器（マグネトロン）２９が備えられている。この電磁波発生器２９で発生したマイクロ波が，導波管２８を伝播し処理容器２１に導入される。
半導体製造装置２０は，制御装置５１によって制御されている。制御装置５１は，中央処理装置５２，支持回路５３，及び関連した制御ソフトウエアを含む記録媒体５４を有している。この制御装置５１は，例えばガス供給口２７からのガスの供給，停止，流量調整，ヒータ２２ａの温度調節，排気ポンプ２１Ｃの排気，さらには電磁波発生器２９などを制御し，半導体製造装置２０においてプラズマ処理が実施される各プロセスにおける必要な制御を行っている。
制御装置５１の中央処理装置５２は，汎用コンピュータのプロセッサを用いることができる。記憶媒体５４は，例えばＲＡＭ，ＲＯＭ，フレキシブルディスク，ハードディスクをはじめとした各種の形式の記録媒体を用いることができる。また支持回路５３は，各種の方法でプロセッサを支持するために中央処理装置５２と接続されている。半導体製造装置２０は以上のようにその主要部が構成されている。
下部電極１２の表面にプラズマ窒化処理により窒化層１８を形成する際には，シリコン基板１１上に下部電極１２が形成されたウエハＷを基板保持台２２の上にセットする。その後，排気ポート２１Ａ，２１Ｂを介して処理容器２１内部の空気の排気が行われる。処理容器２１の内部が所定の処理圧に設定される。ガス供給口２７から，不活性ガス，たとえばアルゴンガスと窒素ガスとが供給される。
一方，電磁波発生器２９で発生された数ＧＨｚの周波数のマイクロ波は，導波管２８を通って処理容器２１に供給される。マイクロ波は，平面アンテナ２４，誘電体板２３を介して処理容器２１中に導入される。そして，このマイクロ波によりプラズマが励起され，窒素ラジカルが生成される。処理容器２１内でのマイクロ波励起によって生成された高密度プラズマは，下部電極１２の表面に窒化層１８を生成させる。
その後，下部電極１２上には，絶縁膜１４が形成される。この絶縁膜１４は，例えば，シリコン酸化膜からなる。次に，絶縁膜１４上に上部電極層１６が形成され，キャパシタ１０が構成される。絶縁膜１４の形成工程または上部電極１６の形成工程において熱処理が行われるが，下部電極１２上には窒化層１８が形成されているため，下部電極１２の上面の酸化が効果的に抑制される。
なお，上部電極１６は，窒化チタン，アルミニウム等の金属材料に代えてポリシリコンを用いることもできる。また，絶縁膜１４としては，シリコン酸化膜の他，シリコン酸窒化膜，酸化タンタル，酸化アルミニウム等が使用可能である。
次に，実際に窒化層の熱処理時の耐酸化性について，シリコン基板上でプラズマ窒化処理をして検証を行った。その結果を表１に示す。
Ｎｏ．１からＮｏ．３までが，本発明に基づいてプラズマ窒化処理したシリコン基板である。本発明に基づく試料では，処理ガスはアルゴンガスと窒素ガスの混合ガスを用いた。その流量比は，いずれも１０００／４０（ｓｃｃｍ）とした。プラズマ処理時のプラズマ出力は，いずれも３５００Ｗで，処理圧力は，６７Ｐａそして処理温度は４００℃とした。Ｎｏ．１からＮｏ．３はプラズマ処理時間が異なり，Ｎｏ．１では３０秒，Ｎｏ．２は１２０秒，Ｎｏ．３は３００秒とした。Ｎｏ．４は比較例として高速熱窒化膜処理をしたシリコン基板のデータを示す。その処理時間は１８０秒とした。なお，Ｎｏ．１からＮｏ．４までの試料は，いずれもそれぞれ７個ずつ用意した。上記のＮｏ．１からＮｏ．４までの試料は，上記の窒化処理後，６００℃から９００℃の間で熱酸化処理が行われた。
図４は，表１に示す実験において，窒化膜が受ける影響を示す。縦軸は，窒化膜の酸化による光学的膜厚の増膜量を表しており，単位はオングストロームである。横軸は，高速熱酸化処理の処理温度を示しており，単位は摂氏である。図中の各点は，熱酸化処理温度における窒化膜の熱酸化による増膜量を表している。このグラフから分かるように，プラズマ窒化処理をした試料の方が，相対的に高速熱窒化処理によるものよりも光学的膜厚の増膜量が少なく，熱酸化による影響が少ないことが分かる。また，プラズマ窒化処理の時間が長いほど，光学的膜厚の増膜量が少ないことも分かる。すなわち，プラズマ窒化処理の時間が長いほど窒化膜が厚くなり，プラズマ窒化処理による窒化膜が厚いほど，熱酸化処理の影響が少なく耐酸化性があるといえる。
次に，本発明の第２の実施例について説明する。本実施例は，キャパシタの下部電極１１２として，ポリシリコンに代えて窒化チタンを用いたものである。図５にその構造を示す。なお，本実施例の説明において，上述した第１の実施例と同一又は対応する構成要素については同一の符号を付し，重複した説明は省略する。
キャパシタ１００は，層間絶縁膜１１１上に成膜された層間絶縁膜１１７上にエッチングによりヴィアホールを開口し，バリアメタル３２とヴィアメタル１１９を埋め込み，窒化チタンよりなる下部電極層１１２と，下部電極層１１２の上に形成された絶縁膜１４と，絶縁膜１４上に形成された上部電極１６をＣＶＤ成膜する。上部電極１６はＴｉＮ等のメタル層である。下部電極１１２において，絶縁膜１４に接する面に窒素リッチ層１１８が形成されている。キャパシタ１００は，Ａｌ配線又はＣｕ配線３０に接続されているが，最終的にはＭＯＳトランジスタのソース電極が電気的に接続される。
キャパシタ１００を形成するには，層間絶縁膜１１１上にＣＶＤ法等により成膜された層間絶縁膜１１７上に，エッチングによりヴィアホールを開口し，バリアメタル３２とヴィアメタル１１９を埋め込み，その上に窒化チタンを堆積させて下部電極１１２を形成する。その後，下部電極１１２の表面にプラズマ窒化処理により窒素リッチ層１１８を形成する（図６（Ａ），（Ｂ）参照）。
本実施例に係るキャパシタ１００の製造工程の一部は，図２に示すプラズマ処理装置２０によって行われる。下部電極１１２の表面を窒素リッチな状態にする際には，シリコン基板１１上に下部電極１１２が形成されたウエハＷを，プラズマ処理装置２０の基板保持台２２の上にセットする。その後，排気ポート２１Ａ，２１Ｂを介して処理容器２１内部の空気の排気が行われる。処理容器２１の内部が所定の処理圧に設定される。ガス供給口２７から，不活性ガスと窒素ガスとが供給される。
一方，電磁波発生器で発生された数ＧＨｚの周波数のマイクロ波は，導波管２８を通って処理容器２１に供給される。マイクロ波は，平面アンテナ２４，誘電体板２３を介して処理容器２１中に導入される。そして，このマイクロ波によりプラズマが励起され，窒素ラジカルが生成される。処理容器２１内でのマイクロ波励起によって生成された高密度プラズマは，ここで，下部電極１１２の表面に更なる窒化層１１８を生成させる。下部電極１１２は窒化チタンよりなるため，その全体に窒素が分布している。窒素リッチ層１１８は，プラズマ窒化処理により窒素がドープされることによって形成される。このため，窒素リッチ層１１８は，下部電極１１２の中では他の領域よりも窒素の含有量が多い層となっている。
その後，下部電極１１２上には，絶縁膜１４が形成される。この絶縁膜１４は，例えば，シリコン酸化膜からなる。次に，絶縁膜１４上に上部電極１６が形成され，キャパシタ１００が構成される。絶縁膜１４の形成工程または上部電極１６の形成工程において熱処理が行われるが，下部電極１１２上には窒素リッチ層１１８が形成されているため，下部電極１１２の上面の酸化が効果的に抑制される。
なお，上部電極１６は，窒化チタン，アルミニウム等の金属材料に代えてポリシリコンを用いることもできる。また，絶縁膜１４としては，シリコン酸化膜の他，シリコン酸窒化膜，酸化タンタル，酸化アルミニウム等が使用可能である。
図７は，下部電極１１２のプラズマ窒化処理の処理時間とシート抵抗との関係を示す。図７のグラフに示すように，ガス圧が１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ），１００ｍＴ（１３．３Ｐａ），５００ｍＴ（１３．３×５Ｐａ）の場合に分けて測定した。その結果，窒素のガス圧が低いほどシート抵抗が低くなる。すなわち，ガス圧が低いほど効率よく窒素リッチ層１１８を形成できることが分かる。
次に，窒化チタン膜の熱処理時の耐酸化性について調べた。シリコン基板上に窒化チタン膜を形成後，プラズマ窒化処理をして窒素リッチ層を形成した試料を用意した。本発明に係る試料としては，プラズマ窒化処理時間が１２０秒のもの（図８中の□）と，プラズマ窒化処理時間が３０秒のもの（図８中の○）の２種類を用意した。また，比較のためにプラズマ窒化処理をしない窒化チタン膜のみ有する基板（図８中の△）も用意した。
本試験においては，プラズマ酸化処理を行いながらシート抵抗を測定して，プラズマ窒化処理の影響を調べた。図８に測定結果を示す。図８のグラフにおいて，縦軸は窒化チタン膜（下部電極１１２）のシート抵抗値を表す。横軸は，プラズマ酸化処理する前のレファレンス値（TiN as depo）と，フッ酸仕上げのシリコン基板にプラズマ酸化処理を施した場合の酸化膜厚が２０オングストローム，４０オングストロームおよび６０オングストロームを示す。酸化膜厚が多いほどプラズマ酸化処理時間が長いことを示す。この図から，プラズマ酸化が進むほど，プラズマ窒化処理をしていない試料のシート抵抗値は上昇し，熱処理の酸化の影響を強く受けていることが分かる。それに対し，プラズマ窒化処理をしている試料のシート抵抗値の上昇は少なく，熱処理の酸化の影響を受けにくいことを示している。すなわちプラズマ窒化処理したものは，熱処理時の耐酸化性に優れていることを示している。
次にプラズマ窒化処理における圧力の影響について調べた。キャパシタの形状は表面積を大きくするために，深い穴を形成したり凹凸形状とした立体構造が採用されることがある。かかる場合，部位によって膜厚の違いが生じやすい。膜厚の違いは電気特性の違いにつながるので，均一な膜厚とすることが重要であるが，発明者らの検証によれば，プラズマ窒化の際の圧力が，特にこれら立体構造を有するキャパシタにおける膜厚の均一性に影響を与えることが確認できた。
図９は，Ｓｉの下部電極表面が凹凸形状を有するキャパシタにおいて，当該下部電極に対してプラズマ処理の際の圧力を変えてプラズマ窒化処理をしたときの膜厚を示している。図中Ｏｐｅｎは，下部電極表面の凹凸が疎の場合，Ｄｅｎｓｅは下部電極表面の凹凸が密の場合を意味し，各々凹部内の底部の膜厚を示している。
かかる結果によれば，膜厚の均一性はプラズマ窒化処理の際の圧力に依存していることが確認でき，発明者らの検証によれば，圧力は１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）〜５Ｔｏｒｒ（５×１３３Ｐａ）の間が好ましく，より好ましくは３Ｔｏｒｒ（３×１３３Ｐａ）付近がよい。
以上，本発明の実施の形態例及び実施例について幾つかの例に基づいて説明したが，本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく，請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。
容量を低下させることなく薄膜のキャパシタを製造することができ，半導体デバイス，例えばＤＲＡＭの製造にとって有用である。
Claims (19)
- キャパシタを有する半導体装置であって，
前記キャパシタは，下部電極と，上部電極と，前記下部電極と前記上部電極とに挟まれた絶縁膜とを備え，
前記下部電極の絶縁層側の表面が窒化されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１に記載の半導体装置において，
前記下部電極がポリシリコンである。 - 請求項１に記載の半導体装置において，
前記下部電極が窒化チタンであり，当該窒化チタンの表面がさらに窒化されている。 - 請求項１に記載の半導体装置において，
前記下部電極の窒化処理は，プラズマ処理により行われる。 - 請求項１に記載の半導体装置において，
前記キャパシタはＤＲＡＭに用いられるものである。 - 請求項１に記載の半導体装置において，
前記キャパシタはロジックデバイスに用いられるものである。 - 半導体装置の製造方法において，
キャパシタ用の下部電極を半導体基板上に成形する工程と；
前記下部電極の表面を窒化する工程と；
前記下部電極上に絶縁膜を形成する工程と；
前記絶縁膜上に上部電極を形成する工程とを有する。 - 請求項７に記載の製造方法において，
前記下部電極がポリシリコンからなる。 - 請求項７に記載の製造方法において，
前記下部電極が窒化チタンであり，当該窒化チタンの表面を更に窒化する工程を有する。 - 請求項７に記載の製造方法において，
前記下部電極の窒化処理は，プラズマ処理により行われる。 - 請求項７に記載の製造方法において，
前記キャパシタはＤＲＡＭ用である。 - 請求項７に記載の製造方法において，
前記キャパシタはロジックデバイス用である。 - 上部電極，下部電極，及びこれらの電極の間に形成された絶縁膜とを有するキャパシタの製造工程で使用される半導体製造装置において，
処理すべき半導体基板を収容する処理容器と；
前記処理容器内に処理に応じたガスを供給するガス供給手段と；
前記処理容器内にプラズマを励起すべくマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段とを備え，
前記下部電極の表面に窒化膜を形成すべく，前記下部電極が形成された前記半導体基板を前記処理容器にロードした後，前記ガス供給手段は窒素ガスを当該処理容器に供給する。 - 請求項１３に記載の製造装置において，
前記下部電極がポリシリコンからなる。 - 請求項１３に記載の製造装置において，
前記下部電極が窒化チタンであり，当該窒化チタンの表面を更に窒化する。 - 請求項１３に記載の製造装置において，
前記キャパシタはＤＲＡＭ用である。 - 請求項１３に記載の製造装置において，
前記キャパシタはロジックデバイス用である。 - 請求項１０に記載の製造方法において，
前記プラズマ処理は，１×１３３Ｐａ〜５×１３３Ｐａ以下の減圧下で行われる。 - コンピュータが，半導体製造装置に対して，
キャパシタ用の下部電極を半導体基板上に成形する工程と，
前記下部電極の表面を窒化する工程と，
前記下部電極上に絶縁膜を形成する工程と，
前記絶縁膜上に上部電極を形成する工程と，
を実行させるソフトウエアを含む，コンピュータ記録媒体。
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