JPWO2008102443A1 - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】強誘電体キャパシタの劣化を防止することが可能な半導体装置とその製造方法を提供すること。【解決手段】シリコン基板１０の上方に形成された下地絶縁膜２５と、下地絶縁膜２５の上に形成された強誘電体キャパシタQと、キャパシタQの上に交互に複数形成された層間絶縁膜３５、４８、６２及び金属配線４５、５８、７２と、層間絶縁膜４８が備えるホール５４ａ内に形成され、金属配線４５と電気的に接続された導電性プラグ５７とを有し、層間絶縁膜４８の上面に、第１絶縁性酸化金属膜５０ａ、層間絶縁膜４８よりも比誘電率が低い中間絶縁膜５０ｂ、及び第２絶縁性金属酸化金属膜５０ｃを順に積層してなる第１キャパシタ保護絶縁膜５０が形成され、該第１キャパシタ保護絶縁膜５０にもホール５４ａが形成された半導体装置による。【選択図】図３１
Description
本発明は、半導体装置とその製造方法に関する。
近年、強誘電体の分極反転を利用して情報を強誘電体キャパシタに保持する強誘電体メモリFeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)の開発が進められている。強誘電体メモリは、電源を切っても情報が消失しない不揮発性メモリであり、高集積度、高速駆動、高耐久性、低消費電力を実現できることから特に注目されている。
強誘電体キャパシタを構成する強誘電体膜の材料としては、残留分極量が１０〜３０μC／cm2程度と大きなPZT(Lead Zirconate Titanate: PbZr1-xTixO3)やSBT(SrBi2Ta2O9)等のペロブスカイト結晶構造を有する強誘電体酸化物が主として用いられている。このような強誘電体膜は、従来から、酸化シリコン膜等の水との親和性が高い層間絶縁膜を介して外部から侵入した水分によりその強誘電体特性が劣化することが知られている。これは、デバイスに侵入した水分が、層間絶縁膜や金属配線を形成するために基板を加熱する際に水素と酸素とに分解し、このうちの水素が強誘電体膜に侵入して、その水素によって強誘電体膜が還元されるため、強誘電体膜に酸素欠陥が発生しその結晶性が低下するためである。
また、これと同様に、強誘電体メモリを長期間にわたって使用する場合でも、強誘電体膜の強誘電体特性が劣化し、強誘電体キャパシタの性能が劣化してしまう。更に、強誘電体キャパシタに限らず、トランジスタ等の性能が劣化することもある。
そこで、FeRAM等の強誘電体デバイスでは、アルミナ（Al2O3）膜等のキャパシタ保護絶縁膜を形成することにより、水分や水素が強誘電体キャパシタに侵入するのを防止するのが普通である。
このようなキャパシタ保護絶縁膜については、例えば特許文献１に開示されている。
図１は、特許文献１に開示されている半導体装置の要部拡大断面図である。
この半導体装置は、半導体基板２００の上方の第１層間絶縁膜２０１上に、下部電極２０２、強誘電体よりなるキャパシタ誘電体膜２０３、及び上部電極２０４をこの順に積層してなる強誘電体キャパシタQを備える。
そして、この強誘電体キャパシタQを覆う酸化シリコンよりなる第２層間絶縁膜２０６上には、強誘電体キャパシタQに水素や水分が浸入するためのキャパシタ保護絶縁膜２１０が形成される。更に、各絶縁膜２０１、２０６、２１０には、層間の電気的接続を行うためのホール２０６ａ、２０６ｂが形成され、これらのホール内に導電性プラグ２１１ａ、２１１ｂが埋め込まれる。
特許文献１によれば、キャパシタ保護絶縁膜２１０としてアルミナ膜２０７、窒化シリコン膜２０８、及びアルミナ膜２０９の積層膜を形成することにより、アルミナ膜２０７、２０９のストレスが窒化シリコン膜２０８で緩和されるとある。
しかしながら、このようなキャパシタ保護絶縁膜２１０では、エッチングによりホール２０６ａ、２０６ｂを形成する際に窒化シリコン膜２０８がエッチングのストッパとして機能するため、エッチングに長時間が必要となると共に、窒化シリコン基板２０８の下方においてホール２０６ａ、２０６ｂの直径が著しく小さくなってしまう。
図２（ａ）、（ｂ）は、このホール２０６ａ、２０６ｂを上から見たSEM(Scanning Electron Microscope)像を基にして描いた平面図である。これに示されるように、２０６ａ、２０６ｂの上端２０６ｃは比較的綺麗な円形であるのに対し、その下端２０６ｄの平面形状は、不安定な形になると共に、その直径が上端２０６ｃのそれよりも小さくなる。
このように、キャパシタ保護絶縁膜２１０として窒化シリコン膜２０８を含んだ積層膜を形成したのでは、ホール２０６ａ、２０６ｂを綺麗に形成することができず、これらのホール２０６ａ、２０６ｂに埋め込まれる導電性プラグ２１１ａ、２１１ｂのコンタクト抵抗が不安定になるという問題が発生する。
図３は、特許文献１に開示されている半導体装置の他の例の要部拡大断面図である。
この半導体装置は、キャパシタ保護絶縁膜２２５として、アルミナ膜２２０、２２２、２２４と酸化シリコン膜２２１、２２３とを図示のように積層する点で図１の例と相違する。
この例では、キャパシタ保護絶縁膜２２５に窒化シリコン膜が含まれていないため、図１の例よりはホール２０６ａ、２０６ｂのエッチングは容易となる。
しかし、膜に引張応力が発生し易いプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により酸化シリコン膜２２１、２２３を形成するため、酸化シリコン膜２２１、２２３に発生する引張応力によって半導体基板２００が凹状に反り易い。そのため、圧電素子である強誘電体キャパシタQに応力が加わり、強誘電体キャパシタQの強誘電体特性が劣化し易いという別の問題が発生する。
特開２００６−４９７９５号公報
本発明の目的は、強誘電体キャパシタの劣化を防止することが可能な半導体装置とその製造方法を提供することにある。
本発明の一観点によれば、半導体基板の上方に形成された下地絶縁膜と、前記下地絶縁膜の上に形成され、下部電極、強誘電体材料よりなるキャパシタ誘電体膜、及び上部電極を備えたキャパシタと、前記キャパシタの上に交互に複数形成された層間絶縁膜及び金属配線と、前記層間絶縁膜が備えるホール内に形成され、前記金属配線と電気的に接続された導電性プラグとを有し、前記複数の層間絶縁膜のうち、少なくとも一つの該層間絶縁膜の上面に、第１絶縁性酸化金属膜、前記層間絶縁膜よりも比誘電率が低い中間絶縁膜、及び第２絶縁性金属酸化金属膜を順に積層してなる第１キャパシタ保護絶縁膜が形成され、該第１キャパシタ保護絶縁膜にも前記ホールが形成された半導体装置が提供される。
また、本発明の別の観点によれば、半導体基板の上方に下地絶縁膜を形成する工程と、前記下地絶縁膜の上に、下部電極、強誘電体材料よりなるキャパシタ誘電体膜、及び上部電極を備えたキャパシタを形成する工程と、前記キャパシタの上に、層間絶縁膜と金属配線とを交互に複数形成する工程と、前記複数の層間絶縁膜のうちの少なくとも一つにホールを形成する工程と、前記ホール内に、前記金属配線と電気的に接続される導電性プラグを形成する工程とを有し、前記複数の層間絶縁膜のうち、少なくとも一つの該層間絶縁膜の上面に、第１絶縁性酸化金属膜、前記層間絶縁膜よりも比誘電率が低い中間絶縁膜、及び第２絶縁性金属酸化金属膜を順に積層してなる第１キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程を更に有すると共に、前記ホールを形成する工程において、前記１キャパシタ保護絶縁膜にも該ホールを形成する半導体装置の製造方法が提供される。
次に、本発明の作用について説明する。
本発明によれば、第１キャパシタ保護絶縁膜として、第１絶縁性酸化金属膜、中間絶縁膜、及び第２絶縁性金属酸化金属膜を順に積層する。
このうち、中間絶縁膜は、その下の層間絶縁膜よりも比誘電率が低い材料で構成されるため、プラズマCVD法で形成された酸化シリコン膜と比較して膜応力が弱く引張応力が小さい。そのため、図３で説明したような膜の応力に起因する半導体基板の反りを防止でき、圧電素子である強誘電体キャパシタが応力によって劣化するのを防ぐことが可能となる。
また、この中間絶縁膜と、ホールが形成される層間絶縁膜は、共に酸化シリコン系の材料で構成されるのが好ましい。このようにすると、エッチングによりホールを形成する際、中間絶縁膜と層間絶縁膜との間に実質的なエッチングレートの差が発生しない。
従って、酸化シリコン膜のエッチングにおいてストッパとして機能してしまう窒化シリコン膜をキャパシタ保護絶縁膜に使用する図１の例と比較して、短時間にホールを開口できると共に、ホールの上端と下端の直径に差が殆ど発生せず、ホールを綺麗に形成することが可能となる。
そのため、ホール内に形成される導電性プラグにコンタクト不良が発生し難くなり、半導体装置の歩留まりを向上させることができる。
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
（１）第１実施形態
まず、本発明の第１実施形態に係る半導体装置について、その製造工程を追いながら説明する。
まず、本発明の第１実施形態に係る半導体装置について、その製造工程を追いながら説明する。
図４〜図３１は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。なお、これらの図では、一つの半導体チップにおける周辺回路領域Rperipheral、ロジック回路領域Rlogic、セル領域Rcell、パッド領域Rpadを併記してある。
この半導体装置はプレーナ型のFeRAMであって、以下のようにして製造される。
最初に、図４（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
n型又はp型のシリコン（半導体）基板１０の表面を熱酸化することにより素子分離絶縁膜１１を形成し、この素子分離絶縁膜１１でトランジスタの活性領域を画定する。素子分離絶縁膜１１の膜厚は、例えば、シリコン基板１０の上面から測って約２００nm程度である。このような素子分離構造はLOCOS(Local Oxidation of Silicon)と呼ばれるが、これに代えてSTI(Shallow Trench Isolation)を採用してもよい。
次いで、シリコン基板１０の活性領域にp型不純物、例えばボロンを導入して第１、第２pウェル１２、１３を形成した後、その活性領域の表面を熱酸化することにより、ゲート絶縁膜１４となる熱酸化膜を約６〜７nmの厚さに形成する。
続いて、シリコン基板１０の上側全面に、厚さ約５０nmの非晶質シリコン膜と厚さ約１５０nmのタングステンシリサイド膜を順に形成する。なお、非晶質シリコン膜に代えて多結晶シリコン膜を形成してもよい。その後に、フォトリソグラフィによりこれらの膜をパターニングして、ロジック回路領域Rlogicとセル領域Rcellのシリコン基板１０上にゲート電極１５を形成すると共に、周辺回路領域Rperipheralの素子分離絶縁膜１１上に配線１６を形成する。
ゲート電極１５のゲート長は、例えば３６０μm程度である。
更に、ゲート電極１５をマスクにするイオン注入により、ゲート電極１５の横のシリコン基板１０にn型不純物としてリンを導入し、第１〜第３ソース／ドレインエクステンション１７ａ〜１７ｃを形成する。
その後に、シリコン基板１０の上側全面に絶縁膜を形成し、その絶縁膜をエッチバックしてゲート電極１５と配線１６の横に絶縁性スペーサ１８として残す。その絶縁膜として、例えばCVD法により酸化シリコン膜を４５nmの厚さに形成する。
続いて、この絶縁性スペーサ１８とゲート電極１５をマスクにしながら、シリコン基板１０に砒素等のn型不純物を再びイオン注入することにより、ゲート電極１５の側方のシリコン基板１０に第１〜第３ソース／ドレイン領域（不純物拡散領域）１９ａ〜１９ｃを形成する。
更に、シリコン基板１０の上側全面に、スパッタ法によりコバルト膜等の高融点金属膜を形成する。そして、その高融点金属膜を加熱させてシリコンと反応させることにより、第１〜第３ソース／ドレイン領域１９ａ〜１９ｃにおけるシリコン基板１０上にコバルトシリサイド層等の高融点シリサイド層２２を形成し、各ソース／ドレイン領域１９ａ〜１９ｃを低抵抗化する。なお、このような高融点金属シリサイド層は、ゲート電極１５や配線１６の表層にも形成される。
その後に、素子分離絶縁膜１１の上等で未反応となっている高融点金属層をウエットエッチングして除去する。
ここまでの工程により、シリコン基板１０のセル領域Rcellとロジック回路領域Rlogicには、それぞれゲート絶縁膜１４、ゲート電極１５、及び第１〜第３ソース／ドレイン領域１９ａ〜１９ｃ等によって構成される第１〜第３MOSトランジスタTR1〜TR3が形成されたことになる。
次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板１０の上側全面に、プラズマCVD法で酸窒化シリコン(SiON)膜を厚さ約２００nmに形成し、それをエッチングストッパ膜２４とする。
更に、TEOS(Tetraethoxysilane)ガスと酸素ガスとの混合ガスを使用するプラズマCVD法により、このエッチングストッパ膜２４の上に下地絶縁膜２５として酸化シリコン(SiO2)膜を厚さ約６００nmに形成する。その後に、下地絶縁膜２５の上面を平坦化するために、CMP(Chemical Mechanical Polishing)によりその上面を研磨する。その研磨量は、例えば２００nm程度である。
次いで、図５（ａ）に示すように、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により、この下地絶縁膜２５の上に再びシリコン酸化膜を約１００nmの厚さに形成し、このシリコン酸化膜を第１キャップ絶縁膜２６とする。
そして、これらの絶縁膜２５、２６の脱水処理として、窒素雰囲気中において基板温度を約６５０℃とするアニールを約３０分間行った後、第１キャップ絶縁膜２６上にスパッタ法によりアルミナ膜２０を厚さ約２０nmに形成する。
その後、このアルミナ膜２０に対し、基板温度を６５０℃、処理時間を６０秒とするRTA(Rapid Thermal Anneal)を行う。
このように第１キャップ絶縁膜２６を形成することで、上記のCMPにおいて研磨パッドとの接触でついた下地絶縁膜２５の上面の微細な傷（マイクロスクラッチ）が第１キャップに埋め込まれるので、第１キャップ絶縁膜２６の上面にアルミナ膜２０が良好な平坦性で形成される。
次に、図５（ｂ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、アルミナ膜２０の上に、スパッタ法により第１導電膜２７としてプラチナ膜を形成する。この第１導電膜２７は、後でパターニングされてキャパシタ下部電極になり、その膜厚は約１５５nmである。
更に、第１導電膜２７の上に、スパッタ法によりPZT(Lead Zirconate Titanate: PbZr1-xTixO3)膜を１５０〜２００nmの厚さに形成して、このPZT膜を強誘電体膜２８とする。
なお、強誘電体膜２８の成膜方法としては、スパッタ法の他に、MOCVD(Metal Organic CVD)法やゾル・ゲル法もある。更に、強誘電体膜２８の材料は上記のPZTに限定されず、SBT(SrBi2Ta2O9)、SrBi2(TaxNb1-x)2O9、Bi4Ti2O12等のBi層状構造化合物や、PZTにランタンをドープしたPLZT(Pb1-xLaxZr1-yTiyO3)、或いはその他の金属酸化物強誘電体で強誘電体膜２８を構成してもよい。
ここで、スパッタ法で形成されたPZTは、成膜直後では殆ど結晶化しておらず、強誘電体特性に乏しい。そこで、強誘電体膜２８を構成するPZTを結晶化させるための結晶化アニールとして、Ar流量が１．９８リットル／分で酸素流量が０．０２５リットル／分の酸素含有雰囲気中で基板温度を約５８５℃とするRTA(Rapid Thermal Anneal)を約９０秒間行う。なお、MOCVD法で強誘電体膜２８を形成する場合は、この結晶化アニールは不要である。
次に、上記の強誘電体膜２８の上に、スパッタ法で第１酸化イリジウム(IrO2)膜を厚さ約５０nmに形成し、この第１酸化イリジウム膜に対してRTAを施す。そのRTAの条件は特に限定されないが、本実施形態では、Ar流量が２．００リットル／分で酸素流量が０．０２５リットル／分の酸素含有雰囲気中で基板温度を７２５℃、処理時間を２０秒とする。
その後に、第１酸化イリジウム膜の上にスパッタ法により第２酸化イリジウム膜を厚さ約２００nmに形成し、これら第１、第２酸化イリジウム膜よりなる積層膜を第２導電膜２９とする。
ここで、アルミナ膜２０の上に第１導電膜２７を形成することにより、アルミナ膜２０を省いてキャップ絶縁膜２６の上に第１導電膜２７を直接形成する場合と比較して、第１導電膜２７を構成するプラチナの配向性が良好となる。その第１導電膜２７の配向の作用によって、強誘電体膜２８を構成するPZTの配向が揃えられ、強誘電体膜２８の強誘電体特性が向上する。
次に、図６（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、フォトリソグラフィにより第２導電膜２９をパターニングして上部電極２９ａを形成する。そして、このパターニングにより強誘電体膜２８が受けたダメージを回復させるために、強誘電体膜２８に対する回復アニールを縦型炉内で行う。この回復アニールは、酸素流量が２０リットル／分の酸素含有雰囲気において行われ、その条件は、例えば、基板温度６５０℃、処理時間６０分である。
次いで、フォトリソグラフィで強誘電体膜２８をパターニングすることにより、PZT等の強誘電体材料で構成されるキャパシタ誘電体膜２８ａを形成する。このパターニングでキャパシタ誘電体膜２８ａが受けたダメージは回復アニールによって回復される。この回復アニールは、縦型炉を用いて酸素含有雰囲気中で行われ、その条件として酸素流量２０リットル／分、基板温度３５０℃、及び処理時間６０分が採用される。
続いて、シリコン基板１０の上側全面に、水素や水分等の還元性物質からキャパシタ誘電体膜２８ａを保護するための第１キャパシタ保護絶縁膜３１としてアルミナ膜をスパッタ法で厚さ約５０nmに形成する。
なお、アルミナ膜に代えて、酸化チタン(TiOx)膜、酸化ジルコニウム(ZrOx)膜、酸化マグネシウム(MgOx)膜、及び酸化チタンマグネシウム(MgTiOx)膜のいずれかを第１キャパシタ保護絶縁膜３１として形成してもよい。
そして、このスパッタによりキャパシタ誘電体膜２８ａが受けたダメージを回復させるために、酸素流量が２０リットル／分の酸素含有雰囲気中で基板温度を５５０℃とする回復アニールを約６０分間行う。この回復アニールは、縦型炉を用いて行われる。
次に、図７（ａ）に示すように、フォトリソグラフィで第１導電膜２７と第１キャパシタ保護絶縁膜３１とをパターニングすることにより、キャパシタ誘電体膜２８ａの下の第１導電膜２７を下部電極２７ａにすると共に、この下部電極２７ａを覆うように第１キャパシタ保護絶縁膜３１を残す。
その後に、プロセス中にキャパシタ誘電体２８ａが受けたダメージを回復させるために、基板温度６５０℃、処理時間６０分の条件で、酸素流量が２０リットル／分の酸素含有雰囲気中においてキャパシタ誘電体膜２８ａに回復アニールを施す。その回復アニールは、例えば縦型炉を用いて行われる。
ここまでの工程により、シリコン基板１０の上方には、下部電極２７ａ、キャパシタ誘電体膜２８ａ、及び上部電極２９ａをこの順に積層してなるキャパシタQが形成されたことになる。
続いて、図７（ｂ）に示すように、シリコン基板１０の上側全面に、キャパシタQを保護するための第２キャパシタ保護絶縁膜３３としてアルミナ膜をスパッタ法で約２０nmの厚さに形成する。この第２キャパシタ保護絶縁膜３３は、その下の第１キャパシタ保護絶縁膜３１と協同して、水素や水分等の還元性物質がキャパシタ誘電体膜２８ａに至るのを防止し、キャパシタ誘電体膜２８ａが還元されてその強誘電体特性が劣化するのを抑えるように機能する。
このような機能を有する膜には、アルミナ膜の他に、酸化チタン膜、酸化ジルコニウム膜、酸化マグネシウム膜、及び酸化チタンマグネシウム膜があり、これらのいずれかを第２キャパシタ保護絶縁膜３３として形成してもよい。
そして、基板温度５５０℃、処理時間６０分の条件で、酸素含有雰囲気となっている縦型炉内においてキャパシタ誘電体膜２８ａに対して回復アニールを施す。この回復アニールにおける酸素流量は、例えば、酸素流量が２０リットル／分である。
次いで、図８に示すように、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により、上記の第２キャパシタ保護絶縁膜３３上に酸化シリコン膜を約１５００nmの厚さに形成し、その酸化シリコン膜を第１層間絶縁膜３５とする。
次いで、第１層間絶縁膜３５の上面を平坦化するために、例えばＣＭＰ処理により、層間絶縁膜３５の表面を平坦化する。
その後に、第１層間絶縁膜３５に対する脱水処理として、CVD装置を用いたN2Oプラズマ処理（熱処理）を行う。この場合、基板温度は３５０℃に設定され、処理時間は２分とされる。
このようなN2Oプラズマにより第１層間絶縁膜３５が脱水されると共に、第１層間絶縁膜３５の上面が窒化されて水分の再吸着を防止することができる。
なお、N2Oプラズマ処理に代えて、アンモニア(NH3)プラズマ処理により第１層間絶縁膜３５の脱水を行ってもよい。これについては、後述の各N2Oプラズマ処理でも同様である。
また、この脱水処理は、対象となる絶縁膜の厚さが１００nm以上の場合に特に有効である。これは、１００nm以上の膜厚の絶縁膜には比較的多くの水分が含まれているためである。一方、絶縁膜の厚さが１００nm未満の場合には、絶縁膜中の水分量が少ないので、このような脱水処理は行わなくてもよい。
以下では、このような知見に基づき、脱水処理が必要な絶縁膜と必要無い絶縁膜とを区別する。但し、膜厚が１００nm未満であっても、脱水処理を施して絶縁膜を十分に乾燥させるのが好ましい場合は、脱水処理を行ってもよい。
なお、この層間絶縁膜３５の上にカバー絶縁膜を形成してもよい。そのカバー絶縁膜は、CMPの際に層間絶縁膜３５の上面に形成されたマイクロスクラッチや、隣接するキャパシタQの間の層間絶縁膜３５に発生したボイドを埋め込むために形成されるものであって、このようなカバー絶縁膜を形成することでその上に形成される膜の被膜性が向上する。そのカバー絶縁膜としては、例えば、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により形成された厚さ約５０nmの酸化シリコン膜を採用し得る。
次に、図９に示すように、第１層間絶縁膜３５の上にスパッタ法でアルミナ膜を５０〜１００nmの厚さに形成し、このアルミナ膜を第３キャパシタ保護絶縁膜３０とする。その第３キャパシタ保護絶縁膜３０は、水分や水素に対するブロック性に優れたアルミナで構成され、水分や水素等の還元性物質によってキャパシタ誘電体膜２８ａが劣化するのを防止する役割を担う。
なお、アルミナ膜に代えて、水分や水素に対するブロック性のある膜、例えば、酸化チタン膜、酸化ジルコニウム膜、酸化マグネシウム膜、及び酸化チタンマグネシウム膜のいずれかを第３キャパシタ保護絶縁膜３０として形成してもよい。
その後に、図１０に示すように、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により、第２キャップ絶縁膜３２として酸化シリコン膜を厚さ約２００〜３００nmに形成する。
次に、図１１に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第２キャップ絶縁膜３２の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、ホール形状の第１〜第４窓３７ａ〜３７ｄを備えた第１レジストパターン３７を形成する。
次いで、この第１レジストパターン３７をマスクに用いながら、第２キャップ絶縁膜３２からエッチングストッパ膜２４までをドライエッチングすることにより、第１〜第４窓３７ａ〜３７ｄの下のこれらの絶縁膜に第１〜第４コンタクトホール３８ａ〜３８ｄを形成する。
このドライエッチングは、平行平板型プラズマエッチング装置（不図示）において３ステップのエッチングで行われる。その第１ステップのエッチングでは、C4F8、O2、及びArの混合ガスをエッチングガスとして使用し、第２キャップ絶縁膜３２から下地絶縁膜２５までをエッチングする。このエッチングはエッチングストッパ膜２４上で停止し、エッチングストッパ膜２４はエッチングされない。
次の第２ステップでは、エッチングガスとしてO2とArとの混合ガスを用い、これらのガスのスパッタ作用により、第１ステップでホール内に生じたエッチング生成物を除去する。
そして、第３ステップのエッチングでは、C4F8、CF4、O2、及びArの混合ガスをエッチングガスにしてエッチングストッパ膜２４がエッチングされる。
上記のエッチングが終了後、第１レジストパターン３７は除去される。
次に、図１２に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第１〜第４コンタクトホール３８ａ〜３８ｄの内面と第２キャップ絶縁膜３２の上面に、スパッタ法によりチタン(Ti)膜と窒化チタン(TiN)膜をそれぞれ厚さ２０nm、５０nmに形成し、これらの膜をグルー膜とする。そして、このグルー膜の上に、六フッ化タングステンガスを使用するCVD法でタングステン膜を５００nmの厚さに形成し、このタングステン膜で第１〜第４コンタクトホール３８ａ〜３８ｄを完全に埋め込む。
その後に、第２キャップ絶縁膜３２上の余分なグルー膜とタングステン膜とをCMP法で研磨して除去し、これらの膜を第１〜第４コンタクトホール３８ａ〜３８ｄ内にそれぞれ第１〜第４導電性プラグ４０ａ〜４０ｄとして残す。
これらの導電性プラグのうち、セル領域Rcellに形成された第１、第２導電性プラグ４０ａ、４０ｂは、それぞれ第１、第２ソース／ドレイン領域１９ａ、１９ｂと電気的に接続される。一方、ロジック回路領域Rlogicに形成された第３導電性プラグ４０ｃは第３ソース／ドレイン領域１９ｃと電気的に接続される。そして、周辺回路領域Rperipheralに形成された第４導電性プラグ４０ｄは配線１６と電気的に接続される。
なお、第１〜第４導電性プラグ４０ａ〜４０ｄを形成した後に、CVD装置を用いたN2Oプラズマ処理を第２キャップ絶縁膜３２に対して行い、第２キャップ絶縁膜３２の脱水と水分の再吸着の防止とを行ってもよい。その脱水処理は、例えば、基板温度を３５０℃、処理時間を２分とする条件で行われる。
ところで、第１〜第４導電性プラグ４０ａ〜４０ｄは、非常に酸化され易いタングステンを主に構成されているため、酸素含有雰囲気中で容易に酸化してコンタクト不良を引き起こす恐れがある。
そこで、これら第１〜第４導電性プラグ４０ａ〜４０ｄが酸化するのを防止するために、これらのプラグと第２キャップ絶縁膜３２のそれぞれの上面に、酸化防止絶縁膜４１としてCVD法により酸窒化シリコン膜を厚さ約１００nmに形成する。
次に、図１３に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、酸化防止絶縁膜４１上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第２レジストパターン４３とする。図示のように、上部電極２９ａと下部電極２７ａのそれぞれの上の第２レジストパターン４３には、ホール形状の第５、第６窓４３ａ、４３ｂが形成される。
次いで、第２レジストパターン４３をマスクにしながら、酸化防止絶縁膜４１、第２キャップ絶縁膜３２、第１層間絶縁膜３５、及び第１〜第３キャパシタ保護絶縁膜３１、３３、３０をエッチングすることにより、上部電極２９ａの上に第１ホール３５ａを形成すると共に、下部電極２７ａのコンタクト領域上に第２ホール３５ｂを形成する。
そして、第２レジストパターン４３を除去した後、ここまでの工程でキャパシタ誘電体膜２８ａが受けたダメージを回復させるために、酸素含有雰囲気となっている縦型炉にシリコン基板１０を入れ、基板温度５００℃、処理時間６０分の条件で、キャパシタ誘電体膜２８ａに対して回復アニールを施す。このとき、酸素の流量は例えば２０リットル／分とされる。
その後に、酸化防止絶縁膜４１をエッチバックして除去する。
次に、図１４に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第２キャップ絶縁膜３２と第１〜第４導電性プラグ４０ａ〜４０ｄのそれぞれの上面、及び第１、第２ホール３５ａ、３５ｂの内面に、スパッタ法により金属積層膜を形成する。本実施形態では、その金属積層膜として、約１５０nmの厚さの窒化チタン膜、約５５０nmの厚さの銅含有アルミニウム膜、約５nmの厚さのチタン膜、及び約１５０nmの厚さの窒化チタン膜をこの順に形成する。
そして、フォトリソグラフィによりこの金属積層膜をパターニングすることにより、第２キャップ絶縁膜３２の上に第１金属配線４５を形成する。その第１金属配線４５のうち、キャパシタQの上に形成されたものは、上記の第１、第２ホール３５ａ、３５ｂを通じてそれぞれ上部電極２９ａ、下部電極２７ａと電気的に接続される。
なお、第１、第２ホール３５ａ、３５ｂ内に形成された第１金属配線４５は、導電性プラグとしての役割を担う。
続いて、図１５に示すように、第１金属配線４５と第２キャップ絶縁膜３２とを覆う第４キャパシタ保護絶縁膜４６として、スパッタ法によりアルミナ膜を２０nmの厚さに形成する。
この第４キャパシタ保護絶縁膜４６は、水素や水分等の還元性物質をブロックしてキャパシタ誘電体膜２８ａを保護する機能を有する。このような機能を有する膜には、アルミナ膜の他に、酸化チタン膜、酸化ジルコニウム膜、酸化マグネシウム膜、及び酸化チタンマグネシウム膜があり、これらのいずれかを第４キャパシタ保護絶縁膜４６として形成してもよい。
なお、第４キャパシタ保護絶縁膜４６を形成しなくてもキャパシタ誘電体２８ａが劣化しないなら、第４キャパシタ保護絶縁膜４６を省いてもよい。
次いで、図１６に示すように、反応ガスとしてTEOSガスと酸素とを使用するプラズマCVD法により、第４キャパシタ保護絶縁膜４６上に酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜を第２層間絶縁膜４８とする。この第２層間絶縁膜４８の膜厚は、例えば第１金属配線４５上で約２６００nmである。
その後に、第２層間絶縁膜４８の上面を平坦化すべく、CMPによりその上面を研磨する。
次いで、図１７に示すように、基板温度約３５０℃、処理時間約４分の条件で、CVD装置内において第２層間絶縁膜４８の表面に対してN2Oプラズマ処理を行う。このようなN2Oプラズマ処理により、第２層間絶縁膜４８は脱水されると共に、その表面が窒化されて、水との親和性が高い酸化シリコンが水分を吸湿するのが防止される。
なお、N2Oプラズマ処理に代えて、基板温度を３５０℃、処理時間を１０分とするNH3プラズマ処理を行ってもよい。
次に、図１８に示すように、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により、第２層間絶縁膜４８の上に第３キャップ絶縁膜４９として酸化シリコン膜を厚さ約１００nmに形成する。
ここで、第２層間絶縁膜４８の上面には、CMPを行った際（図１６参照）にCMP装置のパッドとの接触で発生した微細な傷（マイクロスクラッチ）が形成されているが、上記の第３キャップ絶縁膜４９はこの傷を埋め込んで平坦化する役割を担う。
続いて、図１９に示すように、CVD装置内において第３キャップ絶縁膜４９に対してN2Oプラズマ処理を行うことにより、キャップ絶縁膜４９を脱水すると共に、キャップ絶縁膜４９の表面を窒化して水分の再吸着を防止する。このN2Oプラズマ処理は、例えば基板温度３５０℃、処理時間２分の条件で行われる。
次に、図２０に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第３キャップ絶縁膜４９の上に、キャパシタ誘電体膜２８ａを還元性物質から保護するための第１絶縁性酸化金属膜５０ａとして、水素や水分等の還元性物質に対するブロック性に優れたアルミナ膜を厚さ約２０nmに形成する。
なお、第１絶縁性酸化金属膜５０ａは、水素と水分をブロックする性質を有する絶縁膜であればアルミナ膜に限定されない。そのような絶縁膜としては、アルミナ膜の他に、酸化チタン膜、酸化ジルコニウム膜、酸化マグネシウム膜、及び酸化チタンマグネシウム膜がある。
スパッタ法でこの第１絶縁性酸化金属膜５０ａを形成する際、既述のようにN2Oプラズマ処理によってキャップ絶縁膜４９を十分に脱水してあるため、キャップ絶縁膜４９中の水分によってキャパシタQが蒸し焼きになることはなく、キャパシタ誘電体膜２８ａが水分で劣化するのを防止できる。
次いで、この第１絶縁性酸化金属膜５０ａの上に、低誘電率の中間絶縁膜５０ｂを厚さ約５０nmに形成する。
この中間絶縁膜５０ｂは、第２層間絶縁膜４８を構成する酸化シリコン（比誘電率：約３．８〜４．２）よりも比誘電率が低い材料で構成される。
そのような低誘電率の材料としては、例えば、塗布法により形成し得る多孔質シリカ系材料であるナノクラスタリングシリカ（NCS: Nano Clustering Silica）がある。ナノクリスタリングシリカの比誘電率は約２．２５であり、第２層間絶縁膜４３の比誘電率（３．８〜４．２）よりも低い。なお、絶縁膜の形成方法としての塗布法は、SOD(Spin on Dielectric)法と呼ばれることもある。
また、アプライドマテリアルズ社が開発した酸化シリコン系の「Black Diamond」も中間絶縁膜５０ｂの材料として採用し得る。「Black Diamond」は、トリメチルシランを成膜ガスとして使用するCVD法により形成され、比誘電率が約２．７と低い。
更に、比誘電率が２．５以下となる多孔質MSQ(Methyl Silses Quioxane)で中間絶縁膜５０ｂを構成してもよい。この多孔質MSQも塗布法により膜状に形成し得る。
その後に、この中間絶縁膜５０ｂの上に、第２絶縁性酸化金属膜５０ｃとしてアルミナ膜を厚さ約２０nmに形成する。第１絶縁性酸化金属膜５０ａと同様、第２絶縁性酸化金属膜５０ｃは、水素や水分等の還元性物質がキャパシタ誘電体膜２８ａに侵入するのを阻止し、キャパシタ誘電体膜２８ａが劣化するのを防止する役割を担う。
なお、アルミナ膜に代えて、酸化チタン膜、酸化ジルコニウム膜、酸化マグネシウム膜、及び酸化チタンマグネシウム膜のいずれかを第２絶縁性酸化金属膜５０ｃとして形成してもよい。
以上により、第１、第２絶縁性酸化金属膜５０ａ、５０ｃと中間絶縁膜５０ｂとで構成される第５キャパシタ保護絶縁膜５０が第３層間絶縁膜４９の上に形成されたことになる。
その第５キャパシタ保護絶縁膜５０を構成する中間絶縁膜５０ｂは、第２層間絶縁膜４８よりも比誘電率が低い材料で構成されるため、プラズマCVD法で形成された酸化シリコン膜２２１、２２３（図３参照）と比較して膜応力が弱く引張応力が小さい。そのため、図３で説明したような膜の応力に起因するシリコン基板１０の反りを防止でき、圧電素子であるキャパシタQが応力によって劣化するのを防ぐことが可能となる。
また、この中間絶縁膜５０ｂは、厚さが約５０nmと第２層間絶縁膜４８よりも薄いので、成膜時にその膜中に含まれる水分量が微量である。従って、第２層間絶縁膜４８に対して行ったような脱水のためのN2Oプラズマ処理（図１７参照）は中間絶縁膜５０ｂに対しては不要である。このようにN2Oプラズマ処理を省くことで、中間絶縁膜５０ｂに対してN2Oプラズマ処理を行う場合よりも工程数を低減できるという利点が得られる。
但し、大気に中間絶縁膜５０ｂを長時間曝すと、吸湿によって中間絶縁膜５０ｂ中の水分量が増えてしまう。従って、中間絶縁膜５０ｂを形成してからなるべく１２時間以内に次の工程を行い、中間絶縁膜５０ｂの吸湿を防ぐようにするのが好ましい。
なお、製造上の都合によって、次の工程を行うまでに所定時間、例えば１２時間以上の時間が必要な場合は、中間絶縁膜５０ｂを形成した後に、図３６に示すような密閉容器３００内にシリコン基板１０を保管するのが好ましい。
その密閉容器３００では、基板温度が室温より高く維持される共に、容器内に大気圧よりも高い窒素等の不活性ガスが供給される。このように基板温度を高くすることで、中間絶縁膜５０ｂの吸湿を防ぐことができる。更に、容器内が大気圧よりも高いので、外部の大気が容器内に侵入せず、大気中の水分に中間絶縁膜５０ｂが触れることが無い。
この後に、第５キャパシタ保護絶縁膜５０の上に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法によりカバー絶縁膜５１として酸化シリコン膜を約１００nmの厚さに形成する。このように１００nm程度と薄い厚さであるためカバー絶縁膜５１中の水分量は少なく、また、キャパシタQに不必要にダメージを与えないためにも、N2Oプラズマを用いた脱水処理をカバー絶縁膜５１に対して行う必要は無い。このようにN2Oプラズマ処理を省くことで、カバー絶縁膜５１に対してN2Oプラズマ処理を行う場合よりも工程数を低減できる。
但し、中間絶縁膜５０ｂと同様に、大気中にカバー絶縁膜５１を長時間にわたって放置するとカバー絶縁膜５１が吸湿してしまう。そのため、カバー絶縁膜５１の吸湿を防ぐために、カバー絶縁膜５１を形成してからなるべく１２時間以内に次の工程を行うのが好ましい。
なお、製造上の都合によって、次の工程を行うまでに１２時間以上の時間が必要な場合は、カバー絶縁膜５１を形成した後に、図３６で説明した密閉容器３００内にシリコン基板１０を保管し、カバー絶縁膜５１の吸湿を防ぐのが好ましい。
次に、図２１に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、カバー絶縁膜５１の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、第１金属配線４５の上にホール形状の第７窓５３ａを備えた第３レジストパターン５３を形成する。
次いで、C4F8、Ar、及びO2の混合ガスをエッチングガスにする平行平板型プラズマエッチングチャンバ（不図示）を用い、第７窓５３ａの下の各絶縁膜４６、４８〜５１をエッチングすることにより、第１金属配線４５の上に第３ホール５４ａを形成する。
ここで、第５キャパシタ保護絶縁膜５０を構成する中間絶縁膜５０ｂは、第２層間絶縁膜４８と同様に酸化シリコン系の材料よりなる。そのため、このエッチングでは、中間絶縁膜５０ｂと第２層間絶縁膜４８とでエッチングレートに実質的な差は発生しない。従って、酸化シリコン膜のエッチングにおいてストッパとして機能してしまう窒化シリコン膜をキャパシタ保護絶縁膜に使用する図１の例と比較して、短時間に第３ホール５４ａを開口できると共に、第３ホール５４ａの上端と下端の直径に差が殆ど発生せず、第３ホール５４ａを綺麗な円形の平面形状に形成することが可能となる。
このエッチングが終了後、第３レジストパターン５３は除去される。
なお、このエッチングでは、第１、第２絶縁性酸化金属膜５０ａ、５０ｃは、エッチングガスの化学反応よりもむしろスパッタ作用によってエッチングされる。従って、これらの絶縁性酸化金属膜５０ａ、５０ｃの合計膜厚が厚すぎると、第３ホール５４ａのエッチングが困難となる。
そのため、エッチングによる第３ホール５４ａの形成を容易にするには、第１、第２絶縁性酸化金属膜５０ａ、５０ｃの合計膜厚を１００nm未満、より好ましくは２０nm以上５０nm以下とするのが好ましい。ここで、合計膜厚の下限を２０nmとしたのは、これよりも薄いと第１、第２絶縁性酸化金属膜５０ａ、５０ｃによる還元性物質のブロック性が十分に発揮されないためである。
次に、図２２に示すように、基板温度を約２００℃に保持しながら、第３ホール５４ａの内面とカバー絶縁膜５１の上面にスパッタ法により窒化チタン膜を厚さ約１５０nmに形成し、それを第１グルー膜５６とする。
続いて、六フッ化タングステンガスを使用するプラズマCVD法により、この第１グルー膜５６の上に、第３ホール５４ａを完全に埋め込む厚さ、例えば約６５０nmの厚さのタングステン膜５７ａを形成する。
次いで、図２３に示すように、上記のタングステン膜５７ａをエッチバックしてカバー絶縁膜５１の上面から除去し、第３ホール５４ａ内のみに残す。これにより、第３ホール５４ａ内には、第１金属配線４５と電気的に接続され且つタングステンを主にして構成される第５導電性プラグ５７が形成されたことになる。
なお、この例ではタングステン膜をエッチバックしたが、エッチバックに変えてCMPを採用してもよい。
既述のように、図２１のエッチング工程で第３ホール５４ａを綺麗に開口できるので、第５導電性プラグ５７はホール５４ａの下端において第１金属配線４５と広い接触面積で接続され、第５導電性プラグ５７のコンタクト抵抗を安定化させることが可能となる。
次に、図２４に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、上記の第５導電性プラグ５７と第１グルー膜５６のそれぞれの上面に、スパッタ法により金属積層膜を形成する。その金属積層膜は、例えば、下から厚さ約５５０nmの銅含有アルミニウム膜、厚さ約５nmのチタン膜、そして厚さ約１５０nmの窒化チタン膜である。
その後に、フォトリソグラフィによりこの金属積層膜と第１グルー膜５６とをパターニングして、これらの膜で構成される第２金属配線５８をカバー絶縁膜５１上に形成する。
このパターニングでは、カバー絶縁膜５１上にエッチングの残膜を残さないために、上記の金属積層膜と第１グルー膜５６に対するエッチングをオーバーエッチとする。
このようにオーバーエッチとしても、第５キャパシタ保護絶縁膜５０はカバー絶縁膜５１で覆われているので、上記のパターニングの際に第５キャパシタ保護絶縁膜５０がエッチングされてその膜厚が薄くなるのが防止される。これにより、上記のパターニングを終了した後でも第５キャパシタ保護絶縁膜５０の厚さを十分に維持でき、水素等の還元性物質を第５キャパシタ保護絶縁膜５０で効果的にブロックすることができる。
続いて、図２５に示すように、カバー絶縁膜５１と第２金属配線５８のそれぞれの上に、TEOSガスと酸素との混合ガスを使用するプラズマCVD法で酸化シリコン膜を厚さ約２２００nmに形成し、この酸化シリコン膜を第３層間絶縁膜６２とする。
その後に、第３層間絶縁膜６２の上面をCMPにより研磨して平坦化する。
続いて、図２６に示すように、基板温度３５０℃、処理時間４分の条件で第３層間絶縁膜６２に対してN2Oプラズマ処理を行い、この第３層間絶縁膜６２を脱水すると共にその表面を窒化し、水分の再吸着を防止する。そのN2Oプラズマ処理は、例えばCVD装置を用いて行われる。
次に、図２７に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第３層間絶縁膜６２の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、第２金属配線５８の上にホール形状の第８窓６８ａを備えた第４レジストパターン６８を形成する。
そして、平行平板型プラズマエッチングチャンバ内において、第４レジストパターン６８をマスクにしながら第３層間絶縁膜６２をエッチングすることにより、第２金属配線５８上の第３層間絶縁膜に第４ホール６７ａを形成する。そのエッチングでは、例えば、C4F8、Ar、及びO2の混合ガスがエッチングガスとして使用される。
このエッチングが終了後、第４レジストパターン６８は除去される。
続いて、図２８に示すように、第４ホール６７ａの内面と第３層間絶縁膜６２の上面に、第２グルー膜７０としてスパッタ法により窒化チタン膜を厚さ約５０nmに形成する。そして、第２グルー膜７０の上にCVD法でタングステン膜７１ａを形成し、このタングステン膜７１ａで第４ホール６７ａを完全に埋め込む。そのタングステン膜７１ａは、例えば約６５０nmの厚さに形成される。
次に、図２９に示すように、第３層間絶縁膜６２の上の余分なタングステン膜７１ａをエッチバックして除去し、第４ホール６７ａ内にのみタングステン膜７１ａを第６導電性プラグ７１として残す。なお、エッチバックに代えて、CMP法でタングステン膜７１ａを除去するようにしてもよい。
次に、図３０に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第２グルー膜７０と第６導電性プラグ７１のそれぞれの上面に、下から厚さ約５００nmの銅含有アルミニウム膜、及び厚さ約１５０nmの窒化チタン膜をこの順にスパッタ法に形成する。そして、フォトリソグラフィによりこの金属積層膜とその下の第２グルー膜７０とをパターニングして、セル領域Rcellに第３金属配線７２を形成すると共に、パッド領域Rpadにボンディングパッド７２ａを形成する。
次に、図３１に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第３層間絶縁膜６２と第３金属配線７２のそれぞれの上に、第１パッシベーション膜７５としてCVD法で酸化シリコン膜を約１００nmの厚さに形成する。
なお、第１パッシベーション膜７５に対し、脱水処理と吸湿防止処理のためのN2Oプラズマ処理を行ってもよい。そのN2Oプラズマ処理は、例えばCVD装置内で行われ、その処理条件は基板温度が３５０℃、処理時間が２分である。
更に、この第１パッシベーション膜７５上に、第２パッシベーション膜７６として厚さが約３５０nmの窒化シリコン膜をCVD法で形成する。
そして、これら第１、第２パッシベーション膜７５、７６をパターニングして、パッド領域Rpadのボンディングパッド７２ａが露出する第１開口７６ａを形成する。
次いで、シリコン基板１０の上側全面に、感光性ポリイミドを約３μmの厚さに形成し、ポリイミド塗膜よりなる保護層７７を形成する。次に、保護層７７を露光、現像し、ボンディングパッド７２ａが露出する第２開口７７ａを保護層７７に形成する。その後に、基板温度３１０℃、N2流量１００リットル／分、処理時間４０分の条件で保護層７７を熱硬化する。
図３２は、ここまでの工程を終了した後のシリコン基板１０の拡大平面図である。
図３２に示されるように、シリコン基板１０には複数のチップ領域Rcが画定されており、その各々に既述の周辺回路領域Rperipheral、ロジック回路領域Rlogic、セル領域Rcell、パッド領域Rpadが更に画定される。また、これらの領域以外にも、チップ領域Rcには、セル領域Rcellへの信号の入出力を制御するセル周辺回路領域Rcell peripheralも画定される。
そして、本実施形態では、既述の第５キャパシタ保護絶縁膜５０が、チップ領域Rcの全面に形成される。
但し、第５キャパシタ保護絶縁膜５０の平面レイアウトはこれに限定されない。例えば、キャパシタQへの水分や水素の侵入をブロックできるのなら、図３３のように、セル領域Rcellのみに第５キャパシタ保護絶縁膜５０を形成してもよい。
この後は、各チップ領域Rcの間のスクライブ領域に沿ってシリコン基板１０をダイシングすることにより、シリコン基板１０から複数の半導体チップ（半導体装置）を切り出し、本実施形態の主要工程を終了する。
以上説明した本実施形態によれば、図３１に示すように、第５キャパシタ保護絶縁膜５０として、第１絶縁性酸化金属膜５０ａ、中間絶縁膜５０ｂ、第２絶縁性酸化金属膜５０ｃをこの順に形成してなる積層膜を採用した。
このように、水素や水分の侵入をブロックする膜として第１絶縁性酸化金属膜５０ａと第２絶縁性酸化金属膜５０ｃの二層を用いるので、これらのうちの一層のみを形成する場合よりも水素と水分に対するブロック性が高められる。
なお、本実施形態と同等のブロック性を得るには、第５キャパシタ保護絶縁膜５０に代えて、第１絶縁性酸化金属膜５０ａと第２絶縁性酸化金属膜５０ｃの合計膜厚に等しい単層の絶縁性酸化金属膜を形成することも考えられる。
しかし、本願発明者が行った調査によると、このような単層の絶縁性酸化金属膜を形成する場合よりも、本実施形態の方が半導体チップに不良が発生し難いことが明らかとなった。これは、不良となった半導体チップでは、単層の絶縁性酸化金属膜の一箇所にピンホールが空いただけでも、そのピンホールから水素や水分が浸入してキャパシタ誘電体膜２８ａが劣化するためと考えられる。
これに対し、本実施形態では、図３４の拡大平面図に示されるように、第１絶縁性酸化金属膜５０ａと第２絶縁性酸化金属膜５０ｃの両方にピンホール５０ｘ、５０ｙが形成されても、それらのピンホール５０ｘ、５０ｙが近接して形成される確率が極めて低く、通常はピンホール５０ｘ、５０ｙ同士が離れて形成されるので、一方のピンホール５０ｙから他方のピンホール５０ｘに水分や水素等の還元性物質Pが移動するのに長時間必要となり、還元性物質Pによってキャパシタ誘電体膜２８ａが劣化するまでの時間を稼ぐことができ、半導体チップの寿命を延ばすことができる。
なお、第１絶縁性酸化金属膜５０ａと第２絶縁性酸化金属膜５０ｃを形成するだけなら、本実施形態のようにそれらを第１金属配線４５と第２金属配線５８の層間に形成するのではなく、図３５の比較例のように各膜５０ａ、５０ｃを異なる層に形成することも考えられる。
この比較例では、第１金属配線４５と第２金属配線５８の層間に第１絶縁性酸化金属膜５０ａを形成し、第２金属配線５８と第３金属配線７２との間に第２絶縁性酸化金属膜５０ｃを形成している。
このように各膜５０ａ、５０ｃを異なる層に形成すると、例えば第３層間絶縁膜６２に成膜時に形成されたボイド６２ｘの下方と上方に、それぞれ第１絶縁性酸化金属膜５０ａと第２絶縁性酸化金属膜５０ｃが存在することになる。
ところが、ボイド６２ｘには水分が溜まっていることがあるので、第３金属配線７２等を形成する際の熱によってその水分が気化し、各膜５０ａ、５０ｃによって行き場を失った水分が最終的に第１絶縁性酸化金属膜５０ａを透過してキャパシタ誘電体膜２８ａを劣化させてしまう。
なお、ボイド６２ｘの発生を防ぐために、本実施形態のようにTEOSガスを使用する通常のプラズマCVD法に代えて、シラン(SiH4)ガスを使用するHDPCVD(High Density Plasma CVD)法により、埋め込み性の良い第３層間絶縁膜６２を形成することも考えられる。しかし、HDPCVD法では、成膜雰囲気中に水素プラズマが高密度で存在し、更にシリコン基板１０側に印加されたプラズマによってその水素プラズマがキャパシタQに引き付けられるため、キャパシタ誘電体膜２８ａが水素に曝されて劣化し易く、FeRAMの製造プロセスには不向きである。
これに対し、本実施形態では、第１金属配線４５と第２金属配線５８の層間に第１、第２絶縁性酸化金属膜５０ａ、５０ｃを形成するため、これらの膜５０ａ、５０ｂの間の中間絶縁膜５０ｃを薄くできる。そのため、中間絶縁膜５０ｃに既述のボイドが形成される余地が無くなり、ボイドに溜まった水によってキャパシタ誘電体膜２８ａが劣化するのを防ぐことができる。
更に、第５キャパシタ保護絶縁膜５０の中間絶縁膜５０ｂは、酸化シリコンよりなる第２層間絶縁膜４８と同様に酸化シリコン系の材料、すなわちシリコンと酸素とで主に構成され窒素を含まない材料で構成される。そのため、図２１を参照して説明したように、エッチングにより第３ホール５４ａを形成する際、中間絶縁膜５０ｂと第２層間絶縁膜４８との間にエッチングレートに実質的な差は発生しない。従って、エッチングし難い窒化シリコン膜をキャパシタ保護絶縁膜に使用する図１の例よりも短時間に第３ホール５４ａを開口できると共に、第３ホール５４ａを綺麗に形成することができ、第３ホール５４ａ内に形成される第５導電性プラグ５７のコンタクト抵抗を安定化させることが可能となる。
（２）第１実施形態の変形例
次に、上記した第１実施形態の変形例について、図３７及び図３８を参照して説明する。なお、これらの図において、第１実施形態で説明した要素には第１実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
次に、上記した第１実施形態の変形例について、図３７及び図３８を参照して説明する。なお、これらの図において、第１実施形態で説明した要素には第１実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
第１変形例
図３７は、第１実施形態の第１変形例に係る半導体装置の断面図である。
図３７は、第１実施形態の第１変形例に係る半導体装置の断面図である。
第１変形例では、第３層間絶縁膜６２と第３金属配線７２との間に、第３キャップ絶縁膜４９、第５キャパシタ保護絶縁膜５０、及びカバー絶縁膜５１を形成する。
この場合、第４ホール６７ａは、これらの絶縁膜４９〜５１にも形成されることになる。
第５キャパシタ保護絶縁膜５０を構成する中間絶縁膜５０ｂが第３層間絶縁膜６２と同様に酸化シリコン系の材料で構成されるので、エッチングにより第４ホール６７ａを形成する際、中間絶縁膜５０ｂと第３層間絶縁膜６２との間でエッチングレートに実質的な差が発生しない。
そのため、本例では、第４ホール６７ａの下端の直径が上端のそれと同程度に大きくなり、第６導電性プラグ７１のコンタクト抵抗を安定化させることが可能となる。
第２変形例
図３８は、第１実施形態の第２変形例に係る半導体装置の断面図である。
図３８は、第１実施形態の第２変形例に係る半導体装置の断面図である。
第２変形例では、第１層間絶縁膜３５と第１金属配線４５との間に、第５キャパシタ保護絶縁膜５０とカバー絶縁膜５１を形成する。
このようにすると、第１層間絶縁膜３５の第１、第２ホール３５ａ、３５ｂが絶縁膜５０、５１にも形成されることになる。但し、第５キャパシタ保護絶縁膜５０の中間絶縁膜５０ｂと第１層間絶縁膜３５が共に酸化シリコン系の材料で構成されるので、第１、第２ホール３５ａ、３５ｂをエッチングで形成する際、中間絶縁膜５０ｂと第１層間絶縁膜３５とでエッチングレートに実質的な差が生じない。よって、第１、第２ホール３５ａ、３５ｂの底部を十分に大きく形成することができ、これらのホール３５ａ、３５ｂ内に埋め込まれた第１金属配線４５のコンタクト抵抗を安定化させることが可能となる。
なお、エッチングにより第１、第２ホール３５ａ、３５ｂを形成する際、エッチングガスのスパッタ作用でエッチングされる第３キャパシタ保護絶縁膜３０と第１、第２絶縁性酸化金属膜５０ａ、５０ｃの合計膜厚が厚すぎると、これらのホール３５ａ、３５ｂのエッチングが困難となる。そのため、第３キャパシタ保護絶縁膜３０と第１、第２絶縁性酸化金属膜５０ａ、５０ｃの合計膜厚を１００nm未満とし、エッチングによる第１、第２ホール３５ａ、３５ｂの形成を容易にするのが好ましい。
図６５は、本実施形態における下部電極２７ａと第１金属配線４５とのコンタクト抵抗についての調査結果を示すグラフである。
なお、このグラフにおける左側の縦軸は、１００個のキャパシタQにおけるコンタクト抵抗の平均値であり、右側の縦軸はその３σ（標準偏差の３倍）である。
また、このグラフでは、比較のために、図１で説明した従来例１と、図３で説明した従来例２の結果も併記してある。更に、第５キャパシタ保護絶縁膜５０を形成しない場合の調査結果も併記した。
図６５に示すように、従来例１と従来例２のどちらよりも本実施形態の方がコンタクト抵抗が小さい。これは、上記のように、中間絶縁膜５０ｂとして、第１層間絶縁膜３５と同様の酸化シリコン系の材料よりなる絶縁膜を形成したためである。
図６６は、本実施形態における上部電極２９ａと第１配線４５とのコンタクト抵抗についての調査結果を示すグラフである。なお、図６６における縦軸の意味は図６５のそれと同様なので省略する。
図６６に示されるように、上部電極２９ａとのコンタクト抵抗についても、本実施形態の方が従来例１、２と比較して小さくなる。
図６７は、本実施形態に従って平面形状が５０μm×５０μmの正方形の複数のキャパシタQを孤立して形成し、そのキャパシタQの残留分極電荷量（Qsw）を調査して得られたグラフである。このグラフにおける左側の縦軸は、ウエハ内の８０個のキャパシタQにおける残留分極量の平均値であり、右側の縦軸はその３σである。
図６７に示されるように、残留分極電荷量（Qsw）については、本実施形態が従来例１、２よりも大きくなった。
図６８は、本実施形態のセル領域Rcellに形成された１２００個のキャパシタのうち、ウエハ内の８０個のキャパシタQの平均の残留分極電荷量（Qsw）を調査して得られたグラフであり、その縦軸の意味は図６７と同様である。
図６８に示されるように、セル領域RcellにおけるキャパシタQについても、本実施形態が従来例１、２よりも大きくなった。
図６９は、本実施形態に係る半導体装置の不良率の調査結果である。
半導体装置の寿命は、通常は１０年間保証する必要があるので、図６９において３３６時間で不良率が０％になればこの要求を満たすことができる。
第５キャパシタ保護絶縁膜５０を形成しない場合では、１６８時間を経過したときに不良率が５０％ととなり、３３６時間を経過したときには８０％の不良となってしまい、上記の要求を満たすことができない。
一方、本実施形態では、従来例１、２と同様に、３３６時間を経過しても不良率が０％であるため、半導体装置の保証期間を１０年とすることができる。
上記した図６５〜図６９の結果から、本実施形態によれば、従来例１、２と同等の長期信頼性を保ちつつ、第１金属配線４５と各電極２７ａ、２９ａとのコンタクト抵抗を低減することが可能となる。
（３）第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体装置について説明する。
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体装置について説明する。
図３９〜図４６は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。なお、これらの図において、第１実施形態で説明したのと同じ要素に第１実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
最初に、図３９に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第１実施形態で説明した図４〜図８の工程を行った後、第１層間絶縁膜３５の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第１レジストパターン３７を形成する。
次いで、その第１レジストパターン３７の第１〜第４窓３７ａ〜３７ｄを通じて第１層間絶縁膜３５からエッチングストッパ膜２４までをドライエッチングすることにより、これらの絶縁膜に第１〜第４下部コンタクトホール８０ａ〜８０ｄを形成する。
このドライエッチングは、平行平板型プラズマエッチング装置（不図示）において３ステップのエッチングで行われる。その第１ステップのエッチングでは、C4F8、O2、及びArの混合ガスをエッチングガスとして使用し、第１層間絶縁膜３５から下地絶縁膜２５までをエッチングする。このエッチングはエッチングストッパ膜２４上で停止し、エッチングストッパ膜２４はエッチングされない。
次の第２ステップでは、エッチングガスとしてO2とArとの混合ガスを用い、これらのガスのスパッタ作用により、第１ステップでホール内に生じたエッチング生成物を除去する。
そして、第３ステップのエッチングでは、C4F8、CF4、O2、及びArの混合ガスをエッチングガスにしてエッチングストッパ膜２４がエッチングされる。
上記のエッチングが終了後、第１レジストパターン３７は除去される。
次に、図４０に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第１〜第４下部コンタクトホール８０ａ〜８０ｄの内面と第１層間絶縁膜３５の上面に、スパッタ法によりチタン膜と窒化チタン膜をそれぞれ厚さ２０nm、５０nmに形成し、これらの膜をグルー膜とする。そして、このグルー膜の上に、六フッ化タングステンガスを使用するCVD法でタングステン膜を形成し、このタングステン膜で第１〜第４下部コンタクトホール８０ａ〜８０ｄを完全に埋め込む。
その後に、第１層間絶縁膜３５上の余分なグルー膜とタングステン膜とをCMP法で研磨して除去し、これらの膜を第１〜第４下部コンタクトホール８０ａ〜８０ｄ内にそれぞれ第１〜第４下部導電性プラグ８１ａ〜８１ｄとして残す。
これらの導電性プラグのうち、セル領域Rcellに形成された第１、第２下部導電性プラグ８１ａ、８１ｂは、それぞれ第１、第２ソース／ドレイン領域１９ａ、１９ｂと電気的に接続される。一方、ロジック回路領域Rlogicに形成された第３下部導電性プラグ８１ｃは第３ソース／ドレイン領域１９ｃと電気的に接続される。そして、周辺回路領域Rperipheralに形成された第４下部導電性プラグ８１ｄは配線１６と電気的に接続される。
次に、図４１に示すように、第１層間絶縁膜３５と第１〜第４下部導電性プラグ８１ａ〜８１ｄのそれぞれの上面に、第３キャパシタ保護絶縁膜３０としてアルミナ膜をスパッタ法で５０〜１００nmの厚さに形成する。
第１実施形態で説明したように、この第３キャパシタ保護絶縁膜３０は、水分や水素等の還元性物質をブロックし、これらの物質によってキャパシタ誘電体膜２８ａが劣化するのを防止する役割を担う。
更に、この第３キャパシタ保護絶縁膜３０の上に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により、第２キャップ絶縁膜３２として酸化シリコン膜を厚さ約２００〜３００nmに形成する。
続いて、図４２に示すように、第２キャップ絶縁膜３２上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、上部電極２９ａと下部電極２７ａのそれぞれの上にホール形状の第５、第６窓４３ａ、４３ｂを備えた第２レジストパターン４３を形成する。
そして、この第２レジストパターン４３をマスクにしながら、第２キャップ絶縁膜３２、第１層間絶縁膜３５、及び第１〜第３キャパシタ保護絶縁膜３１、３３、３０をエッチングすることにより、上部電極２９ａの上に第１ホール３５ａを形成すると共に、下部電極２７ａのコンタクト領域上に第２ホール３５ｂを形成する。
そして、第２レジストパターン４３を除去した後、ここまでの工程でキャパシタ誘電体膜２８ａが受けたダメージを回復させるために、酸素含有雰囲気となっている縦型炉にシリコン基板１０を入れ、基板温度５００℃、処理時間６０分の条件で、キャパシタ誘電体膜２８ａに対して回復アニールを施す。このとき、酸素の流量は例えば２０リットル／分とされる。
このように酸素雰囲気中でアニールを行っても、第３キャパシタ保護絶縁膜３０が酸素の侵入を阻止するので、第１〜第４下部導電性プラグ８１ａ〜８１ｄの酸化を防止することができる。
次に、図４３に示すように、第２キャップ絶縁膜３２上と第１、第２ホール３５ａ、３５ｂ内にフォトレジストを塗布し、そのフォトレジストを露光、現像して第５レジストパターン８４を形成する。
図示のように、その第５レジストパターン８４は、第１〜第４下部導電性プラグ８１ａ〜８１ｄの上に第９〜第１２窓８４ａ〜８４ｄを備える。
そして、第５レジストパターン８４をマスクにして第２キャップ絶縁膜３２と第３キャパシタ保護絶縁膜３０とをエッチングすることにより、第１〜第４下部導電性プラグ８１ａ〜８１ｄの上のこれらの絶縁膜に第１〜第４上部コンタクトホール３２ａ〜３２ｄを形成する。
このエッチングを終了後、第５レジストパターン８４は除去される。
本実施形態では、第１〜第４下部導電性プラグ８１ａ〜８１ｄの上に直接第３キャパシタ保護絶縁膜３０を形成したので、第３キャパシタ保護絶縁膜３０によってこれらの導電性プラグ８１ａ〜８１ｄが酸素雰囲気から保護され、このエッチングが行われるまで各導電性プラグ８１ａ〜８１ｄが酸化してコンタクト不良が発生するのを抑制できる。
続いて、図４４に示すように、第１〜第４上部コンタクトホール３２ａ〜３２ｄ内に第１〜第４上部導電性プラグ８６ａ〜８６ｄを形成すると共に、第１、第２ホール３５ａ、３５ｂ内にそれぞれ上部電極用導電性プラグ８６ｅと下部電極用導電性プラグ８６ｆとを形成する。
これらの導電性プラグ８６ａ〜８６ｆは、例えば、窒化チタン膜等のグルー膜とタングステン膜とを上部コンタクトホール３２ａ〜３２ｄ内と第１、第２ホール３５ａ、３５ｂ内とに形成し、第２キャップ絶縁膜３２上の不要なグルー膜とタングステン膜とをCMP法により研磨して除去することで形成される。
また、第１〜第４上部導電性プラグ８６ａ〜８６ｄは、その下の第１〜第４下部導電性プラグ８１ａ〜８１ｄとそれぞれ電気的に接続される。そして、上部電極用導電性プラグ８６ｅと下部電極用導電性プラグ８６ｆは、それぞれ上部電極２９ａと下部電極２７ａとに電気的に接続される。
次に、図４５に示すように、第２キャップ絶縁膜３２と導電性プラグ８６ａ〜８６ｆのそれぞれに金属積層膜を形成し、この金属積層膜をパターニングして第１金属配線４５を形成する。その金属積層膜として、例えば、約１５０nmの厚さの窒化チタン膜、約５５０nmの厚さの銅含有アルミニウム膜、約５nmの厚さのチタン膜、及び約１５０nmの厚さの窒化チタン膜をこの順に形成する。
この後は、第１実施形態で説明した図１５〜図３１の工程を行うことにより、図４６に示すような本実施形態に係る半導体装置の基本構造を完成させる。
以上説明した本実施形態によれば、図４６に示されるように、第１〜第３ソース／ドレイン領域１９ａ〜１９ｃの上の導電性プラグを、第１〜第４下部導電性プラグ８１ａ〜８１ｄと第１〜第４上部導電性プラグ８６ａ〜８６ｄの二段に分けて形成した。
これによれば、第１実施形態の図１１の工程のようにコンタクトホール３８ａ〜３８ｄを一括エッチングによって形成する場合と比較して、図３９における第１〜第４下部コンタクトホール８０ａ〜８０ｄの形成する際のエッチング量が少なくなる。
そのため、図３９の工程において、第１〜第４下部コンタクトホール８０ａ〜８０ｄを完全に開口させるために行われるオーバーエッチングが過剰になるのが防止される。これにより、例えば第１コンタクトホール８０ａが第１ソース／ドレイン領域１９ａからずれて素子分離絶縁膜１１に重なって形成されても、第１コンタクトホール８０ａが素子分離絶縁膜１１を貫通してシリコン基板１０に至る危険性を低減することができる。
しかも、第１実施形態と同様に、第５キャパシタ保護絶縁膜５０（図４６参照）に、水素や水分等の還元性物質の侵入を阻止する二層の第１、第２絶縁性酸化金属膜５０ａ、５０ｂが形成されるので、還元性物質によってキャパシタ誘電体膜２８ａが劣化するのを効果的に防止することができる。
更に、その第５キャパシタ保護絶縁膜５０を構成する中間絶縁膜５０ｂが、第２層間絶縁膜４８と同じ酸化シリコン系の低誘電率材料で構成されるので、中間絶縁膜５０ｂと第２層間絶縁膜４８とが略同じエッチングレートを有するようになり、エッチングによってこれらの絶縁膜に第３ホール５４ａを綺麗に開口できる。その結果、第３ホール５４ａ内の第５導電性プラグ５７が第１金属配線４５と広い接触面積で接続され、第５導電性プラグ５７のコンタクト抵抗を安定化させることが可能となる。
（４）第２実施形態の変形例
次に、上記した第２実施形態の変形例について、図４７及び図４８を参照して説明する。なお、これらの図において、第２実施形態で説明した要素には第２実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
次に、上記した第２実施形態の変形例について、図４７及び図４８を参照して説明する。なお、これらの図において、第２実施形態で説明した要素には第２実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
第１変形例
図４７は、第２実施形態の第１変形例に係る半導体装置の断面図である。
図４７は、第２実施形態の第１変形例に係る半導体装置の断面図である。
第１変形例では、第３層間絶縁膜６２と第３金属配線７２との間に、第３キャップ絶縁膜４９、第５キャパシタ保護絶縁膜５０、及びカバー絶縁膜５１を形成する。
この場合、第４ホール６７ａは、これらの絶縁膜４９〜５１にも形成されることになる。
第５キャパシタ保護絶縁膜５０を構成する中間絶縁膜５０ｂが第３層間絶縁膜６２と同様に酸化シリコン系の材料で構成されるので、エッチングにより第４ホール６７ａを形成する際、中間絶縁膜５０ｂと第３層間絶縁膜６２との間でエッチングレートに実質的な差が発生しない。
そのため、第４ホール６７ａの下端の直径が上端のそれと同程度に大きくなり、第６導電性プラグ７１のコンタクト抵抗を安定化させることができる。
第２変形例
図４８は、第２実施形態の第２変形例に係る半導体装置の断面図である。
図４８は、第２実施形態の第２変形例に係る半導体装置の断面図である。
第２変形例では、第１層間絶縁膜３５と第１金属配線４５との間に、第５キャパシタ保護絶縁膜５０とカバー絶縁膜５１を形成する。
この場合、第１層間絶縁膜３５の第１、第２ホール３５ａ、３５ｂや、図４３で説明した第１〜第４上部コンタクトホール３２ａ〜３２ｄが絶縁膜５０、５１にも形成されることになる。
このようにしても、第５キャパシタ保護絶縁膜５０の中間絶縁膜５０ｂと第１層間絶縁膜３５が共に酸化シリコン系の材料で構成されるので、上記のホール３２ａ〜３２ｄ、３５ａ、３５ｂをエッチングで形成する際、中間絶縁膜５０ｂと第１層間絶縁膜３５とでエッチングレートに実質的な差が生じない。よって、各ホール３２ａ〜３２ｄ、３５ａ、３５ｂの底部を十分に大きく形成することができ、これらのホール内に埋め込まれた導電性プラグ８６ａ〜８６ｆのコンタクト抵抗を安定化させることが可能となる。
（５）第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態に係る半導体装置について、その製造工程を追いながら説明する。
次に、本発明の第３実施形態に係る半導体装置について、その製造工程を追いながら説明する。
図４９〜図６２は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。これらの図では、一つの半導体チップにおけるセル領域Rcellとパッド領域Rpadとを併記してある。
この半導体装置は、微細化に有利なスタック型のFeRAMであって、以下のようにして作製される。
最初に、図４９（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、n型又はp型のシリコン基板１０１表面に、トランジスタの活性領域を画定するSTI用の溝を形成し、その中に酸化シリコン等の絶縁膜を埋め込んで素子分離絶縁膜１０２とする。なお、素子分離構造はSTIに限られず、LOCOS法で素子分離絶縁膜１０２を形成してもよい。
次いで、シリコン基板１０１の活性領域にp型不純物を導入してpウェル１０３を形成した後、その活性領域の表面を熱酸化することにより、ゲート絶縁膜１０４となる熱酸化膜を形成する。
続いて、シリコン基板１０１の上側全面に非晶質又は多結晶のシリコン膜を形成し、これらの膜をフォトリソグラフィによりパターニングして二つのゲート電極１０５を形成する。
pウェル１０３上には、上記の２つのゲート電極１０５が間隔をおいて平行に配置され、それらのゲート電極１０５はワード線の一部を構成する。
次いで、ゲート電極１０５をマスクにするイオン注入により、ゲート電極１０５の横のシリコン基板１０１にn型不純物を導入し、第１、第２ソース／ドレインエクステンション１０６ａ、１０６ｂを形成する。
その後に、シリコン基板１０１の上側全面に絶縁膜を形成し、その絶縁膜をエッチバックしてゲート電極１０５の横に絶縁性サイドウォール１０７を形成する。その絶縁膜として、例えばCVD法により酸化シリコン膜を形成する。
続いて、絶縁性サイドウォール１０７とゲート電極１０５をマスクにしながら、シリコン基板１０１にn型不純物を再びイオン注入することにより、二つのゲート電極１０５の側方のシリコン基板１の表層に第１、第２ソース／ドレイン領域１０８ａ、１０８ｂを形成する。
次に、シリコン基板１０１の上側全面に、スパッタ法によりコバルト層等の高融点金属層を形成した後、この高融点金属層を加熱してシリコンと反応させ、シリコン基板１０１上に高融点金属シリサイド層１０９を形成する。その高融点金属シリサイド層１０９はゲート電極１０５の表層部分にも形成され、それによりゲート電極１０５が低抵抗化されることになる。
その後、素子分離絶縁膜１０２の上等で未反応となっている高融点金属層をウエットエッチングして除去する。
ここまでの工程により、シリコン基板１０１の活性領域には、ゲート絶縁膜１０４、ゲート電極１０５、及び第１、第２ソース／ドレイン領域１０８ａ、１０８ｂによって構成される第１、第２MOSトランジスタTR1、TR2が形成されたことになる。
続いて、図４９（ｂ）に示すように、プラズマCVD法によりシリコン基板１０１の上側全面に酸窒化シリコン膜を厚さ約８０nmに形成し、それをエッチングストッパ膜１１０とする。次いで、このエッチングストッパ膜１１０の上に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により下地絶縁膜１１１として酸化シリコン膜を厚さ約１１００nmに形成する。
そして、上記の下地絶縁膜１１１の上面をCMP法により研磨して平坦化する。このCMPの結果、下地絶縁膜１１１の厚さは、シリコン基板１０１の平坦面上で約８００nmとなる。
その後に、フォトリソグラフィにより下地絶縁膜１１１とエッチングストッパ膜１１０とをパターニングして、第１ソース／ドレイン領域１０８ａの上のこれらの絶縁膜に第１コンタクトホール１１１ａを形成する。そのパターニングは、下地絶縁膜１１１に対するエッチングと、エッチングストッパ膜１１０に対するエッチングの２ステップのエッチングにより行われる。
続いて、下地絶縁膜１１１の上面と第１コンタクトホール１１１ａの内面とに、スパッタ法により厚さ約３０nmのチタン膜と厚さ約５０nmの窒化チタン膜とを順に形成し、これら膜をグルー膜とする。
更に、六フッ化タングステンガスを使用するCVD法を用いて、このグルー膜上にタングステン膜を形成し、このタングステン膜により第１コンタクトホール１１１ａを完全に埋め込む。
そして、下地絶縁膜１１１上の余分なグルー膜とタングステン膜とを研磨して除去し、これらの膜を第１コンタクトホール１１１ａ内に第１導電性プラグ１１３ａとして残す。
ここで、タングステンを主にして構成される第１導電性プラグ１１３ａは、酸素に触れると容易に酸化してコンタクト不良を起こし易い。
そこで、第１導電性プラグ１１３ａと下地絶縁膜１１１のそれぞれの上面に酸化防止絶縁膜１１２として酸窒化シリコン膜を厚さ約１００nmに形成し、この酸化防止絶縁膜１１２により第１導電性プラグ１１３ａを酸素雰囲気から保護する。
次に、図４９（ｃ）に示すように、各絶縁膜１１０〜１１２をパターニングし、第２ソース／ドレイン領域１０８ｂ上のこれらの絶縁膜に第２コンタクトホール１１１ｂを形成する。このパターニングは、酸化防止絶縁膜１１２に対するエッチング、下地絶縁膜１１１に対するエッチング、及びエッチングストッパ膜１１０に対するエッチングの３ステップのエッチングによって行われる。
そして、第１導電性プラグ１１３ａの形成方法と同じ方法を採用し、第２コンタクトホール１１１ｂ内に第２導電性プラグ１１３ｂを形成する。
次いで、図５０（ａ）に示すように、第２導電性プラグ１１３ｂと酸化防止絶縁膜１１２の上面に、DCスパッタ法によりイリジウム膜を厚さ約２００nmに形成し、そのイリジウム膜を第１導電膜１２１とする。そのイリジウム膜の成膜条件は特に限定されないが、本実施形態では、スパッタガスとしてアルゴンガスを使用し、チャンバ内圧力を約０．１１Pa、DCパワーを０．５kW、成膜時間を３３５秒、基板温度５００とする。
更に、第１導電膜１２１の上に、MOCVD法に強誘電体膜１２２としてPZT膜を厚さ約１２０nmに形成する。そのMOCVD法では、例えば、テトラヒドロフラン(THF: C4H8O)の流量を０．４７４ml／分、THF中にPb(DPM)2を０．３mol／lの濃度で溶解してなるPb原料の流量を０．３２６ml／分、THF中にZr(dmhd)4を０．３mol／lの濃度で溶解してなるZr原料の流量を０．２ml／分、THF中にTi(O-iPr)2(DPM)2を０．３mol／lの濃度で溶解してなるZr原料の流量を０．２ml／分とする。また、成膜圧力は約５Torr、基板温度は約６２０℃、成膜時間は約６２０秒である。
なお、強誘電体膜１２２の成膜方法としては、MOCVD法の他に、スパッタ法やゾル・ゲル法もある。更に、強誘電体膜１２２の材料は上記のPZTに限定されず、SrBi2Ta2O9、SrBi2(Ta, Nb)2O9等のBi層状構造化合物や、PZTにランタンをドープしたPLZT、或いはその他の金属酸化物強誘電体で強誘電体膜１２２を構成してもよい。
次いで、強誘電体膜１２２の上に、スパッタ法により酸化イリジウム膜を２００nmの厚さに形成し、それを第２導電膜１２３とする。
その後に、第２導電膜１２３の形成時に強誘電体膜１２２が受けたダメージを回復させるために、酸素含有雰囲気となっているファーネス内において基板温度５００℃、処理時間６０分間の条件で回復アニールを行う。
続いて、図５０（ｂ）に示すように、キャパシタ上部電極形状のハードマスク（不図示）をエッチングマスクにしながら、第１導電膜１２１、強誘電体膜１２２、及び第２導電膜１２３を一括してドライエッチングすることにより、下部電極１２１ａ、キャパシタ誘電体膜１２２ａ、及び上部電極１２３ａを順に積層してなるキャパシタQを形成する。そのドライエッチングでは、例えば、ハロゲンガスを含むエッチングガスが使用される。
次に、図５１（ａ）に示すように、シリコン基板１０１の上側全面に、例えばTMA（トリメチルアルミニウム）とO3との混合ガスを使用するALD(Atomic Layer Deposition)法により、厚さ約２０nmのアルミナ膜を形成し、このアルミナ膜を第１キャパシタ保護絶縁膜１４０とする。
この第１キャパシタ保護絶縁膜１４０は、水素等の還元性物質をブロックし、キャパシタ誘電体膜１２２ａが還元されて劣化するのを防止するように機能する。このような機能を有する膜には、アルミナ膜の他に、酸化チタン膜、酸化ジルコニウム膜、酸化マグネシウム膜、及び酸化チタンマグネシウム膜があり、これらのいずれかを第１キャパシタ保護絶縁膜１４０として形成してもよい。
その後に、ここまでの工程でキャパシタ誘電体膜１２２ａが受けたダメージを回復させるための回復アニールを行う。その回復アニールは、ファーネスを使用し、酸素含有雰囲気中において基板温度を約５６０℃として行われる。
続いて、図５１（ｂ）に示すように、例えばTEOSガスを使用するプラズマCVD法におより、第１キャパシタ保護絶縁膜１４０の上に酸化シリコン膜を形成し、その酸化シリコン膜を第１層間絶縁膜１４１とする。
この後に、CMP法により層間絶縁膜１４１の上面を研磨して平坦化する。このCMPにより、層間絶縁膜１４１の厚さは、上部電極１２３ａ上で約３００nmとなる。
なお、この層間絶縁膜１４１の上にカバー絶縁膜を形成してもよい。そのカバー絶縁膜は、CMPの際に層間絶縁膜１４１の上面に形成されたマイクロスクラッチや、隣接するキャパシタQの間の層間絶縁膜１４１に発生したボイドを埋め込むために形成されるものであって、このようなカバー絶縁膜を形成することでその上に形成される膜の被膜性が向上する。そのカバー絶縁膜としては、例えば、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により形成された厚さ約５０nmの酸化シリコン膜を採用し得る。
次いで、図５２（ａ）に示すように、還元性物質からキャパシタ誘電体膜１２２ａを保護するための第２キャパシタ保護絶縁膜１４２として、アルミナ膜をスパッタ法で厚さ約４０nmに形成する。
なお、この層間キャパシタ保護絶縁膜１４２を形成する前に、第１層間絶縁膜１４１に対してN2Oプラズマを用いた脱水アニールを行ってもよい。
また、第２キャパシタ保護絶縁膜１４２はアルミナ膜に限定されず、アルミナ膜、酸化チタン膜、窒化シリコン膜、及び酸窒化シリコン膜の単層膜、或いはこれらの膜の積層膜を層間キャパシタ保護絶縁膜１４２として形成してもよい。
続いて、図５２（ｂ）に示すように、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により、第２キャパシタ保護絶縁膜１４２の上に第１カバー絶縁膜１４３として酸化シリコン膜を厚さ約１００〜１５０nmに形成する。
次に、図５３（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第１カバー絶縁膜１４３上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、上部電極１２３ａ上にホール形状の第１窓１４４ａを備えた第１レジストパターン１４４を形成する。
そして、上記の第１窓１４４ａを通じて各絶縁膜１４０〜１４３をエッチングして、これらの絶縁膜に上部電極１２３ａに至る深さの第１ホール１４５を形成する。このエッチングの条件は特に限定されないが、本実施形態では、平行平板型プラズマエッチングチャンバ（不図示）を用い、C4F8、Ar、及びO2の混合ガスをエッチングガスとして使用する。
そして、第１レジストパターン１４４を除去した後に、ここまでの工程でキャパシタ誘電体膜１２２ａが受けたダメージを回復させるため、不図示のファーネス内にシリコン基板１を入れ、酸素雰囲気中で基板温度を５５０℃とする回復アニールを約４０分間行う。
続いて、図５３（ｂ）に示すように、シリコン基板の上側全面に第２レジストパターン１５０を形成する。その第２レジストパターン１５０は、第１導電性プラグ１１３ａの上にホール形状の第２窓１５０ａを有する。
そして、第２窓１５０ａを通じて各絶縁膜１１２、１４０〜１４３をエッチングすることにより、第１導電性プラグ１１３ａが露出する第２ホール１４１ａを形成する。このようなエッチングは、例えばC4F8、Ar、O2、及びCOの混合ガスをエッチングガスとする平行平板プラズマエッチングチャンバ内において行われる。
ここで、第１導電性プラグ１１３ａは、このエッチングが行われるまで酸化防止絶縁膜１１２で覆われていたので、ここまでの各工程において酸素雰囲気から隔離され、酸化に伴うコンタクト不良が発生し難い。
このエッチングを終了後、第２レジストパターン１５０は除去される。
次に、図５４（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第１カバー絶縁膜１４３の上面と、第１、第２ホール１４５、１４１ａのそれぞれの内面に、スパッタ法によりグルー膜として窒化チタン膜を約５０nmの厚さに形成する。そして、このグルー膜の上に、第２、第３ホール１４５、１４１ａを埋め込むのに十分な厚さ、例えば第１カバー絶縁膜１４３の平坦面上での厚さが３００nmとなるタングステン膜を形成する。
その後に、第１カバー絶縁膜１４３上の余分なグルー膜とタングステン膜とをCMP法により研磨して除去し、これらの膜を第１、第２ホール１４５、１４１ａ内にそれぞれ第３、第４導電性プラグ１４７ａ、１４７ｂとして残す。
これらの導電性プラグのうち、第３導電性プラグ１４７ａは、第１導電性プラグ１１３ａと電気的に接続され、その第１導電性プラグ１１３ａと共にビット線の一部を構成する。一方、第４導電性プラグ１４７ｂは上部電極１２３ａと電気的に接続される。
次に、図５４（ｂ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第１カバー絶縁膜１４３と第３、第４導電性プラグ１４７ａ、１４７ｂのそれぞれの上面に、スパッタ法により金属積層膜を形成する。その金属積層膜は、例えば、厚さ約５０nmの窒化チタン膜、厚さ約３６０nmのアルミニウム膜、及び厚さ約７０nmの窒化チタン膜をこの順に積層してなる。
その後に、フォトリソグラフィによりこの金属積層膜をパターニングして、第３、第４導電性プラグ１４７ａ、１４７ｂのそれぞれと電気的に接続される第１金属配線１５２を形成する。
ここで、金属積層膜に対するパターニングでは、第１カバー絶縁膜１４３の上に金属積層膜のエッチング残渣を残さないようにするためにオーバーエッチングが行われる。このようにオーバーエッチングをしても、第１キャパシタ保護絶縁膜１４２は、第１カバー絶縁膜１４３によって覆われているのでエッチングされない。これにより、金属積層膜のパターニングが終わった後でも第１キャパシタ保護絶縁膜１４２の厚さが減らず、第１キャパシタ保護絶縁膜１４２における還元性物質の阻止能力を十分に維持することが可能となる。
次に、図５５に示すように、第１カバー絶縁膜１４３と第１金属配線１５２のそれぞれの上に、第３キャパシタ保護絶縁膜１５１としてアルミナ膜をスパッタ法で約２０nmの厚さに形成する。この第３キャパシタ保護絶縁膜１５１は、水素や水分等の還元性物質をブロックし、キャパシタ誘電体膜１２２ａが還元性物質によって劣化するのを防止する機能を有する。
このような機能を有する膜には、アルミナ膜の他に、酸化チタン膜、酸化ジルコニウム膜、酸化マグネシウム膜、及び酸化チタンマグネシウム膜があり、これらのいずれかを第３キャパシタ保護絶縁膜１５１として形成してもよい。
なお、第３キャパシタ保護絶縁膜１５１を形成しなくてもキャパシタ誘電体１２２ａが劣化しないなら、第３キャパシタ保護絶縁膜１５１を省いてもよい。
次いで、第３キャパシタ保護絶縁膜１５１の上に、プラズマCVD法により第２層間絶縁膜１５３として酸化シリコン膜を形成する。このプラズマCVD法では、反応ガスとしてTEOSガスが使用され、第１金属配線１５２の上における第２層間絶縁膜１５３の厚さは約２６００nmとされる。
そして、CMP法により第２層間絶縁膜１５３の上面を研磨して平坦化した後、第２層間絶縁膜１５３の表面に対してN2Oプラズマ処理を行うことにより、第２層間絶縁膜１５３を脱水する共に、その表面を窒化して水分の再吸着を防止する。このN2Oプラズマ処理は、CVD装置内において基板温度約３５０℃、処理時間約４分の条件で行われる。
なお、この第２層間絶縁膜１５３の上にカバー絶縁膜を形成してもよい。そのカバー絶縁膜は、CMPの際に第２層間絶縁膜１５３の上面に形成されたマイクロスクラッチや、隣接するキャパシタQの間の第２層間絶縁膜１５３に発生したボイドを埋め込むために形成されるものであって、このようなカバー絶縁膜を形成することでその上に形成される膜の被膜性が向上する。そのカバー絶縁膜としては、例えば、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により形成された厚さ約５０nmの酸化シリコン膜を採用し得る。
次に、図５６に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第２層間絶縁膜１５３の上に、キャパシタ誘電体膜１２２ａを還元性物質から保護するための第１絶縁性酸化金属膜１５４ａとしてスパッタ法でアルミナ膜を厚さ約２０nmに形成する。
なお、アルミナ膜に代えて、酸化チタン膜、酸化ジルコニウム膜、酸化マグネシウム膜、及び酸化チタンマグネシウム膜を第１絶縁性酸化金属膜１５４ａとして形成してもよい。
また、スパッタ法で第１絶縁性酸化金属膜５０ａを形成する際にはシリコン基板１０１が加熱されるが、既述のようにN2Oプラズマ処理によって第２層間絶縁膜１５３を十分に脱水してあるため、第２層間絶縁膜１５３中の水分によってキャパシタQが蒸し焼きになることはない。
次いで、この第１絶縁性酸化金属膜１５４ａの上に、低誘電率の中間絶縁膜１５４ｂを厚さ約５０nmに形成する。
この中間絶縁膜１５４ｂは、第２層間絶縁膜１５３を構成する酸化シリコン（比誘電率：約４．１）よりも比誘電率が低い材料、例えば、比誘電率が２．２５の多孔質シリカ系材料であるナノクラスタリングシリカで構成される。
アプライドマテリアルズ社製が開発した酸化シリコン系の「Black Diamond」（比誘電率：約３．８〜４．２）や、多孔質MSQ（比誘電率：２．５以下）で中間絶縁膜１５４ｂを構成してもよい。
なお、この中間絶縁膜１５４ｂは、厚さが約５０nmと薄いため、成膜時にその膜中に取り込まれる水分量は微量である。従って、第２層間絶縁膜１５３に対して行ったような脱水のためのN2Oプラズマ処理（図５５参照）は中間絶縁膜１５４ｂに対しては不要である。
但し、大気に中間絶縁膜１５４ｂを長時間曝すと、吸湿によって中間絶縁膜１５４ｂ中の水分量が増えてしまう。従って、中間絶縁膜１５４ｂを形成してからなるべく１２時間以内に次の工程を行い、中間絶縁膜１５４ｂの吸湿を防ぐようにするのが好ましい。
また、製造上の都合によって、次の工程を行うまでに１２時間以上の時間が必要な場合は、中間絶縁膜５０ｂを形成した後に、図３６で説明したような密閉容器３００内にシリコン基板１０を保管しておき、中間絶縁膜１５４ｂの吸湿を極力防ぐのが好ましい。
その後に、この中間絶縁膜１５４ｂの上に、第２絶縁性酸化金属膜１５４ｃとしてアルミナ膜を厚さ約２０nmに形成する。第１絶縁性酸化金属膜１５４ａと同様、第２絶縁性酸化金属膜１５４ｃは、水素や水分等の還元性物質がキャパシタ誘電体膜２８ａに侵入するのを阻止し、キャパシタ誘電体膜１２２ａが劣化するのを防止する役割を担う。
なお、アルミナ膜に代えて、酸化チタン膜、酸化ジルコニウム膜、酸化マグネシウム膜、及び酸化チタンマグネシウム膜のいずれかを第２絶縁性酸化金属膜１５４ｃとして形成してもよい。
以上により、第１、第２絶縁性酸化金属膜１５４ａ、１５４ｃと中間絶縁膜１５４ｂとで構成される第４キャパシタ保護絶縁膜１５４が第２層間絶縁膜１５３の上に形成されたことになる。
この後に、第４キャパシタ保護絶縁膜１５４の上に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜を第２カバー絶縁膜１５５とする。
なお、この第２カバー絶縁膜１５５の厚さは約１００nmと薄く、該第２カバー絶縁膜１５５に含まれる水分量は少ない。よって、N2Oプラズマを用いた脱水処理を第２カバー絶縁膜１５５に対して行う必要は無い。
但し、中間絶縁膜１５４ｂと同様に、大気中に第２カバー絶縁膜１５５を長時間にわたって放置すると第２カバー絶縁膜１５５が吸湿してしまうので、第２カバー絶縁膜１５５を形成してからなるべく１２時間以内に次の工程を行うことで、第２カバー絶縁膜１５５の吸湿を抑えるのが好ましい。
なお、製造上の都合によって、次の工程を行うまでに１２時間以上の時間が必要な場合は、第２カバー絶縁膜１５５を形成した後に、図３６で説明した密閉容器３００内にシリコン基板１０１を保管し、第２カバー絶縁膜１５５の吸湿を防ぐのが好ましい。
次に、図５７に示すように、第１金属配線１５２の上方に第３窓１６０ａを有する第３レジストパターン１６０を第２カバー絶縁膜１５５上に形成する。
そして、この第３窓１６０ａを通じて各絶縁膜１５１、１５３〜１５５をドライエッチングし、第１金属配線１５２の上方のこれらの絶縁膜に第３ホール１５６を形成する。そのドライエッチングの条件は特に限定されないが、本実施形態では、平行平板型プラズマエッチングチャンバ（不図示）を用い、C4F8、Ar、及びO2の混合ガスをエッチングガスとして使用する。
上記の第３ホール１５６は第４キャパシタ保護絶縁膜１５４にも形成されるが、その第４キャパシタ保護絶縁膜１５４を構成する中間絶縁膜１５４ｂが第２層間絶縁膜１５３と同様の酸化シリコン系の材料よりなるので、中間絶縁膜１５４ａと第２層間絶縁膜１５３とが実質的に同じエッチングレートでエッチングされる。従って、第３ホール１５６の直径は、その上端と下端とで略同じとなり、下端におけるその直径が図２（ａ）、（ｂ）のように極端に小さくなることは無い。
このエッチングが終了後、第３レジストパターン１６０は除去される。
なお、このエッチングでは、第１、第２絶縁性酸化金属膜１５４ａ、１５４ｃはエッチングガスのスパッタ作用によってエッチングされるので、これらの絶縁性酸化金属膜５０ａ、５０ｃの合計膜厚が厚すぎると、エッチングによる第３ホール１５６の形成が困難となる。従って、エッチングにより第３ホール１５６を容易に形成するために、第１、第２絶縁性酸化金属膜１５４ａ、１５４ｃの合計膜厚を１００nm未満、より好ましくは２０nm以上５０nm以下とするのが好ましい。ここで、合計膜厚の下限を２０nmとしたのは、これよりも薄いと第１、第２絶縁性酸化金属膜１５４ａ、１５４ｃによる還元性物質のブロック性が十分に発揮されないためである。
次に、図５８に示すように、第３ホール１５６の内面と第２カバー絶縁膜１５５の上面にスパッタ法によりグルー膜１６２として窒化チタン膜を厚さ約１５０nmに形成する。
更に、このグルー膜１６２の上に、六フッ化タングステンガスを使用するプラズマCVD法により、第３ホール１５６を完全に埋め込む厚さ、例えば約６５０nmの厚さのタングステン膜１６３ａを形成する。
この後に、図５９に示すように、第２カバー絶縁膜１５５の上面上の余分なグルー膜１６２とタングステン膜１６３ａとを除去し、これらの膜を第３ホール１５６内にのみ第５導電性プラグ１６３として残す。
既述のように、第３ホール１５６の下端が十分に大きく開口されているので、第５導電性プラグ１６３は第１金属配線１５２と広く接触し、第５導電性プラグ１６３のコンタクト抵抗が安定化する。
次に、図６０に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第５導電性プラグ１６３と第２カバー絶縁膜１５５のそれぞれの上に、スパッタ法により金属積層膜を形成する。その金属積層膜として、本実施形態では、厚さ約６０nmのTi膜、厚さ約３０nmのTiN膜、厚さ約４００nmの銅含有アルミニウム膜、厚さ約５nmのTi膜、及び厚さ約７０nmのTiN膜をこの順に形成する。
その後に、フォトリソグラフィによりこの金属積層膜をパターニングして第２金属配線１６５とする。
ここで、第４キャパシタ保護絶縁膜１５４の上に第２カバー絶縁膜１５５を形成したことで、上記の金属積層膜のパターニングの際にエッチングが第１キャパシタ保護絶縁膜１５４に及ばなくなり、第１キャパシタ保護絶縁膜１５４の膜減りを防いでその還元性物質の阻止能力を十分に維持することが可能となる。
更に、第２カバー絶縁膜１５５と第２金属配線１６５のそれぞれの上に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法で酸化シリコン膜を形成し、その酸化シリコン膜を第３層間絶縁膜１６７とする。
その後に、第３層間絶縁膜１６７の上面をCMP法で研磨して平坦化する。平坦化後の第３層間絶縁膜１６７の膜厚は、第２金属配線１６５の上で例えば約１０００nmである。
なお、このCMPの後に、第３層間絶縁膜１６７に対する脱水処理としてN2Oプラズマ処理を行ってもよい。
続いて、図６１に示すように、第３層間絶縁膜１６７をパターニングして第２金属配線１６５の上に第４ホール１６７ａを形成する。
次いで、第５導電性プラグ１６３と同様の形成方法により、第２金属配線１６５と電気的に接続された第６導電性プラグ１７０を形成する。
更に、第６導電性プラグ１７０と第３層間絶縁膜１６７のそれぞれの上面にスパッタ法で金属積層膜を形成した後、そのフォトリソグラフィによりその金属積層膜をパターニングして、セル領域Rcellに第３金属配線１７１を形成すると共に、パッド領域Rpadにボンディングパッド１７１ａを形成する。
次に、図６２に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第３層間絶縁膜１６７と第３金属配線１７１のそれぞれの上に、第１パッシベーション膜１７３としてCVD法で酸化シリコン膜を約１００nmの厚さに形成する。
なお、第１パッシベーション膜１７３の脱水と再吸湿防止のために、第１パッシベーション膜１７３に対してN2Oプラズマ処理を行ってもよい。
更に、この第１パッシベーション膜１７３上に、第２パッシベーション膜１７４として厚さが約３５０nmの窒化シリコン膜をCVD法で形成する。
そして、これら第１、第２パッシベーション膜１７３、１７４をパターニングして、パッド領域Rpadのボンディングパッド１７１ａが露出する第１開口１７３ａを形成する。
次いで、シリコン基板１０の上側全面に、感光性ポリイミドを約３μmの厚さに形成し、ポリイミド塗膜よりなる保護層１７５を形成する。
そして、保護層１７５を露光、現像し、ボンディングパッド１７１ａが露出する第２開口１７５ａを保護層１７５に形成する。その後に、基板温度３１０℃、N2流量１００リットル／分、処理時間４０分の条件で保護層１７５を熱硬化する。
以上により、本実施形態に係る半導体装置の基本構造が完成した。
上記した本実施形態によれば、キャパシタ誘電体膜１２２ａに還元性物質が侵入するのを阻止する第４キャパシタ保護絶縁膜１５４として、第１絶縁性酸化金属膜１５４ａ、中間絶縁膜１５４ｂ、及び第２絶縁性酸化金属膜１５４ｃをこの順に形成してなる積層膜を採用した。
このように第１絶縁性酸化金属膜１５４ａと第２絶縁性酸化金属膜１５４ｃとの二層を形成することで、これらのうちの一層のみを形成する場合よりも水素や水分等の還元性物質に対するブロック性が高められる。
更に、第１実施形態で説明したのと同じ理由によって、第１絶縁性酸化金属膜１５４ａと第２絶縁性酸化金属膜１５４ｃの合計膜厚に等しい単層の絶縁性酸化金属膜を形成する場合と比較して、半導体装置に不良が発生し難くなる。
また、第１絶縁性酸化金属膜１５４ａと第２絶縁性酸化金属膜１５４ｃとを同じ層、すなわち両者と共に第２層間絶縁膜１５３と第２金属配線１６５との間に形成してそれらの間の間隔を最小限に狭くした。これにより、第１実施形態で説明したように、各絶縁性酸化金属膜１５４ａ、１５４ｃの間に形成される中間絶縁膜１５３ｂの厚さが薄くなり、中間絶縁膜１５３ｂにボイドが発生し難くなる。その結果、ボイド中の水分によってキャパシタ誘電体膜１２２ａが劣化するのを防ぐことができる。
しかも、その第４キャパシタ保護絶縁膜１５４を構成する中間絶縁膜１５４ｂは、第２層間絶縁膜１５３よりも比誘電率が低い材料で構成されるため、プラズマCVD法で形成された酸化シリコン膜と比較して膜応力が弱く引張応力が小さい。そのため、図３で説明したようなプラズマCVD法で酸化シリコン膜２２１、２２３を形成する場合と比較して、膜の応力に起因するシリコン基板１０１の反りを防止でき、圧電素子であるキャパシタQが応力によって劣化するのを防ぐことが可能となる。
（６）第３実施形態の変形例
次に、上記した第３実施形態の変形例について、図６３及び図６４を参照して説明する。なお、これらの図において、第３実施形態で説明した要素には第３実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
次に、上記した第３実施形態の変形例について、図６３及び図６４を参照して説明する。なお、これらの図において、第３実施形態で説明した要素には第３実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
第１変形例
図６３は、第３実施形態の第１変形例に係る半導体装置の断面図である。
図６３は、第３実施形態の第１変形例に係る半導体装置の断面図である。
この第１変形例では、第３層間絶縁膜１６７と第３金属配線１７１との間に、第４キャパシタ保護絶縁膜１５４と第２カバー絶縁膜１５５を形成する。
このようにすると、第４ホール１６７ａは、これらの絶縁膜１５４、１５５にも形成されることになる。
但し、第４キャパシタ保護絶縁膜１５４を構成する中間絶縁膜１５４ｂが第３層間絶縁膜１６７と同様に酸化シリコン系の材料で構成されるので、エッチングにより第４ホール１６７ａを形成する際、中間絶縁膜１５４ｂと第３層間絶縁膜１６７との間でエッチングレートに実質的な差が発生しない。
従って、第４ホール１６７ａの下端の直径が上端のそれと同程度に大きくなり、第６導電性プラグ１７０のコンタクト抵抗を安定化させることが可能となる。
第２変形例
図６４は、第３実施形態の第２変形例に係る半導体装置の断面図である。
図６４は、第３実施形態の第２変形例に係る半導体装置の断面図である。
第２変形例では、第１層間絶縁膜１４１と第１金属配線１５２との間に、第４キャパシタ保護絶縁膜１５４と第２カバー絶縁膜１５５を形成する。
この場合、第１層間絶縁膜１４１の第１、第２ホール１４５、１４１ａが絶縁膜１５４、１５５にも形成されることになる。
このようにしても、第１変形例で説明したように、中間絶縁膜１５４ｂと第１層間絶縁膜１４１が共に酸化シリコン系の材料で構成されるので、第１、第２ホール１４５、１４１ａをエッチングで形成する際、中間絶縁膜１５４ｂと第１層間絶縁膜１４１とでエッチングレートに実質的な差が生じない。よって、第１、第２ホール１４５、１４１ａの底部を十分に大きく形成することができ、これらのホール１４５、１４１ａ内に埋め込まれた第３、第４導電性プラグ１４７ａ、１４７ｂのコンタクト抵抗を安定化させることが可能となる。
なお、エッチングにより第１、第２ホール１４５、１４１ａを形成する際、エッチングガスのスパッタ作用でエッチングされる第２キャパシタ保護絶縁膜１４２と第１、第２絶縁性酸化金属膜１５４ａ、１５４ｃの合計膜厚が厚すぎると、これらのホール１４５、１４１ａのエッチングが困難となる。そのため、第２キャパシタ保護絶縁膜１４２と第１、第２絶縁性酸化金属膜１５４ａ、１５４ｃの合計膜厚を１００nm未満とし、エッチングによる第１、第２ホール１４５、１４１ａの形成を容易にするのが好ましい。
Claims (20)
- 半導体基板の上方に形成された下地絶縁膜と、
前記下地絶縁膜の上に形成され、下部電極、強誘電体材料よりなるキャパシタ誘電体膜、及び上部電極を備えたキャパシタと、
前記キャパシタの上に交互に複数形成された層間絶縁膜及び金属配線と、
前記層間絶縁膜が備えるホール内に形成され、前記金属配線と電気的に接続された導電性プラグとを有し、
前記複数の層間絶縁膜のうち、少なくとも一つの該層間絶縁膜の上面に、第１絶縁性酸化金属膜、前記層間絶縁膜よりも比誘電率が低い中間絶縁膜、及び第２絶縁性金属酸化金属膜を順に積層してなる第１キャパシタ保護絶縁膜が形成され、該第１キャパシタ保護絶縁膜にも前記ホールが形成されたことを特徴とする半導体装置。 - 前記第１キャパシタ保護絶縁膜の上にカバー絶縁膜が形成され、該カバー絶縁膜の上に前記金属配線が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記複数の層間絶縁膜のうちの一つの該層間絶縁膜の上面にキャップ絶縁膜が形成され、該キャップ絶縁膜の上に前記第１キャパシタ保護絶縁膜が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記キャップ絶縁膜が形成される前記層間絶縁膜の上面に、絶縁性酸化金属膜よりなる第２キャパシタ保護絶縁膜が形成され、該第２キャパシタ保護絶縁膜の上に前記キャップ絶縁膜が形成されたことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
- 前記上面に前記第２キャパシタ保護絶縁膜が形成される前記層間絶縁膜は、前記キャパシタ上の一層目の層間絶縁膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
- 前記第１キャパシタ保護絶縁膜が形成される前記層間絶縁膜の上面が平坦化されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記キャパシタの上に、絶縁性酸化金属よりなる第３キャパシタ保護絶縁膜が形成され、該第３キャパシタ保護絶縁膜の上に前記層間絶縁膜と前記金属配線とが交互に複数形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記複数の金属配線のうちの少なくとも一つの上に、絶縁性酸化金属よりなる第４キャパシタ保護絶縁膜が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記中間絶縁膜と、前記ホールが形成される前記層間絶縁膜は、共に酸化シリコン系の材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記中間絶縁膜は、多孔質絶縁膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第１絶縁性酸化金属膜と前記第２絶縁性酸化金属膜は、アルミナ膜、酸化チタン膜、酸化ジルコニウム膜、酸化マグネシウム膜、及び酸化チタンマグネシウム膜のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 半導体基板の上方に下地絶縁膜を形成する工程と、
前記下地絶縁膜の上に、下部電極、強誘電体材料よりなるキャパシタ誘電体膜、及び上部電極を備えたキャパシタを形成する工程と、
前記キャパシタの上に、層間絶縁膜と金属配線とを交互に複数形成する工程と、
前記複数の層間絶縁膜のうちの少なくとも一つにホールを形成する工程と、
前記ホール内に、前記金属配線と電気的に接続される導電性プラグを形成する工程とを有し、
前記複数の層間絶縁膜のうち、少なくとも一つの該層間絶縁膜の上面に、第１絶縁性酸化金属膜、前記層間絶縁膜よりも比誘電率が低い中間絶縁膜、及び第２絶縁性金属酸化金属膜を順に積層してなる第１キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程を更に有すると共に、
前記ホールを形成する工程において、前記１キャパシタ保護絶縁膜にも該ホールを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記中間絶縁膜と、前記ホールが形成される前記層間絶縁膜とを、共に酸化シリコン系の材料で構成することを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第１キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程において、前記中間絶縁膜として、多孔質絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第１キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程において、前記中間絶縁膜を形成した後に、該中間絶縁膜に対する熱処理を行わずに、前記第２絶縁性金属酸化金属膜を形成することを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第１キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程において、前記中間絶縁膜を形成した後、大気圧よりも圧力が高い不活性ガスで満たされた密閉容器内に前記半導体基板を所定時間保管し、次いで前記密閉容器から前記半導体基板を出して前記第２絶縁性金属酸化金属膜を形成することを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第１キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程において、前記第１絶縁性酸化金属膜と前記第２絶縁性酸化金属膜とを合わせた膜厚を１００nm以下にすることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
- 第１キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程の後に、該第１キャパシタ保護絶縁膜の上にカバー絶縁膜を形成する工程を更に有し、
前記カバー絶縁膜の上に前記金属配線を形成することを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記複数の層間絶縁膜のうちの一つの該層間絶縁膜の上面を研磨して平坦化する工程と、
前記平坦化された層間絶縁膜の上面にキャップ絶縁膜を形成する工程を更に有し、
前記キャップ絶縁膜の上に前記第１キャパシタ保護絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記平坦化された層間絶縁膜の上面に、絶縁性酸化金属膜よりなる第２キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程を更に有し、
前記第２キャパシタ保護絶縁膜の上に前記キャップ絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１９に記載の半導体装置の製造方法。
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