JP2009105332A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
近年、デジタル技術の進展に伴い、大容量のデータを高速に保存することが可能な不揮発性メモリの開発が進められている。 In recent years, with the progress of digital technology, development of a nonvolatile memory capable of storing a large amount of data at high speed has been advanced.
そのような不揮発性メモリとしては、フラッシュメモリや強誘電体メモリが知られている。 As such a nonvolatile memory, a flash memory and a ferroelectric memory are known.
このうち、フラッシュメモリは、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(IGFET)のゲート絶縁膜中に埋め込んだフローティングゲートを有し、記憶情報を表す電荷をこのフローティングゲートに蓄積することによって情報を記憶する。しかし、このようなフラッシュメモリでは、情報の書き込みや消去の際に、ゲート絶縁膜にトンネル電流を流す必要があり、比較的高い電圧が必要であるという欠点がある。 Among these, the flash memory has a floating gate embedded in a gate insulating film of an insulated gate field effect transistor (IGFET), and stores information by accumulating charges representing stored information in the floating gate. However, such a flash memory has a drawback that a tunnel current needs to flow through the gate insulating film when writing or erasing information, and a relatively high voltage is required.
これに対し、強誘電体メモリは、FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)とも呼ばれ、強誘電体キャパシタが備える強誘電体膜のヒステリシス特性を利用して情報を記憶する。その強誘電体膜は、キャパシタの上部電極と下部電極の間に印加される電圧に応じて分極を生じ、その電圧を取り去っても自発分極が残留する。印加電圧の極性を反転すると、この自発分極も反転し、その自発分極の向きを「1」と「0」に対応させることで、強誘電体膜に情報が書き込まれる。この書き込みに必要な電圧はフラッシュメモリにおけるよりも低く、また、フラッシュメモリよりも高速で書き込みができるという利点がFeARMにはある。 On the other hand, the ferroelectric memory is also called FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory), and stores information using the hysteresis characteristic of the ferroelectric film provided in the ferroelectric capacitor. The ferroelectric film is polarized according to the voltage applied between the upper electrode and the lower electrode of the capacitor, and the spontaneous polarization remains even if the voltage is removed. When the polarity of the applied voltage is reversed, this spontaneous polarization is also reversed, and the direction of the spontaneous polarization is made to correspond to “1” and “0”, whereby information is written in the ferroelectric film. FeARM has the advantage that the voltage required for this writing is lower than that in the flash memory and that writing can be performed at a higher speed than the flash memory.
そのようなFeRAMは、ICカード等の一部の分野において既に実用化され、その高い性能については既に実証されているが、更なる信頼性の向上と歩留まりの改善が求められている。 Such FeRAM has already been put into practical use in some fields such as IC cards, and its high performance has already been demonstrated, but further improvement in reliability and improvement in yield are required.
なお、本願に関連する技術が、下記の特許文献1〜3に開示されている。
本発明の目的は、強誘電体キャパシタを備えた半導体装置の歩留まりを改善することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of improving the yield of a semiconductor device having a ferroelectric capacitor.
本発明の一観点によれば、半導体基板の上方に第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1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、及び導電性酸化物よりなる上部電極をこの順に積層してなるキャパシタを形成する工程と、前記キャパシタを覆う第2絶縁膜を形成する工程と、前記上部電極の上の前記第2絶縁膜に、該上部電極が露出するホールを形成する工程と、前記ホール内に、前記上部電極と接続された導電性窒化物よりなるグルー膜を形成する工程と、前記グルー膜を窒素を含む雰囲気中でアニールする工程と、前記アニールの後、前記ホール内の前記グルー膜上に導電性プラグを形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。 According to one aspect of the present invention, a step of forming a first insulating film over a semiconductor substrate, a lower electrode, a capacitor dielectric film made of a ferroelectric material, and a conductive material on the first insulating film. Forming a capacitor formed by stacking an upper electrode made of an oxide in this order; forming a second insulating film covering the capacitor; and forming the upper electrode on the second insulating film above the upper electrode. Forming a hole exposing the gate electrode, forming a glue film made of a conductive nitride connected to the upper electrode in the hole, and annealing the glue film in an atmosphere containing nitrogen, And a step of forming a conductive plug on the glue film in the hole after the annealing.
本発明によれば、導電性窒化物よりなるグルー膜に対してアニールを行うので、グルー膜において窒化が不十分であった部分が窒化若しくは酸化される。これにより、窒化が不十分な導電性窒化物に起因して導電性プラグに欠陥が入るのが防止され、導電性プラグが緻密となり、導電性プラグを介した水素や水分等の還元性物質の侵入経路が生じ難くなる。そのため、製造途中でキャパシタ誘電体膜に還元性物質が侵入し難くなり、キャパシタ誘電体膜の劣化が防止され、半導体装置の歩留まりが改善される。 According to the present invention, since the glue film made of conductive nitride is annealed, a portion of the glue film where nitriding is insufficient is nitrided or oxidized. This prevents defects in the conductive plug due to insufficiently nitrided conductive nitride, and the conductive plug becomes dense, so that reducing substances such as hydrogen and moisture pass through the conductive plug. Intrusion routes are less likely to occur. For this reason, it is difficult for the reducing substance to enter the capacitor dielectric film during the manufacturing process, the deterioration of the capacitor dielectric film is prevented, and the yield of the semiconductor device is improved.
更に、そのグルー膜が導電性窒化物よりなるので、グルー膜として純粋な金属膜を形成する場合と比較して、導電性酸化物よりなる上部電極によってグルー膜が酸化され難くなり、導電性プラグと上部電極とのコンタクト抵抗が向上する。 Furthermore, since the glue film is made of conductive nitride, the glue film is less likely to be oxidized by the upper electrode made of conductive oxide, compared to the case where a pure metal film is formed as the glue film. The contact resistance between the upper electrode and the upper electrode is improved.
しかも、このように上部電極を導電性酸化物で構成することにより、強誘電体材料よりなるキャパシタ誘電体膜の強誘電体特性が製造途中で劣化するのを防ぎ易くなる。 In addition, by configuring the upper electrode with a conductive oxide in this way, it becomes easy to prevent the ferroelectric characteristics of the capacitor dielectric film made of a ferroelectric material from being deteriorated during the manufacturing.
また、グルー膜に対する上記のアニールを400℃以下の基板温度で行うことにより、アニールによって強誘電体キャパシタQが劣化するのを抑制することができる。 Further, by performing the above annealing on the glue film at a substrate temperature of 400 ° C. or lower, it is possible to suppress the deterioration of the ferroelectric capacitor Q due to the annealing.
本発明によれば、グルー膜に対してアニールを行うので、グルー膜上に形成される導電性プラグに欠陥が入り難くなり、半導体装置の歩留まりを改善することが可能となる。 According to the present invention, since the glue film is annealed, it becomes difficult for defects to enter the conductive plug formed on the glue film, and the yield of the semiconductor device can be improved.
次に、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。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1〜図10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。 1 to 10 are cross-sectional views in the course of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
その半導体装置は、キャパシタ下部電極のコンタクト領域上に導電性プラグが形成されるプレーナ型のFeRAMである
まず、図1(a)に示す断面構造を得るまでの工程を説明する。
The semiconductor device is a planar type FeRAM in which a conductive plug is formed on a contact region of a capacitor lower electrode. First, steps required until a sectional structure shown in FIG.
最初に、n型又はp型のシリコン(半導体)基板20表面に、トランジスタの活性領域を画定するSTI(Shallow Trench Isolation)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21とする。なお、素子分離構造はSTIに限られず、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法で素子分離絶縁膜21を形成してもよい。
First, a trench for STI (Shallow Trench Isolation) that defines an active region of a transistor is formed on the surface of an n-type or p-type silicon (semiconductor)
次いで、シリコン基板20の活性領域にp型不純物を導入してpウェル22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28となる熱酸化膜を形成する。
Next, a p-type impurity is introduced into the active region of the
続いて、シリコン基板20の上側全面に非晶質又は多結晶のシリコン膜及びタングステンシリサイド膜を順に形成し、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ゲート電極25a、25bを形成する。
Subsequently, an amorphous or polycrystalline silicon film and a tungsten silicide film are sequentially formed on the entire upper surface of the
pウェル22上には、上記の2つのゲート電極25a、25bが間隔をおいてほぼ平行に配置され、それらのゲート電極25a、25bはワード線の一部を構成する。
On the p-
次いで、ゲート電極25a、25bをマスクにするイオン注入により、各ゲート電極25a、25bの横のシリコン基板20にn型不純物を導入し、第1〜第3ソース/ドレインエクステンション24a〜24cを形成する。
Next, n-type impurities are introduced into the
その後に、シリコン基板20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25a、25bの横に絶縁性サイドウォール26として残す。その絶縁膜として、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により酸化シリコン膜を形成する。
After that, an insulating film is formed on the entire upper surface of the
続いて、絶縁性サイドウォール26とゲート電極25a、25bをマスクにしながら、シリコン基板20にn型不純物を再度イオン注入することにより、各ゲート電極25a、25bの側方のシリコン基板20に第1〜第3ソース/ドレイン領域23a〜23cを形成する。
Subsequently, the n-type impurity is ion-implanted again into the
ここまでの工程により、シリコン基板20の活性領域には、ゲート絶縁膜28、ゲート電極25a、25b、及び第1〜第3ソース/ドレイン領域23a〜23c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。
Through the above steps, the active region of the
次に、シリコン基板20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20上に高融点金属シリサイド層27を形成する。その高融点金属シリサイド層27はゲート電極25a、25bの表層部分にも形成され、それにより各ゲート電極25a、25bが低抵抗化されることになる。
Next, after a refractory metal layer such as a cobalt layer is formed on the entire upper surface of the
その後、素子分離絶縁膜21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。
Thereafter, the unreacted refractory metal layer on the element
続いて、図1(b)に示すように、厚さ約20nmの酸化シリコン膜と厚さ約80nmの窒化シリコン(SiN)膜とをこの順にプラズマCVD法により形成し、これらの積層膜をカバー絶縁膜29とする。次いで、このカバー絶縁膜29の上に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により第1絶縁膜30として酸化シリコン膜を約1000nmに形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 1B, a silicon oxide film having a thickness of about 20 nm and a silicon nitride (SiN) film having a thickness of about 80 nm are formed in this order by the plasma CVD method, and these laminated films are covered. The
そして、その第1絶縁膜30の上面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により研磨して平坦化し、残された第1絶縁膜30とカバー絶縁膜29とを第1層間絶縁膜31とする。上記のCMPの結果、第1層間絶縁膜31の厚さは、シリコン基板20の平坦面上で約700nmとなる。
Then, the upper surface of the first
次に、図1(c)に示すように、フォトリソグラフィにより第1層間絶縁膜31をパターニングして、第1〜第3ソース/ドレイン領域23a〜23cのそれぞれの上にコンタクトホール31a〜31cを形成する。
Next, as shown in FIG. 1C, the first
これらのコンタクトホール31a〜31cの直径は特に限定されないが、本実施形態では約0.25μmとする。
The diameters of these
そして、図2(a)に示すように、そのコンタクトホール31a〜31cの内面と第1層間絶縁膜31の上面に、スパッタ法により厚さ約30nmのチタン膜と厚さ約20nmの窒化チタン膜とをこの順にグルー膜として形成する。更に、六フッ化タングステンガスを使用するCVD法により、上記のグルー膜の上にタングステン膜を形成し、そのタングステン膜でコンタクトホール31a〜31cを完全に埋め込む。
Then, as shown in FIG. 2A, a titanium film having a thickness of about 30 nm and a titanium nitride film having a thickness of about 20 nm are formed on the inner surfaces of the
その後に、第1層間絶縁膜31上の余分なタングステン膜とグルー膜とをCMP法により研磨して除去し、上記の膜をコンタクトホール31a〜31cの中に第1〜第3導電性プラグ32a〜32cとして残す。これら第1〜第3コンタクトプラグ32a〜32cは、その下の第1〜第3ソース/ドレイン領域23a〜23cと電気的に接続されることになる。
Thereafter, excess tungsten film and glue film on the first
ところで、その第1〜第3コンタクトプラグ32a〜32cは、タングステンを主に構成されるが、タングステンは非常に酸化され易く、プロセス中で酸化されるとコンタクト不良を引き起こす。
By the way, the first to
そこで、次の工程では、図2(b)に示すように、上記の第1〜第3コンタクトプラグ32a〜32cを酸化雰囲気から保護するための酸化防止膜36として、プラズマCVD法により酸窒化シリコン(SiON)膜36aと酸化シリコン膜36bとをこの順に形成する。その酸窒化シリコン膜36aの厚さは例えば100nmであり、酸化シリコン膜36bの厚さは約130nmである。また、酸化シリコン膜36bの成膜ガスとしてはTEOSが採用される。
Therefore, in the next step, as shown in FIG. 2B, as the
次いで、図2(c)に示すように、後述の強誘電体キャパシタの下部電極の結晶性を高め、最終的にはキャパシタ誘電体膜の結晶性を改善するために、酸化防止膜36の上にスパッタ法により第1アルミナ膜37を厚さ約20nmに形成する。
Next, as shown in FIG. 2C, in order to improve the crystallinity of the lower electrode of the ferroelectric capacitor, which will be described later, and finally improve the crystallinity of the capacitor dielectric film, A
次に、図3(a)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。 Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.
まず、スパッタ法により、プラチナ膜を厚さ約150nmに形成し、それを下部電極用導電膜41とする。
First, a platinum film is formed to a thickness of about 150 nm by sputtering, and this is used as the lower electrode
次いで、強誘電体膜42として、PZT膜をスパッタ法により下部電極用導電膜41上に厚さ約150nmに形成する。その強誘電体膜42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42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42を構成してもよい。
Next, as the
続いて、強誘電体膜42を構成するPZTを酸素含有雰囲気中でRTA(Rapid Thermal Anneal)により軽く結晶化する。このようなアニールは結晶化アニールと呼ばれる。この結晶化アニールの条件は、例えば、基板温度560℃、処理時間90秒である。
Subsequently, PZT constituting the
その後に、強誘電体膜42の上に、スパッタ法により酸化イリジウム(IrO2)膜を厚さ約50nmに形成し、その酸化イリジウム膜を第1導電性酸化金属膜43bとする。
Thereafter, an iridium oxide (IrO 2 ) film having a thickness of about 50 nm is formed on the
そして、このように第1導電性酸化金属膜43bで覆われた状態で強誘電体膜42に対して再度結晶化アニールを行い、強誘電体膜42を完全に結晶化させる。この結晶化アニールの条件は特に限定されないが、本実施形態では基板温度を700℃とし、処理時間を120秒とする。
Then, the
更に、この第1導電性酸化金属膜43bの上に、第2導電性酸化金属膜43cとしてスパッタ法により酸化イリジウム膜を厚さ約200nmに形成する。これにより、強誘電体膜42の上に、第1、第2導電性酸化金属膜43b、43cで構成される上部電極用導電膜43が形成されたことになる。
Further, an iridium oxide film having a thickness of about 200 nm is formed on the first conductive
本実施形態ではこのように酸化イリジウムにより上部電極用導電膜43を構成したが、酸化イリジウム以外の導電性酸化物、例えばルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO3)により上部電極用導電膜43を構成するようにしてもよい。
In this embodiment, the upper electrode
続いて、図3(b)に示すように、下部電極用導電膜41、強誘電体膜42、及び上部電極用導電膜43を別々にパターニングして、下部電極41a、キャパシタ誘電体膜42a、及び上部電極43aで構成されるキャパシタQを形成する。このパターニングでは下部電極41aで覆われていない部分の第1アルミナ膜37もパターニングされて除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 3B, the lower electrode
キャパシタQを構成するキャパシタ誘電体膜42aは、PZTのような酸化物強誘電体材料よりなるため、この後の製造工程において水素等の還元性物質に触れると、容易に還元されてその強誘電体特性が劣化し易い。
Since the
ところが、本実施形態のように上部電極43aを酸化イリジウムのような導電性酸化物で構成すると、製造工程中にキャパシタ誘電体膜42aが還元されるのを防止し易くすることができる。これは、上部電極43aの導電性酸化物が還元性物質をトラップし、還元性物質がキャパシタ誘電体膜42aに到達し難くなるためと推測される。
However, when the
次に、図4(a)に示すように、水分や水素等の還元性物質からキャパシタQを保護し、キャパシタ誘電体膜42aの劣化を防止するための第2アルミナ膜50をシリコン基板20の上側全面に形成する。その第2アルミナ膜50は、例えばスパッタ法により厚さ約50nmに形成する。
Next, as shown in FIG. 4A, a
そして、エッチングやスパッタリング等によってここまでの工程でキャパシタ誘電体膜42aが受けたダメージを回復させるため、ファーネス内の酸素100%の雰囲気中で基板温度650℃、処理時間90分の条件で、キャパシタ誘電体膜42aに対して回復アニールを行う。
Then, in order to recover the damage received by the
次いで、図4(b)に示すように、第2アルミナ膜50をパターニングして、第1〜第3コンタクトプラグ32a〜32cの上の第2アルミナ膜50を選択的に除去する。
Next, as shown in FIG. 4B, the
その後に、図5(a)に示すように、TEOSガスを反応ガスとするプラズマCVD法により、第2アルミナ膜50の上に第2層間絶縁膜54として酸化シリコン膜を厚さ約1500nmに形成する。その第2層間絶縁膜54の上面には、キャパシタQを反映した凹凸が形成される。そこで、この凹凸を無くすために、第2層間絶縁膜54の上面をCMP法により研磨して平坦化し、第2アルミナ膜50の平坦面上での第2層間絶縁膜54の厚さを約1000nmにする。
Thereafter, as shown in FIG. 5A, a silicon oxide film having a thickness of about 1500 nm is formed as a second
その後、この第2層間絶縁膜54の脱水処理として、第2層間絶縁膜54の表面をN2Oプラズマに曝す。このようなN2Oプラズマ処理に代えて、炉の中で第2層間絶縁膜54をアニールして脱水してもよい。
Thereafter, as a dehydration treatment of the second
次いで、図5(b)に示すように、第2層間絶縁膜54の上にフォトレジストを塗布し、それを現像することにより、ホール形状の第1、第2窓55a、55bを備えた第1レジストパターン55を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, a photoresist is applied on the second
そして、上記の第1、第2窓55a、55bを通じて第2層間絶縁膜54とその下の第2アルミナ膜50をエッチングする。これにより、上部電極43aの上の第2層間絶縁膜54に、該上部電極43aが露出する第1ホール54aが形成されると共に、下部電極41aのコンタクト領域上に第2ホール54bが形成される。
Then, the second
この後に、第1レジストパターン55は除去される。
Thereafter, the first resist
次いで、図6(a)に示すように、第2層間絶縁膜54の上にフォトレジストを再び塗布し、それを現像して、第1〜第3コンタクトプラグ32a〜32cのそれぞれの上に第3〜第5窓57c〜57eを備えた第2レジストパターン57を形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, a photoresist is applied again on the second
更に、第3〜第5窓57c〜57eを通じて第2層間絶縁膜54と酸化シリコン膜36bとをエッチングすることにより、各コンタクトプラグ32a〜32cの上に第3〜第5ホール54c〜54eを形成する。
Further, by etching the second
このようなエッチングは、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装置で行われ、酸窒化シリコン膜36aがこのエッチングにおけるストッパ膜となる。
Such etching is performed by a parallel plate plasma etching apparatus using a mixed gas of C 4 F 8 , Ar, O 2 , and CO as an etching gas, and the
また、図4(b)の工程において、各コンタクトプラグ32a〜32cの上の第2アルミナ膜50を予め除去しておいたので、化学的にエッチングするのが困難な第2アルミナ膜50を本工程においてエッチングする必要が無く、エッチングによる各ホール54c〜54eの形成が容易となる。
4B, since the
この後に、第5レジストパターン57は除去される。
Thereafter, the fifth resist
次に、図6(b)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。 Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.
まず、平行平板プラズマエッチング装置内にシリコン基板20を入れ、エッチングガスとしてCHF3、Ar、及びO2の混合ガスをそのエッチング装置に供給する。これにより、第3〜第5ホール54c〜54eの下の酸窒化シリコン膜36aがエッチングされ、これらのホールに第1〜第3コンタクトプラグ32a〜32cが露出すると共に、第1、第2ホール54a、54b内の異物が除去されて、上部電極43aと下部電極41aの上面が清浄化される。
First, the
第1〜第3コンタクトプラグ32a〜32cは、本工程が終了するまで、酸化防止膜36を構成する酸窒化シリコン膜36aによって覆われているので、各コンタクトプラグ32a〜32cを構成するタングステンが酸化してコンタクト不良を起こすのが防止される。
Since the first to third contact plugs 32a to 32c are covered with the
次に、図7(a)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。 Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.
まず、第1〜第5ホール54a〜54eの内面を清浄化するために、高周波電力でプラズマ化されたアルゴン雰囲気に各ホール54a〜54eの内面を曝し、その内面をスパッタエッチングする。そのエッチング量は、例えば10nm程度である。
First, in order to clean the inner surfaces of the first to
次いで、第1〜第5ホール54a〜54eの内面と第2層間絶縁膜54の上面とに、スパッタ法によりグルー膜58として窒化チタン膜を厚さ約100nmに形成する。
Next, a titanium nitride film is formed to a thickness of about 100 nm as a
そのグルー膜58は、バリアメタル膜としての役割に加え、後述のタングステン膜と第2層間絶縁膜54との密着性を高める役割も果たす。また、第1ホール54aにおいては、グルー膜58は上部電極43aと接続される。
In addition to the role as a barrier metal film, the
グルー膜58の形成条件は特に限定されない。本実施形態では、窒素ガスとアルゴンガスとの混合雰囲気よりなるスパッタ雰囲気中においてチタンターゲットをスパッタし、チタンターゲットから飛散したチタンをスパッタ雰囲気中において窒化して窒化チタン膜を形成する。また、グルー膜58の成膜時の基板温度は、例えば200℃である。
The conditions for forming the
ここで、スパッタ法に変えて、MOCVD法により窒化チタン膜を形成することも考えられる。しかし、MOCVD法による窒化チタンの成膜は、膜中に残留する炭素を除くための水素・窒素プラズマ処理を伴うため、成膜中にキャパシタ誘電体膜42aが容易に還元されて劣化してしまう。
Here, it is conceivable to form a titanium nitride film by MOCVD instead of sputtering. However, the film formation of titanium nitride by the MOCVD method involves a hydrogen / nitrogen plasma treatment for removing carbon remaining in the film, so that the
特に、グルー膜58は、第1ホール54a内においてキャパシタ誘電体膜42aの極近くに形成されるので、他の部位に形成されるグルー膜と比較して、CVD法で形成された場合にキャパシタ誘電体膜42aに与える影響の度合いが著しい。従って、水素によるキャパシタ誘電体膜42aの劣化を防止するという観点からすると、本実施形態のようにスパッタ法でグルー膜58を形成するのが好ましい。
In particular, since the
ところで、ソース/ドレイン領域23a、23b上のコンタクトプラグ32a〜32cでは、図2(a)を参照して説明したように、そのグルー膜としてチタン膜と窒化チタン膜との積層膜を形成した。
Incidentally, in the contact plugs 32a to 32c on the source /
しかしながら、第1ホール54a内に形成されるグルー膜58の最下層としてチタン膜を形成すると、上部電極43aとチタン膜とが接触することにより、上部電極43aを構成する導電性酸化物中の酸素によってチタンが酸化され、グルー膜58と上部電極43aとの間に絶縁性の酸化チタンが形成されて、上部電極43aとグルー膜58とのコンタクト抵抗が上昇してしまう。
However, when a titanium film is formed as the lowermost layer of the
したがって、上部電極43aを導電性酸化物で構成する場合には、グルー膜58の最下層にチタン膜を形成するのは好ましくなく、本実施形態のように窒化チタン膜の単層膜でグルー膜58を構成するのが好ましい。
Therefore, when the
なお、グルー膜58は窒化チタン膜に限定されない。グルー膜58としては、導電性窒化物よりなる単層膜を使用することができる。そのような導電性窒化物としては、窒化チタンの他に、窒化タンタル(TaN)や窒化チタンアルミニウム(TiAlN)もある。
The
ここで、スパッタ法により形成されたグルー膜58では、窒化チタンのような導電性窒化物が完全に窒化しているとは限らず、窒化が不十分なチタンが僅かに表出している可能性がある。
Here, in the
窒化が不十分なチタンは、グルー膜58上に形成されるタングステン膜に異常成長を引き起こし、そのタングステン膜に小さな「す」のような微小欠陥を引き起こす可能性がある。
Titanium that is insufficiently nitrided may cause abnormal growth in the tungsten film formed on the
そこで、次の工程では、図7(b)に示すように、窒素を含む雰囲気中でグルー膜58をアニールすることにより、グルー膜58中に存在すると思われる窒化が不十分なチタンを窒化する。
Therefore, in the next step, as shown in FIG. 7B, the
そのアニール条件は特に限定されないが、本実施形態では窒素が100%の雰囲気において、300℃〜400℃の基板温度、例えば350℃で炉の中で約10分間アニールを行う。 The annealing conditions are not particularly limited, but in this embodiment, annealing is performed in a furnace at a substrate temperature of 300 ° C. to 400 ° C., for example, 350 ° C. for about 10 minutes in an atmosphere of 100% nitrogen.
この場合、アニール雰囲気から酸素を排除した100%の窒素雰囲気中でアニールを行うことにより、アニール中にチタンが酸化して絶縁性の酸化チタンとなるのが防止され、グルー膜58と上部電極43aとのコンタクト抵抗が上昇するのを防ぐことができる。
In this case, annealing is performed in a 100% nitrogen atmosphere excluding oxygen from the annealing atmosphere, so that titanium is prevented from being oxidized during the annealing to become insulating titanium oxide, and the
また、アニール雰囲気に水素が含まれていると、水素によってキャパシタ誘電体膜42aが還元されて劣化する恐れがあるので、水素が排除された雰囲気でこのアニールを行うのが好ましい。
If the annealing atmosphere contains hydrogen, the
或いは、上記に代えて、N2Oを含むプラズマ雰囲気においてアニールを行ってもよい。その場合のアニール条件は特に限定されにないが、N2Oガスと窒素ガスとの流量比を4:1とし、300℃〜400℃の基板温度、例えば350℃で1分間アニールを行えばよい。また、プラズマ雰囲気の圧力は例えば3.0Torrとされ、プラズマ化のためのパワーは525Wとされる。 Alternatively, annealing may be performed in a plasma atmosphere containing N 2 O instead of the above. The annealing conditions in that case are not particularly limited, but the flow rate ratio of N 2 O gas and nitrogen gas may be 4: 1, and annealing may be performed at a substrate temperature of 300 ° C. to 400 ° C., for example, 350 ° C. for 1 minute. . The pressure of the plasma atmosphere is, for example, 3.0 Torr, and the power for converting to plasma is 525 W.
更に、上記のように窒素を含む雰囲気でのアニールに代えて、アルゴン等の希ガス雰囲気中でこのアニールを行うようにしてもよい。 Furthermore, instead of annealing in an atmosphere containing nitrogen as described above, this annealing may be performed in a rare gas atmosphere such as argon.
その場合、アニールを終了した後に、アニールチャンバからシリコン基板20を取り出してグルー膜58が大気に曝される際に、グルー膜58において窒化が不十分であったチタンが、シリコン基板20に残っているアニールの余熱によって酸化されるので、未反応のチタンがグルー膜58に表出した状態を回避することができる。このような余熱による酸化であれば、グルー膜58が過度に酸化されることはなく、絶縁性の酸化チタンによってグルー膜58の抵抗が大幅に上昇することもない。
In that case, after the annealing is completed, when the
このような希ガス雰囲気でのアニールの条件は特に限定されない。例えば、100%のアルゴン雰囲気となっている炉の中において、300℃〜400℃の基板温度、例えば350℃で約10分間そのアニールを行い得る。 The conditions for annealing in such a rare gas atmosphere are not particularly limited. For example, the annealing can be performed at a substrate temperature of 300 to 400 ° C., for example, 350 ° C. for about 10 minutes in a furnace having a 100% argon atmosphere.
更に、窒素雰囲気でのアニールと同様に、希ガス雰囲気から酸素を排除することで、アニールによってグルー膜58が過度に酸化してその抵抗値が上昇するのを防止できる。
Further, by removing oxygen from the rare gas atmosphere as in the case of annealing in a nitrogen atmosphere, it is possible to prevent the
また、希ガスと窒素との混合雰囲気でこのアニールを行ってもよい。 Further, this annealing may be performed in a mixed atmosphere of a rare gas and nitrogen.
続いて、図8(a)に示すように、グルー膜58の上に、プラグ用導電膜59としてタングステン膜を形成し、そのプラグ用導電膜59で第3〜第5ホール54c〜54eを完全に埋め込む。そのタングステン膜は、六フッ化タングステン(WF6)と水素とを反応ガスとして使用するCVD法により形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 8A, a tungsten film is formed as a plug
ここで、図7(b)の工程においてグルー膜58に対して予めアニールを行い、未反応のチタンがグルー膜58に表出しないようにしたので、タングステンよりなるプラグ用導電膜59が未反応のチタンによって異常成長するのが防止され、プラグ用導電膜59に「す」のような微小欠陥が形成されるのを防ぐことができる。
Here, since the
これにより、タングステン膜用の反応ガスに含まれる水素が微小欠陥を通ってキャパシタ誘電体膜42aに至るのを抑制することができ、水素の還元作用によってキャパシタ誘電体膜42aの強誘電体特性が劣化するのを防止できる。
As a result, hydrogen contained in the reaction gas for the tungsten film can be prevented from passing through the minute defects and reaching the
次いで、図8(b)に示すように、第2層間絶縁膜54上の余分なプラグ用導電膜59をCMP法により研磨して除去し、第1〜第5ホール54a〜54e内にのみプラグ用導電膜59を第1〜第5導電性プラグ59a〜59eとして残す。
Next, as shown in FIG. 8B, the excess plug
次に、図9に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。 Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.
まず、第1〜第5導電性プラグ59a〜59eとグルー膜58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。その金属積層膜は、下から厚さ360nmの銅含有アルミニウム膜、厚さ5nmのチタン膜、及び厚さ70nmの窒化チタン膜をこの順に形成してなる。
First, a metal laminated film is formed on each of the first to fifth
更に、その金属積層膜の上に反射防止膜として不図示の酸窒化シリコン(SiON)膜を形成する。そして、フォトリソグラフィにより金属積層膜とグルー膜58とをパターニングすることにより、図示のような一層目金属配線62を形成する。
Further, a silicon oxynitride (SiON) film (not shown) is formed as an antireflection film on the metal laminated film. Then, by patterning the metal laminated film and the
続いて、図10に示すように、第3層間絶縁膜65としてプラズマCVD法により酸化シリコン膜を形成した後、CMP法によりその第3層間絶縁膜65を平坦化する。
Subsequently, as shown in FIG. 10, after a silicon oxide film is formed as a third
次に、フォトリソグラフィにより第3層間絶縁膜65をパターニングして一層目金属配線62の上にホールを形成し、そのホール内にタングステン膜を主に構成される第6導電性プラグ67を形成する。
Next, the third
そして、第3層間絶縁膜65の上に、二層目金属配線68、酸化シリコン膜よりなる第4層間絶縁膜69、及びタングステンを主にして構成される第7導電性プラグ70を図示のように形成する。
Then, on the third
ここで、第1導電性プラグ59aと異なり、第6、第7導電性プラグ67、70は、上部電極43aのような導電性酸化物の上に形成されないので、これらのプラグを構成するグルー膜の酸化を気にする必要はなく、チタン膜をグルー膜として形成し得る。本実施形態では、厚さが10nmのチタン膜と厚さが14nmの窒化チタン膜とをこの順に積層し、これらの膜を第6、第7導電性プラグ67、70用のグルー膜とする。
Here, unlike the first
このうち、窒化チタン膜については、キャパシタQから離れているため、MOCVD法で形成しても反応ガス中の水素でキャパシタQが劣化する恐れはない。従って、スパッタ法よりもカバレッジに優れたMOCVD法でその窒化チタン膜を形成するのが好ましい。 Among these, since the titanium nitride film is separated from the capacitor Q, there is no fear that the capacitor Q is deteriorated by hydrogen in the reaction gas even if it is formed by the MOCVD method. Therefore, it is preferable to form the titanium nitride film by the MOCVD method having better coverage than the sputtering method.
この後は、更に金属配線と層間絶縁膜の形成工程を繰り返し、全部で5層の金属配線を形成する。そして、最上層の金属配線の上に、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜よりなるパッシベーション膜(不図示)を形成する。その後に、最上層の金属配線に形成されたボンディングパッドを露出させる窓をパッシベーション膜に形成し、本実施形態に係る半導体装置の基本構造を完成させる。 Thereafter, the metal wiring and interlayer insulating film forming steps are repeated to form a total of five layers of metal wiring. Then, a passivation film (not shown) made of a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film is formed on the uppermost metal wiring. Thereafter, a window for exposing the bonding pad formed in the uppermost metal wiring is formed in the passivation film, thereby completing the basic structure of the semiconductor device according to the present embodiment.
以上説明した本実施形態によれば、図7(b)を参照して説明したように、窒化チタン等の導電性窒化物よりなる単層のグルー膜58に対してアニールを行った。
According to the present embodiment described above, as described with reference to FIG. 7B, the single-
窒素を含む雰囲気中でこのアニールを行うことにより、スパッタ法で形成された窒化チタン膜に発生しがちな未反応のチタンを窒化することができる。 By performing this annealing in an atmosphere containing nitrogen, it is possible to nitride unreacted titanium that tends to occur in a titanium nitride film formed by sputtering.
一方、希ガス雰囲気中でこのアニールを行う場合は、アニール終了後に窒化チタン膜を大気に曝すことで、アニールの余熱によって未反応のチタンを酸化することができる。 On the other hand, when this annealing is performed in a rare gas atmosphere, unreacted titanium can be oxidized by the residual heat of annealing by exposing the titanium nitride film to the atmosphere after the annealing is completed.
これにより、プラグ用導電膜59としてタングステン膜を形成する際(図8(a))、未反応のチタンに起因してタングステンが異常成長するのが防止されるので、第1導電性プラグ59aが緻密となる。そのため、第1導電性プラグ59aを介した水素や水分等の還元性物質の侵入経路が生じ難くなり、製造途中でキャパシタ誘電体膜42aに還元性物質が侵入し難くなる。その結果、キャパシタ誘電体膜42aの劣化が防止され、ひいては強誘電体キャパシタQを備えた半導体装置の歩留まりを改善することができる。
Thus, when a tungsten film is formed as the plug conductive film 59 (FIG. 8A), abnormal growth of tungsten due to unreacted titanium is prevented, so that the first
このような歩留まり改善の効果は、上部電極43aと接続された第1導電性プラグ59aのように、キャパシタQに近い部位の導電性プラグを構成するグルー膜にアニールを行うことで特に発揮され易い。
Such a yield improvement effect is particularly easily exhibited by annealing a glue film that forms a conductive plug in a region close to the capacitor Q, such as the first
図11は、グルー膜58にアニールを行った場合と行わなかった場合の良品率を調査して得られたグラフである。
FIG. 11 is a graph obtained by investigating the yield rate when the
この調査では、2枚のシリコン基板に対して上記のアニールを行ったが、3枚のシリコン基板に対しては比較のためにアニールを行わなかった。そして、それぞれのシリコン基板に形成されたキャパシタQについて、3種類の試験PT1〜PT3をこの順に行った。このうち、PT1はトランジスタとキャパシタQの機能試験であり、PT2とPT3はキャパシタQに書き込んだデータが熱を加えた後に読み出せるかを調べる試験である
図11に示されるように、グルー膜58に対してアニールを行わなかった場合は、最後のPT3試験における良品率の低下が著しい。
In this investigation, the above-described annealing was performed on two silicon substrates, but the annealing was not performed on three silicon substrates for comparison. Then, three types of tests PT1 to PT3 were performed in this order for the capacitor Q formed on each silicon substrate. Among these, PT1 is a functional test of the transistor and the capacitor Q, and PT2 and PT3 are tests for checking whether the data written in the capacitor Q can be read after applying heat, as shown in FIG. When annealing is not performed, the rate of non-defective products in the final PT3 test is markedly reduced.
これに対し、本実施形態のようにアニールを行った場合は、全試験PT1〜PT3において良品率が高い値を維持している。 On the other hand, when annealing is performed as in this embodiment, the non-defective rate is maintained at a high value in all tests PT1 to PT3.
このことから、強誘電体キャパシタQを備えた半導体装置では、グルー膜58に対してアニールを行うことにより、歩留まりが向上することが実際に確認された。
From this, it was confirmed that in the semiconductor device provided with the ferroelectric capacitor Q, the yield is improved by annealing the
図12は、このようなアニールを省いた場合のキャパシタQ付近の拡大断面図である。 FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the capacitor Q when such annealing is omitted.
これに示されるように、アニールを省くと、タングステンの異常成長によって導電性プラグ59aに「す」59xが形成されてしまう。水素等の還元性物質は「す」59aを通ってキャパシタ誘電体膜42aに至り易くなり、キャパシタ誘電体膜42aが還元され易くなる。図11の調査結果において、アニールを省いた場合に良品率が低下したのは、このような「す」59xに一因があると考えられる。
As shown in this figure, when annealing is omitted, “su” 59x is formed in the
ところで、キャパシタ誘電体膜42aは熱に弱いため、図7(b)のアニールを高温で行うとFeRAMの歩留まりがかえって低下する恐れがある。
Incidentally, since the
そこで、本願発明者は、そのアニールで許容される基板温度を調査した。その調査結果を図13及び図14に示す。なお、図13及び図14のいずれの調査においても、窒素が100%となっている炉においてアニールを行った。 Therefore, the inventor of the present application investigated the substrate temperature allowed for the annealing. The investigation results are shown in FIG. 13 and FIG. In both of the investigations in FIGS. 13 and 14, annealing was performed in a furnace in which nitrogen was 100%.
図13の調査では、グルー膜58に対するアニール時の基板温度を300℃から450℃までの範囲において50℃きざみで変化させた。その後、キャパシタ誘電体膜42aのスイッチング電荷量について、シリコン基板20の面内48点で調査を行った。なお、この調査は、参考のために、アニールをしない場合についても行われた。また、スイッチング電荷量については、下部電極41aと上部電極43aとの電位差が1.8Vの場合と3.0Vの場合について調査した。
In the investigation of FIG. 13, the substrate temperature during annealing for the
これに示されるように、基板温度が300℃〜400℃の間では、スイッチング電荷量はアニールをしない場合と同程度に高い値を示した。 As shown in this figure, when the substrate temperature was between 300 ° C. and 400 ° C., the switching charge amount was as high as that when annealing was not performed.
一方、その基板温度が400℃を超えて450℃となると、スイッチング電荷量が急激に低下することが明らかとなった。図示のように、測定ポイントの中には、アニールをしない場合よりもスイッチング電荷量が5桁も低下するものが現れた。 On the other hand, when the substrate temperature exceeds 400 ° C. and reaches 450 ° C., it has been clarified that the amount of switching charge rapidly decreases. As shown in the figure, some of the measurement points have a switching charge amount that is reduced by five orders of magnitude compared to the case where annealing is not performed.
また、図14の調査では、図13と同じ基板温度でグルー膜58に対してアニールを行った後、下部電極41aと上部電極43aとの間のリーク電流について、シリコン基板20の面内48点で調査を行った。なお、リーク電流については、下部電極41aに対する上部電極43aの電位が+5Vの場合と−5Vの場合について調査した。
Further, in the investigation of FIG. 14, after the
図14に示されるように、基板温度が300℃〜400℃では、アニールをしない場合と同程度に低いリーク電流となった。 As shown in FIG. 14, when the substrate temperature was 300 ° C. to 400 ° C., the leakage current was as low as that when annealing was not performed.
しかし、基板温度が400℃を超えて450℃となるとリーク電流が急激に上昇し、測定ポイントの中にはリーク電流が4桁も増大するものが現れた。 However, when the substrate temperature exceeded 400 ° C. and reached 450 ° C., the leak current increased rapidly, and some of the measurement points increased the leak current by 4 digits.
図13及び図14から明らかなように、強誘電体キャパシタQを備えた半導体装置では、強誘電体キャパシタQの劣化を防止するために、グルー膜58のアニール時の基板温度の上限を400℃とする必要がある。この温度は、強誘電体キャパシタQを備えない通常のロジック品種で許容される温度よりも低いものであって、FeRAMではアニール温度の条件が厳しいことがこの調査によって見出された。
As apparent from FIGS. 13 and 14, in the semiconductor device provided with the ferroelectric capacitor Q, the upper limit of the substrate temperature when the
このように、本実施形態においては、強誘電体キャパシタQの上部電極43aに接続されたグルー膜58に対し、400℃以下の基板温度でアニールを行うことで、第1導電性プラグ59aに発生する微小欠陥を抑制しつつ、図13及び図14のような強誘電体キャパシタQの劣化を防止することができ、半導体装置の歩留まりを改善することが可能となる。
As described above, in the present embodiment, the
20…シリコン基板、21…素子分離絶縁膜、22…pウェル、23a〜23c…第1〜第3ソース/ドレイン領域、24a〜24c…第1〜第3ソース/ドレインエクステンション、25a、25b…ゲート電極、26…絶縁性サイドウォール、27…高融点金属シリサイド層、28…ゲート絶縁膜、29…カバー絶縁膜、30…第1絶縁膜、31…第1層間絶縁膜、32a〜32c…第1〜第3導電性プラグ、36…酸化防止膜、36a…酸窒化シリコン膜、36b…酸化シリコン膜、37…第1アルミナ膜、41…下部電極用導電膜、41a…下部電極、42…強誘電体膜、42a…キャパシタ誘電体膜、43…上部電極用導電膜、43a…上部電極、43b、43c…第1、第2導電性酸化金属膜、50…第2アルミナ膜、54…第2層間絶縁膜、54a〜54e…第1〜第5ホール、55…第1レジストパターン、55a、55b…第1、第2窓、57…第2レジストパターン、57c〜57e…第3〜第5窓、58…グルー膜、59…プラグ用導電膜、59a〜59e…第1〜第5導電性プラグ、62…一層目金属配線、65…第3層間絶縁膜、67…第6導電性プラグ、68…二層目金属配線、69…第4層間絶縁膜、70…第7導電性プラグ。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1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、及び導電性酸化物よりなる上部電極をこの順に積層してなるキャパシタを形成する工程と、
前記キャパシタを覆う第2絶縁膜を形成する工程と、
前記上部電極の上の前記第2絶縁膜に、該上部電極が露出するホールを形成する工程と、
前記ホール内に、前記上部電極と接続された導電性窒化物よりなるグルー膜を形成する工程と、
前記グルー膜を窒素を含む雰囲気中でアニールする工程と、
前記アニールの後、前記ホール内の前記グルー膜上に導電性プラグを形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first insulating film above the semiconductor substrate;
Forming a capacitor by laminating a lower electrode, a capacitor dielectric film made of a ferroelectric material, and an upper electrode made of a conductive oxide in this order on the first insulating film;
Forming a second insulating film covering the capacitor;
Forming a hole exposing the upper electrode in the second insulating film on the upper electrode;
Forming a glue film made of conductive nitride connected to the upper electrode in the hole;
Annealing the glue film in an atmosphere containing nitrogen;
After the annealing, forming a conductive plug on the glue film in the hole;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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