(57)【要約】【課題】良好な特性の強誘電体キャパシタを有する半導体装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置１は、下部電極３１と上部電極３３との間に強誘電体膜３２が設けられた強誘電体キャパシタ３と、強誘電体キャパシタ３の上に設けられた第１水素バリア膜３５と、第１水素バリア膜３５の上に設けられた層間絶縁膜１３と、上部電極３３の上であって、第１水素バリア膜３５と層間絶縁膜１３とに設けられたコンタクトホール３６と、コンタクトホール３６に設けられたチタンアルミニウムの窒化物からなる導電膜３７と、導電膜３７の上に設けられたチタンアルミニウムの酸化物からなる第２水素バリア膜３８と、第２水素バリア膜３８の上であって、コンタクトホール３６に設けられたプラグ３９と、導電膜３７の上に設けられた配線と、を備えている。【選択図】図１
2010278058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と上部電極との間に強誘電体膜が設けられた強誘電体キャパシタと、
前記強誘電体キャパシタの上に設けられた第１水素バリア膜と、
前記第１水素バリア膜の上に設けられた層間絶縁膜と、
前記上部電極の上であって、前記第１水素バリア膜と前記層間絶縁膜とに設けられたコンタクトホールと、
前記コンタクトホールに設けられたチタンアルミニウムの窒化物からなる導電膜と、
前記導電膜の上に設けられたチタンアルミニウムの酸化物からなる第２水素バリア膜と、
前記第２水素バリア膜の上であって、前記コンタクトホールに設けられたプラグと、
前記導電膜の上に設けられた配線と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
下部電極と上部電極との間に強誘電体膜が設けられた強誘電体キャパシタを形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタの上に第１水素バリア膜を形成する工程と、
前記第１水素バリア膜の上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記上部電極の上であって、前記層間絶縁膜と前記第１水素バリア膜とに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にチタンアルミニウムの窒化物からなる導電膜を形成する工程と、
前記導電膜の上にチタンアルミニウム膜を形成する工程と、
前記チタンアルミニウム膜と前記強誘電体膜とを酸素雰囲気で熱処理する工程と、
前記コンタクトホールにプラグを形成する工程と、
前記導電膜の上に配線を形成する工程と、を備え、
前記熱処理する工程において、前記チタンアルミニウム膜を酸化させてチタンアルミニウムの酸化物からなる第２水素バリア膜を形成することを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理する工程において、前記強誘電体膜の結晶性を回復させることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、強誘電体材料の自発分極を利用した強誘電体キャパシタが知られている。強誘電体キャパシタを用いると、低電圧動作及び高速動作が可能な不揮発メモリー素子を構成することができる。１つのメモリーセルは、端的には１つのトランジスターと１つの強誘電体キャパシタにより構成される。したがって、メモリー素子をＤＲＡＭと同程度に高集積することが可能であり、大容量のメモリー装置を構成することもできる。
【０００３】
強誘電体キャパシタは、下部電極、強誘電体膜、及び上部電極が積層された構造となっている。強誘電体膜の形成材料（強誘電体材料）としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、以下ＰＺＴと称す）等のペロブスカイト型酸化物や、タンタル酸ビスマスストロンチウム（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）等のビスマス層状化合物等が有望視されている。
【０００４】
強誘電体膜は、一般に金属酸化物からなっており、還元されると特性が低下してしまう。一方で、下部電極や上部電極と導通させる配線やプラグ等の導電部は、酸化されると高抵抗になってしまい、電気特性が低下してしまう。このような事情により、強誘電体キャパシタを含んだ半導体装置には、強誘電体膜の還元を防止する水素バリア膜や、導電部の酸化を防止する酸素バリア膜が設けられている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２８２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術によれば、強誘電体層と第１の絶縁層（層間絶縁膜）との間に第２のバリア膜（水素バリア膜）が設けられているので、水素ガスや水分等の還元性物質が第１の絶縁膜から強誘電体膜に直接的に侵入することが防止される。しかしながら、第２のバリア膜には上部電極を配線等と電気的に接続するための開口が設けられており、この開口を通して還元性物質が強誘電体層に侵入するおそれがある。これにより強誘電体層の特性が劣化する恐れがある。
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、良好な特性を有する強誘電体キャパシタを備える半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体装置は、下部電極と上部電極との間に強誘電体膜が設けられた強誘電体キャパシタと、前記強誘電体キャパシタの上に設けられた第１水素バリア膜と、前記第１水素バリア膜の上に設けられた層間絶縁膜と、前記上部電極の上であって、前記第１水素バリア膜と前記層間絶縁膜とに設けられたコンタクトホールと、前記コンタクトホールに設けられたチタンアルミニウムの窒化物からなる導電膜と、前記導電膜の上に設けられたチタンアルミニウムの酸化物からなる第２水素バリア膜と、前記第２水素バリア膜の上であって、前記コンタクトホールに設けられたプラグと、前記導電膜の上に設けられた配線と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
このようにすれば、導電膜の上に設けられたチタンアルミニウムの酸化物からなる第２水素バリア膜が設けられているので、コンタクトホールを通じて水素ガス等の還元性物質の侵入が抑制される。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、下部電極と上部電極との間に強誘電体膜が設けられた強誘電体キャパシタを形成する工程と、前記強誘電体キャパシタの上に第１水素バリア膜を形成する工程と、前記第１水素バリア膜の上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記上部電極の上であって、前記層間絶縁膜と前記第１水素バリア膜とに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にチタンアルミニウムの窒化物からなる導電膜を形成する工程と、前記導電膜の上にチタンアルミニウム膜を形成する工程と、前記チタンアルミニウム膜と前記強誘電体膜とを酸素雰囲気で熱処理する工程と、前記コンタクトホールにプラグを形成する工程と、前記導電膜の上に配線を形成する工程と、を備え、前記熱処理する工程において、前記チタンアルミニウム膜を酸化させてチタンアルミニウムの酸化物からなる第２水素バリア膜を形成することを備えていることを特徴とする。
【００１１】
このようにすれば、熱処理する工程において、チタンアルミニウム膜を酸化させてチタンアルミニウムの酸化物からなる第２水素バリア膜を形成するので、コンタクトホールを通じて水素ガス等の還元性物質の侵入が抑制される。
【００１２】
本発明の半導体装置の製造方法は、前記熱処理する工程において、前記強誘電体膜の結晶性を回復させることを特徴とする。
【００１３】
このようにすれば、チタンアルミニウム膜を酸化させて第２水素バリア膜を形成するプロセスと、強誘電体膜の結晶性を回復させるプロセスとが共通であるので、効率よく、良好な特性の強誘電体キャパシタを有する半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る強誘電体メモリー装置の概略構成を示す側断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、強誘電体メモリー装置の製造方法を示す工程図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図２（ｃ）から続く工程図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、図３（ｃ）から続く工程図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、図４（ｃ）から続く工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を説明するが、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以降の説明では図面を用いて各種の構造を例示するが、構造の特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造はその寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせて示す場合がある。
【００１６】
図１は、本実施形態の半導体装置（強誘電体メモリー装置）の構成を概略して示す側断面図である。強誘電体メモリー装置１は、多数のメモリーセルを含んでおり、図１にはその１つを図示している。メモリーセルの各々は、トランジスター２、強誘電体キャパシタ３を含んでいる。本実施形態ではメモリーセルが、スタック型になっている。
【００１７】
詳しくは、シリコン基板１０の表層に複数の素子分離領域１１が形成されており、素子分離領域１１の間が１つのメモリーセルになっている。シリコン基板１０の表層には、トランジスター２が設けられている。トランジスター２を覆って、第１層間絶縁膜１２が設けられている。第１層間絶縁膜１２を貫通して、第１プラグ４１及び第２プラグ４２が設けられている。第１層間絶縁膜１２上の第１プラグ４１と重なる位置に、強誘電体キャパシタ３が設けられている。
【００１８】
強誘電体キャパシタ３を覆って、第２層間絶縁膜（層間絶縁膜）１３が設けられている。第２層間絶縁膜１３を貫通して、強誘電体キャパシタ３と重なる位置に導電膜３７が設けられている。第２層間絶縁膜１３を貫通して、第１プラグ４１と重なる位置に第３プラグ（導電部）４３が設けられている。第３プラグ４３は、第１プラグ４１と導通させて接続（以下、導通接続と称することがある）されている。第２層間絶縁膜１３上に、配線層４が設けられている。配線層４には図示略のグランド線、ビット線等の配線（導電部）が設けられている。
【００１９】
ここでは、グランド線が、第１プラグ４１及び第３プラグ４３を介して、トランジスター２と電気的に接続されている。トランジスター２は、第２プラグ４２を介して強誘電体キャパシタ３と電気的に接続されている。強誘電体キャパシタ３は、導電膜３７を介してビット線と電気的に接続されている。以下、強誘電体メモリー装置１の構成要素を詳しく説明する。
【００２０】
トランジスター２は、例えば単結晶シリコンからなるシリコン基板１０の表層を活性層として形成されている。詳しくは、シリコン基板１０の表層に、ソース領域２１及びドレイン領域２２が形成されている。シリコン基板１０の表層において、ソース領域２１とドレイン領域２２との間の領域がチャネル領域になっている。ソース領域２１、ドレイン領域２２、チャネル領域を覆ってゲート絶縁膜２３が設けられている。チャネル領域と平面的に重なる部分のゲート絶縁膜２３上に、ゲート電極２４が設けられている。ゲート電極２４の周辺に、ゲート電極２４の側壁に当接してサイドウォール２５が設けられている。ソース領域２１、ドレイン領域２２は、それぞれ高濃度不純物領域と、低濃度不純物領域とを含んでおり、サイドウォール２５と重なる部分が低濃度不純物領域になっている。ソース領域２１の高濃度不純物領域は、第１プラグ４１と導通接続されている。ドレイン領域２２の高濃度不純物領域は、第２プラグ４２と導通接続されている。
【００２１】
第１層間絶縁膜１２は、シリコン酸化物やシリコン窒化物等の絶縁材料からなる。第１層間絶縁膜１２を貫通して、ソース領域２１の高濃度領域に通じるコンタクトホールと、ドレイン領域２２の高濃度領域に通じるコンタクトホールとが形成されている。コンタクトホール内に、それぞれ第１プラグ４１、第２プラグ４２が埋設されている。第１プラグ４１、第２プラグ４２は、例えばタングステンやモリブデン、タンタル、チタン、ニッケル等の導電材料からなる。ここでは、第１プラグ４１、第２プラグ４２、第３プラグ４３、第４プラグ３９がいずれもタングステンからなっている。
【００２２】
強誘電体キャパシタ３は、下部電極３１、強誘電体膜３２、上部電極３３を含んでいる。ここでは、下部電極３１と第１層間絶縁膜１２との間に、下地導電部３４が設けられている。下地導電部３４は、第２プラグ４２と重なる部分に設けられており、第２プラグ４２と導通接続されている。下地導電部３４は、第２プラグ４２の酸化を防止するともに、強誘電体膜３２の結晶配向を制御するものである。下地導電部３４は、自己配向性と酸素バリア性とを有する導電材料、例えばチタンアルミニウムの窒化物（チタンアルミニウムナイトライド、ＴｉＡｌＮ）からなる。
【００２３】
下部電極３１は、下地導電部３４上に設けられており、下地導電部３４と導通接続されている。上部電極３３は、強誘電体膜３２上に設けられている。下部電極３１、上部電極３３は、導電材料からなる単層あるいは複数層の膜により構成される。下部電極３１、上部電極３３を構成する膜としては、イリジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウムのうちから少なくとも１つからなる膜、またはこれらの合金からなる膜、あるいはこれらの酸化物からなる膜等から選択される。イリジウムや白金等の貴金属からなる膜を用いれば、熱的・化学的に安定な下部電極３１になる。ここでは、下部電極３１、上部電極３３が単層のイリジウム膜からなっている。
【００２４】
強誘電体膜３２は、一般式がＡＢＯ３で示される強誘電体材料からなっている。Ａサイト金属は、例えば鉛、あるいは鉛の一部をランタンあるいはカルシウム、ストロンチウムに置換したものからなる。またＢサイト金属は、例えばジルコニウム又はチタンからなり、これにバナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、及びマグネシウムのうちの１つ以上を添加してもよい。
【００２５】
強誘電体材料の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、以下、ＰＺＴと称することがある）や、そのＢサイト金属としてニオブを添加したＰＺＴＮ等が挙げられる。自発分極量を大きくする観点から、Ｔｉの含有量をＺｒの含有量よりも多くすることが好ましい。この場合には、ヒステリシス特性を良好にする観点から、結晶構造が正方晶に属する（１１１）配向であるものが好ましい。ここでは、強誘電体膜３２が、ＰＴＺＮからなり、正方晶に属する（１１１）配向のペロブスカイト型の結晶構造になっている。
【００２６】
強誘電体キャパシタ３の側面及び上面、強誘電体キャパシタ３の周辺部を覆って、第１水素バリア膜３５が設けられている。第１水素バリア膜３５は、強誘電体膜３２の還元を防止するようになっている。第１水素バリア膜３５は、例えばアルミニウム酸化物からなる。
【００２７】
第１水素バリア膜３５と第１層間絶縁膜１２とを覆って、第２層間絶縁膜１３が設けられている。第２層間絶縁膜１３は、第１層間絶縁膜１２と同様に、シリコン酸化物等の絶縁物からなる。第２層間絶縁膜１３を貫通して、第１プラグ４１に通じるコンタクトホールが設けられている。このコンタクトホール内に、第３プラグ４３が埋設されている。また、第２層間絶縁膜１３を貫通して、上部電極３３に通じるコンタクトホール３６が設けられている。
【００２８】
コンタクトホール３６内の側壁と上部電極３３上とに連続して、チタンアルミニウムの窒化物からなる導電膜３７が設けられている。コンタクトホール３６内の導電膜３７を覆って、チタンアルミニウムの酸化物からなる第２水素バリア膜３８が設けられている。コンタクトホール３６内において第２水素バリア膜３８を側壁及び底部とする凹部内には、第４プラグ３９が埋設されている。導電膜３７は、前記ビット線と導通接続されている。
【００２９】
以上のような構成の強誘電体メモリー装置１において、トランジスター２のゲート電極２４に電圧が印加されるとチャネル領域がオンとなる。チャネル領域がオンになった状態で、ビット線からソース領域２１に電気信号が供給されると、この電気信号がチャネル領域、ドレイン領域２２、第２プラグ４２、下地導電部３４を介して、下部電極３１に伝達される。これにより、下部電極３１と上部電極３３との間に電圧を印加され、強誘電体膜３２に電荷（データ）が蓄積される。強誘電体メモリー装置１は、電気信号をトランジスター２によってスイッチングすることにより、強誘電体キャパシタ３へデータを書込むことや、強誘電体キャパシタ３からデータを読出すことが可能になっている。
【００３０】
強誘電体キャパシタ３は、強誘電体膜３２の分極反転を利用してデータを保持するので、データの再度書込（リフレッシュ）によりデータを保持する必要性が低くなる。したがって、強誘電体キャパシタ３を用いることにより低消費電力のメモリー装置を構成することが可能である。
【００３１】
一般に、強誘電体キャパシタにデータの書き換えを繰り返し行うと、読み出し信号量が初期状態から小さくなってしまう。例えば、強誘電体キャパシタに１０１１回程度の書き換えを行うと、信号量が読み出し不能になることがある。書き換えにより信号量が低下する原因としては、強誘電体膜の劣化が考えられている。強誘電体膜は、金属酸化物等からなっており、強誘電体膜において還元された部分（劣化部分）は、分極反転に寄与しなくなる。したがって、強誘電体膜において劣化部分の占める割合が大きくなるにつれて、信号量が小さくなる。
【００３２】
本実施形態の強誘電体メモリー装置１にあっては、強誘電体キャパシタ３の側壁と上面とが第１水素バリア膜３５に覆われているので、強誘電体膜３２の劣化が低減される。強誘電体キャパシタ３と電気的な接続をとるために、第１水素バリア膜３５には上部電極３３上に開口が設けられており、この開口を通して還元性物質（例えば水素）が侵入することがありえる。しかしながら、第１水素バリア膜３５の開口を含んだコンタクトホール３６は、側壁及び底部（上部電極３３の頂部）が導電膜３７に覆われており、さらに導電膜３７が第２水素バリア膜３８に覆われているので、還元性物質が第１水素バリア膜３５の開口から強誘電体膜３２に至ることが格段に低減される。このように、強誘電体メモリー装置１は、強誘電体膜３２の劣化が格段に低減されており、強誘電体キャパシタ３のヒステリシス特性が良好になっているので、高耐久性かつ高信頼性のものになっている。
【００３３】
次に、強誘電体メモリー装置１の構成に基づいて、本発明に係る半導体装置の製造方法の一実施形態を説明する。図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ａ）〜（ｃ）、図４（ａ）〜（ｃ）、図５（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の半導体装置の製造方法を概略して示す断面工程図である。なお、図２（ｂ）以降の図では、第１層間絶縁膜１２の下層構造の図示を省略している。
【００３４】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１０に例えばＬＯＣＯＳ法やＳＴＩ法等で素子分離領域１１を形成する。そして、素子分離領域１１の間におけるシリコン基板１０上に熱酸化法等によりゲート絶縁膜２３を形成する。そして、ゲート絶縁膜２３上に多結晶シリコン等からなるゲート電極２４を形成する。そして、素子分離領域１１間のシリコン基板１０の表層に、ゲート電極２４をマスクとして低濃度に不純物を注入する。そして、エッチバック法等を用いてサイドウォール２５を形成する。そして、素子分離領域１１間のシリコン基板１０の表層に、ゲート電極２４とサイドウォール２５とをマスクとして濃度に不純物を注入する。これにより、低濃度不純物領域と高濃度不純物領域とを含んだ、ソース領域２１及びドレイン領域２２が得られる。以上のようにして、トランジスター２を形成する。
【００３５】
そして、トランジスター２が形成されたシリコン基板１０上に、例えばＣＶＤ法でシリコン酸化物を成膜して第１層間絶縁膜１２を形成する。そして、ソース領域２１上とドレイン領域２２上とにおける第１層間絶縁膜１２をエッチングして、ソース領域２１を露出させるコンタクトホールと、ドレイン領域２２を露出させるコンタクトホールとを形成する。そして、コンタクトホール内と第１層間絶縁膜１２上とに、例えばＣＶＤ法でタングステンを成膜してコンタクトホール内にタングステンを埋め込む。そして、第１層間絶縁膜１２上をＣＭＰ法等で研磨することにより、第１層間絶縁膜１２上のタングステンを除去する。このようにして、ソース領域２１上のコンタクトホール内に第１プラグ４１を埋設し、ドレイン領域２２上のコンタクトホール内に第２プラグ４２を埋設する。
【００３６】
次いで、図２（ｂ）に示すように、第２プラグ４２上と第２プラグ４２周辺の第１層間絶縁膜１２上とに、下地導電部３４と強誘電体キャパシタ３とを形成する。
具体的には、第２プラグ４２上と第１層間絶縁膜１２上とに、下地導電部３４の形成材料として、例えばチタンアルミニウムの窒化物をスパッタリング法により成膜する。
そして、チタンアルミニウム窒化膜上に、下部電極３１の形成材料として例えばイリジウムをスパッタリング法等により形成する。
そして、イリジウム膜上に、強誘電体膜３２の形成材料として例えばＰＺＴＮを、ゾルゲル法（ＣＳＤ法）やＭＯＣＶＤ法、スパッタリング法等により酸素雰囲気で成膜する。
そして、ＰＺＴＮ膜上に、上部電極３３の形成材料として例えばイリジウムをスパッタリング法等により形成する。
そして、上層のイリジウム膜上にハードマスク等のマスクパターンを形成する。マスクパターンをエッチングマスクとして、上層のイリジウム膜、ＰＺＴＮ膜、下層のイリジウム膜、チタンアルミニウム窒化膜をエッチングする。以上のようにして、強誘電体キャパシタ３を形成する。
【００３７】
チタンアルミニウムの窒化物が自己配向性を有する材質であるので、チタンアルミニウム窒化膜の結晶配向が良好になる。イリジウム膜やＰＺＴＮ膜は、下地となるチタンアルミニウム窒化膜の結晶配向を反映して、結晶配向が良好になる。また、ＰＺＴＮ膜を酸素雰囲気で成膜しているが、チタンアルミニウム窒化膜が酸素バリア性を有しているので、第１プラグ４１や第２プラグ４２の酸化が防止される。
【００３８】
次いで、図２（ｃ）に示すように、強誘電体キャパシタ３の側壁及び上面、下地導電部３４の側壁、下地導電部３４の周辺における第１層間絶縁膜１２上を連続して覆う第１水素バリア膜３５を形成する。ここでは、シリコン基板１０上方のほぼ全域にわたってアルミニウム酸化物を成膜し、この膜をパターニングすることにより第１水素バリア膜３５を形成する。
【００３９】
次いで、図３（ａ）に示すように、第１水素バリア膜３５上と、第１層間絶縁膜１２上とを覆って、第２層間絶縁膜１３を形成する。ここでは、テトラエトキシシランを含んだ原料ガスを用いてＣＶＤ法でシリコン酸化物を成膜し、第２層間絶縁膜１３を形成する。原料ガスの反応により水素ガスや水分等の還元性物質が生成されることがある。強誘電体キャパシタ３が第１水素バリア膜３５に覆われているので、強誘電体膜３２の還元による劣化が格段に低減される。
【００４０】
次いで、図３（ｂ）に示すように、強誘電体キャパシタ３の上部電極３３上の第２層間絶縁膜１３と第１水素バリア膜３５とを貫通して、上部電極３３の上面を露出させるコンタクトホール３６を形成する。なお、第２層間絶縁膜１３を形成する前、あるいはコンタクトホール３６を形成した後に、強誘電体キャパシタ３を酸素雰囲気で熱処理することにより、強誘電体膜３２の酸素欠陥等を修復することもできる。
【００４１】
次いで、図３（ｃ）に示すように、コンタクトホール３６内に露出した部分の上部電極３３の上面、コンタクトホール３６の側壁、コンタクトホール３６周辺の第２層間絶縁膜１３上を連続的に覆って、チタンアルミニウム窒化膜３７ａを形成する。そして、チタンアルミニウム窒化膜３７ａを覆って、チタンアルミニウム膜３８ａを形成する。ここでは、チタンアルミニウム窒化膜３７ａ、チタンアルミニウム膜３８ａをスパッタリング法により連続して形成する。具体的には、コンタクトホール３６が形成されたシリコン基板１０を、スパッタリング装置の成膜室内に設置する。そして、チタンアルミニウムをターゲットに用いるとともに、成膜室内に窒素ガスを反応ガスとして流通させて、チタンアルミニウムの窒化物を成膜する。そして、窒素ガスの供給を停止して、そのままチタンアルミニウムを成膜する。
【００４２】
次いで、図４（ａ）に示すように、チタンアルミニウム窒化膜３７ａ、チタンアルミニウム膜３８ａが形成されたシリコン基板１０を酸素雰囲気で熱処理することにより、強誘電体膜３２の結晶性を回復させる。また、この熱処理によりチタンアルミニウム膜３８ａを酸化して、チタンアルミニウム酸化膜３８ｂを形成する。
【００４３】
次いで、図４（ｂ）に示すように、第２層間絶縁膜１３上をＣＭＰ法で研磨することにより、第２層間絶縁膜１３上のチタンアルミニウム窒化膜３７ａ、チタンアルミニウム酸化膜３８ｂを除去する。このようにして、コンタクトホール３６内の側壁にチタンアルミニウムの窒化物からなる導電膜３７を形成する。また、チタンアルミニウムの酸化物からなり、コンタクトホール３６内において導電膜３７を覆う第２水素バリア膜３８を形成する。
【００４４】
次いで、図４（ｃ）に示すように、第１プラグ４１上の第２層間絶縁膜１３を貫通して、第１プラグ４１の上面を露出させるコンタクトホール４３ａを形成する。第２層間絶縁膜１３を形成した後に、コンタクトホール４３ａを形成するまでの間に、第１プラグ４１は第２層間絶縁膜１３に覆われているので、第１プラグ４１の酸化が低減される。
【００４５】
次いで、図５（ａ）に示すように、コンタクトホール４３ａ内、コンタクトホール３６内において第２水素バリア膜３８を内壁とする凹部内、第２層間絶縁膜１３上とに連続して、第３プラグ４３の形成材料としてタングステンを還元雰囲気で成膜する。還元雰囲気でタングステンを成膜しているので、低抵抗なタングステン膜４３ｂを形成することができる。また、第１プラグ４１の一部が酸化されている場合には、第１プラグ４１も還元されて低抵抗になる。強誘電体膜３２については、コンタクトホール３６内の側壁側と底部側とを覆って第２水素バリア膜３８が設けられているので、強誘電体膜３２が還元されることが防止される。
【００４６】
次いで、図５（ｂ）に示すように、第２層間絶縁膜１３上をＣＭＰ法で研磨することにより、第２層間絶縁膜１３上のタングステン膜４３ｂを除去する。このようにして、コンタクトホール４３ａ内に第３プラグ４３を埋設し、第２水素バリア膜３８に囲まれる部分（凹部内）に、第４プラグ３９を埋設する。また、第３プラグ４３を埋設した後に、コンタクトホール４３ａを形成して、第４プラグ３９を埋設してもよい。図５（ｃ）に示すように、第２層間絶縁膜１３上に配線層４を形成すること等により、図１に示した強誘電体メモリー装置１が得られる。
【００４７】
以上のような本実施形態の半導体装置の製造方法にあっては、チタンアルミニウム膜３８ａを、チタンアルミニウム窒化膜３７ａと同一のターゲットを用いて同一の成膜室内で連続して形成しているので、効率よくチタンアルミニウム膜３８ａを形成することができる。また、酸素雰囲気で熱処理することにより、強誘電体膜３２の結晶性を回復させるとともに、チタンアルミニウム膜３８ａを酸化しているので、強誘電体膜３２の結晶性を良好にすることができ、また効率よく第２水素バリア膜３８を形成することができる。また、コンタクトホール３６の内壁側と底部側とを覆って第２水素バリア膜３８を形成しているので、強誘電体膜３２の還元を防止しつつ、第３プラグ４３を還元雰囲気で形成することができる。これにより、強誘電体キャパシタ３を良好なヒステリシス特性にすることができ、かつ第３プラグ４３等の、強誘電体キャパシタ３に電気信号を伝達する導電部分を良好な電気特性にすることができる。
以上のように、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、良好な特性の強誘電体メモリー装置１を低コストで効率よく製造することができる。
【００４８】
なお、本発明の技術範囲は前記実施形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。例えば、コンタクトホール４３ａをコンタクトホール３６と一括して形成してもよい。この場合には、コンタクトホール３６内、コンタクトホール４３ａ内、第２層間絶縁膜１３上に一括して、チタンアルミニウムの窒化物、チタンアルミニウムを連続成膜する。そして、酸素雰囲気で熱処理することにより、強誘電体膜３２の結晶性を回復するとともに、チタンアルミニウムを酸化する。そして、チタンアルミニウム酸化膜を覆ってタングステンを成膜する。そして、ＣＭＰ法により第２層間絶縁膜１３上の、タングステン膜、チタンアルミニウム酸化膜、チタンアルミニウム窒化膜を除去する。このようにすれば、コンタクトホール４３ａをコンタクトホール３６と一括して形成することができ、またタングステン膜をチタンアルミニウム酸化膜、チタンアルミニウム窒化膜と一括して除去することができる。したがって、工数を減らすことができ、低コストで効率よく強誘電体メモリー装置を製造することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・強誘電体メモリー装置（半導体装置）、２・・・トランジスター、３・・・強誘電体キャパシタ、３１・・・下部電極、３２・・・強誘電体膜、３３・・・上部電極、３５・・・第１水素バリア膜、３６・・・コンタクトホール、３７・・・導電膜、３８・・・第２水素バリア膜、４３・・・第３プラグ（導電部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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