(57)【要約】【課題】誘電体に生じる電解集中を解消して容量素子を小型化可能とした容量素子及びその製造方法及びこの容量素子を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】一対の電極間に誘電体を設けて構成した容量素子、及びこの容量素子を有する半導体装置であって、誘電体が積層される電極の積層面に窒化チタン層を形成した容量素子、及びこの容量素子を有する半導体装置において、窒化チタン層の上面をイオン照射またはプラズマ処理した後に有機溶剤で洗浄して平滑化する。特に、有機溶剤はフッ化アンモン系有機溶剤とする。【選択図】図７
2006032517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体が積層される電極の積層面に窒化チタン層を形成した容量素子において、
前記窒化チタン層の上面を、イオン照射またはプラズマ処理した後に有機溶剤で洗浄することにより平滑化したことを特徴とする容量素子。
【請求項２】
前記有機溶剤はフッ化アンモン系有機溶剤であることを特徴とする請求項１記載の容量素子。
【請求項３】
上面に窒化チタン層を設けた第１の電極の上面に誘電体層を形成し、この誘電体層の上面に第２の電極を形成した容量素子の製造方法において、
前記窒化チタン層の上面にイオン照射またはプラズマ処理を行った後に有機溶剤で洗浄することにより前記窒化チタン層の上面を平滑化し、その後、前記誘電体層を形成することを特徴とする容量素子の製造方法。
【請求項４】
前記有機溶剤はフッ化アンモン系有機溶剤であることを特徴とする請求項３記載の容量素子の製造方法。
【請求項５】
一対の電極間に誘電体を設けて構成した容量素子を有する半導体装置であって、前記誘電体が積層される電極の積層面に窒化チタン層を形成した半導体装置において、
前記窒化チタン層の上面を、イオン照射またはプラズマ処理した後に有機溶剤で洗浄することにより平滑化したことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記有機溶剤はフッ化アンモン系有機溶剤であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体基板上に第１の電極を形成し、この第１の電極の上面に誘電体層を形成し、この誘電体層の上面に第２の電極を形成して容量素子を形成した半導体装置であって、前記第１の電極の上面に窒化チタン層を設けている半導体装置の製造方法において、
前記窒化チタン層の上面にイオン照射またはプラズマ処理を行った後に有機溶剤で洗浄することにより前記窒化チタン層の上面を平滑化し、その後、前記誘電体層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記有機溶剤はフッ化アンモン系有機溶剤であることを特徴とする請求項７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、一対の電極間にタンタルの酸化物からなる誘電体を設けて構成した容量素子及びその製造方法、及びこの容量素子を有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体基板上に設けた一対の電極間にタンタルの酸化物である五酸化タンタル（Ta2O5）を誘電体として設けることにより容量素子（キャパシタ）を形成した半導体装置が知られている。
【０００３】
この容量素子は、半導体基板上に設けた金属膜からなる第１の電極層の上面に誘電体層を形成し、この誘電体層の上面に金属膜からなる第２の電極層を形成して、第２の電極層と、誘電体層と、第１の電極層とをそれぞれ適宜の形状にパターンニングして形成している。
【０００４】
特に、第１の電極層の上面に誘電体層を形成する場合には、第１の電極層を構成している金属元素と誘電体層とが結合して化合物を形成することを防止するために、第１の電極層の上面に窒化チタン（TiN）層を設け、この窒化チタン層の上面に誘電体層を形成している。
【０００５】
このように第１の電極層の上面に窒化チタン層を形成した場合には、この窒化チタン層の上面に酸化膜が形成されやすく、この酸化膜が誘電体層として作用することにより静電容量を低下させるとともに、酸化膜が不均一に形成されることによって窒化チタン層と誘電体層との密着性が低下してリーク電流を増大させるおそれがあった。
【０００６】
そこで、窒化チタン層の形成後にはアンモニア（NH3）ガス雰囲気または窒素−酸素混合ガス（N2/H2）雰囲気でのプラズマ照射処理を行うことにより酸化膜を除去し、その後、誘電体層を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−５３２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
窒化チタン層に形成される酸化膜は上記したようにして除去することは可能であるものの、窒化チタン層には、窒化チタン層を構成している窒化チタン結晶の結晶粒部分と結晶粒界部分での反応性の差に起因して、表面に凹凸が形成されやすいという問題が残っていた。
【０００８】
すなわち、このように凹凸を有している窒化チタン層の上面に誘電体層を形成した場合には、窒化チタン層と誘電体層との間において電解集中が生じることが知られており、この電解集中によって誘電体層の耐圧特性が低下するというものである。
【０００９】
この窒化チタン層の表面の凹凸は上記したプラズマ照射処理によって緩和可能ではあるが、プラズマ照射処理にともなって生成される反応生成物の残留などによって凹凸があらたに形成されるため、電解集中の発生を解消できていなかった。
【００１０】
このように、窒化チタン層表面の凹凸に起因した電解集中によって誘電体層の耐圧特性が低下することにより、誘電体層を厚く形成することによって所要の耐圧特性を得るようにする必要があり、誘電体層を厚く形成したことによって低下した静電容量を、電極の面積を拡大させて補わなければならず、容量素子が大型化することとなっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の容量素子では、誘電体が積層される電極の積層面に窒化チタン層を形成した容量素子において、窒化チタン層の上面を、イオン照射またはプラズマ処理した後に有機溶剤で洗浄することにより平滑化した。さらに、有機溶剤をフッ化アンモン系有機溶剤としていることにも特徴を有するものである。
【００１２】
また、本発明の容量素子の製造方法では、上面に窒化チタン層を設けた第１の電極の上面に誘電体層を形成し、この誘電体層の上面に第２の電極を形成した容量素子の製造方法において、窒化チタン層の上面にイオン照射またはプラズマ処理を行った後に有機溶剤で洗浄することにより窒化チタン層の上面を平滑化し、その後、誘電体層を形成することとした。さらに、有機溶剤をフッ化アンモン系有機溶剤としていることにも特徴を有するものである。
【００１３】
また、本発明の半導体装置では、一対の電極間に誘電体を設けて構成した容量素子を有する半導体装置であって、誘電体が積層される電極の積層面に窒化チタン層を形成した半導体装置において、窒化チタン層の上面を、イオン照射またはプラズマ処理した後に有機溶剤で洗浄することにより平滑化した。さらに、有機溶剤をフッ化アンモン系有機溶剤としていることにも特徴を有するものである。
【００１４】
また、本発明の半導体装置の製造方法では、半導体基板上に第１の電極を形成し、この第１の電極の上面に誘電体層を形成し、この誘電体層の上面に第２の電極を形成して容量素子を形成した半導体装置であって、第１の電極の上面に窒化チタン層を設けている半導体装置の製造方法において、窒化チタン層の上面にイオン照射またはプラズマ処理を行った後に有機溶剤で洗浄することにより窒化チタン層の上面を平滑化し、その後、誘電体層を形成することとした。さらに、有機溶剤をフッ化アンモン系有機溶剤としていることにも特徴を有するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、一対の電極間に誘電体を設けて構成した容量素子の誘電体が積層される電極の積層面に窒化チタン層を設けるとともに、この窒化チタン層の上面を、イオン照射またはプラズマ処理した後に有機溶剤で洗浄することにより平滑化したことによって、この平滑化された窒化チタン層上面に誘電体層を形成することができるので、窒化チタン層と誘電体層との間において電解集中が生じること抑止でき、誘電体層の耐圧特性を向上させることができるので、誘電体層の薄層化を図ることができる。
【００１６】
したがって、誘電体層を薄層化することにより容量素子の静電容量を向上させることができるので、所要の静電容量を有する容量素子の電極の面積を削減することができ、容量素子を小型化して半導体装置の小型化を図ることができる。
【００１７】
特に、有機溶剤をフッ化アンモン系有機溶剤とすることによって、有機溶剤による洗浄にともなって窒化チタン層がエッチングされることを防止できるので、エッチングにともなう新たな結晶粒部分及び結晶粒界部分の露出を防止して凹凸が形成されることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の容量素子及びその製造方法、及びこの容量素子を有する半導体装置及びその製造方法では、半導体基板上に設けた第１の電極上に誘電体層を設けるとともに、この誘電体層の上面に第２の電極を設けて容量素子を形成しているものであって、特に、誘電体層が積層される第１の電極の上面には窒化チタン層を設け、この窒化チタン層を平滑化しているものである。
【００１９】
特に、窒化チタン層の平滑化は、窒化チタン層の上面にイオン照射またはプラズマ処理を行い、その後、窒化チタン層の上面を有機溶剤で洗浄することによって行っているものである。
【００２０】
このように、イオン照射またはプラズマ処理を行った後に有機溶剤で洗浄処理することにより、窒化チタン層の上面を極めて良好に平滑化することができるので、この窒化チタン層の上面に誘電体層を形成した場合に電解集中が生じることを抑止できる。
【００２１】
したがって、容量素子の耐圧特性を向上させることができるので、誘電体層をより薄層化して静電容量を向上させることができる。その結果、所要の静電容量とした容量素子をより小面積とした電極を用いて形成できるので、容量素子の小型化を図ることができ、この容量素子が形成された半導体装置を小型化することができる。
【００２２】
特に、洗浄に用いる有機溶剤をフッ化アンモン系有機溶剤とした場合には、有機溶剤による洗浄にともなって窒化チタン層がエッチングされることを防止できるので、エッチングにともなう新たな結晶粒部分及び結晶粒界部分の露出を防止して凹凸が形成されることを防止できる。したがって、有機溶剤による洗浄後において、窒化チタン層の表面を極めて良好に平滑化することができる。
【００２３】
以下において、図面に基づいて本実施形態を詳説する。図１〜７は、本実施形態の容量素子を有する半導体装置の製造工程を示す断面模式図であって、容量素子部分を示しているものである。
【００２４】
本実施形態では、半導体装置は、図１に示すように、SiO2からなる絶縁膜20が形成されたシリコンウエーハなどの半導体基板10を用いて形成している。
【００２５】
そして、この半導体基板10上に容量素子を形成する際には、まず、図２に示すように、半導体基板10の上面に第１電極膜30を形成する。第１電極膜30は、下層からバリア層31と、金属層32と、結合防止層33とを順次積層した積層構造としている。
【００２６】
バリア層31は、チタン（Ti）膜、またはチタンと窒化チタン（TiN）の混合物からなる膜、または酸化窒化チタン（TiON）膜で形成し、金属層32の金属の他の元素との結合、及び金属層32の金属のマイグレーションなどの発生を防止するようにしている。
【００２７】
金属層32は、アルミニウム合金膜であって、300〜1,000nmの膜厚としている。
【００２８】
結合防止層33は、窒化チタン（TiN）膜であって、金属層32の金属の他の元素との結合、及び金属層32の金属のマイグレーションなどの発生を防止するようにしている。結合防止層33は10〜80nm程度の膜厚とすることが望ましい。以下において、説明の便宜上、この結合防止層33を「窒化チタン層」と呼ぶことにする。
【００２９】
窒化チタン層（結合防止層33）の形成後、この窒化チタン層が形成された半導体基板10をイオン照射装置によってイオン照射、またはプラズマ処理装置によってプラズマ処理を行い、その後、半導体基板10をフッ化アンモン系の有機溶剤で洗浄処理することにより窒化チタン層を平滑化している。
【００３０】
半導体基板10をイオン照射処理する場合には、イオン照射装置内にセットした半導体基板10にヘリウムイオン、ネオンイオン、アルゴンイオン、クリプトンイオン、キセノンイオンなどの反応性微粒子を照射し、この反応性微粒子の照射によって特に窒化チタン層の表面の凹凸形状を緩和している。
【００３１】
また、半導体基板10をプラズマ処理する場合には、プラズマ処理装置内にセットし、窒素ガス雰囲気、または酸素ガス雰囲気、または窒素−酸素混合ガス雰囲気中でプラズマ放電行うことによって発生させたラジカルな反応性微粒子を照射し、この反応性微粒子の照射によって特に窒化チタン層の表面の凹凸形状を緩和している。
【００３２】
このようにイオン照射またはプラズマ処理を行った後に、半導体基板10を有機溶剤、特にフッ化アンモン系有機溶剤で洗浄処理している。
【００３３】
この洗浄処理では、イオン照射またはプラズマ処理で生成されて窒化チタン層の上面に付着した反応生成物や、イオン照射またはプラズマ処理による処理時に装置母材に含まれている元素の照射が生じることによって窒化チタンの乖離及び再結合が生じ、異種金属化して窒化チタン層の上面に付着したパーティクルを洗浄除去しているものであり、フッ化アンモン系有機溶剤としては、特に、純水１０〜２０wt％と、フッ化アンモニウム（NH3F）０．１〜１．０wt％と、アミド系溶剤３５〜５０wt％と、エーテル系溶剤３５〜５０wt％を混合したものを使用することが望ましい。
【００３４】
より好適な配合としては、純水１３〜１７wt％と、フッ化アンモニウム（NH3F）０．１〜０．３wt％と、アミド系溶剤４０〜４５wt％と、エーテル系溶剤４０〜４５wt％である。このような配合とすることにより、窒化チタン層を平滑化するとともに、窒化チタン層の上面に形成されている酸化膜を容易に除去することができる。
【００３５】
しかも、このようなフッ化アンモン系有機溶剤を用いることによって、このフッ化アンモン系有機溶剤による洗浄処理中に窒化チタン層がエッチングされることを防止できるので、新たな結晶粒界部分の露出を抑止して、窒化チタン層の表面を極めて良好な平滑面とすることができる。
【００３６】
上記したように、窒化チタン層の表面を平滑化した後に、図３に示すように窒化チタン層（結合防止層33）の上面に五酸化タンタル（Ta2O5）膜からなる誘電体層40を形成する。この誘電体層40は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、またはＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced-CVD）法、あるいはスパッタリング法などを用いて適宜形成してよく、本実施形態では１０〜８０nmの膜厚としている。
【００３７】
この誘電体層40は、平滑化された窒化チタン層（結合防止層33）の上面に形成されることによって、窒化チタン層との密着性が高く、しかも電解集中の発生を抑制できる。
【００３８】
誘電体層40の形成後、誘電体層40の上面には第２電極膜50を形成する。第２電極膜50は、誘電体層40の五酸化タンタルによって酸化しない窒化チタン（TiN）などの金属または化合物や、あるいは酸化しても導電性を失わないルテニウム（Ru）などを用いることが望ましい。
【００３９】
第２電極膜50の形成後、適宜のレジストマスク（図示せず）を用いて第２電極膜50をパターンニングすることにより所定形状とした第２電極50'を形成し、次いで適宜のレジストマスク（図示せず）を用いて誘電体層40をパターンニングすることにより所定形状とした誘電体40'を形成し、さらに適宜のレジストマスク（図示せず）を用いて第１電極膜30をパターンニングすることにより所定形状とした第１電極30'を形成し、図４に示すように第１電極30'と第２電極50'とからなる一対の電極間に誘電体40'を設けて容量素子を構成する。
【００４０】
第２電極50'と誘電体40'と第１電極30'の形成後、及び半導体基板10の他の領域に所要の半導体回路を構成した後、半導体基板10の上面には層間絶縁膜60を形成し、この層間絶縁膜60の上面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化した後、層間絶縁膜60の上面に適宜のレジストマスク（図示せず）を形成して層間絶縁膜60をエッチングすることにより、図５に示すように層間絶縁膜60の所要の位置に、金属層32に達する第１引出配線用孔71を形成する。
【００４１】
次いで、もう一度、層間絶縁膜60の上面に適宜のレジストマスク（図示せず）を形成して層間絶縁膜60をエッチングすることにより、図６に示すように層間絶縁膜60の所要の位置に、第２電極50'に達する第２引出配線用孔72を形成する。第１引出配線用孔71と第２引出配線用孔72はどちらを先に形成してもよい。
【００４２】
第１引出配線用孔71及び第２引出配線用孔72の形成後、半導体基板10の上面に所要の金属をスパッタリングして金属膜（図示せず）を形成することにより第１引出配線用孔71及び第２引出配線用孔72を埋め戻し、この金属膜を適宜のレジストマスク（図示せず）を用いてパターンニングすることによって、図７に示すように第１引出配線用孔71に第１引出配線81を形成するとともに、第２引出配線用孔72に第２引出配線82を形成して半導体装置を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】半導体装置の製造工程を示す断面模式図である。
【図２】半導体装置の製造工程を示す断面模式図である。
【図３】半導体装置の製造工程を示す断面模式図である。
【図４】半導体装置の製造工程を示す断面模式図である。
【図５】半導体装置の製造工程を示す断面模式図である。
【図６】半導体装置の製造工程を示す断面模式図である。
【図７】半導体装置の製造工程を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
10  半導体基板
20  絶縁膜
30  第１電極膜
30' 第１電極
31  バリア層
32  金属層
33  結合防止層（窒化チタン層）
40  誘電体層
40' 誘電体
50  第２電極膜
50' 第２電極
60  層間絶縁膜
71  第１引出配線用孔
72  第２引出配線用孔
81  第１引出配線
82  第２引出配線
【図１】
2006032517.tif 000003
【図２】
2006032517.tif 000004
【図３】
2006032517.tif 000005
【図４】
2006032517.tif 000006
【図５】
2006032517.tif 000007
【図６】
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【図７】
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