(57)【要約】【課題】  主配線材料であるＡｌと主電極材料であるＰｔとの反応を効果的に抑制することができる強誘電体キャパシタの配線構造を備えた半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体基板と、半導体基板の上方に形成される第１電極と、第１電極上に形成される金属酸化物誘電体からなる容量絶縁膜と、容量絶縁膜上に形成される第２電極と、第２電極の上面の一部を露出する第１開口部を有し第１電極、容量絶縁膜及び第２電極を覆うように形成される絶縁膜と、第１開口部内及び絶縁膜上に形成されるアモルファス構造を有する第１バリア膜と、第１バリア膜の上方に形成される配線膜と、を備えることを特徴とする半導体装置。【選択図】      図１
2006210511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成される第１電極と、
前記第１電極上に形成される金属酸化物誘電体からなる容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜上に形成される第２電極と、
前記第２電極の上面の一部を露出する第１開口部を有し前記第１電極、前記容量絶縁膜及び前記第２電極を覆うように形成される絶縁膜と、
前記第１開口部内及び前記絶縁膜上に形成されるアモルファス構造を有する第１バリア膜と、
前記第１バリア膜の上方に形成される配線膜と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１電極の上面の一部を露出する第２開口部をさらに有し、前記第２開口部内に前記第１バリア膜が形成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。
【請求項３】
前記第１バリア膜上に結晶構造を有する第２バリア膜をさらに備え、前記第２バリア膜は、ＴｉＮ、ＺｒＮまたはＷＮの何れかの金属窒化膜であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１バリア膜上に反応膜をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１バリア膜は、ＴａＮｘを主成分とすることを特徴とする、請求項１乃至４に記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成される第１電極と、
前記第１電極上に形成される金属酸化物誘電体からなる容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜上に形成される第２電極と、
前記第２電極の上面の一部を露出する第１開口部を有し前記第１電極、前記容量絶縁膜及び前記第２電極を覆うように形成される絶縁膜と、
前記第１開口部内及び前記絶縁膜上に形成される第１バリア膜と、
前記第１バリア膜の表面を酸化処理して形成される第２バリア膜と、
前記第１バリア膜及び前記第２バリア膜の上方に形成される配線膜と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記第１電極の上面の一部を露出する第２開口部をさらに有し、前記第２開口部内に前記第１バリア膜及び前記第２バリア膜が形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第２バリア膜上に反応膜をさらに備えることを特徴とする、請求項６または７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１バリア膜はＴｉＮであり、前記第２バリア膜はＴｉＯ２とＴｉｘＯｙＮｚとの積層膜あるいはＴｉｘＯｙＮｚの単層膜であることを特徴とする、請求項６乃至８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成される第１電極と、
前記第１電極上に形成される金属酸化物誘電体からなる容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜上に形成される第２電極と、
前記第２電極の上面の一部を露出する第１開口部を有し前記第１電極、前記容量絶縁膜及び前記第２電極を覆うように形成される絶縁膜と、
前記第１開口部内及び前記絶縁膜上に形成される第１バリア膜と、
前記第１バリア膜上に形成される反応膜と、
前記第１バリア膜及び前記反応膜の上方に形成される配線膜と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
前記第１電極の上面の一部を露出する第２開口部をさらに有し、前記第２開口部内に前記第１バリア膜及び前記反応膜が形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記第１バリア膜は、ＴｉＮであることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記反応膜は、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｌｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｒ、ＩｎまたはＡｇのうちの少なくとも１つからなり、前記配線膜と反応して合金層を形成することを特徴とする、請求項４、８、１０または１１に記載の半導体層装置。
【請求項１４】
前記第１電極及び前記第２電極は、Ｐｔを主成分とすることを特徴とする、請求項１乃１３に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記配線膜は、Ａｌ、Ａｌを主成分とする合金、ＣｕまたはＣｕを主成分とする合金の何れかであることを特徴とする、請求項１乃至１３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、特に、金属酸化物誘電体を用いるキャパシタとの接続において良好な電気的特性を有する配線構造を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ：Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）は、強誘電体材料の持つヒステリシス特性を利用した高速かつ不揮発のメモリである。ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）並の高速な書き込み及び読み出しが可能であり、また、低消費電力であることなど優れた特長を有する。
【０００３】
ところで、金属酸化物である強誘電体を用いてキャパシタを形成する場合、強誘電体の焼結やエッチング後の特性回復のため、高温（６００〜８００℃）かつ酸素雰囲気中でのアニールが必要となる。そのため、強誘電体に接する両電極には、耐酸化性に優れたＰｔ（白金）やＩｒ（イリジウム）などの貴金属が用いられる。特にＰｔは、プロセス安定性や加工性などの面から最もよく使用されている。
【０００４】
強誘電体キャパシタを備える半導体装置に関する発明が、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の半導体装置は、主配線材料にＡｌを、主電極材料にＰｔを用いている。一般に、ＰｔとＡｌは過剰に反応することが知られている。この反応により、Ａｌ配線にボイドが形成されたり、反応が激しくなる場合にはＡｌ配線パターンが剥離したりする。この発明では、ＡｌとＰｔとの反応を防止するための反応防止層をキャパシタ電極上に備えている。
【特許文献１】特開平１０−２５６５０３号公報（第５−８頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、強誘電体キャパシタの電極材料に使用されるＰｔは、一般的な配線材料であるＡｌと過剰に反応してＡｌ２Ｐｔ化合物を生成する。その結果として、Ａｌ配線にボイドが形成されたり、反応が激しくなる場合にはＡｌ配線パターンが剥離したりする。そのため、Ｐｔ電極とＡｌ配線との間には、ＴｉＮ（窒化チタン）などのバリア膜を形成することが一般的となっている。しかしながら、ＴｉＮの結晶構造は柱状結晶構造であるため、ＴｉＮの結晶粒間を通ってＡｌ原子が容易に拡散し、Ｐｔ電極の表面にまで達してしまう。これを対策する方法の一つとして、ＴｉＮを厚く形成してＡｌの拡散経路を長くし、バリア性を向上させることが考えられる。しかしながら、スパッタ法などによりＴｉＮを厚く形成すると、キャパシタ電極と配線とを接続するためのコンタクト孔の上部においてＴｉＮのオーバーハング成長を促進し、配線材料であるＡｌのコンタクト孔内部への埋め込み性が低下して電気的特性の劣化を引き起こしてしまう。このように、Ｐｔ電極とＡｌ配線との界面にＴｉＮのバリア膜を形成するだけでは十分なバリア効果は得られない。
【０００６】
特許文献１に記載の半導体装置は、キャパシタのＰｔ電極とＡｌ配線との間に反応防止層、すなわち、バリア層、ストッパ層及び密着層を備えている。しかしながら、この反応防止層は、キャパシタ電極の上部においてキャパシタ電極と一体に形成されるため、電極自体の膜厚が厚くなり、延いては構造全体が厚膜化する虞がある。また、反応防止層の形成後にキャパシタ電極と配線とを接続するためのコンタクト孔のエッチングが行われるが、このエッチングにおいて誘電体膜はダメージを受ける。そこで、通常は誘電体膜の特性を回復するために酸素雰囲気中での高温アニールを行う（この文献中では特に記載されていない）が、このアニールによって既に形成された反応防止層が酸化され、電気特性が低下すると共に反応防止層が剥離する虞がある。また、この発明では、スタック型のキャパシタ構造に対してキャパシタの上部電極のみに反応防止層を形成しているが、キャパシタの上下電極の双方から上方にコンタクトを引き出す構造の場合、下部電極にも反応防止層を形成する必要がある。しかしながら、この特許文献には下部電極への反応防止層の形成に関する記載は特になされていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上方に形成される第１電極と、第１電極上に形成される金属酸化物誘電体からなる容量絶縁膜と、容量絶縁膜上に形成される第２電極と、第２電極の上面の一部を露出する第１開口部を有し第１電極、容量絶縁膜及び第２電極を覆うように形成される絶縁膜と、第１開口部内及び絶縁膜上に形成されるアモルファス構造を有する第１バリア膜と、第１バリア膜の上方に形成される配線膜と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る半導体装置によれば、キャパシタの上部電極である第２電極と配線膜との間にアモルファス構造、すなわち、結晶粒界が存在しない構造を有する第１バリア膜を備えている。これにより、配線膜の主材料であるＡｌの拡散を防止することができ、電極の材料であるＰｔとの反応を効果的に抑制することができる。また、第１バリア膜は配線構造の一部として形成されるため、第１バリア膜の形成によって表面段差が助長されたり、構造全体が厚膜化したりすることはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（１）第１実施形態
〔キャパシタ構造及び配線構造〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置における強誘電体キャパシタとその配線構造の概略図である。
【００１０】
上部電極７ａ及び下部電極７ｂは、耐酸化性に優れた材料からなるキャパシタ電極で、例えば、Ｐｔを主成分としている。容量絶縁膜７ｃは、金属酸化物である強誘電体で、例えば、ＳＢＴ（タンタル酸ストロンチウムビスマス：ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）を材料としている。下部電極７ｂと、下部電極７ｂ上に形成される容量絶縁膜７ｃと、容量絶縁膜７ｃ上に形成される上部電極７ａとの積層構造によって強誘電体キャパシタ７が構成されている。
【００１１】
絶縁膜８は、強誘電体キャパシタ７を覆う層間絶縁膜で、例えば、シリコン酸化膜を材料としている。コンタクト９ａは、強誘電体キャパシタ７と外部素子とを電気的に接続するための接続部で、絶縁膜８上に形成される配線膜１２の一部としてバリア膜１１を介して上部電極７ａに接する状態で形成されている。バリア膜１１は、上部電極７ａと配線膜１２との反応を抑制するためのアモルファス構造の導電膜で、少なくともコンタクト９ａの底部において上部電極７ａと配線膜１２との間に介在するように形成されている。バリア膜１１は、アモルファス構造のＴａＮ（窒化タンタル）を材料としている。なお、ＴａＮをアモルファス化するとその抵抗値が高くなるため、ＴａＮを薄膜化してＴａＮの上部にＴｉＮ、ＺｒＮ（窒化ジルコニウム）またはＷＮ（窒化タングステン）などの金属窒化膜を積層し、低抵抗化する構造も可能である。配線膜１２は、強誘電体キャパシタ７と外部素子とを電気的に接続するための導電膜で、例えば、Ａｌを主成分としている。
【００１２】
このように、第１実施形態における強誘電体キャパシタとその配線構造では、Ｐｔを材料とする上部電極７ａとＡｌを主材料とする配線膜１２との間に、アモルファス構造のＴａＮによるバリア膜１１を備えている。これにより、バリア膜中のＡｌが拡散しやすい結晶粒界をなくして、ＡｌがＰｔ電極の表面に到達することを効果的に抑制している。
【００１３】
〔製造方法〕
図２乃至４は、図１に示す強誘電体キャパシタとその配線構造を有する半導体装置、すなわち、強誘電体メモリセル１００の一部の断面構造を製造工程順に簡略に示したものである。
【００１４】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１上にＭＯＳトランジスタ２を形成する。ＭＯＳトランジスタ２は、ゲート電極２ａと、ドレイン領域及びソース領域の拡散層２ｂとを備えている。なお、図２（ａ）で示すＭＯＳトランジスタ２は、説明の便宜上、一部の構成要素を除いて描いている。次に、ＭＯＳトランジスタ２が形成された半導体基板１上に絶縁膜３を形成する。絶縁膜３の形成は、まず、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）膜を１２００ｎｍの膜厚で堆積し、Ｎ２雰囲気中で８５０℃、２０分の熱処理でリフローして平坦化する。続いて、ＢＰＳＧ膜上にＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）を４７０ｎｍの膜厚で塗布し、全面をエッチバックする。これにより、８５０ｎｍの膜厚を有する絶縁膜３が形成される。エッチバックに使用するガスは、例えば、Ｃ４Ｆ８（オクタフルオロシクロブテン）と、Ａｒ（アルゴン）と、Ｏ２と、ＣＯ（一酸化炭素）とを使用する。エッチバックの条件は、例えば、ガス流量Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２／ＣＯ＝１４／１００／１５０／５ｓｃｃｍ、ＲＦパワー１．５ｋＷ、チャンバー内圧力５０ｍＴｏｒｒとする。
【００１５】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＭＯＳトランジスタ２のドレイン領域及びソース領域の拡散層２ｂの一部を露出するコンタクト孔４を、ホトリソグラフィー及びエッチングにより形成する。エッチングに使用するガスは、例えば、ＣＨＦ３（トリフルオロメタン）と、ＣＦ４（四フッ化炭素）と、Ａｒとを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量ＣＨＦ３／ＣＦ４／Ａｒ＝４０／１５／４００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー８００Ｗ、チャンバー内圧力５００ｍＴｏｒｒとする。次に、Ｐ＋、ＢＦ２＋などのコンタクトインプラを行い、１０００℃、１０秒の熱処理を行う。
【００１６】
次に、図２（ｃ）に示すように、コンタクト孔４の内部にプラグ５を形成する。プラグ５の形成は、まず、ＣＶＤ法により、Ｔｉ及びＴｉＮからなる積層膜を形成する。Ｔｉの膜厚は１５ｎｍであり、ＴｉＮの膜厚は２０ｎｍである。Ｔｉ膜の形成方法は次の通りである。Ｔｉ膜の形成に使用するガスは、例えば、ＴｉＣｌ４（四塩化チタニウム）と、Ａｒと、Ｈ２とを使用する。成膜条件は、例えば、ガス流量ＴｉＣｌ４／Ａｒ／Ｈ２＝５／３５０／１５００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー３５０Ｗ、チャンバー内圧力５Ｔｏｒｒ、ステージ温度６３０℃とする。Ｔｉを堆積後、同一チャンバー内で窒化処理を行う。窒化処理の条件は、例えば、ＮＨ３（アンモニア）と、Ｎ２と、Ａｒとを使用し、ガス流量ＮＨ３／Ｎ２／Ａｒ＝５００／２５０／３５０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー５００Ｗ、チャンバー内圧力５Ｔｏｒｒ、ステージ温度６３０℃とする。一方、ＴｉＮ膜の形成方法は次の通りである。ＴｉＮ膜の形成に使用するガスは、例えば、ＴｉＣｌ４と、ＮＨ３と、Ａｒとを使用する。成膜条件は、例えば、ガス流量ＴｉＣｌ４／ＮＨ３／Ａｒ＝３５／４００／３５０ｓｃｃｍ、チャンバー内圧力３００ｍＴｏｒｒ、ステージ温度６８０℃とする。ＴｉＮ膜を堆積後、ＴｉＮ膜中の塩素除去及び抵抗低減のため、同一チャンバー内で熱処理を行う。熱処理の条件は、例えば、ＮＨ３と、Ｎ２とを使用し、ガス流量ＮＨ３／Ｎ２＝４０００／４００ｓｃｃｍ、チャンバー内圧力８Ｔｏｒｒ、ステージ温度６８０℃とする。以上がＴｉ膜及びＴｉＮ膜の形成方法である。続いて、ＣＶＤ法により、ＴｉＮ膜上にＷ（タングステン）膜を６００ｎｍの膜厚で堆積する。Ｗ膜の形成は２ステップで行われる。第１ステップの膜形成では、例えば、ＷＦ６（六フッ化タングステン）と、ＳｉＨ４（モノシラン）とを使用する。成膜条件は、例えば、ガス流量ＷＦ６／ＳｉＨ４＝３００／１００ｓｃｃｍ、チャンバー内圧力３００ｍＴｏｒｒ、ステージ温度４００℃とする。第２ステップの膜形成では、例えば、ＷＦ６と、Ｈ２とを使用する。成膜条件は、例えば、ガス流量ＷＦ６／Ｈ２＝５００／６５００ｓｃｃｍ、チャンバー内圧力３０Ｔｏｒｒ、ステージ温度４００℃とする。この段階で、Ｔｉ、ＴｉＮ及びＷからなる積層膜が形成される。続いて、Ｔｉ、ＴｉＮ及びＷからなる積層膜をエッチバックすることでプラグ５が形成される。エッチバックに使用するガスは、例えば、ＳＦ６（六フッ化硫黄）と、Ｏ２とを使用する。また、エッチバックの条件は、例えば、ガス流量ＳＦ６／Ｏ２＝２５０／５０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー３００Ｗ、チャンバー内圧力１５０ｍＴｏｒｒとする。
【００１７】
次に、図３（ｄ）に示すように、強誘電体キャパシタ７を形成する。まず、スパッタ法により、全面に絶縁膜６を形成する。絶縁膜６は、後述する強誘電体キャパシタ７の下部電極７ｂに対する密着層であり、例えば、ＴａｘＯｙ（酸化タンタル）である。ＴａｘＯｙ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴａを使用し、スパッタリングガスにＡｒとＯ２との混合ガスを使用する。成膜条件は、例えば、ＲＦパワー１．６ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力９．５ｍＴｏｒｒ、成膜温度を２００℃とする。次に、絶縁膜６上に、上部電極７ａ、下部電極７ｂ及び容量絶縁膜７ｃで構成される強誘電体キャパシタ７を形成する。強誘電体キャパシタ７の形成は、まず、スパッタ法により、下部電極７ｂとなるＰｔを１５０ｎｍの膜厚で形成する。Ｐｔ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＰｔを使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＲＦパワー１ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力１０ｍＴｏｒｒ、成膜温度を２００℃とする。続いて、容量絶縁膜７ｃとなる強誘電体を１２０ｎｍの膜厚で形成する。容量絶縁膜７ｃは、例えば、ＳＢＴである。ＳＢＴ膜の形成は、例えば、ＳＢＴを溶解した前駆体溶液をスピン塗布し、１５０〜２００℃に保たれたホットプレート上で５分間乾燥させて溶液を揮発除去した後、焼成炉で８００℃、３０分の酸素雰囲気中での熱処理を行い結晶化すればよい。続いて、スパッタ法により、上部電極７ａとなるＰｔ膜を２００ｎｍの膜厚で形成する。Ｐｔ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＰｔを使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＲＦパワー１ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力１０ｍＴｏｒｒ、成膜温度を２００℃とする。この段階で、Ｐｔ（下部電極７ｂ）、ＳＢＴ（容量絶縁膜７ｃ）及びＰｔ（上部電極７ａ）からなるキャパシタの積層膜が形成される。続いて、Ｐｔ（上部電極７ａ）→ＳＢＴ（容量絶縁膜７ｃ）→Ｐｔ（下部電極７ｂ）のように順次ホトリソグラフィー及びエッチングによりパターン加工する。Ｐｔからなる上部電極７ａのエッチングに使用するガスは、例えば、Ｃｌ２と、Ａｒとを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量Ｃｌ２／Ａｒ＝１０／１０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー１２０〜５００Ｗ、チャンバー内圧力５ｍＴｏｒｒとする。ＳＢＴからなる容量絶縁膜７ｃのエッチングに使用するガスは、例えば、Ｃｌ２と、Ａｒと、ＨＢｒ（臭化水素）と、Ｏ２とを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量Ｃｌ２／Ａｒ／ＨＢｒ／Ｏ２＝５／１２／３／３ｓｃｃｍ、ＲＦパワー１００〜８００Ｗ、チャンバー内圧力２ｍＴｏｒｒとする。Ｐｔからなる下部電極７ｂのエッチングに使用するガスは、例えば、Ｃｌ２と、Ａｒとを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量Ｃｌ２／Ａｒ＝１０／１０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー１２０〜５００Ｗ、チャンバー内圧力５ｍＴｏｒｒとする。この段階で、図３（ｄ）に示すような、上部電極７ａ、下部電極７ｂ及び容量絶縁膜７ｃで構成される強誘電体キャパシタ７が形成される。強誘電体キャパシタ７の形成後は、容量絶縁膜７ｃの強誘電体の特性を回復するために、６００〜７５０℃、１時間の酸素雰囲気中での熱処理を行う。次に、ＣＶＤ法により、全面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜８を形成する。
【００１８】
次に、図３（ｅ）に示すように、強誘電体キャパシタ７の上部電極７ａの一部を露出するコンタクト孔９ａ’と、下部電極７ｂの一部を露出するコンタクト孔９ｂ’とをホトリソグラフィー及びエッチングにより形成する。エッチングに使用するガスは、例えば、ＣＨＦ３と、ＣＦ４と、Ａｒとを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量ＣＨＦ３／ＣＦ４／Ａｒ＝８０／１５／４００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー８００Ｗ、チャンバー内圧力５００ｍＴｏｒｒとする。コンタクト孔９ａ’及び９ｂ’の形成後は、容量絶縁膜７ｃの強誘電体の特性を回復するために、６００〜７５０℃、１時間の酸素雰囲気中での熱処理を行う。
【００１９】
次に、図３（ｆ）に示すように、プラグ５の上面を露出するコンタクト孔１０’をホトリソグラフィー及びエッチングにより形成する。エッチングに使用するガスは、例えば、ＣＨＦ３と、ＣＦ４と、Ａｒとを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量ＣＨＦ３／ＣＦ４／Ａｒ＝８０／１５／４００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー８００Ｗ、チャンバー内圧力５００ｍＴｏｒｒとする。
【００２０】
次に、図４（ｇ）に示すように、スパッタ法により、絶縁膜８上とコンタクト孔９ａ’、９ｂ’及び１０’の内部とを覆うようにバリア膜１１を形成する。バリア膜１１は、上部電極７ａと後述する配線膜１２との反応を抑制するための導電膜であり、アモルファス構造のＴａＮが使用される。ＴａＮの膜厚は１００ｎｍである。ＴａＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴａを使用し、スパッタリングガスにＡｒとＮ２との混合ガスを使用する。成膜条件は、例えば、ガス流量比Ａｒ／Ｎ２＝７２／２８ｓｃｃｍ、ＤＣパワー７００Ｗ、スパッタ雰囲気の圧力３．５ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１５０℃とする。なお、強誘電体キャパシタとその配線構造（図１）で説明したように、ＴａＮをアモルファス化するとその抵抗値が高くなるため、ＴａＮを薄膜化してＴａＮの上部にＴｉＮ、ＺｒＮまたはＷＮなどの金属窒化膜を積層して低抵抗化してもよい。
【００２１】
ここで、ＴａＮ成膜時のＮ２ガス流量比（Ａｒガスに対する流量比）と結晶構造の関係を説明する。図５は、Ａｒ／Ｎ２ガス流量比をパラメータとした時のＴａ結晶、あるいはＴａＮ結晶の平面ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像を示している。なお、ＡｒとＮ２との混合ガスのトータル流量は１００ｓｃｃｍとする。Ｎ２ガスの流量比が０％（０ｓｃｃｍ）の場合、すなわち、Ａｒガスのみで成膜した場合にはβ相のＴａ結晶が形成され、ＴＥＭ像においてその結晶粒の存在を確認することができる。Ｎ２ガスの流量比を増やして行くと徐々にＴａ→ＴａＮｘの結晶構造に変化していくが、Ｎ２ガスの流量比が１２％（１２ｓｃｃｍ）の場合は堆積膜の窒化が十分ではなく、ＴａＮｘ中に体心立方構造（ＢＣＣ：Ｂｏｄｙ  Ｃｅｎｔｅｒｅｄ  Ｃｕｂｉｃ）を持つＴａが残った膜となっている。Ｎ２ガスの流量比が２０％（２０ｓｃｃｍ）になると、ＴａＮｘのみが形成されるようになり、さらに、結晶相だけではなくアモルファス相が混在した状態となる。そして、Ｎ２ガスの流量比が２８％（２８ｓｃｃｍ）になると、ＴａＮｘはほぼアモルファス状態となる。このように、ＴａＮは、Ｎ２ガスの流量比を変えることで結晶性の制御が可能であり、アモルファス構造のＴａＮをバリア膜として使用すれば、上部電極７ａまたは下部電極７ｂの材料であるＰｔと、配線膜１２の主材料であるＡｌとの反応を効果的に抑制することができる。
【００２２】
次に、図４（ｈ）に示すように、スパッタ法により、バリア膜１１上に配線膜１２及び導電膜１３を順次形成する。配線膜１２はＡｌ合金が使用される。Ａｌ合金膜の形成は２ステップで行われる。第１ステップの膜形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＡｌ合金を使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー９ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力３ｍＴｏｒｒ、成膜温度を４００℃とする。第２ステップの膜形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＡｌ合金を使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー２ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力３ｍＴｏｒｒ、成膜温度を４００℃とする。なお、配線膜１２の材料として、Ａｌ合金の代わりにＡｌ、ＣｕまたはＣｕを主成分とする合金を使用することも可能である。導電膜１３は、Ａｌ合金の配線膜１２に対する反射防止膜であり、ＴｉＮが使用される。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力７ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１００℃とする。この段階で、コンタクト孔９ａ’、９ｂ’及び１０’の内部がＡｌ合金で埋め込まれ、配線膜１２と一体にコンタクト９ａ、９ｂ及び１０が形成される。
【００２３】
次に、図４（ｉ）に示すように、ホトリソグラフィー及びエッチングにより、バリア膜１１、配線膜１２及び導電膜１３をパターン加工する。エッチングに使用するガスは、例えば、ＢＣｌ３（三塩化ホウ素）と、Ｃｌ２とを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量ＢＣｌ３／Ｃｌ２＝４０／６０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー７０Ｗ、チャンバー内圧力１Ｐａとする。
【００２４】
以降、さらに層間絶縁膜の形成、上層配線の形成などが繰り返されて強誘電体メモリセル１００が完成するが、本発明に直接関係する部分ではないため説明を省略する。
【００２５】
〔バリア性の評価実験〕
コンタクト抵抗の観点から見たＴａＮのバリア効果について、実験データを基に説明する。
【００２６】
この実験では、図６に示すようなキャパシタの配線構造を模したＰｔ電極とＡｌ配線とのコンタクチェーン構造の抵抗評価パターンを用いている。図６に示す抵抗評価パターンは、複数のＰｔ電極とＡｌ配線とを５万個のコンタクトで直列に接続した構造となっている。また、Ｐｔ電極とＡｌ配線の間には、膜厚１５０ｎｍのＴｉＮからなるバリア膜、または膜厚１００ｎｍのＴａＮからなるバリア膜が形成されている。なお、ここでのＴａＮのバリア膜は、成膜時のＮ２ガス流量比を２８％に設定して形成したアモルファス構造のＴａＮである。図６に示す抵抗評価パターンは、例えば、製品ウエハ上に形成される集積回路の各チップに併設するＴＥＧ（Ｔｅｓｔ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｇｒｏｕｐｅ）パターンとして形成される。
【００２７】
図７は、上述したＴｉＮまたはＴａＮのバリア膜を備えるコンタクトチェーン構造の抵抗評価パターンに対し、４００℃、３０ｍｉｎの酸素雰囲気中での熱処理を行った後の１個当たりのコンタクト抵抗を示している。１個当たりのコンタクト抵抗は、図６に示す抵抗評価パターン全体の抵抗値を測定し、その全抵抗値をコンタクトチェーンの総数、すなわち、５万個で除することで算出される。なお、図７に示すデータは、バリア膜がＴｉＮの場合及びＴａＮの場合のそれぞれについて、ウエハ２枚分の抵抗評価パターン、すなわち、９６チップ（４８チップ／ウエハ）分の抵抗評価パターンを用いてコンタクト抵抗の測定を行った場合の中央値、最大値及び最小値を示している。また、測定データの２５％が含まれる下ヒンジ値、及び測定データの７５％が含まれる上ヒンジ値も同時に示している。図７を見ると、ＴａＮをバリア膜に使用した場合は、膜厚がＴｉＮのバリア膜よりも５０ｎｍ薄いにも関わらず、ＴｉＮのバリア膜よりも低いコンタクト抵抗が得られていることが分かる。また、ウエハ面内での抵抗バラツキ、すなわち、上ヒンジ値と下ヒンジ値との差分であるヒンジ幅も小さいことが分かる。
【００２８】
図８は、上述したＴｉＮまたはＴａＮのバリア膜を備えるコンタクトチェーン構造の抵抗評価パターンに対し、４００℃、３０ｍｉｎの酸素雰囲気中での熱処理を行った後の１個当たりのコンタクト抵抗のウエハ内歩留まりマップを示している。コンタクト抵抗の上限規格値を１０Ω／個とすると、ＴｉＮをバリア膜に使用した場合は５６％の歩留まりしか得られない。また、良品チップ２７に対する標準偏差も０．１５とウエハ面内での抵抗バラツキが大きい。なお、不良チップ（図８（ａ）中×印で示す）における抵抗評価パターンの不良箇所を断面観察したところ、ＡｌとＰｔの反応による配線パターンの破壊が確認された。一方、ＴａＮをバリア膜に使用した場合は１００％の歩留まりとなる。また、標準偏差も０．０５と小さな抵抗バラツキを実現している。
【００２９】
以上の実験結果より、アモルファス構造のＴａＮをバリア膜に使用することで、ＡｌとＰｔとの反応が効果的に抑制されることが実証された。
【００３０】
〔作用効果〕
第１実施形態に係る半導体装置によれば、Ｐｔを材料とする上部電極７ａ（下部電極７ｂ）とＡｌを主材料とする配線膜１２との間に、アモルファス構造のＴａＮによるバリア膜１１を備えている。これにより、バリア膜中のＡｌが拡散しやすい結晶粒界をなくしてＡｌの拡散に対するバリア性を向上させ、ＡｌとＰｔとの反応を効果的に抑制することができる。さらに、バリア膜１１は配線構造の一部として形成されるため、バリア膜１１の形成によって表面段差が助長されたり、構造全体が厚膜化したりすることはない。
【００３１】
（２）第２実施形態
〔キャパシタ構造及び配線構造〕
図９は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置における強誘電体キャパシタとその配線構造の概略図である。図９では、第１実施形態おける強誘電体キャパシタとその配線構造（図１）と同一の構造については、図１と同一符号を付して一部その説明を省略する。
【００３２】
コンタクト９ａは、強誘電体キャパシタ７と外部素子とを電気的に接続するための接続部で、絶縁膜８上に形成される配線膜１２の一部としてバリア膜１４及び反応膜１５を介して上部電極７ａに接する状態で形成されている。バリア膜１４は、上部電極７ａと配線膜１２との反応を抑制するためのアモルファス構造の導電膜で、少なくともコンタクト９ａの底部において上部電極７ａと配線膜１２との間に介在するように形成されている。バリア膜１４は、アモルファス構造のＴａＮを材料としている。反応膜１５は、配線膜１２と反応して合金層を形成する導電膜で、バリア膜１４と共に少なくともコンタクト９ａの底部において上部電極７ａと配線膜１２との間に介在するように形成されている。反応膜１５は、Ｔｉを材料としている。反応膜１５の材料であるＴｉは、製造工程中の熱処理温度、例えば、配線膜１２の主材料であるＡｌ合金膜を形成する際の成膜温度において、Ａｌと反応してＡｌ３Ｔｉなどの合金層を形成する。この時、Ａｌの一部がＴｉとの反応に消費されるため、Ａｌの拡散に時間的な遅延を生じることになる。また、ＡｌとＴｉとの合金層が形成されることにより、Ａｌの拡散距離が実効的に長くなる。なお、反応膜１５の材料として、Ｔｉを用いる代わりにＭｇ（マグネシウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｌｉ（リチウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｐｂ（鉛）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ａｇ（銀）などを用いることも可能である。
【００３３】
このように、第２実施形態における強誘電体キャパシタとその配線構造では、Ｐｔを材料とする上部電極７ａとＡｌを主材料とする配線膜１２との間に、アモルファス構造のＴａＮによるバリア膜１４と、配線膜１２と反応を生じるＴｉなどの反応膜１５とを備えている。ＴａＮのバリア膜１４の存在により、バリア膜中のＡｌが拡散しやすい結晶粒界をなくしてＡｌの拡散を抑制する。さらに、Ｔｉからなる反応膜１５とＡｌとを反応させることにより、Ａｌの拡散時間を遅延させると共に拡散距離を実効的に長くする。これらの相乗効果により、ＡｌがＰｔ電極の表面に到達することを効果的に抑制している。
【００３４】
〔製造方法〕
図９に示す強誘電体キャパシタとその配線構造を有する半導体装置、すなわち、強誘電体メモリセル２００の製造方法は、ＭＯＳトランジスタ２を形成する工程（図２（ａ））からプラグ５の上面を露出するコンタクト孔１０’を形成する工程（図３（ｆ））までは、第１実施形態における強誘電体メモリセル１００を製造する方法と同じである。第２実施形態では、コンタクト孔１０’を形成する工程（図３（ｆ））に続いて、図１０に示す工程を経て強誘電体メモリセル２００が形成される。
【００３５】
プラグ５の上面を露出するコンタクト孔１０’を形成（図３（ｆ））した後に、図１０（ｇ）に示すように、スパッタ法により、絶縁膜８上とコンタクト孔９ａ’、９ｂ’及び１０’の内部とを覆うようにバリア膜１４を形成する。バリア膜１４は、上部電極７ａと後述する配線膜１２との反応を抑制するための導電膜であり、アモルファス構造のＴａＮが使用される。ＴａＮの膜厚は１００ｎｍである。ＴａＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴａを使用し、スパッタリングガスにＡｒとＮ２との混合ガスを使用する。成膜条件は、例えば、ガス流量比Ａｒ／Ｎ２＝７２／２８ｓｃｃｍ、ＤＣパワー７００Ｗ、スパッタ雰囲気の圧力３．５ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１５０℃とする。次に、スパッタ法により、バリア膜１４上に反応膜１５を形成する。反応膜１５は、後述する配線膜１２と反応する導電膜であり、例えば、Ｔｉが使用される。Ｔｉの膜厚は、コンタクト孔９ａ’及び９ｂ’の底部において数ｎｍ〜５０ｎｍである。Ｔｉ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー３ｋＷ、ステージ温度１５０℃とする。なお、反応膜１５の材料として、Ｔｉを用いる代わりにＭｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｌｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ａｇなどを用いることも可能である。
【００３６】
次に、図１０（ｈ）に示すように、スパッタ法により、反応膜１５上に配線膜１２及び導電膜１３を順次形成する。配線膜１２はＡｌ合金が使用される。Ａｌ合金膜の形成は２ステップで行われる。このＡｌ合金膜の成膜において、Ａｌ合金膜の下層にはアモルファス構造のＴａＮによるバリア膜１４に加え、Ａｌ合金と反応するＴｉによる反応膜１５が形成されており、第１実施形態の場合よりもさらにＡｌの拡散に対するバリア性が向上している。そのため、Ａｌ合金膜の成膜温度を高く設定することが可能となり、配線膜１２の埋め込み性及び平坦性を改善することができる。第１ステップの膜形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＡｌ合金を使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー９ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力３ｍＴｏｒｒ、成膜温度を５００℃とする。第２ステップの膜形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＡｌ合金を使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー２ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力３ｍＴｏｒｒ、成膜温度を５００℃とする。なお、配線膜１２の材料として、Ａｌ合金の代わりにＡｌ、ＣｕまたはＣｕを主成分とする合金を使用することも可能である。導電膜１３は、Ａｌ合金の配線膜１２に対する反射防止膜であり、ＴｉＮが使用される。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力７ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１００℃とする。この段階で、コンタクト孔９ａ’、９ｂ’及び１０’の内部がＡｌ合金で埋め込まれ、配線膜１２と一体にコンタクト９ａ、９ｂ及び１０が形成される。
【００３７】
次に、図１０（ｉ）に示すように、ホトリソグラフィー及びエッチングにより、バリア膜１４、反応膜１５、配線膜１２及び導電膜１３をパターン加工する。エッチングに使用するガスは、例えば、ＢＣｌ３と、Ｃｌ２とを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量ＢＣｌ３／Ｃｌ２＝４０／６０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー７０Ｗ、チャンバー内圧力１Ｐａとする。
【００３８】
以降、さらに層間絶縁膜の形成、上層配線の形成などが繰り返されて強誘電体メモリセル２００が完成するが、本発明に直接関係する部分ではないため説明を省略する。
【００３９】
〔作用効果〕
第２実施形態に係る半導体装置によれば、Ｐｔを材料とする上部電極７ａ（下部電極７ｂ）とＡｌを主材料とする配線膜１２との間に、アモルファス構造のＴａＮによるバリア膜１４と、配線膜１２と反応を生じるＴｉなどの反応膜１５とを備えている。ＴａＮのバリア膜１４の介在により、バリア膜中のＡｌが拡散しやすい結晶粒界をなくしてＡｌの拡散を抑制する。また、反応膜１５の材料であるＴｉと配線膜１２の主材料であるＡｌとを反応させることにより、Ａｌの拡散時間を遅延させると共に拡散距離を実効的に長くする。これらの相乗効果により、アモルファス構造のＴａＮによるバリア膜１４のみを備える第１実施形態の場合よりも、さらにＡｌとＰｔとの反応を効果的に抑制することができる。また、配線膜１２の成膜温度を高く設定することができるため、配線膜１２の埋め込み性及び平坦性が改善し、良好な電気的特性を有するキャパシタ構造を形成することができる。さらに、バリア膜１４及び反応膜１５は配線構造の一部として形成されるため、バリア膜１４及び反応膜１５の形成によって表面段差が助長されたり、構造全体が厚膜化したりすることはない。
【００４０】
（３）第３実施形態
〔キャパシタ構造及び配線構造〕
図１１は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置における強誘電体キャパシタとその配線構造の概略図である。図１１では、第１実施形態おける強誘電体キャパシタとその配線構造（図１）と同一の構造については、図１と同一符号を付して一部その説明を省略する。
【００４１】
コンタクト９ａは、強誘電体キャパシタ７と外部素子とを電気的に接続するための接続部で、絶縁膜８上に形成される配線膜１２の一部としてバリア膜１６、１７及び１８を介して上部電極７ａに接する状態で形成されている。バリア膜１６、１７及び１８は、上部電極７ａと配線膜１２との反応を抑制するための導電膜で、少なくともコンタクト９ａの底部において上部電極７ａと配線膜１２との間に介在するように形成されている。バリア膜１６及び１８は、ＴｉＮを材料としている。バリア膜１７は、ＴｉＯ２（窒化チタン）とＴｉｘＯｙＮｚ（酸化窒化チタン）との積層膜、あるいはＴｉｘＯｙＮｚの単層膜であり、ＴｉＮからなるバリア膜１６を酸化処理して形成される。ＴｉＯ２とＴｉｘＯｙＮｚとの積層膜、あるいはＴｉｘＯｙＮｚの単層膜であるバリア膜１７は、ＴｉＮからなるバリア膜１６及び１８の結晶粒界を不連続にする効果があると共に、バリア膜１７そのものにＡｌの拡散を抑制する効果がある。
【００４２】
ここで、本実施形態におけるバリア膜の構成は、図１１に示すようなバリア膜１６（ＴｉＮ）と、バリア膜１７（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）と、バリア膜１８（ＴｉＮ）との３層構造に限定されるものではない。その他のバリア膜の構成としては、例えば、図１２（ａ）に示すように、最下層のバリア膜１６（ＴｉＮ）と最上層のバリア膜１８（ＴｉＮ）との間に、複数のバリア膜１７（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）を備える構造であっても良い。また、別のバリア膜の構成としては、図１２（ｂ）に示すように、厚く形成したバリア膜１６（ＴｉＮ）の表面にバリア膜１７（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）を備える構造であっても良い。
【００４３】
このように、第３実施形態における強誘電体キャパシタとその配線構造では、Ｐｔを材料とする上部電極７ａとＡｌを主材料とする配線膜１２との間に、ＴｉＮによるバリア膜、例えば、バリア膜１６及び１８と、ＴｉＯ２とＴｉｘＯｙＮｚとの積層膜あるいはＴｉｘＯｙＮｚの単層膜であるバリア膜１７とを備えている。これにより、Ａｌが拡散しやすいＴｉＮのバリア膜中の結晶粒界を不連続にして、ＡｌがＰｔ電極の表面に到達することを効果的に抑制している。
【００４４】
〔製造方法〕
図１１に示す強誘電体キャパシタとその配線構造を有する半導体装置、すなわち、強誘電体メモリセル３００の製造方法は、ＭＯＳトランジスタ２を形成する工程（図２（ａ））からプラグ５の上面を露出するコンタクト孔１０’を形成する工程（図３（ｆ））までは、第１実施形態における強誘電体メモリセル１００を製造する方法と同じである。第３実施形態では、コンタクト孔１０’を形成する工程（図３（ｆ））に続いて、図１３に示す工程を経て強誘電体メモリセル３００が形成される。
【００４５】
プラグ５の上面を露出するコンタクト孔１０’を形成（図３（ｆ））した後に、図１３（ｇ）に示すように、スパッタ法により、絶縁膜８上とコンタクト孔９ａ’、９ｂ’及び１０’の内部とを覆うようにバリア膜１６を形成する。バリア膜１６は、上部電極７ａと後述する配線膜１２との反応を抑制するための導電膜であり、ＴｉＮが使用される。ＴｉＮの膜厚は７５ｎｍである。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、スパッタ雰囲気中の圧力７ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１００℃とする。次に、バリア膜１６上にバリア膜１７を形成する。バリア膜１７は、ＴｉＯ２とＴｉｘＯｙＮｚとの積層膜、あるいはＴｉｘＯｙＮｚの単層膜である。バリア膜１７の膜厚は、コンタクト孔９ａ’及び９ｂ’の底部において数ｎｍ〜２０ｎｍである。バリア膜１７の形成は、例えば、ＴｉＮからなるバリア膜１６を形成した後に、Ｏ２を含む雰囲気中で３００〜４５０℃、１〜３０分の熱処理を行う。熱処理装置は、炉あるいはランプアニール装置のいずれを用いてもよい。また、アッシング装置などを用いてＯ２を含む雰囲気中でプラズマ処理を行ってもよい。次に、スパッタ法により、バリア膜１７上にバリア膜１８を形成する。バリア膜１８は、バリア膜１６と同様に上部電極７ａと後述する配線膜１２との反応を抑制するための導電膜であり、ＴｉＮが使用される。ＴｉＮの膜厚は７５ｎｍである。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、スパッタ雰囲気中の圧力７ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１００℃とする。
【００４６】
ここで、バリア膜１６、１７及び１８の構成は、図１２（ａ）に示すように、最下層のバリア膜１６（ＴｉＮ）と最上層のバリア膜１８（ＴｉＮ）との間に、複数のバリア膜１７（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）を備える構成としてもよい。また、図１２（ｂ）に示すように、膜厚を１５０ｎｍ程度に厚く形成したバリア膜１６（ＴｉＮ）の表面にバリア膜１７（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）を備える構成としてもよい。
【００４７】
次に、図１３（ｈ）に示すように、スパッタ法により、バリア膜１８上に配線膜１２及び導電膜１３を順次形成する。配線膜１２はＡｌ合金が使用される。Ａｌ合金膜の形成は２ステップで行われる。第１ステップの膜形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＡｌ合金を使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー９ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力３ｍＴｏｒｒ、成膜温度を４００℃とする。第２ステップの膜形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＡｌ合金を使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー２ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力３ｍＴｏｒｒ、成膜温度を４００℃とする。なお、配線膜１２の材料として、Ａｌ合金の代わりにＡｌ、ＣｕまたはＣｕを主成分とする合金を使用することも可能である。導電膜１３は、Ａｌ合金の配線膜１２に対する反射防止膜であり、ＴｉＮが使用される。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力７ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１００℃とする。この段階で、コンタクト孔９ａ’、９ｂ’及び１０’の内部がＡｌ合金で埋め込まれ、配線膜１２と一体にコンタクト９ａ、９ｂ及び１０が形成される。
【００４８】
次に、図１３（ｉ）に示すように、ホトリソグラフィー及びエッチングにより、バリア膜１６、バリア膜１７、バリア膜１８、配線膜１２及び導電膜１３をパターン加工する。エッチングに使用するガスは、例えば、ＢＣｌ３と、Ｃｌ２とを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量ＢＣｌ３／Ｃｌ２＝４０／６０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー７０Ｗ、チャンバー内圧力１Ｐａとする。
【００４９】
以降、さらに層間絶縁膜の形成、上層配線の形成などが繰り返されて強誘電体メモリセル３００が完成するが、本発明に直接関係する部分ではないため説明を省略する。
【００５０】
〔バリア性の評価実験〕
シート抵抗の観点から見たＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２のバリア効果、すなわち、ＴｉＮの酸化処理によるバリア効果について、実験データを基に説明する。なお、以下の実験結果は、ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２の積層膜のバリア効果を示すものであるが、勿論ＴｉｘＯｙＮｚの単層膜でも同様のバリア効果が得られるものである。
【００５１】
この実験では、図１４（ａ）に示すようなキャパシタの配線構造を模した抵抗評価サンプルを用いている。図１４（ａ）に示す抵抗評価サンプルは、例えば、シリコンなどを材料とする半導体基板上に、下層からＳｉＯ２、ＴａｘＯｙ、Ｐｔ、ＴｉＮ、ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２、ＴｉＮ、Ａｌを順次積層した構造となっている。図１４（ａ）に示すＰｔは、図１１に示す強誘電体キャパシタの上部電極７ａまたは下部電極７ｂに相当する。また、図１４（ａ）に示す下層ＴｉＮとＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２と上層ＴｉＮとの積層膜については、下層ＴｉＮは図１１に示すバリア膜１６に相当し、ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２は図１１に示すバリア膜１７に相当し、上層ＴｉＮは図１１に示すバリア膜１８に相当する。図１４（ａ）の構造におけるそれぞれの膜厚は、ＳｉＯ２が４００ｎｍ、ＴａｘＯｙが５０ｎｍ、Ｐｔが１５０ｎｍ、Ａｌが５００ｎｍであり、下層ＴｉＮとＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２と上層ＴｉＮとの積層膜の膜厚については、図１１に示すコンタクト孔９ａの底部におけるバリア膜１６、１７及び１８の積層膜の膜厚に相当する膜厚、すなわち、４０ｎｍとしている。
【００５２】
図１４（ａ）に示す抵抗評価サンプルの形成工程を図１４（ｂ）に示す。シリコンなどの半導体基板上にＳｉＯ２、ＴａｘＯｙ、Ｐｔを順次形成した後に、表面の脱ガス処理を行ってから下層のＴｉＮを２０ｎｍ堆積する。続いて、ＴｉＮが形成された評価サンプルを、図１４（ｂ）に示す４水準の酸化処理条件、すなわち、１）大気暴露５ｈｒ、２）Ｏ２アニール１５０℃／５ｍｉｎ、３）Ｏ２アニール２５０℃／５ｍｉｎ、４）Ｏ２アニール３５０℃／５ｍｉｎに分けて酸化処理し、ＴｉＮの表面にＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２を形成する。続いて、表面の脱ガス処理を行ってから上層のＴｉＮを２０ｎｍ堆積する。最後にＡｌを５００ｎｍ堆積して図１４（ａ）に示す抵抗評価サンプルが形成される。
【００５３】
図１５は、上述した４水準の酸化処理条件（図１４（ｂ））で形成された各抵抗評価サンプルに対し、４００℃、３０ｍｉｎの酸素雰囲気中での熱処理を行った後のシート抵抗を示している。なお、図１５に示すデータは、各水準の酸化処理条件で形成した抵抗評価サンプルに対し、それぞれ面内で６〜１０点のシート抵抗の測定を行った場合の平均値、最大値及び最小値を示している。また、比較のため、抵抗評価サンプルの熱処理前のシート抵抗の抵抗値レベルを波線で示している。図１５を見ると、大気暴露５ｈｒ、Ｏ２アニール１５０℃／５ｍｉｎ、Ｏ２アニール２５０℃／５ｍｉｎのいずれの酸化処理においても、４００℃、３０ｍｉｎの熱処理後にはシート抵抗が大きく増加していることが分かる。後のＸ線回折のデータで詳細に示すが、これはＴｉＮを酸化処理して形成したＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２のバリア効果が不十分で、下層のＰｔと上層のＡｌとが反応してＡｌ２Ｐｔ化合物が形成されることによる抵抗値の増加である。一方、Ｏ２アニール３５０℃／５ｍｉｎで酸化処理を行った場合は、シート抵抗が熱処理前のレベルとほぼ同じレベルになることが分かる。後のＸ線回折のデータで詳細に示すが、これはＴｉＮを酸化処理して形成したＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２のバリア効果が十分で、下層のＰｔと上層のＡｌとが反応が効果的に抑制されたことを示している。
【００５４】
図１６は、上述した４水準の酸化処理条件（図１４（ｂ））で形成された各抵抗評価サンプルに対し、４００℃、３０ｍｉｎの酸素雰囲気中での熱処理を行った後のＸ線回折データを示している。図１６を見ると、（ａ）大気暴露５ｈｒ、（ｂ）Ｏ２アニール１５０℃／５ｍｉｎ、（ｃ）Ｏ２アニール２５０℃／５ｍｉｎのいずれの酸化処理においても、ＰｔとＡｌとの反応で生成されるＡｌ２Ｐｔ化合物のピークを確認することができる。これは、ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２のバリア効果が不十分で、下層のＰｔと上層のＡｌとが反応していることを示している。一方、（ｄ）Ｏ２アニール３５０℃／５ｍｉｎの酸化処理を行った場合は、Ａｌ及びＰｔのピークが観察されるのみで、Ａｌ２Ｐｔ化合物のピークは確認できない。すなわち、ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２のバリア効果が十分で、下層のＰｔと上層のＡｌとが効果的に抑制されていることが分かる。
【００５５】
図１７は、図１６のＸ線回折データにおけるＡｌ（１１１）及びＰ（１１１）のピーク強度とＴｉＮの酸化処理条件との関係を示している。図１７を見ると、ＴｉＮの酸化処理における処理温度が低くなるほどＡｌ及びＰｔのピーク強度が低下する傾向が認められる。これは、図１６のＸ線回折データからも明らかなように、ＴｉＮの酸化処理における処理温度が低くなるほどＡｌ２Ｐｔ化合物が生成されやすい、すなわち、ＡｌとＰｔとが反応しやすいことを示唆している。また、大気暴露の酸化処理においては、Ａｌ及びＰｔのピーク強度が最も低いことが明らかであり、ＴｉＮ表面の酸化処理が重要であると共に、より酸化された構造ではＡｌの拡散に対するバリア性が向上することが理解できる。
【００５６】
以上の実験結果より、ＴｉＮの表面を十分に酸化処理することで、ＡｌとＰｔとの反応が効果的に抑制されることが実証された。そのため、本実施形態では、ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２あるいはＴｉｘＯｙＮｚからなるバリア膜１７の形成、すなわち、ＴｉＮからなるバリア膜１６の酸化処理を３００〜４５０℃、１〜３０分のＯ２雰囲気中で行うこととした。
【００５７】
〔作用効果〕
第３実施形態に係る半導体装置によれば、Ｐｔを材料とする上部電極７ａ（下部電極７ｂ）とＡｌを主材料とする配線膜１２との間に、ＴｉＮからなるバリア膜、例えば、バリア膜１６及び１８と、ＴｉＯ２とＴｉｘＯｙＮｚとの積層膜あるいはＴｉｘＯｙＮｚの単層膜からなるバリア膜１７とを備えている。ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２あるいはＴｉｘＯｙＮｚのバリア膜１７の介在により、Ａｌが拡散しやすいＴｉＮのバリア膜中の結晶粒界が不連続となる。これにより、Ａｌの拡散に対するバリア性を向上させ、ＡｌとＰｔとの反応を効果的に抑制することができる。さらに、バリア膜１６、１７及び１８は配線構造の一部として形成されるため、バリア膜１６、１７及び１８の形成によって表面段差が助長されたり、構造全体が厚膜化したりすることはない。
【００５８】
（４）第４実施形態
〔キャパシタ構造及び配線構造〕
図１８は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置における強誘電体キャパシタとその配線構造の概略図である。図１８では、第１実施形態おける強誘電体キャパシタとその配線構造（図１）と同一の構造については、図１と同一符号を付して一部その説明を省略する。
【００５９】
コンタクト９ａは、強誘電体キャパシタ７と外部素子とを電気的に接続するための接続部で、絶縁膜８上に形成される配線膜１２の一部としてバリア膜１９、２１及び反応膜２０を介して上部電極７ａに接する状態で形成されている。バリア膜１９及び２１は、上部電極７ａと配線膜１２との反応を抑制するための導電膜で、少なくともコンタクト９ａの底部において上部電極７ａと配線膜１２との間に介在するように形成されている。バリア膜１９及び２１は、ＴｉＮを材料としている。反応膜２０は、配線膜１２と反応して合金層を形成する導電膜で、バリア膜１９及び２１と共に少なくともコンタクト９ａの底部において上部電極７ａと配線膜１２との間に介在するように形成されている。反応膜２０は、Ｔｉを材料としている。反応膜２０の材料であるＴｉは、製造工程中の熱処理温度、例えば、配線膜１２の主材料であるＡｌ合金膜を形成する際の成膜温度において、Ａｌと反応してＡｌ３Ｔｉなどの合金層を形成する。この時、Ａｌの一部がＴｉとの反応に消費されるため、Ａｌの拡散に時間的な遅延を生じることになる。また、ＡｌとＴｉとの合金層が形成されることにより、Ａｌの拡散距離が実効的に長くなる。なお、反応膜２０の材料として、Ｔｉを用いる代わりにＭｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｌｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ａｇなどを用いることも可能である。
【００６０】
ここで、本実施形態におけるバリア膜及び反応膜の構成は、図１８に示すようなバリア膜１９（ＴｉＮ）と、反応膜２０（Ｔｉ）と、バリア膜２１（ＴｉＮ）との３層構造に限定されるものではない。その他のバリア膜の構成としては、例えば、図１９（ａ）に示すように、最下層のバリア膜１９（ＴｉＮ）と最上層のバリア膜２１（ＴｉＮ）との間に、複数の反応膜２０（Ｔｉ）を備える構造であっても良い。また、別のバリア膜の構成としては、図１９（ｂ）に示すように、厚く形成したバリア膜１９（ＴｉＮ）の表面に、反応膜２０（Ｔｉ）を備える構造であっても良い。
【００６１】
このように、第４実施形態における強誘電体キャパシタとその配線構造では、Ｐｔを材料とする上部電極７ａとＡｌを主材料とする配線膜１２との間に、ＴｉＮによるバリア膜、例えば、バリア膜１９及び２１と、配線膜１２と反応を生じるＴｉなどの反応膜２０とを備えている。Ｔｉからなる反応膜２０とＡｌとを反応させることにより、Ａｌの拡散時間を遅延させると共に拡散距離を実効的に長くし、ＡｌがＰｔ電極の表面に到達することを効果的に抑制している。また、反応膜２０の材料であるＴｉは、第３実施形態のバリア膜１７の材料であるＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２あるいはＴｉｘＯｙＮｚに比べて抵抗値が低いため、コンタクト９ａ及び９ｂの低抵抗化を図ることができる。
【００６２】
〔製造方法〕
図１８に示す強誘電体キャパシタとその配線構造を有する半導体装置、すなわち、強誘電体メモリセル４００の製造方法は、ＭＯＳトランジスタ２を形成する工程（図２（ａ））からプラグ５の上面を露出するコンタクト孔１０’を形成する工程（図３（ｆ））までは、第１実施形態における強誘電体メモリセル１００を製造する方法と同じである。第４実施形態では、コンタクト孔１０’を形成する工程（図３（ｆ））に続いて、図２０に示す工程を経て強誘電体メモリセル４００が形成される。
【００６３】
プラグ５の上面を露出するコンタクト孔１０’を形成（図３（ｆ））した後に、図２０（ｇ）に示すように、スパッタ法により、絶縁膜８上とコンタクト孔９ａ’、９ｂ’及び１０’の内部とを覆うようにバリア膜１９を形成する。バリア膜１９は、上部電極７ａと後述する配線膜１２との反応を抑制するための導電膜であり、ＴｉＮが使用される。ＴｉＮの膜厚は７５ｎｍである。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、スパッタ雰囲気中の圧力７ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１００℃とする。次に、スパッタ法により、バリア膜１９上に反応膜２０を形成する。反応膜２０は、後述する配線膜１２と反応する導電膜であり、例えば、Ｔｉが使用される。Ｔｉの膜厚は、コンタクト孔９ａ’及び９ｂ’の底部において数ｎｍ〜５０ｎｍである。Ｔｉ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー３ｋＷ、ステージ温度１５０℃とする。なお、反応膜２０の材料として、Ｔｉを用いる代わりにＭｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｌｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ａｇなどを用いることも可能である。次に、スパッタ法により、反応膜２０上にバリア膜２１を形成する。バリア膜２１は、バリア膜１９と同様に上部電極７ａと後述する配線膜１２との反応を抑制するための導電膜であり、ＴｉＮが使用される。ＴｉＮの膜厚は７５ｎｍである。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、スパッタ雰囲気中の圧力７ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１００℃とする。
【００６４】
ここで、バリア膜１９、２１及び反応膜２０の構成は、図１９（ａ）に示すように、最下層のバリア膜１９（ＴｉＮ）と最上層のバリア膜２１（ＴｉＮ）との間に、複数の反応膜２０（Ｔｉ）を備える構成としてもよい。また、図１９（ｂ）に示すように、膜厚を１５０ｎｍ程度に厚く形成したバリア膜１９（ＴｉＮ）の表面に、単層の反応膜２０（Ｔｉ）を備える構成としてもよい。
【００６５】
次に、図２０（ｈ）に示すように、スパッタ法により、バリア膜２１上に配線膜１２及び導電膜１３を順次形成する。配線膜１２はＡｌ合金が使用される。Ａｌ合金膜の形成は２ステップで行われる。第１ステップの膜形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＡｌ合金を使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー９ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力３ｍＴｏｒｒ、成膜温度を４００℃とする。第２ステップの膜形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＡｌ合金を使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー２ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力３ｍＴｏｒｒ、成膜温度を４００℃とする。なお、配線膜１２の材料として、Ａｌ合金の代わりにＡｌ、ＣｕまたはＣｕを主成分とする合金を使用することも可能である。導電膜１３は、Ａｌ合金の配線膜１２に対する反射防止膜であり、ＴｉＮが使用される。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力７ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１００℃とする。この段階で、コンタクト孔９ａ’、９ｂ’及び１０’の内部がＡｌ合金で埋め込まれ、配線膜１２と一体にコンタクト９ａ、９ｂ及び１０が形成される。
【００６６】
次に、図２０（ｉ）に示すように、ホトリソグラフィー及びエッチングにより、バリア膜１９、反応膜２０、バリア膜２１、配線膜１２及び導電膜１３をパターン加工する。エッチングに使用するガスは、例えば、ＢＣｌ３と、Ｃｌ２とを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量ＢＣｌ３／Ｃｌ２＝４０／６０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー７０Ｗ、チャンバー内圧力１Ｐａとする。
【００６７】
以降、さらに層間絶縁膜の形成、上層配線の形成などが繰り返されて強誘電体メモリセル４００が完成するが、本発明に直接関係する部分ではないため説明を省略する。
【００６８】
〔作用効果〕
第４実施形態に係る半導体装置によれば、Ｐｔを材料とする上部電極７ａ（下部電極７ｂ）とＡｌを主材料とする配線膜１２との間に、ＴｉＮからなるバリア膜、例えば、バリア膜１９及び２１と、配線膜１２と反応を生じるＴｉなどの反応膜２０とを備えている。反応膜２０の材料であるＴｉと配線膜１２の主材料であるＡｌとを反応させることにより、Ａｌの拡散時間を遅延させると共に拡散距離を実効的に長くする。これにより、Ａｌの拡散に対するバリア性を向上させ、ＡｌとＰｔとの反応を効果的に抑制することができる。また、反応膜２０の材料であるＴｉは、第３実施形態のバリア膜１６の材料であるＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２あるいはＴｉｘＯｙＮｚに比べて抵抗値が低いため、第３実施形態の場合よりもコンタクト９ａ及び９ｂの低抵抗化を図ることができる。さらに、バリア膜１９、２１及び反応膜２０は配線構造の一部として形成されるため、バリア膜１９、２１及び反応膜２０の形成によって表面段差が助長されたり、構造全体が厚膜化したりすることはない。
【００６９】
（５）第５実施形態
〔キャパシタ構造及び配線構造〕
図２１は、本発明の第５実施形態に係る半導体装置における強誘電体キャパシタとその配線構造の概略図である。図２１では、第１実施形態おける強誘電体キャパシタとその配線構造（図１）と同一の構造については、図１と同一符号を付して一部その説明を省略する。
【００７０】
コンタクト９ａは、強誘電体キャパシタ７と外部素子とを電気的に接続するための接続部で、絶縁膜８上に形成される配線膜１２の一部としてバリア膜２２、２３、２５及び反応膜２４を介して上部電極７ａに接する状態で形成されている。バリア膜２２、２３及び２５は、上部電極７ａと配線膜１２との反応を抑制するための導電膜で、少なくともコンタクト９ａの底部において上部電極７ａと配線膜１２との間に介在するように形成されている。バリア膜２２及び２５は、ＴｉＮを材料としている。バリア膜２３は、ＴｉＯ２とＴｉｘＯｙＮｚとの積層膜、あるいはＴｉｘＯｙＮｚの単層膜であり、ＴｉＮからなるバリア膜２２を酸化処理して形成される。ＴｉＯ２とＴｉｘＯｙＮｚとの積層膜、あるいはＴｉｘＯｙＮｚの単層膜であるバリア膜２３は、ＴｉＮからなるバリア膜２２の結晶粒界を不連続にする効果があると共に、バリア膜２３そのものにＡｌの拡散を抑制する効果がある。反応膜２４は、配線膜１２と反応して合金層を形成する導電膜で、バリア膜２２、２３及び２５と共に少なくともコンタクト９ａの底部において上部電極７ａと配線膜１２との間に介在するように形成されている。反応膜２４は、Ｔｉを材料としている。反応膜２４の材料であるＴｉは、製造工程中の熱処理温度、例えば、配線膜１２の主材料であるＡｌ合金膜を形成する際の成膜温度において、Ａｌと反応してＡｌ３Ｔｉなどの合金層を形成する。この時、Ａｌの一部がＴｉとの反応に消費されるため、Ａｌの拡散に時間的な遅延を生じることになる。また、ＡｌとＴｉとの合金層が形成されることにより、Ａｌの拡散距離が実効的に長くなる。なお、反応膜２４の材料として、Ｔｉを用いる代わりにＭｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｌｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ａｇなどを用いることも可能である。
【００７１】
ここで、バリア膜２２、２３、２５及び反応膜２４の構成は、図２１に示すようなバリア膜２２（ＴｉＮ）と、バリア膜２３（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）と、反応膜２４（Ｔｉ）と、バリア膜２５（ＴｉＮ）との４層構造に限定されるものではない。その他のバリア膜の構成としては、例えば、図２２（ａ）に示すように、最下層のバリア膜２２（ＴｉＮ）と最上層のバリア膜２５（ＴｉＮ）との間に、複数のバリア膜２３（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）及び反応膜２４（Ｔｉ）を備える構造であっても良い。また、別のバリア膜の構成としては、図２２（ｂ）に示すように、厚く形成したバリア膜２２（ＴｉＮ）の表面に、バリア膜２３（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）及び反応膜２４（Ｔｉ）を備える構造であっても良い。
【００７２】
このように、第５実施形態における強誘電体キャパシタとその配線構造では、Ｐｔを材料とする上部電極７ａとＡｌを主材料とする配線膜１２との間に、ＴｉＮによるバリア膜、例えば、バリア膜２２及び２５と、ＴｉＯ２とＴｉｘＯｙＮｚとの積層膜あるいはＴｉｘＯｙＮｚの単層膜であるバリア膜２３と、配線膜１２と反応を生じるＴｉなどの反応膜２４とを備えている。ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２あるいはＴｉｘＯｙＮｚのバリア膜２３の介在により、Ａｌが拡散しやすいＴｉＮのバリア膜中の結晶粒界が不連続となる。さらに、Ｔｉからなる反応膜２４とＡｌとを反応させることにより、Ａｌの拡散時間を遅延させると共に拡散距離を実効的に長くする。これらの相乗効果により、ＡｌがＰｔ電極の表面に到達することを効果的に抑制している。また、本実施形態と第３実施形態（図１１）とを比較すると、本実施形態では、ＴｉＮによるバリア膜２２とバリア膜２５との間に、ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２あるいはＴｉｘＯｙＮｚによるバリア膜２３に加えてＴｉによる反応膜２４を備えているため、第３実施形態におけるバリア膜１７（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）の膜厚よりもバリア膜２３（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）の膜厚を薄くすることができる。これにより、第３実施形態の場合よりもコンタクト９ａ及び９ｂの低抵抗化を図ることができる。また、本実施形態と第４実施形態（図１８）とを比較すると、本実施形態では、ＴｉＮによるバリア膜２２とバリア膜２５との間に、Ｔｉによる反応膜２４に加えてＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚによるバリア膜２３を備えている。これにより、第４実施形態の場合よりもＡｌの拡散に対するバリア性を向上させることができる。
【００７３】
〔製造方法〕
図２１に示す強誘電体キャパシタとその配線構造を有する半導体装置、すなわち、強誘電体メモリセル５００の製造方法は、ＭＯＳトランジスタ２を形成する工程（図２（ａ））からプラグ５の上面を露出するコンタクト孔１０’を形成する工程（図３（ｆ））までは、第１実施形態における強誘電体メモリセル１００を製造する方法と同じである。第５実施形態では、コンタクト孔１０’を形成する工程（図３（ｆ））に続いて、図２３に示す工程を経て強誘電体メモリセル５００が形成される。
【００７４】
プラグ５の上面を露出するコンタクト孔１０’を形成（図３（ｆ））した後に、図２３（ｇ）に示すように、スパッタ法により、絶縁膜８上とコンタクト孔９ａ’、９ｂ’及び１０’の内部とを覆うようにバリア膜２２を形成する。バリア膜２２は、上部電極７ａと後述する配線膜１２との反応を抑制するための導電膜であり、ＴｉＮが使用される。ＴｉＮの膜厚は７５ｎｍである。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、スパッタ雰囲気中の圧力７ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１００℃とする。次に、バリア膜２２上にバリア膜２３を形成する。バリア膜２３は、ＴｉＯ２とＴｉｘＯｙＮｚとの積層膜、あるいはＴｉｘＯｙＮｚの単層膜である。バリア膜２３の膜厚は、コンタクト孔９ａ’及び９ｂ’の底部において数ｎｍ〜１０ｎｍである。バリア膜２３の形成は、例えば、ＴｉＮからなるバリア膜２２を形成した後に、Ｏ２を含む雰囲気中で３００〜４５０℃、１〜３０分の熱処理を行う。熱処理装置は、炉あるいはランプアニール装置のいずれを用いてもよい。また、アッシング装置などを用いてＯ２を含む雰囲気中でプラズマ処理を行ってもよい。次に、スパッタ法により、バリア膜２３上に反応膜２４を形成する。反応膜２４は、後述する配線膜１２と反応する導電膜であり、例えば、Ｔｉが使用される。Ｔｉの膜厚は、コンタクト孔９ａ’及び９ｂ’の底部において数ｎｍ〜５０ｎｍである。Ｔｉ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー３ｋＷ、ステージ温度１５０℃とする。なお、反応膜２４の材料として、Ｔｉを用いる代わりにＭｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｌｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ａｇなどを用いることも可能である。次に、スパッタ法により、反応膜２４上にバリア膜２５を形成する。バリア膜２５は、バリア膜２２と同様に上部電極７ａと後述する配線膜１２との反応を抑制するための導電膜であり、ＴｉＮが使用される。ＴｉＮの膜厚は７５ｎｍである。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、スパッタ雰囲気中の圧力７ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１００℃とする。
【００７５】
ここで、バリア膜２２、２３、２５及び反応膜２４の構成は、図２２（ａ）に示すように、最下層のバリア膜２２（ＴｉＮ）と最上層のバリア膜２５（ＴｉＮ）との間に、複数のバリア膜２３（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）及び反応膜２４（Ｔｉ）を備える構成としてもよい。また、図２２（ｂ）に示すように、膜厚を１５０ｎｍ程度に厚く形成したバリア膜２２（ＴｉＮ）の表面に、バリア膜２３（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）及び反応膜２４（Ｔｉ）を備える構成としてもよい。
【００７６】
次に、図２３（ｈ）に示すように、スパッタ法により、バリア膜２５上に配線膜１２及び導電膜１３を順次形成する。配線膜１２はＡｌ合金が使用される。Ａｌ合金膜の形成は２ステップで行われる。第１ステップの膜形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＡｌ合金を使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー９ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力３ｍＴｏｒｒ、成膜温度を４００℃とする。第２ステップの膜形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＡｌ合金を使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー２ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力３ｍＴｏｒｒ、成膜温度を４００℃とする。なお、配線膜１２の材料として、Ａｌ合金の代わりにＡｌ、ＣｕまたはＣｕを主成分とする合金を使用することも可能である。導電膜１３は、Ａｌ合金の配線膜１２に対する反射防止膜であり、ＴｉＮが使用される。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、スパッタ雰囲気の圧力７ｍＴｏｒｒ、成膜温度を１００℃とする。この段階で、コンタクト孔９ａ’、９ｂ’及び１０’の内部がＡｌ合金で埋め込まれ、配線膜１２と一体にコンタクト９ａ、９ｂ及び１０が形成される。
【００７７】
次に、図２３（ｉ）に示すように、ホトリソグラフィー及びエッチングにより、バリア膜２２、バリア膜２３、反応膜２４、バリア膜２５、配線膜１２及び導電膜１３をパターン加工する。エッチングに使用するガスは、例えば、ＢＣｌ３と、Ｃｌ２とを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量ＢＣｌ３／Ｃｌ２＝４０／６０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー７０Ｗ、チャンバー内圧力１Ｐａとする。
【００７８】
以降、さらに層間絶縁膜の形成、上層配線の形成などが繰り返されて強誘電体メモリセル５００が完成するが、本発明に直接関係する部分ではないため説明を省略する。
【００７９】
〔作用効果〕
第５実施形態に係る半導体装置によれば、Ｐｔを材料とする上部電極７ａ（下部電極７ｂ）とＡｌを主材料とする配線膜１２との間に、ＴｉＮからなるバリア膜、例えば、バリア膜２２及び２５と、ＴｉＯ２とＴｉｘＯｙＮｚとの積層膜あるいはＴｉｘＯｙＮｚの単層膜であるバリア膜２３と、配線膜１２と反応を生じるＴｉなどの反応膜２４とを備えている。ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２あるいはＴｉｘＯｙＮｚのバリア膜２３の介在により、Ａｌが拡散しやすいＴｉＮのバリア膜中の結晶粒界が不連続となる。さらに、反応膜２４の材料であるＴｉと配線膜１２の主材料であるＡｌとを反応させることにより、Ａｌの拡散時間を遅延させると共に拡散距離を実効的に長くする。これらの相乗効果により、Ａｌの拡散に対するバリア性を向上させ、ＡｌとＰｔとの反応を効果的に抑制することができる。また、第３実施形態（図１１）と比較すると、本実施形態では、ＴｉＮによるバリア膜２２とバリア膜２５との間に、ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２あるいはＴｉｘＯｙＮｚによるバリア膜２３に加えてＴｉによる反応膜２４を備えているため、第３実施形態におけるバリア膜１７（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）の膜厚よりもバリア膜２３（ＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２またはＴｉｘＯｙＮｚ）の膜厚を薄くすることができる。これにより、第３実施形態の場合よりもコンタクト９ａ及び９ｂの低抵抗化を図ることができる。また、第４実施形態（図１８）と比較すると、本実施形態では、ＴｉＮによるバリア膜２２とバリア膜２５との間に、Ｔｉによる反応膜２４に加えてＴｉｘＯｙＮｚ／ＴｉＯ２あるいはＴｉｘＯｙＮｚによるバリア膜２３を備えている。これにより、第４実施形態の場合よりもＡｌの拡散に対するバリア性を向上させることができる。さらに、バリア膜２２、２３、２５及び反応膜２４は配線構造の一部として形成されるため、バリア膜２２、２３、２５及び反応膜２４の形成によって表面段差が助長されたり、構造全体が厚膜化したりすることはない。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第１実施形態に係る半導体装置に用いられる強誘電体キャパシタの構造及びその配線構造の概略図。
【図２】第１実施形態に係る半導体装置の製造工程図。
【図３】第１実施形態に係る半導体装置の製造工程図。
【図４】第１実施形態に係る半導体装置の製造工程図。
【図５】ＴａＮ結晶のＮ２ガス流量比依存性を示す図。
【図６】コンタクト抵抗評価パターンの構造図。
【図７】コンタクト抵抗のバリア材依存性を示す図。
【図８】コンタクト抵抗の歩留まりマップ。
【図９】第２実施形態に係る半導体装置に用いられる強誘電体キャパシタの構造及びその配線構造の概略図。
【図１０】第２実施形態に係る半導体装置の製造工程図。
【図１１】第３実施形態に係る半導体装置に用いられる強誘電体キャパシタの構造及びその配線構造の概略図。
【図１２】第３実施形態におけるバリア膜のその他の構成図。
【図１３】第３実施形態に係る半導体装置の製造工程図。
【図１４】シート抵抗評価サンプルの構造図及びその形成工程を示す図。
【図１５】シート抵抗のＴｉＮ酸化処理依存性を示す図。
【図１６】ＴｉＮ酸化処理後のＸ線回折データを示す図。
【図１７】Ｘ線回折データにおけるＡｌ及びＰｔのピーク強度とＴｉＮ酸化処理との関係を示す図。
【図１８】第４実施形態に係る半導体装置に用いられる強誘電体キャパシタの構造及びその配線構造の概略図。
【図１９】第４実施形態におけるバリア膜のその他の構成図。
【図２０】第４実施形態に係る半導体装置の製造工程図。
【図２１】第５実施形態に係る半導体装置に用いられる強誘電体キャパシタの構造及びその配線構造の概略図。
【図２２】第５実施形態におけるバリア膜のその他の構成図。
【図２３】第５実施形態に係る半導体装置の製造工程図。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・半導体基板
２・・・ＭＯＳトランジスタ
２ａ・・・ゲート電極
２ｂ・・・拡散層
３、６、８・・・絶縁膜
４、９ａ’、９ｂ’、１０’・・・コンタクト孔
５・・・プラグ
７・・・強誘電体キャパシタ
７ａ・・・上部電極
７ｂ・・・下部電極
７ｃ・・・容量絶縁膜
９ａ、９ｂ、１０・・・コンタクト孔
１１、１４、１６、１７、１８、１９、２１、２２、２３、２５・・・バリア膜
１２・・・配線膜
１３・・・導電膜
１５、２０、２４・・・反応膜
１００、２００、３００、４００、５００・・・強誘電体メモリセル
【図１】
2006210511.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2006210511.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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