(57)【要約】【課題】プラグ３上に、バリアメタル層４および酸素バリア性を有する導電膜５を介して誘電体キャパシタを形成する耐酸化性の高いキャパシタ電極構造において、バリアメタル層４とその上の導電膜５との間の剥離を防止して信頼性を向上する。【解決手段】バリアメタル層４のパターンを、円筒状の露出面を備えて形成し、バリアメタル層４とその上の酸素バリア導電膜５とが、該バリアメタル層４上面だけでなく、半導体基板１に対し垂直方向を軸とする円筒状に形成された接触面を有して接触させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上の層間絶縁膜に設けられた開口部内に埋め込まれた埋め込み導電体と、該埋め込み導電体に接続され、下部電極、誘電体膜および上部電極で構成されたキャパシタとを備えた半導体装置において、上記埋め込み導電体とその上層の上記下部電極とが、バリアメタル層および該バリアメタル層上に形成され酸素バリア性を有する導電膜を介して接続され、上記バリアメタル層と上記導電膜とが、該バリアメタル層上面に形成される第１の接触面、および上記半導体基板に対し垂直方向を軸とする筒状に形成された第２の接触面を有して接触することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記埋め込み導電体上に形成される上記バリアメタル層は上記層間絶縁膜表面から突出し、上記導電膜は上記バリアメタル層表面全体を覆うように形成されて、上記第２の接触面は、上記バリアメタル層の側面に形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体基板上の層間絶縁膜に設けられた開口部内に埋め込まれた埋め込み導電体と、該埋め込み導電体に接続され、下部電極、誘電体膜および上部電極で構成されたキャパシタとを備えた半導体装置において、上記埋め込み導電体が、バリアメタル層で構成されて上記開口部底の半導体基板表面を覆い、該バリアメタル層と上記下部電極とが、酸素バリア性を有する導電膜を介して接続され、上記バリアメタル層と上記導電膜とが、該バリアメタル層上面に形成される第１の接触面、および上記半導体基板に対し垂直方向を軸とする筒状に形成された第２の接触面を有して接触することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
上記バリアメタル層は、上記開口部内に埋め込まれてその表面に第２の開口部を設け、上記導電膜は上記第２の開口部を埋め込んで上記バリアメタル層表面全体を覆うように形成されて、上記第２の接触面は、上記第２の開口部の内壁面に形成されることを特徴とする請求項１または３記載の半導体装置。
【請求項５】
上記バリアメタル層および上記導電膜は、全て上記開口部内に埋め込まれて形成されることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、誘電体キャパシタを備えた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の誘電体キャパシタを備えた半導体装置は、絶縁層中に埋め込まれた埋込導電体の表面に、埋込導電体を構成する金属の窒化物層を設けると共に、窒化物層上に導電性酸化物から成り対酸素バリア性を有する中間層を介して誘電体キャパシタを設けて、キャパシタの電極の耐酸化性を高めている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の別例における、誘電体薄膜をキャパシタに用いた半導体メモリ装置においては、下部電極を介して酸素が侵入して拡散防止層あるいはプラグ電極が酸化されないように、下部電極とプラグ電極が酸素バリア層を介して接続されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３４５４３２号公報（第１，第４頁、第１図）
【特許文献２】
特開２０００−１７４２２４号公報（第１，第４頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体装置の微細化、集積化に伴い、キャパシタ容量を増大させるため、キャパシタ誘電体膜にＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）等の高誘電率材料が用いられているが、このような高誘電率材料を有する強誘電体は、成膜時や成膜後の膜質改善のため、高温での酸化プロセスが必要である。
従来の半導体装置は、以上のように構成され、対酸素バリア性を有する上記中間層あるいは上記酸素バリア層を設けているが、これらの中間層（酸素バリア層）は、下地膜である窒化物層（拡散防止層）と該窒化物層の上面のみで接触している。このため、強い酸化条件では、電極や中間層のエッチング端などの界面を経由して酸素が拡散して窒化物層を酸化し、これにより発生した窒素ガスにより該窒化物層上の中間層を持ち上げ、窒化物層と中間層との間で剥離を引き起こし、コンタクト不良が発生するという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、キャパシタの電極が酸素バリア性を有する導電膜を備えて高い耐酸化性を有し、しかも該導電膜と下地膜との間における剥離の発生が防止された、信頼性の高いキャパシタ構造を備えた半導体装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置は、半導体基板上の層間絶縁膜に設けられた開口部内に埋め込まれた埋め込み導電体と、該埋め込み導電体に接続され、下部電極、誘電体膜および上部電極で構成されたキャパシタとを備えた装置構成であって、上記埋め込み導電体とその上層の上記下部電極とが、バリアメタル層および該バリアメタル層上に形成され酸素バリア性を有する導電膜を介して接続され、上記バリアメタル層と上記導電膜とが、該バリアメタル層上面に形成される第１の接触面、および上記半導体基板に対し垂直方向を軸とする筒状に形成された第２の接触面を有して接触するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による半導体装置の構造を、ＤＲＡＭにおけるキャパシタ部分について示した断面図である。
図に示すように、シリコン単結晶などから成る半導体基板１（以下、基板１と称す）上に形成された層間絶縁膜２に開口部としてのコンタクトホール３ａが設けられ、該コンタクトホール３ａに埋め込まれた埋め込み導電体としての多結晶シリコンから成る導電性プラグ３上に、下部電極６、キャパシタ誘電体膜７および上部電極８で構成されるキャパシタが形成されている。また下部電極６にはサイドウォール６ｂが設けられ、該下部電極６は、導電性プラグ３上に形成されたバリアメタル層としての窒化チタン膜４と、その上の酸素バリア性を有する導電膜５（以下、酸素バリア導電膜５と称す）とを介して導電性プラグ３と接続されている。窒化チタン膜４は導電性プラグ３の表面全体を覆って層間絶縁膜２上に延在して形成されて、シリコンや金属の拡散防止層（バリアメタル層）として機能し、その上の酸素バリア導電膜５は窒化チタン膜４の表面全体を覆うように形成され、即ち、窒化チタン膜４と酸素バリア導電膜５とは、窒化チタン膜４上面での接触面、および側面に形成される円筒状の接触面とで接触される。
なお、９は上部電極８上に形成された層間絶縁膜である。
また、図示は省略したが、基板１には、素子分離領域、トランジスタ等が形成され、通常、トランジスタの拡散層上に上記導電性プラグ３が接続形成される。また、キャパシタ上の層間絶縁膜９上にはアルミなどから成る金属配線層が形成される。
【０００８】
このように構成される半導体装置の製造方法を、図２〜図１１に基づいて以下に示す。
まず、素子分離およびトランジスタなどの素子形成された基板１上の全面に層間絶縁膜２を例えば、５００〜１０００ｎｍの膜厚で形成し、基板１表面に達するコンタクトホール３ａを所定領域に開口した後、このコンタクトホール３ａ内に多結晶シリコン膜を埋め込んで、導電性プラグ３を形成する。なお、導電性プラグ３の形成は、非晶質シリコン膜をコンタクトホール３ａ内に埋め込んで、８００℃程度の熱処理を行うことで形成しても良く、埋め込み特性が良好となる（図２）。
次に、層間絶縁膜２上の全面に、窒化チタン膜４を例えばスパッタ法により５０ｎｍ程度の膜厚で成膜した後（図３）、窒化チタン膜４上に約５００ｎｍの膜厚のレジストマスク１０をパターニングし（図４）、該レジストマスク１０を用いて塩素ガスを主とした例えば塩素／アルゴンから成るエッチングガスを用いて窒化チタン膜４をエッチングする。これにより、導電性プラグ３表面全体を覆って窒化チタン膜４がパターン形成される（図５）。
【０００９】
次に、酸化物が導電性である例えばルテニウムから成る酸素バリア導電膜５を、窒化チタン膜４を覆って全面に、例えばＣＶＤ法により約５０ｎｍの膜厚で成膜し、その上の全面に、下部電極６となる白金膜６ａを、例えばスパッタ法により約３０ｎｍの膜厚で成膜する（図６）。
次に、白金膜６ａ上に約５００ｎｍの膜厚のレジストマスク１１をパターニングし（図７）、該レジストマスク１１を用いて、例えば塩素／アルゴンから成るエッチングガスを用いて白金膜６ａをエッチングし、続いて酸素ガスにより酸素バリア導電膜５をエッチングすると共に、レジストマスク１１を同時にアッシングにより除去する。このとき、酸素バリア導電膜５および白金膜６ａのパターンは、窒化チタン膜４よりも大きく形成され、酸素バリア導電膜５は窒化チタン膜４表面全体を覆い、即ち、窒化チタン膜４上面での接触面、および側面に形成される円筒状の接触面で窒化チタン膜と接触する（図８）。
【００１０】
次に、全面に白金膜６ｂを、例えばスパッタ法により約５０ｎｍの膜厚で成膜する。このとき、窒化チタン膜４側面部での膜厚は約２０ｎｍである（図９）。
続いて、アルゴンガスを主としたエッチングガスを用いて白金膜６ｂをスパッタエッチ的にエッチングして白金膜サイドウォール６ｂに加工し、白金膜６ａおよびサイドウォール６ｂで構成される下部電極６を形成する（図１０）。
次に、下部電極６を覆って全面に、ＢＳＴ膜等の高誘電率材料から成るキャパシタ誘電体膜７を、例えばＭＯＣＶＤ法により約１００ｎｍの膜厚で成膜し、続いてその上の全面に、白金膜から成る上部電極８を、例えばスパッタ法により約８０ｎｍの膜厚で成膜する。さらにキャパシタ誘電体膜７の改質を目的として酸素中でのアニール処理を例えば、５００℃、３０分の条件で行う（図１１）。
この後、全面に層間絶縁膜９を形成し、図示しない金属配線層を形成し、所定の処理を施して半導体装置を完成する（図１参照）。
【００１１】
この実施の形態では、キャパシタの下部電極６の下層に酸素バリア導電膜５が形成されて、該酸素バリア導電膜５にて酸素を捕集するため、キャパシタ誘電体膜７の成膜時や成膜後の改質のため施される高温での酸化プロセスにおいて、下地の窒化チタン膜４や導電性プラグ３に対する酸素の影響が抑制された耐酸化性の高い構造である。
また、この酸素バリア導電膜５は窒化チタン膜４の表面全体を覆うように形成され、即ち、窒化チタン膜４と酸素バリア導電膜５とは、窒化チタン膜４上面での接触面だけでなく、側面に形成される円筒状の接触面でも接触される。この円筒状の接触面で発生する応力は、接触面が円筒状であるため、接触面内に軸に対して互いに対称となる位置が存在し、互いに対象となる位置で発生する応力が互いに打ち消し合うように働く。このため、酸素バリア導電膜５と窒化チタン膜４との間での剥離は抑制される。このように、窒化チタン膜４と酸素バリア導電膜５との間の剥離は起こりにくい構造となっているため、強い酸化条件により酸素が拡散して窒化チタン膜４に侵入しても、剥離が発生するのが防止でき、コンタクト不良が防止できる。このように信頼性の高い電極構造を有するキャパシタが得られる。
【００１２】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態では、窒化チタン膜４を導電性プラグ３よりも大きいパターンで形成したが、図１２に示すように、導電性プラグ３上に該導電性プラグ３に連続した円柱状パターンで、バリアメタル層としての窒化チタン膜４ａを形成しても良い。
この場合、層間絶縁膜２に設けられたコンタクトホール３ａ内に、導電性プラグ３および窒化チタン膜４ａを埋め込んで形成した後、層間絶縁膜２表面を全面エッチバックして、窒化チタン膜４ａを層間絶縁膜２表面から突出させ、この後上記実施の形態１と同様に酸素バリア導電膜５ａおよびキャパシタを形成する。これにより、窒化チタン膜４ａと酸素バリア導電膜５ａとは、窒化チタン膜４ａ上面での接触面だけでなく、層間絶縁膜２表面から突出した円柱状パターンの側面に形成される円筒状の接触面でも接触される。このため、実施の形態１と同様に剥離が起きにくい構造となり、信頼性の高い電極構造を有するキャパシタが得られる。またこの場合、製造工程において、窒化チタン膜４ａのパターニングに用いるマスクが不要となり、上記実施の形態１に比して工程が簡略化される。
【００１３】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２では、窒化チタン膜４、４ａを層間絶縁膜２表面よりも突出するように形成したが、層間絶縁膜２表面よりも突出させずコンタクトホール３ａ内に埋め込んで形成しても良い。
図１３に示すように、コンタクトホール３ａ内に埋め込む導電性プラグ３を、その表面を層間絶縁膜２表面よりも所定量後退させて形成し、バリアメタル層としての窒化チタン膜４ｂをコンタクトホール３ａ内で導電性プラグ３上に埋め込み形成する。このとき窒化チタン膜４ｂは、成膜後に全面エッチバックによりその表面を層間絶縁膜２表面よりも後退させた後、続いて比較的薄い膜厚でさらに成膜し、その後異方性エッチングにより層間絶縁膜２表面を露出させる。これにより窒化チタン膜４ｂ表面には、第２の開口部３ｂ（凹部）が形成され、この後、酸素バリア導電膜５ｂを第２の開口部３ｂに埋め込んで形成し、その上にキャパシタを形成する。
これにより、窒化チタン膜４ｂと酸素バリア導電膜５ｂとは、窒化チタン膜４ｂ上面（第２の開口部３ｂの底部を含む）での接触面だけでなく、第２の開口部３ｂ内の側壁に形成される円筒状の接触面でも接触される。このため、実施の形態１と同様に剥離が起きにくい構造となり、信頼性の高い電極構造を有するキャパシタが得られる。またこの場合、下部電極６の見かけの高さが低減でき平坦性が向上する。
【００１４】
なお、酸素バリア導電層５ｂも、層間絶縁膜２表面から突出させずコンタクトホール３ａ内に全て埋め込んで形成しても良く、平坦性がさらに向上し、製造工程におけるマスク枚数を上記実施の形態１に比して低減でき、工程が簡略化される。
また、上記実施の形態１〜３では、バリアメタル層としての窒化チタン膜４（４ａ、４ｂ）は、多結晶シリコンから成る導電性プラグ３上に形成したが、図１４に示すように、バリアメタル層としての窒化チタン膜４ｃをコンタクトホール３ａ底部に露出したシリコン面を覆うように形成しても良い。この場合、埋め込み導電体として窒化チタン膜４ｃを用い、その上に酸素バリア導電膜５ｃを形成する。これにより、バリアメタル層４ｃで埋め込み導電体を構成でき、構造および工程が簡略化できる。
なお、上記実施の形態１〜３では、バリアメタル層として窒化チタン膜４（４ａ、４ｂ）を用いているが、導電性プラグ３または半導体基板１と酸素バリア導電膜５（５ａ、５ｂ、５ｃ）との間の拡散バリアとしての機能を有するものであれば他のものでも構わない。
【００１５】
【発明の効果】
以上のようにこの発明に係る半導体装置は、半導体基板上の層間絶縁膜に設けられた開口部内に埋め込まれた埋め込み導電体と、該埋め込み導電体に接続され、下部電極、誘電体膜および上部電極で構成されたキャパシタとを備えた装置構成であって、上記埋め込み導電体とその上層の上記下部電極とが、バリアメタル層および該バリアメタル層上に形成され酸素バリア性を有する導電膜を介して接続され、上記バリアメタル層と上記導電膜とが、該バリアメタル層上面に形成される第１の接触面、および上記半導体基板に対し垂直方向を軸とする筒状に形成された第２の接触面を有して接触するため、上記バリアメタル層と上記導電膜との間の剥離の発生が防止されて、耐酸化性が高く、しかも良好な電気的接続が得られる信頼性の高いキャパシタの電極構造を有する半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態２による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態３による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態３の別例による半導体装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１  半導体基板、２  層間絶縁膜、３  導電性プラグ、
３ａ  開口部（コンタクトホール）、３ｂ  第２の開口部、
４，４ａ〜４ｃ  バリアメタル層としての窒化チタン膜、
５，５ａ〜５ｃ  酸素バリア導電膜、６  下部電極、７  キャパシタ誘電体膜、８  上部電極。
【図１】
2004241550.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004241550.tif 000005
【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】
2004241550.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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