(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成され、コンタクトプラグを含む層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上に前記コンタクトプラグを覆うように、酸素バリヤメタル層、前記酸素バリヤメタル層及び酸素と結合して導電性合金を形成した物質層、酸素バリヤメタル層の３層からなる酸素バリヤ層パターンと、前記酸素バリヤ層パターンに電気的に接続されるキャパシタ下部電極と、前記下部電極に面して形成される強誘電体誘電膜とを含み、
前記酸素バリヤ層パターンは、前記酸素バリヤメタル層と、酸素バリヤメタル層及び酸素と結合して導電性合金を形成した前記物質層と、前記酸素バリヤメタル層と、が順次積層された層構造であるとともに、
前記酸素バリヤメタル層は、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうち１つから形成され、かつ前記物質層は、チタン、タンタルのうち１つから形成される
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記酸素バリヤ層パターンと前記コンタクトプラグの間に導電性接触層が介在され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】
前記接触層は、チタン、タンタル及びこの元素の化合物のうち、１つで形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記キャパシタ下部電極は、白金で形成され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５】
前記酸素バリヤ層パターンと前記キャパシタ下部電極の間にはイリジウム酸化膜を設置す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６】
基板にコンタクトプラグを含む層間絶縁膜を形成する段階と、前記コンタクトプラグを覆うように前記層間絶縁膜の上にコンタクトプラグと電気的に接続されるように酸素バリヤメタル層、導電性合金の形成のための物質層、酸素バリヤメタル層を順次に積層して酸素バリヤ層を形成する段階と、前記酸素バリヤ層の上に電気的に接続されるようにキャパシタ下部電極を形成する段階と、前記下部電極層の上に強誘電体誘電膜を形成する段階とを含み、  前記酸素バリヤメタル層は、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのうち１つから形成され、かつ前記物質層は、チタン、タンタルのうち１つから形成される
ことを特徴とする半導体装置の形成方法。
【請求項７】
前記強誘電膜を形成する段階の後、キャパシタ上部電極層を形成する段階と、キャパシタパターンマスクを形成して前記層間絶縁膜の上の膜をエッチングする段階と、前記エッチングによって形成されたキャパシタパターンを覆うキャッピング膜を形成する段階とを含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の形成方法。
【請求項８】
前記酸素バリヤ層を形成する段階と前記キャパシタ下部電極層を形成する段階の間に前記酸素バリヤメタルの酸化膜が積層される段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の形成方法。
【請求項９】
前記酸素バリヤメタルの酸化膜を積層する段階の後、前記酸素バリヤメタルの酸化膜に対するアニーリングを実施する段階を含むことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の形成方法。
【請求項１０】
前記酸素バリヤ層を形成する段階の前に前記コンタクトプラグの上に接触層を形成する段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の形成方法。
【請求項１１】
前記酸素バリヤ層は酸素バリヤメタルとしてイリジウム層を積層し、前記物質層を５００Å以下の厚さに積層し、酸素バリヤメタルとしてイリジウム層を積層して形成することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は強誘電体キャパシタを有する半導体装置及びその製造方法に関し、さらには強誘電体キャパシタと連結されるコンタクトプラグの界面酸化を防止できる構成を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置のうち、ＦＲＡＭ(ferroelectric random access memory)又はＤＲＡＭ(dynamic random access memory)はトランジスタと共にキャパシタを備える。高集積化に従ってキャパシタが占める面積は縮み、これによって半導体装置の特性が低下する問題点が発生する。従って、キャパシタを有する半導体装置でキャパシタは小面積を占め、多い静電容量を確保するようにすることが半導体装置の設計と製造において重要な要素になる。
【０００３】
高集積化に従って、ＤＲＡＭ装置で強誘電体キャパシタを使用する必要性が増加しているが、特に、ＦＲＡＭ装置で強誘電体キャパシタを使用することは、特性上、必須である。ＦＲＡＭはフラッシュメモリのような不揮発性メモリであるが、１０12以上の優れた持続性、数十ナノ秒の速い演算速度、５Ｖｏｌｔ以下の低い作動電圧、低消費電力のために、近年、注目されている。このようなＦＲＡＭが高付加価値の商品として実現されるためには、ＤＲＡＭのように１トランジスタ／１キャパシタのセル構造を有し、多層配線工程を導入し、データ保有能力と、ＤＲＡＭに準じたリード及びライト反復性等の信頼性を向上させなければならない。
【０００４】
ＤＲＡＭ又はＦＲＡＭで高誘電膜キャパシタを形成するにおいて、一番問題点になることは、トランジスタ電極とキャパシタ電極を連結するコンタクトプラグのキャパシタ電極界面での酸化現象である。１トランジスタ／１キャパシタの構造ではトランジスタとキャパシタを連結するコンタクトが必須であり、ポリシリコン又はタングステンからなるコンタクトプラグを使用する。強誘電体キャパシタでは誘電膜を積層した後、酸素雰囲気で熱処理する。この時、工程環境に直接露出されたり、酸素を通過させる物質層を通じて工程環境に間接露出されると、コンタクトプラグの表面又は物質層との界面が酸化される。
【０００５】
コンタクトプラグは強誘電体キャパシタの下部電極と連結される。強誘電体キャパシタの下部電極は熱と酸化に強い白金等を使用し、白金電極は酸素の移動を遮蔽できない。従って、誘電膜又は環境の中の酸素は下部電極を通じて下部電極と連結されるコンタクトプラグの界面を酸化させる。シリコン及びタングステンの酸化膜は導体ではないので、表面又は界面の一部だけが酸化される場合にもコンタクトの抵抗は非常に高くなってセルが動作しにくい。
【０００６】
従って、強誘電体キャパシタを形成する時、このような界面酸化を防止するために酸素を通過させる下部電極とコンタクトプラグの間に酸素バリヤ層を設置することが一般的である。酸素バリヤ層としては多くの物質が研究されている。酸素バリヤ層になるためには導電性を有しながら酸化されなく、酸化されても導電性を有する物質が必要であり、自体として又は酸化された膜が内部で酸素がよく拡散されないようにする性質を有する物質が適合である。又、キャパシタ下部電極とコンタクトプラグ全部と接合性がよく、オーミックコンタクト(ohmmic contact)をなすことが必要である。
【０００７】
近年、強誘電体キャパシタの酸素バリヤ物質としてイリジウム、ルテニウム、オスミウム等の貴金属物質が使用されている。日本特許公開公報特開平１０−２４２４０８号明細書を参照すると、コンタクトプラグと白金下部電極の間にチタン接合層、イリジウム−イットリウム−酸素が混合されたバリヤ層及びチタン接合層が設置される構造である。又、日本特許公開公報特開平１０−１７３１３８を参照すると、シリコン層コンタクトプラグと高誘電体キャパシタ下部電極の間にチタンオーミックコンタクト層、チタン窒化膜シリコン拡散バリヤ層、イリジウム／イリジウム酸化膜／イリジウムの多層酸素バリヤ層が設置される。
【０００８】
このような既存構成の酸素バリヤ層は、酸素がバリヤ層を通過して拡散されることを阻止する役割をする。しかし、高温で微量の酸素がバリヤ層の内部に進入することが発生し、バリヤ層の内部に進入した酸素は固定されなくてバリヤ層を通過する。そして、バリヤ層を通過した酸素はバリヤ層と連結されるコンタクトプラグの界面で酸化膜を形成してコンタクト抵抗を高め、セルの正常的な動作を妨害する。即ち、駆動電圧要求量を増加させたり、動作に要求される時間を増加させる問題点が発生する。
【０００９】
特に、半導体装置の高集積化に伴って素子の寸法が小さくなり、バリヤ層の厚さも薄くなって、酸素がバリヤ層を通過する確率が増加する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述した問題点を解決するためのものであり、強誘電体キャパシタとコンタクトプラグの間の既存の酸素バリヤ層に比べて酸素遮蔽の効果がさらに増加された酸素バリヤ層を有する半導体装置及びその形成方法を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明は、高温環境で強誘電体キャパシタとコンタクトプラグの間のバリヤ層の内部に酸素が進入する場合にも、酸素をコンタクトプラグ界面に通過させないバリヤ層を有する半導体装置及びその形成方法を提供することを他の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するための本発明の半導体装置は、コンタクトプラグを含む層間絶縁膜の上に形成される酸素バリヤメタル層、酸素バリヤメタル層及び酸素と結合して導電性固溶体を形成した物質層、酸素バリヤメタル層の３層からなる酸素バリヤ層パターンと、酸素バリヤ層に電気的に接続される電極と強誘電体誘電膜を備えるキャパシタを含む。
【００１３】
通常、酸素バリヤ層とコンタクトプラグの間にはオーミックコンタクトを形成するために又は接触性を向上させるために接触層(wetting layer)を媒介にして電気的に接続される。接触層はチタン又はタンタルとこの元素の化合物膜で形成されることが望ましい。そして、キャパシタ電極は熱と酸化に強い白金で形成されることが一般的である。
【００１４】
酸素バリヤメタルとしてはイリジウムを使用し、酸素バリヤ層とキャパシタ電極の間にはイリジウム酸化膜を設置することが望ましい。イリジウム酸化膜は、強誘電膜を酸素雰囲気で熱処理して形成する時、強誘電膜に不足しやすい酸素を供給する役割をすると同時にバリヤ層とキャパシタ電極の間の望ましくない合金結合を防止する役割もする。
【００１５】
通常、強誘電膜はＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ3）、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ3）、ＢＳＴＮ、ＢＳＴＴ等を使用する。
【００１６】
前述の目的を達成するための本発明の半導体装置の形成方法は、基板にコンタクトプラグを含む層間絶縁膜を形成する。コンタクトプラグ及び周辺部を含む層間絶縁膜の上にコンタクトプラグと電気的に接続される酸素バリヤ層を形成する。そして、酸素バリヤ層の上に電気的に接続されるように強誘電体キャパシタの下部電極を形成する。この時、酸素バリヤ層は膜自体が酸素バリヤの役割をするバリヤメタル層とバリヤメタル層の間にチタン、タンタルのような転移金属を介在させて形成される。
【００１７】
望ましくは、酸素バリヤ層の上にキャパシタ電極を形成する前にバリヤメタルの酸化膜が積層される。従って、バリヤメタルの酸化膜は導電性を有する。バリヤメタルとして適合したものは、膜自体が酸素バリヤ層としての役割を果たす材質であり、白金を除いて、イリジウム、ルテニウム、オスミウム等の貴金属がある。バリヤメタルの酸化膜を蒸着して形成する場合、形成の初期には酸素の合量が不安定な状態であるので、アニーリングによって成分を一定に形成することが望ましい。
【００１８】
酸素バリヤ層とコンタクトプラグの間にはオーミックコンタクトのために又は界面接触性を向上させるためにチタンのような別度の接触層を先に形成することもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１乃至図５は本発明によるＦＲＡＭ形成方法の特定段階を示す工程断面図である。
【００２１】
図１を参照すると、基板１０に素子分離を実施し、ゲート及びソース／ドレインを有するＭＯＳトランジスタ構造を形成する。そして、トランジスタ構造を有する基板１０の全面に第１層間絶縁膜１１を形成する。第１層間絶縁膜１１をパターニングしてビットラインコンタクトホールを形成し、第１導電層を積層及びパターニングしてビットラインコンタクトホールを充填するコンタクトプラグ及びコンタクトプラグと連結されるビットライン１５を形成する。ビットライン１５の上に第２層間絶縁膜１３を形成する。パターニングによって第２及び第１層間絶縁膜１５，１３にストレージノードコンタクトホールを形成し、第２導電層積層によってコンタクトホールを充填する。そして、ＣＭＰ又はエッチングバックのような平坦化エッチングによって、ストレージノードコンタクトプラグ１７を形成する。
【００２２】
図２を参照すると、ストレージノードコンタクトプラグ１７が形成された基板１０の上に酸素バリヤ層２７が形成される。酸素バリヤ層２７は、イリジウム層２１、チタン層２３、イリジウム層２５を順次に積層して形成する。先ず、膜自体が酸素バリヤメタルの性質を有するイリジウム層２１を積層する。イリジウム層はスパッタリング方法を使用して積層できる。一方、図２のように、イリジウム層の積層の前にチタン層を接触層１９として先に形成できる。これは第２層間絶縁膜１５のシリコン酸化膜と金属層のイリジウム層２１の間の熱膨張係数の差が大きいので、後続工程で熱ストレスによって層間剥離が発生することを防止するためのものである。接触層１９として、チタンの外にチタン系列のチタンシリサイド、チタンナイトライド、チタンシリコンナイトライド、チタンアルミナイトライド等を使用したり、タンタルの系列のタンタルシリサイド、タンタルナイトライド、タンタルシリコンナイトライド、タンタルアルミナイトライド等を使用することもできる。
【００２３】
接触層１９とバリヤメタルのイリジウム層２１が積層された後、チタン層２３を積層する。チタン層の代わりに同様に作用できるタンタル層を積層することもできる。そして、再び酸素バリヤメタルのイリジウム層２５を積層する。チタン層２３はイリジウム層２１，２５の間に位置し、イリジウムと合金の形態に存在できるように、５００Å以下、望ましくは２００Å以下に形成する。実質的に、イリジウム層２５を通過して進入した酸素と結合して導体性チタン酸化膜又はイリジウム−チタン−酸素の合金層を形成する。このチタン酸化膜又は合金層の酸素はストレージノードコンタクトプラグ１７の界面に進入するために再びイリジウム層２１を通過しなければならないのでプラグ界面に到達しにくい。そして、イリジウム−チタン−酸素の合金層もグレーンが精密な層に酸素バリヤとして作用するので、望ましくはチタン層２３を薄く形成してイリジウム−チタン−酸素の合金層が形成されるように誘導する。
【００２４】
従って、後続されるキャパシタ強誘電体誘電膜の形成工程で高温の酸化雰囲気によって少量の酸素がバリヤメタルのイリジウム層を透過する場合にもチタン、チタンイリジウム合金層は用意に酸素を捕獲してそれ以上コンタクトプラグ界面に拡散されないようにする。
【００２５】
図３を参照すると、３層構造の酸素バリヤ層２７の上にＦＲＡＭセルの疲労(fatigue)特性を改善できるようにイリジウム酸化膜２９を積層する。ＦＲＡＭ装置が商品価値を高めるためには、反復的にリード又はライトできるように反復特性に優れなければならない。キャパシタ強誘電膜の形成の時、十分な酸素が供給されないと、強誘電膜にボイドが発生し、ボイドが多い場合、キャパシタの反復特性又はデータ保有力に悪影響を与える。酸素バリヤ層と強誘電体キャパシタの電極の間にイリジウム酸化膜を形成すると、キャパシタの強誘電膜の形成段階で強誘電膜に酸素を供給する役割をして強誘電膜のボイドを減らす役割をする。一方、イリジウム酸化膜は、蒸着初期段階ではイリジウム元素と酸素元素の組成比が１：２ではなく、不安定であるので、コンタクトプラグの界面に影響を与えるくらいの多量の酸素が供給され得る。これを防止するためにイリジウム酸化膜の蒸着の後、アニーリングをすることが望ましい。アニーリングは４００℃程度の温度と大気雰囲気で実施される。アニーリングすると、イリジウム酸化膜の酸素組成比が一定に安定されて過度の酸素放出を防止でき、熱処理過程で前段階のイリジウム層積層過程によって発生した基板のストレスを緩和させる役割をすることもできる。
【００２６】
又、イリジウム酸化膜は、イリジウム層が白金電極の形成段階で白金電極と直接に接する場合、白金にイリジウムが拡散されて白金電極層の上に後続強誘電膜が形成される時、強誘電膜の結晶成長に妨害になる現象も防止できる。
【００２７】
図４によると、イリジウム酸化膜２９の上に白金電極層３１が積層される。続いて、白金電極層３１の上に強誘電膜３３が積層される。始めに形成された強誘電膜３３の強誘電性を高めるためにペロブスカイト結晶構造を形成する。このために、大気のように酸素が豊富な雰囲気で７００℃で１０分程度熱処理する。この熱処理過程で強誘電膜３３は、強誘電性ペロブスカイト構造を有するように再形成され、酸素バリヤ層２７のうち、酸素バリヤメタルのイリジウム層２５を通過した酸素がチタン層２３でイリジウム、チタンと結合してイリジウム−チタン−酸素の合金層を形成する。続いて、キャパシタ上部電極層３５が積層される。上部電極層３５としては、イリジウム膜とイリジウム酸化膜からなる複合膜を使用したり、白金層を使用したりする。そして、上部電極層３５、強誘電膜３３、下部電極層を形成する白金電極層３１を順次にパターニングする。このように形成されたキャパシタ構造の上にキャッピング層３７が積層され、パターニングされる。
【００２８】
図５によると、キャパシタに対するキャッピング層３７パターンが形成され、第３層間絶縁膜３９、アルミ配線４３、第４層間絶縁膜４１、キャパシタの上部電極に連結される電極４５及び配線が形成される。結果的に、高集積１トランジスタ／１キャパシタ構造のＦＲＡＭセルが形成される。
【００２９】
図６は本発明の効果を確認するためのテストモジュールの部分断面図である。
図を参照してテスト方法を説明すると、ノード‘２３７’はキャパシタ下部電極及び酸素バリヤ層２３１に連結され、キャパシタ下部電極及び酸素バリヤ層２３１の下部膜質は、コンタクトプラグ２１７を通じて基板１０の活性領域と連結され、その活性領域は他の方にノード‘２３９’と連結されている。このような構造の素子１０００個を直列に連結して酸素バリヤ層のコンタクト抵抗を測定できる。
【００３０】
本発明による酸素バリヤ層の構成において、コンタクトプラグの寸法が０．４μmであると、図７のグラフＡで示されるコンタクト抵抗が得られる。三角点のグラフＢは単一のイリジウム層からなる酸素バリヤ層の場合のような実験をした場合のコンタクト抵抗値である。図７の結果は、実験が実効性を有するように、素子コンタクト抵抗は、強誘電体熱処理の後に測定されたものであり、平均コンタクト抵抗が１００Ωで、強誘電体装置を駆動させる程度に十分に低いコンタクト抵抗を示す。同一の寸法のイリジウム単一バリヤ層と比較する時にも非常に低いことがわかる。これは本発明の構成が強誘電体熱処理の時、安定的に酸素の拡散を防止してコンタクトプラグ界面酸化を防止する効果があることを示す。
【００３１】
【発明の効果】
図７に示すように本発明によると、強誘電体キャパシタ素子を形成するにおいて、強誘電体の誘電率を高めるための酸素雰囲気の熱処理でキャパシタ下部電極とコンタクトプラグ界面でコンタクトプラグが酸化されることを防止して、安定的で、低いコンタクト抵抗を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるＦＲＡＭの形成方法の工程段階を示す工程断面図である。
【図２】  本発明によるＦＲＡＭの形成方法の工程段階を示す工程断面図である。
【図３】  本発明によるＦＲＡＭの形成方法の工程段階を示す工程断面図である。
【図４】  本発明によるＦＲＡＭの形成方法の工程段階を示す工程断面図である。
【図５】  本発明によるＦＲＡＭの形成方法の工程段階を示す工程断面図である。
【図６】  本発明の効果を確認するためのテストモジュールの部分断面図である。
【図７】  図６の発明のテストモジュールによって本発明の酸素バリヤ層とイリジウム単一バリヤ層の累積抵抗を測定した結果グラフである。
【符号の説明】
１０  基板
１１  第１層間絶縁膜
１３  第２層間絶縁膜
１５  ビットライン
１７  ストレージノードコンタクトプラグ
１９  接触層
２１，２５  イリジウム層
２３  チタン層
２７  酸素バリヤ層
２９  イリジウム酸化膜
３１，３５  電極層
３３  強誘電膜
３７  キャッピング層
３９  第３層間絶縁膜
４１  第４層間絶縁膜
４３  アルミ配線
４５  電極
２１７  コンタクトプラグ
２３１  下部電極及び酸素バリヤ層
２３７，２３９  ノード
【図１】
0004508492.tif 000002
【図２】
0004508492.tif 000003
【図３】
0004508492.tif 000004
【図４】
0004508492.tif 000005
【図５】
0004508492.tif 000006
【図６】
0004508492.tif 000007
【図７】
0004508492.tif 000008