(57)【要約】  【課題】  半導体装置の容量絶縁膜となる誘電体薄膜を結晶化させる高温酸素雰囲気中の熱処理を行った場合にも、酸素バリア膜の酸素バリア性の劣化を防止する。  【解決手段】  半導体基板１００上の第１の層間絶縁膜１０７中にコンタクトプラグ１０６が形成されている。第１の層間絶縁膜１０７上に、コンタクトプラグ１０６と電気的に接続し且つ導電性酸化物からなる酸素バリア膜１０９が形成されている。下部電極１１１と、下部電極１１１上に形成された強誘電体膜１１２と、強誘電体膜１１２上に形成された上部電極１１３とからなる容量素子が酸素バリア膜１０９上に形成されている。強誘電体膜１１２は酸素バリア膜１０９と部分的に接するように形成されている。【選択図】      図１
2007035969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜中に形成されたコンタクトプラグと、
前記第１の絶縁膜上に前記コンタクトプラグと電気的に接続するように形成されており且つ導電性酸化物からなる酸素バリア膜と、
前記酸素バリア膜上に形成された容量素子とを備え、
前記容量素子は、下部電極と、前記下部電極上に形成され且つ誘電体膜からなる容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜上に形成された上部電極とを有し、
前記容量絶縁膜は前記酸素バリア膜と部分的に接するように形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１の絶縁膜上に前記酸素バリア膜の側面を覆うように形成された第２の絶縁膜をさらに備え、
前記容量絶縁膜は前記下部電極の上及び前記第２の絶縁膜の上に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記第２の絶縁膜の上面は、前記酸素バリア膜の底面よりも上方で且つ前記酸素バリア膜の上面と同等か又は当該上面よりも下方の位置に存在することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記容量絶縁膜は、前記酸素バリア膜の側面又は上面において前記酸素バリア膜と接することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１の絶縁膜上に前記酸素バリア膜の側面を覆うように形成された第２の絶縁膜をさらに備え、
前記容量絶縁膜は、前記酸素バリア膜の上、前記下部電極の上及び前記第２の絶縁膜の上に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記酸素バリア膜の平面形状は、前記容量下部電極の平面形状よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記酸素バリア膜は、イリジウム酸化膜、ルテニウム酸化膜、レニウム酸化膜、オスミウム酸化膜及びロジウム酸化膜からなる導電性酸化膜群のうちのいずれか１つの酸化膜からなる単層膜、又は当該導電性酸化膜群のうちの２つ以上の酸化膜からなる積層膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜中にコンタクトプラグを形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に、前記コンタクトプラグと電気的に接続する酸素バリア膜を形成する工程と、
前記酸素バリア膜の上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に、誘電体膜からなる容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜の上に上部電極を形成する工程とを備え、
前記下部電極を形成する工程と前記容量絶縁膜を形成する工程との間に、前記下部電極及び前記酸素バリア膜を覆うように第２の絶縁膜を形成した後、前記下部電極の上面及び側面並びに前記酸素バリア膜の側面上部が露出するように前記第２の絶縁膜の上面を平坦化する工程をさらに備え、
前記容量絶縁膜を形成する工程は、前記下部電極の上、前記第２の絶縁膜の上及び前記酸素バリア膜の露出した側面上部の上に前記容量絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜中にコンタクトプラグを形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に、前記コンタクトプラグと電気的に接続する酸素バリア膜を形成する工程と、
前記酸素バリア膜の上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に、誘電体膜からなる容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜の上に上部電極を形成する工程とを備え、
前記下部電極を形成する工程は、前記酸素バリア膜の平面形状よりも小さい平面形状を持つ前記下部電極を形成する工程を含み、
前記下部電極を形成する工程と前記容量絶縁膜を形成する工程との間に、前記下部電極及び前記酸素バリア膜を覆うように第２の絶縁膜を形成した後、前記下部電極の上面及び側面並びに前記酸素バリア膜の上面が露出するように前記第２の絶縁膜の上面を平坦化する工程をさらに備え、
前記容量絶縁膜を形成する工程は、前記下部電極の上、前記第２の絶縁膜の上及び前記酸素バリア膜の上に前記容量絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の絶縁膜の上面を平坦化する工程は、前記第２の絶縁膜の上面が前記酸素バリア膜の底面よりも上方で且つ前記酸素バリア膜の上面と同等か又は当該上面よりも下方の位置に存在するように前記第２の絶縁膜の上面を平坦化する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項８又は９に記載の半導体装置の製造方法において、
前記酸素バリア膜は、イリジウム酸化膜、ルテニウム酸化膜、レニウム酸化膜、オスミウム酸化膜及びロジウム酸化膜からなる導電性酸化膜群のうちのいずれか１つの酸化膜からなる単層膜、又は当該導電性酸化膜群のうちの２つ以上の酸化膜からなる積層膜であることを特徴とする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、強誘電体又は高誘電体を容量絶縁膜とする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。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタル技術の進化に伴って、大容量データの高速処理及び保存が半導体集積回路装置にとって必要不可欠な条件となってきた。特に、データの入出力や保存に利用される半導体装置については、微細化による高集積化及び高速化が急速に求められている。半導体装置のより一層の微細化及び高速化を実現するために、従来の珪素酸化物や珪素窒化物に代えて、高誘電体を容量絶縁膜として用いる技術が広く研究開発されている。従来よりも高速且つ低電圧で動作する不揮発性ＲＡＭ（Random Access Memory）を実現するために、強誘電体を容量絶縁膜として用いる技術の研究開発が盛んに行われている。この不揮発性ＲＡＭでは、プレーナ型に代えてスタック型を用いることにより集積度を上げて大容量化を図ることができるため、スタック型メモリセルが主流になりつつある。
【０００３】
以下、従来の半導体装置について、図９を参照しながら説明する。図９は、従来の半導体装置の要部断面図である。
【０００４】
図９に示すように、プラグ２が埋め込まれた絶縁膜１上にプラグ２と接続するように誘電体薄膜素子（容量素子）３が形成されていると共に誘電体薄膜素子３の全体を覆うように絶縁膜８が形成されている。誘電体薄膜素子３は、導電性ペロブスカイト型酸化物からなる下部電極４と、下部電極４上に形成され且つペロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄膜５と、誘電体薄膜５上に形成された上部電極６と、下部電極４の下地層７とを有する。下地層７は、その酸化物が導電性を有する金属、導電性金属窒化物、導電性金属珪化物及び導電性金属酸化物の中から選ばれる少なくとも１種類の材料からなる。
【０００５】
このような誘電体薄膜素子３においては、酸素含有雰囲気中で下部電極４の形成を行う必要があるため、下部電極４の構成元素の複合酸化物等（例えばイリジウム酸化物）からなる下地層７が酸化防止層兼拡散バリア層として下部電極４の下に設けられており、それによってプラグ２の酸化を防止している（例えば特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平１０−９３０３６号公報（第１０頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の半導体装置では、上部電極、誘電体膜、下部電極及び下地層をパターンニングした後、容量素子全体を絶縁膜によって覆っているため、後工程で実施される誘電体膜の結晶化熱処理又はダメージ回復熱処理（リカバリアニール）に用いる６５０℃〜８００℃という高温によりイリジウム酸化膜（下地層）が還元されてしまう。その結果、イリジウム酸化膜の酸素バリア性が損なわれるので、誘電体膜に含有されていた酸素が下地層を通り抜けてプラグを酸化し、それによってコンタクト抵抗が上昇してしまうという問題が生じる。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題に鑑みて、誘電体薄膜を結晶化させる高温酸素雰囲気中の熱処理を行った場合にも、酸素バリア膜の酸素バリア性の劣化を防止できる半導体装置及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】
上記目的を達成するために、本発明は、下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなるキャパシタ（容量素子）の下に例えば導電性酸化物からなる酸素バリア膜を備えると共に酸素バリア膜の側方周囲を覆う絶縁膜を備えた半導体装置において、当該絶縁膜から酸素バリア膜の一部分が露出しており且つ該露出する部分にて酸素バリア膜と容量絶縁膜とが接触することを特徴とする。本発明によれば、容量絶縁膜とする誘電体膜の結晶化温度によって、導電性酸化物等からなる酸素バリア膜が還元され、それによって酸素バリア性が劣化してしまう事態を防止できる。
【０００９】
具体的には、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜中に形成されたコンタクトプラグと、第１の絶縁膜上にコンタクトプラグと電気的に接続するように形成されており且つ導電性酸化物からなる酸素バリア膜と、酸素バリア膜上に形成された容量素子とを備え、容量素子は、下部電極と、下部電極上に形成され且つ誘電体膜からなる容量絶縁膜と、容量絶縁膜上に形成された上部電極とを有し、容量絶縁膜は酸素バリア膜と部分的に接するように形成されている。
【００１０】
本発明の半導体装置によると、例えば酸素バリア膜の一部分を下部電極及び周囲の絶縁膜から露出させることによって、下部電極上に形成する容量絶縁膜と酸素バリア膜とが接する構造が得られる。そして、当該構造、容量絶縁膜中を酸素が自由に透過できること、及び容量絶縁膜中に酸素が含まれていることによって、容量絶縁膜と接する酸素バリア膜は十分に酸素を受け取ることができる。すなわち、容量絶縁膜からの酸素の供給によって酸素バリア膜の還元を防止できるので、下層のプラグに対する当該酸素バリア膜の酸素バリア性を効果的に保持することができる。
【００１１】
上記の本発明の半導体装置において、第１の絶縁膜上に酸素バリア膜の側面を覆うように形成された第２の絶縁膜をさらに備え、容量絶縁膜は下部電極の上及び第２の絶縁膜の上に形成されていてもよい。この場合、第２の絶縁膜の上面は、酸素バリア膜の底面よりも上方で且つ酸素バリア膜の上面と同等か又は当該上面よりも下方の位置に存在してもよい。
【００１２】
上記の本発明の半導体装置において、容量絶縁膜は、酸素バリア膜の側面又は上面において酸素バリア膜と接してもよい。
【００１３】
上記の本発明の半導体装置において、第１の絶縁膜上に酸素バリア膜の側面を覆うように形成された第２の絶縁膜をさらに備え、容量絶縁膜は、酸素バリア膜の上、下部電極の上及び第２の絶縁膜の上に形成されていてもよい。
【００１４】
上記の本発明の半導体装置において、酸素バリア膜の平面形状は、容量下部電極の平面形状よりも大きいことが好ましい。これにより、酸素バリア膜と接する容量絶縁膜の面積が大きくなり、また、容量絶縁膜中を酸素が自由に透過できると共に容量絶縁膜中に酸素が含まれているため、酸素バリア膜は容量絶縁膜から十分に酸素を受け取ることができる。従って、容量絶縁膜からの酸素の供給によって酸素バリア膜が還元されることを防止できるので、下層のプラグに対する当該酸素バリア膜の酸素バリア性を保持することができる。
【００１５】
上記の本発明の半導体装置において、酸素バリア膜は、イリジウム酸化膜、ルテニウム酸化膜、レニウム酸化膜、オスミウム酸化膜及びロジウム酸化膜からなる導電性酸化膜群のうちのいずれか１つからなる単層膜、又は当該導電性酸化膜群のうちの２つ以上からなる積層膜であることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、第１の絶縁膜中にコンタクトプラグを形成する工程と、第１の絶縁膜上に、コンタクトプラグと電気的に接続する酸素バリア膜を形成する工程と、酸素バリア膜の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に、誘電体膜からなる容量絶縁膜を形成する工程と、容量絶縁膜の上に上部電極を形成する工程とを備え、下部電極を形成する工程と容量絶縁膜を形成する工程との間に、下部電極及び酸素バリア膜を覆うように第２の絶縁膜を形成した後、下部電極の上面及び側面並びに酸素バリア膜の側面上部が露出するように第２の絶縁膜の上面を平坦化する工程をさらに備え、容量絶縁膜を形成する工程は、下部電極の上、第２の絶縁膜の上及び酸素バリア膜の露出した側面上部の上に容量絶縁膜を形成する工程を含む。
【００１７】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、第１の絶縁膜中にコンタクトプラグを形成する工程と、第１の絶縁膜上に、コンタクトプラグと電気的に接続する酸素バリア膜を形成する工程と、酸素バリア膜の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に、誘電体膜からなる容量絶縁膜を形成する工程と、容量絶縁膜の上に上部電極を形成する工程とを備え、下部電極を形成する工程は、酸素バリア膜の平面形状よりも小さい平面形状を持つ下部電極を形成する工程を含み、下部電極を形成する工程と容量絶縁膜を形成する工程との間に、下部電極及び酸素バリア膜を覆うように第２の絶縁膜を形成した後、下部電極の上面及び側面並びに酸素バリア膜の上面が露出するように第２の絶縁膜の上面を平坦化する工程をさらに備え、容量絶縁膜を形成する工程は、下部電極の上、第２の絶縁膜の上及び酸素バリア膜の上に容量絶縁膜を形成する工程を含む。
【００１８】
本発明の第１及び第２の半導体装置の製造方法によれば、容量絶縁膜形成のための熱処理時において、酸素バリア膜の一部分が第２の絶縁膜及び下部電極によって覆われずに露出しているため、当該露出部分から、酸素雰囲気中の酸素を十分に取り込むことができる。また、容量絶縁膜形成後においては、当該露出部分と容量絶縁膜とが接触すること、容量絶縁膜中を酸素が自由に透過できること、及び容量絶縁膜中に酸素が含まれていることによって、容量絶縁膜と接する酸素バリア膜は、容量絶縁膜を結晶化させる高温酸素雰囲気中の熱処理の際にも十分に酸素を受け取ることができる。従って、酸素バリア膜の還元を防止して、下層のプラグに対する当該酸素バリア膜の酸素バリア性を保持することができる。
【００１９】
本発明の第１又は第２の半導体装置の製造方法において、第２の絶縁膜の上面を平坦化する工程は、第２の絶縁膜の上面が酸素バリア膜の底面よりも上方で且つ酸素バリア膜の上面と同等か又は当該上面よりも下方の位置に存在するように第２の絶縁膜の上面を平坦化する工程を含むことが好ましい。このようにすると、容量絶縁膜形成のための熱処理時において、酸素バリア膜中に酸素をより効果的に取り込むことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、酸素雰囲気中で高温熱処理を行った場合にも酸素バリア膜の特性劣化を抑制することができ、それによりコンタクト抵抗の安定した高性能な半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。
【００２２】
図１に示すように、半導体基板１００における素子分離１０１により囲まれた素子領域（選択用トランジスタ形成領域）の上にはゲート絶縁膜１０３を介してゲート電極１０４が形成されている。ゲート電極１０４の側面には絶縁性サイドウォール１０５が形成されている。また、半導体基板１００におけるゲート電極１０４の両側方には、選択用トランジスタのソース及びドレインのそれぞれとなる不純物拡散層１０２Ａ及び１０２Ｂが形成されている。半導体基板１００の上には、選択用トランジスタを覆うように、例えばシリコン酸化物等からなる第１の層間絶縁膜１０７が形成されている。第１の層間絶縁膜１０７中には、不純物拡散層１０２Ｂと電気的に接続し且つ例えばタングステンからなるコンタクトプラグ１０６が形成されている。第１の層間絶縁膜１０７上には、コンタクトプラグ１０６と接続し且つ例えばイリジウム酸化物からなる酸素バリア膜１０９、及び酸素バリア膜１０９の側面を覆う第２の層間絶縁膜１１４が形成されている。尚、酸素バリア膜１０９の側面上部は第２の層間絶縁膜１１４から露出している。
【００２３】
酸素バリア膜１０９の上には例えば白金からなる下部電極１１１、強誘電体膜１１２及び例えば白金からなる上部電極１１３が順次積層されている。すなわち、不純物拡散層１０２Ｂと下部電極１１１とは酸素バリア膜１０９及びコンタクトプラグ１０６を介して電気的に接続されている。
【００２４】
下部電極１１１、強誘電体膜１１２及び上部電極１１３からなる容量素子を覆うように第３の層間絶縁膜１１５が形成されている。第１の層間絶縁膜１０７、第２の層間絶縁膜１１４及び第３の層間絶縁膜１１５には、不純物拡散層１０２Ｂと接続するプラグ１１７が形成されていると共に、第３の層間絶縁膜１１５の上には、プラグ１１７と接続する配線１１６が形成されている。
【００２５】
本実施形態の特徴は、第２の層間絶縁膜１１４の上面高さが、酸素バリア膜１０９の上面高さよりも下側に設定されており、それによって強誘電体膜１１２と酸素バリア膜１０９とが部分的に接触していることである。言い換えると、強誘電体膜１１２は、下部電極１１１の上面及び側面、酸素バリア膜１０９の側面上部並びに第２の層間絶縁膜１１４の上面（酸素バリア膜１０９の近傍領域）を覆っている。すなわち、強誘電体膜１１２の形成時点においては、酸素バリア膜１０９の側面上部は第２の層間絶縁膜１１４によって覆われずに露出している。また、強誘電体膜１１２の形成後においては、当該露出部分と強誘電体膜１１２とが接触している。従って、強誘電体焼結時において、酸素バリア膜１０９の露出部分から、酸素雰囲気中の酸素を効果的に取り込むことができる。さらに、強誘電体膜１１２中を酸素が自由に透過できること、及び強誘電体膜１１２中に酸素が含まれていることによって、強誘電体膜１１２と接する酸素バリア膜１０９は、強誘電体膜１１２を結晶化させる高温酸素雰囲気中の熱処理の際にも強誘電体膜１１２からさらに十分に酸素を受け取ることができる。従って、酸素バリア膜１０９の還元を防止して、下層のコンタクトプラグ１０６に対する当該酸素バリア膜１０９の酸素バリア性を保持することができる。
【００２６】
尚、本実施形態において、酸素バリア膜１０９の膜厚に関しては、酸素バリア性を安定して得るために、５〜２００ｎｍの範囲にあることが望ましい。
【００２７】
以下、下部電極１１１として白金、酸素バリア膜１０９としてイリジウム酸化膜を用いた場合を例として具体的に説明する。
【００２８】
スタック型メモリセルの場合、平坦化工程を比較的容易に実施できることから、容量素子の下部電極をその上面だけを露出させた状態で絶縁膜中に埋設し、その後、下部電極上に容量絶縁膜及び上部電極を形成することが多い。一般に、イリジウム酸化膜を十分な酸素が与えられない状態で高温に曝すと、３５０℃〜４００℃程度の温度で還元が起こり始める。従来のメモリセル構造では、酸素バリア膜となるイリジウム酸化膜が絶縁膜中に完全に埋設されているため、言い換えると、イリジウム酸化膜が絶縁膜と下部電極とによって完全に囲まれているため、イリジウム酸化膜に供給される酸素は、直上にある白金下部電極中を通り抜けてくる酸素のみとなる。従って、イリジウム酸化膜において酸素の供給不足の状態が生じるので、容量絶縁膜となる強誘電体の結晶化に用いる６５０℃〜８００℃という高温によってイリジウム酸化膜の還元が起こってしまう。その結果、イリジウム酸化膜の酸素バリア性が損なわれるので、イリジウム酸化膜を僅かに通り抜ける酸素によってイリジウム酸化膜の下側の拡散バリア膜やプラグが酸化して高抵抗化が生じるという不具合が起こっていた。
【００２９】
それに対して、上述した本発明に係る第１の実施形態によれば、酸素バリア膜１０９の一部分が下部電極１１１及び周囲の絶縁膜（第２の層間絶縁膜１１４）から露出しているため、下部電極１１１上に形成される容量絶縁膜（強誘電体膜１１２）と酸素バリア膜１０９とが必然的に接することになる。ここで、容量絶縁膜中においては酸素が自由に透過できると共に容量絶縁膜中に酸素が含有されているため、容量絶縁膜から酸素バリア膜１０９は十分に酸素を受け取ることができる。このように、容量絶縁膜からの酸素の供給により酸素バリア膜１０９の還元を防止し、それにより下層のプラグ（コンタクトプラグ１０６）等に対する当該酸素バリア膜１０９の酸素バリア性を保持することができる。
【００３０】
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。尚、図２（ａ）〜（ｃ）においては、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３１】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１００上に、例えばシリコントレンチ技術を用いて素子分離領域１０１を形成する。これにより、素子領域（選択用トランジスタ形成領域）が規定される。次に、当該素子領域の上にゲート絶縁膜１０３を介して選択用トランジスタのゲート電極１０４を形成すると共にゲート電極１０４の側面に絶縁性サイドウォール１０５を形成する。続いて、半導体基板１００におけるゲート電極１０４の両側方に、イオン注入によって、選択用トランジスタのソース及びドレインのそれぞれとなる不純物拡散層１０２Ａ及び１０２Ｂを形成する。
【００３２】
次に、上記のトランジスタと後述する容量素子とを絶縁するために、例えばシリコン酸化膜を第１の層間絶縁膜１０７として半導体基板１００上に形成する。また、当該容量素子と不純物拡散層１０２Ｂとの接続領域に位置する層間絶縁膜１０７にコンタクトホールを形成した後、当該コンタクトホールに例えばタングステンを埋め込むことにより、不純物拡散層１０２Ｂと接続するコンタクトプラグ１０６を形成する。次に、コンタクトプラグ１０６の上を含む第１の層間絶縁膜１０７の上に例えば膜厚１００ｎｍのイリジウム酸化膜及び例えば膜厚５０ｎｍの白金膜を順次成膜した後、当該イリジウム酸化膜及び白金膜をパターンニングして、コンタクトプラグ１０６と接続する酸素バリア膜１０９及び下部電極１１１（下部電極群）を形成する。次に、当該下部電極群を覆うように例えばシリコン酸化膜からなる第２の層間絶縁膜１１４を成膜した後、例えばＣＭＰ（chemical mechanical polishing ）によって、第２の層間絶縁膜１１４の上面と下部電極１１１の上面とが面一になるように第２の層間絶縁膜１１４を平坦化する。その後、第２の層間絶縁膜１１４に対して例えばドライエッチングを行うことによって、第２の層間絶縁膜１１４の上面を酸素バリア膜１０９の上面よりも２０ｎｍ程度低くする。これにより、酸素バリア膜１０９の側面上部が露出する。
【００３３】
次に、下部電極１１１の上を含む第２の層間絶縁膜１１４の上に例えばスピン塗布によって強誘電体薄膜を形成した後、例えば６５０℃程度の酸素雰囲気中で当該強誘電体薄膜の仮焼結を行う。次に、当該強誘電体薄膜の上に例えば膜厚５０ｎｍの白金膜を成膜した後、当該白金膜及び当該強誘電体薄膜を一括してパターニングする。これにより、図２（ｂ）に示すように、下部電極１１１の上に容量絶縁膜（強誘電体膜）１１２及び上部電極１１３が形成される。すなわち、下部電極１１１、容量絶縁膜１１２及び上部電極１１３からなる容量素子が形成される。このとき、容量絶縁膜１１２は、酸素バリア膜１０９の側面上部と接触するように第２の層間絶縁膜１１４の上にも形成される。
【００３４】
次に、図２（ｃ）に示すように、上記の容量素子の上を含む半導体基板１００の全面を第３の層間絶縁膜１１５によって覆った後、例えば８００℃の酸素雰囲気中で容量絶縁膜１１２を構成する強誘電体の本焼結を行う。続いて、第１の層間絶縁膜１０７、第２の層間絶縁膜１１４及び第３の層間絶縁膜１１５に、不純物拡散層１０２Ａに達するコンタクトホールを形成する。次に、当該コンタクトホールに例えばタングステンを埋め込んでプラグ（ビット線コンタクト）１１７を形成した後、第３の層間絶縁膜１１５の上に、プラグ１１７と接続する配線（ビット線）１１６を形成する。
【００３５】
以上に説明した、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、容量絶縁膜形成のための熱処理時において、酸素バリア膜１０９の一部分（側面上部）が第２の層間絶縁膜１１４及び下部電極１１１によって覆われずに露出しているため、当該露出部分から、酸素雰囲気中の酸素を十分に取り込むことができる。また、容量絶縁膜形成後においては、当該露出部分と容量絶縁膜１１２とが接触すること、容量絶縁膜１１２中を酸素が自由に透過できること、及び容量絶縁膜１１２中に酸素が含まれていることによって、容量絶縁膜１１２と接する酸素バリア膜１０９は、容量絶縁膜１１２を構成する強誘電体を結晶化させる高温酸素雰囲気中の熱処理の際にも十分に酸素を受け取ることができる。従って、酸素バリア膜１０９の還元を防止して、下層のコンタクトプラグ１０６に対する当該酸素バリア膜１０９の酸素バリア性を保持することができる。
【００３６】
（第１の実施形態の変形例）
以下、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。図３は、第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の要部断面図である。尚、図３において、図１に示す第１の実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００３７】
図３に示すように、本変形例が第１の実施形態と異なっている点は、コンタクトプラグ１０６と酸素バリア膜１０９（以下、本変形例において上部酸素バリア膜１０９と称する）との間に下から順に、例えばチタン及びアルミニウムの窒化物（窒化チタンアルミニウム）からなる拡散バリア膜１０８及び例えばイリジウムからなる下部酸素バリア膜１１０が介在していることである。すなわち、本変形例においては、不純物拡散層１０２Ｂと下部電極１１１とは、上部酸素バリア膜１０９、下部酸素バリア膜１１０、拡散バリア膜１０８及びコンタクトプラグ１０６を介して電気的に接続されている。また、本変形例においては、第２の層間絶縁膜１１４は、上部酸素バリア膜１０９、下部酸素バリア膜１１０及び拡散バリア膜１０８のそれぞれの側面を覆うように形成されている。但し、上部酸素バリア膜１０９の側面上部は第２の層間絶縁膜１１４から露出している。
【００３８】
具体的には、第１の実施形態と同様に、第２の層間絶縁膜１１４の上面高さが、上部酸素バリア膜１０９の上面高さよりも下側に設定されており、それによって強誘電体膜１１２と上部酸素バリア膜１０９とが部分的に接触している。言い換えると、強誘電体膜１１２は、下部電極１１１の上面及び側面、上部酸素バリア膜１０９の側面上部、並びに第２の層間絶縁膜１１４の上面（上部酸素バリア膜１０９の近傍領域）を覆っている。すなわち、強誘電体膜１１２の形成時点においては、上部酸素バリア膜１０９の側面上部は第２の層間絶縁膜１１４によって覆われずに露出している。従って、強誘電体焼結時において、酸素バリア膜１０９の露出部分から、酸素雰囲気中の酸素を十分に取り込むことができる。また、強誘電体膜１１２の形成後においては、当該露出部分と強誘電体膜１１２とが接触すること、強誘電体膜１１２中を酸素が自由に透過できること、及び強誘電体膜１１２中に酸素が含まれていることによって、強誘電体膜１１２と接する上部酸素バリア膜１０９は、強誘電体膜１１２を結晶化させる高温酸素雰囲気中の熱処理の際にも強誘電体膜１１２から十分に酸素を受け取ることができる。従って、上部酸素バリア膜１０９が還元されて劣化してしまうことを防止できるので、下層の拡散バリア膜１０８及びコンタクトプラグ１０６に対する当該上部酸素バリア膜１０９の酸素バリア性を保持することができる。
【００３９】
尚、本変形例において、上部酸素バリア膜１０９の膜厚に関しては、酸素バリア性を安定して得るために、５〜２００ｎｍの範囲にあることが望ましい。
【００４０】
また、本変形例において、第２の層間絶縁膜１１４の上面は、拡散バリア膜１０８の酸化を防止するために、上部酸素バリア膜１０９の下面よりも５ｎｍ程度以上上方に位置することが望ましい。
【００４１】
また、本変形例においては、コンタクトプラグ１０６と上部酸素バリア膜１０９との間に拡散バリア膜１０８を設けているため、強誘電体膜１１２の焼結等、コンタクトプラグ１０６形成後の熱処理によって各膜の構成元素が下層のトランジスタ領域や上層の容量素子領域に相互拡散することを防止できる。
【００４２】
また、本変形例においては、コンタクトプラグ１０６と上部酸素バリア膜１０９との間に下部酸素バリア膜１１０を設けているため、組み合わせによる相乗効果が生じ、強誘電体膜１１２の焼結等、コンタクトプラグ１０６形成後の熱処理によってコンタクトプラグ１０６が酸化して高抵抗化することを防止できる。
【００４３】
ここで、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置を本願発明者が評価した結果について説明する。図４は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の要部を模擬的に評価できるように構成した評価用モジュールを用いて、コンタクトプラグの歩留まり評価を行った結果を示している。図４において、グラフの横軸は、上部酸素バリア膜１０９の上面位置を基準とする第２の層間絶縁膜１１４の上面位置（第２の層間絶縁膜１１４の上面位置が上部酸素バリア膜１０９の上面位置よりも低い状態つまり上部酸素バリア膜１０９が露出した状態を正値で表す）であり、グラフの縦軸は、前記評価用モジュールによるウェハレベルでのコンタクトプラグの歩留まり（コンタクトプラグがある規定値以上の抵抗値を持つ場合を不良とした不良発生率で表す）である。
【００４４】
図４に示すように、上部酸素バリア膜１０９が絶縁膜（第２の層間絶縁膜１１４）に埋設されてしまうと、コンタクトプラグの不良率が急激に高くなる。尚、実際に使用した評価用モジュールはコンタクトチェーンタイプのものであり、異常箇所を物理解析した結果、本変形例と異なり上部酸素バリア膜１０９が絶縁膜に埋設されている場合には、拡散バリア膜１０８の上面及び側面の酸化に起因する界面剥離（拡散バリア膜１０８と下部酸素バリア膜１１０との界面の剥離）、又はコンタクトプラグ１０６の酸化が確認された。
【００４５】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。図５は、第２の実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。尚、図５において、図１に示す第１の実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００４６】
図５に示すように、本実施形態が第１の実施形態と異なっている第１の点は、酸素バリア膜１０９の平面形状が下部電極１１１の平面形状よりも大きいことである。また、本実施形態が第１の実施形態と異なっている第２の点は、第２の層間絶縁膜１１４の上面高さが酸素バリア膜１０９の上面高さと実質的に同等に設定されており、それによって強誘電体膜１１２の底面と酸素バリア膜１０９の上面とが部分的に接触していることである。言い換えると、強誘電体膜１１２は、下部電極１１１の上面及び側面、酸素バリア膜１０９の上面端部並びに第２の層間絶縁膜１１４の上面（酸素バリア膜１０９の近傍領域）を覆っている。すなわち、強誘電体膜１１２の形成時点においては、酸素バリア膜１０９の上面端部は第２の層間絶縁膜１１４によって覆われずに露出している。従って、強誘電体焼結時において、酸素バリア膜１０９の露出部分から、酸素雰囲気中の酸素を十分に取り込むことができる。また、強誘電体膜１１２の形成後においては、当該露出部分と強誘電体膜１１２とが接触すること、強誘電体膜１１２中を酸素が自由に透過できること、及び強誘電体膜１１２中に酸素が含まれていることによって、強誘電体膜１１２と接する酸素バリア膜１０９は、強誘電体膜１１２を結晶化させる高温酸素雰囲気中の熱処理の際にも強誘電体膜１１２から十分に酸素を受け取ることができる。従って、酸素バリア膜１０９の還元を防止して、下層のコンタクトプラグ１０６に対する当該酸素バリア膜１０９の酸素バリア性を保持することができる。
【００４７】
尚、本実施形態において、酸素バリア膜１０９に関しては、酸素バリア性を安定して得るために、膜厚が５〜２００ｎｍの範囲にあり、且つ下部電極１１１の外周部からの露出寸法（露出上面端部の寸法）が５０ｎｍ以上であることが望ましい。
【００４８】
また、本実施形態において、第２の層間絶縁膜１１４の上面高さと酸素バリア膜１０９の上面高さとを実質的に同等に設定した。しかし、これに代えて、第１の実施形態と同様に、第２の層間絶縁膜１１４の上面高さを、酸素バリア膜１０９の上面高さよりも下側に設定してもよい。このようにすると、強誘電体焼結時や強誘電体結晶化時において、酸素バリア膜１０９の上面端部のみならず側面上部からも酸素が供給されるので、酸素バリア膜１０９の酸素バリア性をより一層確実に保持することができる。
【００４９】
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。図６（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。尚、図６（ａ）〜（ｃ）においては、図２（ａ）〜（ｃ）に示す第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５０】
まず、第１の実施形態の図２（ａ）に示す工程と同様に、図６（ａ）に示すように、半導体基板１００における素子分離１０１により囲まれた素子領域（選択用トランジスタ形成領域）の上に、ゲート絶縁膜１０３、ゲート電極１０４、絶縁性サイドウォール１０５並びに不純物拡散層１０２Ａ及び１０２Ｂからなる選択用トランジスタを形成する。その後、半導体基板１００上に、不純物拡散層１０２Ｂと電気的に接続するコンタクトプラグ１０６を有する第１の層間絶縁膜１０７を形成する。次に、コンタクトプラグ１０６の上を含む第１の層間絶縁膜１０７の上に例えば膜厚１００ｎｍのイリジウム酸化膜及び例えば膜厚５０ｎｍの白金膜を順次成膜した後、当該白金膜をパターンニングして下部電極１１１を形成する。続いて、下部電極１１１の平面形状よりも大きい平面形状（具体的には下部電極１１１よりもその周囲に２００ｎｍ程度大きい形状）を持つように、前記イリジウム酸化膜をパターンニングして、コンタクトプラグ１０６と接続する酸素バリア膜１０９を形成する。次に、酸素バリア膜１０９及び下部電極１１１（下部電極群）を覆うように例えばシリコン酸化膜からなる第２の層間絶縁膜１１４を成膜した後、例えばＣＭＰによって、第２の層間絶縁膜１１４の上面と下部電極１１１の上面とが面一になるように第２の層間絶縁膜１１４を平坦化する。その後、第２の層間絶縁膜１１４に対して例えばドライエッチングを行うことによって、第２の層間絶縁膜１１４の上面を酸素バリア膜１０９の上面と実質的に面一にする。これにより、酸素バリア膜１０９の上面端部が露出する。ここで、第１の実施形態と同様に、第２の層間絶縁膜１１４の上面を酸素バリア膜１０９の上面よりも２０ｎｍ程度低くしてもよい。この場合には、酸素バリア膜１０９の上面端部に加えて側面上部が露出する。
【００５１】
続いて、第１の実施形態の図２（ｂ）に示す工程と同様に、図６（ｂ）に示すように、下部電極１１１の上に容量絶縁膜（強誘電体膜）１１２及び上部電極１１３を形成し、容量素子を完成させる。このとき、容量絶縁膜１１２は、酸素バリア膜１０９の上面端部と接触するように第２の層間絶縁膜１１４の上にも形成される。
【００５２】
次に、第１の実施形態の図２（ｃ）に示す工程と同様に、図６（ｃ）に示すように、上記の容量素子の上を含む半導体基板１００の全面を第３の層間絶縁膜１１５によって覆った後、例えば８００℃の酸素雰囲気中で容量絶縁膜１１２を構成する強誘電体の本焼結を行う。続いて、第１の層間絶縁膜１０７、第２の層間絶縁膜１１４及び第３の層間絶縁膜１１５に、不純物拡散層１０２Ａに達するコンタクトホールを形成する。次に、当該コンタクトホールに例えばタングステンを埋め込んでプラグ（ビット線コンタクト）１１７を形成した後、第３の層間絶縁膜１１５の上に、プラグ１１７と接続する配線（ビット線）１１６を形成する。
【００５３】
以上に説明した、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、容量絶縁膜形成のための熱処理時において、酸素バリア膜１０９の一部分（上面端部）が第２の層間絶縁膜１１４及び下部電極１１１によって覆われずに露出しているため、当該露出部分から、酸素雰囲気中の酸素を十分に取り込むことができる。また、容量絶縁膜形成後においては、当該露出部分と容量絶縁膜１１２とが接触すること、容量絶縁膜１１２中を酸素が自由に透過できること、及び容量絶縁膜１１２中に酸素が含まれていることによって、容量絶縁膜１１２と接する酸素バリア膜１０９は、容量絶縁膜１１２を構成する強誘電体を結晶化させる高温酸素雰囲気中の熱処理の際にも十分に酸素を受け取ることができる。従って、酸素バリア膜１０９の還元を防止して、下層のコンタクトプラグ１０６に対する当該酸素バリア膜１０９の酸素バリア性を保持することができる。
【００５４】
（第２の実施形態の変形例）
以下、本発明の第２の実施形態の変形例に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。図７は、第２の実施形態の変形例に係る半導体装置の要部断面図である。尚、図７において、図５に示す第２の実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００５５】
図７に示すように、本変形例が第２の実施形態と異なっている点は、コンタクトプラグ１０６と酸素バリア膜１０９（以下、本変形例において上部酸素バリア膜１０９と称する）との間に下から順に、例えばチタン及びアルミニウムの窒化物（窒化チタンアルミニウム）からなる拡散バリア膜１０８及び例えばイリジウムからなる下部酸素バリア膜１１０が介在していることである。すなわち、本変形例においては、不純物拡散層１０２Ｂと下部電極１１１とは、上部酸素バリア膜１０９、下部酸素バリア膜１１０、拡散バリア膜１０８及びコンタクトプラグ１０６を介して電気的に接続されている。また、本変形例においては、第２の層間絶縁膜１１４は、上部酸素バリア膜１０９、下部酸素バリア膜１１０及び拡散バリア膜１０８のそれぞれの側面を覆うように形成されている。
【００５６】
尚、本変形例においても、第２の実施形態と同様に、上部酸素バリア膜１０９の平面形状が下部電極１１１の平面形状よりも大きく設定されていると共に第２の層間絶縁膜１１４の上面高さが上部酸素バリア膜１０９の上面高さと実質的に同等に設定されており、それによって強誘電体膜１１２と上部酸素バリア膜１０９とが部分的に接触している。言い換えると、強誘電体膜１１２は、下部電極１１１の上面及び側面、上部酸素バリア膜１０９の上面端部並びに第２の層間絶縁膜１１４の上面（上部酸素バリア膜１０９の近傍領域）を覆っている。すなわち、強誘電体膜１１２の形成時点においては、上部酸素バリア膜１０９の上面端部は第２の層間絶縁膜１１４によって覆われずに露出している。従って、強誘電体焼結時において、上部酸素バリア膜１０９の露出部分から、酸素雰囲気中の酸素を十分に取り込むことができる。また、強誘電体膜１１２の形成後においては、当該露出部分と強誘電体膜１１２とが接触すること、強誘電体膜１１２中を酸素が自由に透過できること、及び強誘電体膜１１２中に酸素が含まれていることによって、強誘電体膜１１２と接する上部酸素バリア膜１０９は、強誘電体膜１１２を結晶化させる高温酸素雰囲気中の熱処理の際にも強誘電体膜１１２から十分に酸素を受け取ることができる。従って、上部酸素バリア膜１０９が還元されて劣化してしまうことを防止できるので、下層の拡散バリア膜１０８及びコンタクトプラグ１０６に対する当該上部酸素バリア膜１０９の酸素バリア性を保持することができる。
【００５７】
尚、本変形例において、酸素バリア膜１０９に関しては、酸素バリア性を安定して得るために、膜厚が５〜２００ｎｍの範囲にあり、且つ下部電極１１１の外周部からの露出寸法（露出上面端部の寸法）が５０ｎｍ以上であることが望ましい。
【００５８】
また、本変形例において、第２の層間絶縁膜１１４の上面高さと酸素バリア膜１０９の上面高さとを実質的に同等に設定した。しかし、これに代えて、第１の実施形態と同様に、第２の層間絶縁膜１１４の上面高さを、酸素バリア膜１０９の上面高さよりも下側に設定してもよい。このようにすると、強誘電体焼結時や強誘電体結晶化時において、酸素バリア膜１０９の上面端部のみならず側面上部からも酸素が供給されるので、酸素バリア膜１０９の酸素バリア性をより一層確実に保持することができる。但し、第２の層間絶縁膜１１４の上面は、拡散バリア膜１０８の酸化を防止するために、上部酸素バリア膜１０９の下面よりも５ｎｍ程度以上上方に位置することが望ましい。
【００５９】
また、本変形例においては、コンタクトプラグ１０６と上部酸素バリア膜１０９との間に拡散バリア膜１０８を設けているため、強誘電体膜１１２の焼結等、コンタクトプラグ１０６形成後の熱処理によって各膜の構成元素が下層のトランジスタ領域や上層の容量素子領域に相互拡散することを防止できる。
【００６０】
また、本変形例においては、コンタクトプラグ１０６と上部酸素バリア膜１０９との間に下部酸素バリア膜１１０を設けているため、組み合わせによる相乗効果が生じ、強誘電体膜１１２の焼結等、コンタクトプラグ１０６形成後の熱処理によってコンタクトプラグ１０６が酸化して高抵抗化することを防止できる。
【００６１】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。図８は、第３の実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。
【００６２】
図８に示すように、半導体基板１００における素子分離１０１により囲まれた素子領域（選択用トランジスタ形成領域）の上にはゲート絶縁膜１０３を介してゲート電極１０４が形成されている。ゲート電極１０４の側面には絶縁性サイドウォール１０５が形成されている。また、半導体基板１００におけるゲート電極１０４の両側方には、選択用トランジスタのソース及びドレインのそれぞれとなる不純物拡散層１０２Ａ及び１０２Ｂが形成されている。半導体基板１００の上には、ゲート電極１０４等からなる選択用トランジスタを覆うように、例えばシリコン酸化物等からなる第１の層間絶縁膜１０７が形成されている。第１の層間絶縁膜１０７中には、不純物拡散層１０２Ｂと電気的に接続し且つ例えばタングステンからなるコンタクトプラグ１０６が形成されている。尚、コンタクトプラグ１０６の上部には拡散バリア膜１０８が設けられている。第１の層間絶縁膜１０７上には、容量素子形成領域となる凹部を有する第２の層間絶縁膜１１４が形成されている。当該凹部は拡散バリア膜１０８に達すると共に、当該凹部内に、例えばイリジウムからなる下部酸素バリア膜１１０、例えばイリジウム酸化物からなる上部酸素バリア膜１０９、及び例えば白金からなる下部電極１１１が順次形成されている。すなわち、不純物拡散層１０２Ｂと下部電極１１１とは、上部酸素バリア膜１０９、下部酸素バリア膜１１０、拡散バリア膜１０８及びコンタクトプラグ１０６を介して電気的に接続されている。ここで、下部酸素バリア膜１１０、上部酸素バリア膜１０９及び下部電極１１１は、下部電極１１１上に凹部が生じるように、且つ下部酸素バリア膜１１０、上部酸素バリア膜１０９及び下部電極１１１のそれぞれの側面が第２の層間絶縁膜１１４の上面と面一になるように形成されている。下部電極１１１の上面及び側面、上部酸素バリア膜１０９の側面、下部酸素バリア膜１１０の側面並びに第２の層間絶縁膜１１４の上面（上部酸素バリア膜１０９の近傍領域）のそれぞれの上に、強誘電体膜１１２及び例えば白金からなる上部電極１１３が形成されている。
【００６３】
下部電極１１１、強誘電体膜１１２及び上部電極１１３からなる容量素子を覆うように第３の層間絶縁膜１１５が形成されている。第１の層間絶縁膜１０７、第２の層間絶縁膜１１４及び第３の層間絶縁膜１１５には、不純物拡散層１０２Ｂと接続するプラグ１１７が形成されていると共に、第３の層間絶縁膜１１５の上には、プラグ１１７と接続する配線１１６が形成されている。
【００６４】
本実施形態の特徴は、上部酸素バリア膜１０９の側面（加工断面）が第２の層間絶縁膜１１４の上面と面一となるように設定されており、それによって強誘電体膜１１２と上部酸素バリア膜１０９とが部分的に接触していることである。すなわち、強誘電体膜１１２の形成時点においては、上部酸素バリア膜１０９の側面は第２の層間絶縁膜１１４によって覆われずに露出している。従って、強誘電体焼結時において、上部酸素バリア膜１０９の露出部分から、酸素雰囲気中の酸素を十分に取り込むことができる。また、強誘電体膜１１２の形成後においては、当該露出部分と強誘電体膜１１２とが接触すること、強誘電体膜１１２中を酸素が自由に透過できること、及び強誘電体膜１１２中に酸素が含まれていることによって、強誘電体膜１１２と接する上部酸素バリア膜１０９は、強誘電体膜１１２を結晶化させる高温酸素雰囲気中の熱処理の際にも強誘電体膜１１２から十分に酸素を受け取ることができる。従って、上部酸素バリア膜１０９の還元を防止して、下層のコンタクトプラグ１０６に対する当該上部酸素バリア膜１０９の酸素バリア性を保持することができる。
【００６５】
尚、本実施形態において、酸素バリア膜１０９の膜厚に関しては、酸素バリア性を安定して得るために、５〜１００ｎｍの範囲にあることが望ましい。
【００６６】
また、本実施形態において、強誘電体膜１１２及び上部電極１１３の加工ダメージを回避するためには、強誘電体膜１１２及び上部電極１１３のそれぞれを、第２の層間絶縁膜１１４上において容量素子形成領域となる凹部の上縁部から５０〜５００ｎｍ程度延在させることが好ましい。
【００６７】
また、本実施形態においては、コンタクトプラグ１０６と上部酸素バリア膜１０９との間に拡散バリア膜１０８を設けているため、強誘電体膜１１２の焼結等、コンタクトプラグ１０６形成後の熱処理によって各膜の構成元素が下層のトランジスタ領域や上層の容量素子領域に相互拡散することを防止できる。
【００６８】
また、本実施形態においては、コンタクトプラグ１０６と上部酸素バリア膜１０９との間に下部酸素バリア膜１１０を設けているため、組み合わせによる相乗効果が生じ、強誘電体膜１１２の焼結等、コンタクトプラグ１０６形成後の熱処理によってコンタクトプラグ１０６が酸化して高抵抗化することを防止できる。
【００６９】
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００７０】
まず、第１の実施形態の図２（ａ）に示す工程と同様に、半導体基板１００における素子分離１０１により囲まれた素子領域（選択用トランジスタ形成領域）の上に、ゲート絶縁膜１０３、ゲート電極１０４、絶縁性サイドウォール１０５並びに不純物拡散層１０２Ａ及び１０２Ｂからなる選択用トランジスタを形成する。その後、半導体基板１００上に第１の層間絶縁膜１０７を形成した後、第１の層間絶縁膜１０７に、不純物拡散層１０２Ｂに達するコンタクトホールを形成し、その後、当該コンタクトホールに例えばタングステンを埋め込んでコンタクトプラグ１０６を形成する。続いて、コンタクトプラグ１０６の上部をエッチングにより除去して、エッチング後のコンタクトプラグ１０６の上面を第１の層間絶縁膜１０７の上面よりも５０ｎｍ程度低くする。次に、コンタクトプラグ１０６の上を含む第１の層間絶縁膜１０７の上に例えば膜厚７０ｎｍ程度の窒化チタンアルミニウム膜を成膜した後、当該窒化チタンアルミニウム膜におけるコンタクトプラグ１０６上に形成されている部分以外の他の部分を例えばＣＭＰによって除去する。これにより、コンタクトホールにおけるコンタクトプラグ１０６の上側に拡散バリア膜１０８が形成される。
【００７１】
次に、第１の層間絶縁膜１０７上に例えば膜厚４５０ｎｍ程度のシリコン酸化膜からなる第２の層間絶縁膜１１４を成膜した後、第２の層間絶縁膜１１４に、拡散バリア膜１０８に達し且つ容量素子形成領域となる凹部を形成する。次に、第２の層間絶縁膜１１４及び当該第２の層間絶縁膜１１４に形成した凹部内壁のそれぞれの上に、例えば膜厚５０ｎｍ程度のイリジウム膜、例えば膜厚５０ｎｍ程度のイリジウム酸化膜、及び例えば膜厚５０ｎｍ程度の白金膜を順次成膜する。次に、凹部（容量素子形成領域）外側のイリジウム膜、イリジウム酸化膜及び白金膜（各膜の不要部分）をドライエッチングによって取り除く。続いて、残存する白金膜上の凹部を例えば膜厚４５０ｎｍ程度のシリコン酸化膜によって埋め込んだ後、各膜の側面が第２の層間絶縁膜１１４の上面と面一になるようにＣＭＰを行う。これによって、白金膜からなる下部電極１１１、イリジウム酸化膜からなる上部酸素バリア膜１０９及びイリジウム膜からなる下部酸素バリア膜１１０（合わせて下部電極群）が形成される。
【００７２】
次に、下部電極１１１上の凹部内のシリコン酸化膜を例えばドライエッチングによって除去した後、半導体基板１００の上に全面に亘って、例えばＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition ）法によって強誘電体薄膜を形成し、その後、例えば６５０℃の酸素雰囲気中で当該強誘電体薄膜の仮焼結を行う。続いて、強誘電体薄膜の上に、例えば膜厚５０ｎｍ程度の白金膜を成膜した後、当該白金膜及び強誘電体薄膜を一括してパターンニングし、それによって、上部電極１１３及び容量絶縁膜（強誘電体膜）１１２を形成し、容量素子を完成させる。尚、上部電極１１３及び容量絶縁膜１１２は、下部電極１１１の上面及び側面、上部酸素バリア膜１０９の側面、下部酸素バリア膜１１０の側面並びに第２の層間絶縁膜１１４の上面（上部酸素バリア膜１０９の近傍領域）を覆うように形成される。
【００７３】
次に、第１の実施形態の図２（ｃ）に示す工程と同様に、上記の容量素子の上を含む半導体基板１００の全面を第３の層間絶縁膜１１５によって覆った後、例えば８００℃の酸素雰囲気中で容量絶縁膜１１２を構成する強誘電体の本焼結を行う。続いて、第１の層間絶縁膜１０７、第２の層間絶縁膜１１４及び第３の層間絶縁膜１１５に、不純物拡散層１０２Ａに達するコンタクトホールを形成する。次に、当該コンタクトホールに例えばタングステンを埋め込んでプラグ（ビット線コンタクト）１１７を形成した後、第３の層間絶縁膜１１５の上に、プラグ１１７と接続する配線（ビット線）１１６を形成する。
【００７４】
以上に説明した、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、容量絶縁膜形成のための熱処理時において、上部酸素バリア膜１０９の一部分（加工面である側面）が第２の層間絶縁膜１１４及び下部電極１１１によって覆われずに露出しているため、当該露出部分から、酸素雰囲気中の酸素を十分に取り込むことができる。また、容量絶縁膜形成後においては、当該露出部分と容量絶縁膜１１２とが接触すること、容量絶縁膜１１２中を酸素が自由に透過できること、及び容量絶縁膜１１２中に酸素が含まれていることによって、容量絶縁膜１１２と接する上部酸素バリア膜１０９は、容量絶縁膜１１２を構成する強誘電体を結晶化させる高温酸素雰囲気中の熱処理の際にも十分に酸素を受け取ることができる。従って、上部酸素バリア膜１０９の還元を防止して、下層の拡散バリア膜１０８及びコンタクトプラグ１０６に対する当該上部酸素バリア膜１０９の酸素バリア性を保持することができる。
【００７５】
尚、第１〜第３の実施形態（変形例を含む）において、酸素バリア膜（又は上部酸素バリア膜）１０９として、イリジウム酸化膜を用いた。しかし、これに限られず、イリジウム酸化膜、ルテニウム酸化膜、レニウム酸化膜、オスミウム酸化膜及びロジウム酸化膜からなる導電性酸化膜群のうちのいずれか１つからなる単層膜、又は当該導電性酸化膜群のうちの２つ以上からなる積層膜を用いても、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、強誘電体又は高誘電体を容量絶縁膜とする容量素子を有する半導体装置において、高温酸素雰囲気中の熱処理に起因する酸素バリア性の劣化を防止するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の要部断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置によるコンタクトプラグの歩留まり改善効果を示す図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態の変形例に係る半導体装置の要部断面図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。
【図９】図９は、従来の半導体装置の要部断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１００    半導体基板
１０１    素子分離領域
１０２Ａ、１０２Ｂ    不純物拡散層
１０３    ゲート絶縁膜
１０４    ゲート電極
１０５    絶縁性サイドウォール
１０６    コンタクトプラグ
１０７    第１の層間絶縁膜
１０８    拡散バリア膜
１０９    酸素バリア膜（上部酸素バリア膜）
１１０    下部酸素バリア膜
１１１    下部電極
１１２    強誘電体膜（容量絶縁膜）
１１３    上部電極
１１４    第２の層間絶縁膜
１１５    第３の層間絶縁膜
１１６    ビット線（配線）
１１７    プラグ（ビット線コンタクト）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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