(57)【要約】      （修正有）【課題】高強誘電体膜を容量絶縁膜として用いる強誘電体メモリを有する半導体装置及びその製造方法の提供。【解決手段】半導体基板１の表面上に形成されソース領域２ａとドレイン領域２ｂを露出する第１と第２の開口部を有する第１の絶縁膜３と、その上に形成され白金よりなる下部電極７ａと金属酸化膜よりなる強誘電体膜７ｃと白金よりなる上部電極７ｂとにより構成される強誘電体キャパシタ７と、ソース領域２ａとドレイン領域２ｂを露出する第３と第４の開口部９ａと上部電極７ｂと下部電極７ａを露出する第５と第６の開口部９ｂとを有する第２の絶縁膜４と、第１〜６の開口部を構成する各壁面と露出されたソース領域２ａとドレイン領域２ｂと露出された上部電極７ｂ上と下部電極７ａ上とに形成されるＴｉＮ層とＡｌ層とにより構成される配線１１ａと、配線１１ａを構成するＡｌ層上に形成されるＡｌ２Ｏ３膜からなる保護膜１２とを備える。【選択図】  図１
2007013203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース領域及びドレイン領域が形成される表面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記表面上に形成され、前記半導体基板の前記ソース領域を露出する第１の開口部と前記ドレイン領域を露出する第２の開口部とを有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成され白金により構成される下部電極と、前記下部電極上に形成される金属酸化膜により構成される強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成され白金により構成される上部電極とにより構成される強誘電体キャパシタと、
前記第１の絶縁膜上に形成され、前記第１の開口部の真上であって前記ソース領域を露出する第３の開口部と、前記第２の開口部の真上であって前記ドレイン領域を露出する第４の開口部と、前記強誘電体キャパシタの前記上部電極を露出する第５の開口部と、前記下部電極を露出する第６の開口部とを有する第２の絶縁膜と、
前記第１〜６の開口部を構成する各壁面と前記露出された前記ソース領域の前記半導体基板と前記露出された前記ドレイン領域の前記半導体基板と前記露出された前記上部電極上と前記露出された前記下部電極上とに形成されるＴｉＮ層と、前記ＴｉＮ層上に形成されるＡｌ層とにより構成される配線と、
前記配線を構成する前記Ａｌ層上に形成されるＡｌ２Ｏ３膜からなる保護膜とを備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記保護膜上に形成されるシリコン窒化膜を備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記シリコン窒化膜上に形成される第３の絶縁膜と、
前記第３の絶縁膜上に形成されるパッシベーション膜とを備えたことを特徴とする請求項２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、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、高強誘電体膜を容量絶縁膜として用いる強誘電体メモリを有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代の不揮発性メモリとして、強誘電体膜を容量絶縁膜とするキャパシタを有するＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ばれる半導体記憶装置が注目されている。
【０００３】
従来の強誘電体メモリでは、トランジスタ等の集積回路が形成された半導体基板上に、強誘電体膜よりなる容量絶縁膜と、容量絶縁膜を介して設けられる上部電極および下部電極より構成される強誘電体キャパシタが形成されている。
【０００４】
そして、半導体基板とこの強誘電体キャパシタ上に、層間絶縁膜であるシリコン酸化膜が形成され、熱処理により層間絶縁膜中に含まれる水分を除去した後、層間絶縁膜には半導体基板上の集積回路または強誘電体キャパシタに至るコンタクトホールが形成される。
【０００５】
さらに、これらのコンタクトホール内には、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）あるいはタングステン（Ｗ）等の材料からなる配線が形成され、集積回路および強誘電体キャパシタと電気的に接続されている。また、配線上には保護膜としてパッシベーション膜が形成されている。
【０００６】
従来、ＦｅＲＡＭを構成するキャパシタにおいて、強誘電体膜よりなる容量絶縁膜には、ＳＢＴと呼ばれるタンタル酸ビスマスストロンチウム（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）、ＰＺＴと呼ばれるチタン酸ジルコニウム酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などの金属酸化物よりなる絶縁膜が用いられている。
【０００７】
また、上部電極および下部電極等を構成する材料としては、一般的に貴金属が用いられている。これは、高強誘電体膜の成膜時やキャパシタ形成後の容量絶縁膜の膜質改善時に、キャパシタを構成する電極が高温の酸化性雰囲気に曝されてしまうためであり、結果として、電極を構成する材料に対して耐酸化性が強く要求されるためである。特に、従来の強誘電体キャパシタでは、コスト、プロセスの安定性、膜形成の難易度および優れた加工性の面から、白金（Ｐｔ）が電極材料として用いられている。
【特許文献１】特開平８−５５８５０号公報
【特許文献２】特開平７−１１１３１８号公報
【特許文献３】特開２００１−６０６６９号公報
【特許文献４】特開平８−３０６７８７号公報
【非特許文献１】田村哲朗、高井一章、松浦克好、芦田裕、近藤和昭、大谷成元、強誘電体キャパシタのプロセス、電子情報通信学会論文誌Ｃ、日本、電子情報通信学会、２０００年  １月２５日、ＶＯＬ．Ｊ３８−Ｃ、Ｎｏ．１、ｐｐ．５３−５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の電極材料として使用されているＰｔは、水素分子を水素原子に乖離させる触媒作用を有している。そのため、強誘電体キャパシタの電極としてＰｔ電極を用いる場合、化学反応に極めて活性なラジカル種の水素原子が電極表面に吸着された水素分子より生成され、それらの水素原子によって、強誘電体膜の金属酸化物が容易に還元されてしまうという問題が生じていた。すなわち、触媒作用を有した貴金属を強誘電体キャパシタの電極材料として用いる場合、金属酸化物の還元によって、リーク電流の増加や残留分極値の減少といった強誘電体特性および強誘電体キャパシタ特性の劣化が引き起こされる恐れがあった。その結果、強誘電体メモリとして十分な強誘電体特性および強誘電体キャパシタ特性を維持することができないという課題が生じていた。
【０００９】
本発明では、特に、触媒作用を有した貴金属を電極材料として用いる強誘電体キャパシタを有する半導体装置において、層間絶縁膜等を構成するシリコン酸化膜に含まれる構造水や洗浄工程で発生した吸着水等の水成分が、その後に行われる熱処理に伴い熱拡散していく過程で、Ａｌ、ＴｉあるいはＷ等の金属配線の表面を酸化することにより生成される水素分子に着目する。これらの水素分子の生成を低減し、電極材料の触媒作用により生成される強誘電体膜の金属酸化物を還元する水素原子の発生を抑制することで、十分なメモリ特性を有する強誘電体メモリを有する半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。また、強誘電体キャパシタを形成した後の製造工程中に発生する水分から強誘電体キャパシタを保護することのできる半導体装置およ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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置の１つは、ソース領域及びドレイン領域が形成される表面を有する半導体基板と、半導体基板の表面上に形成され半導体基板のソース領域を露出する第１の開口部とドレイン領域を露出する第２の開口部とを有する第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に形成され白金により構成される下部電極と下部電極上に形成される金属酸化膜により構成される強誘電体膜と強誘電体膜上に形成され白金により構成される上部電極とにより構成される強誘電体キャパシタと、第１の絶縁膜上に形成され第１の開口部の真上であってソース領域を露出する第３の開口部と第２の開口部の真上であってドレイン領域を露出する第４の開口部と強誘電体キャパシタの上部電極を露出する第５の開口部と下部電極を露出する第６の開口部とを有する第２の絶縁膜と、第１〜６の開口部を構成する各壁面と露出されたソース領域の半導体基板と露出されたドレイン領域の半導体基板と露出された上部電極上と露出された下部電極上とに形成されるＴｉＮ層とＴｉＮ層上に形成されるＡｌ層とにより構成される配線と、配線を構成するＡｌ層上に形成されるＡｌ２Ｏ３膜からなる保護膜とを備える。
【００１１】
これにより本発明によれば、触媒作用を有した貴金属を電極材料として用いる強誘電体キャパシタを有する半導体装置において、電極材料の触媒作用により生成される水素原子の発生を抑制することが可能となり、結果として、十分なメモリ特性を有する強誘電体メモリを有する半導体装置を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、酸化され易いメタル配線の表面を第１保護膜により被覆し、かつ、第１保護膜上に反応性スパッタリング法等により水分拡散防止膜を設ける、本発明によれば、層間絶縁膜中等に含まれる水成分による金属配線の表面の酸化に伴う水素分子の生成を低減することが可能となり、白金等の貴金属よりなる電極の触媒作用により生成される水素原子の発生を抑制することが可能となる。つまり、製造工程中に発生する水分から強誘電体キャパシタを保護し、十分なメモリ特性を維持した強誘電体メモリを提供することができる。また、十分な膜厚の水分拡散防止膜を設けることが可能となるため、水素雰囲気下で形成されるパッシベーション膜等を形成する際に発生する水素の影響を低減させることができる強誘電体メモリを提供することが可能となる。
【００１３】
また、本実施形態における半導体装置においても、第１の実施形態の場合と同様に、第１保護膜１２のサイドウォール１２ａを形成した構成としてもよく、その場合、反応性スパッタリングを用いて形成されるＴｉＯ膜やＡｌ２Ｏ３膜といった第１保護膜１２の形成工程において、例えば、酸素の導入が不十分、または、構成金属と酸素との反応が不十分な場合、複数のメタル配線１１に亙って形成される第１保護膜１２によって生じる恐れのある、隣接するメタル配線１１間の短絡を確実に防止することが可能となる。
【００１４】
また、後の半導体装置の製造過程において、第１保護膜１２の還元が進み、第１保護膜１２の電気抵抗が低下した場合にも生じる恐れのある短絡を確実に防止することが可能となる。
【００１５】
更に、第１保護膜１２をメタル配線１１のサイドウォール１２ａ形状とすると、メタル配線１１の角部の角度を緩和することができるため、結果として、第１保護膜１２の後に形成される膜の被覆率を向上させることが可能となり、メタル配線１１の側面においても十分な水分拡散防止膜８の膜厚を確保することが可能となるため、水成分のメタル配線１１への接触を防ぐ能力を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明における半導体装置の断面図、図２〜図４は図１におけるメタル配線部を拡大した拡大図である。
【００１８】
図１に示されるように、本発明の強誘電体メモリは、半導体基板１表面に形成されたソース領域２ａおよびドレイン領域２ｂ、そして、それらソース領域２ａとドレイン領域２ｂとの間の半導体基板１上に形成されたゲート電極２ｃとから構成されるトランジスタ２が設けられた半導体基板１と、その上に形成された第１層間絶縁膜３、第２層間絶縁膜４、第３層間絶縁膜５およびパッシベーション膜６が形成されている。
【００１９】
また、第１層間絶縁膜３上に、例えば白金（Ｐｔ）等の触媒作用を有する材料より構成された下部電極７ａおよび上部電極７ｂ、そして、ＰＺＴ、ＳＢＴ等の金属酸化膜よりなる強誘電体膜とより構成される強誘電体キャパシタ７が設けられている。
【００２０】
第１および第２層間絶縁膜３、４には、半導体基板２に至るコンタクトホール９ａと強誘電体キャパシタ７の上部および下部電極７ａ、７ｂに至るコンタクトホール９ｂとが設けられており、それらのコンタクトホール９ａ、９ｂ内には、トランジスタ２と強誘電体キャパシタ７とのそれぞれを電気的に接続する、第１メタル配線１１ａが形成されている。
【００２１】
更に、図１に示した本実施形態の半導体装置では、第３層間絶縁膜５に、第１メタル配線１１ａに至るスルーホール１０が設けられており、そのスルーホール１０内には第１メタル配線１１ａに電気的に接続される第２メタル配線１１ｂが形成されている。つまり、本実施形態の半導体装置は、複数のメタル配線１１ａ、１１ｂが積み重ねられた多層構造を有している。
【００２２】
メタル配線１１の少なくとも側面には、水分拡散防止能力を有し、かつ、高い被覆性を有する第１保護膜１２が形成されており、この第１保護膜１２により、メタル配線１１の側面が被覆されている。図２（ａ）に示す、本実施形態の半導体装置では、メタル配線１１の上面および側面上の膜厚がほぼ同一に成膜された第１保護膜１２が形成されている。この第１保護膜１２には、膜中に水成分を含まず、かつ、膜形成時に水素を発生させない膜であり、表面が不動態化された金属酸化膜等が用いられることが好ましい。また、メタル配線１１を構成する配線材料、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等よりも酸化されにくい性質を有するものであることが望ましい。
【００２３】
加えて、本実施形態の場合、第１保護膜１２が隣接するメタル配線１１間を亙って形成されるため、第１保護膜１２として用いる膜は、クロストークやメタル配線間のショートの問題が生じない程度の電気抵抗率、約１×１０１０Ω・ｍ以上の電気抵抗率を有する絶縁性の高い膜であることが望ましい。
【００２４】
このような第１保護膜の例としては、公知の化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）等により形成される酸化チタン膜（ＴｉＯ）や酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３）等の膜が挙げられる。
【００２５】
ここで、第１保護膜１２として用いる膜として、ＴｉＯ膜とＡｌ２Ｏ３膜とを比べると、酸素との結合に伴う安定化エネルギーがより低いＡｌ２Ｏ３膜を第１保護膜１２として用いる方が、ＴｉＯ膜を用いる場合に比べてメタル配線１１の酸化をより確実に防止することが可能になる。
【００２６】
ここで、本発明におけるメタル配線１１について、メタル配線１１の要部を拡大した拡大図の図２〜図４を用いて、詳細に説明する。図２（ａ）は図１のメタル配線１１の断面をＸ−Ｘ方向から見た拡大図であり、図２（ｂ）は図１のコンタクトホール９ｂ内に形成されたメタル配線１１を拡大した拡大図である。
【００２７】
強誘電体キャパシタ７やトランジスタ２に電気的に接続されるメタル配線１１は、ＴｉＮ層もしくはＴｉ層とＴｉＮ層との積層膜より形成される密着層２１と、密着層２１上に形成された配線層２２とから構成される。配線層２２は、Ａｌを主成分とする層あるいはＷを主成分とする層からなり、メタル配線１１は密着層２１および配線層２２を順次形成した後、パターニングされることで形成されている。つまり、図２（ａ）に示すように、特に、配線層２２側面に水成分との接触の恐れがあり、かつ、酸化され易い配線層２２が露出した構造となっている。
【００２８】
そこで、本発明の半導体装置では、密着層２１および配線層２２より構成されるメタル配線１１の上面および側面に、水分拡散防止能力を有し、かつ、メタル配線１１の上面および側面上の膜厚がほぼ同一に成膜される、つまり高い被覆性を有する第１保護膜１２が約５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の膜厚で設けられている。
【００２９】
このような構成とすることで、第１保護膜１２形成後に成膜される、メタル配線１１の側面において十分な膜厚での成膜が困難なスパッタリング法等を用いた水分拡散防止膜８では十分に保護しきれないメタル配線１１側面部での水成分との接触を確実に防ぐことが可能となり、その結果、水成分の熱拡散に伴う水素分子の生成を抑制することが可能となる。
【００３０】
また、第１保護膜１２としてＡｌ２Ｏ３膜等の膜を用いる場合、第１保護膜１２は水分拡散防止能力の他、高い酸化防止能力をも有しているため、コンタクトホール９ｂ内のメタル配線１１の表面をも含む、メタル配線１１の上面および側面に第１保護膜１２を設けることで、層間絶縁膜に含まれる構造水や吸着水等の水成分の熱拡散によって生じる、金属配線の表面の酸化をより確実に防止することも可能である。結果として、金属配線の酸化によって生成される水素分子を低減することが可能となる。
【００３１】
更に、本発明の半導体装置では、第１保護膜１２上に、メタル配線１１の表面への水分の拡散を防止する水分拡散防止膜８であるシリコン窒化膜を、水素雰囲気を必要としない反応性スパッタリング等により約４０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の膜厚で形成している。
【００３２】
このように、メタル配線１１表面の酸化を防ぐ第１保護膜１２上に水分の拡散を防止する水分拡散防止膜８を設けることで、メタル配線１１表面への水成分の到達を防ぐことを可能とし、結果として、金属配線の酸化により生成される水素分子を更に低減することを可能としている。
【００３３】
また、本発明における半導体装置では、水分拡散防止膜８を第２層間絶縁膜４上に設ける構造とすることにより、後工程のパッシベーション膜６の形成等、製造工程中に発生する水分が第２層間絶縁膜４に設けられた強誘電体キャパシタ７へ拡散することを有効に防ぐことを可能としている。
【００３４】
この水分拡散防止膜８は、強誘電体キャパシタ７への水分の影響を抑えるため、少なくとも第２層間絶縁膜４上に形成されていることが望ましく、特に、パターニングされたメタル配線１１およびメタル配線１１上に形成された第１保護膜１２を含むよう形成されていることが望ましい。
【００３５】
また、その膜厚を約４０ｎｍ〜１６０ｎｍ程度とすることで、第３層間絶縁膜５に含まれる水分や製造工程中に発生する水分から強誘電体キャパシタ７を保護することが可能となる。
【００３６】
水分拡散防止膜８は、水分等に対する耐食性や、種々の製造法定における耐熱性を考慮した上で、製造時の水素の影響を低減するため、水素雰囲気を必要としない反応性スパッタリングにより形成された、窒化シリコン膜（ＳｉｘＮｙ膜）または酸窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ膜）から構成されることが好ましい。
【００３７】
その他の層や素子は、従来公知のものを適用することが可能である。
【００３８】
半導体基板１としては、シリコン（Ｓｉ）基板を用いることができ、第１、第２、第３層間絶縁膜３、４、５は、例えばＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）等を用いることができる。また、パッシベーション膜６は、ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜等を用いることができる。
【００３９】
更に、本発明における半導体装置においては、図３に示すように、水分拡散防止膜８上に水素の拡散を防止する水素拡散防止膜１３を約５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の膜厚で形成してもよい。水素拡散防止膜１３を形成することで、更に、水素雰囲気下で形成されるパッシベーション膜６の形成時においても、水素による強誘電体キャパシタ７への影響を低減させることができる。
【００４０】
この水素拡散防止膜１３は、少なくともパッシベーション膜６下に形成されていればよく、第１保護膜１２またはメタル配線１１上に形成されていることが望ましい。特に、パッシベーション膜６形成の直前に水素拡散防止膜１３を形成するようにすれば、プラズマを用いて層間絶縁膜等を成膜する際、発生する水素雰囲気下に水素拡散防止膜１３が曝されることがなくなり、結果として、高い水素バリア性を維持することが可能となる。本実施形態における水素拡散防止膜１３としては、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等が用いられることが望ましく、特に加工性の観点から、酸化タンタルが水素拡散防止膜１３として用いられることが望ましい。
【００４１】
また、本実施形態の半導体装置は、図４に示すように、メタル配線１１の上面および側面に第１保護膜１２を堆積した後、エッチングによってメタル配線１１上面の第１保護膜１２を除去してメタル配線１１の側面に第１保護膜よりなるサイドウォール１２ａを形成し、そして、そのサイドウォール１２ａおよびメタル配線１１上に、水分の拡散を防止する水分拡散防止膜８を形成した構造としてもよい。但し、このような構造の場合、メタル配線１１の上面に酸化され易い配線層２２が露出してしまうこととなるため、配線層２２の酸化を防ぐ保護層２３が配線層２２上に形成された多層構造を有するメタル配線１１であることが好ましい。
【００４２】
メタル配線１１を構成する保護層１３としては、配線層２２との密着性等を考慮した上で決定され、好ましくはＴｉＮ層もしくはＴｉ層とＴｉＮ層との積層膜等により形成される層が用いられることが望ましい。
【００４３】
このような第１保護膜１２のサイドウォール１２ａを有する半導体装置によれば、図２に示した半導体装置において、反応性スパッタリングを用いて形成されるＴｉＯ膜やＡｌ２Ｏ３膜といった第１保護膜１２の形成工程において、例えば、酸素の導入が不十分、または、構成金属と酸素との反応が不十分な場合、複数のメタル配線１１に亙って形成される第１保護膜１２によって生じる恐れのある、隣接するメタル配線１１間の短絡を確実に防止することが可能となる。
【００４４】
また、後の半導体装置の製造過程において、第１保護膜１２の還元が進み、第１保護膜１２の電気抵抗が低下した場合にも生じる恐れのある短絡を確実に防止することが可能となる。
【００４５】
更に、第１保護膜１２をメタル配線１１のサイドウォール１２ａ形状とすると、メタル配線１１の角部の角度を緩和することができるため、結果として、第１保護膜１２の後に形成される膜の被覆率を向上させることが可能となる。
【００４６】
特に、第１保護膜上に形成される水分拡散防止膜８においては、側壁に堆積し難い反応性スパッタリングによって形成されたシリコン窒化膜を水分拡散防止膜８として用いるため、メタル配線１１の上面と側面とのなす角を、メタル配線１１の側面に設けられた第１保護膜のテーパー面により緩和することで、より一層被覆率を向上させることが可能となる。また、メタル配線１１の側面においても十分な水分拡散防止膜８の膜厚を確保することが可能となり、結果として、水成分のメタル配線１１への接触を防ぐ能力を向上させることができる。
【００４７】
例えば、メタル配線１１が約３００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の膜厚の場合、サイドウォール１２ａの膜厚を約２００ｎｍ程度とすると、メタル配線１１の側面に形成された第１保護膜のサイドウォール１２ａのテーパー面とメタル配線１１の上面とのなす角θは約７０度程度となり、なす角θが約９０度のサイドウォール形状としない第１保護膜１２での水分拡散防止膜８の被覆率と比較すると、約１．６倍以上の被覆率を得ることが可能となる。
【００４８】
また、サイドウォール形状の第１保護膜１２ａを有する半導体装置の場合においても、図３に示すように、水分拡散防止膜８上に水素拡散防止膜４１を形成してもよい。
【００４９】
以下、図１に示した第１の実施形態における半導体装置の製造方法を説明する。
【００５０】
まず、半導体基板１としてのＳｉ基板に、ソース領域２ａおよびドレイン領域２ｂ、ゲート電極２ｃとから構成されるトランジスタ２を公知の方法により形成する。
【００５１】
その後、トランジスタ２を含む半導体基板１上に公知のＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜よりなる第１層間絶縁膜３を形成する。
【００５２】
そして、第１層間絶縁膜３上に、Ｐｔ等の貴金属よりなる下部電極７ａおよび上部電極７ｂ、そして金属酸化膜よりなる強誘電体薄膜７ｃより構成される強誘電体キャパシタを形成した後、強誘電体キャパシタ７を含む第１層間絶縁膜３上に第２層間絶縁膜４を形成する。
【００５３】
第２層間絶縁膜４を形成後、７００〜８００℃、１〜２時間で熱処理を行い、第１および第２層間絶縁膜３、４中に含まれる構造水等の水分を除去する。ここでの熱処理の雰囲気は、還元雰囲気下でなければ特に限定されないが、強誘電体薄膜７ｃ中の酸素欠損を補うという観点から、酸素雰囲気下で行われることが望ましい。
【００５４】
次に、第２層間絶縁膜４上に開口部を有するレジストマスクを形成し、第１および第２層間絶縁膜３、４にトランジスタ２に至るコンタクトホール９ａ、第２層間絶縁膜４に強誘電体キャパシタ７の電極に至るコンタクトホール９ｂをそれぞれ形成する。そして、形成されたコンタクトホール９ａ、９ｂ内に、トランジスタ２および強誘電体キャパシタ７を電気的に接続するためのメタル配線１１ａを形成する。このメタル配線１１ａを形成するには、まず、密着層２１となるＴｉＮ膜を約１００ｎｍ程度の膜厚で形成する。続けて配線層２２の例えばＡｌ膜を約３００ｎｍ程度の膜厚でスパッタリング法により順次形成した後、所望のパターンにエッチングを行う。これにより、メタル配線１１ａが形成される。
【００５５】
この際、パターニング工程の前に、配線層２２上にＴｉＮ膜あるいはＴｉとＴｉＮとの積層膜により構成される配線層２２上面の酸化を保護する保護層２３を形成しておいてもよい。
【００５６】
メタル配線１１ａを形成した後、メタル配線１１ａの上面および側面に、被覆性のよい成膜方法、例えば化学気相成長法等を用いて、水成分の拡散を防止する第１保護膜１２を形成する。本実施形態の第１保護膜１２では、公知の化学気相成長法と用いて成膜されたＡｌ２Ｏ３膜等が用いられる。この第１保護膜１２としては、膜形成時に水素を発生させず、膜中に水成分を含まない膜であり、かつ、被覆性よく成膜される膜が用いられていることが望ましい。また、水分拡散防止能力に加え、メタル配線１１ａを構成する配線材料に比べ酸化されにくく、かつ、絶縁性の高い膜であることが望ましい。膜厚としては、約５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度形成されていればよい。
【００５７】
その後、水分拡散防止膜８であるＳｉ３Ｎ４膜を反応性スパッタリング装置（神港精機社製）により、約１００ｎｍ程度の膜厚で形成する。
【００５８】
本発明においては、水分の影響を防ぐ効果のある水分拡散防止膜８の成膜に反応性スパッタ法を適用することで、強誘電体キャパシタの特性の劣化に強い影響を及ぼす水素および窒素をＣＶＤ法における成膜に比べて格段に減らした状態で水分拡散防止膜を形成することが可能である。
【００５９】
ここで、反応性スパッタリングとは、基板とスパッタターゲットを配置した成膜処理室（チャンバー）内に希ガスを導入し、ターゲットを取り付けるスパッタ電極（カソード）に負の高電圧を印加してプラズマ放電を発生させることで、希ガスプラズマによりターゲットをスパッタし、同時に活性ガス、例えば窒素（Ｎ２）等を導入して活性ガスとターゲット材を反応させながら、基板上に金属化合物よりなる薄膜を形成する技術である。
【００６０】
反応性スパッタリング法を適用する際の条件としては、活性ガスとしての窒素ガス等と、希ガスとしてのアルゴンガス等を約１：１の割合で混合した混合ガス雰囲気下とすることが好ましく、圧力については０．０４Ｐａ〜０．１５Ｐａ、ＲＦ電源については１〜３ｋＷ程度とすることが好ましい。
【００６１】
そこで、本実施形態での製造方法では、水分拡散防止膜８を形成するスパッタリング条件として、Ｓｉターゲットを用い、ＡｒとＮ２をそれぞれ１：１の流量比でチャンバーに導入し、かつ、圧力を１３３０ｍＰａ（１０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦ電源２．５ｋＷとして成膜を行う条件とした。
【００６２】
水分拡散防止膜８を形成した後、さらに、その水分拡散防止膜８上に第３層間絶縁膜５として公知のＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜を約４００ｎｍ程度の膜厚で形成する。その後、第３層間絶縁膜５上に開口部を有するレジストマスクを形成し、そのレジストマスクを用いて第３層間絶縁膜５にメタル配線１１ａに至るスルーホール１０を形成する。形成されたスルーホール１０内には、周辺辺回路とトランジスタ２および強誘電体キャパシタ７により構成される強誘電体メモリセルとを電気的に接続するメタル配線１１ｂが形成される。このメタル配線１１ｂは、Ａｌ（膜厚７００ｎｍ）／ＴｉＮ（膜厚１００ｎｍ）をスパッタリング法により形成し所望のパターンにパターニングすることで形成される。
【００６３】
最後に、パッシベーション膜６としてＣＶＤ法によりＳｉ３Ｎ４膜を約８５０ｎｍの膜厚で形成し、本発明における強誘電体メモリを有する半導体装置を製造した。
【００６４】
また、保護層２３を有するメタル配線１１の場合であれば、メタル配線１１上面および側面に第１保護膜を形成した後、反応性スパッタリングにより形成されるＳｉ３Ｎ４膜の水分拡散防止膜８を形成する前に全面エッチバックを行い、メタル配線１１側面に第１保護膜１２のサイドウォール１２ａを形成する工程を加えてもよい。このような工程によってサイドウォール１２ａを形成することで、メタル配線１１の角部の角度が緩和され、結果として、メタル配線１１を覆う水分拡散防止膜８等の被覆率を向上させることが可能となる。
【００６５】
さらに、本実施形態における半導体装置の製造方法においては、トランジスタ２と強誘電体キャパシタ７とを電気的に接続するメタル配線１１ａを形成した後、メタル配線１１ａ上に水素の影響を防ぐ効果を有するＴａ２Ｏ５膜等よりなる水素拡散防止膜４１を同様に反応性スパッタリング法を用いて約１７０ｎｍ程度の膜厚で形成してもよい。水素拡散防止膜４１を形成するスパッタリング条件としては、Ｔａターゲットを用い、ＡｒとＯ２をそれぞれ１：１の流量比でチャンバーンに導入し、かつ、圧力を１３３０ｍＰａ（１０ｍＴｏｒｒ）、ＲＦ電源２．５ｋＷとして成膜を行う条件とした。
【００６６】
以上のように、本実施形態のように、メタル配線１１上に第１保護膜１２を設け、更に、第１保護膜１２上に反応性スパッタリング法等により形成される水分拡散防止膜８を設けるようにすることで、半導体装置の製造工程において、メタル配線１１の加工後の工程により形成される、多量の構造水を含むシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の第３層間絶縁膜５あるいはパッシベーション膜６といった膜からの水成分のメタル配線１１への熱拡散を防ぐことが可能となる。さらに、仮にメタル配線１１への熱拡散が生じた場合においても、メタル配線１１は、非常に酸化され易い配線層２２は酸素との結合エネルギーが十分に低い第１保護膜１２により覆われているため、水成分によるＡｌ、ＷやＴｉといった配線材料の酸化を抑制することができ、結果、メタル配線１１の酸化に伴う水素分子の発生を低減することが可能となる。
【００６７】
つまり、強誘電体メモリとして十分な強誘電体特性および強誘電体キャパシタ特性を維持することのできる半導体装置を提供することが可能となる。
【００６８】
また、サイドウォール形状の第１保護膜１２ａをメタル配線１１の側面に設ける構造とすることで、メタル配線１１の角部の角度を緩和することができる。そのため、強誘電体キャパシタに悪影響を及ぼす水素および窒素の発生を抑え、かつ、低温で成膜することができる反応性スパッタリングを用いた場合においても、メタル配線１１の側面には十分な膜厚を確保した水分拡散防止膜８を形成することが可能である。結果として、本実施形態によれば、さらに水成分のメタル配線１１への接触を防ぐ能力を向上させることができ、より強誘電体メモリとして十分な強誘電体特性および強誘電体キャパシタ特性を維持することのできる半導体装置を提供することが可能となる。
【００６９】
次に、第２の実施形態における半導体装置の製造方法を説明する。
【００７０】
図５（ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態における半導体装置の製造方法を示す図であり、図５（ａ）はは図１のメタル配線１１の断面をＸ−Ｘ方向から見た拡大図であり、図５（ｂ）は図１のコンタクトホール９ｂ内に形成されたメタル配線１１の拡大図である。また、第１の実施形態で示した記号と同一記号は同一物、若しくは相当部分を示すものである。
【００７１】
本第２の実施形態における半導体装置の製造方法において、第１の実施形態における半導体装置との相違点は、メタル配線１１上に形成される水素拡散防止膜８を、膜形成時に水素を発生させにくく、かつ、膜中に水成分含有量の低い、例えばテトラエトキシシラン（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ：ＴＥＯＳ）を主原料とするシリコン酸化膜５１を介して設ける点である。
【００７２】
以下、第２の実施形態における半導体装置の構造について説明する。
【００７３】
図５に示すように、第２の実施形態における半導体装置においても、先の第１の実施形態における半導体装置の場合と同様に、ＴｉＮ層もしくはＴｉ層とＴｉＮ層との積層膜より形成される密着層２１と、密着層２１上に形成された配線層２２とから構成されるメタル配線１１が強誘電体キャパシタ７やトランジスタ２に電気的に接続されるよう形成されている。
【００７４】
次に、メタル配線１１の上面および側面に、第１保護膜１２であるＴｉＯ膜やＡｌ２Ｏ３膜等が約５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の膜厚で形成される。
【００７５】
第２の実施形態の半導体装置においては、この第１保護膜１２を形成した後、膜形成時に水素を発生させにくく、かつ、水成分含有量の低い、例えばＴＥＯＳを主原料とするシリコン酸化膜５１を第１保護膜１２およびメタル配線１１上に形成する。また、メタル配線１１の材料として、融点の高い金属であるＴｉＮ等を用いている場合においては、特に、減圧下、例えば０．３Ｔｏｒｒ程度以下の圧力下で形成されたＴＥＯＳを主原料とするシリコン酸化膜を用いることで、さらに水成分の含有率を低減した膜を形成することも可能である。
【００７６】
ここで言う水成分とは、膜中に存在している表面吸着水（Ｈ２Ｏ）および構造水（Ｓｉ−ＯＨおよびＳｉ−ＯＨにＯＨ基が水素結合したもので、加熱によりＳｉとの結合を切断し、Ｈ２Ｏを生成するもの）等を含む。これにより、コンタクトホール９ｂは、コンタクトホール９ｂ内に形成されたメタル配線１１と水成分含有量の低い絶縁膜５１により充填される。そのためメタル配線１１上に形成されるシリコン酸化膜５１の膜厚は、シリコン酸化膜５１によりコンタクトホール９ｂ内を充填することのできる、コンタクトホール９ｂの径の約１／２程度以上であることが望ましい。
【００７７】
その後、シリコン酸化膜５１を形成した後、シリコン酸化膜５１上に、反応性スパッタリング法等により形成された水分拡散防止膜８を形成する。
【００７８】
本実施形態によれば膜形成時に水素を発生させにくく、かつ、膜中に水成分含有量の低い膜を予め開口部内に形成しておくことで、反応性スパッタリングを用いて形成する水分拡散防止膜８の膜厚が十分に確保しづらい、コンタクトホール９ｂ等の側壁部においても、被覆性を向上させ、水分の拡散を十分に防止することのできる水分拡散防止膜８を設けることが可能となる。
【００７９】
もちろん、先の第１の実施形態における半導体装置と同様に、水分拡散防止膜８を形成した後、強誘電体キャパシタへの水素の拡散を防止するため、Ｔａ２Ｏ５膜等よりなる水素拡散防止膜４１を同様に反応性スパッタリング法を用いて約１７０ｎｍ程度の膜厚で形成してもよい。
【００８０】
このように、シリコン酸化膜５１を介して水分拡散防止膜１２を設けることで、十分な膜厚を有する水分拡散防止膜１２を堆積させることが可能となり、特に、コンタクトホール９ｂ側壁における、膜厚の薄い水分拡散防止膜１２により引き起こされる、コンタクトホール９ｂ内の水分拡散阻止能力の低下を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の半導体装置を示す断面図である。
【図２】第１実施形態の半導体装置におけるメタル配線部を拡大した拡大図である。
【図３】第１実施形態の半導体装置における他の第１例のメタル配線部を拡大した拡大図である。
【図４】第１実施形態の半導体装置における他の第２例のメタル配線部を拡大した拡大図である。
【図５】第２実施形態の半導体装置におけるメタル配線部を拡大した拡大図である。
【符号の説明】
【００８２】
４ 第２層間絶縁膜
７ 強誘電体キャパシタ
７ａ 下部電極
７ｂ 上部電極
７ｃ 強誘電体薄膜
８ 水分拡散防止膜
９ａ，９ｂ コンタクトホール
１１ａ，１１ｂ メタル配線
１２ 第１保護膜
２１ 密着層
２２ 配線層
【図１】
2007013203.tif 000003
【図２】
2007013203.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007013203.tif 000006
【図５】
2007013203.tif 000007