半導体装置及びその製造方法
【課題】積層された導電性バリア層の酸素バリア性を向上させると共に、積層された導電性バリア層に生じる浮きや剥離を防止してコンタクト抵抗の安定化を図る。
【解決手段】半導体装置は、容量素子２１とトランジスタのソース領域又はドレイン領域１３とを電気的に接続するコンタクトプラグ１５と、該コンタクトプラグ１５の上に形成された高融点金属のみの窒化物である窒化チタンからなる導電層１６Ａと、窒化チタンアルミニウム膜、イリジウム膜及び酸化イリジウム膜の積層膜からなる酸素の拡散を防止する多結晶状の導電性酸素バリア層１７とを有している。結晶配向性が低い窒化チタンからなる導電層１６Ａを導電性酸素バリア膜１７の下側に設けたことにより、導電層１６Ａの直上に形成される導電性酸素バリア膜である窒化チタンアルミニウム膜は緻密な膜構造となるため、酸素の侵入を効果的に防止することができる。
【解決手段】半導体装置は、容量素子２１とトランジスタのソース領域又はドレイン領域１３とを電気的に接続するコンタクトプラグ１５と、該コンタクトプラグ１５の上に形成された高融点金属のみの窒化物である窒化チタンからなる導電層１６Ａと、窒化チタンアルミニウム膜、イリジウム膜及び酸化イリジウム膜の積層膜からなる酸素の拡散を防止する多結晶状の導電性酸素バリア層１７とを有している。結晶配向性が低い窒化チタンからなる導電層１６Ａを導電性酸素バリア膜１７の下側に設けたことにより、導電層１６Ａの直上に形成される導電性酸素バリア膜である窒化チタンアルミニウム膜は緻密な膜構造となるため、酸素の侵入を効果的に防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容量絶縁膜に金属酸化物を用いる容量素子を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プレーナ型構造を用いた１ｋｂｉｔ〜６４ｋｂｉｔの比較的に小容量の強誘電体メモリ装置が量産され始め、最近ではスタック型構造を持つ２５６ｋｂｉｔ〜４Ｍｂｉｔの大容量のメモリ装置が開発の中心となってきている。
【０００３】
スタック型の強誘電体メモリ装置は、容量素子を構成する下部電極の下側に、半導体基板と電気的に接続するコンタクトプラグを配してセルサイズを縮小し、集積度の大幅な向上を図ろうとしている。このようなスタック型構造を実現するには、金属酸化物からなる容量絶縁膜を結晶化する熱処理に際し、コンタクトプラグが酸化されないようにする必要がある。
【０００４】
従来は、特許文献１に示されるように、電極材料の下部に酸素バリア膜を積層して、コンタクトプラグの酸化を防ぐ構造を実現している。以下、従来の半導体装置について図面を参照しながら説明する。図１８は特許文献１に記載されている半導体装置の要部の断面構成を示している。
【０００５】
図１８に示すように、半導体基板１００の主面上の素子分離膜１０１により区画されてなる複数の素子形成領域には、ゲート電極１０２とソース領域及びドレイン領域１０３とからなるトランジスタがそれぞれ形成されている。半導体基板１００の上には、各トランジスタを覆うように全面に層間絶縁膜１０４が形成されている。層間絶縁膜１０４には、トランジスタのソース領域又はドレイン領域１０３と電気的に接続された複数のコンタクトプラグ１０５が形成されている。層間絶縁膜１０４の上には、酸化イリジウム（ＩｒＯ２ ）又は酸化ルテニウム（ＲｕＯ２ ）からなり、各コンタクトプラグ１０５を覆うことにより各コンタクトプラグ１０５への酸素の拡散を防止する導電性バリア層１０６が形成されている。各導電性バリア層１０６の上には、下部電極１０７と、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ 又はＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９ 等の高誘電体や強誘電体からなる容量絶縁膜１０８と、上部電極１０９とからなる容量素子１１０がそれぞれ形成されている。
【特許文献１】特開平１０−９３０３６号公報
【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、本願発明者らは、前記従来の容量素子１１０を含む半導体装置は以下のような種々の問題があることを見出している。
【０００７】
すなわち、前記従来の半導体装置における下部電極１０７とコンタクトプラグ１０５との間には、容量絶縁膜１０８の結晶化を図るための熱処理工程において、半導体基板１００の上方から侵入する酸素（Ｏ２ ）の拡散を防止して、コンタクトプラグ１０５の上部が酸化されることを防止する導電性バリア層１０６が設けられている。
【０００８】
ところが、図１９（ａ）に示すように、前記従来の半導体装置に用いられる導電性バリア層１０６は、後述するように、結晶粒（グレイン）の配向性が比較的に高いという知見を得ている。従って、例えば、各結晶粒が半導体基板と垂直な方向、すなわちコンタクトプラグ１０５と平行な方向に配向している場合には、上方から下部電極１０７の粒界を通って侵入してきた酸素（Ｏ２ ）によって、コンタクトプラグ１０５の上部が酸化してしまい、コンタクト抵抗が増大するという第１の問題がある。その上、導電性バリア層１０６自体が、上方から下部電極１０７の粒界を通って侵入してきた酸素によって容易に酸化してしまうという知見をも得ている。
【０００９】
一方、酸素バリア性のさらなる向上を目指して、図１９（ｂ）に示すように、導電性バリア層１０６が、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）膜１０６ａ、イリジウム（Ｉｒ）膜１０６ｂ、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）膜１０６ｃからなる積層構造を有する構成も報告されている。
【００１０】
このような積層構造を持つ導電性バリア層１０６においては、上方から下部電極１０７の粒界を通って侵入してきた酸素をＩｒＯｘ 膜１０６ｃとＩｒ膜１０６ｂとが遮断する。より詳細には、ＩｒＯｘ 膜１０６ｃは、容量絶縁膜１０８に対する熱処理時の酸素の侵入を防止し、Ｉｒ膜１０６ｂは、ＩｒＯｘ 膜１０６ｃのスパッタ時のＴｉＡｌＮ膜１０６ａに対する酸化を防止する。その上、ＩｒＯｘ 膜１０６ｃ及びＩｒ膜１０６ｂの粒界をそれぞれ通って侵入してきた酸素が、ＴｉＡｌＮ膜１０６ａの表面にアルミニウムの酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）を形成することにより、コンタクトプラグ１０５への酸素の侵入を遮断する。
【００１１】
しかしながら、導電性バリア膜１０６の下地層である酸化シリコンからなる層間絶縁膜１０４は配向性が高いため、その上に形成される導電性バリア層１０６は、層間絶縁膜１０４の配向性に優勢配向し、その結果、粒界が形成される。従って、図１９（ａ）に示した単層からなる導電性バリア層１０６の場合と同様に、下部電極１０７及び導電性バリア層１０６の粒界を通って侵入してきた酸素により、コンタクトプラグ１０５の上部は容易に酸化されてしまう。
【００１２】
さらに、導電性バリア層１０６に含まれるＩｒ膜１０６ｂ及びＩｒＯｘ 膜１０６ｃの各粒界を通って侵入してきた酸素は、導電性バリア層の下部に設けられたＴｉＡｌＮ膜１０６ａの表面に酸化膜を厚く形成するため、ＴｉＡｌＮ膜１０６ａの体積が膨張する。この膨張により、図１９（ｂ）に示すように、特にＴｉＡｌＮ膜１０６ａの側部は側方からの酸素の侵入が大きいため、該ＴｉＡｌＮ膜１０６ａの周縁部が内部よりも大きく膨張する。このような周縁部が大きく膨張する体積膨張により、導電性バリア層１０６には大きな応力が発生し、この応力を緩和するために、積層膜からなる導電性バリア層１０６において、特にＴｉＡｌＮ膜１０６ａとＩｒ膜１０６ｂとの界面で浮きや剥離が生じるという第２の問題がある。この浮きや剥離によって、コンタクト１５と下部電極１７とのコンタクト抵抗が高抵抗化する。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題を解決し、積層構造を有する導電性バリア層における酸素バリア性を向上させると共に、積層構造を有する導電性バリア層に生じる浮きや剥離を防止してコンタクト抵抗の安定化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第１の半導体装置は、基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、下部電極の下側に形成された高融点金属を含む導電性バリア層と、導電性バリア層の下側に形成された高融点金属のみの窒化物からなる導電層とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
第１の半導体装置によると、導電性バリア層の下側に形成された高融点金属のみの窒化物からなる導電層を備えているため、導電性バリア層が絶縁層の上に形成される場合には、該導電性バリア層と絶縁層との間に高融点金属のみの窒化物からなる導電層が介在した状態で形成される。これにより、導電性バリア層を絶縁層の上に直接に形成する場合と比べて、導電性バリア層の結晶配向が不規則となって導電性バリア層が緻密となるため、上方から他の膜の粒界を侵入してくる酸素の通過を防止することができる。従って、高融点金属のみの窒化物からなる導電層の下側にコンタクトプラグを設ける場合に、該コンタクトプラグの酸化を防止することができるので、コンタクト抵抗の増大を抑制することができる。さらに、導電性バリア層自体の酸化が防止されるため、導電性バリア層の体積膨張が抑止されるので、導電性バリア層自体の変形が抑止され、導電性バリア層の浮きや剥離をも防止することができる。なお、本願発明者らは、高融点金属のみの窒化物は、他の金属と比較して、配向性が低いという知見を得ている。
【００１６】
第１の半導体装置において、導電層の少なくとも一部は多結晶構造又はアモルファス構造であることが好ましい。このようにすると、導電層の上に形成される導電性バリア層の結晶構造が緻密となるため、導電性バリア層の上方に位置する下部電極や他の膜を侵入してきた酸素の下方への侵入を抑止することができる。
【００１７】
本発明に係る第２の半導体装置は、基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、下部電極の下側に形成された導電性バリア層と、導電性バリア層の下側に形成され、少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電層とを備えていることを特徴とする。
【００１８】
第２の半導体装置によると、導電性バリア層の下側に形成され、少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電層を備えており、アモルファス構造を含む導電層には結晶粒界が存在しないため、導電層が緻密となる。従って、アモルファス構造を含む導電層の上に形成された導電性バリア層は、緻密な導電層を設けない場合と比べてその結晶粒の粒径が小さくなるので、酸素の導電性バリア層の上部から下部に至るまでの通過経路長が増大する。その結果、上部電極を介して拡散してくる酸素による導電性バリア層自体の酸化が抑止されて、導電性バリア層の酸化耐性が向上する。従って、導電性バリア層の下方に設けられたコンタクトプラグの酸化が防止されると共に、導電性バリア層自体の酸化による体積膨張による浮きや剥離が防止されるので、コンタクト抵抗の安定化を図ることができる。
【００１９】
第２の半導体装置において、導電性バリア層の一部には高融点金属を含むことが好ましい。
【００２０】
本発明に係る第３の半導体装置は、基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、下部電極の下側に形成され、少なくとも一部がアモルファス構造である高融点金属を含む導電性バリア層とを備えていることを特徴とする。
【００２１】
第３の半導体装置によると、下部電極の下側に形成され、少なくとも一部がアモルファス構造である高融点金属を含む導電性バリア層を備えているため、第２の半導体装置と同様の効果を得られる上に、導電性バリア層と異なる導電層を新たに設ける必要がなく、構造が簡単化される。さらに、導電層を設けることによる半導体装置の基板に垂直方向への厚さの増加を防止することができる。
【００２２】
本発明に係る第４の半導体装置は、基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、下部電極の下側に形成された導電性バリア層と、導電性バリア層の下側に形成された高融点金属からなる導電層とを備え、導電層の導電性バリア層に対する接触面積は７０％以上であることを特徴とする。
【００２３】
第４の半導体装置によると、導電性バリア層の下側に形成された高融点金属からなる導電層における導電性バリア層に対する接触面積は７０％以上に設定されている。この高融点金属からなる導電層は、該高融点金属が持つ低い配向性によってその上に形成される導電性バリア層の膜質が向上し、導電層と導電性バリア層との密着性が向上する。その上、導電層の導電性バリア層に対する接触面積は７０％以上であるため、導電性バリア層の導電層との間の密着性に優れた部分が占める割合が大きくなるので、導電層は導電性バリア層の体積膨張時の変形による下向きの応力に対して十分な耐性を有するようになる。すなわち、導電性バリア層の体積膨張による変形が、接触面積が大きい導電層によって緩和されるため、コンタクト抵抗の高抵抗化を抑制することができる。
【００２４】
第４の半導体装置において、導電層は基板と下部電極とを電気的に接続するコンタクトプラグであることが好ましい。このように、導電層がコンタクトプラグを兼ねると、新たな構成部材を増やすことなく、導電性バリア層の変形によるコンタクト抵抗の高抵抗化を防止することができる。
【００２５】
第４の半導体装置において、導電性バリア層の一部は高融点金属を含むことが好ましい。
【００２６】
第４の半導体装置は、導電層の下側に形成され、基板と下部電極とを電気的に接続するコンタクトプラグをさらに備えていることが好ましい。
【００２７】
第１〜第４の半導体装置において、導電性バリア層は、該導電性バリア層の下側に導電層を設けない場合と比べて不規則な配向性を有していることが好ましい。このようにすると、酸素における導電性バリア層の上部から下部に至るまでの通過経路長が増大するため、上方から拡散してくる酸素による導電性バリア層自体の酸化が抑止されて導電性バリア層の酸化耐性が向上する。
【００２８】
また、第１〜第４の半導体装置において、導電性バリア層におけるＸ線回折（１０１）ピークの強度比の値は３．０以下であることが好ましい。この値は、導電性バリア層における結晶粒が微細な状態で存在することと等価であるため、酸素に対する耐性が向上する。
【００２９】
本発明に係る第５の半導体装置は、基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、下部電極の下側に形成された導電性バリア層と、導電性バリア層の下側に形成され、基板と下部電極とを電気的に接続する少なくとも２つのコンタクトプラグとを備えていることを特徴とする。
【００３０】
第５の半導体装置によると、導電性バリア層の下側に形成され、基板と下部電極とを電気的に接続する少なくとも２つのコンタクトプラグを備えているため、コンタクトプラグの導電性バリア層との間の密着性に優れた部分が占める割合が大きくなる。従って、導電性バリア層に対して接触面積が大きくなったコンタクトプラグは、導電性バリア層が下向きに変形しようとする応力に対して十分な耐性が生じるため、コンタクトプラグと導電性バリア層、さらには下部電極とのコンタクト抵抗を安定化することができる。
【００３１】
第１〜第５の半導体装置において、導電性バリア層は、複数の導電性バリア膜が積層されてなり、導電層と接する導電性バリア膜は、窒化チタンアルミニウムからなることが好ましい。
【００３２】
第１〜第５の半導体装置において、導電性バリア層は、ルテニウム、ルテニウム酸化物、ルテニウム珪化物、ルテニウム窒化物、レニウム、レニウム酸化物、レニウム珪化物、オスミウム、オスミウム酸化物、オスミウム珪化物、オスミウム窒化物、ロジウム、ロジウム酸化物、ロジウム珪化物、ロジウム窒化物、イリジウム、イリジウム酸化物、イリジウム珪化物、イリジウム窒化物、チタンアルミニウム、チタンアルミニウム珪化物、チタンアルミニウム窒化物、タンタルアルミニウム、タンタルアルミニウム珪化物、タンタルアルミニウム窒化物、白金及び金からなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることが好ましい。
【００３３】
第１の半導体装置において、導電層は、チタン窒化物、タンタル窒化物、タングステン窒化物及びコバルト窒化物からなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることが好ましい。
【００３４】
第２又は第３の半導体装置において、導電層は、チタン窒化物、タンタル窒化物、タングステン窒化物、コバルト窒化物、チタンアルミニウム、タンタルアルミニウム、タンタル、タングステン、チタン、ニッケル及びコバルトからなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることが好ましい。
【００３５】
第４の半導体装置において、導電層は、チタン、タンタル、タングステン、ニッケル及びコバルトからなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることが好ましい。
【００３６】
第１〜第５の半導体装置において、容量絶縁膜は高誘電体又は強誘電体からなる金属酸化物により構成されていることが好ましい。すなわち、容量絶縁膜を構成する金属酸化物は成膜後に酸化性雰囲気による結晶化のための熱処理を行なう必要があるため、導電性バリア層の酸化耐性が向上する本発明に適する。
【００３７】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、コンタクトプラグと接続されるように高融点金属のみの窒化物からなる導電層を形成する工程と、導電層の上に高融点金属を含む導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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ていることを特徴とする。
【００３８】
第１の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜の上にコンタクトプラグと接続されるように高融点金属のみの窒化物からなる導電層を形成し、形成した導電層の上に高融点金属を含む導電性バリア層を形成するため、本発明の第１の半導体装置を得ることができる。
【００３９】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、コンタクトプラグと接続され且つその少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電層を形成する工程と、導電層の上に導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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ていることを特徴とする。
【００４０】
第２の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜の上にコンタクトプラグと接続され且つその少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電層を形成し、形成した導電層の上に導電性バリア層を形成するため、導電性バリア層における結晶粒の配向性がばらつくようになるので、緻密な導電性バリア層を形成することができ、本発明の第２の半導体装置を得ることができる。
【００４１】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、コンタクトプラグと接続され且つその少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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ていることを特徴とする。
【００４２】
第３の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜の上にコンタクトプラグと接続され且つその少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電性バリア層を形成するため、本発明の第３の半導体装置を得ることができる。
【００４３】
本発明に係る第４の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことにより、高融点金属からなるコンタクトプラグを形成する工程と、コンタクトプラグの上に導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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、コンタクトプラグを形成する工程において、コンタクトプラグは、導電性バリア層に対するコンタクトプラグの接触面積が７０％以上となるように形成することを特徴とする。
【００４４】
第４の半導体装置の製造方法によると、高融点金属からなるコンタクトプラグは、導電性バリア層に対するコンタクトプラグの接触面積が７０％以上であるため、本発明の第４の半導体装置を得ることができる。
【００４５】
本発明に係る第５の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、コンタクトプラグと接続されるように高融点金属からなる導電層を形成する工程と、導電層の上に導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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、導電層を形成する工程において、導電層は導電性バリア層に対する導電層の接触面積が７０％以上となるように形成することを特徴とする。
【００４６】
第５の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜の上にコンタクトプラグと接続されるように形成される高融点金属からなる導電層は、導電性バリア層に対する導電層の接触面積が７０％以上であるため、本発明の第４の半導体装置を得ることができる。
【００４７】
本発明に係る第６の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことにより、少なくとも２つのコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、少なくとも２つのコンタクトプラグと接続されるように導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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ていることを特徴とする。
【００４８】
第６の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜の上に少なくとも２つのコンタクトプラグと接続されるように導電性バリア層を形成し、形成した導電性バリア層の上に下部電極を形成するため、本発明の第５の半導体装置を得ることができる。
【００４９】
第１の半導体装置の製造方法は、導電層を形成する工程において、導電層はその少なくとも一部にアモルファス構造を含むように形成することが好ましい。
【００５０】
第１又は第２の半導体装置の製造方法は、導電層を形成する工程において、導電層はその配向性が不規則になるように形成することが好ましい。このようにすると、導電性バリア層の形成時に導電性バリア層の結晶配向が不規則となるため、導電性バリア層が緻密となるので、上方から他の膜の粒界を侵入してくる酸素の通過を防止することができるようになる。
【００５１】
本発明に係る第７の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、コンタクトプラグと接続されるように下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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、導電性を有し酸素の拡散を防止する多結晶構造を有する導電性バリア層を成膜する工程と、成膜された導電性バリア層に対して酸化性雰囲気による熱処理を行なう工程とを含むことを特徴とする。
【００５２】
第７の半導体装置の製造方法によると、下部電極を形成する工程において、酸素の拡散を防止する多結晶構造を有する導電性バリア層を成膜し、その後、成膜された導電性バリア層に対して酸化性雰囲気による熱処理を行なう。すなわち、多結晶構造を有する導電性バリア層に対して容量絶縁膜を形成するよりも前に酸化性雰囲気による熱処理を行なうため、容量絶縁膜に対する熱処理時に、導電性バリア層の酸化による急激な体積膨張を抑止できるので、コンタクトプラグと容量素子との間のコンタクト抵抗の安定化を図ることができる。
【００５３】
第７の半導体装置の製造方法において、熱処理は急速加熱処理であることが好ましい。
【００５４】
第１〜第７の半導体装置の製造方法において、容量絶縁膜は高誘電体又は強誘電体からなる金属酸化物により構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００５５】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、酸素の拡散を防止する導電性バリア層の酸素による変形を防止し、コンタクト抵抗の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００５７】
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部の断面構成を示している。
【００５８】
図１（ａ）に示すように、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板１０の主面には、シャロウトレンチ分離（ＳＴＩ）等の素子分離膜１１により区画された複数の素子形成領域が形成されている。各素子形成領域には、半導体基板１０との間にゲート絶縁膜を介在させたゲート電極１２とソース領域及びドレイン領域１３とからなるトランジスタが形成されている。半導体基板１０の上には、各トランジスタを覆うように全面にわたって酸化シリコン等からなる保護絶縁膜１４が形成されている。保護絶縁膜１４には、各トランジスタのソース領域又はドレイン領域１３とそれぞれ電気的に接続されたタングステン（Ｗ）又はポリシリコンからなるコンタクトプラグ１５が形成されている。
【００５９】
保護絶縁膜１４の上における各コンタクトプラグ１５を含む領域には、図１（ｂ）に示すように、例えば、厚さが約１０ｎｍ〜５０ｎｍの高融点金属の窒化物であり、多結晶状の窒化チタン（ＴｉＮ）からなる導電層１６Ａと、該導電層１６Ａの上に順次形成され、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）膜１７ａ、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）膜１７ｂ及び厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍの酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）膜１７ｃの積層体からなり、酸素の拡散を防止する多結晶状の導電性酸素バリア層１７とが形成されている。
【００６０】
ここで、導電層１６Ａは、窒化チタン（ＴｉＮ）に限られず、例えば、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）及び窒化コバルト（ＣｏＮ）のうちの少なくとも１つを含む構成であれば良い。
【００６１】
また、導電性酸素バリア層１７は、窒化チタンアルミニウム膜１７ａ、イリジウム膜１７ｂ及び酸化イリジウム膜１７ｃからなる積層体に限られず、ルテニウム（Ｒｕ）、ルテニウム酸化物（ＲｕＯｘ ）、ルテニウム珪化物（ＲｕＳｉｘ ）、ルテニウム窒化物（ＲｕＮｘ ）、レニウム（Ｒｅ）、レニウム酸化物（ＲｅＯｘ ）、レニウム珪化物（ＲｅＳｉｘ ）、オスミウム（Ｏｓ）、オスミウム酸化物（ＯｓＯｘ ）、オスミウム珪化物（ＯｓＳｉｘ ）、オスミウム窒化物（ＯｓＮｘ ）、ロジウム（Ｒｈ）、ロジウム酸化物（ＲｈＯｘ ）、ロジウム珪化物（ＲｅＳｉｘ ）、ロジウム窒化物（ＲｈＮｘ ）、イリジウム（Ｉｒ）、イリジウム酸化物（ＩｒＯｘ ）、イリジウム珪化物（ＩｒＳｉｘ ）、イリジウム窒化物（ＩｒＮｘ ）、チタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）、チタンアルミニウム窒化物（ＴｉＡｌＮｘ ）、チタンアルミニウム珪化物（ＴｉＡｌＳｉｘ ）タンタルアルミニウム（ＴａＡｌ）、タンタルアルミニウム珪化物（ＴａＡｌＳｉｘ ）、タンタルアルミニウム窒化物（ＴａＡｌＮｘ ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）のうちの少なくとも１つを含む構成であれば良い。
【００６２】
導電性酸素バリア層１７の上には、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの白金（Ｐｔ）からなる下部電極１８と、厚さが５０ｎｍ〜１５０ｎｍのビスマス層状ペロブスカイト構造を有するタンタルニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｙＮｂｙ）２Ｏ９ （但し、ｙは０≦ｙ≦１である。））からなる容量絶縁膜１９と、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの白金からなる上部電極２０とが形成されている。この下部電極１８、容量絶縁膜１９及び上部電極２０とから容量素子２１が構成される。
【００６３】
ここで、導電層１６、導電性酸素バリア層１７及び下部電極１８は埋込絶縁膜２２によりその周囲が埋め込まれている。
【００６４】
第１の実施形態によると、半導体装置は、容量素子２１の下部電極１８とコンタクトプラグ１５との間に設けられた導電性酸素バリア層１７の下側に、該導電性酸素バリア層１７の下地層として、高融点金属のみの窒化物、例えば窒化チタンからなる導電層１６Ａを設けている。高融点金属の窒化物は、酸化シリコン等からなる保護絶縁膜１４の上に成膜される際に配向性が低く不揃いとなる。このため、配向が不揃いな導電層１６Ａの上に多結晶状の導電性酸素バリア層１７を形成する際に、導電性酸素バリア層１７はその結晶粒の配向性が導電層１６Ａを設けない場合と比べて不規則となる。これにより、製造時に、上部電極２０を介して酸化イリジウム膜１７ｃ及びイリジウム膜１７ｂの各粒界を通過して拡散してくる酸素の通過経路長が増大する。このため、導電性酸素バリア層１７自体の酸化が抑止されるので、該導電性酸素バリア層１７の酸化耐性が向上し、従って、導電層１６Ａの下側に形成されているコンタクトプラグ１５の酸化が防止される。さらに、導電性酸素バリア層１７の下部に位置する窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）膜１７ａの酸化による体積膨張が抑止されるため、窒化チタンアルミニウム膜１７ａ自体の浮きやイリジウム膜１７ｂとの界面での剥離が防止されるようになるので、コンタクトプラグ１５と下部電極１８との間のコンタクト抵抗が安定する。
【００６５】
なお、下部電極１８とコンタクトプラグ１５との間に設けた導電層１６Ａ及び導電性酸素バリア層１７は、下部電極１８の一部とみなしてもよい。
【００６６】
また、容量絶縁膜１９は、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｙＮｂｙ）２Ｏ９ に限られず、ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）Ｏ３ ）、チタン酸バリウムストロンチウム（（ＢａｙＳｒ１−ｙ)ＴｉＯ３ ）、チタン酸ビスマスランタン（（ＢｉｙＬａ１−ｙ）４Ｔｉ３Ｏ１２）（但し、いずれも、ｙは０≦ｙ≦１である。）又は五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）を用いることができる。
【００６７】
このように、第１の実施形態においては、高融点金属のみの窒化物である窒化チタンからなる導電層１６Ａを導電性酸素バリア層１７とコンタクトプラグ１５との間に設けている。高融点金属の窒化物は、導電性酸素バリア層１７をコンタクトプラグ１５を含む保護絶縁膜１４の上に直接に形成する場合と比べて、導電性酸素バリア層１７の結晶配向が不規則となるため、該導電性酸素バリア層１７が緻密となるので、上方から侵入してくる酸素の通過を防止することができる。これにより、コンタクトプラグ１５の酸化を防止できるため、コンタクト抵抗の増大を抑止することができる。さらには、導電性酸素バリア層１７自体の酸化が防止されるため、該導電性酸素バリア層１７の体積膨張が抑制される。その結果、導電性酸素バリア層１７自体の変形が抑止されて、該導電性酸素バリア層１７の浮きや剥離をも防止することができる。
【００６８】
以下、前記のように構成された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。
【００６９】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の要部の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００７０】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１０の主面に素子分離膜１１を選択的に形成して、該主面を複数の素子形成領域に区画し、区画された各素子形成領域に、ゲート電極１２及びソース領域及びドレイン領域１３からなるトランジスタを形成する。続いて、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法により、半導体基板１０の上にトランジスタを含む全面にわたって保護絶縁膜１４を堆積し、堆積した保護絶縁膜１４の上面を化学機械的研磨（ＣＭＰ）法により平坦化する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、保護絶縁膜１４に各トランジスタのソース領域又はドレイン領域１３を露出するコンタクトホールを形成し、形成したコンタクトホールに、ＣＶＤ法及びエッチバック法、又はＣＶＤ法及びＣＭＰ法を組み合わせてコンタクトプラグ１５を形成する。
【００７１】
続いて、スパッタ法又はＣＶＤ法により、保護絶縁膜１４の上に各コンタクトプラグ１５を覆うように、多結晶状で結晶粒が十分に小さい窒化チタン（ＴｉＮ）からなる導電層１６Ａを形成する。具体的には、窒化チタン（ＴｉＮ）は有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法を用い、成膜温度を約３５０℃〜４５０℃で形成する。ここで、窒化チタン（ＴｉＮ）はＭＯＣＶＤ法に限られず、スパッタ温度を３５０℃とし、電源出力を０．５ｋＷ〜３ｋＷとするスパッタ法を用いてもよい。
【００７２】
その後、スパッタ法により、導電層１６Ａの上に、窒化チタンアルミニウム、イリジウム及び酸化イリジウムを順次成膜して導電性酸素バリア層１７を成膜し、続いて、導電性酸素バリア層１７の上に、スパッタ法により白金からなる下部電極１８を成膜する。その後、塩素（Ｃｌ２ ）を含むエッチングガスを用いたドライエッチングにより、導電層１６Ａ、導電性酸素バリア層１７及び下部電極１８を所定の形状にパターニングする。
【００７３】
続いて、ＣＶＤ法により、保護絶縁膜１４の上に下部電極１８を覆うように、厚さが４００ｎｍ〜６００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）からなる埋込絶縁膜２２を堆積する。
【００７４】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法又はエッチング法により、堆積した埋込絶縁膜２２に対して下部電極１８を露出するように平坦化する。
【００７５】
次に、図２（ｃ）に示すように、有機金属分解（ＭＯＤ）法、有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法又はスパッタ法により、下部電極１８を含む埋込絶縁膜２２の上に、厚さが５０ｎｍ〜１５０ｎｍのビスマス層状ペロブスカイト構造を有するＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｙＮｂｙ）２Ｏ９ からなる容量絶縁膜形成膜１９Ａを成膜する。続いて、スパッタ法により、容量絶縁膜形成膜１９Ａの上に、白金（Ｐｔ）からなる上部電極形成膜２０Ａを成膜する。その後、成膜された容量絶縁膜形成膜１９Ａに対して、温度が６５０℃〜８００℃の酸素雰囲気で容量絶縁膜形成膜１９Ａの結晶化を図る熱処理を行なう。
【００７６】
なお、容量絶縁膜形成膜１９Ａに対する結晶化の熱処理は、図２（ｄ）に示す、上部電極形成膜２０Ａ及び容量絶縁膜形成膜１９Ａのパターニングの後に行なってもよい。
【００７７】
次に、図２（ｄ）に示すように、リソグラフィ法により、上部電極形成膜２０Ａの上に下部電極１８を覆うレジストパターン（図示せず）を形成し、その後、ドライエッチング法により、上部電極形成膜２０Ａ及び容量絶縁膜形成膜１９Ａをパターニングして、上部電極形成膜２０Ａから上部電極２０を形成し、容量絶縁膜形成膜１９Ａから容量絶縁膜１９を形成する。これにより、導電性酸素バリア層１７の上に、下部電極１８、容量絶縁膜１９及び上部電極２０からなる容量素子２１が形成される。
【００７８】
なお、下部電極１８及び上部電極２０の電極材料には白金を用いたが、白金に限られず、貴金属材料等を用いることができる。
【００７９】
以上説明したように、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、コンタクトプラグ１５と容量素子２１の下部電極１８の下側に設けられた導電性酸素バリア層１７との間に、高融点金属のみの窒化物である窒化チタンからなる導電層１６Ａを形成しているため、導電性酸素バリア層１７の下部に位置する高融点金属を含む窒化物である窒化チタンアルミニウム膜１７ａの密着性が良好となる。
【００８０】
すなわち、窒化チタンからなる導電層１６Ａの上に多結晶状の窒化チタンアルミニウム膜１７ａを成膜する際に、窒化チタンアルミニウム膜１７ａを構成する結晶粒が十分に小さくなるため、容量絶縁膜１９の結晶化を図る熱処理工程において、上部電極形成膜２０Ａの上方から侵入する酸素の経路が長くなるので、導電性酸素バリア層１７からコンタクトプラグ１５への酸素の拡散を防ぐことができる。
【００８１】
より具体的には、導電層１６Ａが多結晶状の高融点金属のみの窒化物からなるため、その膜質は緻密であり、該導電層１６Ａの上に形成される多結晶状の窒化チタンアルミニウム膜１７ａもその下地である導電層１６Ａの配向に影響されて緻密に形成される。その結果、導電性酸素バリア層１７の結晶粒が微細な状態で存在できるため、容量絶縁膜１９に対する結晶化の熱処理時に、上方から進入する酸素の拡散を防ぐことができるので、酸素に対する導電性酸素バリア層１７の酸化を抑止することができる。
【００８２】
従って、窒化チタンアルミニウム膜１７ａが緻密化されて、該窒化チタンアルミニウム膜１７ａを含む導電性酸素バリア層１７の酸化を防止できるため、導電性酸素バリア層１７である窒化チタンアルミニウム膜１７ａとイリジウム膜１７ｂとの界面での浮きや剥離が防止されるので、コンタクトプラグ１５と下部電極１８との間のコンタクト抵抗が安定化する。
【００８３】
なお、導電層１６Ａに多結晶状の窒化チタンを用いたが、単結晶の窒化チタン、さらには単結晶の高融点金属のみの窒化物により形成してもよい。この場合には、導電層１６Ａを設けない場合と比較して、導電性酸素バリア層１７の配向性を悪く形成することができ、上述したのと同様の効果を得ることができる。
【００８４】
ここで、第１の実施形態に係る半導体装置と従来の半導体装置とを比較した結果について説明する。
【００８５】
図３は、第１の実施形態に係る半導体装置において、容量絶縁膜１９に対して焼結温度（結晶化温度）７００℃〜８２０℃の温度範囲で酸素処理を行なった場合の導電性酸素バリア層１７とコンタクトプラグ１５とのコンタクト抵抗値の分布を図１８に示す従来の半導体装置と比較して示している。ここでのコンタクト抵抗値は、コンタクトプラグ１５と容量素子２１との間の値である。図３において、曲線１は第１の実施形態に係る半導体装置を示し、曲線２は後述の第２の実施形態に係る半導体装置を示し、曲線３は従来例を示している。図３の曲線１に示すように、第１の実施形態に係る半導体装置は、コンタクト抵抗値が焼結温度の７６０℃程度でも３０Ω程度と低い値を維持している。この測定結果から、第１の実施形態に係る多結晶状のＴｉＮからなる導電層１６Ａの上に形成された導電性酸素バリア層１７は、下部電極１８を介して拡散してくる酸素を防ぐことができ、導電性酸素バリア層１７自体の酸化が抑止されて、コンタクト抵抗の低抵抗化を実現できていることが分かる。
【００８６】
これに対し、曲線３に示す従来例に係る半導体装置の場合は、焼結温度が７５０℃を超える辺りからコンタクト抵抗値が上昇し、焼結温度が８００℃の近辺では９００Ωという高抵抗域に分布している。このことから、従来例においては、導電性バリア層１０６の酸化によって、コンタクトプラグ１０５に接する部分までもが酸化されていることが分かる。
【００８７】
以上説明したように、第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、導電性酸素バリア層１７とコンタクトプラグ１５との間に、高融点金属のみの窒化物からなる導電層１６Ａを形成しているため、導電性酸素バリア層１７、特にその下部に設けた高融点金属を含む窒化物（例えばＴｉＡｌＮ）膜１７ａの結晶粒の配向をＴｉＡｌＮ膜１７ａが酸化されにくい配向にすることができる。このため、導電性酸素バリア層１７の変形が抑制されるので、変形に伴う浮きや剥離を防止することができ、その結果、コンタクト抵抗の高抵抗化を防止することができる。
【００８８】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８９】
図４（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部の断面構成を示している。図４（ｂ）は図４（ａ）の要部拡大図である。ここで、図１と同値の構成要素には同一の符号を付すことにより詳細な説明を省略する。
【００９０】
第２の実施形態は、第１の実施形態とは、導電層がアモルファス構造を有する点で異なっている。図４（ａ）に示すように、半導体基板１０から保護絶縁膜１４までの構成は、第１の実施形態の図２（ａ）と同一であるので説明を省略する。
【００９１】
次に、保護絶縁膜１４の上における各コンタクトプラグ１５を含む領域には、図４（ｂ）に示すように、例えば、厚さが約１０ｎｍ〜５０ｎｍのアモルファス状の窒化チタン（ＴｉＮ）からなる導電層１６と、該導電層１６の上に順次形成され、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）膜１７ａ、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）膜１７ｂ及び厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍの酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）膜１７ｃの積層体からなり、酸素の拡散を防止する多結晶状の導電性酸素バリア層１７とが形成されている。
【００９２】
ここで、導電層１６は、窒化チタン（ＴｉＮ）に限られず、例えば、タンタル窒化物、タングステン窒化物、コバルト窒化物、チタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）、タンタルアルミニウム（ＴａＡｌ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）のうちの少なくとも１つを含む構成であれば良い。
【００９３】
また、導電性酸素バリア層１７は、窒化チタンアルミニウム、イリジウム及び酸化イリジウムからなる積層体に限られず、ルテニウム（Ｒｕ）やルテニウム酸化物（ＲｕＯｘ ）等の、第１の実施形態で挙げた材料を含む構成であれば良い。
【００９４】
以下の導電性酸素バリア層１７から上の構成は、第１の実施形態と同一であるため説明を省略する。
【００９５】
このように構成された第２の実施形態に係る半導体装置は、容量素子２１の下部電極１８とコンタクトプラグ１５との間に形成された導電性酸素バリア層１７の下側に、下地層としてアモルファス状の窒化チタンからなる導電層１６を設けている。このため、多結晶状の導電性酸素バリア層１７、特に下部の窒化チタンアルミニウム膜１７ａを形成する際に、粒界がないアモルファス状の導電層１６のモフォロジーにより、窒化チタンアルミニウム膜１７ａの結晶粒が導電層１６を設けない場合と比べて小さくなり且つその配向性も不規則となる。
【００９６】
これにより、製造時に、上部電極２０を介して、酸化イリジウム膜１７ｃ及びイリジウム膜１７ｂの各粒界を通過して拡散してくる酸素による導電性酸素バリア層１７自体の酸化が抑止されるため、該導電性酸素バリア層１７の酸化耐性が向上し、その結果、導電層１６の下側に形成されるコンタクトプラグ１５の酸化が防止される。さらに、導電性酸素バリア層１７、特に下部の窒化チタンアルミニウム膜１７ａの酸化による体積膨張が抑止されるため、窒化チタンアルミニウム膜１７ａとイリジウム膜１７ｂとの界面の浮きや剥離が防止されるので、コンタクトプラグ１５と下部電極１８との間のコンタクト抵抗が安定する。
【００９７】
なお、下部電極１８とコンタクトプラグ１５との間に設けた導電層１６及び導電性酸素バリア層１７は、下部電極１８の一部と見なしてもよい。
【００９８】
また、容量絶縁膜１９は、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｙＮｂｙ）２Ｏ９ に限られず、ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）Ｏ３ ）やチタン酸バリウムストロンチウム（（ＢａｙＳｒ１−ｙ)ＴｉＯ３ ）（但し、ｙは０≦ｙ≦１である。）等の、第１の実施形態に挙げた強誘電体材料又は高誘電体材料を用いることができる。
【００９９】
以下、前記のように構成された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。但し、第１の実施形態と同一部分については、詳細な説明を省略する。
【０１００】
図５（ａ）〜図５（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の要部の製造方法の工程順の断面構成を示している。ここで、図２と同一の構成要素には、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１０１】
まず、図５（ａ）に示すように、半導体基板１０の主面に、トランジスタ、保護絶縁膜１４及びコンタクトプラグ１５を順次形成する。
【０１０２】
続いて、有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法により、例えば、有機金属原料にテトラキスジメチルアミノチタニウム（tetrakis dimethyl amino titanium：ＴＤＭＡＴ）を用い、成膜温度を約３５０℃〜４５０℃として、保護絶縁膜１４の上に各コンタクトプラグ１５を覆うように、アモルファス状の窒化チタン（ＭＯＣＶＤ−ＴｉＮ）からなる導電層１６を形成する。ここで、アモルファス状の窒化チタンはＭＯＣＶＤ法に限られず、スパッタ温度を３５０℃とし、電源出力を４ｋＷ〜１０ｋＷとするスパッタ法を用いてもよい。
【０１０３】
その後、導電層１６の上に、窒化チタンアルミニウム、イリジウム及び酸化イリジウムを順次成膜して導電性酸素バリア層１７及び下部電極１８を成膜する。その後、導電層１６、導電性酸素バリア層１７及び下部電極１８を所定の形状にパターニングする。
【０１０４】
続いて、ＣＶＤ法により、保護絶縁膜１４の上に下部電極１８を覆うように、厚さが４００ｎｍ〜６００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）からなる埋込絶縁膜２２を堆積する。
【０１０５】
次に、図５（ｂ）から図５（ｄ）の工程は、図２（ｂ）から図２（ｄ）と同一であるので説明を省略する。
【０１０６】
以上説明したように、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、下部電極１８の下側に位置する導電性酸素バリア層１７とコンタクトプラグ１５との間に、アモルファス状の導電層１６を形成するため、多結晶状の導電性酸素バリア層１７を構成する結晶粒が小さくなって緻密化されるので、該導電性酸素バリア層１７の酸化耐性が向上する。その結果、導電性酸素バリア層１７の酸化を抑止できるようになり、該導電性酸素バリア層１７自体の浮きや剥離が防止されて、コンタクトプラグ１５と下部電極１８との間のコンタクト抵抗が安定化する。
【０１０７】
以下、第２の実施形態に係る半導体装置と従来の半導体装置とを比較した結果について説明する。
【０１０８】
図３の曲線２に示すように、第２の実施形態に係る半導体装置は、コンタクト抵抗値が焼結温度の８００℃を超えても３０Ω程度と低い値を維持している。この測定結果から、第２の実施形態に係るアモルファス状のＴｉＮからなる導電層１６の上に形成された導電性酸素バリア層１７は、下部電極１８を介して拡散してくる酸素を防ぐことができ、導電性酸素バリア層１７自体の酸化が抑止されて、コンタクト抵抗の低抵抗化を実現できていることが分かる。これに対し、前述したように、曲線３に示す従来例に係る半導体装置は、焼結温度の８００℃近辺では９００Ωと高い抵抗値を示し、コンタクトプラグ１０５に接する部分までもが酸化されていることが分かる。
【０１０９】
図６は第２の実施形態に係る導電性酸素バリア層の構造を測定するための資料の断面構成を模式的に表わしている。
【０１１０】
図６に示すように、ＣＶＤ法により、基板５０の上に、厚さが１０ｎｍ〜５０ｎｍのアモルファス状の窒化チタンからなる導電層１６を成膜し、成膜した導電層１６の上に、厚さが５０ｎｍ〜１５０ｎｍの窒化チタンアルミニウムからなる導電性酸素バリア層１７を成膜する。図６から分かるように、アモルファス状の導電層１６には粒界がなく、そのアモルファス状に成膜された導電層１６によって、導電性酸素バリア層１７を構成する結晶粒が微細になり、従って導電性酸素バリア層１７は緻密になる。すなわち、導電性酸素バリア層１７の結晶粒は導電層１６を形成しない場合よりも小さくなり且つ配向性が不規則となる。これにより、酸素の通過経路長が増大して、上部電極２０を介して拡散してくる酸素によって導電性酸素バリア層１７自体の酸化が抑止されて、該導電性酸素バリア層１７自体の酸素バリア性、さらにはコンタクトプラグ１５に対する酸素バリア性が大幅に向上する。
【０１１１】
次に、第２の実施形態に係る導電性酸素バリア層１７における結晶粒の配向性を測定した測定結果を示す。
【０１１２】
図７は導電性酸素バリア層の下に導電層を設けた場合と設けない場合とにおける導電性酸素バリア層１７のＸ線回折（１０１）ピークの強度比の値の比較結果を示している。図７から分かるように、第２の実施形態に係る導電性酸素バリア層は、ＣＶＤ法により成膜され、アモルファス層を多く含み結晶性が劣る導電層１６を下地層として成膜されており、この場合には、Ｘ線回折（１０１）ピークの強度比の値が１．５と低い。
【０１１３】
一方、導電層１６を設けない従来例の場合のＸ線回折（１０１）ピークの強度比は３．６と高い値を示しており配向性が高い、すなわち結晶粒が揃っていることが分かる。
【０１１４】
このように、第２の実施形態は、アモルファス状の導電層１６を導電性酸素バリア層１７の下地層として用いることにより、導電性酸素バリア層１７自体が酸化されにくい配向性を持たせることができる。すなわち、導電性酸素バリア層１７の結晶粒が微細な状態となるため、該導電性酸素バリア層１７を構成する結晶粒の粒界が該バリア層１７の表面から裏面にまで横断する確率が低くなる。その結果、容量絶縁膜１９に対する結晶化を図る熱処理時に、容量素子２１の上方から侵入する酸素のコンタクトプラグ１５への拡散を防止でき、導電性酸素バリア層１７自体の酸化をも抑止することができる。これにより、導電性酸素バリア層１７の浮きや剥離が防止されて、コンタクトプラグ１５と下部電極１８との間のコンタクト抵抗の安定化を実現できる。
【０１１５】
図８（ａ）は導電性酸素バリア層１７の下地層であるアモルファス状の導電層１６の上に、ＴｉＡｌＮからなる導電性酸素バリア層１７をスパッタ法により成膜する際の、ＴｉＡｌＮ膜の配向性の成膜温度依存性を示し、図８（ｂ）はＴｉＡｌＮ膜の配向性のＤＣパワー依存性を示している。ここで、図８（ａ）及び図８（ｂ）において、直線４Ａ、４Ｂは第２の実施形態に係る導電層を下地層とした場合を示し、直線５Ａ、５Ｂは比較用であって、多結晶状の導電層を下地層とした場合を示している。また、各グラフの縦軸は、それぞれのＸ線回折強度の比をとっている。
【０１１６】
図８（ａ）からは、ＴｉＡｌＮ膜はＤＣパワーを増大させていくと、配向性が徐々に高まることが分かり、特に、下地層が多結晶状の導電層１６Ａの場合は顕著となる。従って、ＤＣパワーは３ｋｗ以下が望ましい。一方、図８（ｂ）からは、成膜温度を高くすることによっても、配向性が徐々に高くなることが分かり、この場合も下地層が多結晶状の導電層の場合は顕著となる。従って、成膜温度は室温から１５０℃程度が望ましい。
【０１１７】
すなわち、図８（ａ）及び（ｂ）により、下地層であるＴｉＮからなる導電層の結晶状態により、その上に成膜されるＴｉＡｌＮ膜の配向性が変わることが分かる。さらに、成膜条件によってもＴｉＡｌＮ膜の配向性が変わることが分かる。従って、これらの測定結果から、導電性酸素バリア層１７を構成するＴｉＡｌＮ膜の配向性が低い、すなわち酸素が侵入しにくい膜に成膜するには、下地層を構成する高融点金属を含む導電層の結晶状態に応じて、ＴｉＡｌＮ膜の成膜条件を適宜制御することにより、配向性を決定することができることが分かる。
【０１１８】
（第２の実施形態の一変形例）
以下、本発明の第２の実施形態の一変形例について図面を参照しながら説明する。
【０１１９】
図９（ａ）は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部断面図である。図９（ａ）において、図４（ａ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１２０】
図９（ａ）に示すように、本変形例に係る半導体装置は、容量素子２１を構成する下部電極１８とコンタクトプラグ１５との間に導電性酸素バリア層１７Ａのみを設ける構成である。導電性酸素バリア層１７Ａは、図９（ｂ）に示すように、下から順次形成された、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍのアモルファス状のＴｉＡｌＮ膜１７ａと、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）膜１７ｂと、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍの酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）膜１７ｃとの積層体により構成されている。
【０１２１】
本変形例に係るアモルファス状のＴｉＡｌＮ膜１７ａは、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とを含むターゲット材と、アルゴン（Ａｒ）及び窒素（Ｎ２ ）の混合ガスとを用いた反応性スパッタ法により成膜する。
【０１２２】
本変形例によると、コンタクトプラグ１５と容量素子２１の下部電極１８との間に設けられる導電性酸素バリア層１７Ａの下部に位置するＴｉＡｌＮ膜１７ａがアモルファス構造を採るため、該ＴｉＡｌＮ膜１７ａの上に成膜されるＩｒ膜１７ｂ及びＩｒＯｘ 膜１７ｃは、下部のＴｉＡｌＮ膜１７ａの配向の影響を受ける。このため、配向性が低く且つ緻密な構造を持つ導電性酸素バリア層１７を形成することができる。
【０１２３】
従って、導電性酸素バリア層１７と異なる導電層を設けることなく、酸化耐性に優れ且つ剥離しにくい導電性酸素バリア層１７を得ることができる。その結果、工程を削減できる上に、半導体装置自体の高さを抑制することができる。
【０１２４】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１２５】
図１０（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部の断面構成を示している。図１０（ａ）において、図１（ａ）に示す第１の実施形態に係る構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１２６】
図１０（ａ）に示すように、第３の実施形態に係る半導体装置は、半導体基板１０上の保護絶縁膜１４に形成され、半導体基板１０におけるトランジスタのソース領域又はドレイン領域１３と容量素子２１の下部電極１８とを電気的に接続するコンタクトプラグ２５と、該コンタクトプラグ２５と下部電極１８との間に形成された導電性酸素バリア層２７とを有している。第３の実施形態においては、コンタクトプラグ２７と導電性酸素バリア層２７との間には、アモルファス状又は多結晶状の高融点金属の窒化物からなる導電層は設けていない。
【０１２７】
図１０（ｂ）の拡大図に示すように、コンタクトプラグ２５は例えばタングステン（Ｗ）からなり、コンタクトプラグ２５の径は導電性酸素バリア層２７の下面の径とほぼ同等の寸法に設定されている。
【０１２８】
導電性酸素バリア層２７は、下から順次形成された、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの多結晶状のＴｉＡｌＮ膜２７ａと、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）膜２７ｂと、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍの酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）膜２７ｃとの積層体により構成されている。
【０１２９】
第３の実施形態によると、コンタクトプラグ２５と下部電極１８とは、導電性酸素バリア層２７を介してほぼ全面的に対向するため、コンタクトプラグ２５が、その上に位置する導電性酸素バリア層２７が酸化されて変形しようとする際の下側への応力（押込み応力）に対して十分な耐性を有するようになる。
【０１３０】
従って、容量絶縁膜１９に対して行なう結晶化を図る熱処理時において、導電性酸素バリア層２７の周縁部が酸化により体積膨張した場合であっても、その応力に起因した導電性酸素バリア層２７の下方向への湾曲変形を径が大きいコンタクトプラグ２５により抑制することができる。その結果、導電性酸素バリア層２７自体の浮きや剥離を防止することができるので、コンタクトプラグ２５と容量素子２１とのコンタクト抵抗の上昇を防止することができる。
【０１３１】
従来のように、コンタクトプラグの径が小さいと、ＴｉＡｌＮ膜（導電性酸素バリア膜）とコンタクトプラグとが接触する面積が小さく、逆に導電性酸素バリア膜と酸化シリコン（保護絶縁膜）とが接する面積が大きいため、酸化シリコンとＴｉＡｌＮ膜との熱膨張係数の差により、室温に戻した際にＴｉＡｌＮ膜２７ａが剥離しやすくなる。しかしながら、第３の実施形態においては、ＴｉＡｌＮ膜２７ａの下面は、熱膨張係数の差が小さいタングステンとほぼ全面的に接触するため、室温に戻した際のＴｉＡｌＮ膜２７ａの剥離を防止することができる。
【０１３２】
その上、導電性酸素バリア層２７におけるＴｉＡｌＮ膜２７ａを形成する際に、ＴｉＡｌＮ膜２７ａはタングステンからなるコンタクトプラグ２５の表面の配向の影響を受けるため、配向性が低く且つ緻密な構造を持つ導電性酸素バリア層２７を形成することができる。
【０１３３】
これにより、導電性酸素バリア層２７と異なる導電層を設けることなく、酸化耐性に優れ且つ剥離しにくい導電性酸素バリア層２７を得ることができる。
【０１３４】
以下、第３の実施形態に係る半導体装置におけるコンタクトプラグ及び下部電極の接触面積比とコンタクト抵抗値との関係を従来例と比較した結果について説明する。
【０１３５】
図１１は第３の実施形態に係る半導体装置と従来例に係る半導体装置とにおける、コンタクトプラグ及び下部電極の接触面積比とコンタクト抵抗値との関係を示している。ここでは、下部電極には導電性酸素バリア膜を含んでいる。また、強誘電体の焼結温度は８００℃とし、コンタクト抵抗値は導電性酸素バリア層２７と容量素子２１との間の値としている。また、コンタクトプラグ２５の下部電極１８に対する接触面積比の値は０．７としている。
【０１３６】
図１１に示すように、第３の実施形態に係る半導体装置は、コンタクトプラグ２５の下部電極１８に対する接触面積比の値が０．７の場合又はそれ以上の場合には、コンタクト抵抗の値が３０Ωという小さい値となる。これは、導電性酸素バリア層２７の変形による該導電性バリア層２７自体の浮きや剥離が防止される結果であり、コンタクト抵抗の上昇が抑止されていることが分かる。
【０１３７】
これに対し、従来例に係る半導体装置は、導電性バリア層１０６がその周縁部の酸化による膨張応力によって下方向へ湾曲変形することにより、該導電性バリア層１０６自体に浮きや剥離が生じ、これにより部分的な導通不良が起こり、コンタクト抵抗値が６００Ωという高い数値を示すと考えられる。
【０１３８】
次に、第３の実施形態に係る半導体装置における導電性酸素バリア層２７の膜ストレスと、コンタクトプラグ２５及び容量素子２１の間のコンタクト抵抗値との関係を従来例と比較した結果について説明する。
【０１３９】
図１２は第３の実施形態に係る半導体装置と従来例に係る半導体装置とにおける、導電性酸素バリア層の膜ストレスと、コンタクトプラグ及び容量素子間のコンタクト抵抗値との関係を示している。ここでは、半導体基板上に成膜した絶縁膜に、径が異なるコンタクトプラグをそれぞれ複数個ずつ形成し、各コンタクトプラグの上に導電性酸素バリア層を形成した資料を用いた。なお、図１２に示した各測定値は、複数個の資料のそれぞれの平均値である。
【０１４０】
図１２に示すように、コンタクト抵抗値は膜ストレスが約１６０ＭＰａ以上になると急激に低下し始め、２１０ＭＰａ以上でほぼ安定的に低いコンタクト抵抗値を得られることが分かる。これは、コンタクトプラグ２５の導電性酸素バリア層２７を介した下部電極１８に対する接触面積比の値が、０．７以上となると、コンタクトプラグ２５は導電性酸素バリア層２７の下方向への押込み応力に対する耐性が増大して、変形防止効果が大きくなるからである。図１２に示す関係から、導電性酸素バリア層２７には、２１０ＭＰａ以上の膜ストレスを有する材料を用いることが望ましい。例えば、窒化タンタルアルミニウム（ＴａＡｌＮ）、窒化珪化チタン（ＴｉＳｉＮ）又は窒化珪化タンタル（ＴａＳｉＮ）等を用いることが望ましい。
【０１４１】
（第３の実施形態の一変形例）
以下、本発明の第３の実施の形態の変形例について図１３を参照しながら説明する。
【０１４２】
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は本発明の第３の実施形態の一変形例に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部の断面構成を示している。図１３（ａ）及び（ｂ）において、図１０（ａ）及び（ｂ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１４３】
図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例に係る半導体装置は、保護絶縁膜１４に形成されたタングステン（Ｗ）又はポリシリコンからなるコンタクトプラグ１５と、該コンタクトプラグ１５と導電性酸素バリア層２７との間に形成された高融点金属、例えばタングステン（Ｗ）からなる導電層２６とを有している。ここで、導電層２６は、タングステン（Ｗ）に限られず、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）又はコバルト（Ｃｏ）等の高融点金属を用いることができる。
【０１４４】
図１３（ｂ）に示すように、高融点金属からなる導電層２６は、導電性酸素バリア層２７に対する接触面積の割合が７０％以上となるように形成されている。
【０１４５】
本変形例によると、導電層２６の導電性酸素バリア層２７を介した下部電極１８に対する接触面積比の値を０．７以上に設定しているため、導電層２６は導電性酸素バリア層２７の下方向への押込み応力に対する耐性が増大して、変形防止効果が大きくなる。従って、容量絶縁膜１９に対して行なう結晶化を図る熱処理時において、導電性酸素バリア層２７の周縁部が酸化により体積膨張した場合であっても、その応力に起因した導電性酸素バリア層２７の下方向への湾曲変形を導電層２６により抑制することができる。
【０１４６】
その上、導電性酸素バリア層２７におけるＴｉＡｌＮ膜２７ａを形成する際に、ＴｉＡｌＮ膜２７ａはタングステンからなる導電層２６の表面の配向の影響を受けるため、配向性が低く且つ緻密な構造を持つ導電性酸素バリア層２７を形成することができる。その結果、導電性酸素バリア層２７自体の浮きや剥離を防止することができるので、コンタクトプラグ２５と容量素子２１とのコンタクト抵抗の上昇を防止することができる。
【０１４７】
その上、コンタクトプラグ１５自体の径を大きくする必要がないので、チップ面積が増大することがない。
【０１４８】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１４９】
図１４は本発明の第４の実施形態に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部の断面構成を示している。図１４において、図１０（ａ）に示す第３の実施形態に係る構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１５０】
第４の実施形態においては、トランジスタのソース領域又はドレイン領域１３と容量素子２１の下部電極１８とを、高融点金属又はポリシリコンからなる２つのコンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂにより並列に接続している。さらに、各コンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂと導電性酸素バリア層２７との間には、アモルファス状の導電層を設けていない。なお、コンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂは並列でなくてもかまわない。
【０１５１】
このように、２つのコンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂを設けたことにより、通常の太さのコンタクトプラグを１つのみ設ける場合と比べて、コンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂの導電性酸素バリア層２７に対する接触面積が増大するため、コンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂがその上に位置する導電性酸素バリア層２７が酸化されて変形しようとする際の下側への押込み応力に対して十分な耐性を有するようになる。
【０１５２】
従って、容量絶縁膜１９に対する結晶化の熱処理時において、導電性酸素バリア層２７の周縁部が酸化により体積膨張した場合であっても、その応力に起因した導電性酸素バリア層２７の下方向への湾曲変形を２つのコンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂにより抑制することができる。その結果、導電性酸素バリア層２７自体の浮きや剥離を防止きるので、コンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂと容量素子２１とのコンタクト抵抗の上昇を防止することができる。
【０１５３】
ここで、第４の実施形態に係る半導体装置におけるコンタクトプラグの個数と導電性酸素バリア層の剥離の発生数との関係を従来例と比較した結果について図１５を参照しながら説明する。ここでは、容量絶縁膜１９を構成する強誘電体の焼結温度（結晶化温度）である８００℃の酸素雰囲気による熱処理を、コンタクトプラグを１個のみ設けた資料から５個まで設けた資料に対して行なっている。
【０１５４】
図１５から、本実施形態に係る半導体装置は、２個以上のコンタクトプラグを設けることにより、導電性酸素バリア層２７には剥離がまったく生じないことが分かる。
【０１５５】
これに対して、従来例のように通常の径を持つ１個のコンタクトプラグのみを設けた場合は、コンタクトプラグの導電性酸素バリア層に対する接触面積が相対的に小さいことから剥離が発生しやすく、剥離の発生数も２０個を数えている。なお、ここでの資料の総数は５０万個としている。
【０１５６】
このように、第４の実施形態によると、メモリセルの微細化を考慮した場合に、下部電極１８とトランジスタとを接続するコンタクトプラグ２５Ａ等は、従来の大きさのコンタクトプラグを少なくとも２つ配置することが望ましい。
【０１５７】
また、第３の実施形態と同様に、複数のコンタクトプラグ２５Ａ等の総接触面積が７０％以上となるように、コンタクトプラグの個数を決定することがさらに好ましい。
【０１５８】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１５９】
第５の実施形態は、容量絶縁膜の結晶化を図る熱処理前に導電性酸素バリア層に対して熱処理を行なうことを特徴とする。
【０１６０】
図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。図１６（ａ）〜（ｃ）において、図１（ａ）に示す第１の実施形態に係る構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。また、ここでは、導電性酸素バリア層の形成層と下部電極の形成層とまでを成膜する工程までを説明する。
【０１６１】
まず、図１６（ａ）に示すように、半導体基板１０の主面に素子分離膜１１を選択的に形成して、該主面を複数の素子形成領域に区画し、区画された各素子形成領域に、ゲート電極１２及びソース領域及びドレイン領域１３からなるトランジスタを形成する。続いて、ＣＶＤ法により、半導体基板１０の上にトランジスタを含む全面にわたって保護絶縁膜１４を堆積し、堆積した保護絶縁膜１４の上面をＣＭＰ法により平坦化する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、保護絶縁膜１４に各トランジスタのソース領域又はドレイン領域１３を露出するコンタクトホールを形成し、形成したコンタクトホールに、ＣＶＤ法及びエッチバック法、又はＣＶＤ法及びＣＭＰ法を用いてコンタクトプラグ１５をそれぞれ形成する。
【０１６２】
その後、スパッタ法により、コンタクトプラグ１５を含む保護絶縁膜１４の上に、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、イリジウム（Ｉｒ）及び酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）を順次成膜して導電性酸素バリア層形成層３７Ａを成膜する。
【０１６３】
次に、図１６（ｂ）に示すように、導電性酸素バリア層形成層３７Ａに対して、酸素雰囲気による温度が約４５０℃〜５５０℃で１分間〜２分間の急速加熱処理を行なって、熱処理された導電性酸素バリア層形成層３７Ｂを形成する。
【０１６４】
次に、図１６（ｃ）に示すように、スパッタ法により、導電性酸素バリア層形成層３７Ｂの上に白金からなる下部電極形成膜１８Ａを成膜する。
【０１６５】
この後は、ドライエッチングにより、下部電極形成膜１８Ａ及び電性酸素バリア層形成層３７Ｂをパターニングし、さらに、埋込み絶縁膜、容量絶縁膜及び上部電極を順次形成して容量素子を得る。
【０１６６】
このように、第５の実施形態においては、容量絶縁膜を成膜するよりも前に、具体的には、容量絶縁膜を構成する強誘電体を結晶化する酸化性雰囲気による熱処理を行なうよりも前に、導電性酸素バリア層形成層３７Ａの少なくとも上部に対して酸化性雰囲気による急速加熱処理により酸化して導電性酸素バリア層形成層３７Ｂを形成する。これにより、あらかじめ熱処理された導電性酸素バリア層３７Ｂは、容量絶縁膜を結晶化する際の比較的高温の酸素アニール時においても、急激な酸化による体積膨張を抑制でき、その結果、導電性酸素バリア層３７Ｂの浮きや剥離によるコンタクトプラグ１５と容量素子とのコンタクト抵抗の上昇を防止することができる。
【０１６７】
ここで、第５の実施形態に係る半導体装置における容量絶縁膜に対するアニール前とアニール後とにおけるコンタクト抵抗の変化を従来例と比較した結果について図１７に基づいて説明する。ここでは、容量絶縁膜を構成する強誘電体の焼結温度である８００℃の酸素雰囲気による熱処理を行ない、また、コンタクト抵抗値は導電性酸素バリア層と容量素子との間の値としている。
【０１６８】
図１７に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、容量絶縁膜に対するアニール処理の前後でも、コンタクト抵抗値は３０Ω程度である。これは、容量絶縁膜に対するアニール処理を行なうよりも前に、導電性酸素バリア層に対して酸素雰囲気による急速加熱処理を施しているため、容量絶縁膜に対するアニール処理時の導電性酸素バリア層の酸化による体積膨張が防止されていることを表わしている。
【０１６９】
これに対して、従来例に係る半導体装置は、コンタクト抵抗値がアニール前の１００Ωからアニール後には１０００Ωという高い値を示している。これは、導電性酸素バリア層がその周縁部の酸化による膨張応力によって下方向へ湾曲変形することにより、導電性酸素バリア層自体に浮きや剥離が生じ、これにより部分的な導通不良が起こったためと考えられる。
【０１７０】
なお、第５の実施形態において、導電性酸素バリア層形成層３７Ａに対する酸素雰囲気による急速加熱処理は、４５０℃〜５５０℃と比較的低温であるため、従来例で述べたような、ＴｉＡｌＮ膜の最上層に酸化による体積膨張は生じない。
【０１７１】
また、第３〜第５の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、コンタクトプラグと導電性酸素バリア層との間にアモルファス状の導電層を形成し、形成した導電層の上に、比較的に小さい結晶粒からなる導電性酸素バリア層を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１７２】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、酸素の拡散を防止する導電性酸素バリア層の酸素による変形を防止し、コンタクト抵抗の安定化を図ることができるという効果を有し、容量絶縁膜に金属酸化物を用いる容量素子を備えた半導体装置及びその製造方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１７３】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は容量素子とトランジスタとを含む要部の断面図であり、（ｂ）は容量素子とコンタクトプラグとの間に設けられる導電性酸素バリア層及び導電層を示す模式的な断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の要部の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図３】本発明の第１及び第２の実施形態に係る半導体装置と従来例に係る半導体装置とにおける容量絶縁膜の結晶化温度とコンタクト抵抗値との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は容量素子とトランジスタとを含む要部の断面図であり、（ｂ）は容量素子とコンタクトプラグとの間に設けられる導電性酸素バリア層及び導電層を示す模式的な断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の要部の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る導電性酸素バリア層の構造を測定するための資料を示す模式的な構成断面図である。
【図７】導電性酸素バリア層の下に本発明に係る導電層を設けた場合と設けない場合とにおける導電性酸素バリア層のＸ線回折（１０１）ピークの強度比の値の比較結果を示すグラフである。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置における導電性酸素バリア膜の成膜条件と導電性酸素バリア層の配向性との関係を示し、（ａ）は結晶粒の配向性のスパッタ電力依存性を示すグラフであり、（ｂ）は結晶粒の配向性の成膜温度依存性を示すグラフである。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る半導体装置を示し、（ａ）は容量素子とトランジスタとを含む要部の断面図であり、（ｂ）は容量素子とコンタクトプラグとの間に設けられる導電性酸素バリア層を示す模式的な断面図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は容量素子とトランジスタとを含む要部の断面図であり、（ｂ）は容量素子の下側に設けられる導電性酸素バリア層及びコンタクトプラグを示す模式的な断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置と従来例に係る半導体装置とにおける、コンタクトプラグ及び下部電極の接触面積比とコンタクト抵抗値との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置と従来例に係る半導体装置とにおける、導電性酸素バリア層の膜ストレスとコンタクト抵抗値との関係を示すグラフである。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態の一変形例に係る半導体装置を示し、（ａ）は容量素子とトランジスタとを含む要部の断面図であり、（ｂ）は容量素子の下側に設けられる導電性酸素バリア層、導電層及びコンタクトプラグを示す模式的な断面図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の要部を示す断面図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置におけるコンタクトプラグの個数と導電性酸素バリア層の剥離の発生数との関係を従来例と比較したグラフである。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の要部の製造方法を示す部分的な工程断面図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置における容量絶縁膜に対するアニール前とアニール後とのコンタクト抵抗の変化を従来例と比較したグラフである。
【図１８】従来の半導体装置の要部を示す構成断面図である。
【図１９】（ａ）は従来の半導体装置における下部電極、導電性バリア層及びコンタクトプラグを示す模式的な構成断面図である。（ｂ）は従来の半導体装置の容量絶縁膜に対するアニール工程における導電性バリア層の体積膨張を模式的に示す構成断面図である。
【符号の説明】
【０１７４】
１０ 半導体基板
１１ 素子分離膜
１２ ゲート電極
１３ ソース領域又はドレイン領域
１４ 保護絶縁膜
１５ コンタクトプラグ
１６ 導電層（アモルファス）
１６Ａ 導電層（多結晶）
１７ 導電性酸素バリア層
１７ａ 窒化チタンアルミニウム膜
１７ｂ イリジウム膜
１７ｃ 酸化イリジウム膜
１７Ａ 導電性酸素バリア層
１８ 下部電極
１８Ａ 下部電極形成膜
１９ 容量絶縁膜
１９Ａ 容量絶縁膜形成膜
２０ 上部電極
２０Ａ 上部電極形成膜
２１ 容量素子
２２ 埋込絶縁膜
２５ コンタクトプラグ
２５Ａ コンタクトプラグ
２５Ｂ コンタクトプラグ
２６ 導電層
２７ 導電性酸素バリア層
２７ａ 窒化チタンアルミニウム膜
２７ｂ イリジウム膜
２７ｃ 酸化イリジウム膜
３７Ａ 導電性酸素バリア層形成層
３７Ｂ 導電性酸素バリア層形成層（熱処理後）
５０ 基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容量絶縁膜に金属酸化物を用いる容量素子を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プレーナ型構造を用いた１ｋｂｉｔ〜６４ｋｂｉｔの比較的に小容量の強誘電体メモリ装置が量産され始め、最近ではスタック型構造を持つ２５６ｋｂｉｔ〜４Ｍｂｉｔの大容量のメモリ装置が開発の中心となってきている。
【０００３】
スタック型の強誘電体メモリ装置は、容量素子を構成する下部電極の下側に、半導体基板と電気的に接続するコンタクトプラグを配してセルサイズを縮小し、集積度の大幅な向上を図ろうとしている。このようなスタック型構造を実現するには、金属酸化物からなる容量絶縁膜を結晶化する熱処理に際し、コンタクトプラグが酸化されないようにする必要がある。
【０００４】
従来は、特許文献１に示されるように、電極材料の下部に酸素バリア膜を積層して、コンタクトプラグの酸化を防ぐ構造を実現している。以下、従来の半導体装置について図面を参照しながら説明する。図１８は特許文献１に記載されている半導体装置の要部の断面構成を示している。
【０００５】
図１８に示すように、半導体基板１００の主面上の素子分離膜１０１により区画されてなる複数の素子形成領域には、ゲート電極１０２とソース領域及びドレイン領域１０３とからなるトランジスタがそれぞれ形成されている。半導体基板１００の上には、各トランジスタを覆うように全面に層間絶縁膜１０４が形成されている。層間絶縁膜１０４には、トランジスタのソース領域又はドレイン領域１０３と電気的に接続された複数のコンタクトプラグ１０５が形成されている。層間絶縁膜１０４の上には、酸化イリジウム（ＩｒＯ２ ）又は酸化ルテニウム（ＲｕＯ２ ）からなり、各コンタクトプラグ１０５を覆うことにより各コンタクトプラグ１０５への酸素の拡散を防止する導電性バリア層１０６が形成されている。各導電性バリア層１０６の上には、下部電極１０７と、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ 又はＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９ 等の高誘電体や強誘電体からなる容量絶縁膜１０８と、上部電極１０９とからなる容量素子１１０がそれぞれ形成されている。
【特許文献１】特開平１０−９３０３６号公報
【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、本願発明者らは、前記従来の容量素子１１０を含む半導体装置は以下のような種々の問題があることを見出している。
【０００７】
すなわち、前記従来の半導体装置における下部電極１０７とコンタクトプラグ１０５との間には、容量絶縁膜１０８の結晶化を図るための熱処理工程において、半導体基板１００の上方から侵入する酸素（Ｏ２ ）の拡散を防止して、コンタクトプラグ１０５の上部が酸化されることを防止する導電性バリア層１０６が設けられている。
【０００８】
ところが、図１９（ａ）に示すように、前記従来の半導体装置に用いられる導電性バリア層１０６は、後述するように、結晶粒（グレイン）の配向性が比較的に高いという知見を得ている。従って、例えば、各結晶粒が半導体基板と垂直な方向、すなわちコンタクトプラグ１０５と平行な方向に配向している場合には、上方から下部電極１０７の粒界を通って侵入してきた酸素（Ｏ２ ）によって、コンタクトプラグ１０５の上部が酸化してしまい、コンタクト抵抗が増大するという第１の問題がある。その上、導電性バリア層１０６自体が、上方から下部電極１０７の粒界を通って侵入してきた酸素によって容易に酸化してしまうという知見をも得ている。
【０００９】
一方、酸素バリア性のさらなる向上を目指して、図１９（ｂ）に示すように、導電性バリア層１０６が、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）膜１０６ａ、イリジウム（Ｉｒ）膜１０６ｂ、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）膜１０６ｃからなる積層構造を有する構成も報告されている。
【００１０】
このような積層構造を持つ導電性バリア層１０６においては、上方から下部電極１０７の粒界を通って侵入してきた酸素をＩｒＯｘ 膜１０６ｃとＩｒ膜１０６ｂとが遮断する。より詳細には、ＩｒＯｘ 膜１０６ｃは、容量絶縁膜１０８に対する熱処理時の酸素の侵入を防止し、Ｉｒ膜１０６ｂは、ＩｒＯｘ 膜１０６ｃのスパッタ時のＴｉＡｌＮ膜１０６ａに対する酸化を防止する。その上、ＩｒＯｘ 膜１０６ｃ及びＩｒ膜１０６ｂの粒界をそれぞれ通って侵入してきた酸素が、ＴｉＡｌＮ膜１０６ａの表面にアルミニウムの酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）を形成することにより、コンタクトプラグ１０５への酸素の侵入を遮断する。
【００１１】
しかしながら、導電性バリア膜１０６の下地層である酸化シリコンからなる層間絶縁膜１０４は配向性が高いため、その上に形成される導電性バリア層１０６は、層間絶縁膜１０４の配向性に優勢配向し、その結果、粒界が形成される。従って、図１９（ａ）に示した単層からなる導電性バリア層１０６の場合と同様に、下部電極１０７及び導電性バリア層１０６の粒界を通って侵入してきた酸素により、コンタクトプラグ１０５の上部は容易に酸化されてしまう。
【００１２】
さらに、導電性バリア層１０６に含まれるＩｒ膜１０６ｂ及びＩｒＯｘ 膜１０６ｃの各粒界を通って侵入してきた酸素は、導電性バリア層の下部に設けられたＴｉＡｌＮ膜１０６ａの表面に酸化膜を厚く形成するため、ＴｉＡｌＮ膜１０６ａの体積が膨張する。この膨張により、図１９（ｂ）に示すように、特にＴｉＡｌＮ膜１０６ａの側部は側方からの酸素の侵入が大きいため、該ＴｉＡｌＮ膜１０６ａの周縁部が内部よりも大きく膨張する。このような周縁部が大きく膨張する体積膨張により、導電性バリア層１０６には大きな応力が発生し、この応力を緩和するために、積層膜からなる導電性バリア層１０６において、特にＴｉＡｌＮ膜１０６ａとＩｒ膜１０６ｂとの界面で浮きや剥離が生じるという第２の問題がある。この浮きや剥離によって、コンタクト１５と下部電極１７とのコンタクト抵抗が高抵抗化する。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題を解決し、積層構造を有する導電性バリア層における酸素バリア性を向上させると共に、積層構造を有する導電性バリア層に生じる浮きや剥離を防止してコンタクト抵抗の安定化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第１の半導体装置は、基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、下部電極の下側に形成された高融点金属を含む導電性バリア層と、導電性バリア層の下側に形成された高融点金属のみの窒化物からなる導電層とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
第１の半導体装置によると、導電性バリア層の下側に形成された高融点金属のみの窒化物からなる導電層を備えているため、導電性バリア層が絶縁層の上に形成される場合には、該導電性バリア層と絶縁層との間に高融点金属のみの窒化物からなる導電層が介在した状態で形成される。これにより、導電性バリア層を絶縁層の上に直接に形成する場合と比べて、導電性バリア層の結晶配向が不規則となって導電性バリア層が緻密となるため、上方から他の膜の粒界を侵入してくる酸素の通過を防止することができる。従って、高融点金属のみの窒化物からなる導電層の下側にコンタクトプラグを設ける場合に、該コンタクトプラグの酸化を防止することができるので、コンタクト抵抗の増大を抑制することができる。さらに、導電性バリア層自体の酸化が防止されるため、導電性バリア層の体積膨張が抑止されるので、導電性バリア層自体の変形が抑止され、導電性バリア層の浮きや剥離をも防止することができる。なお、本願発明者らは、高融点金属のみの窒化物は、他の金属と比較して、配向性が低いという知見を得ている。
【００１６】
第１の半導体装置において、導電層の少なくとも一部は多結晶構造又はアモルファス構造であることが好ましい。このようにすると、導電層の上に形成される導電性バリア層の結晶構造が緻密となるため、導電性バリア層の上方に位置する下部電極や他の膜を侵入してきた酸素の下方への侵入を抑止することができる。
【００１７】
本発明に係る第２の半導体装置は、基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、下部電極の下側に形成された導電性バリア層と、導電性バリア層の下側に形成され、少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電層とを備えていることを特徴とする。
【００１８】
第２の半導体装置によると、導電性バリア層の下側に形成され、少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電層を備えており、アモルファス構造を含む導電層には結晶粒界が存在しないため、導電層が緻密となる。従って、アモルファス構造を含む導電層の上に形成された導電性バリア層は、緻密な導電層を設けない場合と比べてその結晶粒の粒径が小さくなるので、酸素の導電性バリア層の上部から下部に至るまでの通過経路長が増大する。その結果、上部電極を介して拡散してくる酸素による導電性バリア層自体の酸化が抑止されて、導電性バリア層の酸化耐性が向上する。従って、導電性バリア層の下方に設けられたコンタクトプラグの酸化が防止されると共に、導電性バリア層自体の酸化による体積膨張による浮きや剥離が防止されるので、コンタクト抵抗の安定化を図ることができる。
【００１９】
第２の半導体装置において、導電性バリア層の一部には高融点金属を含むことが好ましい。
【００２０】
本発明に係る第３の半導体装置は、基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、下部電極の下側に形成され、少なくとも一部がアモルファス構造である高融点金属を含む導電性バリア層とを備えていることを特徴とする。
【００２１】
第３の半導体装置によると、下部電極の下側に形成され、少なくとも一部がアモルファス構造である高融点金属を含む導電性バリア層を備えているため、第２の半導体装置と同様の効果を得られる上に、導電性バリア層と異なる導電層を新たに設ける必要がなく、構造が簡単化される。さらに、導電層を設けることによる半導体装置の基板に垂直方向への厚さの増加を防止することができる。
【００２２】
本発明に係る第４の半導体装置は、基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、下部電極の下側に形成された導電性バリア層と、導電性バリア層の下側に形成された高融点金属からなる導電層とを備え、導電層の導電性バリア層に対する接触面積は７０％以上であることを特徴とする。
【００２３】
第４の半導体装置によると、導電性バリア層の下側に形成された高融点金属からなる導電層における導電性バリア層に対する接触面積は７０％以上に設定されている。この高融点金属からなる導電層は、該高融点金属が持つ低い配向性によってその上に形成される導電性バリア層の膜質が向上し、導電層と導電性バリア層との密着性が向上する。その上、導電層の導電性バリア層に対する接触面積は７０％以上であるため、導電性バリア層の導電層との間の密着性に優れた部分が占める割合が大きくなるので、導電層は導電性バリア層の体積膨張時の変形による下向きの応力に対して十分な耐性を有するようになる。すなわち、導電性バリア層の体積膨張による変形が、接触面積が大きい導電層によって緩和されるため、コンタクト抵抗の高抵抗化を抑制することができる。
【００２４】
第４の半導体装置において、導電層は基板と下部電極とを電気的に接続するコンタクトプラグであることが好ましい。このように、導電層がコンタクトプラグを兼ねると、新たな構成部材を増やすことなく、導電性バリア層の変形によるコンタクト抵抗の高抵抗化を防止することができる。
【００２５】
第４の半導体装置において、導電性バリア層の一部は高融点金属を含むことが好ましい。
【００２６】
第４の半導体装置は、導電層の下側に形成され、基板と下部電極とを電気的に接続するコンタクトプラグをさらに備えていることが好ましい。
【００２７】
第１〜第４の半導体装置において、導電性バリア層は、該導電性バリア層の下側に導電層を設けない場合と比べて不規則な配向性を有していることが好ましい。このようにすると、酸素における導電性バリア層の上部から下部に至るまでの通過経路長が増大するため、上方から拡散してくる酸素による導電性バリア層自体の酸化が抑止されて導電性バリア層の酸化耐性が向上する。
【００２８】
また、第１〜第４の半導体装置において、導電性バリア層におけるＸ線回折（１０１）ピークの強度比の値は３．０以下であることが好ましい。この値は、導電性バリア層における結晶粒が微細な状態で存在することと等価であるため、酸素に対する耐性が向上する。
【００２９】
本発明に係る第５の半導体装置は、基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、下部電極の下側に形成された導電性バリア層と、導電性バリア層の下側に形成され、基板と下部電極とを電気的に接続する少なくとも２つのコンタクトプラグとを備えていることを特徴とする。
【００３０】
第５の半導体装置によると、導電性バリア層の下側に形成され、基板と下部電極とを電気的に接続する少なくとも２つのコンタクトプラグを備えているため、コンタクトプラグの導電性バリア層との間の密着性に優れた部分が占める割合が大きくなる。従って、導電性バリア層に対して接触面積が大きくなったコンタクトプラグは、導電性バリア層が下向きに変形しようとする応力に対して十分な耐性が生じるため、コンタクトプラグと導電性バリア層、さらには下部電極とのコンタクト抵抗を安定化することができる。
【００３１】
第１〜第５の半導体装置において、導電性バリア層は、複数の導電性バリア膜が積層されてなり、導電層と接する導電性バリア膜は、窒化チタンアルミニウムからなることが好ましい。
【００３２】
第１〜第５の半導体装置において、導電性バリア層は、ルテニウム、ルテニウム酸化物、ルテニウム珪化物、ルテニウム窒化物、レニウム、レニウム酸化物、レニウム珪化物、オスミウム、オスミウム酸化物、オスミウム珪化物、オスミウム窒化物、ロジウム、ロジウム酸化物、ロジウム珪化物、ロジウム窒化物、イリジウム、イリジウム酸化物、イリジウム珪化物、イリジウム窒化物、チタンアルミニウム、チタンアルミニウム珪化物、チタンアルミニウム窒化物、タンタルアルミニウム、タンタルアルミニウム珪化物、タンタルアルミニウム窒化物、白金及び金からなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることが好ましい。
【００３３】
第１の半導体装置において、導電層は、チタン窒化物、タンタル窒化物、タングステン窒化物及びコバルト窒化物からなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることが好ましい。
【００３４】
第２又は第３の半導体装置において、導電層は、チタン窒化物、タンタル窒化物、タングステン窒化物、コバルト窒化物、チタンアルミニウム、タンタルアルミニウム、タンタル、タングステン、チタン、ニッケル及びコバルトからなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることが好ましい。
【００３５】
第４の半導体装置において、導電層は、チタン、タンタル、タングステン、ニッケル及びコバルトからなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることが好ましい。
【００３６】
第１〜第５の半導体装置において、容量絶縁膜は高誘電体又は強誘電体からなる金属酸化物により構成されていることが好ましい。すなわち、容量絶縁膜を構成する金属酸化物は成膜後に酸化性雰囲気による結晶化のための熱処理を行なう必要があるため、導電性バリア層の酸化耐性が向上する本発明に適する。
【００３７】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、コンタクトプラグと接続されるように高融点金属のみの窒化物からなる導電層を形成する工程と、導電層の上に高融点金属を含む導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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ていることを特徴とする。
【００３８】
第１の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜の上にコンタクトプラグと接続されるように高融点金属のみの窒化物からなる導電層を形成し、形成した導電層の上に高融点金属を含む導電性バリア層を形成するため、本発明の第１の半導体装置を得ることができる。
【００３９】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、コンタクトプラグと接続され且つその少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電層を形成する工程と、導電層の上に導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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ていることを特徴とする。
【００４０】
第２の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜の上にコンタクトプラグと接続され且つその少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電層を形成し、形成した導電層の上に導電性バリア層を形成するため、導電性バリア層における結晶粒の配向性がばらつくようになるので、緻密な導電性バリア層を形成することができ、本発明の第２の半導体装置を得ることができる。
【００４１】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、コンタクトプラグと接続され且つその少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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ていることを特徴とする。
【００４２】
第３の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜の上にコンタクトプラグと接続され且つその少なくとも一部にアモルファス構造を含む導電性バリア層を形成するため、本発明の第３の半導体装置を得ることができる。
【００４３】
本発明に係る第４の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことにより、高融点金属からなるコンタクトプラグを形成する工程と、コンタクトプラグの上に導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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、コンタクトプラグを形成する工程において、コンタクトプラグは、導電性バリア層に対するコンタクトプラグの接触面積が７０％以上となるように形成することを特徴とする。
【００４４】
第４の半導体装置の製造方法によると、高融点金属からなるコンタクトプラグは、導電性バリア層に対するコンタクトプラグの接触面積が７０％以上であるため、本発明の第４の半導体装置を得ることができる。
【００４５】
本発明に係る第５の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、コンタクトプラグと接続されるように高融点金属からなる導電層を形成する工程と、導電層の上に導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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、導電層を形成する工程において、導電層は導電性バリア層に対する導電層の接触面積が７０％以上となるように形成することを特徴とする。
【００４６】
第５の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜の上にコンタクトプラグと接続されるように形成される高融点金属からなる導電層は、導電性バリア層に対する導電層の接触面積が７０％以上であるため、本発明の第４の半導体装置を得ることができる。
【００４７】
本発明に係る第６の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことにより、少なくとも２つのコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、少なくとも２つのコンタクトプラグと接続されるように導電性バリア層を形成する工程と、導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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ていることを特徴とする。
【００４８】
第６の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜の上に少なくとも２つのコンタクトプラグと接続されるように導電性バリア層を形成し、形成した導電性バリア層の上に下部電極を形成するため、本発明の第５の半導体装置を得ることができる。
【００４９】
第１の半導体装置の製造方法は、導電層を形成する工程において、導電層はその少なくとも一部にアモルファス構造を含むように形成することが好ましい。
【００５０】
第１又は第２の半導体装置の製造方法は、導電層を形成する工程において、導電層はその配向性が不規則になるように形成することが好ましい。このようにすると、導電性バリア層の形成時に導電性バリア層の結晶配向が不規則となるため、導電性バリア層が緻密となるので、上方から他の膜の粒界を侵入してくる酸素の通過を防止することができるようになる。
【００５１】
本発明に係る第７の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、絶縁膜の上に、コンタクトプラグと接続されるように下部電極を形成する工程と、下部電極の上に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、導電性を有し酸素の拡散を防止する多結晶構造を有する導電性バリア層を成膜する工程と、成膜された導電性バリア層に対して酸化性雰囲気による熱処理を行なう工程とを含むことを特徴とする。
【００５２】
第７の半導体装置の製造方法によると、下部電極を形成する工程において、酸素の拡散を防止する多結晶構造を有する導電性バリア層を成膜し、その後、成膜された導電性バリア層に対して酸化性雰囲気による熱処理を行なう。すなわち、多結晶構造を有する導電性バリア層に対して容量絶縁膜を形成するよりも前に酸化性雰囲気による熱処理を行なうため、容量絶縁膜に対する熱処理時に、導電性バリア層の酸化による急激な体積膨張を抑止できるので、コンタクトプラグと容量素子との間のコンタクト抵抗の安定化を図ることができる。
【００５３】
第７の半導体装置の製造方法において、熱処理は急速加熱処理であることが好ましい。
【００５４】
第１〜第７の半導体装置の製造方法において、容量絶縁膜は高誘電体又は強誘電体からなる金属酸化物により構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００５５】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、酸素の拡散を防止する導電性バリア層の酸素による変形を防止し、コンタクト抵抗の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００５７】
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部の断面構成を示している。
【００５８】
図１（ａ）に示すように、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板１０の主面には、シャロウトレンチ分離（ＳＴＩ）等の素子分離膜１１により区画された複数の素子形成領域が形成されている。各素子形成領域には、半導体基板１０との間にゲート絶縁膜を介在させたゲート電極１２とソース領域及びドレイン領域１３とからなるトランジスタが形成されている。半導体基板１０の上には、各トランジスタを覆うように全面にわたって酸化シリコン等からなる保護絶縁膜１４が形成されている。保護絶縁膜１４には、各トランジスタのソース領域又はドレイン領域１３とそれぞれ電気的に接続されたタングステン（Ｗ）又はポリシリコンからなるコンタクトプラグ１５が形成されている。
【００５９】
保護絶縁膜１４の上における各コンタクトプラグ１５を含む領域には、図１（ｂ）に示すように、例えば、厚さが約１０ｎｍ〜５０ｎｍの高融点金属の窒化物であり、多結晶状の窒化チタン（ＴｉＮ）からなる導電層１６Ａと、該導電層１６Ａの上に順次形成され、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）膜１７ａ、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）膜１７ｂ及び厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍの酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）膜１７ｃの積層体からなり、酸素の拡散を防止する多結晶状の導電性酸素バリア層１７とが形成されている。
【００６０】
ここで、導電層１６Ａは、窒化チタン（ＴｉＮ）に限られず、例えば、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）及び窒化コバルト（ＣｏＮ）のうちの少なくとも１つを含む構成であれば良い。
【００６１】
また、導電性酸素バリア層１７は、窒化チタンアルミニウム膜１７ａ、イリジウム膜１７ｂ及び酸化イリジウム膜１７ｃからなる積層体に限られず、ルテニウム（Ｒｕ）、ルテニウム酸化物（ＲｕＯｘ ）、ルテニウム珪化物（ＲｕＳｉｘ ）、ルテニウム窒化物（ＲｕＮｘ ）、レニウム（Ｒｅ）、レニウム酸化物（ＲｅＯｘ ）、レニウム珪化物（ＲｅＳｉｘ ）、オスミウム（Ｏｓ）、オスミウム酸化物（ＯｓＯｘ ）、オスミウム珪化物（ＯｓＳｉｘ ）、オスミウム窒化物（ＯｓＮｘ ）、ロジウム（Ｒｈ）、ロジウム酸化物（ＲｈＯｘ ）、ロジウム珪化物（ＲｅＳｉｘ ）、ロジウム窒化物（ＲｈＮｘ ）、イリジウム（Ｉｒ）、イリジウム酸化物（ＩｒＯｘ ）、イリジウム珪化物（ＩｒＳｉｘ ）、イリジウム窒化物（ＩｒＮｘ ）、チタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）、チタンアルミニウム窒化物（ＴｉＡｌＮｘ ）、チタンアルミニウム珪化物（ＴｉＡｌＳｉｘ ）タンタルアルミニウム（ＴａＡｌ）、タンタルアルミニウム珪化物（ＴａＡｌＳｉｘ ）、タンタルアルミニウム窒化物（ＴａＡｌＮｘ ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）のうちの少なくとも１つを含む構成であれば良い。
【００６２】
導電性酸素バリア層１７の上には、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの白金（Ｐｔ）からなる下部電極１８と、厚さが５０ｎｍ〜１５０ｎｍのビスマス層状ペロブスカイト構造を有するタンタルニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｙＮｂｙ）２Ｏ９ （但し、ｙは０≦ｙ≦１である。））からなる容量絶縁膜１９と、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの白金からなる上部電極２０とが形成されている。この下部電極１８、容量絶縁膜１９及び上部電極２０とから容量素子２１が構成される。
【００６３】
ここで、導電層１６、導電性酸素バリア層１７及び下部電極１８は埋込絶縁膜２２によりその周囲が埋め込まれている。
【００６４】
第１の実施形態によると、半導体装置は、容量素子２１の下部電極１８とコンタクトプラグ１５との間に設けられた導電性酸素バリア層１７の下側に、該導電性酸素バリア層１７の下地層として、高融点金属のみの窒化物、例えば窒化チタンからなる導電層１６Ａを設けている。高融点金属の窒化物は、酸化シリコン等からなる保護絶縁膜１４の上に成膜される際に配向性が低く不揃いとなる。このため、配向が不揃いな導電層１６Ａの上に多結晶状の導電性酸素バリア層１７を形成する際に、導電性酸素バリア層１７はその結晶粒の配向性が導電層１６Ａを設けない場合と比べて不規則となる。これにより、製造時に、上部電極２０を介して酸化イリジウム膜１７ｃ及びイリジウム膜１７ｂの各粒界を通過して拡散してくる酸素の通過経路長が増大する。このため、導電性酸素バリア層１７自体の酸化が抑止されるので、該導電性酸素バリア層１７の酸化耐性が向上し、従って、導電層１６Ａの下側に形成されているコンタクトプラグ１５の酸化が防止される。さらに、導電性酸素バリア層１７の下部に位置する窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）膜１７ａの酸化による体積膨張が抑止されるため、窒化チタンアルミニウム膜１７ａ自体の浮きやイリジウム膜１７ｂとの界面での剥離が防止されるようになるので、コンタクトプラグ１５と下部電極１８との間のコンタクト抵抗が安定する。
【００６５】
なお、下部電極１８とコンタクトプラグ１５との間に設けた導電層１６Ａ及び導電性酸素バリア層１７は、下部電極１８の一部とみなしてもよい。
【００６６】
また、容量絶縁膜１９は、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｙＮｂｙ）２Ｏ９ に限られず、ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）Ｏ３ ）、チタン酸バリウムストロンチウム（（ＢａｙＳｒ１−ｙ)ＴｉＯ３ ）、チタン酸ビスマスランタン（（ＢｉｙＬａ１−ｙ）４Ｔｉ３Ｏ１２）（但し、いずれも、ｙは０≦ｙ≦１である。）又は五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）を用いることができる。
【００６７】
このように、第１の実施形態においては、高融点金属のみの窒化物である窒化チタンからなる導電層１６Ａを導電性酸素バリア層１７とコンタクトプラグ１５との間に設けている。高融点金属の窒化物は、導電性酸素バリア層１７をコンタクトプラグ１５を含む保護絶縁膜１４の上に直接に形成する場合と比べて、導電性酸素バリア層１７の結晶配向が不規則となるため、該導電性酸素バリア層１７が緻密となるので、上方から侵入してくる酸素の通過を防止することができる。これにより、コンタクトプラグ１５の酸化を防止できるため、コンタクト抵抗の増大を抑止することができる。さらには、導電性酸素バリア層１７自体の酸化が防止されるため、該導電性酸素バリア層１７の体積膨張が抑制される。その結果、導電性酸素バリア層１７自体の変形が抑止されて、該導電性酸素バリア層１７の浮きや剥離をも防止することができる。
【００６８】
以下、前記のように構成された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。
【００６９】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の要部の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００７０】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１０の主面に素子分離膜１１を選択的に形成して、該主面を複数の素子形成領域に区画し、区画された各素子形成領域に、ゲート電極１２及びソース領域及びドレイン領域１３からなるトランジスタを形成する。続いて、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法により、半導体基板１０の上にトランジスタを含む全面にわたって保護絶縁膜１４を堆積し、堆積した保護絶縁膜１４の上面を化学機械的研磨（ＣＭＰ）法により平坦化する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、保護絶縁膜１４に各トランジスタのソース領域又はドレイン領域１３を露出するコンタクトホールを形成し、形成したコンタクトホールに、ＣＶＤ法及びエッチバック法、又はＣＶＤ法及びＣＭＰ法を組み合わせてコンタクトプラグ１５を形成する。
【００７１】
続いて、スパッタ法又はＣＶＤ法により、保護絶縁膜１４の上に各コンタクトプラグ１５を覆うように、多結晶状で結晶粒が十分に小さい窒化チタン（ＴｉＮ）からなる導電層１６Ａを形成する。具体的には、窒化チタン（ＴｉＮ）は有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法を用い、成膜温度を約３５０℃〜４５０℃で形成する。ここで、窒化チタン（ＴｉＮ）はＭＯＣＶＤ法に限られず、スパッタ温度を３５０℃とし、電源出力を０．５ｋＷ〜３ｋＷとするスパッタ法を用いてもよい。
【００７２】
その後、スパッタ法により、導電層１６Ａの上に、窒化チタンアルミニウム、イリジウム及び酸化イリジウムを順次成膜して導電性酸素バリア層１７を成膜し、続いて、導電性酸素バリア層１７の上に、スパッタ法により白金からなる下部電極１８を成膜する。その後、塩素（Ｃｌ２ ）を含むエッチングガスを用いたドライエッチングにより、導電層１６Ａ、導電性酸素バリア層１７及び下部電極１８を所定の形状にパターニングする。
【００７３】
続いて、ＣＶＤ法により、保護絶縁膜１４の上に下部電極１８を覆うように、厚さが４００ｎｍ〜６００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）からなる埋込絶縁膜２２を堆積する。
【００７４】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法又はエッチング法により、堆積した埋込絶縁膜２２に対して下部電極１８を露出するように平坦化する。
【００７５】
次に、図２（ｃ）に示すように、有機金属分解（ＭＯＤ）法、有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法又はスパッタ法により、下部電極１８を含む埋込絶縁膜２２の上に、厚さが５０ｎｍ〜１５０ｎｍのビスマス層状ペロブスカイト構造を有するＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｙＮｂｙ）２Ｏ９ からなる容量絶縁膜形成膜１９Ａを成膜する。続いて、スパッタ法により、容量絶縁膜形成膜１９Ａの上に、白金（Ｐｔ）からなる上部電極形成膜２０Ａを成膜する。その後、成膜された容量絶縁膜形成膜１９Ａに対して、温度が６５０℃〜８００℃の酸素雰囲気で容量絶縁膜形成膜１９Ａの結晶化を図る熱処理を行なう。
【００７６】
なお、容量絶縁膜形成膜１９Ａに対する結晶化の熱処理は、図２（ｄ）に示す、上部電極形成膜２０Ａ及び容量絶縁膜形成膜１９Ａのパターニングの後に行なってもよい。
【００７７】
次に、図２（ｄ）に示すように、リソグラフィ法により、上部電極形成膜２０Ａの上に下部電極１８を覆うレジストパターン（図示せず）を形成し、その後、ドライエッチング法により、上部電極形成膜２０Ａ及び容量絶縁膜形成膜１９Ａをパターニングして、上部電極形成膜２０Ａから上部電極２０を形成し、容量絶縁膜形成膜１９Ａから容量絶縁膜１９を形成する。これにより、導電性酸素バリア層１７の上に、下部電極１８、容量絶縁膜１９及び上部電極２０からなる容量素子２１が形成される。
【００７８】
なお、下部電極１８及び上部電極２０の電極材料には白金を用いたが、白金に限られず、貴金属材料等を用いることができる。
【００７９】
以上説明したように、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、コンタクトプラグ１５と容量素子２１の下部電極１８の下側に設けられた導電性酸素バリア層１７との間に、高融点金属のみの窒化物である窒化チタンからなる導電層１６Ａを形成しているため、導電性酸素バリア層１７の下部に位置する高融点金属を含む窒化物である窒化チタンアルミニウム膜１７ａの密着性が良好となる。
【００８０】
すなわち、窒化チタンからなる導電層１６Ａの上に多結晶状の窒化チタンアルミニウム膜１７ａを成膜する際に、窒化チタンアルミニウム膜１７ａを構成する結晶粒が十分に小さくなるため、容量絶縁膜１９の結晶化を図る熱処理工程において、上部電極形成膜２０Ａの上方から侵入する酸素の経路が長くなるので、導電性酸素バリア層１７からコンタクトプラグ１５への酸素の拡散を防ぐことができる。
【００８１】
より具体的には、導電層１６Ａが多結晶状の高融点金属のみの窒化物からなるため、その膜質は緻密であり、該導電層１６Ａの上に形成される多結晶状の窒化チタンアルミニウム膜１７ａもその下地である導電層１６Ａの配向に影響されて緻密に形成される。その結果、導電性酸素バリア層１７の結晶粒が微細な状態で存在できるため、容量絶縁膜１９に対する結晶化の熱処理時に、上方から進入する酸素の拡散を防ぐことができるので、酸素に対する導電性酸素バリア層１７の酸化を抑止することができる。
【００８２】
従って、窒化チタンアルミニウム膜１７ａが緻密化されて、該窒化チタンアルミニウム膜１７ａを含む導電性酸素バリア層１７の酸化を防止できるため、導電性酸素バリア層１７である窒化チタンアルミニウム膜１７ａとイリジウム膜１７ｂとの界面での浮きや剥離が防止されるので、コンタクトプラグ１５と下部電極１８との間のコンタクト抵抗が安定化する。
【００８３】
なお、導電層１６Ａに多結晶状の窒化チタンを用いたが、単結晶の窒化チタン、さらには単結晶の高融点金属のみの窒化物により形成してもよい。この場合には、導電層１６Ａを設けない場合と比較して、導電性酸素バリア層１７の配向性を悪く形成することができ、上述したのと同様の効果を得ることができる。
【００８４】
ここで、第１の実施形態に係る半導体装置と従来の半導体装置とを比較した結果について説明する。
【００８５】
図３は、第１の実施形態に係る半導体装置において、容量絶縁膜１９に対して焼結温度（結晶化温度）７００℃〜８２０℃の温度範囲で酸素処理を行なった場合の導電性酸素バリア層１７とコンタクトプラグ１５とのコンタクト抵抗値の分布を図１８に示す従来の半導体装置と比較して示している。ここでのコンタクト抵抗値は、コンタクトプラグ１５と容量素子２１との間の値である。図３において、曲線１は第１の実施形態に係る半導体装置を示し、曲線２は後述の第２の実施形態に係る半導体装置を示し、曲線３は従来例を示している。図３の曲線１に示すように、第１の実施形態に係る半導体装置は、コンタクト抵抗値が焼結温度の７６０℃程度でも３０Ω程度と低い値を維持している。この測定結果から、第１の実施形態に係る多結晶状のＴｉＮからなる導電層１６Ａの上に形成された導電性酸素バリア層１７は、下部電極１８を介して拡散してくる酸素を防ぐことができ、導電性酸素バリア層１７自体の酸化が抑止されて、コンタクト抵抗の低抵抗化を実現できていることが分かる。
【００８６】
これに対し、曲線３に示す従来例に係る半導体装置の場合は、焼結温度が７５０℃を超える辺りからコンタクト抵抗値が上昇し、焼結温度が８００℃の近辺では９００Ωという高抵抗域に分布している。このことから、従来例においては、導電性バリア層１０６の酸化によって、コンタクトプラグ１０５に接する部分までもが酸化されていることが分かる。
【００８７】
以上説明したように、第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、導電性酸素バリア層１７とコンタクトプラグ１５との間に、高融点金属のみの窒化物からなる導電層１６Ａを形成しているため、導電性酸素バリア層１７、特にその下部に設けた高融点金属を含む窒化物（例えばＴｉＡｌＮ）膜１７ａの結晶粒の配向をＴｉＡｌＮ膜１７ａが酸化されにくい配向にすることができる。このため、導電性酸素バリア層１７の変形が抑制されるので、変形に伴う浮きや剥離を防止することができ、その結果、コンタクト抵抗の高抵抗化を防止することができる。
【００８８】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８９】
図４（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部の断面構成を示している。図４（ｂ）は図４（ａ）の要部拡大図である。ここで、図１と同値の構成要素には同一の符号を付すことにより詳細な説明を省略する。
【００９０】
第２の実施形態は、第１の実施形態とは、導電層がアモルファス構造を有する点で異なっている。図４（ａ）に示すように、半導体基板１０から保護絶縁膜１４までの構成は、第１の実施形態の図２（ａ）と同一であるので説明を省略する。
【００９１】
次に、保護絶縁膜１４の上における各コンタクトプラグ１５を含む領域には、図４（ｂ）に示すように、例えば、厚さが約１０ｎｍ〜５０ｎｍのアモルファス状の窒化チタン（ＴｉＮ）からなる導電層１６と、該導電層１６の上に順次形成され、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）膜１７ａ、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）膜１７ｂ及び厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍの酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）膜１７ｃの積層体からなり、酸素の拡散を防止する多結晶状の導電性酸素バリア層１７とが形成されている。
【００９２】
ここで、導電層１６は、窒化チタン（ＴｉＮ）に限られず、例えば、タンタル窒化物、タングステン窒化物、コバルト窒化物、チタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）、タンタルアルミニウム（ＴａＡｌ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）のうちの少なくとも１つを含む構成であれば良い。
【００９３】
また、導電性酸素バリア層１７は、窒化チタンアルミニウム、イリジウム及び酸化イリジウムからなる積層体に限られず、ルテニウム（Ｒｕ）やルテニウム酸化物（ＲｕＯｘ ）等の、第１の実施形態で挙げた材料を含む構成であれば良い。
【００９４】
以下の導電性酸素バリア層１７から上の構成は、第１の実施形態と同一であるため説明を省略する。
【００９５】
このように構成された第２の実施形態に係る半導体装置は、容量素子２１の下部電極１８とコンタクトプラグ１５との間に形成された導電性酸素バリア層１７の下側に、下地層としてアモルファス状の窒化チタンからなる導電層１６を設けている。このため、多結晶状の導電性酸素バリア層１７、特に下部の窒化チタンアルミニウム膜１７ａを形成する際に、粒界がないアモルファス状の導電層１６のモフォロジーにより、窒化チタンアルミニウム膜１７ａの結晶粒が導電層１６を設けない場合と比べて小さくなり且つその配向性も不規則となる。
【００９６】
これにより、製造時に、上部電極２０を介して、酸化イリジウム膜１７ｃ及びイリジウム膜１７ｂの各粒界を通過して拡散してくる酸素による導電性酸素バリア層１７自体の酸化が抑止されるため、該導電性酸素バリア層１７の酸化耐性が向上し、その結果、導電層１６の下側に形成されるコンタクトプラグ１５の酸化が防止される。さらに、導電性酸素バリア層１７、特に下部の窒化チタンアルミニウム膜１７ａの酸化による体積膨張が抑止されるため、窒化チタンアルミニウム膜１７ａとイリジウム膜１７ｂとの界面の浮きや剥離が防止されるので、コンタクトプラグ１５と下部電極１８との間のコンタクト抵抗が安定する。
【００９７】
なお、下部電極１８とコンタクトプラグ１５との間に設けた導電層１６及び導電性酸素バリア層１７は、下部電極１８の一部と見なしてもよい。
【００９８】
また、容量絶縁膜１９は、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｙＮｂｙ）２Ｏ９ に限られず、ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）Ｏ３ ）やチタン酸バリウムストロンチウム（（ＢａｙＳｒ１−ｙ)ＴｉＯ３ ）（但し、ｙは０≦ｙ≦１である。）等の、第１の実施形態に挙げた強誘電体材料又は高誘電体材料を用いることができる。
【００９９】
以下、前記のように構成された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。但し、第１の実施形態と同一部分については、詳細な説明を省略する。
【０１００】
図５（ａ）〜図５（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の要部の製造方法の工程順の断面構成を示している。ここで、図２と同一の構成要素には、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１０１】
まず、図５（ａ）に示すように、半導体基板１０の主面に、トランジスタ、保護絶縁膜１４及びコンタクトプラグ１５を順次形成する。
【０１０２】
続いて、有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法により、例えば、有機金属原料にテトラキスジメチルアミノチタニウム（tetrakis dimethyl amino titanium：ＴＤＭＡＴ）を用い、成膜温度を約３５０℃〜４５０℃として、保護絶縁膜１４の上に各コンタクトプラグ１５を覆うように、アモルファス状の窒化チタン（ＭＯＣＶＤ−ＴｉＮ）からなる導電層１６を形成する。ここで、アモルファス状の窒化チタンはＭＯＣＶＤ法に限られず、スパッタ温度を３５０℃とし、電源出力を４ｋＷ〜１０ｋＷとするスパッタ法を用いてもよい。
【０１０３】
その後、導電層１６の上に、窒化チタンアルミニウム、イリジウム及び酸化イリジウムを順次成膜して導電性酸素バリア層１７及び下部電極１８を成膜する。その後、導電層１６、導電性酸素バリア層１７及び下部電極１８を所定の形状にパターニングする。
【０１０４】
続いて、ＣＶＤ法により、保護絶縁膜１４の上に下部電極１８を覆うように、厚さが４００ｎｍ〜６００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）からなる埋込絶縁膜２２を堆積する。
【０１０５】
次に、図５（ｂ）から図５（ｄ）の工程は、図２（ｂ）から図２（ｄ）と同一であるので説明を省略する。
【０１０６】
以上説明したように、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、下部電極１８の下側に位置する導電性酸素バリア層１７とコンタクトプラグ１５との間に、アモルファス状の導電層１６を形成するため、多結晶状の導電性酸素バリア層１７を構成する結晶粒が小さくなって緻密化されるので、該導電性酸素バリア層１７の酸化耐性が向上する。その結果、導電性酸素バリア層１７の酸化を抑止できるようになり、該導電性酸素バリア層１７自体の浮きや剥離が防止されて、コンタクトプラグ１５と下部電極１８との間のコンタクト抵抗が安定化する。
【０１０７】
以下、第２の実施形態に係る半導体装置と従来の半導体装置とを比較した結果について説明する。
【０１０８】
図３の曲線２に示すように、第２の実施形態に係る半導体装置は、コンタクト抵抗値が焼結温度の８００℃を超えても３０Ω程度と低い値を維持している。この測定結果から、第２の実施形態に係るアモルファス状のＴｉＮからなる導電層１６の上に形成された導電性酸素バリア層１７は、下部電極１８を介して拡散してくる酸素を防ぐことができ、導電性酸素バリア層１７自体の酸化が抑止されて、コンタクト抵抗の低抵抗化を実現できていることが分かる。これに対し、前述したように、曲線３に示す従来例に係る半導体装置は、焼結温度の８００℃近辺では９００Ωと高い抵抗値を示し、コンタクトプラグ１０５に接する部分までもが酸化されていることが分かる。
【０１０９】
図６は第２の実施形態に係る導電性酸素バリア層の構造を測定するための資料の断面構成を模式的に表わしている。
【０１１０】
図６に示すように、ＣＶＤ法により、基板５０の上に、厚さが１０ｎｍ〜５０ｎｍのアモルファス状の窒化チタンからなる導電層１６を成膜し、成膜した導電層１６の上に、厚さが５０ｎｍ〜１５０ｎｍの窒化チタンアルミニウムからなる導電性酸素バリア層１７を成膜する。図６から分かるように、アモルファス状の導電層１６には粒界がなく、そのアモルファス状に成膜された導電層１６によって、導電性酸素バリア層１７を構成する結晶粒が微細になり、従って導電性酸素バリア層１７は緻密になる。すなわち、導電性酸素バリア層１７の結晶粒は導電層１６を形成しない場合よりも小さくなり且つ配向性が不規則となる。これにより、酸素の通過経路長が増大して、上部電極２０を介して拡散してくる酸素によって導電性酸素バリア層１７自体の酸化が抑止されて、該導電性酸素バリア層１７自体の酸素バリア性、さらにはコンタクトプラグ１５に対する酸素バリア性が大幅に向上する。
【０１１１】
次に、第２の実施形態に係る導電性酸素バリア層１７における結晶粒の配向性を測定した測定結果を示す。
【０１１２】
図７は導電性酸素バリア層の下に導電層を設けた場合と設けない場合とにおける導電性酸素バリア層１７のＸ線回折（１０１）ピークの強度比の値の比較結果を示している。図７から分かるように、第２の実施形態に係る導電性酸素バリア層は、ＣＶＤ法により成膜され、アモルファス層を多く含み結晶性が劣る導電層１６を下地層として成膜されており、この場合には、Ｘ線回折（１０１）ピークの強度比の値が１．５と低い。
【０１１３】
一方、導電層１６を設けない従来例の場合のＸ線回折（１０１）ピークの強度比は３．６と高い値を示しており配向性が高い、すなわち結晶粒が揃っていることが分かる。
【０１１４】
このように、第２の実施形態は、アモルファス状の導電層１６を導電性酸素バリア層１７の下地層として用いることにより、導電性酸素バリア層１７自体が酸化されにくい配向性を持たせることができる。すなわち、導電性酸素バリア層１７の結晶粒が微細な状態となるため、該導電性酸素バリア層１７を構成する結晶粒の粒界が該バリア層１７の表面から裏面にまで横断する確率が低くなる。その結果、容量絶縁膜１９に対する結晶化を図る熱処理時に、容量素子２１の上方から侵入する酸素のコンタクトプラグ１５への拡散を防止でき、導電性酸素バリア層１７自体の酸化をも抑止することができる。これにより、導電性酸素バリア層１７の浮きや剥離が防止されて、コンタクトプラグ１５と下部電極１８との間のコンタクト抵抗の安定化を実現できる。
【０１１５】
図８（ａ）は導電性酸素バリア層１７の下地層であるアモルファス状の導電層１６の上に、ＴｉＡｌＮからなる導電性酸素バリア層１７をスパッタ法により成膜する際の、ＴｉＡｌＮ膜の配向性の成膜温度依存性を示し、図８（ｂ）はＴｉＡｌＮ膜の配向性のＤＣパワー依存性を示している。ここで、図８（ａ）及び図８（ｂ）において、直線４Ａ、４Ｂは第２の実施形態に係る導電層を下地層とした場合を示し、直線５Ａ、５Ｂは比較用であって、多結晶状の導電層を下地層とした場合を示している。また、各グラフの縦軸は、それぞれのＸ線回折強度の比をとっている。
【０１１６】
図８（ａ）からは、ＴｉＡｌＮ膜はＤＣパワーを増大させていくと、配向性が徐々に高まることが分かり、特に、下地層が多結晶状の導電層１６Ａの場合は顕著となる。従って、ＤＣパワーは３ｋｗ以下が望ましい。一方、図８（ｂ）からは、成膜温度を高くすることによっても、配向性が徐々に高くなることが分かり、この場合も下地層が多結晶状の導電層の場合は顕著となる。従って、成膜温度は室温から１５０℃程度が望ましい。
【０１１７】
すなわち、図８（ａ）及び（ｂ）により、下地層であるＴｉＮからなる導電層の結晶状態により、その上に成膜されるＴｉＡｌＮ膜の配向性が変わることが分かる。さらに、成膜条件によってもＴｉＡｌＮ膜の配向性が変わることが分かる。従って、これらの測定結果から、導電性酸素バリア層１７を構成するＴｉＡｌＮ膜の配向性が低い、すなわち酸素が侵入しにくい膜に成膜するには、下地層を構成する高融点金属を含む導電層の結晶状態に応じて、ＴｉＡｌＮ膜の成膜条件を適宜制御することにより、配向性を決定することができることが分かる。
【０１１８】
（第２の実施形態の一変形例）
以下、本発明の第２の実施形態の一変形例について図面を参照しながら説明する。
【０１１９】
図９（ａ）は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部断面図である。図９（ａ）において、図４（ａ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１２０】
図９（ａ）に示すように、本変形例に係る半導体装置は、容量素子２１を構成する下部電極１８とコンタクトプラグ１５との間に導電性酸素バリア層１７Ａのみを設ける構成である。導電性酸素バリア層１７Ａは、図９（ｂ）に示すように、下から順次形成された、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍのアモルファス状のＴｉＡｌＮ膜１７ａと、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）膜１７ｂと、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍの酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）膜１７ｃとの積層体により構成されている。
【０１２１】
本変形例に係るアモルファス状のＴｉＡｌＮ膜１７ａは、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とを含むターゲット材と、アルゴン（Ａｒ）及び窒素（Ｎ２ ）の混合ガスとを用いた反応性スパッタ法により成膜する。
【０１２２】
本変形例によると、コンタクトプラグ１５と容量素子２１の下部電極１８との間に設けられる導電性酸素バリア層１７Ａの下部に位置するＴｉＡｌＮ膜１７ａがアモルファス構造を採るため、該ＴｉＡｌＮ膜１７ａの上に成膜されるＩｒ膜１７ｂ及びＩｒＯｘ 膜１７ｃは、下部のＴｉＡｌＮ膜１７ａの配向の影響を受ける。このため、配向性が低く且つ緻密な構造を持つ導電性酸素バリア層１７を形成することができる。
【０１２３】
従って、導電性酸素バリア層１７と異なる導電層を設けることなく、酸化耐性に優れ且つ剥離しにくい導電性酸素バリア層１７を得ることができる。その結果、工程を削減できる上に、半導体装置自体の高さを抑制することができる。
【０１２４】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１２５】
図１０（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部の断面構成を示している。図１０（ａ）において、図１（ａ）に示す第１の実施形態に係る構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１２６】
図１０（ａ）に示すように、第３の実施形態に係る半導体装置は、半導体基板１０上の保護絶縁膜１４に形成され、半導体基板１０におけるトランジスタのソース領域又はドレイン領域１３と容量素子２１の下部電極１８とを電気的に接続するコンタクトプラグ２５と、該コンタクトプラグ２５と下部電極１８との間に形成された導電性酸素バリア層２７とを有している。第３の実施形態においては、コンタクトプラグ２７と導電性酸素バリア層２７との間には、アモルファス状又は多結晶状の高融点金属の窒化物からなる導電層は設けていない。
【０１２７】
図１０（ｂ）の拡大図に示すように、コンタクトプラグ２５は例えばタングステン（Ｗ）からなり、コンタクトプラグ２５の径は導電性酸素バリア層２７の下面の径とほぼ同等の寸法に設定されている。
【０１２８】
導電性酸素バリア層２７は、下から順次形成された、厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの多結晶状のＴｉＡｌＮ膜２７ａと、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）膜２７ｂと、厚さが約３０ｎｍ〜１００ｎｍの酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）膜２７ｃとの積層体により構成されている。
【０１２９】
第３の実施形態によると、コンタクトプラグ２５と下部電極１８とは、導電性酸素バリア層２７を介してほぼ全面的に対向するため、コンタクトプラグ２５が、その上に位置する導電性酸素バリア層２７が酸化されて変形しようとする際の下側への応力（押込み応力）に対して十分な耐性を有するようになる。
【０１３０】
従って、容量絶縁膜１９に対して行なう結晶化を図る熱処理時において、導電性酸素バリア層２７の周縁部が酸化により体積膨張した場合であっても、その応力に起因した導電性酸素バリア層２７の下方向への湾曲変形を径が大きいコンタクトプラグ２５により抑制することができる。その結果、導電性酸素バリア層２７自体の浮きや剥離を防止することができるので、コンタクトプラグ２５と容量素子２１とのコンタクト抵抗の上昇を防止することができる。
【０１３１】
従来のように、コンタクトプラグの径が小さいと、ＴｉＡｌＮ膜（導電性酸素バリア膜）とコンタクトプラグとが接触する面積が小さく、逆に導電性酸素バリア膜と酸化シリコン（保護絶縁膜）とが接する面積が大きいため、酸化シリコンとＴｉＡｌＮ膜との熱膨張係数の差により、室温に戻した際にＴｉＡｌＮ膜２７ａが剥離しやすくなる。しかしながら、第３の実施形態においては、ＴｉＡｌＮ膜２７ａの下面は、熱膨張係数の差が小さいタングステンとほぼ全面的に接触するため、室温に戻した際のＴｉＡｌＮ膜２７ａの剥離を防止することができる。
【０１３２】
その上、導電性酸素バリア層２７におけるＴｉＡｌＮ膜２７ａを形成する際に、ＴｉＡｌＮ膜２７ａはタングステンからなるコンタクトプラグ２５の表面の配向の影響を受けるため、配向性が低く且つ緻密な構造を持つ導電性酸素バリア層２７を形成することができる。
【０１３３】
これにより、導電性酸素バリア層２７と異なる導電層を設けることなく、酸化耐性に優れ且つ剥離しにくい導電性酸素バリア層２７を得ることができる。
【０１３４】
以下、第３の実施形態に係る半導体装置におけるコンタクトプラグ及び下部電極の接触面積比とコンタクト抵抗値との関係を従来例と比較した結果について説明する。
【０１３５】
図１１は第３の実施形態に係る半導体装置と従来例に係る半導体装置とにおける、コンタクトプラグ及び下部電極の接触面積比とコンタクト抵抗値との関係を示している。ここでは、下部電極には導電性酸素バリア膜を含んでいる。また、強誘電体の焼結温度は８００℃とし、コンタクト抵抗値は導電性酸素バリア層２７と容量素子２１との間の値としている。また、コンタクトプラグ２５の下部電極１８に対する接触面積比の値は０．７としている。
【０１３６】
図１１に示すように、第３の実施形態に係る半導体装置は、コンタクトプラグ２５の下部電極１８に対する接触面積比の値が０．７の場合又はそれ以上の場合には、コンタクト抵抗の値が３０Ωという小さい値となる。これは、導電性酸素バリア層２７の変形による該導電性バリア層２７自体の浮きや剥離が防止される結果であり、コンタクト抵抗の上昇が抑止されていることが分かる。
【０１３７】
これに対し、従来例に係る半導体装置は、導電性バリア層１０６がその周縁部の酸化による膨張応力によって下方向へ湾曲変形することにより、該導電性バリア層１０６自体に浮きや剥離が生じ、これにより部分的な導通不良が起こり、コンタクト抵抗値が６００Ωという高い数値を示すと考えられる。
【０１３８】
次に、第３の実施形態に係る半導体装置における導電性酸素バリア層２７の膜ストレスと、コンタクトプラグ２５及び容量素子２１の間のコンタクト抵抗値との関係を従来例と比較した結果について説明する。
【０１３９】
図１２は第３の実施形態に係る半導体装置と従来例に係る半導体装置とにおける、導電性酸素バリア層の膜ストレスと、コンタクトプラグ及び容量素子間のコンタクト抵抗値との関係を示している。ここでは、半導体基板上に成膜した絶縁膜に、径が異なるコンタクトプラグをそれぞれ複数個ずつ形成し、各コンタクトプラグの上に導電性酸素バリア層を形成した資料を用いた。なお、図１２に示した各測定値は、複数個の資料のそれぞれの平均値である。
【０１４０】
図１２に示すように、コンタクト抵抗値は膜ストレスが約１６０ＭＰａ以上になると急激に低下し始め、２１０ＭＰａ以上でほぼ安定的に低いコンタクト抵抗値を得られることが分かる。これは、コンタクトプラグ２５の導電性酸素バリア層２７を介した下部電極１８に対する接触面積比の値が、０．７以上となると、コンタクトプラグ２５は導電性酸素バリア層２７の下方向への押込み応力に対する耐性が増大して、変形防止効果が大きくなるからである。図１２に示す関係から、導電性酸素バリア層２７には、２１０ＭＰａ以上の膜ストレスを有する材料を用いることが望ましい。例えば、窒化タンタルアルミニウム（ＴａＡｌＮ）、窒化珪化チタン（ＴｉＳｉＮ）又は窒化珪化タンタル（ＴａＳｉＮ）等を用いることが望ましい。
【０１４１】
（第３の実施形態の一変形例）
以下、本発明の第３の実施の形態の変形例について図１３を参照しながら説明する。
【０１４２】
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は本発明の第３の実施形態の一変形例に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部の断面構成を示している。図１３（ａ）及び（ｂ）において、図１０（ａ）及び（ｂ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１４３】
図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例に係る半導体装置は、保護絶縁膜１４に形成されたタングステン（Ｗ）又はポリシリコンからなるコンタクトプラグ１５と、該コンタクトプラグ１５と導電性酸素バリア層２７との間に形成された高融点金属、例えばタングステン（Ｗ）からなる導電層２６とを有している。ここで、導電層２６は、タングステン（Ｗ）に限られず、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）又はコバルト（Ｃｏ）等の高融点金属を用いることができる。
【０１４４】
図１３（ｂ）に示すように、高融点金属からなる導電層２６は、導電性酸素バリア層２７に対する接触面積の割合が７０％以上となるように形成されている。
【０１４５】
本変形例によると、導電層２６の導電性酸素バリア層２７を介した下部電極１８に対する接触面積比の値を０．７以上に設定しているため、導電層２６は導電性酸素バリア層２７の下方向への押込み応力に対する耐性が増大して、変形防止効果が大きくなる。従って、容量絶縁膜１９に対して行なう結晶化を図る熱処理時において、導電性酸素バリア層２７の周縁部が酸化により体積膨張した場合であっても、その応力に起因した導電性酸素バリア層２７の下方向への湾曲変形を導電層２６により抑制することができる。
【０１４６】
その上、導電性酸素バリア層２７におけるＴｉＡｌＮ膜２７ａを形成する際に、ＴｉＡｌＮ膜２７ａはタングステンからなる導電層２６の表面の配向の影響を受けるため、配向性が低く且つ緻密な構造を持つ導電性酸素バリア層２７を形成することができる。その結果、導電性酸素バリア層２７自体の浮きや剥離を防止することができるので、コンタクトプラグ２５と容量素子２１とのコンタクト抵抗の上昇を防止することができる。
【０１４７】
その上、コンタクトプラグ１５自体の径を大きくする必要がないので、チップ面積が増大することがない。
【０１４８】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１４９】
図１４は本発明の第４の実施形態に係る半導体装置であって、不揮発性メモリ装置の要部の断面構成を示している。図１４において、図１０（ａ）に示す第３の実施形態に係る構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１５０】
第４の実施形態においては、トランジスタのソース領域又はドレイン領域１３と容量素子２１の下部電極１８とを、高融点金属又はポリシリコンからなる２つのコンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂにより並列に接続している。さらに、各コンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂと導電性酸素バリア層２７との間には、アモルファス状の導電層を設けていない。なお、コンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂは並列でなくてもかまわない。
【０１５１】
このように、２つのコンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂを設けたことにより、通常の太さのコンタクトプラグを１つのみ設ける場合と比べて、コンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂの導電性酸素バリア層２７に対する接触面積が増大するため、コンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂがその上に位置する導電性酸素バリア層２７が酸化されて変形しようとする際の下側への押込み応力に対して十分な耐性を有するようになる。
【０１５２】
従って、容量絶縁膜１９に対する結晶化の熱処理時において、導電性酸素バリア層２７の周縁部が酸化により体積膨張した場合であっても、その応力に起因した導電性酸素バリア層２７の下方向への湾曲変形を２つのコンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂにより抑制することができる。その結果、導電性酸素バリア層２７自体の浮きや剥離を防止きるので、コンタクトプラグ２５Ａ、２５Ｂと容量素子２１とのコンタクト抵抗の上昇を防止することができる。
【０１５３】
ここで、第４の実施形態に係る半導体装置におけるコンタクトプラグの個数と導電性酸素バリア層の剥離の発生数との関係を従来例と比較した結果について図１５を参照しながら説明する。ここでは、容量絶縁膜１９を構成する強誘電体の焼結温度（結晶化温度）である８００℃の酸素雰囲気による熱処理を、コンタクトプラグを１個のみ設けた資料から５個まで設けた資料に対して行なっている。
【０１５４】
図１５から、本実施形態に係る半導体装置は、２個以上のコンタクトプラグを設けることにより、導電性酸素バリア層２７には剥離がまったく生じないことが分かる。
【０１５５】
これに対して、従来例のように通常の径を持つ１個のコンタクトプラグのみを設けた場合は、コンタクトプラグの導電性酸素バリア層に対する接触面積が相対的に小さいことから剥離が発生しやすく、剥離の発生数も２０個を数えている。なお、ここでの資料の総数は５０万個としている。
【０１５６】
このように、第４の実施形態によると、メモリセルの微細化を考慮した場合に、下部電極１８とトランジスタとを接続するコンタクトプラグ２５Ａ等は、従来の大きさのコンタクトプラグを少なくとも２つ配置することが望ましい。
【０１５７】
また、第３の実施形態と同様に、複数のコンタクトプラグ２５Ａ等の総接触面積が７０％以上となるように、コンタクトプラグの個数を決定することがさらに好ましい。
【０１５８】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１５９】
第５の実施形態は、容量絶縁膜の結晶化を図る熱処理前に導電性酸素バリア層に対して熱処理を行なうことを特徴とする。
【０１６０】
図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。図１６（ａ）〜（ｃ）において、図１（ａ）に示す第１の実施形態に係る構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。また、ここでは、導電性酸素バリア層の形成層と下部電極の形成層とまでを成膜する工程までを説明する。
【０１６１】
まず、図１６（ａ）に示すように、半導体基板１０の主面に素子分離膜１１を選択的に形成して、該主面を複数の素子形成領域に区画し、区画された各素子形成領域に、ゲート電極１２及びソース領域及びドレイン領域１３からなるトランジスタを形成する。続いて、ＣＶＤ法により、半導体基板１０の上にトランジスタを含む全面にわたって保護絶縁膜１４を堆積し、堆積した保護絶縁膜１４の上面をＣＭＰ法により平坦化する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、保護絶縁膜１４に各トランジスタのソース領域又はドレイン領域１３を露出するコンタクトホールを形成し、形成したコンタクトホールに、ＣＶＤ法及びエッチバック法、又はＣＶＤ法及びＣＭＰ法を用いてコンタクトプラグ１５をそれぞれ形成する。
【０１６２】
その後、スパッタ法により、コンタクトプラグ１５を含む保護絶縁膜１４の上に、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、イリジウム（Ｉｒ）及び酸化イリジウム（ＩｒＯｘ ）を順次成膜して導電性酸素バリア層形成層３７Ａを成膜する。
【０１６３】
次に、図１６（ｂ）に示すように、導電性酸素バリア層形成層３７Ａに対して、酸素雰囲気による温度が約４５０℃〜５５０℃で１分間〜２分間の急速加熱処理を行なって、熱処理された導電性酸素バリア層形成層３７Ｂを形成する。
【０１６４】
次に、図１６（ｃ）に示すように、スパッタ法により、導電性酸素バリア層形成層３７Ｂの上に白金からなる下部電極形成膜１８Ａを成膜する。
【０１６５】
この後は、ドライエッチングにより、下部電極形成膜１８Ａ及び電性酸素バリア層形成層３７Ｂをパターニングし、さらに、埋込み絶縁膜、容量絶縁膜及び上部電極を順次形成して容量素子を得る。
【０１６６】
このように、第５の実施形態においては、容量絶縁膜を成膜するよりも前に、具体的には、容量絶縁膜を構成する強誘電体を結晶化する酸化性雰囲気による熱処理を行なうよりも前に、導電性酸素バリア層形成層３７Ａの少なくとも上部に対して酸化性雰囲気による急速加熱処理により酸化して導電性酸素バリア層形成層３７Ｂを形成する。これにより、あらかじめ熱処理された導電性酸素バリア層３７Ｂは、容量絶縁膜を結晶化する際の比較的高温の酸素アニール時においても、急激な酸化による体積膨張を抑制でき、その結果、導電性酸素バリア層３７Ｂの浮きや剥離によるコンタクトプラグ１５と容量素子とのコンタクト抵抗の上昇を防止することができる。
【０１６７】
ここで、第５の実施形態に係る半導体装置における容量絶縁膜に対するアニール前とアニール後とにおけるコンタクト抵抗の変化を従来例と比較した結果について図１７に基づいて説明する。ここでは、容量絶縁膜を構成する強誘電体の焼結温度である８００℃の酸素雰囲気による熱処理を行ない、また、コンタクト抵抗値は導電性酸素バリア層と容量素子との間の値としている。
【０１６８】
図１７に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、容量絶縁膜に対するアニール処理の前後でも、コンタクト抵抗値は３０Ω程度である。これは、容量絶縁膜に対するアニール処理を行なうよりも前に、導電性酸素バリア層に対して酸素雰囲気による急速加熱処理を施しているため、容量絶縁膜に対するアニール処理時の導電性酸素バリア層の酸化による体積膨張が防止されていることを表わしている。
【０１６９】
これに対して、従来例に係る半導体装置は、コンタクト抵抗値がアニール前の１００Ωからアニール後には１０００Ωという高い値を示している。これは、導電性酸素バリア層がその周縁部の酸化による膨張応力によって下方向へ湾曲変形することにより、導電性酸素バリア層自体に浮きや剥離が生じ、これにより部分的な導通不良が起こったためと考えられる。
【０１７０】
なお、第５の実施形態において、導電性酸素バリア層形成層３７Ａに対する酸素雰囲気による急速加熱処理は、４５０℃〜５５０℃と比較的低温であるため、従来例で述べたような、ＴｉＡｌＮ膜の最上層に酸化による体積膨張は生じない。
【０１７１】
また、第３〜第５の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、コンタクトプラグと導電性酸素バリア層との間にアモルファス状の導電層を形成し、形成した導電層の上に、比較的に小さい結晶粒からなる導電性酸素バリア層を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１７２】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、酸素の拡散を防止する導電性酸素バリア層の酸素による変形を防止し、コンタクト抵抗の安定化を図ることができるという効果を有し、容量絶縁膜に金属酸化物を用いる容量素子を備えた半導体装置及びその製造方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１７３】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は容量素子とトランジスタとを含む要部の断面図であり、（ｂ）は容量素子とコンタクトプラグとの間に設けられる導電性酸素バリア層及び導電層を示す模式的な断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の要部の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図３】本発明の第１及び第２の実施形態に係る半導体装置と従来例に係る半導体装置とにおける容量絶縁膜の結晶化温度とコンタクト抵抗値との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は容量素子とトランジスタとを含む要部の断面図であり、（ｂ）は容量素子とコンタクトプラグとの間に設けられる導電性酸素バリア層及び導電層を示す模式的な断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の要部の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る導電性酸素バリア層の構造を測定するための資料を示す模式的な構成断面図である。
【図７】導電性酸素バリア層の下に本発明に係る導電層を設けた場合と設けない場合とにおける導電性酸素バリア層のＸ線回折（１０１）ピークの強度比の値の比較結果を示すグラフである。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置における導電性酸素バリア膜の成膜条件と導電性酸素バリア層の配向性との関係を示し、（ａ）は結晶粒の配向性のスパッタ電力依存性を示すグラフであり、（ｂ）は結晶粒の配向性の成膜温度依存性を示すグラフである。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る半導体装置を示し、（ａ）は容量素子とトランジスタとを含む要部の断面図であり、（ｂ）は容量素子とコンタクトプラグとの間に設けられる導電性酸素バリア層を示す模式的な断面図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は容量素子とトランジスタとを含む要部の断面図であり、（ｂ）は容量素子の下側に設けられる導電性酸素バリア層及びコンタクトプラグを示す模式的な断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置と従来例に係る半導体装置とにおける、コンタクトプラグ及び下部電極の接触面積比とコンタクト抵抗値との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置と従来例に係る半導体装置とにおける、導電性酸素バリア層の膜ストレスとコンタクト抵抗値との関係を示すグラフである。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態の一変形例に係る半導体装置を示し、（ａ）は容量素子とトランジスタとを含む要部の断面図であり、（ｂ）は容量素子の下側に設けられる導電性酸素バリア層、導電層及びコンタクトプラグを示す模式的な断面図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の要部を示す断面図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置におけるコンタクトプラグの個数と導電性酸素バリア層の剥離の発生数との関係を従来例と比較したグラフである。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の要部の製造方法を示す部分的な工程断面図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置における容量絶縁膜に対するアニール前とアニール後とのコンタクト抵抗の変化を従来例と比較したグラフである。
【図１８】従来の半導体装置の要部を示す構成断面図である。
【図１９】（ａ）は従来の半導体装置における下部電極、導電性バリア層及びコンタクトプラグを示す模式的な構成断面図である。（ｂ）は従来の半導体装置の容量絶縁膜に対するアニール工程における導電性バリア層の体積膨張を模式的に示す構成断面図である。
【符号の説明】
【０１７４】
１０ 半導体基板
１１ 素子分離膜
１２ ゲート電極
１３ ソース領域又はドレイン領域
１４ 保護絶縁膜
１５ コンタクトプラグ
１６ 導電層（アモルファス）
１６Ａ 導電層（多結晶）
１７ 導電性酸素バリア層
１７ａ 窒化チタンアルミニウム膜
１７ｂ イリジウム膜
１７ｃ 酸化イリジウム膜
１７Ａ 導電性酸素バリア層
１８ 下部電極
１８Ａ 下部電極形成膜
１９ 容量絶縁膜
１９Ａ 容量絶縁膜形成膜
２０ 上部電極
２０Ａ 上部電極形成膜
２１ 容量素子
２２ 埋込絶縁膜
２５ コンタクトプラグ
２５Ａ コンタクトプラグ
２５Ｂ コンタクトプラグ
２６ 導電層
２７ 導電性酸素バリア層
２７ａ 窒化チタンアルミニウム膜
２７ｂ イリジウム膜
２７ｃ 酸化イリジウム膜
３７Ａ 導電性酸素バリア層形成層
３７Ｂ 導電性酸素バリア層形成層（熱処理後）
５０ 基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、
前記下部電極の下側に形成された導電性バリア層と、
前記導電性バリア層の下側に形成された高融点金属からなる導電層とを備え、
前記導電層の前記導電性バリア層に対する接触面積は７０％以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記導電層は、前記基板と前記下部電極とを電気的に接続するコンタクトプラグであ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】
前記導電性バリア層の一部は、高融点金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記導電層の下側に形成され、前記基板と前記下部電極とを電気的に接続するコンタクトプラグをさらに備え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５】
前記導電性バリア層は、該導電性バリア層の下側に前記導電層を設けない場合と比べて不規則な配向性を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記導電性バリア層におけるＸ線回折（１０１）ピークの強度比の値は、３．０以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、
前記下部電極の下側に形成された導電性バリア層と、
前記導電性バリア層の下側に形成され、前記基板と前記下部電極とを電気的に接続する少なくとも２つのコンタクトプラグとを備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記導電性バリア層は、複数の導電性バリア膜が積層されてなり、前記導電層と接する導電性バリア膜は、窒化チタンアルミニウムからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記導電性バリア層は、ルテニウム、ルテニウム酸化物、ルテニウム珪化物、ルテニウム窒化物、レニウム、レニウム酸化物、レニウム珪化物、オスミウム、オスミウム酸化物、オスミウム珪化物、オスミウム窒化物、ロジウム、ロジウム酸化物、ロジウム珪化物、ロジウム窒化物、イリジウム、イリジウム酸化物、イリジウム珪化物、イリジウム窒化物、チタンアルミニウム、チタンアルミニウム珪化物、チタンアルミニウム窒化物、タンタルアルミニウム、タンタルアルミニウム珪化物、タンタルアルミニウム窒化物、白金及び金からなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記導電層は、チタン、タンタル、タングステン、ニッケル及びコバルトからなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記容量絶縁膜は、高誘電体又は強誘電体からなる金属酸化物により構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことにより、高融点金属からなるコンタクトプラグを形成する工程と、
前記コンタクトプラグの上に導電性バリア層を形成する工程と、
前記導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に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、
前記コンタクトプラグを形成する工程において、前記コンタクトプラグは、前記導電性バリア層に対する前記コンタクトプラグの接触面積が７０％以上となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、前記コンタクトプラグと接続されるように高融点金属からなる導電層を形成する工程と、
前記導電層の上に導電性バリア層を形成する工程と、
前記導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に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、
前記導電層を形成する工程において、前記導電層は、前記導電性バリア層に対する前記導電層の接触面積が７０％以上となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことにより、少なくとも２つのコンタクトプラグを形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、前記少なくとも２つのコンタクトプラグと接続されるように導電性バリア層を形成する工程と、
前記導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に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ていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、前記コンタクトプラグと接続されるように下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に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、
導電性を有し酸素の拡散を防止する多結晶構造を有する導電性バリア層を成膜する工程と、
成膜された前記導電性バリア層に対して酸化性雰囲気による熱処理を行なう工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記熱処理は、急速加熱処理であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記容量絶縁膜は、高誘電体又は強誘電体からなる金属酸化物により構成されていることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、
前記下部電極の下側に形成された導電性バリア層と、
前記導電性バリア層の下側に形成された高融点金属からなる導電層とを備え、
前記導電層の前記導電性バリア層に対する接触面積は７０％以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記導電層は、前記基板と前記下部電極とを電気的に接続するコンタクトプラグであ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】
前記導電性バリア層の一部は、高融点金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記導電層の下側に形成され、前記基板と前記下部電極とを電気的に接続するコンタクトプラグをさらに備え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５】
前記導電性バリア層は、該導電性バリア層の下側に前記導電層を設けない場合と比べて不規則な配向性を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記導電性バリア層におけるＸ線回折（１０１）ピークの強度比の値は、３．０以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
基板の上に形成された下部電極、容量絶縁膜及び上部電極からなる容量素子と、
前記下部電極の下側に形成された導電性バリア層と、
前記導電性バリア層の下側に形成され、前記基板と前記下部電極とを電気的に接続する少なくとも２つのコンタクトプラグとを備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記導電性バリア層は、複数の導電性バリア膜が積層されてなり、前記導電層と接する導電性バリア膜は、窒化チタンアルミニウムからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記導電性バリア層は、ルテニウム、ルテニウム酸化物、ルテニウム珪化物、ルテニウム窒化物、レニウム、レニウム酸化物、レニウム珪化物、オスミウム、オスミウム酸化物、オスミウム珪化物、オスミウム窒化物、ロジウム、ロジウム酸化物、ロジウム珪化物、ロジウム窒化物、イリジウム、イリジウム酸化物、イリジウム珪化物、イリジウム窒化物、チタンアルミニウム、チタンアルミニウム珪化物、チタンアルミニウム窒化物、タンタルアルミニウム、タンタルアルミニウム珪化物、タンタルアルミニウム窒化物、白金及び金からなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記導電層は、チタン、タンタル、タングステン、ニッケル及びコバルトからなる群より選択される少なくとも１つの材料により構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記容量絶縁膜は、高誘電体又は強誘電体からなる金属酸化物により構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことにより、高融点金属からなるコンタクトプラグを形成する工程と、
前記コンタクトプラグの上に導電性バリア層を形成する工程と、
前記導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に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、
前記コンタクトプラグを形成する工程において、前記コンタクトプラグは、前記導電性バリア層に対する前記コンタクトプラグの接触面積が７０％以上となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、前記コンタクトプラグと接続されるように高融点金属からなる導電層を形成する工程と、
前記導電層の上に導電性バリア層を形成する工程と、
前記導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に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、
前記導電層を形成する工程において、前記導電層は、前記導電性バリア層に対する前記導電層の接触面積が７０％以上となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことにより、少なくとも２つのコンタクトプラグを形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、前記少なくとも２つのコンタクトプラグと接続されるように導電性バリア層を形成する工程と、
前記導電性バリア層の上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に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ていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
基板上の絶縁膜に形成された開口部に導電膜を埋め込むことによりコンタクトプラグを形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、前記コンタクトプラグと接続されるように下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に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、
導電性を有し酸素の拡散を防止する多結晶構造を有する導電性バリア層を成膜する工程と、
成膜された前記導電性バリア層に対して酸化性雰囲気による熱処理を行なう工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記熱処理は、急速加熱処理であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記容量絶縁膜は、高誘電体又は強誘電体からなる金属酸化物により構成されていることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００７−２２１１５６（Ｐ２００７−２２１１５６Ａ）
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８７６４４（Ｐ２００７−８７６４４）
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【分割の表示】特願２００４−２２６３９５（Ｐ２００４−２２６３９５）の分割
【原出願日】平成１６年８月３日（２００４．８．３）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【分割の表示】特願２００４−２２６３９５（Ｐ２００４−２２６３９５）の分割
【原出願日】平成１６年８月３日（２００４．８．３）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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