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JP4954614B2 - Method for manufacturing ferroelectric memory device - Google Patents

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JP4954614B2 JP2006149426A JP2006149426A JP4954614B2 JP 4954614 B2 JP4954614 B2 JP 4954614B2 JP 2006149426 A JP2006149426 A JP 2006149426A JP 2006149426 A JP2006149426 A JP 2006149426A JP 4954614 B2 JP4954614 B2 JP 4954614B2
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直也 佐次田
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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

強誘電体メモリ(FeRAM)は、低電圧及び高速動作が可能な不揮発性メモリであり、メモリセルが1トランジスタ/1キャパシタ(1T/1C)で構成できるため、DRAMなみの集積化が可能であることから、大容量不揮発性メモリとして期待されている。例えば特許文献1には、上記1T/1C型(スタック型)の強誘電体メモリ装置においてメモリ特性や信頼性を低下させ得るタングステンプラグの酸化を防止するために、タングステンプラグとキャパシタとの接点(コンタクト領域)やキャパシタの電極の側壁に拡散防止層を設けることが記載されている。
特開2004−172330号公報 特開2004−31533号公報
A ferroelectric memory (FeRAM) is a non-volatile memory capable of low voltage and high speed operation, and a memory cell can be composed of one transistor / one capacitor (1T / 1C), so that it can be integrated like a DRAM. Therefore, it is expected as a large-capacity nonvolatile memory. For example, Patent Document 1 discloses a contact between a tungsten plug and a capacitor (in order to prevent oxidation of the tungsten plug, which may deteriorate memory characteristics and reliability in the 1T / 1C type (stack type) ferroelectric memory device). It is described that a diffusion prevention layer is provided on the contact region) and the side wall of the capacitor electrode.
JP 2004-172330 A JP 2004-31533 A

ところで、スタック型の強誘電体メモリ装置においては、プラグ形成領域を含む基板上の領域にキャパシタが形成されるため、良好な特性のキャパシタを作製するには、キャパシタ形成面(プラグ表面とその周辺の層間絶縁膜の表面)における平坦性は極めて重要である。例えば特許文献1では、かかる平坦化処理についてタングステンプラグを形成した後にCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理やエッチバック処理を施すことが記載されているが、良好な平坦面を得ようとするとプロセスマージンがほとんどなく量産には不向きである。また、タングステンプラグの表面は結晶粒が大きいために凹凸が生じやすく、タングステンプラグ表面に形成される層の結晶配向を向上させるのが困難であるという問題もある。   By the way, in a stack type ferroelectric memory device, a capacitor is formed in a region on a substrate including a plug formation region. Therefore, in order to produce a capacitor having good characteristics, a capacitor formation surface (a plug surface and its periphery). The flatness of the surface of the interlayer insulating film is extremely important. For example, Patent Document 1 describes that a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process or an etch-back process is performed after forming a tungsten plug for such a planarization process. It is almost unsuitable for mass production. In addition, since the surface of the tungsten plug has large crystal grains, irregularities are likely to occur, and it is difficult to improve the crystal orientation of the layer formed on the surface of the tungsten plug.

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、プラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置におけるデバイス構成層の結晶配向性を向上させた半導体装置を提供することを目的とする。また、キャパシタ等のデバイスを構成する各層の結晶配向性を向上させることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and provides a semiconductor device in which the crystal orientation of a device constituent layer in a semiconductor device having a conductive connection structure through a plug is improved. With the goal. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can improve the crystal orientation of each layer constituting a device such as a capacitor.

本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法は、基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備し、前記プラグ上の領域を含む前記層間絶縁膜上の領域に第1電極と強誘電体膜と第2電極とを順に積層してなる強誘電体メモリ装置の製造方法であって、前記基板上の前記層間絶縁膜に前記貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔内にタングステンからなる第1導電膜を埋め込んでプラグ導電層を形成する工程と、前記プラグ導電層上に形成されたリセスを含む前記層間絶縁膜上にチタン窒化物膜又はチタン合金窒化物膜からなる第2導電膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上の前記第2導電膜にCMP処理を施して前記リセス内に前記第2導電膜を埋め込み、その後に前記第2導電膜の表面を逆スパッタ処理することで、当該第2導電膜の表面部にアモルファス層を形成する工程と、を有し、前記第2導電膜及び前記層間絶縁膜に対して、水素と窒素との結合を分子構造中に有するガスのプラズマを励起して照射する工程と、前記アモルファス層と前記層間絶縁膜とに対して、c軸配向の自己配向性を有するチタン層を形成する工程と、前記チタン層を形成した後、窒素雰囲気下での加熱処理により前記チタン層の窒化処理を施すことで、窒化チタン層を形成する工程と、前記窒化チタン層上にバリア層を形成し、前記バリア層上に前記第1電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
半導体装置は、上記課題を解決するために、基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置であって、前記プラグが、前記貫通孔内に埋め込まれたプラグ導電層と、該プラグ導電層の表面部に形成されたアモルファス層とを有しており、前記プラグ表面のアモルファス層上に導電膜が形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、前記プラグ導電層の表面部にアモルファス層を形成し、かかるアモルファス層上に導電膜を形成するので、前記アモルファス層によってプラグ導電層の結晶配向の影響が断ち切られ、プラグ導電層の配向に依存しない結晶配向性を有する導電膜を形成することができる。従って、当該導電膜を利用してデバイスを形成することで、当該デバイスを構成する各層について優れた結晶配向性が得られ、高性能のデバイスを得ることができる。
The method of manufacturing a ferroelectric memory device according to the present invention includes a conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on a substrate, and includes the region on the plug. A method of manufacturing a ferroelectric memory device in which a first electrode, a ferroelectric film, and a second electrode are sequentially stacked in a region on an interlayer insulating film, wherein the through hole is formed in the interlayer insulating film on the substrate. Forming a plug conductive layer by burying a first conductive film made of tungsten in the through hole, and titanium nitride on the interlayer insulating film including a recess formed on the plug conductive layer Forming a second conductive film made of a material film or a titanium alloy nitride film, and subjecting the second conductive film on the interlayer insulating film to CMP to embed the second conductive film in the recess, The surface of the second conductive film is Forming an amorphous layer on a surface portion of the second conductive film, and forming a bond between hydrogen and nitrogen with respect to the second conductive film and the interlayer insulating film. A step of exciting and irradiating plasma of a gas contained in the structure; a step of forming a titanium layer having self-orientation of c-axis orientation with respect to the amorphous layer and the interlayer insulating film; and After forming, the titanium layer is nitrided by heat treatment under a nitrogen atmosphere, thereby forming a titanium nitride layer; forming a barrier layer on the titanium nitride layer; and Forming a first electrode.
In order to solve the above problems, a semiconductor device is a semiconductor device having a conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on a substrate, wherein the plug is A plug conductive layer embedded in the through-hole and an amorphous layer formed on the surface of the plug conductive layer, and a conductive film is formed on the amorphous layer on the plug surface. Features.
According to this configuration, since the amorphous layer is formed on the surface of the plug conductive layer and the conductive film is formed on the amorphous layer, the influence of the crystal orientation of the plug conductive layer is cut off by the amorphous layer, and the plug conductive A conductive film having crystal orientation that does not depend on the orientation of the layers can be formed. Therefore, by forming a device using the conductive film, excellent crystal orientation can be obtained for each layer constituting the device, and a high-performance device can be obtained.

また本発明の半導体装置は、基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置であって、前記プラグが、前記貫通孔内に第1導電膜を埋め込んでなるプラグ導電層と、該プラグ導電層上に形成されたリセス内に埋め込まれた第2導電膜とを有しており、前記プラグ表面のアモルファス層上に第3導電膜が形成されていることを特徴とする。
前記貫通孔内に第1導電膜を埋め込んでプラグ導電層を形成する場合に、プラグ導電層の表面が層間絶縁膜の表面よりも貫通孔の内側に形成されてリセスと呼ばれる凹部がプラグ導電層上に形成されることがある。このようなリセスを有するプラグ導電層上に直接導電膜を形成したのでは、リセスの段差によって所望の結晶配向を得られなくなるおそれがある。そこで本発明では、前記リセス内に第2導電膜を埋め込んでプラグ表面を平坦化し、プラグ上に形成される導電膜の結晶配向性を向上させることを可能にしている。そして、上記第2導電膜の表面部にはアモルファス層が形成されているため、プラグ導電層及び第2導電膜の配向状態の影響を前記アモルファス層によって断ち切ることができ、これによりプラグ上に形成される導電膜についても良好な結晶配向性を得ることができる。
Further, the semiconductor device of the present invention is a semiconductor device having a conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on a substrate, wherein the plug is in the through hole. And a second conductive film embedded in a recess formed on the plug conductive layer, and a third conductive layer is formed on the amorphous layer on the plug surface. A conductive film is formed.
When the plug conductive layer is formed by embedding the first conductive film in the through hole, the surface of the plug conductive layer is formed inside the through hole from the surface of the interlayer insulating film, and a recess called a recess is formed in the plug conductive layer. May be formed on top. If the conductive film is formed directly on the plug conductive layer having such a recess, the desired crystal orientation may not be obtained due to the step difference of the recess. Therefore, in the present invention, it is possible to improve the crystal orientation of the conductive film formed on the plug by embedding the second conductive film in the recess to flatten the plug surface. Since the amorphous layer is formed on the surface of the second conductive film, the influence of the orientation state of the plug conductive layer and the second conductive film can be cut off by the amorphous layer, thereby forming the plug on the plug. Good crystal orientation can also be obtained for the conductive film to be formed.

本発明の半導体装置は、前記第2導電膜が、チタン窒化物膜又はチタン合金窒化物膜であることを特徴とする。この構成によれば、プラグと層間絶縁膜との表面において優れた平坦性を得ることができる。   In the semiconductor device of the present invention, the second conductive film is a titanium nitride film or a titanium alloy nitride film. According to this configuration, excellent flatness can be obtained on the surfaces of the plug and the interlayer insulating film.

本発明の半導体装置は、前記第3導電膜が、チタン膜又はチタン化合物膜であることを特徴とする。この構成によれば、前記第3導電膜を自己配向層として形成することができるので、上記アモルファス層の作用と相まって所望の結晶配向性を容易に得ることができ、デバイスの高性能化に寄与する構成となる。   In the semiconductor device of the present invention, the third conductive film is a titanium film or a titanium compound film. According to this configuration, since the third conductive film can be formed as a self-alignment layer, desired crystal orientation can be easily obtained in combination with the action of the amorphous layer, contributing to higher performance of the device. It becomes the composition to do.

本発明の半導体装置の製造方法は、上記課題を解決するために、基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置の製造方法であって、前記基板上の前記層間絶縁膜に前記貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔内に第1導電膜を埋め込んでプラグ導電層を形成する工程と、前記プラグ導電層上に形成されたリセスを含む前記層間絶縁膜上に第2導電膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上の前記第2導電膜にCMP処理を施して前記リセス内に前記第2導電膜を埋め込むとともに、当該第2導電膜の表面部にアモルファス層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
この製造方法によれば、貫通孔内に第1導電膜を埋め込んでプラグ導電層を形成した後、第2導電膜を成膜し、CMP処理により平坦化することでプラグ導電層上のリセスに対して第2導電膜を埋め込むようにしており、第1導電膜を貫通孔に埋め込むために実施することで、層間絶縁膜表面における良好な平坦性を得ることができ、第2導電膜を含む領域に形成される薄膜について、形成面の凹凸(段差)に起因する結晶配向の乱れが生じるのを効果的に防止できる。また、第2導電膜のCMP処理に際して第2導電膜表面にアモルファス層を形成するので、第2導電膜の結晶配向が前記薄膜の結晶配向に影響を及ぼすのを防止でき、より良好な結晶配向性を有する薄膜を形成することができる。従って、上記プラグ導電層及び第2導電膜上にキャパシタを形成するならば、キャパシタを構成する各層について極めて良好な結晶配向性を得ることができる。
In order to solve the above problems, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention manufactures a semiconductor device having a conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on a substrate. A method of forming the through hole in the interlayer insulating film on the substrate; forming a plug conductive layer by embedding a first conductive film in the through hole; and on the plug conductive layer Forming a second conductive film on the interlayer insulating film including the formed recess; and performing a CMP process on the second conductive film on the interlayer insulating film to embed the second conductive film in the recess. And a step of forming an amorphous layer on the surface portion of the second conductive film.
According to this manufacturing method, after the first conductive film is embedded in the through hole to form the plug conductive layer, the second conductive film is formed, and planarized by CMP treatment, thereby forming a recess on the plug conductive layer. On the other hand, the second conductive film is embedded, and by implementing the first conductive film in the through hole, good flatness on the surface of the interlayer insulating film can be obtained, and the second conductive film is included. With respect to the thin film formed in the region, it is possible to effectively prevent the disorder of the crystal orientation caused by the unevenness (step) of the formation surface. In addition, since the amorphous layer is formed on the surface of the second conductive film during the CMP process of the second conductive film, it is possible to prevent the crystal orientation of the second conductive film from affecting the crystal orientation of the thin film, and to obtain a better crystal orientation. A thin film having properties can be formed. Therefore, if a capacitor is formed on the plug conductive layer and the second conductive film, extremely good crystal orientation can be obtained for each layer constituting the capacitor.

また本発明の半導体装置の製造方法は、基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備した半導体装置の製造方法であって、前記基板上の前記層間絶縁膜に前記貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔内に第1導電膜を埋め込んでプラグ導電層を形成する工程と、前記プラグ導電層上に形成されたリセスを含む前記層間絶縁膜上に第2導電膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上の前記第2導電膜にCMP処理を施して前記リセス内に前記第2導電膜を埋め込む工程と、前記第2導電膜及び前記層間絶縁膜の表面に逆スパッタ処理を施すことで前記第2導電膜の表面部にアモルファス層を形成する工程と、を有することを特徴とする。すなわち、前記アモルファス層の形成工程としては、逆スパッタ処理を用いることもできる。   The semiconductor device manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on the substrate, Forming the through hole in the interlayer insulating film, forming a plug conductive layer by embedding the first conductive film in the through hole, and including a recess formed on the plug conductive layer. Forming a second conductive film on the interlayer insulating film; performing a CMP process on the second conductive film on the interlayer insulating film to embed the second conductive film in the recess; and Forming an amorphous layer on the surface portion of the second conductive film by performing reverse sputtering on the surface of the film and the interlayer insulating film. That is, reverse sputtering can be used as the amorphous layer forming step.

前記第2導電膜として、チタン窒化物膜又はチタン合金窒化物膜を形成することが好ましい。また、前記第2導電膜を構成するチタン窒化物としては、TiNを用いることが好ましく、チタン合金窒化物としてはTiAlNを用いることが好ましい。これらの材料を用いて第2導電膜を形成することで、プラグ導電層上のリセスの平坦化を容易かつ高精度に行うことが可能である。   It is preferable to form a titanium nitride film or a titanium alloy nitride film as the second conductive film. Further, TiN is preferably used as the titanium nitride constituting the second conductive film, and TiAlN is preferably used as the titanium alloy nitride. By forming the second conductive film using these materials, the recess on the plug conductive layer can be flattened easily and with high accuracy.

本発明の半導体装置装置の製造方法では、前記第2導電膜のCMP処理において、前記第2導電膜の表面を酸化させることが好ましい。このような製造方法とすることで、第2導電膜に対して表面改質処理を施す際に、表面改質処理を有効に機能させやすくなる。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, it is preferable that the surface of the second conductive film is oxidized in the CMP process of the second conductive film. By setting it as such a manufacturing method, when performing a surface modification process with respect to a 2nd electrically conductive film, it becomes easy to make a surface modification process function effectively.

本発明の半導体装置の製造方法では、前記第2導電膜及び前記層間絶縁膜に対して、水素と窒素との結合を分子構造中に有するガスのプラズマを励起して照射する工程と、前記第2導電膜表面のアモルファス層を含む前記層間絶縁膜に対して、自己配向性を有する物質からなる自己配向層を形成する工程とを有することが好ましい。本発明に係る製造方法では、前記第2導電膜の表面部はCMP処理によってアモルファス層となっており、また酸化されているため、上記アンモニアガスのプラズマを励起して照射する工程によって、当該表面部の酸素原子に対して窒素原子及び水素原子が結合したO−N−H結合が形成されるようになる。そのため、その後の工程で自己配向性層を形成する際に、自己配向性を有する物質と前記酸素原子とが結合するのを阻害することができ、前記物質のマイグレーションを促進して良好は自己配向性を機能させることができる。これにより、極めて良好な結晶配向性を有する自己配向層を形成することができ、かかる自己配向層上にキャパシタ等のデバイスの構成層を形成するならば、各構成層について優れた結晶配向性を有するデバイスを製造することができる。   In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the step of irradiating the second conductive film and the interlayer insulating film by exciting a plasma of a gas having a bond of hydrogen and nitrogen in a molecular structure; It is preferable to include a step of forming a self-alignment layer made of a substance having self-orientation with respect to the interlayer insulating film including the amorphous layer on the surface of the two conductive films. In the manufacturing method according to the present invention, the surface portion of the second conductive film is formed into an amorphous layer by CMP treatment and is oxidized, so that the surface of the second conductive film is exposed by exciting and irradiating the ammonia gas plasma. An O—N—H bond in which a nitrogen atom and a hydrogen atom are bonded to a part of oxygen atoms is formed. Therefore, when the self-orientation layer is formed in the subsequent process, it is possible to inhibit the bonding of the substance having self-orientation and the oxygen atom, and the migration of the substance is promoted to improve the self-orientation. Sex can work. As a result, a self-alignment layer having extremely good crystal orientation can be formed. If a component layer of a device such as a capacitor is formed on the self-alignment layer, excellent crystal orientation can be obtained for each component layer. It is possible to manufacture a device having

本発明の半導体装置の製造方法では、前記自己配向層として、c軸配向のチタン層を形成することが好ましい。かかる製造方法によれば、キャパシタ等のデバイスの構成層について好ましい結晶配向性を得ることができる。   In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, it is preferable to form a c-axis oriented titanium layer as the self-alignment layer. According to this manufacturing method, preferable crystal orientation can be obtained for the constituent layers of devices such as capacitors.

本発明の製造方法では、前記チタン層を形成した後、窒素雰囲気下での加熱処理により前記チタン層の窒化処理を施すことが好ましい。このような製造方法とすることで、チタン層をあらかじめ窒化させることによる耐酸化性の向上効果と、CMP処理によって酸化されている第2導電膜表面部のコンタクト抵抗を改善する効果とを得ることができ、電気的特性並びに信頼性に優れるデバイスを形成し得る半導体装置となる。   In the production method of the present invention, it is preferable that after the titanium layer is formed, the titanium layer is subjected to nitriding treatment by heat treatment in a nitrogen atmosphere. By using such a manufacturing method, an effect of improving the oxidation resistance by previously nitriding the titanium layer and an effect of improving the contact resistance of the surface of the second conductive film oxidized by the CMP process are obtained. Thus, a semiconductor device capable of forming a device having excellent electrical characteristics and reliability can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(半導体装置)
図1は、本発明の一実施の形態の半導体装置(強誘電体メモリ装置)100を模式的に示す断面図である。図1に示すように、半導体装置100は、強誘電体キャパシタ30と、プラグ20と、強誘電体キャパシタ30のスイッチングトランジスタ18とを備えて構成されている。なお、本実施形態においては、1T/1C型(1トランジスタ/1キャパシタ型)のメモリセルについて説明するが、本発明が適用されるのは1T/1C型のメモリセルに限定されない。
(Semiconductor device)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device (ferroelectric memory device) 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 includes a ferroelectric capacitor 30, a plug 20, and a switching transistor 18 of the ferroelectric capacitor 30. In this embodiment, a 1T / 1C type (1 transistor / 1 capacitor type) memory cell is described. However, the present invention is not limited to a 1T / 1C type memory cell.

スイッチングトランジスタ18は、ゲート絶縁膜11と、ゲート絶縁膜11上に設けられたゲート導電層13と、ソース/ドレイン領域である第1不純物領域17及び第2不純物領域19とを備えている。強誘電体キャパシタ30は、窒化チタン層12と、窒化チタン層12上に形成されたバリア層14と、バリア層14上に形成された第1電極32と、第1電極32上に形成された強誘電体層34と、強誘電体層34上に形成された第2電極36とを備えている。   The switching transistor 18 includes a gate insulating film 11, a gate conductive layer 13 provided on the gate insulating film 11, and a first impurity region 17 and a second impurity region 19 which are source / drain regions. The ferroelectric capacitor 30 is formed on the titanium nitride layer 12, the barrier layer 14 formed on the titanium nitride layer 12, the first electrode 32 formed on the barrier layer 14, and the first electrode 32. A ferroelectric layer 34 and a second electrode 36 formed on the ferroelectric layer 34 are provided.

スイッチングトランジスタ18と強誘電体キャパシタ30とを電気的に接続するプラグ20は、スイッチングトランジスタ18を覆う層間絶縁膜26を貫通して形成された貫通孔24の内部に形成されており、スイッチングトランジスタ18の第2不純物領域19と強誘電体キャパシタ30の窒化チタン層12との間に介挿されている。プラグ20は、貫通孔24内に設けられた第1下地層22aと、第1下地層22a上に形成された第2下地層22bと、第2下地層22bに囲まれる孔部に、例えば、タングステン,モリブデン,タンタル,チタン,ニッケルなどからなる第1導電膜を充填して形成されたプラグ導電層22と、プラグ導電層22の強誘電体キャパシタ30側を覆って形成された第2導電膜21とを備えている。プラグ導電層22は、上記に挙げた金属材料のうちでもタングステンを用いて形成することが好ましい。   The plug 20 that electrically connects the switching transistor 18 and the ferroelectric capacitor 30 is formed in a through hole 24 formed through the interlayer insulating film 26 that covers the switching transistor 18. The second impurity region 19 and the titanium nitride layer 12 of the ferroelectric capacitor 30 are interposed. The plug 20 has a first base layer 22a provided in the through hole 24, a second base layer 22b formed on the first base layer 22a, and a hole surrounded by the second base layer 22b, for example, Plug conductive layer 22 formed by filling a first conductive film made of tungsten, molybdenum, tantalum, titanium, nickel or the like, and a second conductive film formed so as to cover the ferroelectric capacitor 30 side of plug conductive layer 22 21. The plug conductive layer 22 is preferably formed using tungsten among the metal materials mentioned above.

本発明に係る半導体装置では、プラグ導電層22の図示上面が層間絶縁膜26の表面よりも貫通孔24の内部側に位置しており、プラグ導電層22上にいわゆるリセスが形成されている。そして、プラグ導電層22を覆うようにして前記リセス内に形成された第2導電膜21によって、プラグ20の表面と層間絶縁膜26の表面との境界を平坦に調整されたものとなっている。第2導電膜21は、チタン窒化物又はチタン合金窒化物からなる導電膜であり、具体的には、TiN、TiAlN等により形成することができる。本発明では、これらの材料を用いて第2導電膜を形成することで、プラグ20の形成領域の層間絶縁膜26表面について良好な平坦性が得られるようになっている。   In the semiconductor device according to the present invention, the illustrated upper surface of the plug conductive layer 22 is located on the inner side of the through hole 24 with respect to the surface of the interlayer insulating film 26, and a so-called recess is formed on the plug conductive layer 22. The boundary between the surface of the plug 20 and the surface of the interlayer insulating film 26 is adjusted to be flat by the second conductive film 21 formed in the recess so as to cover the plug conductive layer 22. . The second conductive film 21 is a conductive film made of titanium nitride or titanium alloy nitride, and can be specifically formed of TiN, TiAlN, or the like. In the present invention, by forming the second conductive film using these materials, the surface of the interlayer insulating film 26 in the region where the plug 20 is formed can have good flatness.

また、前記第2導電膜21の表面部21aには、アモルファス層が形成されており、当該アモルファス層上に窒化チタン層12が形成されている。このように表面部21aにアモルファス層が形成されていることで、タングステン等からなるプラグ導電層22の結晶配向、及びチタン化合物からなる第2導電膜21の結晶配向の影響が窒化チタン層12の結晶配向性に及ぶのを効果的に防止し、窒化チタン層12について所望の結晶配向性を得ることができるようになっている。   An amorphous layer is formed on the surface portion 21a of the second conductive film 21, and the titanium nitride layer 12 is formed on the amorphous layer. Since the amorphous layer is formed on the surface portion 21a in this manner, the influence of the crystal orientation of the plug conductive layer 22 made of tungsten or the like and the crystal orientation of the second conductive film 21 made of the titanium compound is influenced by the titanium nitride layer 12. It is possible to effectively prevent the crystal orientation from being reached, and to obtain a desired crystal orientation for the titanium nitride layer 12.

第2導電膜21上を含む層間絶縁膜26上の領域に形成された窒化チタン層(第3導電膜)12は、少なくとも一部がプラグ20上に設けられている。窒化チタン層12は結晶質であり、かつ、(111)配向を有するものとされている。窒化チタン層12は、Ti膜を窒化処理することで形成することができ、TiNからなるものとすることもできる。窒化チタン層12の形成方法については後述する。窒化チタン層12の膜厚は5nm〜20nmであるのが好ましい。   At least a part of the titanium nitride layer (third conductive film) 12 formed in a region on the interlayer insulating film 26 including the second conductive film 21 is provided on the plug 20. The titanium nitride layer 12 is crystalline and has a (111) orientation. The titanium nitride layer 12 can be formed by nitriding a Ti film, and can be made of TiN. A method for forming the titanium nitride layer 12 will be described later. The thickness of the titanium nitride layer 12 is preferably 5 nm to 20 nm.

バリア層14は、導電性を有し、かつ、酸素バリア性を有する材料からなるものであれば特に限定されない。バリア層14の形成材料としては、例えば、TiAlN,TiAl,TiSiN,TiN,TaN,TaSiNを挙げることができ、これらのうちでもTiAlNを用いることがより好ましい。バリア層14がTiAlNからなる場合、バリア層14におけるチタン,アルミニウム,窒素の組成(原子比)は、バリア層14の組成を化学式Ti(1−x)Alで表すとき、0<x≦0.3であり、かつ、0<yであるのがより好ましい。 The barrier layer 14 is not particularly limited as long as it is made of a material having conductivity and oxygen barrier properties. Examples of the material for forming the barrier layer 14 include TiAlN, TiAl, TiSiN, TiN, TaN, and TaSiN. Among these, it is more preferable to use TiAlN. When the barrier layer 14 is made of TiAlN, the composition (atomic ratio) of titanium, aluminum, and nitrogen in the barrier layer 14 is 0 <x when the composition of the barrier layer 14 is represented by the chemical formula Ti (1-x) Al x N y. More preferably, ≦ 0.3 and 0 <y.

バリア層14は、結晶質の薄膜とすることが好ましく、(111)配向を有する多結晶膜ないし単結晶膜とすることが好ましい。バリア層14の結晶配向を(111)配向とすることにより、バリア層14上に、バリア層14の結晶配向を反映した結晶配向((111)配向)を有する第1電極32を形成することができるからである。バリア層14の膜厚は少なくとも20nmであることが好ましく、例えば、100〜200nmであることがより好ましい。成膜時にバリア層14の結晶配向を反映した結晶配向を有する第1電極32をバリア層14上に良好に形成するためである。   The barrier layer 14 is preferably a crystalline thin film, and is preferably a polycrystalline film or a single crystal film having a (111) orientation. By setting the crystal orientation of the barrier layer 14 to the (111) orientation, the first electrode 32 having a crystal orientation ((111) orientation) reflecting the crystal orientation of the barrier layer 14 can be formed on the barrier layer 14. Because it can. The film thickness of the barrier layer 14 is preferably at least 20 nm, and more preferably, for example, 100 to 200 nm. This is because the first electrode 32 having a crystal orientation reflecting the crystal orientation of the barrier layer 14 at the time of film formation is satisfactorily formed on the barrier layer 14.

第1電極32は、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、及びイリジウムから選ばれる少なくとも1種の金属材料を用いて形成することができる。さらに、白金またはイリジウムからなるものとすることが好ましく、イリジウムからなるものとすることがより好ましい。第1電極32は、上記金属材料の単層膜でもあってもよく、複数の金属膜を積層した多層膜であってもよい。第1電極32は、バリア層14上にエピタキシャル成長した結晶質の薄膜であることが好ましい。また、第1電極32上に形成される強誘電体層34も、第1電極32上にエピタキシャル成長したものとするのがよい。   The first electrode 32 can be formed using at least one metal material selected from platinum, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, and iridium. Further, it is preferably made of platinum or iridium, more preferably made of iridium. The first electrode 32 may be a single layer film of the above metal material or a multilayer film in which a plurality of metal films are stacked. The first electrode 32 is preferably a crystalline thin film epitaxially grown on the barrier layer 14. In addition, the ferroelectric layer 34 formed on the first electrode 32 is preferably epitaxially grown on the first electrode 32.

例えば、バリア層14が立方晶系に属し、その結晶配向が(111)配向である場合、あるいはバリア層14が六方晶系に属し、その結晶配向が(001)配向である場合、第1電極32の結晶配向が(111)配向であることが好ましい。この構成によれば、第1電極32上に強誘電体層34を形成する際に、強誘電体層34の結晶配向を(111)配向にすることが容易になる。   For example, when the barrier layer 14 belongs to a cubic system and the crystal orientation is a (111) orientation, or when the barrier layer 14 belongs to a hexagonal system and the crystal orientation is a (001) orientation, the first electrode The crystal orientation of 32 is preferably (111) orientation. According to this configuration, when the ferroelectric layer 34 is formed on the first electrode 32, the crystal orientation of the ferroelectric layer 34 can be easily set to the (111) orientation.

強誘電体層34は、強誘電体物質を含む。この強誘電体物質は、A1−b1−aの一般式で示されるペロブスカイト型の結晶構造を有するものとすることが好ましい。AはPbを含み、Pbの一部をLaに置換したものであってもよい。Bは、Zr又はTiである。Xは、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ca、Sr、及びMgから選ばれる少なくとも1つの金属元素である。強誘電体層34に含まれる強誘電体物質としては、強誘電体層として使用可能な公知の材料を使用することができ、例えば、(Pb(Zr,Ti)O)(PZT)、SrBiTa(SBT)、(Bi,La)Ti12(BLT)が挙げられる。これらのうちでも、強誘電体層34の材料としてはPZTが好ましく、この場合、素子の信頼性の観点から、第1電極32はイリジウムであるのがより好ましい。 The ferroelectric layer 34 includes a ferroelectric material. This ferroelectric substance preferably has a perovskite crystal structure represented by the general formula of A 1 -b B 1 -a X a O 3 . A may contain Pb, and a part of Pb may be substituted with La. B is Zr or Ti. X is at least one metal element selected from V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Sr, and Mg. As the ferroelectric substance contained in the ferroelectric layer 34, a known material that can be used as the ferroelectric layer can be used. For example, (Pb (Zr, Ti) O 3 ) (PZT), SrBi can be used. 2 Ta 2 O 9 (SBT), (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 (BLT). Among these, the material of the ferroelectric layer 34 is preferably PZT. In this case, the first electrode 32 is more preferably iridium from the viewpoint of device reliability.

強誘電体層34としてPZTを用いる場合、より大きな自発分極量を獲得するため、PZTにおけるチタンの含有量をジルコニウムの含有量より多くすることが好ましい。このような組成のPZTは正方晶に属し、その自発分極軸はc軸となる。この場合、c軸と直交するa軸配向成分が同時に存在するため、PZTをc軸配向させたときは、このa軸配向成分が分極反転に寄与しないため、強誘電特性が損なわれるおそれがある。これに対して、強誘電体層34に用いられるPZTの結晶配向を(111)配向にすることにより、a軸を基板法線から一定の角度だけずらした方向に向けることができる。すなわち分極軸が基板法線方向の成分をもつようになるため、分極反転に寄与させることができる。よって、強誘電体層34がPZTからなり、PZTにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、PZTの結晶配向が(111)配向であるのが好ましい。   When PZT is used as the ferroelectric layer 34, it is preferable to make the titanium content in the PZT larger than the zirconium content in order to obtain a larger amount of spontaneous polarization. PZT having such a composition belongs to tetragonal crystal, and its spontaneous polarization axis is c-axis. In this case, since an a-axis orientation component orthogonal to the c-axis is present at the same time, when PZT is oriented in the c-axis, the a-axis orientation component does not contribute to polarization reversal, and thus the ferroelectric characteristics may be impaired. . On the other hand, by setting the crystal orientation of PZT used for the ferroelectric layer 34 to the (111) orientation, the a-axis can be oriented in a direction shifted by a certain angle from the substrate normal. That is, since the polarization axis has a component in the substrate normal direction, it can contribute to polarization inversion. Therefore, when the ferroelectric layer 34 is made of PZT and the titanium content in the PZT is larger than the zirconium content, the crystal orientation of the PZT is preferably the (111) orientation in terms of good hysteresis characteristics. .

第2電極36は、第1電極32に使用可能な材料として例示した上記材料により形成することができ、あるいは、アルミニウム,銀,ニッケル等を用いることもできる。第2電極36は、上記に例示した金属材料の単層膜でもよいし、または複数の金属膜を積層した多層膜であってもよい。第2電極36は、白金の単層膜、あるいはイリジウムオキサイド膜とイリジウム膜との積層膜とすることが好ましい。   The second electrode 36 can be formed of the above-described materials exemplified as materials usable for the first electrode 32, or aluminum, silver, nickel, or the like can be used. The second electrode 36 may be a single layer film of the metal material exemplified above, or may be a multilayer film in which a plurality of metal films are stacked. The second electrode 36 is preferably a single layer film of platinum or a laminated film of an iridium oxide film and an iridium film.

本実施の形態の半導体装置100においては、プラグ20の強誘電体キャパシタ30側に第2導電膜21を形成して強誘電体キャパシタ30が形成される層間絶縁膜26及びプラグ20の表面を平坦化しているので、プラグ20とその周囲の層間絶縁膜26との段差に起因する第1電極32、強誘電体層34等の結晶配向性の低下を効果的に防止することができ、結晶配向性に優れた高品質の強誘電体キャパシタ30を具備した強誘電体メモリを構成することができる。   In the semiconductor device 100 of the present embodiment, the second conductive film 21 is formed on the ferroelectric capacitor 30 side of the plug 20 to flatten the surface of the interlayer insulating film 26 on which the ferroelectric capacitor 30 is formed and the plug 20. Therefore, it is possible to effectively prevent a decrease in crystal orientation of the first electrode 32, the ferroelectric layer 34, and the like due to a step between the plug 20 and the surrounding interlayer insulating film 26, and the crystal orientation Thus, a ferroelectric memory including the high-quality ferroelectric capacitor 30 having excellent properties can be configured.

また、詳細は後述するが、プラグ20の形成工程において第2導電膜21の表面部21aにアモルファス層を形成していることで、当該アモルファス層によって下層側のプラグ導電層22の結晶構造が上層側の強誘電体キャパシタ30を構成する各層の結晶構造に反影されないようにしているため、プラグ20表面と層間絶縁膜26表面との材質の差異に起因する第1電極32,強誘電体層34の結晶配向性の低下も防止することができる。さらに、強誘電体キャパシタ30の第1電極32が窒化チタン層12及びバリア層14を介してプラグ20上に設けられているため、より良好に下層(プラグ20)の結晶構造が反映されていない第1電極32及び強誘電体層34を形成可能になっている。   Although details will be described later, since the amorphous layer is formed on the surface portion 21a of the second conductive film 21 in the step of forming the plug 20, the crystalline structure of the plug conductive layer 22 on the lower layer side is formed by the amorphous layer. The first electrode 32 and the ferroelectric layer resulting from the difference in material between the surface of the plug 20 and the surface of the interlayer insulating film 26 are prevented from being reflected by the crystal structure of each layer constituting the ferroelectric capacitor 30 on the side. A decrease in the crystal orientation of 34 can also be prevented. Furthermore, since the first electrode 32 of the ferroelectric capacitor 30 is provided on the plug 20 via the titanium nitride layer 12 and the barrier layer 14, the crystal structure of the lower layer (plug 20) is not reflected better. The first electrode 32 and the ferroelectric layer 34 can be formed.

強誘電体キャパシタ30の第1電極32がプラグ20のプラグ導電層22上に直接配置されている場合を仮に想定する。この場合、プラグ導電層22が、結晶性が高い材料からなる場合、プラグ導電層22の結晶配向が第1電極32の結晶配向に影響を及ぼすことがある。例えば、プラグ20のプラグ導電層22がタングステンからなる場合、タングステンは結晶性が高いため、このタングステンからなるプラグ導電層22上に第1電極32が直接設けられると、プラグ導電層22の結晶構造が第1電極32の結晶構造に影響を及ぼし、第1電極32を所望の結晶構造にすることが困難となる。さらに、第1電極32上には強誘電体層34が設けられているため、第1電極32の結晶配向が、強誘電体層34の結晶配向に影響を及ぼすことがある。そして、強誘電体層34の結晶配向は第1電極32の結晶配向を反映しているため、望まない方向に分極が生じる結果、強誘電体キャパシタ30のヒステリシス特性が低下することがある。   A case is assumed in which the first electrode 32 of the ferroelectric capacitor 30 is directly disposed on the plug conductive layer 22 of the plug 20. In this case, when the plug conductive layer 22 is made of a material having high crystallinity, the crystal orientation of the plug conductive layer 22 may affect the crystal orientation of the first electrode 32. For example, when the plug conductive layer 22 of the plug 20 is made of tungsten, since tungsten has high crystallinity, when the first electrode 32 is directly provided on the plug conductive layer 22 made of tungsten, the crystal structure of the plug conductive layer 22 Affects the crystal structure of the first electrode 32, making it difficult to make the first electrode 32 have a desired crystal structure. Furthermore, since the ferroelectric layer 34 is provided on the first electrode 32, the crystal orientation of the first electrode 32 may affect the crystal orientation of the ferroelectric layer 34. Then, since the crystal orientation of the ferroelectric layer 34 reflects the crystal orientation of the first electrode 32, the hysteresis characteristic of the ferroelectric capacitor 30 may be deteriorated as a result of polarization occurring in an undesired direction.

これに対して、本実施の形態の強誘電体キャパシタ30によれば、プラグ20の強誘電体キャパシタ30との接点部側に第2導電膜21が設けられ、さらに第2導電膜21の表面部21aにアモルファス層が形成されていることにより、プラグ20のプラグ導電層22の結晶配向が、第1電極32及び強誘電体層34の結晶配向に反映されるのを防止することができる。さらにまた、第1電極32は、窒化チタン層12及びバリア層14を介してプラグ20上に設けられているので、プラグ導電層22の結晶配向は第1電極32により影響しにくくなっている。これにより、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ30を得ることができる。   In contrast, according to the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, the second conductive film 21 is provided on the contact portion side of the plug 20 with the ferroelectric capacitor 30, and the surface of the second conductive film 21 is further provided. By forming the amorphous layer in the portion 21a, it is possible to prevent the crystal orientation of the plug conductive layer 22 of the plug 20 from being reflected in the crystal orientation of the first electrode 32 and the ferroelectric layer 34. Furthermore, since the first electrode 32 is provided on the plug 20 via the titanium nitride layer 12 and the barrier layer 14, the crystal orientation of the plug conductive layer 22 is less affected by the first electrode 32. Thereby, the ferroelectric capacitor 30 having excellent hysteresis characteristics can be obtained.

なお、プラグ20の断面積が同じである場合、強誘電体キャパシタ30の平面面積が小さくなるほど、プラグ20の断面積に対する強誘電体キャパシタ30の平面面積の割合が小さくなるため、プラグ導電層22の結晶配向に起因して、第1電極32及び強誘電体層34に及ぶ結晶配向の問題はより深刻化する。これに対して、本実施の強誘電体キャパシタ30によれば、上述した理由により、強誘電体キャパシタ30がより微細化された場合においても、ヒステリシス特性の低下を防止することができる点で有用である。   When the cross-sectional area of the plug 20 is the same, the smaller the planar area of the ferroelectric capacitor 30 is, the smaller the ratio of the planar area of the ferroelectric capacitor 30 to the cross-sectional area of the plug 20 is. Due to this crystal orientation, the problem of crystal orientation extending to the first electrode 32 and the ferroelectric layer 34 becomes more serious. On the other hand, according to the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, for the reason described above, even when the ferroelectric capacitor 30 is further miniaturized, it is useful in that a decrease in hysteresis characteristics can be prevented. It is.

また、本発明の強誘電体キャパシタ30によれば、結晶質のバリア層14の上方に第1電極32が設けられている。これにより、バリア層14上に設けられる第1電極32の結晶配向性を高めることができる。その結果、第1電極32上に、結晶配向性に優れた強誘電体層34を設けることができるため、ヒステリシス特性に優れている。   Further, according to the ferroelectric capacitor 30 of the present invention, the first electrode 32 is provided above the crystalline barrier layer 14. Thereby, the crystal orientation of the 1st electrode 32 provided on the barrier layer 14 can be improved. As a result, since the ferroelectric layer 34 having excellent crystal orientation can be provided on the first electrode 32, the hysteresis characteristics are excellent.

特に、上述したように、強誘電体層34がPZTからなり、PZTにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、PZTの結晶配向が(111)配向であるのが好ましい。本実施の形態の強誘電体キャパシタ30によれば、結晶配向が(111)配向を有するバリア層14が設けられていることにより、第1電極32及び強誘電体層34の結晶配向を(111)配向にすることが容易である。これにより、本実施の形態の強誘電体キャパシタ30はヒステリシス特性に優れている。   In particular, as described above, when the ferroelectric layer 34 is made of PZT and the titanium content in the PZT is greater than the zirconium content, the crystal orientation of the PZT is (111) oriented in that the hysteresis characteristics are good. Is preferred. According to the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, since the barrier layer 14 having the crystal orientation (111) is provided, the crystal orientation of the first electrode 32 and the ferroelectric layer 34 is (111). ) Easy to align. Thereby, the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment is excellent in hysteresis characteristics.

(半導体装置の製造方法)
次に、上記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つつ説明する。
図2(a)〜図2(d)、及び図3(a)〜図3(c)は、それぞれ図1の半導体装置100の製造工程の一例を模式的に示す断面図である。なお、図2及び図3では、図1の半導体装置100のうちスイッチングトランジスタ18を簡略化して示している。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 2A to FIG. 2D and FIG. 3A to FIG. 3C are cross-sectional views schematically showing an example of the manufacturing process of the semiconductor device 100 of FIG. 2 and 3, the switching transistor 18 in the semiconductor device 100 of FIG. 1 is shown in a simplified manner.

本実施形態の半導体装置100の製造方法は、以下の工程S1〜S6を有している。
(S1)基板10上に形成した層間絶縁膜26に貫通孔24を形成する工程。(S2)貫通孔24内を含む層間絶縁膜26上に第1導電膜を形成し、層間絶縁膜26上の第1導電膜を除去することで貫通孔24内に埋め込まれたプラグ導電層22を形成する工程。(S3)プラグ導電層22上のリセスを含む層間絶縁膜26上に第2導電膜を形成する工程。(S4)層間絶縁膜26上の第2導電膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理により除去してプラグ導電層22上のリセス内に第2導電膜を埋め込み、プラグ20の形成領域を含む層間絶縁膜26の上面を平坦化する工程。(S5)プラグ20上にチタン層を形成し、窒素を含む雰囲気下で熱処理を行なうことにより、チタン層を窒化チタン層12に変換する工程。(S6)窒化チタン層12上にバリア層14、第1電極32、強誘電体層34、第2電極36を積層して形成する工程。
The manufacturing method of the semiconductor device 100 of the present embodiment includes the following steps S1 to S6.
(S1) A step of forming the through hole 24 in the interlayer insulating film 26 formed on the substrate 10. (S2) The first conductive film is formed on the interlayer insulating film 26 including the inside of the through hole 24, and the plug conductive layer 22 embedded in the through hole 24 by removing the first conductive film on the interlayer insulating film 26. Forming. (S3) A step of forming a second conductive film on the interlayer insulating film 26 including the recess on the plug conductive layer 22. (S4) The second conductive film on the interlayer insulating film 26 is removed by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process, the second conductive film is embedded in the recess on the plug conductive layer 22, and the interlayer insulation including the region where the plug 20 is formed Flattening the upper surface of the film 26; (S5) A step of converting the titanium layer into the titanium nitride layer 12 by forming a titanium layer on the plug 20 and performing heat treatment in an atmosphere containing nitrogen. (S6) A step of laminating the barrier layer 14, the first electrode 32, the ferroelectric layer 34, and the second electrode 36 on the titanium nitride layer 12.

まず、半導体基板10にスイッチングトランジスタ18を形成する(図1参照)。次に、例えば常圧又は減圧CVD法により、TEOS(テトラエチルオルソシリケート)、BPSG(ボロンリンシリケートガラス)、NSG(ノンドープトシリケートガラス)等の酸化膜を形成する。このとき、前記酸化膜の膜厚が1μm程度以上であればスイッチングトランジスタ18上を十分に被覆することができる。続いて、CMP処理により前記酸化膜の表面を平坦化することで層間絶縁膜26を形成することができる。その後、例えばフォトリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて層間絶縁膜26に貫通孔24を形成する。   First, the switching transistor 18 is formed on the semiconductor substrate 10 (see FIG. 1). Next, an oxide film such as TEOS (tetraethylorthosilicate), BPSG (boron phosphorus silicate glass), NSG (non-doped silicate glass) is formed by, for example, atmospheric pressure or low pressure CVD. At this time, if the thickness of the oxide film is about 1 μm or more, the switching transistor 18 can be sufficiently covered. Subsequently, the interlayer insulating film 26 can be formed by planarizing the surface of the oxide film by CMP treatment. Thereafter, the through hole 24 is formed in the interlayer insulating film 26 using, for example, a photolithography method and a dry etching method.

次に、貫通孔24が形成された層間絶縁膜26上にスパッタ法等を用いて第1下地層22aとしてのチタン膜、及び第2下地層22bとしての窒化チタン膜を積層し、さらに第1導電膜としてのタングステン膜を形成する。次に、CMP処理により層間絶縁膜26上の第1下地層22a、第2下地層22b、及び第1導電膜を除去することで、図2(a)に示すように貫通孔24内に第1下地層22a、第2下地層22bを介して第1導電膜を埋め込んでなるプラグ導電層22を形成する。このとき、上記CMP処理によってプラグ導電層22上に深さ30nm程度の凹部からなるリセス24aが形成されている。   Next, a titanium film as the first underlayer 22a and a titanium nitride film as the second underlayer 22b are stacked on the interlayer insulating film 26 in which the through holes 24 are formed by using a sputtering method or the like, and further the first A tungsten film is formed as a conductive film. Next, the first base layer 22a, the second base layer 22b, and the first conductive film on the interlayer insulating film 26 are removed by CMP treatment, so that the first base layer 22a, the second base layer 22b, and the first conductive film are removed in the through hole 24 as shown in FIG. A plug conductive layer 22 is formed by embedding the first conductive film via the first base layer 22a and the second base layer 22b. At this time, a recess 24a made of a recess having a depth of about 30 nm is formed on the plug conductive layer 22 by the CMP process.

次に、図2(b)に示すように、層間絶縁膜26上にチタン窒化物又はチタン合金窒化物、例えばTiN又はTiAlNからなる第2導電膜121をスパッタ法等により形成する。成膜時の第2導電膜121の膜厚は、100nm〜500nm程度である。次いで、CMP処理により層間絶縁膜26上の第2導電膜121を除去し、図2(c)に示すように、リセス24a内に第2導電膜21が埋め込まれた状態とする。このようにして、貫通孔24内に埋め込まれた第1下地層22a、第2下地層22b、プラグ導電層22と、リセス24aに埋め込まれたチタン窒化物又はチタン合金窒化物からなる第2導電膜21とを備えたプラグ20を形成する。このようにリセス24a内に第2導電膜21を埋め込むことで、プラグ20の図示上面を層間絶縁膜26の表面に対して面一にすることができ、後段の工程で強誘電体キャパシタ30が形成される基板上の領域を良好に平坦化することができる。   Next, as shown in FIG. 2B, a second conductive film 121 made of titanium nitride or titanium alloy nitride, for example, TiN or TiAlN is formed on the interlayer insulating film 26 by sputtering or the like. The film thickness of the second conductive film 121 during film formation is about 100 nm to 500 nm. Next, the second conductive film 121 on the interlayer insulating film 26 is removed by CMP treatment, and the second conductive film 21 is embedded in the recess 24a as shown in FIG. In this manner, the first base layer 22a, the second base layer 22b, the plug conductive layer 22 embedded in the through hole 24, and the second conductive layer made of titanium nitride or titanium alloy nitride embedded in the recess 24a. A plug 20 having a film 21 is formed. By embedding the second conductive film 21 in the recess 24a in this manner, the upper surface of the plug 20 shown in the figure can be flush with the surface of the interlayer insulating film 26, and the ferroelectric capacitor 30 is formed in a subsequent process. A region on the substrate to be formed can be satisfactorily planarized.

また本発明に係る製造方法では、上記第2導電膜121のCMP処理に際して、リセス24a内に埋め込まれた第2導電膜の表面が酸化されるよう、酸性のスラリーを用いる。このようなスラリーとしては、金属膜研磨用のスラリーに酸化剤として添加する過酸化水素(H)の添加量を通常の2倍程度加えて調製したものを用いることができる。そして、このような酸性スラリーを用いたCMP処理によって、図2(c)に示すように第2導電膜21の表面部21a(深さ数nm以下の部分)に、チタン窒化物又はチタン合金窒化物が部分的に酸化された弱酸化層が形成される。なお、表面部21aを構成する層をここでは便宜的に弱酸化層と呼んでいるが、これは、酸性スラリーを用いたCMP処理によって第2導電膜21最表面のチタン窒化物やチタン合金窒化物の結晶構造が乱され、最表面の構成元素の一部に酸素原子が結合している状態を表したものである。従って、第2導電膜21を構成するチタンやアルミニウム等の酸化物により第2導電膜21の表面が覆われているのではないため、第2導電膜21とその上面に形成される窒化チタン層12とが絶縁されることはない。 In the manufacturing method according to the present invention, acidic slurry is used so that the surface of the second conductive film embedded in the recess 24a is oxidized during the CMP process of the second conductive film 121. As such a slurry, a slurry prepared by adding about twice the amount of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) added as an oxidizing agent to a slurry for polishing a metal film can be used. Then, as shown in FIG. 2 (c), titanium nitride or titanium alloy nitriding is performed on the surface portion 21a (a portion having a depth of several nm or less) of the second conductive film 21 by CMP treatment using such acidic slurry. A weak oxide layer is formed in which the product is partially oxidized. Here, for convenience, the layer constituting the surface portion 21a is called a weakly oxidized layer. This is because titanium nitride or titanium alloy nitriding on the outermost surface of the second conductive film 21 is performed by CMP treatment using an acidic slurry. This shows a state in which the crystal structure of the object is disturbed and oxygen atoms are bonded to some of the constituent elements on the outermost surface. Therefore, since the surface of the second conductive film 21 is not covered with an oxide such as titanium or aluminum constituting the second conductive film 21, the second conductive film 21 and the titanium nitride layer formed on the upper surface thereof are used. 12 is not insulated.

また、表面部21aでは、第2導電膜21の結晶構造が乱されてアモルファス層を形成しており、一般にアモルファス層は下地の結晶配向の影響を断ち切る作用を奏するため、当該第2導電膜21においてもプラグ導電層22を構成するタングステンの結晶配向を上記表面部21aで断ち切ることができ、後段の工程で第2導電膜21上に形成する薄膜の配向状態がプラグ導電層22ないし第2導電膜21の影響を受けることはなくなる。   In the surface portion 21a, the crystal structure of the second conductive film 21 is disturbed to form an amorphous layer. Generally, the amorphous layer has an effect of cutting off the influence of the underlying crystal orientation. In FIG. 5, the crystal orientation of tungsten constituting the plug conductive layer 22 can be cut off by the surface portion 21 a, and the orientation state of the thin film formed on the second conductive film 21 in the subsequent step is the plug conductive layer 22 to the second conductive layer. The film 21 will not be affected.

なお、表面部21aにおけるアモルファス層の形成をより確実なものとするために、第2導電膜121のCMP処理の後に、さらに第2導電膜21に対する逆スパッタ処理を実施してもよい。例えばアルゴンガスを励起したRFプラズマを第2導電膜21及び層間絶縁膜26の表面に対して照射することで、容易に表面部21aにアモルファス層を形成することができる。   In addition, in order to make the formation of the amorphous layer in the surface portion 21a more reliable, a reverse sputtering process may be further performed on the second conductive film 21 after the CMP process on the second conductive film 121. For example, by irradiating the surface of the second conductive film 21 and the interlayer insulating film 26 with RF plasma excited with argon gas, an amorphous layer can be easily formed on the surface portion 21a.

次に、図2(d)に示すように、プラグ20を含む層間絶縁膜26上の領域に、NHプラズマ処理を施す。NHプラズマ処理とは、アンモニアガスのプラズマをプラグ20表面(表面部21a)及び層間絶縁膜26の表面に照射することで、当該表面を改質する処理である。このような表面改質処理を行うことで、シリコン酸化物からなる層間絶縁膜26上のみならず、プラグ20上においても自己配向性の材料を成膜することで自己配向層を形成することができる。本実施形態の場合、自己配向層としてチタン層を形成し、これを窒化処理することで、高度に配向した窒化チタン層12を得る。
上記工程におけるNHプラズマ処理の条件として、例えば、チャンバ内に導入されるNHのガス流量を350sccm、チャンバ内の圧力を1Torr、基板温度を400℃、基板に供給される13.56MHz の高周波電源のパワーを100W、プラズマ発生領域に供給される350kHzの高周波電源のパワーを55W、電極と半導体基板10との距離を350mils、プラズマ照射時間を60秒に設定する。
Next, as shown in FIG. 2D, NH 3 plasma treatment is performed on the region on the interlayer insulating film 26 including the plug 20. The NH 3 plasma treatment is a treatment for modifying the surface of the plug 20 by irradiating the surface of the plug 20 (surface portion 21a) and the surface of the interlayer insulating film 26 with ammonia gas plasma. By performing such surface modification treatment, a self-orientation layer can be formed by forming a self-orientation material not only on the interlayer insulating film 26 made of silicon oxide but also on the plug 20. it can. In the case of this embodiment, a titanium layer is formed as a self-alignment layer, and this is nitrided to obtain a highly oriented titanium nitride layer 12.
As the NH 3 plasma treatment conditions in the above process, for example, the flow rate of NH 3 gas introduced into the chamber is 350 sccm, the pressure in the chamber is 1 Torr, the substrate temperature is 400 ° C., and the high frequency of 13.56 MHz supplied to the substrate. The power of the power source is set to 100 W, the power of the 350 kHz high frequency power source supplied to the plasma generation region is set to 55 W, the distance between the electrode and the semiconductor substrate 10 is set to 350 mils, and the plasma irradiation time is set to 60 seconds.

次に、図3(a)に示すように、NHプラズマ処理により表面改質されたプラグ20及び層間絶縁膜26上に、スパッタ法等により厚さ20nm程度のチタン層(自己配向層)12aを形成する。チタン層12aの膜厚は、当該チタン層12aを窒化処理してなる窒化チタン層12上に形成されるバリア層14の配向制御を良好なものとするため、5nm〜20nmとすることが好ましい。チタン層12aの膜厚が5nm未満であると、バリア層14を(111)配向に制御するのが困難となり、一方、チタン層12aの膜厚が20nmを超えると、後述する工程において、チタン層12aの窒化が進行しにくくなる。 Next, as shown in FIG. 3A, a titanium layer (self-alignment layer) 12a having a thickness of about 20 nm is formed on the plug 20 and the interlayer insulating film 26 surface-modified by NH 3 plasma treatment by sputtering or the like. Form. The film thickness of the titanium layer 12a is preferably 5 nm to 20 nm in order to improve the orientation control of the barrier layer 14 formed on the titanium nitride layer 12 formed by nitriding the titanium layer 12a. If the thickness of the titanium layer 12a is less than 5 nm, it becomes difficult to control the barrier layer 14 to the (111) orientation. On the other hand, if the thickness of the titanium layer 12a exceeds 20 nm, the titanium layer The nitridation of 12a is difficult to proceed.

本実施形態では、先のNHプラズマ処理によって自己配向性材料であるチタンが層間絶縁膜26上及び第2導電膜21上でc軸配向するようになり、(002)配向のチタン層12aを得ることができる。ところで、NHプラズマ処理を行わずにチタン層の成膜を行うと、層間絶縁膜26上においても良好な結晶配向性が得られないことがわかっている。これは、チタンが酸素原子と結びつきやすいため、何ら表面改質処理をしない状態で成膜するとシリコン酸化物である層間絶縁膜26表面の酸素原子と容易に結合し、チタン結晶の配向軸がc軸からずれた状態で結晶成長が生じるためであると考えられる。 In the present embodiment, titanium, which is a self-orienting material, is c-axis aligned on the interlayer insulating film 26 and the second conductive film 21 by the previous NH 3 plasma treatment, and the (002) -oriented titanium layer 12a is formed. Obtainable. By the way, it is known that when a titanium layer is formed without performing NH 3 plasma treatment, good crystal orientation cannot be obtained even on the interlayer insulating film 26. This is because titanium is easily bonded to oxygen atoms, and therefore, when the film is formed without any surface modification treatment, it easily bonds to oxygen atoms on the surface of the interlayer insulating film 26, which is a silicon oxide, and the orientation axis of the titanium crystal is c. This is probably because crystal growth occurs in a state deviated from the axis.

一方、NHプラズマ処理を施すことで、層間絶縁膜26上に(002)配向のチタン層12aを容易に得られるようになる。これは、NHプラズマ処理を行うことで、層間絶縁膜26を構成するシリコン酸化物の表面部に露出している酸素原子(O)に対してNH由来のNHx基が結合し、層間絶縁膜26の表面にO−N−H結合を形成するためであると考えられる。そして、チタンと結合しやすい表面の酸素原子に対して窒素原子及び水素原子を結合させて層間絶縁膜26とチタンとの反応性を低下させることができ、これにより表面に飛来したチタンのマイグレーションが促進され、その結果基板に対して垂直方向にチタン結晶のc軸を配向させることができるのであると考えられる。 On the other hand, the (002) -oriented titanium layer 12a can be easily obtained on the interlayer insulating film 26 by performing the NH 3 plasma treatment. This is because the NH 3 plasma treatment causes NH 3 groups derived from NH 3 to bond to oxygen atoms (O) exposed on the surface of the silicon oxide constituting the interlayer insulating film 26, thereby causing interlayer insulation. It is considered that this is because an O—N—H bond is formed on the surface of the film 26. Then, nitrogen atoms and hydrogen atoms can be bonded to the surface oxygen atoms that are easily bonded to titanium, thereby reducing the reactivity between the interlayer insulating film 26 and titanium. As a result, it is considered that the c-axis of the titanium crystal can be oriented in a direction perpendicular to the substrate.

上述したようにNHプラズマ処理は、シリコン酸化物膜上にチタン等を配向させるのに極めて有効であるが、本実施形態の場合、第2導電膜21の表面部21aがCMP処理の際に酸化されて弱酸化層を形成しているため、当該表面部21aについても酸素原子を多く含んだものとなっている。そのため、表面部21aにおいても上述したNHプラズマ処理が有効に機能する。そして、先に記載の第2導電膜21によるリセス24aの平坦化作用と、アモルファス状の表面部21aによるプラグ導電層22及び第2導電膜21の結晶配向の影響遮断作用と、上記NHプラズマ処理によるチタンマイグレーションの促進作用とにより、第2導電膜21上においても極めて良好に(002)配向したチタン層12aを得ることができる。
従って、本実施形態の製造方法によれば、層間絶縁膜26及びプラグ20上の全面で(002)配向のチタン層12aを形成することができる。
As described above, the NH 3 plasma treatment is extremely effective for orienting titanium or the like on the silicon oxide film, but in the present embodiment, the surface portion 21a of the second conductive film 21 is subjected to the CMP treatment. Since it is oxidized to form a weakly oxidized layer, the surface portion 21a also contains a large amount of oxygen atoms. Therefore, the NH 3 plasma treatment described above functions effectively also on the surface portion 21a. Then, the planarizing action of the recess 24a by the second conductive film 21 described above, the effect of blocking the influence of the crystal orientation of the plug conductive layer 22 and the second conductive film 21 by the amorphous surface portion 21a, and the NH 3 plasma. By the action of promoting titanium migration by the treatment, the (002) -oriented titanium layer 12a can be obtained even on the second conductive film 21.
Therefore, according to the manufacturing method of the present embodiment, the (002) -oriented titanium layer 12 a can be formed on the entire surface of the interlayer insulating film 26 and the plug 20.

次に、図3(b)に示すように、窒素雰囲気下でRTA(Rapid Thermal Annealing)処理によりチタン層12aを窒化処理して窒化チタン層12を得る。RTA処理の条件としては例えば650℃、2分間である。この窒化処理には以下の2つの効果がある。第一に、強誘電体キャパシタ30を形成した後の酸素雰囲気下での加熱処理(回復アニール処理)によってこのチタン層が酸化されるのを、本工程のRTA処理によりあらかじめ窒化しておくことで防止することができる。第二に、第2導電膜21の表面部21aが、先のCMP処理でアモルファス状の弱酸化層となっているため、この表面部21aに起因して強誘電体キャパシタ30とプラグ20とのコンタクト抵抗が上昇するおそれがある。これに対してRTA処理を行うことで、チタン層12aの窒化と同時にチタン層12aから表面部21aへチタンを拡散させることができるので、第2導電膜21と窒化チタン層12とをオーミック接続することができる。   Next, as shown in FIG. 3B, the titanium layer 12a is nitrided by an RTA (Rapid Thermal Annealing) process in a nitrogen atmosphere to obtain the titanium nitride layer 12. The conditions for the RTA treatment are, for example, 650 ° C. and 2 minutes. This nitriding treatment has the following two effects. First, the titanium layer is oxidized by the heat treatment (recovery annealing treatment) in the oxygen atmosphere after the ferroelectric capacitor 30 is formed by nitriding in advance by the RTA treatment in this step. Can be prevented. Second, since the surface portion 21a of the second conductive film 21 is an amorphous weak oxide layer by the previous CMP process, the ferroelectric capacitor 30 and the plug 20 are caused by the surface portion 21a. Contact resistance may increase. On the other hand, by performing the RTA process, titanium can be diffused from the titanium layer 12a to the surface portion 21a simultaneously with the nitridation of the titanium layer 12a, so that the second conductive film 21 and the titanium nitride layer 12 are ohmically connected. be able to.

次に、図3(c)に示すように、窒化チタン層12上にさらに強誘電体キャパシタ30の構成層を順次積層し、当該積層膜をパターニングすることで本発明に係る半導体装置100を製造することができる。バリア層14以降の製造工程について、以下に簡単に説明する。   Next, as shown in FIG. 3C, the constituent layers of the ferroelectric capacitor 30 are sequentially laminated on the titanium nitride layer 12, and the laminated film is patterned to manufacture the semiconductor device 100 according to the present invention. can do. The manufacturing process after the barrier layer 14 will be briefly described below.

窒化チタン層12上には、スパッタ法やCVD法を用いて、先に記載のTiAlN等からなるバリア層14を形成する。本実施形態では窒化チタン層12が良好な(002)配向を呈するものであるため、かかるバリア層14について(111)配向にエピタキシャル成長したTiAlN膜を形成することができる。
次いで、バリア層14上に、スパッタ法等を用いて例えば膜厚100nmのイリジウム膜を成膜することで、第1電極32を形成する。本実施形態では、バリア層14が良好な(111)配向を呈するものであるため、第1電極32についても良好な(111)配向のイリジウム膜を得ることができる。
On the titanium nitride layer 12, the barrier layer 14 made of TiAlN or the like described above is formed by sputtering or CVD. In this embodiment, since the titanium nitride layer 12 exhibits good (002) orientation, a TiAlN film epitaxially grown in the (111) orientation can be formed on the barrier layer 14.
Next, an iridium film having a thickness of, for example, 100 nm is formed on the barrier layer 14 using a sputtering method or the like, thereby forming the first electrode 32. In this embodiment, since the barrier layer 14 exhibits a good (111) orientation, an iridium film having a good (111) orientation can also be obtained for the first electrode 32.

次いで、第1電極32上に、スピンオン法,スパッタリング法,MOCVD法等を用いて例えば膜厚100nmのPZT膜を形成することで、強誘電体層34を形成する。上述したように第1電極32のイリジウム膜が良好な(111)配向を呈するものであるため、強誘電体層34についても良好な(111)配向のPZT膜を得ることができる。PZTにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、PZTの結晶配向は(111)配向であるのが好ましい。よって、バリア層14の結晶配向を(111)配向にすることにより、第1電極32及び強誘電体層34ともに(111)配向にすることができるため、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ30を得ることができる。   Next, a ferroelectric layer 34 is formed on the first electrode 32 by forming a PZT film having a film thickness of, for example, 100 nm using a spin-on method, a sputtering method, an MOCVD method, or the like. As described above, since the iridium film of the first electrode 32 exhibits a good (111) orientation, a PZT film having a good (111) orientation can also be obtained for the ferroelectric layer 34. When the content of titanium in PZT is larger than the content of zirconium, the crystal orientation of PZT is preferably a (111) orientation in terms of good hysteresis characteristics. Therefore, by setting the crystal orientation of the barrier layer 14 to the (111) orientation, both the first electrode 32 and the ferroelectric layer 34 can be set to the (111) orientation. Therefore, the ferroelectric capacitor 30 having excellent hysteresis characteristics. Can be obtained.

次いで、強誘電体層34上に、例えば膜厚100nmのイリジウムオキサイド膜と膜厚100nmのイリジウム膜との積層膜からなる第2電極36を形成する。第2電極36の成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法やCVD法が挙げられる。
以上の各層の成膜が終了したならば、所定のパターンのレジスト層を第2電極36上に形成し、このレジスト層R1をマスクとして、フォトリソグラフィ法によりパターニングを行なう。これにより、スタック型の強誘電体キャパシタ30を含む半導体装置100が得られる(図1参照)。この半導体装置100に含まれる強誘電体キャパシタ30は、バリア層14上に設けられた第1電極32と、第1電極32上に設けられた強誘電体層34と、強誘電体層34上に設けられた第2電極36とを有する。
Next, on the ferroelectric layer 34, for example, a second electrode 36 made of a laminated film of an iridium oxide film having a thickness of 100 nm and an iridium film having a thickness of 100 nm is formed. A method of forming the second electrode 36 can be selected as appropriate according to the material of the second electrode 36, and examples thereof include a sputtering method and a CVD method.
When the formation of the above layers is completed, a resist layer having a predetermined pattern is formed on the second electrode 36, and patterning is performed by photolithography using the resist layer R1 as a mask. Thereby, the semiconductor device 100 including the stacked ferroelectric capacitor 30 is obtained (see FIG. 1). The ferroelectric capacitor 30 included in the semiconductor device 100 includes a first electrode 32 provided on the barrier layer 14, a ferroelectric layer 34 provided on the first electrode 32, and the ferroelectric layer 34. And a second electrode 36.

なお、半導体装置100についてさらに第2電極36への導電接続構造を形成する場合には、さらに以下のような工程を行えばよい。
まず、基板10上に形成された強誘電体キャパシタ30を覆う水素バリア膜を、スパッタ法ないしALD(Atomic Layer Deposition)法を用いてアルミニウム酸化物(AlOx)を成膜することで形成する。次いで、かかる水素バリア膜を覆う層間絶縁膜を、PE−TEOSやHDP(高密度プラズマCVD)を用いてシリコン酸化物膜を成膜することにより形成し、形成したシリコン酸化物膜の表面をCMP処理により平坦化する。上記層間絶縁膜を形成したならば、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により層間絶縁膜及び水素バリア膜を貫通して上記第2電極36に達する貫通孔を形成し、かかる貫通孔内にプラグ20と同様の形成方法で、第1下地層及び第2下地層並びにプラグ導電層を形成することで、強誘電体キャパシタ30にコンタクトするプラグを形成することができる。
In addition, when the conductive connection structure to the second electrode 36 is further formed in the semiconductor device 100, the following steps may be further performed.
First, a hydrogen barrier film covering the ferroelectric capacitor 30 formed on the substrate 10 is formed by depositing aluminum oxide (AlOx) using a sputtering method or an ALD (Atomic Layer Deposition) method. Next, an interlayer insulating film that covers the hydrogen barrier film is formed by forming a silicon oxide film using PE-TEOS or HDP (high density plasma CVD), and the surface of the formed silicon oxide film is subjected to CMP. Flatten by processing. When the interlayer insulating film is formed, a through hole reaching the second electrode 36 through the interlayer insulating film and the hydrogen barrier film is formed by a photolithography method and a dry etching method. By forming the first base layer, the second base layer, and the plug conductive layer by the same formation method, a plug that contacts the ferroelectric capacitor 30 can be formed.

以上説明したように、本態様の半導体装置100の製造方法によれば、以下の作用効果を有する。
まず、貫通孔24内にプラグ導電層22を埋め込んだときに形成されるリセス24aにチタン窒化物又はチタン合金窒化物からなる第2導電膜21を埋め込むことで、窒化チタン層12が形成される面を良好に平坦化することができ、基板上の凹凸に起因して生じる強誘電体キャパシタ30の構成層の結晶配向性の低下を防止することができる。
また、本実施形態の製造方法では、上記第2導電膜21をリセス24aに埋め込むに際してのCMP処理において、酸性スラリーを用いることで、第2導電膜21の表面部21aについてアモルファス状の弱酸化層を形成している。そして、表面部21aがアモルファス状であることにより下層側のプラグ導電層22や第2導電膜21の結晶配向を断ち切ることができ、プラグ20上に形成されるチタン層12aを所望の配向状態に制御することが可能になる。さらに、表面部21aが弱酸化層であることにより、表面改質処理であるNHプラズマ処理が表面部21aにおいても有効に機能し、チタン層12aについてNHプラズマ処理を施された層間絶縁膜26表面と同様の自己配向性を得ることができる。
As described above, according to the manufacturing method of the semiconductor device 100 of this aspect, the following operational effects are obtained.
First, the titanium nitride layer 12 is formed by embedding the second conductive film 21 made of titanium nitride or titanium alloy nitride in the recess 24 a formed when the plug conductive layer 22 is embedded in the through hole 24. The surface can be satisfactorily flattened, and the deterioration of the crystal orientation of the constituent layers of the ferroelectric capacitor 30 caused by unevenness on the substrate can be prevented.
Further, in the manufacturing method of the present embodiment, an amorphous weak oxide layer is formed on the surface portion 21a of the second conductive film 21 by using acidic slurry in the CMP process when the second conductive film 21 is embedded in the recess 24a. Is forming. Since the surface portion 21a is amorphous, the crystal orientation of the lower plug conductive layer 22 and the second conductive film 21 can be cut off, and the titanium layer 12a formed on the plug 20 is brought into a desired orientation state. It becomes possible to control. Further, since the surface portion 21a is a weakly oxidized layer, the NH 3 plasma treatment which is a surface modification process functions effectively also in the surface portion 21a, and the interlayer insulating film in which the NH 3 plasma treatment is performed on the titanium layer 12a. Self-orientation similar to that of the 26 surface can be obtained.

また、プラグ20上に形成したチタン層12aについて窒素を含む雰囲気下でRTA処理を行なうことにより、チタン層12aを窒化チタン層12に変換しているので、窒化チタン層12について良好な結晶配向性を得ることができ、さらには窒化チタン層12上に形成されるバリア層14についても、その結晶配向性を向上させることができる。またRTA処理によりチタン層12aをあらかじめ窒化チタン層12に変換しているので、後の工程(例えば、強誘電体層34の特性回復のためのリカバリーアニール(酸素雰囲気下での熱処理))において、窒化チタン層12が酸化されるのを防止できる。さらにはRTA処理によってチタン層12aのチタンが第2導電膜21の表面部21aに拡散される結果、弱酸化層である表面部21aのコンタクト抵抗を改善することができる。   Further, the titanium layer 12a formed on the plug 20 is subjected to RTA treatment in an atmosphere containing nitrogen to convert the titanium layer 12a to the titanium nitride layer 12. Therefore, the titanium nitride layer 12 has good crystal orientation. Further, the crystal orientation of the barrier layer 14 formed on the titanium nitride layer 12 can also be improved. In addition, since the titanium layer 12a is converted into the titanium nitride layer 12 in advance by the RTA treatment, in a later process (for example, recovery annealing (heat treatment in an oxygen atmosphere) for recovering the characteristics of the ferroelectric layer 34), The titanium nitride layer 12 can be prevented from being oxidized. Furthermore, as a result of the titanium in the titanium layer 12a being diffused into the surface portion 21a of the second conductive film 21 by the RTA process, the contact resistance of the surface portion 21a, which is a weak oxide layer, can be improved.

なお、上記半導体装置(強誘電体メモリ装置)100は、携帯電話、パーソナルコンピュータ、液晶装置、電子手帳、ページャ、POS端末、ICカード、ミニディスクプレーヤ、液晶プロジェクタ、及びエンジニアリング・ワークステーション(EWS)、ワードプロセッサ、テレビ、ビューファイダ型またはモニタ直視型のビデオテープレコーダ、電子卓上計算機、カーナビゲーション装置、タッチパネルを備えた装置、時計、ゲーム機器、電気泳動装置など、様々な電子機器に適用することができる。   The semiconductor device (ferroelectric memory device) 100 includes a mobile phone, a personal computer, a liquid crystal device, an electronic notebook, a pager, a POS terminal, an IC card, a mini-disc player, a liquid crystal projector, and an engineering workstation (EWS). It can be applied to various electronic devices such as a word processor, a television, a viewfinder type or a monitor direct view type video tape recorder, an electronic desk calculator, a car navigation device, a device equipped with a touch panel, a clock, a game device, an electrophoresis device, etc. .

実施形態に係る半導体装置の模式断面図。1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment. 半導体装置の製造方法を説明するための断面工程図。Sectional process drawing for demonstrating the manufacturing method of a semiconductor device. 半導体装置の製造方法を説明するための断面工程図。Sectional process drawing for demonstrating the manufacturing method of a semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

100 半導体装置(強誘電体メモリ装置)、10 半導体基板、12 窒化チタン層、14 バリア層、18 スイッチングトランジスタ、20 プラグ、21 第2導電膜、21a 表面部、22 プラグ導電層(第1導電膜)、22a 第1下地層、22b 第2下地層、26 層間絶縁膜、30 強誘電体キャパシタ、32 第1電極、34 強誘電体層、36 第2電極   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Semiconductor device (ferroelectric memory device), 10 Semiconductor substrate, 12 Titanium nitride layer, 14 Barrier layer, 18 Switching transistor, 20 Plug, 21 2nd conductive film, 21a Surface part, 22 Plug conductive layer (1st conductive film) ), 22a First underlayer, 22b Second underlayer, 26 Interlayer insulating film, 30 Ferroelectric capacitor, 32 First electrode, 34 Ferroelectric layer, 36 Second electrode

Claims (3)

基板上の層間絶縁膜に形成された貫通孔内に設けられてなるプラグを介した導電接続構造を具備し、前記プラグ上の領域を含む前記層間絶縁膜上の領域に第1電極と強誘電体膜と第2電極とを順に積層してなる強誘電体メモリ装置の製造方法であって、
前記基板上の前記層間絶縁膜に前記貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔内にタングステンからなる第1導電膜を埋め込んでプラグ導電層を形成する工程と、
前記プラグ導電層上に形成されたリセスを含む前記層間絶縁膜上にチタン窒化物膜又はチタン合金窒化物膜からなる第2導電膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上の前記第2導電膜にCMP処理を施して前記リセス内に前記第2導電膜を埋め込み、その後に前記第2導電膜の表面を逆スパッタ処理することで、当該第2導電膜の表面部にアモルファス層を形成する工程と、
を有し、
前記第2導電膜及び前記層間絶縁膜に対して、水素と窒素との結合を分子構造中に有するガスのプラズマを励起して照射する工程と、
前記アモルファス層と前記層間絶縁膜とに対して、c軸配向の自己配向性を有するチタン層を形成する工程と、
前記チタン層を形成した後、窒素雰囲気下での加熱処理により前記チタン層の窒化処理を施すことで、窒化チタン層を形成する工程と、
前記窒化チタン層上にバリア層を形成し、前記バリア層上に前記第1電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする強誘電体メモリ装置の製造方法。
A conductive connection structure through a plug provided in a through hole formed in an interlayer insulating film on a substrate is provided, and a first electrode and a ferroelectric are formed in a region on the interlayer insulating film including a region on the plug A method for manufacturing a ferroelectric memory device in which a body film and a second electrode are sequentially stacked ,
Forming the through hole in the interlayer insulating film on the substrate;
Burying a first conductive film made of tungsten in the through hole to form a plug conductive layer;
Forming a second conductive film made of a titanium nitride film or a titanium alloy nitride film on the interlayer insulating film including the recess formed on the plug conductive layer;
The second conductive film on the interlayer insulating film is subjected to a CMP process, the second conductive film is embedded in the recess, and then the surface of the second conductive film is subjected to a reverse sputtering process, whereby the second conductive film Forming an amorphous layer on the surface of the film;
I have a,
Irradiating the second conductive film and the interlayer insulating film by exciting plasma of a gas having a bond of hydrogen and nitrogen in a molecular structure;
Forming a titanium layer having self-orientation of c-axis orientation with respect to the amorphous layer and the interlayer insulating film;
Forming the titanium layer by performing nitriding treatment of the titanium layer by heat treatment under a nitrogen atmosphere after forming the titanium layer;
Forming a barrier layer on the titanium nitride layer and forming the first electrode on the barrier layer;
A method for manufacturing a ferroelectric memory device , comprising:
前記第2導電膜のCMP処理において、前記第2導電膜の表面を酸化させることを特徴とする請求項に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。 Wherein the CMP process of the second conductive film, method of manufacturing a ferroelectric memory device according to claim 1, wherein the oxidizing the surface of the second conductive film. 前記窒化チタン層上に(111)配向を有する前記バリア層を形成し、前記バリア層上に(111)配向を有する前記第1電極を形成する工程を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。  The method includes forming the barrier layer having a (111) orientation on the titanium nitride layer and forming the first electrode having a (111) orientation on the barrier layer. A method for manufacturing a ferroelectric memory device according to claim 1.
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