JP2004039728A

JP2004039728A - Semiconductor device and manufacturing method thereof

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Publication number: JP2004039728A
Application number: JP2002192015A
Authority: JP
Inventors: ▲もたい▼　貴子; Takako Motai; Yasuo Ebuchi; 江渕　康男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】リーク電流が低減でき、容量の電圧依存性のないキャパシタ特性維持、制御することが容易な半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板に形成され、ＴｉＮ　を電極、Ｔａ２Ｏ５　等の高誘電率の金属酸化物を誘電体膜とするキャパシタにおいて、上部電極１３もしくは下部電極１１、あるいは上部電極及び下部電極と誘電体膜１２との間にアルミニウム酸化膜（Ａｌ２Ｏ３　）３２、３３及びアルミニウム窒化膜（ＡｌＮ　）３１、３４を形成する。ＴｉＮ　電極と接する層をＡｌＮ　とし、誘電体膜と接する層をＡｌ２Ｏ３　とすることによってＴｉＮ　電極に直接酸化物が接することなく、電極と誘電体膜との間に容量の電圧変動を生じさせる主要因であるＴｉＯｘ膜が生じることを防ぐ。誘電体膜をバンドギャップの大きい良質な絶縁膜であるＡｌ２Ｏ３　膜で挟み込むことができるのでリーク電流が低減し、特性の制御が容易となる。
【選択図】図２Provided is a semiconductor device capable of reducing leakage current and easily maintaining and controlling capacitor characteristics without capacitance voltage dependency, and a method for manufacturing the same.
In a capacitor formed on a semiconductor substrate and using TiN 2 as an electrode and a metal oxide having a high dielectric constant such as Ta 2 O 5 as a dielectric film, an upper electrode 13 or a lower electrode 11, or an upper electrode and a lower electrode and a dielectric Aluminum oxide films (Al 2 O 3) 32 and 33 and aluminum nitride films (AlN 2) 31 and 34 are formed between the films 12 and 13. By making the layer in contact with the TiN electrode AlN and the layer in contact with the dielectric film Al2O3, the oxide is not directly in contact with the TiN electrode, and the main factor that causes a voltage fluctuation of the capacitance between the electrode and the dielectric film. Is prevented from being formed. Since the dielectric film can be sandwiched between Al2O3 films, which are high-quality insulating films having a large band gap, leakage current is reduced and characteristics can be easily controlled.
[Selection diagram] FIG.

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に係り、とくに半導体基板上に形成された多層配線間に配置形成されたタンタル酸化膜（Ｔａ_２Ｏ_５）からなる高誘電率の誘電体膜を用いたキャパシタの構造及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
タンタル酸化（Ｔａ_２Ｏ_５）膜は、半導体装置の絶縁膜として多用されている。シリコン窒化（ＳｉＮ）膜やシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜などに比べて高い誘電率を有しているので、半導体装置に組み込まれる次世代のキャパシタ誘電体膜として注目を集めている。しかし、タンタル酸化物（Ｔａ_２Ｏ_５）は、バンドギャップが狭く、熱的な安定性も良くなく、またリーク電流の低減が困難であるなどキャパシタ特性に問題があるものであった。システム系のデバイスは、高速化を目指すためには寄生容量を減らす必要があり、金属を電極としたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）キャパシタを使用することが望ましいが、タンタル酸化膜を半導体基板上に形成された金属電極上に形成する場合、電極を酸化する恐れがある。とくにタンタル酸化膜の形成を安価で技術的にも確立されているスパッタリング法で行うと、キャパシタの下部電極は、酸素プラズマに曝されることになり、下部電極界面は酸化されてしまう。
このように、誘電体膜形成やその後の工程によって、誘電体膜と接している電極界面が酸化されると、キャパシタの容量低下や容量の印加電圧依存性の増大、及びリーク電流増加が生じ、キャパシタ特性が劣化する。
【０００３】
図１１は、従来のキャパシタを備えた半導体装置を示す断面図である。
半導体基板１００には、例えば、ｐ型シリコン半導体を用いる。半導体基板１００の表面には、ＳＩＴ等のシリコン酸化物、その他の絶縁物が埋め込まれた素子分離領域１０１が形成されており、素子分離領域１０１に区画された素子領域にはＭＯＳトランジスタが形成されている。ＭＯＳトランジスタは、ｎ型ソース／ドレイン領域１０２とソース／ドレイン領域間の上に設けられているシリコン酸化膜などからなるゲート絶縁膜１０３及びゲート絶縁膜１０３の上のポリシリコンなどからなるゲート電極１０４が形成されている。ゲート電極１０４の表面及び側壁にはシリコン酸化膜などのトランジスタ保護絶縁膜１０５が形成されている。半導体基板１００上にはＭＯＳトランジスタを被覆するようにシリコン酸化膜などからなる層間絶縁膜１０６が形成されている。層間絶縁膜１０６の表面に、例えば、アルミニウム等からなる埋め込み配線１０８が形成されており、この埋め込み配線１０８とゲート電極１０４とは、層間絶縁膜１０６を貫いて両者間に形成されたコンタクト孔に埋め込まれた接続プラグ１０７により電気的に接続されている。接続プラグ１０７は、タングステンやアルミニウム、銅やその合金などを用いることができる。また、埋め込み配線１０８は、アルミニウムの他にアルミニウム合金、銅やその合金もしくは多層の金属膜が用いられる。
【０００４】
層間絶縁膜１０６上には層間絶縁膜１０９が形成されている。層間絶縁膜１０９は、シリコン酸化膜などからなり、ＣＶＤ法等により形成される。層間絶縁膜１０９の表面に、例えば、アルミニウム等からなる埋め込み配線１１５が形成されており、この埋め込み配線１１５とソース／ドレイン領域１０２の一方の領域とは層間絶縁膜１０６、１０９を貫いて両者間に形成されたコンタクト孔に埋め込まれた接続プラグ１１４により電気的に接続されている。接続プラグ１１４はタングステンやアルミニウム、銅やその合金などを用いることができる。埋め込み配線１１５は、アルミニウムの他にアルミニウム合金、銅やその合金もしくは多層の金属膜が用いられる。
この埋め込み配線１１５の上にキャパシタが形成されている。キャパシタは、埋め込み配線１１５上に堆積された、例えば、チタンナイトライド（ＴｉＮ）膜からなる下部電極１１１と、下部電極１１１の上に形成された、例えば，タンタル酸化物などの高誘電率金属酸化膜１１２及び高誘電率金属酸化膜１１２上のＴｉＮ膜等からなる上部電極１１３によって構成されている。
【０００５】
層間絶縁膜１０９の上にキャパシタを被覆するように層間絶縁膜１１６が形成されている。層間絶縁膜１１６は、シリコン酸化膜などからなり、ＣＶＤ法などにより形成される。層間絶縁膜１１６に、例えば、アルミニウム等からなる埋め込み配線１１９、１２０が形成されており、埋め込み配線１１９と上部電極１１３とは、層間絶縁膜１１６をして両者間に形成されたコンタクト孔に埋め込まれたアルミニウムなどの接続プラグ１１８により電気的に接続されている。また、埋め込み配線１２０と埋め込み配線１１５とは、層間絶縁膜１１６を介して両者間に形成されたコンタクト孔に埋め込まれたアルミニウムなどの接続プラグ１１７により電気的に接続されている。これら埋め込み配線１１９、１２０は、シリコン酸化膜のような保護絶縁膜１２１により被覆されている。
【０００６】
図１２は、図１１のキャパシタ部分を拡大した断面図であり、誘電体膜と電極の積層構造を詳細に示している。前述のように、キャパシタは、下部電極（ＴｉＮ）１１１、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）層１１１′、高誘電率の誘電体膜（Ｔａ_２Ｏ_５）１１２、酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）層１１３′及び上部電極（ＴｉＮ）１１３からなる積層体を構成している。半導体技術においてタングステンなどに対するバリアメタルとして広く使われているＴｉＮをキャパシタ電極として用いることによって、成膜装置・加工装置を共通とすることが出来、コスト的に大きなメリットが生じる。しかし、ＴｉＮは、耐酸化性が十分ではなく、高誘電体膜（Ｔａ_２Ｏ_５）の形成過程等において、あるいはその後の熱工程において、電極であるＴｉＮと誘電体膜Ｔａ_２Ｏ_５との間には新たに酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）よりなる界面層１１１′、１１３′が形成される。ＴｉＯ_Ｘは様々な組成を持ち、ｘの値は連続的に変化する。その特性は、ｘの値によって導電体から絶縁体まで変化するので、熱安定性に乏しく特性制御が著しく困難である。
【０００７】
とくにＴｉＯ_ｘが半導体的な特性を持つと、キャパシタに電圧を印加した場合にＴｉＯ_Ｘ中に空乏層が形成されることになる。空乏層容量は印加電圧と共に変化するので、キャパシタ容量の電圧による変動が生じる。
また、リーク電流もＴｉＯ_ｘ中の準位を介して流れるようになるので、プロセスの熱負荷が小さく、ＴｉＯ_ｘが非常に薄く形成されるので、キャパシタ容量の減少が僅かであった場合でも、リーク電流や容量の印加電圧変動に与える影響は大きい。
したがって、ＴｉＮを電極、Ｔａ_２Ｏ_５を誘電体膜としたキャパシタは、電極／誘電体膜との間に形成される界面層ＴｉＯ_ｘによってリーク電流及び容量の印加電圧変動が大きく、その上、特性制御が難しく良好な特性を得るに至っていない。
一方、ＴｉＮ上部電極／Ｔａ_２Ｏ_５界面では上部電極形成の影響を受け、低酸素組成のタンタル酸化（ＴａＯ_ｘ）層が形成されてしまう傾向にあるため、リーク電流が増大し、キャパシタ容量は低下する。さらにキャパシタ加工工程でのダメージによるリーク電流増大・キャパシタ容量の低下も生じる。
【０００８】
キャパシタのリーク電流増大・容量低下は、タンタル酸化膜のデバイス応用を妨げることになるため、これをキャパシタに用いることは実際には非常に困難であった。
そこで、電極とタンタル酸化（Ｔａ_２Ｏ_５）膜の間にアルミニウム酸化（Ａｌ_２Ｏ_３）膜を挿入することによる特性改善が考えられた（特願２００１−１９５９３４）。アルミニウム酸化（Ａｌ_２Ｏ_３）は、バンドギャップが広く、リーク電流の効果的なエネルギー障壁となると同時に、熱的に極めて安定な材料であるため、Ｔａ_２Ｏ_５／ＴｉＮの界面に挿入することによって、熱処理に安定なリーク電流の極めて少ないキャパシタを作成することができる。
【０００９】
しかし、成膜中は酸素雰囲気を必要とするため下層のＴｉＮ電極を酸化してしまうという問題が生じる。ＴｉＮを酸化することによりアルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）膜は不均一な組成を持つ不安定な膜となってしまい、Ａｌ_２Ｏ_３の熱的な安定性は十分に発揮されない。また、アルミニウム酸化（Ａｌ_２Ｏ_３）膜は、酸素・水素バリア性も良く、タンタル酸化（Ｔａ_２Ｏ_５）膜をアルミニウム酸化（Ａｌ_２Ｏ_３）膜で覆うことによりキャパシタ加工時の保護膜として有望である。しかし、Ｔａ_２Ｏ_５上にＡｌ_２Ｏ_３膜を形成すると、Ｔａ_２Ｏ_５中に酸素を打ち込むこととなる。そして過剰酸素はＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われているので、Ｔａ_２Ｏ_５膜を抜けないため酸素過剰な低誘電ＴａＯ_ｘ層が形成される。
このように、電極とＴａ_２Ｏ_５界面にＡｌ_２Ｏ_３を挿入する方法は、理論的にはリーク電流を抑制し、熱的安定性を向上させ、誘電率を維持できる方法であるが、実際には不完全な方法であり、特性改善は十分ではない。
【００１０】
【発明が解決しようする課題】
システム系の半導体素子では性能向上とコスト力強化を目指して、キャパシタのＭＩＭ構造化と素子面積縮小が進んでいる。素子面積縮小に不可欠なキャパシタ面積縮小を進める上で、誘電体膜の薄膜化が限界に来ている現状では、Ｔａ_２Ｏ_５等の高誘電率の誘電体膜の適応が不可欠である。しかしながら、現在バリアメタル等として広く使われているＴｉＮはこれらの高誘電体膜の電極として必要な耐酸化性に乏しく、誘電体と電極との間にＴｉＯ_ｘが生成してしまうことは必須である。ＴｉＯ_ｘは、リーク電流及び容量の印加電圧変動に大きく影響を与え、大きく増大させてしまう。その上、特性制御が難しく、歩留まりを著しく低下させる要因となる。このような事情でＴａ_２Ｏ_５等の高誘電体膜を適応し、キャパシタ面積を縮小する試みは実用化の目処は立っていない。一方、キャパシタ電極用として新たな物質を取り入れることは、成膜装置・加工装置の専用化を意味し、大幅なコスト増に繋がるため、キャパシタ面積縮小によるコスト低減効果を相殺することになり、実際的な方法ではない。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、リーク電流の低減・容量の印加電圧変動の抑制にすぐれた半導体装置に用いられるキャパシタを提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板にＴｉＮ電極及びＴａ_２Ｏ_５誘電体膜を有するキャパシタを形成する場合において、Ａｌ_２Ｏ_３／ＡｌＮの積層膜をＴｉＮ電極／Ｔａ_２Ｏ_５界面に挿入することを特徴としている。この積層膜を用いることにより、ＴｉＮ電極の酸化を防止し、同時に、その後の熱処理でＴａ_２Ｏ_５／ＴＩＮ電極間で酸化−還元反応が進行することを防止することができる。また、タンタル酸化（Ｔａ_２Ｏ_５）膜中の余剰酸素による低誘電率ＴａＯ_ｘ層の形成を防止し、高誘電率を維持することができる。また、下部電極ＴｉＮ上に一旦ＡｌＮ等の窒化物を形成し、その後Ａｌ_２Ｏ_３膜を形成することにより、直接ＴｉＮ下部電極が酸素プラズマに曝されることを防止できるので、ＴｉＮの酸化を防ぎ、良質で均一なＡｌ_２Ｏ_３膜を形成することができる。また、タンタル酸化（Ｔａ_２Ｏ_５）膜上にＡｌＮ等の窒化物を形成して、その後窒化膜上にアルミニウム酸化（Ａｌ_２Ｏ_３）膜を形成することによってタンタル酸化（Ｔａ_２Ｏ_５）膜への酸素打ち込みを防止することができると共に、アルミニウム酸化膜がタンタル酸化膜中の余剰酸素の吸収体となるため、ＴａＯ_ｘの低誘電率層の形成は防止される。
【００１２】
Ａｌ_２Ｏ_３は、バンドギャップが広く，熱的・化学的にも安定な誘電体であるために、電極とＴａ_２Ｏ_５等の誘電体膜との間に挟み込むと、リーク電流抑制には極めて有効である。
図８にタンタル酸化（Ｔａ_２Ｏ_５）膜とＴｉＮ電極との間にＡｌ_２Ｏ_３膜を挿入した場合としない場合のバンドラインナップを比較した。もちろん、Ａｌ_２Ｏ_３膜でＴａ_２Ｏ_５膜を挟み込むことは、キャパシタ容量の低下をもたらす。しかし、図８のように高いＡｌ_２Ｏ_３のバリアハイトによって電極からの電子注入が阻止されるので、リーク電流は著しく低下する。Ａｌ_２Ｏ_３膜も薄くても十分であり、Ｔａ_２Ｏ_５膜を薄膜化することも可能なので、必要に応じて容易に容量低下を補うことができる。さらに、Ａｌ_２Ｏ_３の誘電率は１０程度とＳｉＮやＳｉＯ_２よりも大きく、Ａｌ_２Ｏ_３中の酸素の拡散係数は非常に小さいため、Ａｌ_２Ｏ_３膜が形成されることによってプロセス中での誘電体膜からの酸素の脱離・拡散を防ぎ、良好なキャパシタ特性を維持することが可能になる。
しかし、Ａｌ_２Ｏ_３膜は、Ｔａ_２Ｏ_５等の誘電体膜よりも安定性が良いとは言うものの、ＴｉＮ等の電極上に直接、形成する場合にはＴａ_２Ｏ_５の場合と同様の問題が生じる。すなわち、電極表面の酸化である。Ａｌ_２Ｏ_３堆積時あるいはその後の熱プロセスでＴｉＮ電極との表面にはＴｉＯ_ｘが形成されてしまう。
【００１３】
本発明は、この問題を電極とＡｌ_２Ｏ_３膜との間にさらにＡｌＮ膜を挟み込むことで解決している。ＡｌＮは、極めて抵抗が高く、導電性はほとんどない。ＡｌＮはバンドギャップが小さいので、そのままではリーク電流抑制効果はないが、誘電率がＡｌ_２Ｏ_３と同程度なので薄膜で使用する場合はキャパシタ容量の低下は許容範囲とすることができる。ＴｉＮ膜とＡｌＮ膜を積層する場合は、酸化物・酸化性雰囲気を使用する必要がないので、酸化はもちろん起こらず、良好な界面を形成することができる。一方、ＡｌＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜を堆積する場合は、Ａｌ_２Ｏ_３膜と接触して酸化された部分はＡｌ_２Ｏ_３層となるため、実質的なＡｌ_２Ｏ_３膜厚は増加し、リーク電流はさらに低減される。この時、ＡｌＮの外側に位置するＴｉＮが酸化されることはないので、ＴｉＯ_ｘの生成を防止することが出来、誘電体膜と電極との界面は良好に保たれる。
【００１４】
図９は、深さ方向に組成プロファイルを評価したものである。Ｔａ_２Ｏ_５／Ａｌ_２Ｏ_３／ＴｉＮの積層構造とＴａ_２Ｏ_５／Ａｌ_２Ｏ_３／ＡｌＮ／ＴｉＮの積層構造で比較を行った。Ｔａ_２Ｏ_５／Ａｌ_２Ｏ_３／ＴｉＮは、Ａｌの組成カーブに対して酸素のカーブの方がＴｉＮ側に侵入して、ＴｉＮが酸化されている様子がわかる。一方、Ｔａ_２Ｏ_５／Ａｌ_２Ｏ_３／ＡｌＮ／ＴｉＮは、ＡｌＮ中にも若干酸素の存在が認められるが、ＴｉＮ中に侵入している様子は見られず、ＴｉＯ_ｘの生成はないことが示された。
本発明を実施することによりＴｉＮ電極と高誘電体Ｔａ_２Ｏ_５膜との間の反応層形成を抑制し、良好な特性の半導体装置用キャパシタを得ることができる。
【００１５】
本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部電極、前記下部電極上に形成された誘電体膜及び前記誘電体膜上に形成された上部電極から構成されたキャパシタとを具備し、前記誘電体膜は、高誘電率のタンタル酸化膜からなり、前記下部電極及び前記上部電極の少なくとも一方はチタンナイトライド層からなり、前記チタンナイトライド層からなる電極と前記誘電体膜との間にはアルミニウム酸化膜及びアルミニウム窒化膜が形成されていることを特徴としている。前記アルミニウム酸化膜及び前記アルミニウム窒化膜は、複数層から構成され、前記誘電体膜と接する層がアルミニウム酸化膜であり、前記チタンナイトライドからなる電極と接する層がアルミニウム窒化膜であるようにしても良い。
また、本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部電極、前記下部電極上に形成された誘電体膜及び前記誘電体膜上に形成された上部電極から構成されたキャパシタとを具備し、前記誘電体膜は、高誘電率のタンタル酸化膜からなり、前記上部電極と前記誘電体膜との間にはアルミニウム酸化膜及びアルミニウム窒化膜が形成され、前記アルミニウム酸化膜は、前記誘電体膜に接触していることを特徴としている。前記アルミニウム酸化膜と前記アルミニウム窒化膜との間にはアルミニウム酸窒化膜が形成されていても良い。前記アルミニウム窒化膜の膜厚は、前記アルミニウム酸化膜の膜厚より薄くしても良い。
【００１６】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に下部電極を構成するチタンナイトライド層を形成する工程と、前記チタンナイトライド層上に誘電体膜を構成するタンタル酸化膜を形成する工程と、前記タンタル酸化膜上にチタンナイトライド層を形成してこれを上部電極とする工程と、前記下部電極と前記誘電体膜の間又は前記上部電極と前記誘電体膜との間もしくは前記下部電極と前記誘電体膜の間及び前記上部電極と前記誘電体膜との間にアルミニウム酸化膜とアルミニウム窒化膜とを形成する工程とを具備し、前記アルミニウム酸化膜は、前記誘電体膜に接しており、前記アルミニウム窒化膜は、前記下部電極もしくは前記上部電極に接していることを特徴としている。前記アルミニウム窒化膜の膜厚は、前記アルミニウム酸化膜の膜厚より薄くしても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し実施例に則して発明の実施の形態を説明する。
まず、図１乃至図６、図８を参照して第１の実施例を説明する。
図１は、キャパシタを有する半導体装置の断面図、図２は、図１の半導体基板のキャパシタ部分の拡大断面図、図３及び図４は、図１に示されたキャパシタと他の従来構造のキャパシタとの特性比較を行った特性図、図５は、図１の半導体装置に組み込むことができるキャパシタの他の例を示す断面図、図６は、図５のキャパシタの特性を他のキャパシタと比較した特性図、図８は、タンタル酸化　（Ｔａ_２Ｏ_５）膜とＴｉＮ電極との間にＡｌ_２Ｏ_３膜を挿入した場合としない場合のバンドラインナップを比較した模式図である。
【００１８】
半導体基板１０には、例えば、ｐ型シリコン半導体を用いている。半導体基板１０の表面には、ＳＴＩ等のシリコン酸化物、その他の絶縁物が埋め込まれた素子分離領域１が形成されており、素子分離領域１に区画された素子領域にはＭＯＳトランジスタが形成されている。ＭＯＳトランジスタは、ｎ型ソース／ドレイン領域２とソース／ドレイン領域間の上に設けられているシリコン酸化膜などからなるゲート絶縁膜３及びゲート絶縁膜３の上のポリシリコンなどのゲート電極４から形成されている。ゲート電極４の表面及び側壁にはシリコン酸化膜などの保護絶縁膜５が形成されている。半導体基板１０上にはＭＯＳトランジスタを被覆するようにシリコン酸化膜などからなる層間絶縁膜６が形成されている。層間絶縁膜６の表面には、例えば、アルミニウム等からなる埋め込み配線８が形成されており、この埋め込み配線８とゲート電極４とは、層間絶縁膜６を貫いて両者間に形成されたコンタクト孔に埋め込まれた接続プラグ７により電気的に接続されている。接続プラグ７は、タングステンやアルミニウム、銅やその合金などを用いることができる。また、埋め込み配線８は、アルミニウムの他にアルミニウム合金、銅やその合金もしくは多層の金属膜が用いられる。層間絶縁膜６の上に層間絶縁膜９が形成されている。
【００１９】
層間絶縁膜９は、シリコン酸化膜などからなり、ＣＶＤ法等により形成される。層間絶縁膜９の表面に、例えば、アルミニウム等からなる埋め込み配線１５が形成されており、この埋め込み配線１５とソース／ドレイン領域２の一方の領域とは層間絶縁膜６、９を貫いて両者間に形成されたコンタクト孔に埋め込まれた接続プラグ１４により電気的に接続されている。接続プラグ１４は、タングステンやアルミニウム、銅やその合金などを用いることができる。埋め込み配線１５は、アルミニウムの他にアルミニウム合金、銅やその合金もしくは多層の金属膜が用いられる。
この埋め込み配線１５の上にキャパシタＣが形成されている。キャパシタＣは、埋め込み配線１５上に位置し、ＴｉＮからなる下部電極１１と、同じくＴｉＮからなる上部電極１３の間に構成されている。層間絶縁膜９の上にキャパシタＣを被覆するように層間絶縁膜１６が形成されている。層間絶縁膜１６は、シリコン酸化膜などからなり、ＣＶＤ法などにより形成される。層間絶縁膜１６に、例えば、アルミニウム等からなる埋め込み配線１９、２０が形成されており、埋め込み配線１９と上部電極１３とは、層間絶縁膜１６を介して両者間に形成されたコンタクト孔に埋め込まれたアルミニウムなどの接続プラグ１８により電気的に接続されている。また、埋め込み配線２０と埋め込み配線１５とは、層間絶縁膜１６を介して両者間に形成されたコンタクト孔に埋め込まれたアルミニウムなどの接続プラグ１７により電気的に接続されている。これら埋め込み配線１９、２０は、シリコン酸化膜のような保護絶縁膜２１により被覆されている。
【００２０】
図２は、図１に示されたキャパシタＣを拡大した断面図であり、誘電体膜と電極の積層構造を詳細に示している。埋め込み配線１５（図１参照）上に堆積されたキャパシタＣは、下部電極（ＴｉＮ膜）１１、アルミニウム窒化（ＡｌＮ）膜３１、アルミニウム酸化（Ａｌ_２Ｏ_３）膜３２、誘電体膜（Ｔａ_２Ｏ_５膜）１２、アルミニウム酸化（Ａｌ_２Ｏ_３）膜３３、アルミニウム窒化（ＡｌＮ）膜３４及び上部電極（ＴｉＮ）膜１３からなる積層体を構成している。
次に、図２を参照してキャパシタの製造方法について説明する。下部電極１１となるＴｉＮ膜は、スパッタリング法あるいはＣＶＤ法などにより埋め込み配線１５上に堆積される。そして、このＴｉＮ膜上に、例えば、ＡｌのＡｒとＮ_２の混合ガスによる反応性スパッタによってＡｌＮ膜３１を堆積させる。その後、一旦反応室内を排気した後、ＡｒとＯ_２の混合ガスによる反応性スパッタによってＡｌ_２Ｏ_３膜３２を堆積させる。この時、ＡｌＮ膜３１の表面はＯ_２に曝されるため酸化され、表面近傍はＡｌ_２Ｏ_３となり、Ａｌ_２Ｏ_３膜３２と一体化する。この上に誘電体膜（Ｔａ_２Ｏ_５膜）１２をＡｒとＯ_２の混合ガスによる反応性スパッタもしくはＣＶＤ法によって堆積する。この誘電体膜１２の形成方法は、塗布法を用いることもできる。
【００２１】
次に、ＡｒとＯ_２の混合ガスによるＡｌの反応性スパッタによってＡｌ_２Ｏ_３膜３３を誘電体膜１２上に堆積させる。この時、Ｔａ_２Ｏ_５膜１２は、酸素プラズマに曝されるため、膜中の酸素欠損が減少して膜質が向上する。次にＡｒとＮ_２混合ガスによるＡｌの反応性スパッタリング法などを用いてＡｌＮ膜３４を形成する。この時、Ａｌ_２Ｏ_３膜３３と接触する界面近傍のＡｌＮは酸化され、Ａｌ_２Ｏ_３となってＡｌ_２Ｏ_３膜３３と一体化する。その後、上部電極１３となるＴｉＮ膜をスパッタリング法あるいはＣＶＤ法などにより堆積させてキャパシタが完成する。この間、ＴｉＮ膜よりなる電極１１、１３は、酸化膜あるいは酸素プラズマとも接触しないので、図８に見られるように、ＴｉＯ_ｘ層の存在は見られない。また、後の工程においても、Ａｌ_２Ｏ_３の熱的安定性が高く、酸素拡散を低く抑えることができるので、ＴｉＯ_ｘが形成されることはない。
【００２２】
図３は、キャパシタのリーク電流の印加電圧依存性を示す特性図であり、縦軸が電流密度（Ａ／ｍｍ^２）、横軸が印加電圧（Ｖ）を表している。図中、この実施例で説明する図１のキャパシタα（ＴｉＮ／ＡｌＮ／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｔａ_２Ｏ_５／Ａｌ_２Ｏ_３／ＡｌＮ／ＴｉＮ積層）のリーク電流を（■）で表し、アルミニウム酸化膜のない従来のキャパシタβ（ＴｉＮ／Ｔａ_２Ｏ_５／ＴｉＮ積層）のリーク電流を（▲）で表し、図１に示すキャパシタからＡｌＮ膜を除いたキャパシタγ（ＴｉＮ／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｔａ_２Ｏ_５／Ａｌ_２Ｏ_３／ＴｉＮ積層）のリーク電流を（◆）で示した。３種のキャパシタは、容量がほぼ同等になるように各膜厚を調整して形成してある。キャパシタγのリーク電流が最も小さくなっているが、キャパシタβのリーク電流も７Ｖ程度までの低電圧領域では、ほぼ同程度の小さいリーク電流となっている。キャパシタに掛かる電圧は、通常５Ｖ以下なので、実用上はキャパシタβもキャパシタγと同等の特性と言うことができる。
【００２３】
図４は、前記３種のキャパシタのキャパシタ容量と容量の印加電圧変化Ｖｃｒを各々示している。縦軸はキャパシタ容量（ｆＦ／μｍ^２）及び容量変動割合（ｐｐｍ）で示した。Ｖｃｒは、電圧の変動幅を−３．６Ｖ〜＋３．６Ｖとして、この間の容量変化を容量の平均値と電圧の変動幅７．２Ｖで割った値で示した。Ｖｃｒは、キャパシタαが最も小さく、キャパシタγ、キャパシタβの順に大きくなっている。キャパシタαではＶｃｒ＝０であり、これは印加電圧によってキャパシタ容量が変動しないことを示している。
以上、この実施例におけるキャパシタは、誘電体膜であるＴａ_２Ｏ_５膜と電極との間にＡｌＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜が成されていることを特徴としている。Ｔａ_２Ｏ_５と接する層をＡｌ_２Ｏ_３、電極と接する層をＡｌＮとすることによって電極の酸化層ＴｉＯ_ｘの形成を防ぐことができる。ＴｉＯ_ｘが形成されないことによって、キャパシタ容量の電圧変化がなくなり、良好なキャパシタ特性を得ることができる。さらに、Ｔａ_２Ｏ_５膜を両側からＡｌ_２Ｏ_３膜で挟み込むことによりリーク電流が激減する。また、Ａｌ_２Ｏ_３は、Ｔａ_２Ｏ_５からの酸素拡散やプロセス中での酸素脱離に対する防止膜ともなるのでキャパシタ特性の安定化に極めて有効である。
【００２４】
この実施例では誘電体膜（Ｔａ_２Ｏ_５）１２の上部と下部にＡｌＮ膜３１、３４とＡｌ_２Ｏ_３膜３２、３３を形成したが、上部もしくは下部の一方だけに形成しても構わない。すなわち、図５は、下部電極のみにＡｌＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜とを形成している。下部電極１１と誘電体膜（Ｔａ_２Ｏ_５）１２との間にＡｌＮ膜３５及びＡｌ_２Ｏ_３膜３６が形成され、Ａｌ_２Ｏ_３膜は、Ｔａ_２Ｏ_５膜に接している。このような場合、キャパシタ容量は増大するが、リーク電流は図６の特性図に示したように印加電圧が負のときに増大する。図中、縦軸が電流密度（Ａ／ｍｍ^２）、横軸が印加電圧（Ｖ）を表している。図１に示したキャパシタαのリーク電流を（■）で表し、図５に示したキャパシタδのリーク電流を（●）で表す。キャパシタδは負電圧側で電流が増加することになる。しかし、この負電圧側で電流が増加するという問題は、キャパシタに掛かる電圧をプラス電圧側だけとすることによって容易に解決する。このようなキャパシタδを図１に示す半導体装置に組み込むことができる。
【００２５】
次に、図７を参照して第２の実施例を説明する。
図７は、半導体基板上に形成されたキャパシタの拡大断面図である。
ここに示すキャパシタは、例えば、図１に示された半導体装置に組み込まれるものである。このキャパシタは、半導体基板（図示しない）上に下部電極（ＴｉＮ膜）１１、ＡｌＮ膜３７、Ａｌ_２Ｏ_３膜３８、誘電体膜（Ｔａ_２Ｏ_５）１２、Ａｌ_２Ｏ_３膜３９、ＡｌＮ膜４０及び上部電極（ＴｉＮ膜）１３からなる積層体を構成している。
このようなキャパシタを組み込んだ半導体装置の製造方法は、第１の実施例と同様に行う。キャパシタの製造方法について説明する。
【００２６】
下部電極１１となるＴｉＮ膜は、スパッタリング法あるいはＣＶＤ法などにより半導体基板上に堆積される。このＴｉＮ膜上に、例えば、ＡｌのＡｒとＮ_２の混合ガスによる反応性スパッタによってＡｌＮ膜３７を堆積させる。その後、Ｔａ_２Ｏ_５膜（誘電体膜１２）をＡｒとＯ_２の混合ガスによるＴａの反応性スパッタリング法等によって堆積させる。この時、Ｔａ_２Ｏ_５膜の堆積条件を高温・高酸素濃度とすることによってＡｌＮ膜３７の表面はＯ_２に曝されるため酸化されて表面近傍にＡｌ_２Ｏ_３膜３８が形成される。次に、ＡｒとＮ_２の混合ガスによるＡｌの反応性スパッタリング法などを用いてＴａ_２Ｏ_５膜上にＡｌＮ膜４０を堆積させる。この時、Ｔａ_２Ｏ_５膜と接触する界面近傍のＡｌＮは酸化されてＡｌ_２Ｏ_３膜３９が形成される。その後、上部電極１３となるＴｉＮ膜をスパッタリング法あるいはＣＶＤ法などによりＡｌＮ膜４０の上に堆積させてキャパシタが完成する。Ａｌ_２Ｏ_３膜３９は、キャパシタ形成後の、例えば、層間絶縁膜１６（図１参照）の堆積などの熱工程によって、若干厚膜化しリーク電流抑制に対して十分な膜厚となる。
【００２７】
以上、この実施例によれば、第１の実施例と同じく、Ｔａ_２Ｏ_５膜をＡｌ_２Ｏ_３膜３８、３９で挟むことができるので、キャパシタのリーク電流を安定して低く抑えることができる。また、ＡｌＮ膜を酸化して薄膜のＡｌ_２Ｏ_３膜を形成する方法を取るので、予めキャパシタとなる部分以外のＡｌＮ膜を除去しておけば、不必要な部分にＡｌ_２Ｏ_３膜が形成されるのを防ぐことができる。Ａｌ_２Ｏ_３膜は、化学的にも極めて安定な物質でもあるので、Ａｌ_２Ｏ_３の加工・除去工程がないことの利点は大きい。
【００２８】
次に、図１０を参照して第３の実施例を説明する。
図１０は、半導体基板上に形成されたキャパシタの拡大断面図である。図５に示すキャパシタでは、下部電極１１にＡｌＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜とを形成したが、この実施例では、上部電極にのみＡｌＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜とを形成している。すなわち、上部電極１３と誘電体膜（Ｔａ_２Ｏ_５）１２との間には、Ａｌ_２Ｏ_３膜４１及びＡｌＮ膜４２が形成され、Ａｌ_２Ｏ_３膜は、Ｔａ_２Ｏ_５膜に接触している。
以上、この実施例におけるキャパシタは、誘電体膜であるＴａ_２Ｏ_５膜と電極との間にＡｌＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜が成されており、Ｔａ_２Ｏ_５と接する層をＡｌ_２Ｏ_３、電極と接する層をＡｌＮとすることによって電極の酸化層ＴｉＯ_ｘの形成を防ぐことができる。ＴｉＯ_ｘが形成されないことによって、キャパシタ容量の電圧変化がなくなり、良好なキャパシタ特性を得ることができる。さらに、Ｔａ_２Ｏ_５膜を両側からＡｌ_２Ｏ_３膜で挟み込むことによりリーク電流が激減する。また、Ａｌ_２Ｏ_３は、Ｔａ_２Ｏ_５からの酸素拡散やプロセス中での酸素脱離に対する防止膜ともなるのでキャパシタ特性の安定化に極めて有効である。
【００２９】
さらに、本発明では、Ａｌ_２Ｏ_３膜を備えているので、Ｔａ_２Ｏ_５膜単独より容量の低下は免れないが、電極の一方は、直接誘電体膜１２に接触しているのでこの部分にＡｌ_２Ｏ_３膜が形成されておらず、その結果容量の低下は最小限にとどめることができる。
ここで、本発明の半導体装置に用いるＡｌ_２Ｏ_３膜とＡｌＮ膜についてさらに説明する。第１乃至第３の実施例において、キャパシタの下部電極１１及び上部電極１３であるＴｉＮ膜は、３０〜８０ｎｍ、誘電体膜１２であるＴａ_２Ｏ_５膜は、２０〜５０ｎｍである。このような構造のキャパシタに用いられるＡｌ_２Ｏ_３膜の膜厚は、５〜１０ｎｍ、ＡｌＮ膜の膜厚は、３〜５ｎｍである。このように、Ａｌ_２Ｏ_３膜とＡｌＮ膜の膜厚は、Ｔａ_２Ｏ_５膜の膜厚より十分薄い構成になっている。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、キャパシタの電極と誘電体膜との間に誘電体膜と接する膜としてアルミニウム酸化膜（Ａｌ_２Ｏ_３）が形成され、キャパシタと接する膜としてＡｌＮ膜が形成されるので、電極と誘電体膜との間に容量の電圧変動を生じさせる主要因であるＴｉＯ_ｘ膜が生じることを防ぐことが可能になる。さらに、誘電体膜をバンドギャップの大きい良質な絶縁膜であるＡｌ_２Ｏ_３膜で挟み込むことができるのでリーク電流が低減し特性の制御が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を説明するキャパシタを有する半導体装置の断面図。
【図２】図１の半導体装置に組み込まれたキャパシタ部分の拡大断面図。
【図３】本発明の第１の実施例におけるキャパシタのリーク電流の電圧依存性を他との比較により説明する特性図。
【図４】本発明の第１の実施例におけるキャパシタの容量の電圧変化を他との比較により説明する特性図。
【図５】本発明の第２の実施例を説明する半導体装置に組み込まれたキャパシタ部分の拡大断面図。
【図６】本発明の第１の実施例におけるキャパシタのリーク電流の電圧依存性を他との比較により説明する特性図。
【図７】本発明の第２の実施例を説明する半導体装置に組み込まれたキャパシタ部分の拡大断面図。
【図８】誘電体膜（Ｔａ_２Ｏ_５）とＴｉＮ電極との間にＡｌ_２Ｏ_３膜を挿入した場合としない場合のバンドラインナップを比較した模式断面図。
【図９】本発明を説明する半導体装置に組み込まれたキャパシタの深さ方向の組成分布を説明する分布図。
【図１０】本発明の第３の実施例を説明する半導体装置におけるキャパシタ部分の拡大断面図。
【図１１】従来例を説明するキャパシタが形成された半導体装置の断面図。
【図１２】図１１のキャパシタ部分の拡大断面図。
【符号の説明】
１、１０１・・・素子分離領域　　２、１０２・・・ソース／ドレイン領域
３、１０３・・・ゲート絶縁膜　　４、１０４・・・ゲート電極
５、１０５・・・トランジスタ保護絶縁膜
６、９、１６、１０６、１０９・・・層間絶縁膜
７、１４、１７、１８、１０７、１１４、１１７、１１８・・・接続プラグ
８、１５、１９、２０、１０８、１１５、１１９、１２０・・・埋め込み配線
１０、・・・半導体基板　　　１１、１１１・・・下部電極
１２、１１２・・・誘電体膜　　　１３、１１３・・・上部電極
２１、１２１・・・保護絶縁膜
３１、３４、３５、３７、４０、４２・・・ＡｌＮ膜
３２、３３、３６、３８、３９、４１・・・Ａｌ_２Ｏ_３膜
１１１′、１１３′・・・酸化チタン層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a tantalum oxide film (Ta) formed between multilayer wirings formed on a semiconductor substrate. ₂ O ₅ The present invention relates to a structure of a capacitor using a dielectric film having a high dielectric constant and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Tantalum oxidation (Ta ₂ O ₅ The film is often used as an insulating film of a semiconductor device. Silicon nitride (SiN) film and silicon oxide (SiO ₂ ) Since it has a higher dielectric constant than a film or the like, it has attracted attention as a next-generation capacitor dielectric film incorporated in a semiconductor device. However, tantalum oxide (Ta ₂ O ₅ ) Has problems in capacitor characteristics such as a narrow band gap, poor thermal stability, and difficulty in reducing leakage current. For system-related devices, it is necessary to reduce the parasitic capacitance in order to increase the speed, and it is desirable to use an MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitor using a metal as an electrode. When it is formed on the metal electrode formed in the above, the electrode may be oxidized. In particular, when the tantalum oxide film is formed by a low-cost and technically established sputtering method, the lower electrode of the capacitor is exposed to oxygen plasma, and the lower electrode interface is oxidized.
As described above, when the electrode interface in contact with the dielectric film is oxidized by the formation of the dielectric film and the subsequent processes, the capacitance of the capacitor decreases, the dependence of the capacitance on the applied voltage increases, and the leak current increases. The capacitor characteristics deteriorate.
[0003]
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a semiconductor device including a conventional capacitor.
For the semiconductor substrate 100, for example, a p-type silicon semiconductor is used. An element isolation region 101 in which silicon oxide such as SIT or another insulator is embedded is formed on the surface of the semiconductor substrate 100, and a MOS transistor is formed in an element region partitioned by the element isolation region 101. ing. The MOS transistor has a gate insulating film 103 made of a silicon oxide film or the like provided between the n-type source / drain region 102 and the source / drain region, and a gate electrode 104 made of polysilicon or the like on the gate insulating film 103. Is formed. A transistor protection insulating film 105 such as a silicon oxide film is formed on the surface and side walls of the gate electrode 104. On the semiconductor substrate 100, an interlayer insulating film 106 made of a silicon oxide film or the like is formed so as to cover the MOS transistor. A buried wiring 108 made of, for example, aluminum or the like is formed on the surface of the interlayer insulating film 106. The buried wiring 108 and the gate electrode 104 pass through the interlayer insulating film 106 to a contact hole formed therebetween. They are electrically connected by the embedded connection plug 107. For the connection plug 107, tungsten, aluminum, copper, an alloy thereof, or the like can be used. As the embedded wiring 108, an aluminum alloy, copper, an alloy thereof, or a multi-layer metal film is used in addition to aluminum.
[0004]
Over the interlayer insulating film 106, an interlayer insulating film 109 is formed. The interlayer insulating film 109 is made of a silicon oxide film or the like, and is formed by a CVD method or the like. A buried wiring 115 made of, for example, aluminum or the like is formed on the surface of the interlayer insulating film 109, and the buried wiring 115 and one of the source / drain regions 102 penetrate the interlayer insulating films 106 and 109, and Are electrically connected by connection plugs 114 embedded in contact holes formed in the contact holes. For the connection plug 114, tungsten, aluminum, copper, an alloy thereof, or the like can be used. As the embedded wiring 115, an aluminum alloy, copper, an alloy thereof, or a multi-layer metal film is used in addition to aluminum.
A capacitor is formed on the embedded wiring 115. The capacitor includes a lower electrode 111 made of, for example, a titanium nitride (TiN) film deposited on the embedded wiring 115 and a high dielectric constant metal oxide such as tantalum oxide formed on the lower electrode 111. It is composed of a film 112 and an upper electrode 113 made of a TiN film or the like on the high dielectric constant metal oxide film 112.
[0005]
On interlayer insulating film 109, interlayer insulating film 116 is formed so as to cover the capacitor. The interlayer insulating film 116 is made of a silicon oxide film or the like, and is formed by a CVD method or the like. Embedded wirings 119 and 120 made of, for example, aluminum or the like are formed in the interlayer insulating film 116, and the embedded wiring 119 and the upper electrode 113 are buried in the contact holes formed therebetween by the interlayer insulating film 116. Are electrically connected by a connection plug 118 made of aluminum or the like. The buried wiring 120 and the buried wiring 115 are electrically connected via a interlayer insulating film 116 by a connection plug 117 of aluminum or the like buried in a contact hole formed therebetween. These embedded wirings 119 and 120 are covered with a protective insulating film 121 such as a silicon oxide film.
[0006]
FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view of the capacitor part of FIG. 11, and shows the laminated structure of the dielectric film and the electrode in detail. As described above, the capacitor includes the lower electrode (TiN) 111, titanium oxide (TiO 2). _X ) Layer 111 ', high dielectric constant dielectric film (Ta ₂ O ₅ ) 112, titanium oxide (TiO) _x ) A stacked body composed of a layer 113 'and an upper electrode (TiN) 113 is formed. By using TiN, which is widely used as a barrier metal for tungsten or the like in semiconductor technology, as a capacitor electrode, a film forming apparatus and a processing apparatus can be used in common, resulting in great merit in cost. However, TiN does not have sufficient oxidation resistance and has a high dielectric film (Ta). ₂ O ₅ ), Or in a subsequent thermal process, TiN as an electrode and a dielectric film Ta ₂ O ₅ And a new titanium oxide (TiO2) _x ) Are formed. TiO _X Has various compositions and the value of x varies continuously. Since the characteristics change from a conductor to an insulator depending on the value of x, the thermal stability is poor and the characteristic control is extremely difficult.
[0007]
Especially TiO _x Has semiconductor characteristics, TiO 2 is not applied when a voltage is applied to the capacitor. _X A depletion layer will be formed therein. Since the capacitance of the depletion layer changes with the applied voltage, the capacitance of the capacitor varies with the voltage.
Also, the leakage current is TiO _x Flow through the middle level, so that the heat load of the process is small and TiO _x Is formed very thinly, so that even if the capacitance of the capacitor is slightly reduced, the leakage current and the influence of the capacitance on the applied voltage fluctuation are large.
Therefore, TiN is used as the electrode, Ta ₂ O ₅ Is a dielectric film formed of an interface layer TiO formed between the electrode and the dielectric film. _x As a result, the applied voltage of the leakage current and the capacitance fluctuates greatly, and furthermore, it is difficult to control the characteristics, and it is not possible to obtain good characteristics.
On the other hand, TiN upper electrode / Ta ₂ O ₅ At the interface, the tantalum oxide (TaO) having a low oxygen composition is affected by the formation of the upper electrode. _x ) Since a layer tends to be formed, the leakage current increases and the capacitance of the capacitor decreases. Further, the leakage current increases and the capacitance of the capacitor decreases due to damage in the capacitor processing step.
[0008]
The increase in the leak current and the decrease in the capacity of the capacitor hinder the application of the tantalum oxide film to the device, so that it was actually very difficult to use this for the capacitor.
Therefore, the electrode and the tantalum oxide (Ta) ₂ O ₅ ) Aluminum oxide (Al) between the films ₂ O ₃ ) Improvement of characteristics by inserting a film was considered (Japanese Patent Application No. 2001-195934). Aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) Is a material that has a wide band gap, effectively acts as an energy barrier for leakage current, and is extremely thermally stable. ₂ O ₅ By inserting at the interface of / TiN, it is possible to produce a capacitor which is stable to heat treatment and has a very small leak current.
[0009]
However, since an oxygen atmosphere is required during the film formation, there is a problem that the underlying TiN electrode is oxidized. By oxidizing TiN, aluminum (Al ₂ O ₃ ) The film becomes an unstable film having a non-uniform composition. ₂ O ₃ Does not exhibit sufficient thermal stability. In addition, aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) The film has good oxygen / hydrogen barrier properties and is tantalum oxide (Ta) ₂ O ₅ ) The film is made of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) Promising as a protective film at the time of capacitor processing by covering with a film. However, Ta ₂ O ₅ Al on top ₂ O ₃ When the film is formed, Ta ₂ O ₅ Oxygen is injected into it. And excess oxygen is Al ₂ O ₃ Because it is covered with a film, Ta ₂ O ₅ Oxygen-excessive low-dielectric TaO because it does not pass through the film _x A layer is formed.
Thus, the electrode and the Ta ₂ O ₅ Al at the interface ₂ O ₃ Is a method that can theoretically suppress the leak current, improve the thermal stability, and maintain the dielectric constant, but it is actually an imperfect method, and the characteristic improvement is not enough .
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In system-based semiconductor devices, the MIM structure of capacitors and the reduction of the device area are progressing with the aim of improving performance and enhancing cost performance. In order to reduce the capacitor area, which is indispensable for reducing the element area, the thinning of the dielectric film has reached its limit. ₂ O ₅ The adaptation of a dielectric film having a high dielectric constant such as that described above is essential. However, TiN, which is currently widely used as a barrier metal or the like, has poor oxidation resistance required as an electrode of these high dielectric films, and TiO is formed between the dielectric and the electrode. _x Is indispensable. TiO _x Has a large effect on the leakage current and fluctuations in the applied voltage of the capacitance, and greatly increases them. In addition, it is difficult to control the characteristics, which causes a significant reduction in yield. Under such circumstances Ta ₂ O ₅ No attempt to reduce the capacitor area by applying a high dielectric film such as described above has been made. On the other hand, the introduction of a new substance for the capacitor electrode means the specialization of the film forming equipment and processing equipment, which leads to a large increase in cost, which offsets the cost reduction effect by reducing the capacitor area. Is not a typical way.
The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a capacitor used in a semiconductor device excellent in reducing leakage current and suppressing fluctuation in applied voltage of capacitance.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a TiN electrode and a Ta ₂ O ₅ When forming a capacitor having a dielectric film, Al ₂ O ₃ / AlN laminated film to TiN electrode / Ta ₂ O ₅ It is characterized by being inserted into the interface. By using this laminated film, oxidation of the TiN electrode is prevented, and at the same time, Ta ₂ O ₅ It is possible to prevent the oxidation-reduction reaction from proceeding between the / TIN electrodes. In addition, tantalum oxidation (Ta ₂ O ₅ ) Low dielectric constant TaO due to excess oxygen in the film _x Layer formation can be prevented and a high dielectric constant can be maintained. Also, a nitride such as AlN is once formed on the lower electrode TiN, ₂ O ₃ By forming the film, it is possible to prevent the TiN lower electrode from being directly exposed to the oxygen plasma. ₂ O ₃ A film can be formed. In addition, tantalum oxidation (Ta ₂ O ₅ ) A nitride such as AlN is formed on the film, and then aluminum oxide (Al) is formed on the nitride film. ₂ O ₃ ) By forming a film, tantalum oxide (Ta) ₂ O ₅ ) Oxygen implantation into the film can be prevented, and the aluminum oxide film serves as an absorber of excess oxygen in the tantalum oxide film. _x Is prevented from being formed.
[0012]
Al ₂ O ₃ Has a wide band gap and is a thermally and chemically stable dielectric. ₂ O ₅ Is very effective in suppressing leakage current.
FIG. 8 shows tantalum oxidation (Ta ₂ O ₅ ) Al between the film and the TiN electrode ₂ O ₃ The band lineup with and without the membrane inserted was compared. Of course, Al ₂ O ₃ Ta with membrane ₂ O ₅ The sandwiching of the film causes a reduction in the capacitance of the capacitor. However, as shown in FIG. ₂ O ₃ Since the barrier height prevents electron injection from the electrode, the leakage current is significantly reduced. Al ₂ O ₃ It is enough even if the film is thin. ₂ O ₅ Since the film can be made thinner, it is possible to easily compensate for the decrease in capacity as needed. Further, Al ₂ O ₃ Has a dielectric constant of about 10 and is SiN or SiO. ₂ Larger than Al ₂ O ₃ Since the diffusion coefficient of oxygen in the inside is very small, Al ₂ O ₃ By forming the film, desorption and diffusion of oxygen from the dielectric film during the process can be prevented, and good capacitor characteristics can be maintained.
However, Al ₂ O ₃ The film is Ta ₂ O ₅ Although it is better in stability than a dielectric film such as TiN, when directly forming on an electrode such as TiN, Ta is used. ₂ O ₅ The same problem as in the case (1) occurs. That is, oxidation of the electrode surface. Al ₂ O ₃ TiO is deposited on the surface with the TiN electrode during deposition or in a subsequent thermal process. _x Is formed.
[0013]
The present invention addresses this problem with electrodes and Al ₂ O ₃ The problem is solved by further interposing an AlN film between the film and the film. AlN has extremely high resistance and almost no conductivity. Since AlN has a small band gap, it does not have a leak current suppressing effect as it is, but has a dielectric constant of Al. ₂ O ₃ Therefore, when used in a thin film, a decrease in the capacitance of the capacitor can be within an allowable range. When stacking the TiN film and the AlN film, it is not necessary to use an oxide / oxidizing atmosphere, so that oxidation does not occur and a good interface can be formed. On the other hand, the AlN film and Al ₂ O ₃ When depositing a film, use Al ₂ O ₃ The oxidized part in contact with the film is Al ₂ O ₃ Al layer ₂ O ₃ The film thickness increases, and the leakage current is further reduced. At this time, since TiN located outside the AlN is not oxidized, _x Can be prevented, and the interface between the dielectric film and the electrode can be kept good.
[0014]
FIG. 9 shows an evaluation of the composition profile in the depth direction. Ta ₂ O ₅ / Al ₂ O ₃ / TiN laminated structure and Ta ₂ O ₅ / Al ₂ O ₃ The comparison was made with a laminated structure of / AlN / TiN. Ta ₂ O ₅ / Al ₂ O ₃ For / TiN, it can be seen that the oxygen curve penetrates into the TiN side with respect to the Al composition curve, and TiN is oxidized. On the other hand, Ta ₂ O ₅ / Al ₂ O ₃ As for / AlN / TiN, the presence of some oxygen in AlN is recognized, but no appearance of intrusion into TiN is observed. _x Was not found.
By implementing the present invention, a TiN electrode and a high dielectric Ta ₂ O ₅ The formation of a reaction layer with the film is suppressed, and a capacitor for a semiconductor device having good characteristics can be obtained.
[0015]
A semiconductor device according to the present invention includes a capacitor including a semiconductor substrate, a lower electrode formed on the semiconductor substrate, a dielectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the dielectric film. Wherein the dielectric film comprises a tantalum oxide film having a high dielectric constant, at least one of the lower electrode and the upper electrode comprises a titanium nitride layer, and the electrode comprising the titanium nitride layer and the dielectric The semiconductor device is characterized in that an aluminum oxide film and an aluminum nitride film are formed between the semiconductor device and the body film. The aluminum oxide film and the aluminum nitride film are composed of a plurality of layers, a layer in contact with the dielectric film is an aluminum oxide film, and a layer in contact with the electrode made of titanium nitride is an aluminum nitride film. Is also good.
The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a lower electrode formed on the semiconductor substrate, a dielectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the dielectric film. Wherein the dielectric film comprises a high dielectric constant tantalum oxide film, an aluminum oxide film and an aluminum nitride film are formed between the upper electrode and the dielectric film, and the aluminum oxide The film is in contact with the dielectric film. An aluminum oxynitride film may be formed between the aluminum oxide film and the aluminum nitride film. The thickness of the aluminum nitride film may be smaller than the thickness of the aluminum oxide film.
[0016]
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the steps of: forming a titanium nitride layer forming a lower electrode on a semiconductor substrate; and forming a tantalum oxide film forming a dielectric film on the titanium nitride layer. Forming a titanium nitride layer on the tantalum oxide film and using the titanium nitride layer as an upper electrode, and between the lower electrode and the dielectric film or between the upper electrode and the dielectric film or the lower electrode. Forming an aluminum oxide film and an aluminum nitride film between the dielectric film and between the upper electrode and the dielectric film, wherein the aluminum oxide film is in contact with the dielectric film. The aluminum nitride film is in contact with the lower electrode or the upper electrode. The thickness of the aluminum nitride film may be smaller than the thickness of the aluminum oxide film.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings according to examples.
First, a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 6 and FIG.
1 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a capacitor, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a capacitor portion of the semiconductor substrate of FIG. 1, and FIGS. 3 and 4 are diagrams of the capacitor shown in FIG. 1 and another conventional structure. FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of a capacitor that can be incorporated in the semiconductor device of FIG. 1, and FIG. 6 is a cross-sectional view showing the characteristics of the capacitor of FIG. FIG. 8 shows a comparison between the characteristics and the tantalum oxide (Ta). ₂ O ₅ ) Al between the film and the TiN electrode ₂ O ₃ FIG. 4 is a schematic diagram comparing band lineups with and without a membrane inserted.
[0018]
For the semiconductor substrate 10, for example, a p-type silicon semiconductor is used. An element isolation region 1 in which silicon oxide such as STI and other insulators are embedded is formed on the surface of the semiconductor substrate 10, and a MOS transistor is formed in an element region partitioned by the element isolation region 1. ing. The MOS transistor includes a gate insulating film 3 made of a silicon oxide film or the like provided between the n-type source / drain region 2 and the source / drain region and a gate electrode 4 made of polysilicon or the like on the gate insulating film 3. Is formed. A protective insulating film 5 such as a silicon oxide film is formed on the surface and the side wall of the gate electrode 4. On the semiconductor substrate 10, an interlayer insulating film 6 made of a silicon oxide film or the like is formed so as to cover the MOS transistor. A buried wiring 8 made of, for example, aluminum or the like is formed on the surface of the interlayer insulating film 6, and the buried wiring 8 and the gate electrode 4 are formed in a contact hole formed between the two through the interlayer insulating film 6. Are electrically connected by a connection plug 7 embedded in the connector. For the connection plug 7, tungsten, aluminum, copper, an alloy thereof, or the like can be used. As the buried wiring 8, an aluminum alloy, copper, an alloy thereof, or a multilayer metal film is used in addition to aluminum. An interlayer insulating film 9 is formed on the interlayer insulating film 6.
[0019]
The interlayer insulating film 9 is made of a silicon oxide film or the like, and is formed by a CVD method or the like. A buried interconnect 15 made of, for example, aluminum or the like is formed on the surface of the interlayer insulating film 9. Are electrically connected by the connection plug 14 embedded in the contact hole formed in the contact hole. For the connection plug 14, tungsten, aluminum, copper, an alloy thereof, or the like can be used. As the buried wiring 15, an aluminum alloy, copper, its alloy, or a multilayer metal film is used in addition to aluminum.
The capacitor C is formed on the embedded wiring 15. The capacitor C is located on the embedded wiring 15 and is configured between the lower electrode 11 made of TiN and the upper electrode 13 made of TiN. An interlayer insulating film 16 is formed on interlayer insulating film 9 so as to cover capacitor C. The interlayer insulating film 16 is made of a silicon oxide film or the like, and is formed by a CVD method or the like. Embedded wirings 19 and 20 made of, for example, aluminum or the like are formed in the interlayer insulating film 16, and the embedded wiring 19 and the upper electrode 13 are buried in the contact holes formed therebetween through the interlayer insulating film 16. It is electrically connected by a connection plug 18 made of aluminum or the like. The buried wiring 20 and the buried wiring 15 are electrically connected via a interlayer insulating film 16 by a connection plug 17 made of aluminum or the like buried in a contact hole formed therebetween. These buried wirings 19 and 20 are covered with a protective insulating film 21 such as a silicon oxide film.
[0020]
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the capacitor C shown in FIG. The capacitor C deposited on the buried wiring 15 (see FIG. 1) includes a lower electrode (TiN film) 11, an aluminum nitride (AlN) film 31, and an aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) Film 32, dielectric film (Ta ₂ O ₅ Film) 12, aluminum oxide (Al ₂ O ₃ A) a laminate comprising a film 33, an aluminum nitride (AlN) film 34, and an upper electrode (TiN) film 13.
Next, a method for manufacturing the capacitor will be described with reference to FIG. The TiN film serving as the lower electrode 11 is deposited on the embedded wiring 15 by a sputtering method, a CVD method, or the like. Then, on this TiN film, for example, Ar of Ar and N ₂ The AlN film 31 is deposited by reactive sputtering using a mixed gas of Thereafter, the reaction chamber is evacuated once, and then Ar and O ₂ By reactive sputtering with a mixed gas of Al ₂ O ₃ A film 32 is deposited. At this time, the surface of the AlN film 31 is ₂ Is oxidized because of exposure to ₂ O ₃ And Al ₂ O ₃ It is integrated with the film 32. On this, a dielectric film (Ta) ₂ O ₅ Ar) and O ₂ Is deposited by reactive sputtering using a mixed gas of The dielectric film 12 may be formed by a coating method.
[0021]
Next, Ar and O ₂ By reactive sputtering of Al with a mixed gas of ₂ O ₃ A film 33 is deposited on the dielectric film 12. At this time, Ta ₂ O ₅ Since the film 12 is exposed to oxygen plasma, oxygen deficiency in the film is reduced and the film quality is improved. Next, Ar and N ₂ The AlN film 34 is formed by a reactive sputtering method of Al using a mixed gas. At this time, Al ₂ O ₃ AlN near the interface in contact with the film 33 is oxidized and AlN ₂ O ₃ Become Al ₂ O ₃ It is integrated with the film 33. After that, a TiN film to be the upper electrode 13 is deposited by a sputtering method or a CVD method to complete the capacitor. During this time, since the electrodes 11 and 13 made of the TiN film do not come into contact with the oxide film or the oxygen plasma, as shown in FIG. _x No layer is seen. In a later step, Al ₂ O ₃ Has high thermal stability and can keep oxygen diffusion low. _x Is not formed.
[0022]
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the dependence of the leakage current of the capacitor on the applied voltage. The vertical axis represents the current density (A / mm). ² ) And the horizontal axis represents the applied voltage (V). In the drawing, the capacitor α (TiN / AlN / Al) shown in FIG. ₂ O ₃ / Ta ₂ O ₅ / Al ₂ O ₃ / AlN / TiN laminate) is expressed by (■), and the conventional capacitor β (TiN / Ta ₂ O ₅ / TiN laminate) is represented by (▲), and the capacitor γ (TiN / AlN) obtained by removing the AlN film from the capacitor shown in FIG. ₂ O ₃ / Ta ₂ O ₅ / Al ₂ O ₃ / TiN laminated) is shown by (◆). The three types of capacitors are formed by adjusting the respective film thicknesses so that the capacities are substantially equal. The leakage current of the capacitor γ is the smallest, but the leakage current of the capacitor β is also substantially the same in a low voltage region up to about 7V. Since the voltage applied to the capacitor is usually 5 V or less, the capacitor β can be said to have practically the same characteristics as the capacitor γ.
[0023]
FIG. 4 shows the capacitance of the three types of capacitors and the applied voltage change Vcr of the capacitance. The vertical axis is the capacitance of the capacitor (fF / μm ² ) And the rate of capacity change (ppm). Vcr is indicated by a value obtained by dividing the capacitance change during this period by the average value of the capacitance and the voltage fluctuation width of 7.2 V, with the fluctuation width of the voltage being -3.6 V to +3.6 V. Vcr is the smallest for the capacitor α, and increases in the order of the capacitor γ and the capacitor β. For the capacitor α, Vcr = 0, which indicates that the capacitance of the capacitor does not fluctuate due to the applied voltage.
As described above, the capacitor in this embodiment is the dielectric film Ta ₂ O ₅ AlN film and Al between film and electrode ₂ O ₃ It is characterized in that a film is formed. Ta ₂ O ₅ Layer in contact with ₂ O ₃ The oxide layer of the electrode is made of TiO by making the layer in contact with the electrode AlN. _x Formation can be prevented. TiO _x Is not formed, there is no change in the capacitance of the capacitor, and good capacitor characteristics can be obtained. Furthermore, Ta ₂ O ₅ Al film from both sides ₂ O ₃ Leakage is drastically reduced by being sandwiched between films. Also, Al ₂ O ₃ Is Ta ₂ O ₅ It is also very effective in stabilizing the characteristics of the capacitor because it also serves as a protective film against diffusion of oxygen from the substrate and desorption of oxygen during the process.
[0024]
In this embodiment, the dielectric film (Ta ₂ O ₅ 2) AlN films 31, 34 and Al ₂ O ₃ Although the films 32 and 33 are formed, they may be formed only on one of the upper and lower portions. That is, FIG. 5 shows that the AlN film and the Al ₂ O ₃ A film is formed. The lower electrode 11 and the dielectric film (Ta) ₂ O ₅ ) Between the AlN film 35 and the Al ₂ O ₃ A film 36 is formed, and Al ₂ O ₃ The film is Ta ₂ O ₅ In contact with the membrane. In such a case, the capacitance of the capacitor increases, but the leak current increases when the applied voltage is negative as shown in the characteristic diagram of FIG. In the figure, the vertical axis represents the current density (A / mm ² ) And the horizontal axis represents the applied voltage (V). The leak current of the capacitor α shown in FIG. 1 is represented by (■), and the leak current of the capacitor δ shown in FIG. 5 is represented by (●). The current of the capacitor δ increases on the negative voltage side. However, the problem that the current increases on the negative voltage side can be easily solved by setting only the voltage applied to the capacitor to the positive voltage side. Such a capacitor δ can be incorporated in the semiconductor device shown in FIG.
[0025]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a capacitor formed on a semiconductor substrate.
The capacitor shown here is, for example, incorporated in the semiconductor device shown in FIG. This capacitor includes a lower electrode (TiN film) 11, an AlN film 37, an AlN film on a semiconductor substrate (not shown). ₂ O ₃ Film 38, dielectric film (Ta ₂ O ₅ ) 12, Al ₂ O ₃ A laminate composed of the film 39, the AlN film 40, and the upper electrode (TiN film) 13 is formed.
The method of manufacturing a semiconductor device incorporating such a capacitor is performed in the same manner as in the first embodiment. A method for manufacturing a capacitor will be described.
[0026]
The TiN film serving as the lower electrode 11 is deposited on the semiconductor substrate by a sputtering method, a CVD method, or the like. On this TiN film, for example, Ar of Al and N ₂ The AlN film 37 is deposited by reactive sputtering using a mixed gas of Then, Ta ₂ O ₅ The film (dielectric film 12) is made of Ar and O ₂ Is deposited by a reactive sputtering method of Ta using a mixed gas of At this time, Ta ₂ O ₅ By setting the film deposition conditions to high temperature and high oxygen concentration, the surface of the AlN film 37 becomes O ₂ Oxidized due to exposure to ₂ O ₃ A film 38 is formed. Next, Ar and N ₂ Using a reactive sputtering method of Al with a mixed gas of ₂ O ₅ An AlN film 40 is deposited on the film. At this time, Ta ₂ O ₅ AlN near the interface in contact with the film is oxidized to Al ₂ O ₃ A film 39 is formed. Thereafter, a TiN film serving as the upper electrode 13 is deposited on the AlN film 40 by a sputtering method, a CVD method, or the like to complete the capacitor. Al ₂ O ₃ The film 39 is slightly thickened by a thermal process such as deposition of the interlayer insulating film 16 (see FIG. 1) after the formation of the capacitor, and has a sufficient thickness for suppressing leakage current.
[0027]
As described above, according to this embodiment, as in the first embodiment, Ta ₂ O ₅ Al film ₂ O ₃ Since the film can be sandwiched between the films 38 and 39, the leakage current of the capacitor can be stably suppressed. The AlN film is oxidized to form a thin Al film. ₂ O ₃ Since the method of forming the film is adopted, if the AlN film other than the portion to be the capacitor is removed in advance, the Al ₂ O ₃ The formation of a film can be prevented. Al ₂ O ₃ Since the film is also a chemically very stable substance, ₂ O ₃ The advantage of having no processing / removal step is great.
[0028]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of a capacitor formed on a semiconductor substrate. In the capacitor shown in FIG. 5, an AlN film and Al ₂ O ₃ In this embodiment, an AlN film and an Al film are formed only on the upper electrode. ₂ O ₃ A film is formed. That is, the upper electrode 13 and the dielectric film (Ta ₂ O ₅ ) 12 and between ₂ O ₃ A film 41 and an AlN film 42 are formed. ₂ O ₃ The film is Ta ₂ O ₅ Contacting the membrane.
As described above, the capacitor in this embodiment is the dielectric film Ta ₂ O ₅ AlN film and Al between film and electrode ₂ O ₃ A film is formed and Ta ₂ O ₅ Layer in contact with ₂ O ₃ The oxide layer of the electrode is made of TiO by making the layer in contact with the electrode AlN. _x Formation can be prevented. TiO _x Is not formed, there is no change in the capacitance of the capacitor, and good capacitor characteristics can be obtained. Furthermore, Ta ₂ O ₅ Al film from both sides ₂ O ₃ Leakage is drastically reduced by being sandwiched between films. Also, Al ₂ O ₃ Is Ta ₂ O ₅ It is also very effective in stabilizing the characteristics of the capacitor because it also serves as a protective film against diffusion of oxygen from the substrate and desorption of oxygen during the process.
[0029]
Further, in the present invention, Al ₂ O ₃ With a membrane, Ta ₂ O ₅ Although the capacitance is inevitably lower than that of the film alone, since one of the electrodes is in direct contact with the dielectric film 12, Al ₂ O ₃ No film is formed, and as a result, the reduction in capacitance can be minimized.
Here, the Al used in the semiconductor device of the present invention is ₂ O ₃ The film and the AlN film will be further described. In the first to third embodiments, the TiN film serving as the lower electrode 11 and the upper electrode 13 of the capacitor is 30 to 80 nm, and the Ta film serving as the dielectric film 12 is Ta. ₂ O ₅ The film is between 20 and 50 nm. Al used for a capacitor having such a structure ₂ O ₃ The thickness of the film is 5 to 10 nm, and the thickness of the AlN film is 3 to 5 nm. Thus, Al ₂ O ₃ The thickness of the film and the AlN film is Ta ₂ O ₅ The structure is sufficiently thinner than the film thickness.
[0030]
【The invention's effect】
The present invention provides an aluminum oxide film (Al ₂ O ₃ ) Is formed, and an AlN film is formed as a film in contact with the capacitor. _x It is possible to prevent the formation of a film. Further, the dielectric film is made of Al which is a high quality insulating film having a large band gap. ₂ O ₃ Since the film can be sandwiched between the films, the leakage current is reduced, and the characteristics can be easily controlled.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device having a capacitor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged sectional view of a capacitor part incorporated in the semiconductor device of FIG. 1;
FIG. 3 is a characteristic diagram for explaining the voltage dependence of the leakage current of the capacitor according to the first embodiment of the present invention by comparing it with others.
FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining a change in voltage of the capacitance of the capacitor according to the first embodiment of the present invention by comparison with the others.
FIG. 5 is an enlarged sectional view of a capacitor part incorporated in a semiconductor device for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a characteristic diagram for explaining the voltage dependence of the leakage current of the capacitor according to the first embodiment of the present invention by comparing it with the others.
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a capacitor part incorporated in a semiconductor device for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows a dielectric film (Ta) ₂ O ₅ ) And the TiN electrode ₂ O ₃ FIG. 4 is a schematic cross-sectional view comparing a band lineup with and without a membrane inserted.
FIG. 9 is a distribution diagram illustrating a composition distribution in a depth direction of a capacitor incorporated in a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 10 is an enlarged sectional view of a capacitor part in a semiconductor device illustrating a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor device on which a capacitor is formed for explaining a conventional example.
FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view of a capacitor part of FIG. 11;
[Explanation of symbols]
1, 101: element isolation region 2, 102: source / drain region
3, 103: gate insulating film 4, 104: gate electrode
5, 105 ... transistor protection insulating film
6, 9, 16, 106, 109 ... interlayer insulating film
7, 14, 17, 18, 107, 114, 117, 118 ... connection plug
8, 15, 19, 20, 108, 115, 119, 120 ... embedded wiring
10, semiconductor substrate 11, 111 lower electrode
12, 112: dielectric film 13, 113: upper electrode
21, 121: protective insulating film
31, 34, 35, 37, 40, 42 ... AlN film
32, 33, 36, 38, 39, 41 ... Al ₂ O ₃ film
111 ', 113' ... titanium oxide layer

Claims

A semiconductor substrate;
A lower electrode formed on the semiconductor substrate, a capacitor formed of a dielectric film formed on the lower electrode and an upper electrode formed on the dielectric film,
The dielectric film is made of a tantalum oxide film having a high dielectric constant, at least one of the lower electrode and the upper electrode is made of a titanium nitride layer, and is formed between the electrode made of the titanium nitride layer and the dielectric film. Wherein an aluminum oxide film and an aluminum nitride film are formed on the semiconductor device.

The aluminum oxide film and the aluminum nitride film include a plurality of layers, a layer in contact with the dielectric film is an aluminum oxide film, and a layer in contact with the titanium nitride electrode is an aluminum nitride film. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein:

A semiconductor substrate;
A lower electrode formed on the semiconductor substrate, a capacitor formed of a dielectric film formed on the lower electrode and an upper electrode formed on the dielectric film,
The dielectric film is made of a high dielectric constant tantalum oxide film, an aluminum oxide film and an aluminum nitride film are formed between the lower electrode and the dielectric film, and the aluminum oxide film is formed of the dielectric film. A semiconductor device, which is in contact with the semiconductor device.

A semiconductor substrate;
A lower electrode formed on the semiconductor substrate, a capacitor formed of a dielectric film formed on the lower electrode and an upper electrode formed on the dielectric film,
The dielectric film is made of a high dielectric constant tantalum oxide film, an aluminum oxide film and an aluminum nitride film are formed between the upper electrode and the dielectric film, and the aluminum oxide film is formed of the dielectric film. A semiconductor device, which is in contact with the semiconductor device.

5. The semiconductor device according to claim 1, wherein an aluminum oxynitride film is formed between said aluminum oxide film and said aluminum nitride film.

The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the aluminum nitride film is smaller than a thickness of the aluminum oxide film.

Forming a titanium nitride layer constituting the lower electrode on the semiconductor substrate,
Forming a tantalum oxide film constituting a dielectric film on the titanium nitride layer,
Forming a titanium nitride layer on the tantalum oxide film and using it as an upper electrode;
An aluminum oxide film between the lower electrode and the dielectric film or between the upper electrode and the dielectric film or between the lower electrode and the dielectric film and between the upper electrode and the dielectric film; Forming an aluminum nitride film; and
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the aluminum oxide film is in contact with the dielectric film, and the aluminum nitride film is in contact with the lower electrode or the upper electrode.

8. The method according to claim 7, wherein a thickness of the aluminum nitride film is smaller than a thickness of the aluminum oxide film.