JP2011029508A - 強誘電体キャパシタ、半導体装置、強誘電体キャパシタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な特性の強誘電体キャパシタを提供する。
【解決手段】本発明の強誘電体キャパシタは、基板１０の上に設けられた下部電極３１と、下部電極３１の上に設けられた上部電極３３と、下部電極３１と上部電極３３との間に設けられた強誘電体膜３２と、下部電極３１と強誘電体膜３２と上部電極３３とを含んだ電荷蓄積部３の上に設けられ、アルミニウム酸化物を含んだ水素バリア膜３７と、水素バリア膜３７と電荷蓄積部３との間に設けられ、イリジウム酸化物からなる拡散防止膜３６と、拡散防止膜３６と電荷蓄積部３との間に設けられた絶縁膜３５と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、強誘電体キャパシタ、半導体装置、強誘電体キャパシタの製造方法に関する。

従来から、強誘電体材料の自発分極を利用した強誘電体キャパシタが知られている。強誘電体キャパシタを用いると、低電圧動作及び高速動作が可能な不揮発メモリー素子を構成することができる。１つのメモリーセルは、端的には１つのトランジスターと１つの強誘電体キャパシタにより構成される。したがって、メモリー素子をＤＲＡＭと同程度に高集積することが可能であり、大容量のメモリー装置を構成することもできる。

強誘電体キャパシタを含んだ半導体装置の一例として、特許文献１に開示されているものが挙げられる。特許文献１の半導体記憶装置は以下のようにして形成されている。下地となる層間絶縁膜の上に、バリア膜、下部電極、容量絶縁膜（強誘電体膜）、上部電極の積層構造を形成する。そして、レジストパターンをマスクとして積層構造をドライエッチングによりパターニングして、強誘電体キャパシタを形成する。そして、強誘電体キャパシタの上に酸化アルミニウム等からなる水素バリア膜を形成し、水素バリア膜の上に層間絶縁膜を形成する。層間絶縁膜と水素バリア膜とを貫通するコンタクトホールを形成し、コンタクトホール内に上部電極と導通するコンタクトプラグを形成する。

強誘電体膜は、金属酸化物等からなっており、還元雰囲気に曝されると劣化してしまう。強誘電体膜の上に水素バリア膜を形成することにより、強誘電体膜の還元による劣化を低減することができる。また、コンタクトホールを形成して上部電極を露出させた後に酸素雰囲気で熱処理することにより、強誘電体膜の酸素欠損を補修することもできる。

特開２００７−２２７５００号公報

前記のような従来の半導体装置にあっては、強誘電体キャパシタが所望の電気特性にならないことがある。本願発明者は、鋭意研究の結果、水素バリア膜に含まれるアルミニウム原子が強誘電体キャパシタに拡散することにより、強誘電体キャパシタの電気特性が低下することを見出した。特に、酸素欠損を補修するために熱処理すると、アルミニウム原子の熱拡散が促進されてしまう。
本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、良好な特性の強誘電体キャパシタおよび半導体装置、良好な電気特性の強誘電体キャパシタの製造方法を提供することを目的の１つとする。

本発明では、前記目的を達成するために以下の手段を採用している。
本発明の強誘電体キャパシタは、基板の上に設けられた下部電極と、前記下部電極の上に設けられた上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた強誘電体膜と、前記下部電極と前記強誘電体膜と前記上部電極とを含んだ積層体の上に設けられ、アルミニウム酸化物を含んだ水素バリア膜と、前記水素バリア膜と前記積層体との間に設けられ、イリジウム酸化物からなる拡散防止膜と、前記拡散防止膜と前記積層体との間に設けられた絶縁膜と、を備えていることを特徴とする。

本願発明者は、実験手法を用いて、アルミニウム原子の拡散を効果的に防止可能な拡散防止膜について検討した。その結果の一例について［実験例］にて説明するが、イリジウム酸化物からなる拡散防止膜の膜中にアルミニウム原子が拡散しにくいことが分かった。

本発明の強誘電体キャパシタは、強誘電体膜を含んだ積層体が水素バリア膜に覆われているので、強誘電体膜の還元による劣化が防止される。
積層体と水素バリア膜との間にイリジウム酸化物からなる拡散防止膜が設けられているので、水素バリア膜に含まれるアルミニウムが積層体に拡散することが防止され、アルミニウムの拡散による積層体の電気特性の低下が防止される。
一般にイリジウム酸化物からなる膜は水素バリア性を有しており、積層体を覆って水素バリア膜と拡散防止膜とが設けられているので、強誘電体膜の劣化をほぼ確実に防止することができる。
拡散防止膜と積層体との間に絶縁膜が設けられているので、積層体が拡散防止膜と短絡することがない。
以上のように、強誘電体膜の劣化が防止され、しかも強誘電体膜を含んだ積層体の電気特性の低下が防止されるので、本発明の強誘電体キャパシタは良好な特性になる。

本発明の半導体装置は、基板と、前記基板の上に設けられたトランジスターと、前記基板の上に設けられて前記トランジスターと電気的に接続された強誘電体キャパシタと、を備え、前記強誘電体キャパシタが前記の本発明の強誘電体キャパシタであることを特徴とする。
本発明の強誘電体キャパシタは良好な特性になっているので、これを備えた本発明の半導体装置も良好な特性になる。

本発明の強誘電体キャパシタの製造方法は、基板の上に、下部電極を形成する工程と、前記下部電極の上に強誘電体膜を形成する工程と、前記強誘電体膜の上に上部電極を形成する工程と、前記下部電極と前記強誘電体膜と前記上部電極を含んだ積層体を、ハロゲンを含んだエッチングガスによるエッチングを用いてパターニングする工程と、前記パターニングする工程の後に前記積層体の上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上にイリジウム酸化物からなる拡散防止膜を形成する工程と、前記拡散防止膜の上に、アルミニウム酸化物を含んだ水素バリア膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。

一般にドライエッチングでは、ハロゲンを含んだエッチングガスが用いられることが多い。ハロゲンを含んだエッチングガスによるエッチングを用いて積層体をパターニングすると、残留したハロゲンが水素バリア膜に混入し、水素バリア膜中のアルミニウムがハロゲン化される。ハロゲン化されたアルミニウムは、アルミニウム酸化物よりも沸点が格段に低くなり拡散しやすくなる。

本発明にあっては、積層体をパターニングした後に、積層体と水素バリア膜との間にイリジウム酸化物からなる拡散防止膜を形成するので、積層体中にアルミニウムが拡散することが防止され、アルミニウムの拡散による積層体の電気特性の低下を防止することができる。
水素バリア膜と拡散防止膜とで強誘電体膜の還元を防止することができ、強誘電体膜の特性低下を防止することができる。
積層体の上に絶縁膜を形成した後に、絶縁膜上に拡散防止膜を形成するので、積層体が拡散防止膜と短絡することがない。
以上のように、本発明によれば良好な特性の強誘電体キャパシタを製造することができる。

本発明に係る強誘電体キャパシタの製造方法は、代表的な態様として以下のような態様をとりえる。
前記水素バリア膜の上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜と前記水素バリア膜と前記拡散防止膜と前記絶縁膜とを貫通するコンタクトホールをエッチングにより形成し、該コンタクトホール内に前記上部電極を露出させる工程と、前記コンタクトホール内に前記上部電極と導通するプラグ導電部を形成する工程と、を有するとよい。
このようにすれば、製造された強誘電体キャパシタにおいて、プラグ導電部を介して上部電極に電気信号を伝達することが可能になる。

前記上部電極を露出させる工程と前記プラグ導電部を形成する工程との間に酸素雰囲気で熱処理する工程を有するとよい。
このようにすれば、強誘電体膜を形成する工程の後、プラグ導電部を形成する工程までの間に強誘電体膜が酸素欠損を生じている場合に、酸素欠損を回復することができ、良好な特性の強誘電体膜にすることができる。通常であれば熱処理によりアルミニウムの拡散が促進されるが、本発明では拡散防止膜を形成しているので、アルミニウムの拡散による電気特性の低下を招くことなく強誘電体膜の特性を向上させることができる。

前記層間絶縁膜をシリコン酸化物により形成するとともに、前記絶縁膜をシリコン窒化物で形成し、前記上部電極を露出させる工程では、前記絶縁膜をエッチストップに用いて前記コンタクトホールを形成するとよい。
このようにすれば、コンタクトホール形成時のエッチング量を高精度に制御することができる。したがって、コンタクトホールを高精度な形状に形成することができ、オーバーエッチによる上部電極へのダメージを減らすことや、プラグ導電部と上部電極との接続信頼性を高めることができる。

強誘電体メモリー装置のメモリーセルを示す側断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、強誘電体キャパシタの製造方法の断面工程図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図２（ｃ）から続く断面工程図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図３（ｃ）から続く断面工程図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図４（ｃ）から続く断面工程図である。 （ａ）は試験片５の構成図、（ｂ）はアルミニウム検出強度の分布図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。説明に用いる図面において、特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造の寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせている場合がある。実施形態において同様の構成要素については、同じ符号を付して図示し、その詳細な説明を省略する場合がある。なお、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。

［第１実施形態］
図１は、本発明の半導体装置の一例である強誘電体メモリー装置１の構成を概略して示す側断面図である。強誘電体メモリー装置１は、多数のメモリーセルを含んでおり、図１にはその１つを拡大して図示している。メモリーセルの各々は、トランジスター２、本発明に係る強誘電体キャパシタを含んでいる。この強誘電体キャパシタは、電荷蓄積部（積層体）３、絶縁膜３５、拡散防止膜３６、及び水素バリア膜３７を含んでいる。

本実施形態ではメモリーセルが、スタック型になっている。詳しくは、シリコン基板（基板）１０の表層を含んだシリコン基板１０上に複数の素子分離領域１１が形成されており、素子分離領域１１の間が１つのメモリーセルになっている。シリコン基板１０の表層を含んだシリコン基板１０上に、トランジスター２が設けられている。トランジスター２を覆って、下地絶縁膜１２が設けられている。下地絶縁膜１２を貫通して、第１プラグ４１及び第２プラグ４２が設けられている。下地絶縁膜１２上の第１プラグ４１と重なる位置に、電荷蓄積部３が設けられている。

電荷蓄積部３を覆って、層間絶縁膜１３が設けられている。第１プラグ４１と重なる位置に、層間絶縁膜１３を貫通して第３プラグ４３が設けられている。第３プラグ４３は、第１プラグ４１と導通させて接続（以下、導通接続と称することがある）されている。層間絶縁膜１３上に、配線層４が設けられている。配線層４には図示略のグランド線、ビット線等の配線が設けられている。

ここでは、グランド線が、第１プラグ４１及び第３プラグ４３を介して、トランジスター２と電気的に接続されている。トランジスター２は、第２プラグ４２を介して電荷蓄積部３と電気的に接続されている。電荷蓄積部３は、第４プラグ４４を介してビット線と電気的に接続されている。

トランジスター２は、例えば単結晶シリコンからなるシリコン基板１０の表層を活性層として形成されている。シリコン基板１０の表層に、ソース領域２１及びドレイン領域２２が形成されている。シリコン基板１０の表層において、ソース領域２１とドレイン領域２２との間の領域がチャネル領域になっている。ソース領域２１、ドレイン領域２２、チャネル領域を覆ってゲート絶縁膜２３が設けられている。チャネル領域と平面的に重なる部分のゲート絶縁膜２３上に、ゲート電極２４が設けられている。ゲート電極２４の周辺に、ゲート電極２４の側壁に当接してサイドウォール２５が設けられている。ソース領域２１、ドレイン領域２２は、それぞれ高濃度不純物領域と、低濃度不純物領域とを含んでおり、サイドウォール２５と重なる部分が低濃度不純物領域になっている。ソース領域２１の高濃度不純物領域は、第１プラグ４１と導通接続されている。ドレイン領域２２の高濃度不純物領域は、第２プラグ４２と導通接続されている。

下地絶縁膜１２は、シリコン酸化物やシリコン窒化物等の絶縁材料からなる。下地絶縁膜１２を貫通して、ソース領域２１の高濃度領域に通じるコンタクトホールと、ドレイン領域２２の高濃度領域に通じるコンタクトホールとが形成されている。コンタクトホール内に、第１プラグ４１、第２プラグ４２が埋設されている。第１、第２プラグ４１、４２は、例えばタングステンやモリブデン、タンタル、チタン、ニッケル等の導電材料からなる。ここでは、第１〜第４プラグ４１〜４４がいずれもタングステンからなっている。コンタクトホール内にチタン等からなるバリア膜や密着層を設けてもよい。

電荷蓄積部３は、下部電極３１、強誘電体膜３２、上部電極３３を含んでいる。ここでは、下部電極３１と下地絶縁膜１２との間に、下地導電部３４が設けられている。下地導電部３４は、第２プラグ４２と重なる部分に設けられており、第２プラグ４２と導通接続されている。下地導電部３４は、第２プラグ４２の酸化を防止するともに、強誘電体膜３２の結晶配向を制御するものである。下地導電部３４は、自己配向性と酸素バリア性とを有する導電材料、例えばチタンアルミニウムナイトライド（ＴｉＡｌＮ）からなる。

下部電極３１は、下地導電部３４上に設けられており、下地導電部３４と導通接続されている。上部電極３３は、強誘電体膜３２上に設けられている。下部電極３１、上部電極３３は、導電材料からなる単層あるいは複数層の導電層により構成される。下部電極３１、上部電極３３を構成する導電層としては、イリジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウムのうちから少なくとも１つからなる層、またはこれらの合金からなる層、あるいはこれらの酸化物からなる層等から選択される。本実施形態の下部電極３１は、下地導電部３４上に設けられたイリジウム酸化物層と、イリジウム酸化物層上に設けられたプラチナ層とからなっている。また、上部電極３３は、強誘電体膜３２上に設けられたプラチナ層と、プラチナ層上に設けられたイリジウム酸化物層とからなっている。イリジウムや白金等の貴金属からなる膜を用いているので、熱的・化学的に安定な下部電極３１、上部電極３３になっている。

強誘電体膜３２は、一般式がＡＢＯ_３で示される強誘電体材料からなっている。Ａサイト金属は、例えば鉛、あるいは鉛の一部をランタンあるいはカルシウム、ストロンチウムに置換したものからなる。またＢサイト金属は、例えばジルコニウム又はチタンからなり、これにバナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、及びマグネシウムのうちの１つ以上を添加してもよい。

強誘電体材料の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、以下、ＰＺＴと称することがある）や、そのＢサイト金属としてニオブを添加したＰＺＴＮ等が挙げられる。自発分極量を大きくする観点から、Ｔｉの含有量をＺｒの含有量よりも多くすることが好ましい。この場合には、ヒステリシス特性を良好にする観点から、結晶構造が正方晶に属する（１１１）配向であるものが好ましい。ここでは、強誘電体膜３２が、ＰＴＺＮからなり、正方晶に属する（１１１）配向のペロブスカイト型の結晶構造になっている。

電荷蓄積部３の側面及び上面、電荷蓄積部３の周辺部を覆って、絶縁膜３５が設けられている。本実施形態の絶縁膜３５は、シリコン窒化物からなる。絶縁膜３５を覆って、イリジウム酸化物からなる拡散防止膜３６が設けられている。絶縁膜３５が設けられていることにより、拡散防止膜３６と電荷蓄積部３との短絡が防止されている。拡散防止膜３６を覆って、アルミニウム酸化物からなる水素バリア膜３７が設けられている。水素バリア膜３７は、強誘電体膜３２が還元されることを防止する。

水素バリア膜３７と下地絶縁膜１２とを覆って、層間絶縁膜１３が設けられている。層間絶縁膜１３は、下地絶縁膜１２と同様に、シリコン酸化物等の絶縁物からなる。層間絶縁膜１３を貫通して、第１プラグ４１に通じるコンタクトホールが設けられている。このコンタクトホール内に、第３プラグ４３が埋設されている。

層間絶縁膜１３、水素バリア膜３７、拡散防止膜３６、絶縁膜３５を貫通して、上部電極３３に通じるコンタクトホールが設けられている。このコンタクトホール内に、第４プラグ（プラグ導電部）４４が埋設されている。第４プラグ４４は、前記ビット線と導通接続されている。

以上のような構成の強誘電体メモリー装置１において、トランジスター２のゲート電極２４に電圧が印加されるとチャネル領域がオンとなる。チャネル領域がオンになった状態で、ビット線からソース領域２１に電気信号が供給されると、この電気信号がチャネル領域、ドレイン領域２２、第２プラグ４２、下地導電部３４を介して、下部電極３１に伝達される。これにより、下部電極３１と上部電極３３との間の強誘電体膜３２に電圧が印加される。強誘電体メモリー装置１は、電気信号をトランジスター２によってスイッチングすることにより、電荷蓄積部３へデータを書込むことや、電荷蓄積部３からデータを読出すことが可能になっている。

電荷蓄積部３は、強誘電体膜３２の分極反転を利用してデータを保持するので、データの再度書込（リフレッシュ）によりデータを保持する必要性が低くなる。したがって、電荷蓄積部３を用いることにより低消費電力のメモリー装置を構成することが可能である。

一般に、強誘電体キャパシタにデータの書き換えを繰り返し行うと、読み出し信号量が初期状態から小さくなってしまう。例えば、強誘電体キャパシタに１０^１１回程度の書き換えを行うと、信号量が読み出し不能になることがある。書き換えにより信号量が低下する原因としては、強誘電体膜の劣化が考えられている。強誘電体膜は、金属酸化物等からなっており、強誘電体膜において還元された部分（劣化部分）は、分極反転に寄与しなくなる。したがって、強誘電体膜において劣化部分の占める割合が大きくなるにつれて、信号量が小さくなる。

本実施形態の強誘電体メモリー装置１にあっては、電荷蓄積部３の側壁と上面とが、拡散防止膜３６及び水素バリア膜３７に覆われているので、強誘電体膜３２の劣化が低減される。したがって、電荷蓄積部３のヒステリシス特性が良好になり、高信頼性の強誘電体メモリー装置になる。
水素バリア膜３７と電荷蓄積部３との間に拡散防止膜３６が設けられているので、水素バリア膜３７に含まれるアルミニウムが電荷蓄積部３内に拡散することが防止される。したがって、アルミニウムの拡散による電荷蓄積部３の電気特性の低下が防止され、良好な電気特性の強誘電体メモリー装置になる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態として本発明に係る強誘電体キャパシタの製造方法の一例を、強誘電体メモリー装置１の構成に基づいて説明する。

図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ａ）〜（ｃ）、図４（ａ）〜（ｃ）、図５（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の強誘電体キャパシタの製造方法を概略して示す断面工程図である。なお、図２（ｂ）以降の図では、下地絶縁膜１２の下層構造の図示を省略している。

まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１０に例えばＬＯＣＯＳ法やＳＴＩ法等で素子分離領域１１を形成する。そして、素子分離領域１１の間におけるシリコン基板１０上に熱酸化法等によりゲート絶縁膜２３を形成する。そして、ゲート絶縁膜２３上に多結晶シリコン等からなるゲート電極２４を形成する。そして、素子分離領域１１間のシリコン基板１０の表層に、ゲート電極２４をマスクとして低濃度に不純物を注入する。そして、エッチバック法等を用いてサイドウォール２５を形成する。そして、素子分離領域１１間のシリコン基板１０の表層に、ゲート電極２４とサイドウォール２５とをマスクとして濃度に不純物を注入する。これにより、低濃度不純物領域と高濃度不純物領域とを含んだ、ソース領域２１及びドレイン領域２２が得られる。以上のようにして、トランジスター２を形成する。

そして、トランジスター２が形成されたシリコン基板１０上に、例えばＣＶＤ法でシリコン酸化物を成膜して下地絶縁膜１２を形成する。そして、ソース領域２１上とドレイン領域２２上とにおける下地絶縁膜１２をエッチングして、ソース領域２１を露出させるコンタクトホールと、ドレイン領域２２を露出させるコンタクトホールとを形成する。そして、コンタクトホール内と下地絶縁膜１２上とに、例えばＣＶＤ法でタングステンを成膜してコンタクトホール内にタングステンを埋め込む。そして、下地絶縁膜１２上をＣＭＰ法等で研磨することにより、下地絶縁膜１２上のタングステンを除去する。このようにして、ソース領域２１上のコンタクトホール内に第１プラグ４１を埋設し、ドレイン領域２２上のコンタクトホール内に第２プラグ４２を埋設する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、第２プラグ４２上と下地絶縁膜１２上とに下地導電部３４ａ、下部電極３１ａ、強誘電体膜３２ａ、上部電極３３ａをこの順に積層して、積層膜（積層体）を形成する。

具体的には、第２プラグ４２上と下地絶縁膜１２上とに、下地導電部３４ａの形成材料として、例えばチタンアルミニウムナイトライドをスパッタ法により成膜する。
そして、下地導電部３４ａ上に、例えばイリジウム酸化物をスパッタ法等により成膜する。そして、イリジウム酸化物層上にプラチナをスパッタ法により成膜し、イリジウム酸化物層とプラチナ層とからなる下部電極３１ａを形成する。
そして、下部電極３１ａ上に、強誘電体膜３２ａの形成材料として例えばＰＺＴＮを、ゾルゲル法（ＣＳＤ法）やＭＯＣＶＤ法、スパッタ法等により酸素雰囲気で成膜する。
そして、ＰＺＴＮ膜上に例えばプラチナをスパッタ法等により成膜する。そして、プラチナ層上にイリジウム酸化物をスパッタ法等により形成し、プラチナ層とイリジウム酸化物層とからなる上部電極３３ａを形成する。

チタンアルミニウムナイトライドが自己配向性を有する材質であるので、下地導電部３４ａの結晶配向が良好になる。下部電極３１ａは、下地となる下地導電部３４ａの結晶配向を反映して、結晶配向が良好になる。強誘電体膜３２ａは、下地となる下部電極３１ａの結晶配向を反映して、結晶配向が良好になる。ＰＺＴＮ膜を酸素雰囲気で成膜しているが、チタンアルミニウムナイトライドからなる下地導電部３４ａが酸素バリア性を有しているので、第１プラグ４１や第２プラグ４２の酸化が防止される。

次いで、図２（ｃ）に示すように、第２プラグ４２上に位置する上部電極３３ａ上にハードマスク等のマスクパターンＭ１を形成する。マスクパターンＭ１をエッチングマスクとして、上部電極３３ａ、強誘電体膜３２ａ、下部電極３１ａ、下地導電部３４ａをこの順にドライエッチングして積層膜をパターニングし、積層膜がパターニングされてなる電荷蓄積部（積層体）３を形成する。

一般に、金属成分を含んだ膜のドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、ハロゲンを含有したものが用いられる。これは、ハロゲンを含有したエッチングガスを用いると、ハロゲンの電気陰性度が高いのでエッチングレートを高くすることが容易になるからである。

ここでは、通常のドライエッチングと同様にハロゲンを含んだエッチングガスを用いる。エッチングガスとしては、例えばＡｒ、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３、ＣＦ_４、Ｏ_２の混合ガスが挙げられる。このようにして、図３（ａ）に示すようなパターニングされた下地導電部３４と、下地導電部３４上に配置された電荷蓄積部３とが得られる。電荷蓄積部３の表層には、エッチングガスに起因するハロゲンが残留することが多い。

次いで、図３（ｂ）に示すように、電荷蓄積部３の側壁及び上面、下地導電部３４の側壁、下地絶縁膜１２上を連続して覆う絶縁膜３５ａを形成する。ここでは、スパッタ法やＣＶＤ法等によりシリコン窒化物を成膜することにより絶縁膜３５ａを形成する。そして、絶縁膜３５の上に、イリジウム酸化物をスパッタ法等により成膜して、拡散防止膜３６ａを形成する。拡散防止膜３６ａの膜厚としては、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度にする。そして、拡散防止膜３６ａの上に、アルミニウム酸化物をスパッタ法やＣＶＤ法により成膜して、水素バリア膜３７ａを形成する。

次いで、図３（ｃ）に示すように、電荷蓄積部３の頂部及び側部を覆う部分の水素バリア膜３７ａ上にマスクパターンＭ２を形成する。そして、マスクパターンＭ２をエッチングマスクとして水素バリア膜３７ａ、拡散防止膜３６ａ、絶縁膜３５ａをこの順にドライエッチングしてパターニングする。このようにして、図４（ａ）に示すようなパターニングされた絶縁膜３５と拡散防止膜３６と水素バリア膜３７とを形成する。

前記積層膜をパターニングした際のエッチングガスに起因して、水素バリア膜３７内にハロゲンが残留することがある。また、水素バリア膜３７ａをパターニングする際のエッチングガスに起因して、水素バリア膜３７中にハロゲンが残留することもある。アルミニウム酸化物の融点は２０５４℃程度であるが、アルミニウム酸化物がハロゲン化されると融点が１７８℃程度まで低下する。ハロゲン化されたアルミニウム酸化物は、融点が低くなることにより拡散しやすくなる。本実施形態では、水素バリア膜３７と電荷蓄積部３との間に、イリジウム酸化物からなる拡散防止膜３６が設けられているので、ハロゲン化したアルミニウムが電荷蓄積部３内に拡散することが防止される。

次いで、図４（ｂ）に示すように、水素バリア膜３７上と下地絶縁膜１２上と第１プラグ４１上を覆って、層間絶縁膜１３を形成する。ここでは、テトラエトキシシランを含んだ原料ガスを用いてＣＶＤ法でシリコン酸化物を成膜し、層間絶縁膜１３を形成する。原料ガスの反応により水素ガスや水分等の還元性物質が生成されることがある。電荷蓄積部３が水素バリア膜３７に覆われているので、強誘電体膜３２の還元による劣化が格段に低減される。また、イリジウム酸化物からなる拡散防止膜３６も水素バリア性を有しているので、電荷蓄積部３への還元性物質の侵入が防止される。

次いで、図４（ｃ）に示すように、電荷蓄積部３の上部電極３３上の層間絶縁膜１３と水素バリア膜３７と拡散防止膜３６と絶縁膜３５を貫通して、上部電極３３の上面を露出させるコンタクトホール４４ａを形成する。ここでは、シリコン窒化物からなる絶縁膜３５をエッチストップに用いて、コンタクトホール４４ａを形成する。一般に、シリコン窒化物からなる膜は、シリコン酸化物からなる膜よりもエッチングレートが低い。したがって、コンタクトホール４４ａの形成過程において絶縁膜３５が露出した後、上部電極３３が露出するまでの時間が長くなり、エッチング量を高精度に制御することができる。これにより、コンタクトホール４４ａを高精度な形状に形成することができ、またオーバーエッチによる上部電極３３へダメージを低減することができる。

次いで、図５（ａ）に示すように、酸素雰囲気で熱処理する。これにより、強誘電体膜３２の酸素欠損を補修することができ、良好な結晶性の強誘電体膜３２にすることができる。熱処理を行うと、水素バリア膜３７においてハロゲン化されたアルミニウムの熱拡散が促進されると考えられる。本実施形態では、電荷蓄積部３と水素バリア膜３７との間に拡散防止膜３６を形成しているので、電荷蓄積部３へのアルミニウムの拡散を防止することができる。

強誘電体膜３２の結晶性を回復する熱処理としては、パターニング前の強誘電体膜３２ａを形成した後、パターニング前の絶縁膜３５ａを形成するまでの間に行ってもよいし、２回以上行ってもよい。層間絶縁膜１３を形成する際に還元性物質が発生する場合には、層間絶縁膜１３を形成した後に熱処理を行うことが好ましい。

次いで、図５（ｂ）に示すように、第１プラグ４１上の層間絶縁膜１３を貫通して、第１プラグ４１の上面を露出させるコンタクトホール４３ａを形成する。層間絶縁膜１３を形成した後に、コンタクトホール４３ａを形成するまでの間に、第１プラグ４１は層間絶縁膜１３に覆われているので、第１プラグ４１の酸化が低減される。

次いで、図５（ｃ）に示すように、コンタクトホール４３ａ内、コンタクトホール４４ａ内にタングステンを成膜して、第３プラグ４３と第４プラグ４４とを形成する。タングステンを還元雰囲気で成膜する場合には、コンタクトホール４４ａ内に水素バリア性を有する導電材料、例えばチタンアルミナイトライドでバリア膜を形成しておくことにより、強誘電体膜３２の還元を防止することができる。

以上のようにして、強誘電体キャパシタを製造する。また、層間絶縁膜１３上に配線層４を形成すること等により、図１に示した強誘電体メモリー装置１を製造することもできる。

［実験例］
次に、図６（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、イリジウム酸化物からなる拡散防止膜によるアルミニウムの拡散防止効果について説明する。図６（ａ）は、試験片５の構成を示す模式図であり、図６（ｂ）は、アルミニウムの検出強度について、実験例と比較例との比較を示すグラフである。

図６（ａ）に示すように試験片５は、下層側から上層側に向かって下地層５０、イリジウム酸化物層５１、金属層５２、アルミニウム酸化物層５３、シリコン酸化物層５４がこの順に積層された構成になっている。イリジウム酸化物層５１が拡散防止膜に相当し、アルミニウム酸化物層５３が水素バリア膜に相当する。

図６（ｂ）のグラフにおいて、縦軸は二次イオン質量分析法により検出したアルミニウムの検出強度であり、横軸は試験片５の表面からの深さ（図６（ａ）参照）である。実験例は、ハロゲンを含んだエッチングガスによりエッチングを施した試験片５を分析した結果である。比較例は、エッチングを施していない試験片５を分析した結果である。

図６（ｂ）のグラフに示すように、エッチングを施した実験例は、金属層５２における検出強度が比較例よりも増加している。これは、アルミニウムがハロゲン化されて拡散しやすくなったためと考えられる。金属層５２における検出強度の分布に着目すると、比較例の分布から分かるように、通常はアルミニウムの拡散源であるアルミニウム酸化物層５３から離れるほど検出強度が低くなる。一方、実験例は、アルミニウム酸化物層５３から離れるにつれて検出強度が減少して極小となった後、イリジウム酸化物層５１に近づくにつれて検出強度が増加し、イリジウム酸化物層５１との界面付近で検出強度が極大になっている。

このような分布から、拡散したアルミニウムは、イリジウム酸化物層５１に拡散しにくいため、イリジウム酸化物層５１との界面付近の金属層５２に堆積したと考えられる。すなわち、イリジウム酸化物層５１は、自身へのアルミニウムの拡散をブロックすると考えられる。このことから、イリジウム酸化物層５１は、その膜厚に比してアルミニウムの拡散を防止する効果が高く、イリジウム酸化物層５１に対して拡散源と反対側へのアルミニウムの拡散を防止する拡散防止膜として、極めて有効であるといえる。

以上のような本実施形態の強誘電体キャパシタの製造方法にあっては、電荷蓄積部３を覆って拡散防止膜３６及び水素バリア膜３７が設けられているので、強誘電体膜３２の還元による劣化が防止される。また、電荷蓄積部３の一部をコンタクトホール４４ａ内に露出させた状態において酸素雰囲気で熱処理しているので、強誘電体膜３２の酸素欠陥を補修することができ、良好な結晶性の強誘電体膜３２にすることができる。また、水素バリア膜３７と電荷蓄積部３との間にイリジウム酸化物からなる拡散防止膜３６を形成しているので、電荷蓄積部３へのアルミニウムの拡散が防止され、良好な電気特性の電荷蓄積部３にすることができる。

以上にようにして製造された本発明に係る強誘電体キャパシタは、強誘電体膜３２の結晶性が良好になっているので、良好なヒステリシス特性のものになる。また、電荷蓄積部３の電気特性が良好になっているので、良好な電気特性のものになる。

１・・・強誘電体メモリー装置（半導体装置）、２・・・トランジスター、３・・・電荷蓄積部（積層体）、４・・・配線層、５・・・試験片、１０・・・シリコン基板（基板）、１１・・・素子分離領域、１２・・・下地絶縁膜、１３・・・層間絶縁膜、２１・・・ソース領域、２２・・・ドレイン領域、２３・・・ゲート絶縁膜、２４・・・ゲート電極、２５・・・サイドウォール、３１、３１ａ・・・下部電極、３２、３２ａ・・・強誘電体膜、３３、３３ａ・・・上部電極、３４、３４ａ・・・下地導電部、３５、３５ａ・・・絶縁膜、３６、３６ａ・・・拡散防止膜、３７、３７ａ・・・水素バリア膜、４１・・・第１プラグ、４１・・・第４プラグ、４２・・・第２プラグ、４３・・・第３プラグ、４３ａ・・・コンタクトホール、４４・・・第４プラグ（プラグ導電部）、４４ａ・・・コンタクトホール、５０・・・下地層、５１・・・イリジウム酸化物層、５２・・・金属層、５３・・・アルミニウム酸化物層、５４・・・シリコン酸化物層、Ｍ１・・・マスクパターン、Ｍ２・・・マスクパターン

Claims (6)

1. 基板の上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極の上に設けられた上部電極と、
   前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた強誘電体膜と、
   前記下部電極と前記強誘電体膜と前記上部電極とを含んだ積層体の上に設けられ、アルミニウム酸化物を含んだ水素バリア膜と、
   前記水素バリア膜と前記積層体との間に設けられ、イリジウム酸化物からなる拡散防止膜と、
   前記拡散防止膜と前記積層体との間に設けられた絶縁膜と、を備えていることを特徴とする強誘電体キャパシタ。
2. 基板と、
   前記基板の上に設けられたトランジスターと、
   前記基板の上に設けられて前記トランジスターと電気的に接続された強誘電体キャパシタと、を備え、
   前記強誘電体キャパシタが請求項１に記載の強誘電体キャパシタであることを特徴とする半導体装置。
3. 基板の上に、下部電極を形成する工程と、
   前記下部電極の上に強誘電体膜を形成する工程と、
   前記強誘電体膜の上に上部電極を形成する工程と、
   前記下部電極と前記強誘電体膜と前記上部電極を含んだ積層体を、ハロゲンを含んだエッチングガスによるエッチングを用いてパターニングする工程と、
   前記パターニングする工程の後に前記積層体の上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜の上にイリジウム酸化物からなる拡散防止膜を形成する工程と、
   前記拡散防止膜の上に、アルミニウム酸化物を含んだ水素バリア膜を形成する工程と、を有することを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。
4. 前記水素バリア膜の上に層間絶縁膜を形成する工程と、
   前記層間絶縁膜と前記水素バリア膜と前記拡散防止膜と前記絶縁膜とを貫通するコンタクトホールをエッチングにより形成し、該コンタクトホール内に前記上部電極を露出させる工程と、
   前記コンタクトホール内に前記上部電極と導通するプラグ導電部を形成する工程と、を有することを特徴とする強誘電体キャパシタの請求項３に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
5. 前記上部電極を露出させる工程と前記プラグ導電部を形成する工程との間に酸素雰囲気で熱処理する工程を有することを特徴とする請求項４に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
6. 前記絶縁膜をシリコン窒化物で形成し、前記上部電極を露出させる工程では、前記絶縁膜をエッチストップに用いて前記コンタクトホールを形成することを特徴とする請求項４又は５に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。

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