JP5269112B2 - Semiconductor device provided with amorphous film, and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、キャパシタ絶縁膜として強誘電性金属酸化物を備えた半導体装置に酸素透過防止膜として用いられる、Ti及びAlを含有するほかに、Nを任意成分として含むことがあるアモルファス膜を備える半導体装置、及びこの半導体装置の製造方法に関する。 The present invention includes an amorphous film that may contain N as an optional component in addition to Ti and Al used as an oxygen permeation preventive film in a semiconductor device including a ferroelectric metal oxide as a capacitor insulating film. The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
いわゆる強誘電体メモリにおいて、キャパシタ絶縁膜として用いられる強誘電体材料と
しては、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr 1 −xTix)O3)(以下、PZTとも称
する。)、チタン酸バリウムストロンチウム(Ba 1 −xSrxTiO3)(以下、BS
Tとも称する。)、及び、タンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマス(SrBa2(N
b 1 −xTax)2O9)(以下、SBTとも称する。)等が知られている。なお、ここ
で、Xは0〜1の間の値をとる組成比を表す。
As a ferroelectric material used as a capacitor insulating film in a so-called ferroelectric memory, lead zirconate titanate (Pb (Zr 1 -x Ti x ) O 3 ) (hereinafter also referred to as PZT), barium titanate. strontium (Ba 1 - x Sr x TiO 3) ( hereinafter, BS
Also referred to as T. ), And strontium bismuth tantalate niobate (SrBa 2 (N
b 1 -. x Ta x) 2 O 9) ( hereinafter, also referred to as SBT), etc. are known. Here, X represents a composition ratio having a value between 0 and 1.
強誘電体メモリは、一般に、基板の第1主面側に設けられる強誘電体材料からなるキャパシタ絶縁膜と、このキャパシタ絶縁膜の上側に設けられる上部電極、このキャパシタ絶縁膜の下側に設けられる下部電極、この下部電極の下側に設けられる導電性バリア層、及び、この導電性バリア層に電気的に接続したコンタクトプラグを備えている。コンタクトプラグは、基板の第1主面側の全面を覆う層間絶縁膜を貫通して設けられている。 In general, a ferroelectric memory is provided with a capacitor insulating film made of a ferroelectric material provided on the first main surface side of a substrate, an upper electrode provided above the capacitor insulating film, and provided below the capacitor insulating film. A lower barrier electrode, a conductive barrier layer provided below the lower electrode, and a contact plug electrically connected to the conductive barrier layer. The contact plug is provided through an interlayer insulating film that covers the entire surface on the first main surface side of the substrate.
このような強誘電体メモリの課題として、キャパシタ絶縁膜からの酸素の拡散が知られている。すなわち、キャパシタ絶縁膜を焼結する際の熱処理等により、キャパシタ絶縁膜から下部電極及び導電性バリア層を介して酸素が拡散して、W等からなるコンタクトプラグの表面を酸化する。その結果、コンタクトプラグの導電性が損なわれる。 As a problem of such a ferroelectric memory, diffusion of oxygen from a capacitor insulating film is known. That is, oxygen diffuses from the capacitor insulating film through the lower electrode and the conductive barrier layer by heat treatment or the like when sintering the capacitor insulating film, and oxidizes the surface of the contact plug made of W or the like. As a result, the conductivity of the contact plug is impaired.
コンタクトプラグ表面の酸化という問題は、コンタクトプラグが、CMP(chemial mechanical polishing)法により形成されているときに、特に顕著である。 The problem of contact plug surface oxidation is particularly noticeable when the contact plug is formed by a CMP (chemical mechanical polishing) method.
より詳細には、CMP法を用いてコンタクトプラグを形成すると、コンタクトプラグと層間絶縁膜の研磨速度の差に起因して、コンタクトプラグと層間絶縁膜との境界に20〜50nm程度の段差が発生する。そして、下部電極及び導電性バリア層に、この段差に由来する大きな粒界(以下、シームと称する。)が発生してしまう。 More specifically, when a contact plug is formed using the CMP method, a step of about 20 to 50 nm occurs at the boundary between the contact plug and the interlayer insulating film due to a difference in polishing rate between the contact plug and the interlayer insulating film. To do. Then, large grain boundaries (hereinafter referred to as seams) derived from the steps are generated in the lower electrode and the conductive barrier layer.
その結果、酸素は、シームを介して、容易にコンタクトプラグまで拡散して、コンタクトプラグ表面を酸化してしまう。 As a result, oxygen easily diffuses to the contact plug through the seam and oxidizes the contact plug surface.
この酸素の拡散を防止するために、種々の方策が講じられている。たとえば、下部電極をPt/IrO2/Irの積層体にすることが知られている。この技術は、Pt膜及びIrO2膜を介して拡散する酸素をIr膜の酸化で消費させることで、酸素の拡散をIr膜中でとどめ、結果として、コンタクトプラグ表面への酸素の拡散を阻止するものである。 Various measures have been taken to prevent the diffusion of oxygen. For example, it is known that the lower electrode is a Pt / IrO 2 / Ir laminate. In this technology, oxygen diffused through the Pt film and IrO 2 film is consumed by oxidation of the Ir film, so that the oxygen diffusion is stopped in the Ir film, and as a result, the diffusion of oxygen to the contact plug surface is prevented. To do.
また、同様の目的で、TiとAlとNとを含む結晶性のTiAlN膜等の電気的な導電性を有する導電性バリア層を下部電極とコンタクトプラグとの間に介在させる技術が開示されている(たとえば、特許文献1参照)。 For the same purpose, a technique is disclosed in which a conductive barrier layer having electrical conductivity such as a crystalline TiAlN film containing Ti, Al, and N is interposed between the lower electrode and the contact plug. (For example, see Patent Document 1).
これらの技術は、コンタクトプラグへの酸素の拡散をある程度抑制することができるが、充分とは言えなかった。その原因は、IrO2膜、Ir膜及びTiAlN膜が、いずれも結晶質であり、粒界が基板の主面に対して垂直な方向に配向して存在するためである。その結果、酸素は、この粒界、特にシームを拡散経路として拡散し、コンタクトプラグの表面を酸化してしまう。 These techniques can suppress the diffusion of oxygen to the contact plug to some extent, but have not been sufficient. The reason is that the IrO 2 film, the Ir film, and the TiAlN film are all crystalline, and the grain boundaries are oriented in a direction perpendicular to the main surface of the substrate. As a result, oxygen diffuses using this grain boundary, particularly the seam, as a diffusion path, and oxidizes the surface of the contact plug.
そこで、粒界を介した酸素の拡散を抑制するために、導電性バリア層として配向性のないアモルファスなTiAlN膜を用いることで、このTiAlN膜上に堆積されるIr膜とIrO2膜とを含む下部電極の配向性を弱める技術が開示されている(たとえば、特許文献2参照)。 Therefore, in order to suppress the diffusion of oxygen through the grain boundary, an amorphous TiAlN film having no orientation is used as the conductive barrier layer, so that the Ir film and the IrO 2 film deposited on the TiAlN film can be reduced. A technique for weakening the orientation of the lower electrode is disclosed (for example, see Patent Document 2).
この技術では、Ir膜及びIrO2膜の配向性を弱める、つまり、Ir膜及びIrO2膜中の結晶粒を小型とし、かつ、緻密にすることにより、酸素の拡散経路長を長くし、結果として、コンタクトプラグ表面に至る酸素の拡散量を減少させる。
特許文献2に開示されている技術を要約すれば、Ir膜及びIrO2膜を緻密にすることで、酸素が拡散する粒界の全長を長くし、その結果、コンタクトプラグ表面に至る酸素の拡散量を減少させるものということができる。 Summarizing the technology disclosed in Patent Document 2, by making the Ir film and IrO 2 film dense, the total length of the grain boundary where oxygen diffuses is lengthened, and as a result, the diffusion of oxygen reaching the contact plug surface It can be said to reduce the amount.
つまり、特許文献2の技術は、Ir膜及びIrO2膜の膜質を改良することに主眼が置かれており、下地であるTiAlN膜に関しては、アモルファスであればよいと記載されているのみである。 In other words, the technology of Patent Document 2 focuses on improving the film quality of the Ir film and the IrO 2 film, and only describes that the TiAlN film as the base may be amorphous. .
このような技術的背景の下で、この出願の発明者は、酸素の拡散に由来するコンタクトプラグ表面の酸化の問題につき、鋭意検討を行った。その結果、Ir膜及びIrO2膜の膜質よりも、むしろ導電性バリア層であるTiAlN膜の膜質のほうが、酸素の拡散に大きな影響を与えることを見いだした。 Under such a technical background, the inventor of this application has intensively studied the problem of oxidation of the contact plug surface caused by oxygen diffusion. As a result, it was found that the film quality of the TiAlN film, which is a conductive barrier layer, has a greater influence on the oxygen diffusion than the film quality of the Ir film and the IrO 2 film.
より詳細には、この出願の発明者は、導電性バリア層であるTiAlN膜の膜質をアモルファスとすれば、導電性バリア層上に堆積される膜(Ir膜及びIrO2膜等)の膜質の如何にかかわらず、また、コンタクトプラグと層間絶縁膜との境界における段差の有無にかかわらず、酸素の拡散を抑制できることを見いだした。 More specifically, the inventor of this application, if the film quality of the TiAlN film that is the conductive barrier layer is amorphous, the film quality of the film (Ir film, IrO 2 film, etc.) deposited on the conductive barrier layer It has been found that oxygen diffusion can be suppressed regardless of whether or not there is a step at the boundary between the contact plug and the interlayer insulating film.
また、この出願の発明者は、このアモルファスなTiAlN膜が、特定の成膜条件でのみ形成されることを見いだした。 The inventors of this application have also found that this amorphous TiAlN film is formed only under specific film formation conditions.
さらに、発明者は、Nを含有しないTiAl膜であっても、上述したアモルファスなTiAlN膜と同様に酸素の拡散を抑制できることを見いだした。 Furthermore, the inventor has found that even a TiAl film not containing N can suppress the diffusion of oxygen in the same manner as the amorphous TiAlN film described above.
また、この発明の目的は、Ti及びAlを含有するほかに、Nを任意成分として含むことがあるアモルファス膜を導電性バリア層として用いることにより、酸素の拡散を抑制することを可能とした半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor capable of suppressing oxygen diffusion by using, as a conductive barrier layer, an amorphous film that may contain N as an optional component in addition to containing Ti and Al. It is to provide an apparatus and a manufacturing method thereof.
上述した課題を解決するために、この発明の半導体装置は、基板の第1主面の上側に、導電性バリア層と、導電性バリア層の上側に形成された下部電極と、下部電極の上側に形成された強誘電性の金属酸化物からなるキャパシタ絶縁膜とを備え、及び導電性バリア層が、Ti及びAlを含むほかに、任意成分としてNを含むことがあるアモルファス膜と、アモルファス膜を挟んで上下に一層ずつ設けられたTi,Al及びNを含む結晶性膜との積層構造を有していることを特徴とする。 To solve the problems described above, a semi-conductor device of this invention, the upper side of the first main surface of the substrate, and the conductive barrier layer, a lower electrode formed above the conductive barrier layer, the lower electrode A capacitor insulating film made of a ferroelectric metal oxide formed on the upper side, and the conductive barrier layer contains Ti and Al, in addition to Ti and Al, an amorphous film that may contain N as an optional component, and amorphous It has a laminated structure with a crystalline film containing Ti, Al, and N provided one layer above and below with a film interposed therebetween.
上述した半導体装置において、アモルファス膜の膜厚を20nm〜150nmとすることが好ましい。 In the semiconductor device described above, the thickness of the amorphous film is preferably 20 nm to 150 nm.
上述した課題を解決するために、この発明の半導体装置の製造方法は、上述の半導体装置を製造するにあたり、積層構造において、アモルファス膜の下側に存在する結晶性膜を、(1)スパッタリングターゲットに関するDCパワー、(2)成膜室内の気圧、(3)基板温度、及び(4)N2ガスとArガスとの混合スパッタガス中におけるN2ガスの体積比率をそれぞれ所定値として、反応性スパッタ法により成膜し、引き続いて、アモルファス膜を、(A)前記(1)のDCパワーを増加させるスパッタ条件変更操作、(B)前記(2)の成膜室内の気圧を減少させるスパッタ条件変更操作、(C)前記(3)の基板温度を増加させるスパッタ条件変更操作、及び、(D)前記(4)のN2ガスの体積比率を減少させるスパッタ条件変更操作からなる群から選ばれた1以上のスパッタ条件変更操作を行うことにより、成膜することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention provides: (1) a sputtering target in which a crystalline film existing under an amorphous film is stacked in a stacked structure; (2) the atmospheric pressure in the film forming chamber, (3) the substrate temperature, and (4) the volume ratio of N 2 gas in the mixed sputtering gas of N 2 gas and Ar gas, respectively, with a predetermined value as a reactive value. (A) Sputtering condition changing operation for increasing the DC power of (1), and (B) Sputtering condition for reducing the atmospheric pressure in the filming chamber of (2). change operation, (C) the (3) sputtering conditions change operation for increasing the substrate temperature, and, varying sputtering conditions to reduce the volume ratio of the N 2 gas (D) wherein (4) By performing one or more sputtering conditions change operation selected from the group consisting of operation, characterized by depositing.
この発明によれば、電気抵抗率が6×102μΩ・cm以下の、Nを任意成分として含むアモルファスなTiAlN膜を得ることができる。このTiAlN膜はアモルファスであるので、膜の内部に粒界が存在しない。よって、このTiAlN膜を強誘電体メモリの導電性バリア層として用いることにより、導電性バリア層の粒界を介した酸素の拡散を効果的に遮断することができる。 According to the present invention, an amorphous TiAlN film containing N as an optional component having an electric resistivity of 6 × 10 2 μΩ · cm or less can be obtained. Since this TiAlN film is amorphous, there is no grain boundary inside the film. Therefore, by using this TiAlN film as the conductive barrier layer of the ferroelectric memory, oxygen diffusion through the grain boundary of the conductive barrier layer can be effectively blocked.
特に、下部電極中に上述のシームが存在したとしても、このシームは、アモルファスなTiAlN膜を貫通することができない。よって、シームを介して拡散する酸素は、アモルファスなTiAlN膜で効果的にブロックされる。 In particular, even if the above-described seam exists in the lower electrode, the seam cannot penetrate the amorphous TiAlN film. Therefore, oxygen that diffuses through the seam is effectively blocked by the amorphous TiAlN film.
また、Nを任意成分として含むアモルファスなTiAlN膜は、結晶質のTiAlN膜よりも電気抵抗率が小さいので、コンタクトプラグと下部電極との間の電気抵抗を従来よりも減少させることができる。 Further, since the amorphous TiAlN film containing N as an optional component has a lower electrical resistivity than the crystalline TiAlN film, the electrical resistance between the contact plug and the lower electrode can be reduced as compared with the conventional case.
ここで、表1に、以下の説明で用いる用語の定義を示す。 Here, Table 1 shows definitions of terms used in the following description.
表1に示すように、本発明の技術的範囲には、Nを含有しないTiとAlとからなるアモルファスなTiAl合金膜(No.1)、及び、NとTiとAlとを含有するアモルファスなTiAlN膜(No.2)の双方が含まれる。そして、これらNo.1及びNo.2を第1相と呼称する。 As shown in Table 1, the technical scope of the present invention includes an amorphous TiAl alloy film (No. 1) made of Ti and Al not containing N, and an amorphous material containing N, Ti, and Al. Both TiAlN films (No. 2) are included. And these No. 1 and no. 2 is referred to as the first phase.
また、本発明の技術的範囲には、NとTiとAlとを含有する結晶性のTiAlN膜(No.3)は、含まれない。なお、No.3のTiAlN膜を第2相と呼称する。 The technical scope of the present invention does not include a crystalline TiAlN film (No. 3) containing N, Ti and Al. In addition, No. 3 TiAlN film is referred to as the second phase.
また、以下の説明では、No.1〜No.3の膜を「TiAlN膜」と総称する。 In the following description, No. 1-No. The film 3 is collectively referred to as a “TiAlN film”.
この発明は上述のような構成を有しているので、第1相、すなわちアモルファスなTiAlN膜を再現性よく成膜することが可能となる。また、このアモルファスなTiAlN膜を、半導体装置としての強誘電体メモリの導電性バリア層として用いることにより、酸素の拡散によるコンタクトプラグ表面の酸化を抑制することができる。 Since the present invention has the above-described configuration, the first phase, that is, an amorphous TiAlN film can be formed with high reproducibility. Further, by using this amorphous TiAlN film as a conductive barrier layer of a ferroelectric memory as a semiconductor device, oxidation of the contact plug surface due to oxygen diffusion can be suppressed.
以下、図を参照して、参考例及びこの発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例に過ぎない。したがって、この発明は、以下の実施の形態には、なんら限定されない。 Hereinafter, reference examples and embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Each figure is only a schematic illustration of the shape, size, and arrangement relationship of each component to the extent that the present invention can be understood. Moreover, although the preferable structural example of this invention is demonstrated below, the material, numerical condition, etc. of each component are only a preferable example. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments.
(参考例1)
図1〜図3を参照して、アモルファス膜の成膜方法、及び成膜されたアモルファス膜の性質につき説明する。図1は、6つの異なる成膜条件で成膜されたアモルファス膜の電気抵抗率とN2分率との関係を示す図である。図2(A)及び(B)は、それぞれ、第1相及び第2相のTiAlN膜のXRD(X−ray diffractometer)の分析結果を示す図である。図3(A)及び(B)は、それぞれ、第1相及び第2相のTiAlN膜の断面SEM(scanning electron microscope)写真である。
(Reference Example 1 )
With reference to FIGS. 1 to 3, a method for forming an amorphous film and properties of the formed amorphous film will be described. FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the electrical resistivity and N 2 fraction of an amorphous film formed under six different film forming conditions. FIGS. 2A and 2B are diagrams showing XRD (X-ray diffractometer) analysis results of the first and second phase TiAlN films, respectively. 3A and 3B are cross-sectional SEM (scanning electron microscope) photographs of the first and second phase TiAlN films, respectively.
以下、図1を参照しながら、TiAlN膜の成膜方法につき説明する。図1において縦軸は電気抵抗率(μΩ・cm)であり、横軸はN2分率、すなわち、N2ガスとArガスとが混合されたスパッタガス中におけるN2ガスの体積比率(N2/(N2+Ar))を百分率で示したものである。また、図中に、各成膜条件におけるDCパワー(kW)及び成膜室内の気圧(mTorr)を示す。 Hereinafter, a TiAlN film forming method will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the vertical axis represents the electrical resistivity (μΩ · cm), and the horizontal axis represents the N 2 fraction, that is, the volume ratio of N 2 gas in the sputter gas in which N 2 gas and Ar gas are mixed (N 2 / (N 2 + Ar)) as a percentage. Further, in the drawing, the DC power (kW) and the atmospheric pressure (mTorr) in the film forming chamber are shown in each film forming condition.
図1に示した種々のTiAlN膜は、単純スパッタ法(N2分率=0%の場合)又は反応性スパッタ法(N2分率>0%の場合)により成膜される。すなわち、スパッタ成膜装置の成膜室内に、図1の横軸に示したN2分率を有するスパッタガスを導入する。 The various TiAlN films shown in FIG. 1 are formed by simple sputtering (N 2 fraction = 0%) or reactive sputtering (N 2 fraction> 0%). That is, a sputtering gas having an N 2 fraction shown on the horizontal axis in FIG. 1 is introduced into the film forming chamber of the sputter film forming apparatus.
そして、基板を陽極とし、スパッタリングターゲットを陰極として両者の間に電圧を印加することにより、スパッタガスをプラズマ化する。なお、この参考例においては、スパッタリングターゲットとしてAlとTiの比率(原子数比)が50:50のTiAl合金ターゲットを用いている。また、基板(下地)としては、Si基板を用いている。 Then, the sputtering gas is turned into plasma by applying a voltage between the substrate as the anode and the sputtering target as the cathode. In this reference example, a TiAl alloy target having a ratio of Al to Ti (ratio of the number of atoms) of 50:50 is used as the sputtering target. Further, a Si substrate is used as the substrate (base).
プラズマ中の陽イオンは、基板とスパッタリングターゲットとの間の電界により加速され、陰極であるスパッタリングターゲット表面に衝突する。この衝突により、スパッタリングターゲットの原子が叩き出され、叩き出された原子はスパッタリングターゲットに対向配置されている基板表面に堆積する。 The positive ions in the plasma are accelerated by the electric field between the substrate and the sputtering target, and collide with the surface of the sputtering target that is a cathode. Due to this collision, atoms of the sputtering target are knocked out, and the knocked-out atoms are deposited on the surface of the substrate arranged to face the sputtering target.
スパッタガス中のN2分率が0%よりも大きい場合、上述の堆積の際に、スパッタリングターゲットを構成する原子とスパッタガス中のN2とが反応し、基板上にはNを含有するTiAlN膜が形成される。この場合には、いわゆる反応性スパッタにより成膜が進行する。 When the N 2 fraction in the sputtering gas is greater than 0%, the atoms constituting the sputtering target react with N 2 in the sputtering gas during the above-described deposition, and TiAlN containing N is present on the substrate. A film is formed. In this case, film formation proceeds by so-called reactive sputtering.
これに対し、スパッタガス中のN2分率が0%の場合、成膜は、いわゆる単純スパッタにより進行し、基板上にはNを含有しない、いわばTiAl合金膜が堆積する。 In contrast, when the N 2 fraction in the sputtering gas is 0%, the film formation proceeds by so-called simple sputtering, and a so-called TiAl alloy film that does not contain N is deposited on the substrate.
一般に、反応性スパッタにより基板に成膜される膜の膜質は、(i)基板温度、(ii)スパッタリングターゲットに関するDCパワー、(iii)成膜室の気圧、及び、(iv)スパッタガス中のN2分率により変化する。ここで、DCパワーとは、スパッタリングターゲットすなわち陰極に印加する電圧と当該スパッタリングターゲットを流れる電流との積で与えられる量である。 In general, the film quality of a film formed on a substrate by reactive sputtering is as follows: (i) substrate temperature, (ii) DC power related to the sputtering target, (iii) pressure in the film forming chamber, and (iv) in the sputtering gas. Varies with N 2 fraction. Here, the DC power is an amount given by the product of the voltage applied to the sputtering target, that is, the cathode, and the current flowing through the sputtering target.
図1においては、(i)の基板温度を200℃で一定に保った上で、(ii)〜(iv)の条件を種々に変更して、基板上に厚みが約100nmのTiAlN膜を成膜した。この結果、得られるTiAlN膜は、大きく2種類に分類されることが明らかとなった。 In FIG. 1, after the substrate temperature of (i) is kept constant at 200 ° C., the conditions (ii) to (iv) are variously changed to form a TiAlN film having a thickness of about 100 nm on the substrate. Filmed. As a result, it has been clarified that the obtained TiAlN films are roughly classified into two types.
すなわち、電気抵抗率が2×102〜6×102μΩ・cmである膜(第1相)と、電気抵抗率が1×104〜1×105μΩ・cmである膜(第2相)とである。 That is, a film having an electrical resistivity of 2 × 10 2 to 6 × 10 2 μΩ · cm (first phase) and a film having an electrical resistivity of 1 × 10 4 to 1 × 10 5 μΩ · cm (second Phase).
詳しくは後述するが、第1相のTiAlN膜が、この発明の「Ti及びAlを含むほかに任意成分としてNを含むことがあり、電気抵抗率が6×102Ω・cm以下のアモルファス膜」に相当する。 As will be described in detail later, the first-phase TiAlN film may contain N as an optional component in addition to Ti and Al, and an amorphous film having an electrical resistivity of 6 × 10 2 Ω · cm or less. Is equivalent to.
なお、電気抵抗率は、従来周知の4端子法により得られたシート抵抗に、TiAlN膜の膜厚(約100nm)を乗じて求めた。 The electrical resistivity was obtained by multiplying the sheet resistance obtained by the conventionally known four-terminal method by the thickness of the TiAlN film (about 100 nm).
また、電気抵抗率は、成膜したままの状態の、つまり、成膜後何らの処理(たとえば、熱処理等)を施さないTiAlN膜について測定した。 The electrical resistivity was measured for a TiAlN film as it was formed, that is, without any treatment (for example, heat treatment, etc.) after film formation.
この出願の発明者は、第1相及び第2相のTiAlN膜のそれぞれにつきXRD分析、及び、断面SEM観察を行った。図2及び図3にその一例を示す。 The inventor of this application performed XRD analysis and cross-sectional SEM observation for each of the first-phase and second-phase TiAlN films. An example is shown in FIGS.
図2(A)及び(B)は、それぞれ、第1相及び第2相のTiAlN膜のXRDの分析結果を示す図である。図面の横軸は回折角2θ(度)であり、及び縦軸は、回折強度(任意単位)である。 FIGS. 2A and 2B are diagrams showing XRD analysis results of the first and second phase TiAlN films, respectively. In the drawing, the horizontal axis represents the diffraction angle 2θ (degrees), and the vertical axis represents the diffraction intensity (arbitrary unit).
図2(A)によれば、第1相のTiAlN膜においては、回折角が約33°付近に、Si基板に由来するピークが観測される。しかし、Si基板に由来するピーク以外のピークは観測されていない。このことより、第1相のTiAlN膜は、結晶質ではないことが示唆される。 According to FIG. 2A, in the first phase TiAlN film, a peak derived from the Si substrate is observed at a diffraction angle of about 33 °. However, no peaks other than those derived from the Si substrate have been observed. This suggests that the first phase TiAlN film is not crystalline.
一方、図2(B)では、図2(A)で観測されたSi基板由来のピークのほかに、回折角が約37°及び約43°付近に、TiNに由来するピークが観測されている。 On the other hand, in FIG. 2B, in addition to the peak derived from the Si substrate observed in FIG. 2A, peaks derived from TiN are observed at diffraction angles of about 37 ° and about 43 °. .
図3(A)及び(B)は、それぞれ、第1相及び第2相のTiAlN膜の断面SEM写真である。なおSEM観察は、倍率10万倍で行った。 3A and 3B are cross-sectional SEM photographs of the first and second phase TiAlN films, respectively. The SEM observation was performed at a magnification of 100,000 times.
図3(A)によれば、第1相のTiAlN膜では、結晶粒が観察されない。つまり、この倍率で観察する限りは、第1相のTiAlN膜は、均一であり、粒界が存在しないということができる。 According to FIG. 3A, no crystal grains are observed in the first phase TiAlN film. In other words, as long as the magnification is observed, it can be said that the first phase TiAlN film is uniform and has no grain boundary.
一方、図3(B)によれば、第2相のTiAlN膜では、Si基板の主面に対して垂直に配向する柱状の結晶粒が多数観察されている。つまり、第2相のTiAlN膜は、膜の厚み方向に延在する多数の粒界を有している。 On the other hand, according to FIG. 3B, in the second phase TiAlN film, a large number of columnar crystal grains oriented perpendicular to the main surface of the Si substrate are observed. That is, the second phase TiAlN film has a number of grain boundaries extending in the thickness direction of the film.
図2及び図3より、第1相のTiAlN膜は、結晶質ではなく、アモルファスであることがわかる。それに対し、第2相のTiAlN膜は結晶質であることがわかる。 2 and 3, it can be seen that the first phase TiAlN film is not crystalline but amorphous. In contrast, the second phase TiAlN film is found to be crystalline.
再び図1を参照して、TiAlN膜の第1相(アモルファス)から第2相(結晶質)への遷移の挙動、及び、遷移の推測メカニズムに触れつつ、第1相、すなわちこの発明のアモルファス膜を得るための成膜条件(スパッタ条件)につき説明する。 Referring to FIG. 1 again, the first phase, that is, the amorphous phase of the present invention, will be described while touching the behavior of the transition from the first phase (amorphous) to the second phase (crystalline) of the TiAlN film and the inferring mechanism of the transition. Deposition conditions (sputtering conditions) for obtaining a film will be described.
図1には、下記表2に示す6つの成膜条件で成膜されたTiAlN膜の電気抵抗率を示してある。 FIG. 1 shows the electrical resistivity of the TiAlN film formed under the six film forming conditions shown in Table 2 below.
まず、成膜条件1〜5に共通して見られるTiAlN膜の膜質の変化の挙動につき説明する。 First, the behavior of the change in film quality of the TiAlN film, which is commonly seen in the film formation conditions 1 to 5, will be described.
図1より明らかなように、各成膜条件において、N2分率を増加させていくと、得られるTiAlN膜の電気抵抗率は、2×102〜6×102μΩ・cmの範囲で微増していく。電気抵抗率がこの範囲に収まるTiAlN膜が第1相である。 As is apparent from FIG. 1, when the N 2 fraction is increased under each film forming condition, the electrical resistivity of the obtained TiAlN film is in the range of 2 × 10 2 to 6 × 10 2 μΩ · cm. Increase slightly. The TiAlN film whose electric resistivity falls within this range is the first phase.
第1相において生成されるTiAlN膜は、Nを含有しないTiAl合金膜(N2分率=0%)、又は、比較的少量のNを含有するTiAl合金膜(N2分率>0%)であると推測される。つまり、第1相では、Ti及びAlの量に対してNの量が少なく、Ti及びAlの大部分は、Nと結合することなく合金となっているものと推測される。それゆえ、第1相では、TiAlN膜はアモルファスな状態を保つと推測される。 The TiAlN film produced in the first phase is a TiAl alloy film not containing N (N 2 fraction = 0%) or a TiAl alloy film containing a relatively small amount of N (N 2 fraction> 0%). It is estimated that. That is, in the first phase, the amount of N is small with respect to the amounts of Ti and Al, and it is presumed that most of Ti and Al are alloyed without being bonded to N. Therefore, it is presumed that in the first phase, the TiAlN film remains amorphous.
また、第1相においては、N2分率の増加とともに、XRD分析により検出されない程度の量のTiNが、徐々に生成されているものと推測される。TiNは導電性であるが、その電気抵抗率は、TiAl合金(N2分率=0%)の電気抵抗率よりも大きい。したがって、第1相においては、N2分率の増加とともに、TiNが増加し、その結果、TiAlN膜の電気抵抗率が微増するものと推測される。 Further, in the first phase, it is presumed that TiN in an amount not detected by XRD analysis is gradually generated as the N 2 fraction increases. TiN is conductive, but its electrical resistivity is higher than that of TiAl alloy (N 2 fraction = 0%). Therefore, in the first phase, it is estimated that TiN increases as the N 2 fraction increases, and as a result, the electrical resistivity of the TiAlN film slightly increases.
さらにN2分率を増加させていき、TiAlN膜の電気抵抗率が4×102〜5×102μΩ・cmに達すると、TiAlN膜の電気抵抗率は、N2分率の増加に伴い急激に増加し始める。以下、この電気抵抗率の急増する領域を遷移領域と称する。 When the N 2 fraction is further increased and the electrical resistivity of the TiAlN film reaches 4 × 10 2 to 5 × 10 2 μΩ · cm, the electrical resistivity of the TiAlN film increases with the increase of the N 2 fraction. It starts to increase rapidly. Hereinafter, the region where the electrical resistivity rapidly increases is referred to as a transition region.
遷移領域においては、N2分率が約10%増加する間に、電気抵抗率が約2桁増加する。 In the transition region, the electrical resistivity increases by about two orders of magnitude while the N 2 fraction increases by about 10%.
この原因は、遷移領域においては、それまで金属状態を保ってきたAlが急激に窒化されるためと思われる。すなわち、遷移領域においては、急激にAlNが生成するものと推測される。 This is considered to be because Al in the transition region is nitrided abruptly, which has been kept in a metal state until then. That is, it is estimated that AlN is rapidly generated in the transition region.
周知のようにAlNは、電気的に絶縁性であるので、TiAlN膜中でAlNの占める割合が大きくなることにより、TiAlN膜の電気抵抗率が急増するものと推測される。 As is well known, since AlN is electrically insulative, it is presumed that the electrical resistivity of the TiAlN film increases rapidly when the proportion of AlN in the TiAlN film increases.
さらにN2分率を増加させていき、電気抵抗率が1×104〜4×104μΩ・cmとなると、TiAlN膜の電気抵抗率の増加率は緩やかとなる。その後は、N2分率の増加に伴い、TiAlN膜の電気抵抗率は1×104〜1×105μΩ・cmの範囲で微増していく。電気抵抗率がこの範囲に収まるTiAlN膜が第2相である。 When the N 2 fraction is further increased and the electrical resistivity becomes 1 × 10 4 to 4 × 10 4 μΩ · cm, the increase rate of the electrical resistivity of the TiAlN film becomes moderate. Thereafter, as the N 2 fraction increases, the electrical resistivity of the TiAlN film slightly increases in the range of 1 × 10 4 to 1 × 10 5 μΩ · cm. A TiAlN film whose electric resistivity falls within this range is the second phase.
第2相においても電気抵抗率が増加することから、第2相では、N2分率の増加とともに、AlNが新たに生成しているものと推測される。 Since the electrical resistivity also increases in the second phase, it is presumed that AlN is newly generated in the second phase as the N 2 fraction increases.
第2相におけるTiAlN膜の電気抵抗率は、1×104μΩ・cmオーダーであるために、その1/100程度の電気抵抗率を有するTiNが、第2相で生成しているかどうかを図1から判断することはできない。しかし、第2相のTiAlN膜のXRD分析結果(図2(B))で、TiN由来のピークが観測されていることから、第2相においても、N2分率の増加とともに、TiNが生成しているものと推測される。 Since the electrical resistivity of the TiAlN film in the second phase is on the order of 1 × 10 4 μΩ · cm, it is shown whether TiN having an electrical resistivity of about 1/100 is generated in the second phase. It cannot be judged from 1. However, since a peak derived from TiN is observed in the XRD analysis result (FIG. 2B) of the second phase TiAlN film, TiN is generated in the second phase as the N 2 fraction increases. Presumed to be.
なお、成膜条件6では、第2相のTiAlN膜のみが観測されている。この原因は、成膜条件6のN2分率の変化範囲(40〜60%)が、他の条件よりも狭いためと推測される。よって、成膜条件6においてもN2分率が40%未満の領域に、第1相が存在するものと推測される。 Note that, under the deposition condition 6, only the second phase TiAlN film is observed. This is presumably because the change range (40 to 60%) of the N 2 fraction in the film formation condition 6 is narrower than other conditions. Therefore, it is presumed that the first phase exists in the region where the N 2 fraction is less than 40% even under the film forming condition 6.
また、成膜条件1〜4は、40%未満のN2分率範囲で測定を行っていないが、この範囲においては成膜条件5と同様の傾向を示すものと推測される。 Further, film forming conditions 1 to 4 is not subjected to measurement by N 2 parts per range of less than 40%, in this range is assumed that shows the same tendency as the film formation conditions 5.
成膜条件1〜5から得られた結果より、第1相から第2相への遷移に関して、以下に列記する傾向が見られることが明らかとなった。 From the results obtained from the film forming conditions 1 to 5, it has been clarified that the following trends are observed with respect to the transition from the first phase to the second phase.
(傾向1):DCパワーが等しい場合には、成膜室の気圧が低い方が、より広いN2分率の範囲でTiAlN膜が第1相の状態を保つ。つまり、第1相から第2相へ遷移しにくい。 (Trend 1): When the DC power is equal, the TiAlN film is kept in the first phase in a wider range of N 2 fraction when the pressure in the film forming chamber is lower. That is, the transition from the first phase to the second phase is difficult.
(傾向2):成膜室の気圧が等しい場合には、DCパワーが大きい方が、より広いN2分率の範囲でTiAlN膜が第1相の状態を保つ。つまり、第1相から第2相へ遷移しにくい。 (Trend 2): When the atmospheric pressures in the film forming chambers are equal, the TiAlN film maintains the first phase state in a wider range of N 2 fraction when the DC power is larger. That is, the transition from the first phase to the second phase is difficult.
また、この出願の発明者が行った、基板温度を変化しての実験結果から、下記(傾向3)が明らかとなった。 Moreover, the following (trend 3) became clear from the experimental result which changed the substrate temperature which the inventor of this application performed.
(傾向3):その他の条件(DCパワー及び成膜室の気圧)が等しい場合には、基板温度が高い方が、より広いN2分率の範囲でTiAlN膜が第1相の状態を保つ。つまり、第1相から第2相へ遷移しにくい。 (Trend 3): When other conditions (DC power and film formation chamber pressure) are equal, the TiAlN film maintains the first phase state in a wider range of N 2 fraction when the substrate temperature is higher. . That is, the transition from the first phase to the second phase is difficult.
以上のことより、より広いN2分率の範囲で、第1相の、すなわちアモルファスなTiAlN膜を得るためには、DCパワーを大きくし、成膜室の気圧を小さくし、及び基板温度を高くすればよいことが明らかとなった。 From the above, in order to obtain a first phase, that is, an amorphous TiAlN film in a wider N 2 fraction range, the DC power is increased, the pressure in the deposition chamber is decreased, and the substrate temperature is decreased. It became clear that it should be higher.
より広いN2分率の範囲で、第1相のTiAlN膜を得るという観点から、成膜条件1〜6を順位付けすると、成膜条件1が最も好適であり、以下、成膜条件2、成膜条件3、成膜条件4、成膜条件5、及び、成膜条件6の順番で好適な程度が減少していく。ただし、成膜条件4と5とは、ほぼ同等である。 From the viewpoint of obtaining a first phase TiAlN film in a wider range of N 2 fraction, the deposition conditions 1 to 6 are ranked most preferable, and the deposition conditions 2, The preferable degree decreases in the order of the film forming condition 3, the film forming condition 4, the film forming condition 5, and the film forming condition 6. However, the film formation conditions 4 and 5 are substantially the same.
より詳細には、成膜条件1においては、N2分率が0%以上、かつ、70%以下の範囲内で第1相のTiAlN膜が得られる。 More specifically, under the deposition condition 1, the first phase TiAlN film is obtained when the N 2 fraction is in the range of 0% or more and 70% or less.
成膜条件2においては、N2分率が0%以上、かつ、60%以下の範囲内で第1相のTiAlN膜が得られる。 Under the deposition condition 2, the first phase TiAlN film is obtained when the N 2 fraction is in the range of 0% or more and 60% or less.
成膜条件3においては、N2分率が0%以上、かつ、50%以下の範囲内で第1相のTiAlN膜が得られる。 Under the deposition condition 3, the first phase TiAlN film is obtained when the N 2 fraction is in the range of 0% or more and 50% or less.
成膜条件4及び5においては、N2分率が0%以上、かつ、40%以下の範囲内で第1相のTiAlN膜が得られる。 Under the deposition conditions 4 and 5, the first phase TiAlN film is obtained when the N 2 fraction is in the range of 0% or more and 40% or less.
成膜条件6においては、N2分率が40%未満の範囲内で第1相のTiAlN膜が得られると推測される。 Under the deposition condition 6, it is presumed that the first phase TiAlN film can be obtained when the N 2 fraction is less than 40%.
なお、図1では、各成膜条件において、N2分率の変化幅を10%間隔としている。そのため、第1相のTiAlN膜が得られるN2分率の上限値(40%,50%,60%及び70%)には、10%の誤差が含まれる。すなわち、N2分率の真の上限値は、上限値以上、かつ、(上限値+10%)未満であって、TiAlN膜の電気抵抗率が6×102μΩ・cm以下であるようなN2分率ということができる。より具体的には、成膜条件1の場合には、N2分率の真の上限値は70%以上かつ80%未満の範囲内に存在する。 In FIG. 1, the change width of the N 2 fraction is 10% intervals in each film forming condition. Therefore, the upper limit value (40%, 50%, 60% and 70%) of the N 2 fraction at which the first phase TiAlN film is obtained includes an error of 10%. That is, the true upper limit value of the N 2 fraction is greater than or equal to the upper limit value and less than (upper limit value + 10%), and the electrical resistivity of the TiAlN film is 6 × 10 2 μΩ · cm or less. It can be said to be a two- minute rate. More specifically, in the case of the film forming condition 1, the true upper limit value of the N 2 fraction is in the range of 70% or more and less than 80%.
また、この出願の発明者の評価によれば、第1相のTiAlN膜は、基板温度が100〜300℃、DCパワーが0.5〜10kW、及び、成膜室の気圧が3〜15mTorrの範囲で、N2分率を所望の値とすることにより得られることが明らかとなった。 Further, according to the evaluation of the inventors of this application, the first phase TiAlN film has a substrate temperature of 100 to 300 ° C., a DC power of 0.5 to 10 kW, and a film forming chamber pressure of 3 to 15 mTorr. In the range, it became clear that the N 2 fraction was obtained by making it a desired value.
また、第1相のTiAlN膜の酸素拡散阻止能力(酸素バリア性)は、TiAlN膜中のNの含有量の増加とともに向上すると推測される。上述したように、第1相におけるTiAlN膜の電気抵抗率の増加は、TiAlN膜中におけるTiNの増加、すなわち、TiAlN膜に含有されるNの増加を反映していると推測される。よって、酸素バリア性という観点から見た場合、第1相から第2相へと遷移する直前であって、TiAlN膜が、比較的高い電気抵抗率(4×102〜5×102μΩ・cm程度)を示すような成膜条件でTiAlN膜を成膜することが好ましい。 Further, it is presumed that the oxygen diffusion preventing ability (oxygen barrier property) of the first phase TiAlN film is improved with an increase in the N content in the TiAlN film. As described above, the increase in the electrical resistivity of the TiAlN film in the first phase is assumed to reflect the increase in TiN in the TiAlN film, that is, the increase in N contained in the TiAlN film. Therefore, from the viewpoint of oxygen barrier properties, the TiAlN film has a relatively high electrical resistivity (4 × 10 2 to 5 × 10 2 μΩ ···) just before the transition from the first phase to the second phase. It is preferable to form the TiAlN film under film formation conditions such as (about cm).
たとえば、成膜条件1の場合であれば、N2分率を70%、より厳密には、70%以上80%未満の、第1相から第2相へと遷移する直前の所定値とすることが好ましい。成膜条件2の場合は、N2分率を60%、より厳密には、60%以上70%未満の、第1相から第2相へと遷移する直前の所定値とすることが好ましい。成膜条件3の場合は、N2分率を50%、より厳密には、50%以上60%未満の、第1相から第2相へと遷移する直前の所定値とすることが好ましい。成膜条件4及び5の場合は、N2分率を40%、より厳密には、40%以上50%未満の、第1相から第2相へと遷移する直前の所定値とすることが好ましい。 For example, in the case of the film formation condition 1, the N 2 fraction is set to 70%, more strictly, a predetermined value just before the transition from the first phase to the second phase of 70% or more and less than 80%. It is preferable. In the case of the film formation condition 2, it is preferable to set the N 2 fraction to a predetermined value just before the transition from the first phase to the second phase, which is 60%, more strictly, less than 70%. In the case of the film formation condition 3, it is preferable to set the N 2 fraction to a predetermined value immediately before the transition from the first phase to the second phase, which is 50%, more strictly 50% or less and less than 60%. In the case of the film forming conditions 4 and 5, the N 2 fraction is set to a predetermined value immediately before the transition from the first phase to the second phase of 40%, more strictly 40% or more and less than 50%. preferable.
また、この出願の発明者の評価によれば、第1相のTiAlN膜は、熱処理に対して安定であり、800℃程度の温度(後述のキャパシタ絶縁膜18の焼結温度)においても、第2相に遷移することなく、第1相の状態を保つことが明らかとなった。 Further, according to the evaluation of the inventor of this application, the first phase TiAlN film is stable against heat treatment, and even at a temperature of about 800 ° C. (sintering temperature of the capacitor insulating film 18 described later), It became clear that the state of the 1st phase was maintained, without changing to 2 phases.
また、この出願の発明者の評価によれば、N2雰囲気においてTiとAlのみからなるアモルファス膜(N2分率=0%)を熱処理したとしても、TiとAlとNとを含むアモルファス膜(N2分率>0%)は得られないことが明らかとなった。つまり、第1相のTiAlN膜のうち、TiとAlとNとを含むアモルファス膜(N2分率>0%)は、反応性スパッタ法によってのみ形成可能である。 Further, according to the evaluation of the inventors of this application, even if an amorphous film (N 2 fraction = 0%) made of only Ti and Al is heat-treated in an N 2 atmosphere, the amorphous film containing Ti, Al, and N (N 2 fraction> 0%) was not obtained. That is, among the first-phase TiAlN films, an amorphous film containing Ti, Al, and N (N 2 fraction> 0%) can be formed only by reactive sputtering.
このように、この参考例の第1相のTiAlN膜は、SEM観察によれば、膜の内部に粒界を有していない。したがって、この膜を強誘電体メモリの導電性バリア層として用いれば、TiAlN膜中に酸素の拡散経路となる粒界が存在しないので、酸素は、TiAlN膜を透過することができない。この結果、導電性バリア層の下側に設けられたコンタクトプラグ表面の酸化を抑制できる。なお、この点については、参考例2において詳述する。 Thus, according to the SEM observation, the first phase TiAlN film of this reference example has no grain boundary inside the film. Therefore, if this film is used as a conductive barrier layer of a ferroelectric memory, there is no grain boundary that becomes an oxygen diffusion path in the TiAlN film, so that oxygen cannot permeate the TiAlN film. As a result, the oxidation of the surface of the contact plug provided under the conductive barrier layer can be suppressed. This point will be described in detail in Reference Example 2 .
また、第1相のTiAlN膜は、第2相のTiAlN膜よりも電気抵抗率が小さいので、コンタクトプラグと下部電極との間の電気抵抗を従来よりも減少させることができる。 In addition, since the first phase TiAlN film has a lower electrical resistivity than the second phase TiAlN film, the electrical resistance between the contact plug and the lower electrode can be reduced as compared with the prior art.
(参考例2)
図4を参照して、参考例2の半導体装置につき説明する。図4は、半導体装置の一例の断面切り口を示す概略図である。
( Reference Example 2 )
A semiconductor device of Reference Example 2 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional cut surface of an example of a semiconductor device.
図4を参照して、半導体装置の構成につき説明する。 A configuration of the semiconductor device will be described with reference to FIG.
図4に一例として示す半導体装置10は、基板22の主面22a側に形成された強誘電体メモリである。半導体装置10のメモリ搭載部分の断面形状はほぼ台形状である。半導体装置10は、コンタクトプラグ12、導電性バリア層14、下部電極16、キャパシタ絶縁膜18、及び上部電極20等を備えている。 The semiconductor device 10 shown as an example in FIG. 4 is a ferroelectric memory formed on the main surface 22 a side of the substrate 22. The cross-sectional shape of the memory mounting portion of the semiconductor device 10 is substantially trapezoidal. The semiconductor device 10 includes a contact plug 12, a conductive barrier layer 14, a lower electrode 16, a capacitor insulating film 18, an upper electrode 20, and the like.
コンタクトプラグ12は、基板22の主面22a上に積層された層間絶縁膜24を貫通して設けられている。コンタクトプラグ12の上面12aは、導電性バリア層14の下面14aと電気的に接続されている。また、コンタクトプラグ12の下端部は、基板22の主面22a側に形成された、図示されていないトランジスタ等の素子と電気的に接続されている。 The contact plug 12 is provided through the interlayer insulating film 24 laminated on the main surface 22 a of the substrate 22. The upper surface 12 a of the contact plug 12 is electrically connected to the lower surface 14 a of the conductive barrier layer 14. The lower end portion of the contact plug 12 is electrically connected to an element such as a transistor (not shown) formed on the main surface 22 a side of the substrate 22.
ここで、層間絶縁膜24は、たとえば、SiO2膜とする。また、層間絶縁膜24の厚みは、たとえば、800nmとする。また、コンタクトプラグ12は、たとえば、CVD法により形成されたW膜とする。 Here, the interlayer insulating film 24 is, for example, a SiO 2 film. In addition, the thickness of the interlayer insulating film 24 is, for example, 800 nm. The contact plug 12 is, for example, a W film formed by a CVD method.
コンタクトプラグ12は、層間絶縁膜24の形成後、公知の方法で、層間絶縁膜24にコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールを埋め込んで層間絶縁膜24の全面に、W膜を形成し、しかる後、CMP法により、W膜を層間絶縁膜24の表面まで研磨することにより形成される。 The contact plug 12 forms a contact hole in the interlayer insulating film 24 by a known method after forming the interlayer insulating film 24, fills the contact hole, and forms a W film on the entire surface of the interlayer insulating film 24. Thereafter, the W film is polished to the surface of the interlayer insulating film 24 by CMP.
なお、「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、コンタクトプラグ12と層間絶縁膜24との間には、高さが20〜50nm程度の段差26が存在している。この段差26の延長線(図中、破線で示す。)に沿った下部電極16中には、シーム(図示せず)が存在している。 As described in the section “Problems to be Solved by the Invention”, a step 26 having a height of about 20 to 50 nm exists between the contact plug 12 and the interlayer insulating film 24. A seam (not shown) exists in the lower electrode 16 along an extension line (indicated by a broken line in the figure) of the step 26.
導電性バリア層14は、層間絶縁膜24の上面24aに形成された電気的に導電性を有する膜である。そして、導電性バリア層14の下面14aは、上述のコンタクトプラグ12と電気的に接続されている。導電性バリア層14は、参考例1で説明した第1相、すなわちアモルファスなTiAlN膜からなる。導電性バリア層14の厚みは、たとえば約100nmとする。 The conductive barrier layer 14 is an electrically conductive film formed on the upper surface 24 a of the interlayer insulating film 24. The lower surface 14a of the conductive barrier layer 14 is electrically connected to the contact plug 12 described above. The conductive barrier layer 14 is made of the first phase described in Reference Example 1 , that is, an amorphous TiAlN film. The thickness of the conductive barrier layer 14 is about 100 nm, for example.
下部電極16は、Ir膜16a、IrO2膜16b及びPt電極16cを備えており、導電性バリア層14と電気的に接続されている。Ir膜16a、IrO2膜16b及びPt電極16cは、この順序で導電性バリア層14上に成膜されている。 The lower electrode 16 includes an Ir film 16a, an IrO 2 film 16b, and a Pt electrode 16c, and is electrically connected to the conductive barrier layer. The Ir film 16a, the IrO 2 film 16b, and the Pt electrode 16c are formed on the conductive barrier layer 14 in this order.
Ir膜16aは、金属Irからなり、スパッタ法により成膜される。Ir膜16aは結晶質であり、基板の主面22aに垂直な方向に延在する粒界を有している。Ir膜16aの厚みは、たとえば100nmとする。Ir膜16aは、犠牲膜としての機能を有している。すなわち、Ir膜16aは、キャパシタ絶縁膜18からPt電極16c及びIrO2膜16bを介して拡散する酸素により自らが酸化されることで、導電性バリア層14への酸素の拡散を抑制する。 The Ir film 16a is made of metal Ir and is formed by sputtering. The Ir film 16a is crystalline and has a grain boundary extending in a direction perpendicular to the main surface 22a of the substrate. The thickness of the Ir film 16a is, for example, 100 nm. The Ir film 16a has a function as a sacrificial film. That is, the Ir film 16a is oxidized by oxygen diffused from the capacitor insulating film 18 through the Pt electrode 16c and the IrO 2 film 16b, thereby suppressing the diffusion of oxygen into the conductive barrier layer.
また、IrO2膜16bは、酸化Irからなり、反応性スパッタ法により成膜される。IrO2膜16bは結晶質であり、基板の主面22aに垂直な方向に延在する粒界を有している。IrO2膜16bの厚みは、たとえば約100nmとする。ここで、IrO2膜16bは、Pt電極16cとIr膜16aとを空間的に隔て、両者16a及び16cが直接接触することにより生じる固溶反応を防いでいる。 The IrO 2 film 16b is made of Ir oxide and is formed by reactive sputtering. The IrO 2 film 16b is crystalline and has a grain boundary extending in a direction perpendicular to the main surface 22a of the substrate. The thickness of the IrO 2 film 16b is about 100 nm, for example. Here, the IrO 2 film 16b spatially separates the Pt electrode 16c and the Ir film 16a and prevents a solid solution reaction caused by direct contact between the two 16a and 16c.
Pt電極16cは、金属Ptからなり、スパッタ法により成膜される。Pt電極16cは結晶質であり、基板の主面22aに垂直な方向に延在する粒界を有している。Pt電極16cの厚みは、たとえば約200nmとする。 The Pt electrode 16c is made of metal Pt and is formed by sputtering. The Pt electrode 16c is crystalline and has a grain boundary extending in a direction perpendicular to the main surface 22a of the substrate. The thickness of the Pt electrode 16c is about 200 nm, for example.
キャパシタ絶縁膜18は、下部電極16上に設けられている。キャパシタ絶縁膜18は、たとえば、SBTからなり、公知のゾルゲル法により成膜される。キャパシタ絶縁膜18の焼結温度は、たとえば、約800℃とする。キャパシタ絶縁膜18の厚みは、たとえば約120nmとする。 The capacitor insulating film 18 is provided on the lower electrode 16. The capacitor insulating film 18 is made of, for example, SBT, and is formed by a known sol-gel method. The sintering temperature of the capacitor insulating film 18 is about 800 ° C., for example. The thickness of the capacitor insulating film 18 is about 120 nm, for example.
上部電極20は、キャパシタ絶縁膜18上に成膜されている。上部電極20は、金属Ptからなり、スパッタ法により成膜される。上部電極20の厚みは、たとえば約200nmとする。 The upper electrode 20 is formed on the capacitor insulating film 18. The upper electrode 20 is made of metal Pt and is formed by sputtering. The thickness of the upper electrode 20 is about 200 nm, for example.
このように、この参考例の半導体装置10は、第1相すなわちアモルファスなTiAlN膜からなる導電性バリア層14を備えている。よって、下部電極16に存在するシーム等の粒界を介してキャパシタ絶縁膜18から拡散してくる酸素は、粒界が存在しない導電性バリア層14により効果的に遮断される。この結果、コンタクトプラグ12の上面12a付近の酸化が防がれる。 As described above, the semiconductor device 10 of this reference example includes the conductive barrier layer 14 made of the first phase, that is, the amorphous TiAlN film. Therefore, oxygen diffused from the capacitor insulating film 18 through grain boundaries such as seams existing in the lower electrode 16 is effectively blocked by the conductive barrier layer 14 in which no grain boundaries exist. As a result, oxidation near the upper surface 12a of the contact plug 12 is prevented.
なお、この参考例においては、導電性バリア層14の厚みを、約100nmとした。しかし、導電性バリア層14は、酸素の拡散を抑制できる厚みであればよい。より具体的には、導電性バリア層14は、20nm以上、かつ、150nm以下の厚みであることが好適である。導電性バリア層14の厚みが20nm以上であれば、実用上許容できる範囲で、酸素の拡散を抑制することができる。より好適には、導電性バリア層14は、50nm以上であることが好ましい。導電性バリア層14の厚みを50nm以上とすれば、実用上充分なレベルで酸素の拡散を抑制することができる。また、導電性バリア層14の厚みが150nm以下であれば、酸素に対するバリア性を必要充分なレベルに保ちつつ、容易にエッチング加工を行うことができる。 In this reference example , the thickness of the conductive barrier layer 14 was about 100 nm. However, the conductive barrier layer 14 may have a thickness that can suppress oxygen diffusion. More specifically, the conductive barrier layer 14 is preferably 20 nm or more and 150 nm or less in thickness. If the thickness of the conductive barrier layer 14 is 20 nm or more, oxygen diffusion can be suppressed within a practically acceptable range. More preferably, the conductive barrier layer 14 is preferably 50 nm or more. If the thickness of the conductive barrier layer 14 is 50 nm or more, oxygen diffusion can be suppressed at a practically sufficient level. If the thickness of the conductive barrier layer 14 is 150 nm or less, the etching process can be easily performed while maintaining the barrier property against oxygen at a necessary and sufficient level.
また、この出願の発明者の評価によれば、第1相のTiAlN膜が形成される成膜条件は、TiAlN膜が形成される下地の種類によらないことが明らかとなった。つまり、下地が層間絶縁膜24(SiO2膜)である参考例2においても、下地がSi基板である参考例1と同じ成膜条件で第1相のTiAlN膜が得られる。 Further, according to the evaluation of the inventors of this application, it has been clarified that the film formation conditions for forming the first phase TiAlN film do not depend on the type of the base on which the TiAlN film is formed. That is, also in Reference Example 2 in which the base is the interlayer insulating film 24 (SiO 2 film), the first phase TiAlN film is obtained under the same film formation conditions as in Reference Example 1 in which the base is the Si substrate.
また、この参考例では、キャパシタ絶縁膜18としてはSBTを用いたが、キャパシタ絶縁膜18はSBTに限らず、PZT及びBST等の公知の強誘電性金属酸化物を用いることができる。 In this reference example , SBT is used as the capacitor insulating film 18, but the capacitor insulating film 18 is not limited to SBT, and a known ferroelectric metal oxide such as PZT and BST can be used.
(実施の形態)
図5を参照して、実施の形態の半導体装置につき説明する。図5は、実施の形態の半導体装置における導電性バリア層32の断面図である。なお、実施の形態の半導体装置は、導電性バリア層32が3層構造である点以外は、参考例2の半導体装置10と同様の構造である。したがって、実施の形態の半導体装置では、全体構造の図示及び半導体装置10と共通する構造の説明は省略する。
(In the form state of implementation)
Referring to FIG 5, it will be described a semiconductor device in the form status of implementation. Figure 5 is a cross-sectional view of a conductive barrier layer 32 in the semiconductor device in the form status of implementation. The semiconductor device in the form status of implementation, except the conductive barrier layer 32 is a three-layer structure has a structure similar to the semiconductor device 10 of Example 2. Therefore, in the semiconductor device in the form status of implementation, the description of the structure common to shown and the semiconductor device 10 of the entire structure will be omitted.
この実施の形態の半導体装置の導電性バリア層32は、下層32a、中間層32b及び上層32cがこの順序で堆積された積層構造をなす。ここで、下層32a及び上層32cは、参考例1で説明した第2相すなわち結晶質のTiAlN膜からなる。また、中間層32bは、参考例1で説明した第1相すなわちアモルファスなTiAlN膜からなる。 The conductive barrier layer 32 of the semiconductor device of this embodiment has a stacked structure in which a lower layer 32a, an intermediate layer 32b, and an upper layer 32c are deposited in this order. Here, the lower layer 32a and the upper layer 32c are made of the second phase, that is, the crystalline TiAlN film described in Reference Example 1 . The intermediate layer 32b is made of the first phase described in Reference Example 1 , that is, an amorphous TiAlN film.
つまり、導電性バリア層32は、第1相のTiAlN膜(中間層32b)を上下に1層ずつ設けられた第2相のTiAlN膜(下層32a及び上層32c)で挟み込んだ構造である。 That is, the conductive barrier layer 32 has a structure in which the first-phase TiAlN film (intermediate layer 32b) is sandwiched between the second-phase TiAlN films (lower layer 32a and upper layer 32c) that are provided one layer above and below.
ここで、下層32a、中間層32b及び上層32cの厚みは、たとえば、それぞれ約50nmとする。 Here, the thickness of the lower layer 32a, the intermediate layer 32b, and the upper layer 32c is about 50 nm, for example.
つぎに、導電性バリア層32の製造方法につき簡単に説明する。 Next, a method for manufacturing the conductive barrier layer 32 will be briefly described.
まず、中間層32bの下側に存在する下層32aの成膜を行う。下層32aは、反応性スパッタ法により成膜される。スパッタリングターゲットとしては、参考例1と同様のものを用いている。そして、図1において、第2相のTiAlN膜が得られるスパッタ条件で成膜を行う。 First, the lower layer 32a existing below the intermediate layer 32b is formed. The lower layer 32a is formed by a reactive sputtering method. As the sputtering target, the same target as in Reference Example 1 is used. Then, in FIG. 1, film formation is performed under the sputtering conditions for obtaining the second phase TiAlN film.
すなわち、成膜条件1においては、N2分率が80%以上の条件で、成膜条件2においては、N2分率が70%以上の条件で、成膜条件3においては、N2分率が60%以上の条件で、成膜条件4及び5においては、N2分率が50%以上の条件で、並びに成膜条件6においては、N2分率が40%以上の条件でそれぞれ成膜を行う。 That is, in film formation condition 1, the N 2 fraction is 80% or more, in film formation condition 2, the N 2 fraction is 70% or more, and in film formation condition 3, N 2 minutes. In the film formation conditions 4 and 5, the N 2 fraction is 50% or more in the film formation conditions 4 and 5, and in the film formation condition 6, the N 2 fraction is 40% or more. Film formation is performed.
そして、下層32aの膜厚が、約50nmとなったところで、一旦成膜を停止する。しかる後、第1相のTiAlN膜である中間層32bを成膜するために、スパッタ条件変更操作を行う。詳細には、以下に列記する操作を単独で又は複数組み合わせて実施する。(A)DCパワーを増加させる、(B)成膜室内の気圧を減少させる、(C)基板温度を増加させる、及び(D)N2分率を減少させる。 Then, when the film thickness of the lower layer 32a reaches about 50 nm, the film formation is temporarily stopped. Thereafter, in order to form the intermediate layer 32b, which is the first phase TiAlN film, a sputtering condition changing operation is performed. Specifically, the operations listed below are performed singly or in combination. (A) Increase DC power, (B) Decrease air pressure in the deposition chamber, (C) Increase substrate temperature, and (D) Decrease N 2 fraction.
たとえば、下層32aが、成膜条件4(N2分率:50%)で成膜されているとする。この場合、図1によれば、第1相のTiAlN膜である中間層32bを成膜するためには、(i)DCパワーを2kWから3kW(成膜条件2)へと増加させる、(ii)成膜室内の気圧を12mTorrから10mTorr(成膜条件3)へと減少させる、(iii)基板温度を200℃から300℃に増加させる(図示せず)、及び、(iv)N2分率を50%から40%へと減少させる、これら(i)〜(iv)の操作を単独で又は複数組み合わせて実施すればよい。 For example, it is assumed that the lower layer 32a is formed under the film formation condition 4 (N 2 fraction: 50%). In this case, according to FIG. 1, in order to form the intermediate layer 32b which is the first phase TiAlN film, (i) the DC power is increased from 2 kW to 3 kW (deposition condition 2). ) Decrease the pressure in the deposition chamber from 12 mTorr to 10 mTorr (deposition condition 3), (iii) Increase the substrate temperature from 200 ° C. to 300 ° C. (not shown), and (iv) N 2 fraction These operations (i) to (iv) may be performed singly or in combination.
このようにしてスパッタ条件を変更して中間層32bを成膜する。そして、中間層32bの膜厚が、約50nmとなったところで、再び成膜を停止する。しかる後、再びスパッタ条件変更操作を行い、スパッタ条件を下層32aの成膜時の条件に戻し、この条件で膜厚が約50nmの上層32cの成膜を行う。 In this manner, the intermediate layer 32b is formed by changing the sputtering conditions. Then, when the thickness of the intermediate layer 32b reaches about 50 nm, the film formation is stopped again. Thereafter, the sputtering condition changing operation is performed again to return the sputtering conditions to the conditions for forming the lower layer 32a. Under these conditions, the upper layer 32c having a film thickness of about 50 nm is formed.
このように、この実施の形態の導電性バリア層32は、中間層32bが、酸素に対するバリア性を良好に保つ。さらに他の金属膜と固溶反応しやすい中間層32bが、中間層32bよりも安定な下層32a及び上層32cで挟み込まれている。その結果、中間層32bと他の金属膜との直接接触が防がれるので、導電性バリア層32が第1相のTiAlN膜単独からなる場合に比べて、他の金属膜との間で良好な界面を維持できる。 Thus, in the conductive barrier layer 32 of this embodiment, the intermediate layer 32b keeps a good barrier property against oxygen. Furthermore, an intermediate layer 32b that is likely to undergo a solid solution reaction with another metal film is sandwiched between a lower layer 32a and an upper layer 32c that are more stable than the intermediate layer 32b. As a result, direct contact between the intermediate layer 32b and the other metal film is prevented, so that it is better between the other metal film than when the conductive barrier layer 32 is made of the first phase TiAlN film alone. A good interface can be maintained.
より詳細には、参考例1で説明したように、第1相(アモルファス)のTiAlN膜は、いわば、N原子が不足したAlTi合金ということができる。したがって、第1相のTiAlN膜には、内部に未反応なAl原子及びTi原子が多数存在する。その結果、第1相のTiAlN膜が他の金属膜(たとえば、コンタクトプラグ12やIr膜16a)と接触すると、固溶反応を生じる虞がある。固溶反応を生じると、第1相のTiAlN膜と他の金属膜との間に良好な界面を維持することができなくなる場合もある。 More specifically, as described in Reference Example 1 , it can be said that the first phase (amorphous) TiAlN film is an AlTi alloy lacking N atoms. Therefore, the first-phase TiAlN film has a large number of unreacted Al atoms and Ti atoms inside. As a result, when the first phase TiAlN film comes into contact with another metal film (for example, the contact plug 12 or the Ir film 16a), a solid solution reaction may occur. When a solid solution reaction occurs, a good interface may not be maintained between the first phase TiAlN film and another metal film.
それに対し、第2相(結晶質)のTiAlNにおいては、Al原子及びTi原子は、充分に窒化されているので、他の金属膜と接触しても、固溶反応を生じることがない。この結果、第2相(結晶質)のTiAlNは、他の金属膜との間に良好な界面を維持することができる。 On the other hand, in the second phase (crystalline) TiAlN, since Al atoms and Ti atoms are sufficiently nitrided, no solid solution reaction occurs even when they come into contact with other metal films. As a result, the second phase (crystalline) TiAlN can maintain a good interface with other metal films.
なお、この実施の形態においては、第1相のTiAlN膜(中間層32b)を、2層の第2相のTiAlN膜(下層32a及び上層32c)で挟み込んだ積層構造体を、導電性バリア層32として用いる例を示したが、この積層構造体は、たとえば、素子間を電気的に接続する配線としても用いることができる。 In this embodiment, the laminated structure in which the first-phase TiAlN film (intermediate layer 32b) is sandwiched between two second-phase TiAlN films (lower layer 32a and upper layer 32c) is used as a conductive barrier layer. Although the example used as 32 was shown, this laminated structure can be used also as wiring which electrically connects between elements, for example.
この場合、第1相のTiAlN膜の電気抵抗率は、第2相のTiAlN膜よりも小さいので、積層構造体全体としてみた場合には、電流は電気抵抗率の小さい第1相のTiAlN膜を選択的に流れる。よって、第1相のTiAlN膜と第2相のTiAlN膜とを積層した積層構造体は、第2相のTiAlN膜のみからなる配線よりも、電流を流しやすい。 In this case, the electric resistivity of the first phase TiAlN film is smaller than that of the second phase TiAlN film. Therefore, when viewed as the entire laminated structure, the current flows through the first phase TiAlN film having a low electric resistivity. Selective flow. Therefore, a laminated structure in which the first-phase TiAlN film and the second-phase TiAlN film are stacked is more likely to pass current than a wiring composed of only the second-phase TiAlN film.
また、第1相及び第2相のTiAlN膜は、水素バリア性を有しているので、上述の積層構造体を上部電極20に接続する配線として好適に用いることができる。このようにすることにより、この積層構造体が、上部電極20側からキャパシタ絶縁膜18へと向かう水素の拡散を抑制するので、キャパシタ絶縁膜18の劣化を防止することができる。 Moreover, since the TiAlN films of the first phase and the second phase have a hydrogen barrier property, they can be suitably used as a wiring for connecting the above-described laminated structure to the upper electrode 20. By doing so, the laminated structure suppresses the diffusion of hydrogen from the upper electrode 20 side toward the capacitor insulating film 18, so that the deterioration of the capacitor insulating film 18 can be prevented.
また、積層構造体を配線として用いる場合には、断面構造を3層構造とすることは必要ではない。第1相のTiAlN膜と他の金属膜と間に、第2相のTiAlN膜が設けられており、これにより、第1相のTiAlN膜と他の金属膜との直接接触が防がれていれば、2層構造としてもよい。 In addition, when the laminated structure is used as the wiring, it is not necessary to make the cross-sectional structure a three-layer structure. A second-phase TiAlN film is provided between the first-phase TiAlN film and another metal film, thereby preventing direct contact between the first-phase TiAlN film and the other metal film. In this case, a two-layer structure may be used.
また、積層構造体において、第1相のTiAlN膜と他の金属膜との直接接触を防止する膜は、第2相のTiAlN膜には限定されない。たとえば、TiN膜やTaN膜等を用いることができる。 In the laminated structure, the film that prevents direct contact between the first phase TiAlN film and the other metal film is not limited to the second phase TiAlN film. For example, a TiN film or a TaN film can be used.
また、導電性バリア層32の成膜において、下層32a→中間層32b及び中間層32b→上層32cへのスパッタ条件変更にあたっては、スパッタリングターゲット表面の状態が安定するまでの期間、スパッタリングターゲットと基板との間に、シャッターを介在させることが好ましい。このようにすることにより、スパッタリングターゲット表面が不安定な期間にスパッタされた原子の基板への堆積を防ぐことが可能となり、下層32aと中間層32bとの界面及び中間層32bと上層32cとの界面が明確となる。 In the formation of the conductive barrier layer 32, when changing the sputtering conditions from the lower layer 32a to the intermediate layer 32b and from the intermediate layer 32b to the upper layer 32c, the sputtering target and the substrate A shutter is preferably interposed between the two. By doing so, it becomes possible to prevent deposition of atoms sputtered on the substrate during a period when the surface of the sputtering target is unstable, and the interface between the lower layer 32a and the intermediate layer 32b and the intermediate layer 32b and the upper layer 32c. The interface becomes clear.
10 半導体装置
12 コンタクトプラグ
12a,24a 上面
14,32 導電性バリア層
14a 下面
16 下部電極
16a Ir膜
16b IrO2膜
16c Pt電極
18 キャパシタ絶縁膜
20 上部電極
22 基板
22a 主面
24 層間絶縁膜
26 段差
32a 下層
32b 中間層
32c 上層
10 semiconductor device 12 contact plugs 12a, 24a upper surface 14, 32 conductive barrier layer 14a lower surface 16 the lower electrode 16a Ir film 16b IrO 2 film 16c Pt electrode 18 the capacitor insulating film 20 upper electrode 22 substrate 22a main surface 24 interlayer insulating film 26 step 32a Lower layer 32b Intermediate layer 32c Upper layer
Claims (3)
前記導電性バリア層が、Ti及びAlを含むほかに、任意成分としてNを含むことがあるアモルファス膜と、該アモルファス膜を挟んで上下に一層ずつ設けられたTi,Al及びNを含む結晶性膜との積層構造を有している
ことを特徴とする半導体装置。 A capacitor comprising a conductive barrier layer above the first main surface of the substrate, a lower electrode formed above the conductive barrier layer, and a ferroelectric metal oxide formed above the lower electrode In addition to Ti and Al, the conductive barrier layer includes an amorphous film that may contain N as an optional component, and Ti that is provided one layer above and below across the amorphous film, A semiconductor device having a stacked structure with a crystalline film containing Al and N.
(1)スパッタリングターゲットに関するDCパワー、(2)成膜室内の気圧、(3)基板温度、及び(4)N2ガスとArガスとの混合スパッタガス中におけるN2ガスの体積比率をそれぞれ所定値として、反応性スパッタ法により成膜し、
引き続いて、前記アモルファス膜を、
(A)前記(1)の前記DCパワーを増加させるスパッタ条件変更操作、
(B)前記(2)の前記成膜室内の前記気圧を減少させるスパッタ条件変更操作、
(C)前記(3)の前記基板温度を増加させるスパッタ条件変更操作、及び、
(D)前記(4)の前記N2ガスの前記体積比率を減少させるスパッタ条件変更操作
からなる群から選ばれた1以上のスパッタ条件変更操作を行うことにより、成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In manufacturing the semiconductor device according to claim 1 , in the stacked structure, the crystalline film existing below the amorphous film is
(1) DC power related to the sputtering target, (2) atmospheric pressure in the film forming chamber, (3) substrate temperature, and (4) volume ratio of N 2 gas in the mixed sputtering gas of N 2 gas and Ar gas, respectively. As a value, the film was formed by reactive sputtering,
Subsequently, the amorphous film is
(A) Sputter condition changing operation for increasing the DC power in (1),
(B) Sputter condition changing operation for reducing the atmospheric pressure in the film forming chamber of (2),
(C) Sputtering condition changing operation for increasing the substrate temperature in (3), and
(D) The film is formed by performing one or more sputtering condition changing operations selected from the group consisting of a sputtering condition changing operation for reducing the volume ratio of the N 2 gas of (4). A method for manufacturing a semiconductor device.
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