JP2000004001A - Semiconductor memory and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor memory and manufacture thereof

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JP2000004001A
JP2000004001A JP10183395A JP18339598A JP2000004001A JP 2000004001 A JP2000004001 A JP 2000004001A JP 10183395 A JP10183395 A JP 10183395A JP 18339598 A JP18339598 A JP 18339598A JP 2000004001 A JP2000004001 A JP 2000004001A
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Japan
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film
insulating film
contact hole
cvd method
electrode
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JP10183395A
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Takashi Ishikawa
隆司 石川
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Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor memory and manufacturing method thereof, comprising first and 2p contact holes in which the phenomenon of a connecting wiring material in the first contact holes pierce a barrier metal layer diffusing to into impurity diffused regions is suppressed. SOLUTION: An insulation film is used, composed of an Si nitride film formed by the low pressure CVD method as an intermediate insulation film 107 which is inserted between insulation films 106, 108 having first and second contact holes 161, 162 and used for a mask in etching the second contact holes 162, and an Si nitride film formed by the plasma CVD method. Since the plasma CVD method conducts processes at about 200-300 deg.C, it does not destroy the barrier metal layer in the first contact holes and does not activate the diffusion of connection wirings of W, etc. A TEOS film made by low-pressure CVD method has good affinity with a Ti or Pt film, and when this TEOS film is deposited on the intermediate insulation film, a capacitor is formed which is stable having stable electrical characteristics, without damaging its electrical characteristics.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体を誘電体
膜として用いたキャパシタを有する不揮発性強誘電体メ
モリなどの半導体記憶装置に関する。
The present invention relates to a semiconductor memory device such as a nonvolatile ferroelectric memory having a capacitor using a ferroelectric as a dielectric film.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体膜は、電界が印加された時に一
旦発生した電気分極がこの電界が印加されなくなっても
残留し、前記電界とは反対方向の向きにある程度以上の
強さの電界が印加された時に分極の向きが反転する特性
を有している。この強誘電体膜の分極の向きが反転する
分極特性に着目し、メモリセルの情報記憶用キャパシタ
の誘電体膜に強誘電体を用いて不揮発性の強誘電体メモ
リを実現する技術が開発されている。強誘電体膜の強誘
電性を利用した不揮発性メモリ(以下、FRAM(Ferro
electric Random Access Memory)という)は、低消費電
力の汎用不揮発性メモリのほか、非接触カード(RF−
ID:Radio Frequency-Identification)などへの応用
が期待されている。この不揮発性メモリが既存のSRA
M(Static RAM) 、フラッシュメモリ、DRAM(Dyn
amic RAM) などに置き代わればその意義は大きいも
のがある。
2. Description of the Related Art In a ferroelectric film, electric polarization once generated when an electric field is applied remains even when the electric field is not applied, and an electric field having a certain strength or more in a direction opposite to the electric field. Has the characteristic that the direction of polarization is inverted when is applied. Focusing on the polarization characteristics of the ferroelectric film in which the direction of polarization is reversed, a technology has been developed to realize a nonvolatile ferroelectric memory using a ferroelectric for the dielectric film of the information storage capacitor of the memory cell. ing. Non-volatile memory using ferroelectricity of ferroelectric film (hereinafter referred to as FRAM (Ferro
electric Random Access Memory) is a non-contact card (RF-
Application to ID (Radio Frequency-Identification) is expected. This non-volatile memory is compatible with existing SRA
M (Static RAM), Flash memory, DRAM (Dyn
There is something that is significant if you replace it with amic RAM).

【0003】これらの強誘電体膜において、強誘電体と
しては、PZT(Pb(Zr,Ti03 )、PLZT
((Pb,La)(Zr,Ti)03 )、PLT((P
b,La)Ti03 )などのPbを含有する強誘電体あ
るいはBiを含有する層状化合物のSrBi2 Ta2
9 (Y1)が知られている。現在FRAMは、二つのト
ランジスタと二つのキャパシタンスを一つのセルとした
方式(以下、2T/2Cセルという)を多く用いてい
る。勿論、高集積化に向けて1T/1CセルのFRAM
も研究・開発を進めている。この2T/2Cセルは、2
個のキャパシタに高低の組み合わせで電圧を与え、書き
込み及び読み出しは、キャパシタ上の高低の電圧に対応
した信号電圧をデータ対線に取り出すことにより行う。
完全作動動作なので安定である。強誘電体膜材料に関し
ては、生産上での膜質の安定化、材料特性としてはイン
プリント現象、疲労特性等で多くの解決すべき問題があ
る。
[0003] In these ferroelectric film, as the ferroelectric, PZT (Pb (Zr, Ti0 3), PLZT
((Pb, La) (Zr , Ti) 0 3), PLT ((P
b, La) SrBi 2 Ta 20 which is a ferroelectric containing Pb such as TiO 3 ) or a layered compound containing Bi
9 (Y1) is known. At present, FRAM often uses a method in which two transistors and two capacitances are made into one cell (hereinafter, referred to as 2T / 2C cell). Of course, 1T / 1C cell FRAM for high integration
Is also conducting research and development. This 2T / 2C cell is 2
Voltages are applied to the individual capacitors in a combination of high and low, and writing and reading are performed by extracting a signal voltage corresponding to the high and low voltages on the capacitors to a data pair line.
Stable due to complete operation. As for ferroelectric film materials, there are many problems to be solved such as stabilization of film quality in production and imprint phenomenon and fatigue characteristics as material characteristics.

【0004】図12は、従来の強誘電体特性のある強誘
電体膜を有するキャパシタを具備したFRAMの断面図
である。p型シリコン半導体などからなる半導体基板1
にはLOCOS(Local Oxidization of Silicon)法によ
るSiO2 から構成された素子分離領域2が形成されて
いる。半導体基板1の表面りょういきにはソース/ドレ
イン領域として用いられるn型不純物拡散領域3が形成
されている。ソース/ドレイン領域間の上にはゲート酸
化膜(SiO2 )4を介してゲート電極5が形成されて
いる。ゲート電極5は、例えば、ポリシリコン膜とポリ
シリコン膜上のタングステンシリサイド膜からなり上面
は、シリコン窒化膜により保護されている。半導体基板
1は、ゲート電極5を覆うように減圧CVD法により形
成された中間絶縁膜として用いられるBPSG(Born Ph
ospharus Silicate Glass)膜からなる第1の絶縁膜6に
より被覆されている。第1の絶縁膜6はCMP(Chemica
lMechanical Polishing) により研磨されて平坦化され
る。第1の絶縁膜6には第1のコンタクト孔61、6
1′が形成される。平坦化された第1の絶縁膜6が膜厚
790〜890nm程度であるのでコンタクト孔の高さ
もこれと同じである。いずれのコンタクト孔も半導体基
板1の不純物拡散領域3に底面が配置されている。この
コンタクト孔61、61′に接続配線71、71′を埋
め込む。
FIG. 12 is a sectional view of a conventional FRAM having a capacitor having a ferroelectric film having ferroelectric characteristics. Semiconductor substrate 1 made of a p-type silicon semiconductor or the like
Is formed with an element isolation region 2 made of SiO 2 by a LOCOS (Local Oxidization of Silicon) method. An n-type impurity diffusion region 3 used as a source / drain region is formed on the surface of the semiconductor substrate 1. A gate electrode 5 is formed above the source / drain region via a gate oxide film (SiO 2 ) 4. The gate electrode 5 is made of, for example, a polysilicon film and a tungsten silicide film on the polysilicon film, and the upper surface is protected by a silicon nitride film. The semiconductor substrate 1 has a BPSG (Born Ph.D.) used as an intermediate insulating film formed by a low pressure CVD method so as to cover the gate electrode 5.
Ospharus Silicate Glass) film. The first insulating film 6 is made of CMP (Chemica
It is polished and planarized by lMechanical Polishing). The first insulating film 6 has first contact holes 61 and 6.
1 'is formed. Since the planarized first insulating film 6 has a thickness of about 790 to 890 nm, the height of the contact holes is the same. Each contact hole has a bottom surface in the impurity diffusion region 3 of the semiconductor substrate 1. The connection wirings 71, 71 'are buried in the contact holes 61, 61'.

【0005】配線71、71′は、第1のコンタクト孔
61、61′の側壁に形成されたTi膜及びその上のT
iN膜からなるバリアメタル層と、TiN膜上のタング
ステン(W)膜とから構成されている。ソース/ドレイ
ン領域3、ゲート酸化膜及びゲート電極は、トランジス
タQを構成している。第1のコンタクト孔61、61′
に埋め込まれたタングステン膜の酸化を抑制するために
第1の絶縁膜6の上に保護膜として中間絶縁膜7を形成
する。中間絶縁膜7は、膜厚150nm程度の減圧CV
D法により形成されたシリコン窒化膜(Si3 4 ,化
学式はこの通りであるが、実際は原子比が多少変化する
ので、SiNと表記する)から構成されている。CVD
(Chemical Vapour Deposition)法は、熱エネルギーやプ
ラズマ放電などを用いて半導体基板上に薄膜を形成する
方法である。減圧CVD法は、反応室内を減圧状態にし
て成膜する手段であり、成膜温度が700〜780℃、
成膜速度が0.8〜1.5nm/分の条件で行う。プラ
ズマCVD法は、反応室で低圧反応ガスのプラズマを発
生させ、プラズマ分解によりウェーハ上に薄膜を形成す
る手段である。200〜300℃程度で反応が行われ
る。
The wirings 71, 71 'are formed of a Ti film formed on the side walls of the first contact holes 61, 61' and a T film thereon.
It is composed of a barrier metal layer made of an iN film and a tungsten (W) film on a TiN film. The source / drain region 3, the gate oxide film, and the gate electrode constitute a transistor Q. First contact holes 61, 61 '
An intermediate insulating film 7 is formed as a protective film on the first insulating film 6 to suppress the oxidation of the tungsten film embedded in the first insulating film 6. The intermediate insulating film 7 has a reduced pressure CV having a thickness of about 150 nm.
It is composed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 , formed by the method D, which has the same chemical formula as described above, but is actually described as SiN because its atomic ratio slightly changes). CVD
The (Chemical Vapor Deposition) method is a method of forming a thin film on a semiconductor substrate using thermal energy, plasma discharge, or the like. The low-pressure CVD method is a means for forming a film under reduced pressure in a reaction chamber.
The deposition is performed under the condition that the film forming speed is 0.8 to 1.5 nm / min. The plasma CVD method is a means for generating plasma of a low-pressure reaction gas in a reaction chamber and forming a thin film on a wafer by plasma decomposition. The reaction is performed at about 200 to 300 ° C.

【0006】中間絶縁膜7の上には、強誘電体キャパシ
タCが形成されている。キャパシタCは、中間絶縁膜7
に接触し、プレート線(PL)つながる下部電極91、
強誘電体特性を有する強誘電体からなる誘電体膜92及
び上部電極93が順次堆積された積層体から構成されて
いる。下部電極は、中間絶縁膜7に接触するTi膜及び
Ti膜の上に形成されたPt膜から構成されている。強
誘電体膜92は、例えば、PZT膜から構成されてい
る。上部電極93はPt膜から構成されている。キャパ
シタCを被覆するように中間絶縁膜7の上に第2の絶縁
膜8が形成されている。第2の絶縁膜8は、TEOS膜
(略称TEOSという有機オキシシランSi( OC2
5 ) 4 を熱分解して形成されたSiO2 膜をいう)から
なり、膜厚は、950nm程度である。第2の絶縁膜8
は、CMPなどにより研磨されて平坦化される。この第
2の絶縁膜8と中間絶縁膜7は、エッチングされ、この
エッチングにより第2のコンタクト孔62、62′が形
成されている。平坦化された第2の絶縁膜8が膜厚95
0nmであるので、第2のコンタクト孔62、62′の
高さもこれと同じである。これら第2のコンタクト孔6
2、62′は、それぞれ第1のコンタクト孔61、6
1′に繋がり、埋め込まれている配線72、72′も配
線71、71′に接続されている。配線72、72′
は、第2のコンタクト孔62、62′の側壁に形成され
たTi膜及びその上のTiN膜からなるバリアメタル層
と、その上のタングステン膜とから構成されている。
On the intermediate insulating film 7, a ferroelectric capacitor C is formed. Capacitor C is an intermediate insulating film 7
, And a lower electrode 91 connected to a plate line (PL),
A dielectric film 92 made of a ferroelectric material having ferroelectric characteristics and an upper electrode 93 are sequentially stacked. The lower electrode is composed of a Ti film in contact with the intermediate insulating film 7 and a Pt film formed on the Ti film. The ferroelectric film 92 is made of, for example, a PZT film. The upper electrode 93 is made of a Pt film. A second insulating film 8 is formed on intermediate insulating film 7 so as to cover capacitor C. The second insulating film 8 is made of a TEOS film (abbreviated as TEOS, an organic oxysilane Si (OC 2 H).
5 ) SiO 2 film formed by thermally decomposing 4 ), and has a thickness of about 950 nm. Second insulating film 8
Is polished and flattened by CMP or the like. The second insulating film 8 and the intermediate insulating film 7 are etched, and the second contact holes 62 and 62 'are formed by this etching. The planarized second insulating film 8 has a thickness of 95
Since it is 0 nm, the heights of the second contact holes 62 and 62 'are the same. These second contact holes 6
2 and 62 'are first contact holes 61 and 6 respectively.
The wirings 72, 72 'connected to and embedded in 1' are also connected to the wirings 71, 71 '. Wiring 72, 72 '
Is composed of a barrier metal layer composed of a Ti film and a TiN film formed thereon on the side walls of the second contact holes 62 and 62 ', and a tungsten film formed thereon.

【0007】第2の絶縁膜8上には配線10、10′が
形成されている。第2の絶縁膜8にTi膜、TiN膜、
Al膜及びTiN膜を順次堆積させ、これをパターニン
グして下層バリアメタル層(Ti膜/TiN膜)/Al
膜/上層バリアメタル層(TiN膜)から構成された配
線10、10′が形成される。この配線10、10′
は、半導体基板1上の第1層目のアルミニウム配線であ
る。配線10、10′を被覆するように第2の絶縁膜8
の上に第3の絶縁膜9が形成されている。第3の絶縁膜
9は、TEOS膜からなり、膜厚が1240nm程度で
ある。第3の絶縁膜9は、CMPなどにより研磨されて
平坦化される。この第3の絶縁膜9は、エッチングさ
れ、このエッチング工程によりその表面から配線10、
10′の上面に至る第3のコンタクト孔11、11′が
形成されている。平坦化された第3の絶縁膜9の膜厚が
1240nmであり、配線10、10′の膜厚が520
nm程度であるので、第3のコンタクト孔11、11′
の高さは、720nm程度である。第3のコンタクト孔
11、11′に埋め込まれている配線12、12′は、
それぞれ接続配線72、72′に接続されている。接続
配線12、12′は、第3のコンタクト孔11、11′
に埋め込まれたタングステン膜から構成されている。
On the second insulating film 8, wirings 10, 10 'are formed. A Ti film, a TiN film,
An Al film and a TiN film are sequentially deposited and patterned to form a lower barrier metal layer (Ti film / TiN film) / Al
Wirings 10 and 10 'composed of a film / upper barrier metal layer (TiN film) are formed. This wiring 10, 10 '
Is a first layer aluminum wiring on the semiconductor substrate 1. The second insulating film 8 is formed so as to cover the wirings 10 and 10 '.
The third insulating film 9 is formed thereon. The third insulating film 9 is made of a TEOS film and has a thickness of about 1240 nm. The third insulating film 9 is polished by CMP or the like and flattened. The third insulating film 9 is etched, and the wiring 10 and the
Third contact holes 11, 11 'reaching the upper surface of 10' are formed. The thickness of the planarized third insulating film 9 is 1240 nm, and the thickness of the wirings 10 and 10 ′ is 520 nm.
nm, the third contact holes 11, 11 '
Has a height of about 720 nm. The wirings 12, 12 'embedded in the third contact holes 11, 11' are:
Each is connected to the connection wiring 72, 72 '. The connection wirings 12, 12 'are connected to the third contact holes 11, 11'.
It is composed of a tungsten film embedded in the substrate.

【0008】第3の絶縁膜9上には配線13、13′が
形成されている。第3の絶縁膜9にTi膜、TiN膜、
Al膜及びTiN膜を順次堆積させ、これをパターニン
グして下層バリアメタル層(Ti膜/TiN膜)/Al
膜/上層バリアメタル層(TiN膜)から構成された配
線13、13′が形成される。この配線13、13′
は、半導体基板1上の第2層目のアルミニウム配線であ
る。配線13、13′を被覆するように第3の絶縁膜9
の表面上にプラズマCVD法により形成されたシリコン
窒化膜などの保護絶縁膜14で被覆されている。配線1
3は、キャパシタCの上部電極93に接続され、配線1
3′は、ビット線(BT)に接続されている。図4は、
従来の半導体基板上のFRAMセル回路図である。
[0010] Wirings 13 and 13 ′ are formed on the third insulating film 9. A Ti film, a TiN film,
An Al film and a TiN film are sequentially deposited and patterned to form a lower barrier metal layer (Ti film / TiN film) / Al
Wirings 13, 13 'composed of a film / upper barrier metal layer (TiN film) are formed. This wiring 13, 13 '
Is a second layer aluminum wiring on the semiconductor substrate 1. The third insulating film 9 is formed so as to cover the wirings 13 and 13 '.
Is covered with a protective insulating film 14 such as a silicon nitride film formed by a plasma CVD method. Wiring 1
3 is connected to the upper electrode 93 of the capacitor C,
3 'is connected to the bit line (BT). FIG.
It is a circuit diagram of a conventional FRAM cell on a semiconductor substrate.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】以上のように、通常第
1のコンタクト孔に埋め込まれたタングステンの表面酸
化を抑制するためにその表面に緻密で耐酸化性の有るシ
リコン窒化膜(SiN)を堆積させ、その上に層間絶縁
膜としてTEOS膜を堆積させる。この第1のコンタク
ト孔の上に第2のコンタクト孔を形成する場合、TEO
S膜を反応性イオンエッチング (RIE:Reactive Ion
Etching)で垂直にエッチングする。そのときの条件は、
TEOS膜とシリコン窒化膜との選択比が10以上ある
ようにする。そして、TEOS膜とシリコン窒化膜との
界面又はシリコン窒化膜中でRIEを終点させる。次
に、コンタクト孔内のタングステン膜上のシリコン窒化
膜をRIEでエッチングし、タングステン膜界面でエッ
チングを終点させて第2のコンタクト孔を形成する。
As described above, a dense and oxidation-resistant silicon nitride film (SiN) is usually formed on the surface of the first contact hole to suppress oxidation of the surface of the tungsten. Then, a TEOS film is deposited thereon as an interlayer insulating film. When forming the second contact hole on the first contact hole, TEO
Reactive ion etching of S film (RIE: Reactive Ion
Etching) vertically. At that time,
The selectivity between the TEOS film and the silicon nitride film should be 10 or more. Then, the RIE is terminated at the interface between the TEOS film and the silicon nitride film or in the silicon nitride film. Next, the silicon nitride film on the tungsten film in the contact hole is etched by RIE, and the etching is terminated at the tungsten film interface to form a second contact hole.

【0010】ここで、第2のコンタクト孔を形成する場
合のエッチングのマスクに減圧CVD法により堆積され
たシリコン窒化膜(SiN)を使用すると、高温(70
0℃以上)で且つエッチング速度が遅いなどの理由によ
り第1のコンタクト孔のボトムコーナーでタングステン
がバリアメタル層(Ti膜/TiN膜)を突き抜けて半
導体基板に形成された不純物拡散領域に拡散してトラン
ジスタの電気的特性に悪影響を与える。また、第2のコ
ンタクト孔のPEPにおいてレティクルの合わせずれが
生じた状態でRIEを実施すると第2のコンタクト孔が
半導体基板までエッチングが進行するという問題が生じ
る。本発明は、このような事情によりなされたものであ
り、第1のコンタクト孔内の接続配線材料がバリアメタ
ル層を突き抜けて不純物拡散領域の内部に拡散する現象
が抑制された第1及び第2のコンタクト孔を具備する半
導体記憶装置の製造方法を提供し、第1及び第2のコン
タクト孔が形成された絶縁膜間に形成されたキャパシタ
が安定に絶縁膜間に配置される半導体記憶装置を提供す
る。
Here, if a silicon nitride film (SiN) deposited by a low-pressure CVD method is used as an etching mask for forming the second contact hole, a high temperature (70
At a bottom corner of the first contact hole, tungsten penetrates through the barrier metal layer (Ti film / TiN film) and diffuses into the impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate. This adversely affects the electrical characteristics of the transistor. Further, if RIE is performed in a state where misalignment of the reticle has occurred in the PEP of the second contact hole, there occurs a problem that the etching of the second contact hole proceeds to the semiconductor substrate. The present invention has been made under such circumstances, and the first and second phenomena in which the connection wiring material in the first contact hole penetrates through the barrier metal layer and diffuses into the impurity diffusion region is suppressed. And a method of manufacturing a semiconductor memory device having a contact hole, wherein a capacitor formed between the insulating films having the first and second contact holes is stably disposed between the insulating films. provide.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、第1及び第2
のコンタクト孔が形成された絶縁膜間に挿入され、第2
のコンタクト孔をエッチングする際のマスクに用いられ
る中間絶縁膜として減圧CVD法により形成されたシリ
コン窒化膜とプラズマCVD法により形成されたシリコ
ン窒化膜とから構成された絶縁膜を用いることを特徴と
する。また、中間絶縁膜上に形成される前記キャパシタ
の下部電極がチタン(Ti)膜とこの上に形成されたプ
ラチナ(Pt)膜から構成された場合において、チタン
膜と中間絶縁膜との間に減圧CVD法により形成された
TEOS膜を配置することを特徴としている。プラズマ
CVD法は、低温(200〜300℃程度)で処理する
ので、第1のコンタクト孔に形成されたバリアメタル層
を破壊することなくなり、また、タングステンなどの接
続配線の拡散を活性化することがない。また、減圧CV
D法によるTEOS膜は、チタン膜やプラチナ膜とのな
じみが良いのでこの様なTEOS膜を中間絶縁膜上に堆
積させると、キャパシタが安定してその電気的特性を損
なうことなく電気特性の安定したキャパシタが形成され
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides first and second embodiments.
Is inserted between the insulating films in which the contact holes are formed.
Characterized in that an insulating film composed of a silicon nitride film formed by a low pressure CVD method and a silicon nitride film formed by a plasma CVD method is used as an intermediate insulating film used as a mask when etching the contact hole of (1). I do. Further, when the lower electrode of the capacitor formed on the intermediate insulating film is composed of a titanium (Ti) film and a platinum (Pt) film formed on the titanium (Ti) film, the lower electrode is formed between the titanium film and the intermediate insulating film. A TEOS film formed by a low-pressure CVD method is provided. Since the plasma CVD process is performed at a low temperature (about 200 to 300 ° C.), the barrier metal layer formed in the first contact hole is not broken, and the diffusion of connection wiring such as tungsten is activated. There is no. In addition, decompression CV
The TEOS film formed by the D method has good compatibility with a titanium film or a platinum film. Therefore, when such a TEOS film is deposited on the intermediate insulating film, the capacitor is stabilized and the electric characteristics are stabilized without impairing the electric characteristics. The formed capacitor is formed.

【0012】すなわち、本発明の半導体記憶装置は、半
導体基板と、前記半導体基板に形成され、ビット線にド
レイン又はソースが接続されたスイッチ用トランジスタ
と、前記スイッチ用トランジスタを被覆するように前記
半導体基板上に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の
絶縁膜の上に形成された中間絶縁膜と、前記中間絶縁膜
上に形成され前記スイッチ用トランジスタのソース又は
ドレインに接続された第1の電極、前記中間絶縁膜に接
触しプレート線に接続された第2の電極及び誘電体膜を
備えた電荷蓄積用キャパシタと、前記電荷蓄積用キャパ
シタを被覆するように、前記中間絶縁膜の上に形成され
た第2の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜に形成された第1
のコンタクト孔及び前記第2の絶縁膜に形成された第2
のコンタクト孔を通して前記ドレイン又はソースと前記
第1の電極とを電気的に接続する配線とを具備し、前記
中間絶縁膜は、減圧CVD法により形成されたシリコン
窒化膜とプラズマCVD法により形成されたシリコン窒
化膜とから構成されていることを特徴としている。
That is, the semiconductor memory device of the present invention provides a semiconductor substrate, a switching transistor formed on the semiconductor substrate, having a drain or a source connected to a bit line, and the semiconductor transistor so as to cover the switching transistor. A first insulating film formed on the substrate, an intermediate insulating film formed on the first insulating film, and a source or drain of the switching transistor formed on the intermediate insulating film; A charge storage capacitor including a first electrode, a second electrode in contact with the intermediate insulating film and connected to a plate line, and a dielectric film; and the intermediate insulating film so as to cover the charge storage capacitor. A second insulating film formed on the first insulating film, and a first insulating film formed on the first insulating film.
Contact hole and a second hole formed in the second insulating film.
And a wiring for electrically connecting the drain or source and the first electrode through the contact hole of (a). The intermediate insulating film is formed by a silicon nitride film formed by a low pressure CVD method and a plasma CVD method. And a silicon nitride film.

【0013】前記キャパシタは、強誘電体特性を有する
強誘電体からなる誘電体膜を用いても良い。前記中間絶
縁膜は、減圧CVD法により形成された第1及び第2の
シリコン窒化膜と前記第1及び第2のシリコン窒化膜に
より挟まれ、プラズマCVD法により形成された第3の
シリコン窒化膜から構成されているようにしても良い。
CVD反応室内で条件を適宜変更するだけで容易に連続
的に種類の異なる複数のシリコン窒化膜が積層される。
前記中間絶縁膜は、135nm乃至165nmの膜厚で
あり第1及び第2のシリコン窒化膜のトータルの膜厚が
10nm乃至20nmであるようにしても良い。前記第
1のコンタクト孔側壁は、前記第1の絶縁膜に対して垂
直に形成されており、前記第2のコンタクト孔は、その
側壁が前記第2の絶縁膜に対してテーパー状に形成さ
れ、開口部が底面より広い面積を有しているようにして
も良い。第2のコンタクト孔を形成するときにエッチン
グにより第2の絶縁膜を突き破って半導体基板に達する
ようなコンタクト孔を形成することがない。
The capacitor may use a dielectric film made of a ferroelectric material having ferroelectric characteristics. The intermediate insulating film is sandwiched between first and second silicon nitride films formed by a low pressure CVD method and a third silicon nitride film formed by a plasma CVD method. May be configured.
A plurality of different types of silicon nitride films can be easily and continuously stacked only by appropriately changing the conditions in the CVD reaction chamber.
The intermediate insulating film may have a thickness of 135 nm to 165 nm, and the total thickness of the first and second silicon nitride films may be 10 nm to 20 nm. The side wall of the first contact hole is formed perpendicular to the first insulating film, and the side wall of the second contact hole is formed in a tapered shape with respect to the second insulating film. Alternatively, the opening may have an area larger than the bottom surface. When the second contact hole is formed, a contact hole that penetrates the second insulating film and reaches the semiconductor substrate by etching is not formed.

【0014】前記中間絶縁膜の下面と接する部分の前記
第1の絶縁膜はプラズマCVD法により形成されたTE
OS膜で構成され、その他の部分はBPSG膜で構成さ
れるようにしても良い。第1のコンタクト孔内に接続配
線を埋め込むときにCMPを使用する場合において研磨
速度の速いBPSG膜を研磨し過ぎて第1の絶縁膜に埋
め込まれているゲート電極を傷付けることがない。前記
キャパシタと前記中間絶縁膜との間には減圧CVD法に
より形成されたTEOS膜が介在されているようにして
も良い。このTEOS膜は、強誘電体膜を用いるキャパ
シタの下部電極を配向性良く堆積させることができるの
で、この下部電極の上に強誘電体膜を配向性良く成長さ
せることができる。前記キャパシタの前記第2の電極は
チタン膜とこの上に形成されたプラチナ膜から構成さ
れ、このチタン膜は前記減圧CVD法により形成された
TEOS膜に接して形成されているようにしても良い。
前記中間絶縁膜は、135nm乃至165nmの膜厚で
あり前記減圧CVD法により形成されたTEOS膜は、
200nmの膜厚を有するようにしても良い。前記キャ
パシタの前記第1の電極は、前記強誘電体膜の上に形成
され、前記第1の電極の上及び前記第1の電極が形成さ
れていない前記強誘電体膜の上には前記強誘電体膜と同
じ材料からなる保護膜が形成されているようにしても良
い。強誘電体膜を上部電極を被覆する保護膜として用い
るので強誘電体膜が配向性良く形成される。
A portion of the first insulating film which is in contact with the lower surface of the intermediate insulating film is a TE formed by a plasma CVD method.
The other parts may be made of a BPSG film. In the case of using CMP when burying the connection wiring in the first contact hole, the BPSG film having a high polishing rate is not polished too much, and the gate electrode buried in the first insulating film is not damaged. A TEOS film formed by a low pressure CVD method may be interposed between the capacitor and the intermediate insulating film. Since the TEOS film can deposit a lower electrode of a capacitor using a ferroelectric film with good orientation, a ferroelectric film can be grown on this lower electrode with good orientation. The second electrode of the capacitor may include a titanium film and a platinum film formed thereon, and the titanium film may be formed in contact with the TEOS film formed by the low-pressure CVD method. .
The TEOS film formed by the low-pressure CVD method has a thickness of 135 nm to 165 nm.
It may have a thickness of 200 nm. The first electrode of the capacitor is formed on the ferroelectric film, and the ferroelectric film is formed on the first electrode and on the ferroelectric film on which the first electrode is not formed. A protective film made of the same material as the dielectric film may be formed. Since the ferroelectric film is used as a protective film covering the upper electrode, the ferroelectric film is formed with good orientation.

【0015】また本発明の半導体記憶装置の製造方法
は、半導体基板に、ビット線にドレイン又はソースが接
続されたスイッチ用トランジスタを形成する工程と、前
記スイッチ用トランジスタを被覆するように前記半導体
基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶
縁膜をエッチングして前記半導体基板のドレイン又はソ
ースに至る第1のコンタクト孔を形成する工程と、前記
第1のコンタクト孔内に接続配線を埋め込む工程と、前
記第1のコンタクト孔内の接続配線を被覆するように前
記第1の絶縁膜の上に中間絶縁膜を形成する工程と、前
記中間絶縁膜上に第1の電極、第2の電極及びこれら電
極に挟まれた誘電体膜を備えた電荷蓄積用キャパシタを
形成する工程と、前記電荷蓄積用キャパシタを被覆する
ように、前記中間絶縁膜の上に第2の絶縁膜を形成する
工程と、前記第2の絶縁膜及び前記中間絶縁膜をエッチ
ングして前記第1のコンタクト孔内の接続配線に至る第
2のコンタクト孔を形成する工程と、前記第2のコンタ
クト孔内に接続配線を埋め込む工程と、前記第1及び第
2のコンタクト孔内の接続配線を含み、前記第1のコン
タクト孔及び前記第2のコンタクト孔を通して前記ドレ
イン又はソースと前記第1の電極とを電気的に接続する
配線とを形成する工程とを具備し、前記中間絶縁膜は、
減圧CVD法により形成されたシリコン窒化膜とプラズ
マCVD法により形成されたシリコン窒化膜とから構成
されていることを特徴としている。
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, a step of forming a switch transistor having a drain or a source connected to a bit line on a semiconductor substrate; Forming a first insulating film thereon, etching the first insulating film to form a first contact hole reaching a drain or a source of the semiconductor substrate, and forming a first contact hole in the first contact hole. Burying a connection wiring in the first contact hole; forming an intermediate insulation film on the first insulation film so as to cover the connection wiring in the first contact hole; Forming a charge storage capacitor including an electrode, a second electrode, and a dielectric film sandwiched between the electrodes; and forming the intermediate capacitor so as to cover the charge storage capacitor. Forming a second insulating film on the film; and etching the second insulating film and the intermediate insulating film to form a second contact hole reaching the connection wiring in the first contact hole. And a step of burying a connection wiring in the second contact hole; and a connection wiring in the first and second contact holes, wherein the drain is formed through the first contact hole and the second contact hole. Or forming a wiring for electrically connecting the source and the first electrode, wherein the intermediate insulating film comprises:
It is characterized by comprising a silicon nitride film formed by a low pressure CVD method and a silicon nitride film formed by a plasma CVD method.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して発明の実施
の形態を説明する。まず、図1、図6乃至図10を参照
して第1の実施例を説明する。図1に不揮発性強誘電体
メモリ(FRAM)の断面図を示す。p型シリコン半導
体基板100にはMOSトランジスタQが形成されてい
る。MOSトランジスタQは、n型不純物拡散領域から
なるソース/ドレイン領域103、ゲート酸化膜10
4、ゲート電極105等から構成される。ゲート電極1
05は、ワード線(WL)に接続される。このMOSト
ランジスタQ上には層間絶縁膜(第1の絶縁膜)106
が形成されている。第1の絶縁膜106は、減圧CVD
法により形成されるBPSG膜から構成されている。p
型シリコン半導体などからなる半導体基板100にはL
OCOSによるSiO2 から構成された素子分離領域1
02が形成されている。半導体基板100の表面領域に
はソース/ドレイン領域として用いられるn型不純物拡
散領域103が形成されている。ソース/ドレイン領域
間の上にはゲート酸化膜(SiO2 )104を介してゲ
ート電極105が形成されている。ゲート電極105
は、例えば、ポリシリコン膜とポリシリコン膜上のタン
グステンシリサイド膜からなり、このシリサイド膜上面
は、シリコン窒化膜により保護されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 6 to 10. FIG. 1 is a sectional view of a nonvolatile ferroelectric memory (FRAM). MOS transistor Q is formed on p-type silicon semiconductor substrate 100. MOS transistor Q has a source / drain region 103 composed of an n-type impurity diffusion region, a gate oxide film 10
4, the gate electrode 105 and the like. Gate electrode 1
05 is connected to a word line (WL). On the MOS transistor Q, an interlayer insulating film (first insulating film) 106
Are formed. The first insulating film 106 is formed by low pressure CVD.
It is composed of a BPSG film formed by a method. p
L is applied to the semiconductor substrate 100 made of a silicon semiconductor or the like.
Element isolation region 1 composed of SiO 2 by OCOS
02 is formed. In a surface region of the semiconductor substrate 100, an n-type impurity diffusion region 103 used as a source / drain region is formed. A gate electrode 105 is formed above the source / drain region via a gate oxide film (SiO 2 ) 104. Gate electrode 105
Comprises, for example, a polysilicon film and a tungsten silicide film on the polysilicon film, and the upper surface of the silicide film is protected by a silicon nitride film.

【0017】半導体基板100は、ゲート電極105を
覆うように、減圧CVD法により形成されたBPSG膜
からなる第1の絶縁膜(層間絶縁膜)106により被覆
されている。第1の絶縁膜106は、CMPにより研磨
されて平坦化される。この第1の絶縁膜106には第1
のコンタクト孔161、161′が形成される。まず、
CHF3 +O2 +COからなる混合ガスを使用してBP
SG膜表面がRIEエッチングされ、ついで、O2 とC
4 との混合ガス(流量比1以上)によりRIEエッチ
ングで開口した部分にさらにトレンチエッチングを施し
て垂直な側壁を有する第1のコンタクト孔161、16
1′を形成する。平坦化された第1の絶縁膜106が、
例えば、膜厚790〜890nm程度であるので、第1
のコンタクト孔161、161′の高さもこれと同じで
ある。いずれのコンタクト孔も半導体基板100の不純
物拡散領域103にその底面が配置されている。この第
1のコンタクト孔161、161′には接続配線17
1、171′が埋め込まれている。接続配線171、1
71′は、第1のコンタクト孔161、161′の側壁
に形成されたTi膜及びその上のTiN膜からなるバリ
アメタル層と、TiN膜上のタングステン(W)膜とか
ら構成されている。ソース/ドレイン領域103、ゲー
ト酸化膜104及びゲート電極105は、トランジスタ
Cを構成している。
The semiconductor substrate 100 is covered with a first insulating film (interlayer insulating film) 106 made of a BPSG film formed by a low pressure CVD method so as to cover the gate electrode 105. The first insulating film 106 is polished and flattened by CMP. The first insulating film 106 has a first
Contact holes 161 and 161 'are formed. First,
BP using a mixed gas consisting of CHF 3 + O 2 + CO
The surface of the SG film is etched by RIE, and then O 2 and C
First contact holes 161 and 16 having vertical sidewalls are further subjected to trench etching at a portion opened by RIE etching with a mixed gas with F 4 (flow rate ratio of 1 or more).
1 'is formed. The planarized first insulating film 106
For example, since the film thickness is about 790 to 890 nm, the first
The contact holes 161 and 161 'have the same height. Each contact hole has its bottom surface arranged in the impurity diffusion region 103 of the semiconductor substrate 100. The first contact holes 161 and 161 ′ have connection wirings 17.
1, 171 'are embedded. Connection wiring 171, 1
Reference numeral 71 'includes a barrier metal layer formed of a Ti film and a TiN film formed on the side walls of the first contact holes 161 and 161', and a tungsten (W) film on the TiN film. The source / drain region 103, the gate oxide film 104, and the gate electrode 105 constitute a transistor C.

【0018】接続配線は、第1のコンタクト孔内も含め
て第1の絶縁膜106上に膜厚40nm程度のTi膜、
膜厚60nm程度のTiN膜を順次高融点ロングスパッ
タリングなど通常の堆積技術で堆積させ、その上にタン
グステンをブランケット状に620nm程度堆積させ
る。そしてさらに300℃×60分、N2 雰囲気中で結
晶化処理を行う。その後これら積層体をCMP法やCD
E(Chemical Dry Etching)とマイクロアッシャー工程と
を含む方法などにより第1のコンタクト孔161、16
1′内に堆積した材料以外の第1の絶縁膜106上の積
層体を除去するとともに第1の絶縁膜106の表面を平
坦化する。第1のコンタクト孔161、161′に埋め
込まれたタングステンの酸化を抑制するために第1の絶
縁膜106の上に保護膜として膜厚が135〜165n
mの中間絶縁膜107を形成する。中間絶縁膜107
は、プラズマCVD法により形成されたシリコン窒化膜
(PCVDSiN)と減圧CVD法により形成されたシ
リコン窒化膜(LPCVDSiN)から構成されてい
る。
The connection wiring includes a Ti film having a thickness of about 40 nm on the first insulating film 106 including the inside of the first contact hole.
A TiN film having a thickness of about 60 nm is sequentially deposited by a normal deposition technique such as high melting point long sputtering, and tungsten is deposited thereon in a blanket shape to a thickness of about 620 nm. Then, crystallization treatment is further performed at 300 ° C. × 60 minutes in an N 2 atmosphere. Then, these laminates are subjected to CMP or CD
The first contact holes 161 and 16 are formed by a method including E (Chemical Dry Etching) and a micro asher process.
The layered structure on the first insulating film 106 other than the material deposited in 1 'is removed, and the surface of the first insulating film 106 is flattened. In order to suppress the oxidation of the tungsten embedded in the first contact holes 161 and 161 ', a film having a thickness of 135 to 165n is formed on the first insulating film 106 as a protective film.
m of the intermediate insulating film 107 is formed. Intermediate insulating film 107
Is composed of a silicon nitride film (PCVD SiN) formed by a plasma CVD method and a silicon nitride film (LPCVD SiN) formed by a low pressure CVD method.

【0019】減圧CVD法により形成されたシリコン窒
化膜は、例えば、ジクロロシランとアンモニアを温度7
00〜780℃、圧力20〜100Paの条件で反応さ
せて第1の絶縁膜の上に堆積させる。プラズマCVD法
により形成されたシリコン窒化膜は、例えば、反応ガス
としてSiH4 −NH3 を用い、基板温度を200〜3
00℃程度、圧力を0.2Torr、成長速度を30n
m/minという条件で反応させて絶縁膜上に堆積され
る。
The silicon nitride film formed by the low-pressure CVD method is, for example, dichlorosilane and ammonia at a temperature of 7
Reaction is performed under the conditions of 00 to 780 ° C. and a pressure of 20 to 100 Pa to deposit on the first insulating film. The silicon nitride film formed by the plasma CVD method uses, for example, SiH 4 —NH 3 as a reaction gas and has a substrate temperature of 200 to 3 μm.
About 00 ° C, pressure 0.2 Torr, growth rate 30n
The reaction is performed under the condition of m / min, and is deposited on the insulating film.

【0020】ここで、図6及び図7を参照しながら中間
絶縁膜の詳細を説明する。図6は、コンタクト孔上に形
成された中間絶縁膜を有する半導体基板の断面図、図7
は、従来のコンタクト孔上に形成された中間絶縁膜を有
する半導体基板の断面図である。第1のコンタクト孔1
61は、前述のようにRIEエッチングとトレンチエッ
チングで形成され、その底部は半導体基板100に形成
された不純物拡散領域103の中に入り込んでいる。第
1の絶縁膜106は、殆どがBPSG膜106Aで構成
されているが、半導体基板100に接している部分はゲ
ート酸化膜と同じ酸化膜106Bから構成されている。
したがって、BPSG膜106A、酸化膜106B、不
純物拡散領域103のエッチングレートが異なるので深
さによってコンタクト孔の径が異なる。従来のエッチン
グ方法においてコンタクト孔断面は、図7に示すよう
に、不純物拡散領域3の部分、つまり底部付近が酸化膜
6Bの部分より広くなっている。この様な状態ではスパ
ッタリングで側壁や底部に付着されるバリアメタル層7
1Bは底部のコーナー近傍には形成されず、接続配線7
1のタングステン膜71A部分は直接半導体基板1に接
するようになっている。そのためタングステンの半導体
基板1への拡散が著しかった。
Here, the details of the intermediate insulating film will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate having an intermediate insulating film formed on a contact hole.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor substrate having an intermediate insulating film formed on a contact hole. First contact hole 1
61 is formed by the RIE etching and the trench etching as described above, and the bottom thereof enters the impurity diffusion region 103 formed in the semiconductor substrate 100. Most of the first insulating film 106 is composed of the BPSG film 106A, but a portion in contact with the semiconductor substrate 100 is composed of the same oxide film 106B as the gate oxide film.
Therefore, since the etching rates of the BPSG film 106A, the oxide film 106B, and the impurity diffusion region 103 are different, the diameter of the contact hole varies depending on the depth. In the conventional etching method, as shown in FIG. 7, the cross section of the contact hole is wider in the portion of the impurity diffusion region 3, that is, in the vicinity of the bottom than in the portion of the oxide film 6B. In such a state, the barrier metal layer 7 adhered to the side wall and the bottom by sputtering.
1B is not formed near the bottom corner, and the connection wiring 7B is not formed.
The portion of the tungsten film 71 </ b> A directly contacts the semiconductor substrate 1. Therefore, the diffusion of tungsten into the semiconductor substrate 1 was remarkable.

【0021】しかし、この実施例では、前述のように、
2 とCF4 との混合ガス(流量比1(O2 >CF4
以上)を用いてトレンチエッチングを行うことによりに
シリコンがオーバーエッチングされないので半導体基板
部分の底部近傍においてほぼ垂直な側壁が形成される。
したがって、第1の絶縁膜106の側壁は、BPSG膜
106A及び不純物拡散領域103の部分が実質的に垂
直であり、酸化膜106Bの存在する両者の間の部分が
傾斜しており、しかも底面コーナー部丸みを帯びて所定
のRを有する形状になる。コンタクト孔の内部形状がこ
のようになっていると、スパッタリングで行うバリアメ
タル材料が側壁全体に均一に堆積され、その結果バリア
メタル層171Bがタングステン膜171Aと半導体基
板100の不純物拡散領域103とを遮って両者が直接
接するようなことはなくなる。半導体基板上に薄膜を形
成するCVD法において、減圧CVD法は、反応室内を
減圧状態にして成膜する手段であり、成膜温度が700
〜780℃、成膜速度が0.8〜1.5nm/分の条件
で行い、プラズマCVD法は、反応室で低圧反応ガスの
プラズマを発生させ、プラズマ分解によりウェーハ上に
薄膜を形成する手段で200〜300℃程度で反応が行
われる。
However, in this embodiment, as described above,
Mixed gas of O 2 and CF 4 (flow ratio 1 (O 2 > CF 4 )
Since silicon is not over-etched by performing the trench etching using the above-described method, a substantially vertical side wall is formed near the bottom of the semiconductor substrate portion.
Therefore, in the side wall of the first insulating film 106, the portion of the BPSG film 106A and the impurity diffusion region 103 is substantially vertical, the portion between the two where the oxide film 106B exists is inclined, and the bottom corner is formed. It becomes round and has a shape having a predetermined radius. With such an internal shape of the contact hole, a barrier metal material to be sputtered is uniformly deposited on the entire side wall, and as a result, the barrier metal layer 171B is formed between the tungsten film 171A and the impurity diffusion region 103 of the semiconductor substrate 100. There is no longer any direct contact between them. In a CVD method for forming a thin film on a semiconductor substrate, a low-pressure CVD method is a means for forming a film in a reaction chamber under a reduced pressure, and the film formation temperature is 700
The plasma CVD method generates plasma of a low-pressure reaction gas in a reaction chamber and forms a thin film on a wafer by plasma decomposition. At about 200 to 300 ° C.

【0022】この第1のコンタクト孔161に接続配線
171を埋め込んでから第1の絶縁膜106に中間絶縁
膜107を形成する。中間絶縁膜107は、3層のCV
D膜からなり、第1層目は、膜厚が10〜20nm程度
の減圧CVD法により形成されたシリコン窒化膜(LP
CVDSiN)107A、第2層目は、膜厚が110〜
130nm程度のプラズマCVD法により形成されたシ
リコン窒化膜(PCVDSiN)107B、第3層目
は、膜厚が10〜20nm程度の減圧CVD法により形
成されたシリコン窒化膜(LPCVDSiN)107C
から構成されている。
After the connection wiring 171 is buried in the first contact hole 161, an intermediate insulating film 107 is formed on the first insulating film 106. The intermediate insulating film 107 has a three-layer CV
A first layer is a silicon nitride film (LP) having a thickness of about 10 to 20 nm formed by a low pressure CVD method.
(CVD SiN) 107A, the second layer has a thickness of 110 to
A silicon nitride film (PCVDSiN) 107B formed by a plasma CVD method with a thickness of about 130 nm, and a third layer is a silicon nitride film (LPCVDSiN) 107C formed by a low pressure CVD method with a thickness of about 10 to 20 nm.
It is composed of

【0023】さらに図8及び図9を加えて図1の説明を
続ける。図8は、コンタクト孔の上に形成された中間絶
縁膜上のキャパシタを有する半導体基板の断面図、図9
は、中間絶縁膜上のキャパシタを示す平面図である。中
間絶縁膜の上には強誘電体キャパシタCが形成されてい
る。この実施例では中間絶縁膜107の上にさらに中間
絶縁膜として減圧CVD法によるTEOS膜107Dを
形成する。勿論本発明ではこのような中間絶縁膜107
Dの存在は必須ではなくこれがなくても良い。中間絶縁
膜107Dは、減圧CVD法により形成されたTEOS
膜からなり、膜厚は200nm程度である。この実施例
ではこのTEOS膜107D上に直接キャパシタが搭載
されている。キャパシタCは、TEOS膜107Dに直
接接するPLにつながる下部電極191、強誘電体特性
を有する強誘電体からなる誘電体膜192及び上部電極
193が順次堆積された積層体から構成されている。
The description of FIG. 1 will be continued with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate having a capacitor on an intermediate insulating film formed on a contact hole.
FIG. 3 is a plan view showing a capacitor on an intermediate insulating film. A ferroelectric capacitor C is formed on the intermediate insulating film. In this embodiment, a TEOS film 107D is formed on the intermediate insulating film 107 as an intermediate insulating film by a low pressure CVD method. Of course, in the present invention, such an intermediate insulating film 107 is used.
The presence of D is not essential and may not be present. The intermediate insulating film 107D is made of TEOS formed by a low pressure CVD method.
It is made of a film and has a thickness of about 200 nm. In this embodiment, a capacitor is directly mounted on the TEOS film 107D. The capacitor C is composed of a laminated body in which a lower electrode 191 connected to the PL directly in contact with the TEOS film 107D, a dielectric film 192 made of a ferroelectric having ferroelectric properties, and an upper electrode 193 are sequentially deposited.

【0024】下部電極191は、例えば、スパッタリン
グなどで形成され、中間絶縁膜107Dに接触する膜厚
が20nm程度のTi膜191B及びTi膜191Bの
上に形成された膜厚が175nm程度のPt膜191A
から構成されている。強誘電体膜192は、例えば、P
ZT膜もしくはタンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビス
マス(SBT:SrBi2 (Nb,Ta)2 9 )膜な
どからなり、ゾル・ゲル法、スパッタリング法、MOC
VD法等を用いて形成される。強誘電体膜192の膜厚
は、240nm程度である。上部電極193は、膜厚1
75nm程度のPt膜から構成され、スパタリング法に
より形成されている。これらキャパシタを構成する積層
体は、順次パターニングされ、キャパシタ構造に整形さ
れる。上部電極193は、強誘電体膜192より面積が
小さく、この上部電極193を被覆するように強誘電体
膜192上に強誘電体膜と同じ材料からなる保護膜19
4が形成されている。この保護膜194により強誘電体
膜192の製造中であっても製造後であっても強誘電体
特性が安定した状態で存在する。キャパシタCを被覆す
るように中間絶縁膜107、107Dの上に第2の絶縁
膜108が形成されている。第2の絶縁膜108は、プ
ラズマCVD法により形成されたTEOS膜からなり、
膜厚は、1200nm程度である。
The lower electrode 191 is formed by, for example, sputtering or the like, and is a Ti film 191B having a thickness of about 20 nm in contact with the intermediate insulating film 107D and a Pt film having a thickness of about 175 nm formed on the Ti film 191B. 191A
It is composed of The ferroelectric film 192 is made of, for example, P
ZT film or strontium bismuth tantalate niobate (SBT: SrBi 2 (Nb, Ta) 2 O 9 ) film, etc.
It is formed using a VD method or the like. The thickness of the ferroelectric film 192 is about 240 nm. The upper electrode 193 has a thickness of 1
It is composed of a Pt film of about 75 nm, and is formed by a sputtering method. The laminates forming these capacitors are sequentially patterned and shaped into a capacitor structure. The upper electrode 193 has a smaller area than the ferroelectric film 192, and the protective film 19 made of the same material as the ferroelectric film is formed on the ferroelectric film 192 so as to cover the upper electrode 193.
4 are formed. Due to the protective film 194, the ferroelectric film 192 exists in a stable state even during or after the manufacture of the ferroelectric film 192. A second insulating film 108 is formed on intermediate insulating films 107 and 107D so as to cover capacitor C. The second insulating film 108 is made of a TEOS film formed by a plasma CVD method,
The thickness is about 1200 nm.

【0025】第2の絶縁膜8は、CMPなどにより研磨
されて平坦化される。この第2の絶縁膜108と中間絶
縁膜107、107Dは、まず、C4 8 +CO+Ar
の混合ガスを使用して第2の絶縁膜108をトレンチエ
ッチングを行って開口部を形成し、ついで連続的にRI
Eエッチングを行って第2のコンタクト孔162、16
2′を形成する。その後第2のコンタクト孔162、1
62′内に膜厚40nmのTi膜、膜厚60nmのTi
N膜を高融点スパッタリングで被覆し、さらにTiN膜
の上にタングステン膜を堆積させて接続配線172、1
72′を形成する。第2の絶縁膜108は、平坦化さ
れ、その膜厚が1200nm程度であるので、第2のコ
ンタクト孔162、162′の高さもこれと同じであ
る。これら第2のコンタクト孔162、162′は、そ
れぞれ第1のコンタクト孔161、161′に繋がり、
埋め込まれた配線172、172′も配線171、17
1′に接続されている。第2の絶縁膜108上には配線
110、110′が形成されている。第2の絶縁膜10
8にTi膜、TiN膜、Al膜及びTiN膜を順次堆積
させ、これをパターニングして下層バリアメタル層(T
i膜/TiN膜)/Al膜/上層バリアメタル層(Ti
N膜)から構成された配線110、110′が形成され
る。この配線110、110′は、半導体基板1上の第
1層目のアルミニウム配線(1Al)である。配線11
0、110′を被覆するように第2の絶縁膜108の上
に第3の絶縁膜109が形成されている。第3の絶縁膜
109は、プラズマCVD法により形成されたTEOS
膜からなり、その膜厚は1240nm程度である。
The second insulating film 8 is polished and flattened by CMP or the like. The second insulating film 108 and the intermediate insulating films 107 and 107D are first formed of C 4 F 8 + CO + Ar
The opening is formed by performing trench etching on the second insulating film 108 using a mixed gas of
E etching is performed to form the second contact holes 162, 16
Form 2 '. Then, the second contact holes 162, 1
A Ti film having a thickness of 40 nm and a Ti film having a thickness of 60 nm
The N film is coated by high melting point sputtering, and a tungsten film is further deposited on the TiN film to form connection wirings 172, 1
72 'is formed. Since the second insulating film 108 is flattened and has a thickness of about 1200 nm, the heights of the second contact holes 162 and 162 'are the same. These second contact holes 162 and 162 'are connected to the first contact holes 161 and 161', respectively.
The embedded wirings 172, 172 'are also wirings 171, 17
1 '. Wirings 110 and 110 'are formed on the second insulating film 108. Second insulating film 10
8, a Ti film, a TiN film, an Al film and a TiN film are sequentially deposited, and are patterned to form a lower barrier metal layer (T
i film / TiN film) / Al film / upper barrier metal layer (Ti
Wirings 110 and 110 'composed of N film) are formed. The wirings 110 and 110 ′ are the first-layer aluminum wiring (1Al) on the semiconductor substrate 1. Wiring 11
A third insulating film 109 is formed on the second insulating film 108 so as to cover 0 and 110 '. The third insulating film 109 is made of TEOS formed by a plasma CVD method.
It is made of a film, and its thickness is about 1240 nm.

【0026】第3の絶縁膜109は、CMPなどにより
研磨されて平坦化される。第3の絶縁膜109は、エッ
チングされてその表面から配線110、110′の上面
に至る第3のコンタクト孔111、111′が形成され
る。平坦化された第3の絶縁膜9の膜厚が1240nm
であり、配線110、110′の膜厚が520nm程度
であるので、第3のコンタクト孔111、111′の高
さは、720nm程度である。第3のコンタクト孔11
1、111′に埋め込まれている配線112、112′
は、それぞれ配線110、110′を介して接続配線1
72、172′に接続されている。接続配線112、1
12′は、第3のコンタクト孔111、111′に形成
されたタングステン膜から構成されている。また第3の
絶縁膜109上には配線113、113′が形成されて
いる。第3の絶縁膜109にTi膜、TiN膜、Al膜
及びTiN膜を順次堆積させ、これをパターニングして
下層バリアメタル層(Ti膜/TiN膜)/Al膜/上
層バリアメタル層(TiN膜)から構成された配線11
3、113′が形成される。この配線113、113′
は、半導体基板1上の第2層目のアルミニウム配線(2
Al)である。配線113、113′を被覆するように
第3の絶縁膜109上にプラズマCVD法により形成さ
れたシリコン窒化膜などの保護絶縁膜114で被覆され
ている。配線113は、キャパシタCの上部電極93に
接続され、配線113′は、ビット線(BL)に接続さ
れている。
The third insulating film 109 is polished and flattened by CMP or the like. The third insulating film 109 is etched to form third contact holes 111 and 111 'extending from the surface to the upper surfaces of the wirings 110 and 110'. The thickness of the planarized third insulating film 9 is 1240 nm.
Since the thickness of the wirings 110 and 110 'is about 520 nm, the height of the third contact holes 111 and 111' is about 720 nm. Third contact hole 11
Wirings 112, 112 'embedded in 1, 111'
Are connected wiring 1 via wirings 110 and 110 ', respectively.
72, 172 '. Connection wiring 112, 1
Reference numeral 12 'denotes a tungsten film formed in the third contact holes 111 and 111'. Further, wirings 113 and 113 'are formed on the third insulating film 109. A Ti film, a TiN film, an Al film, and a TiN film are sequentially deposited on the third insulating film 109 and are patterned to form a lower barrier metal layer (Ti film / TiN film) / Al film / upper barrier metal layer (TiN film). ) Composed of wiring 11
3, 113 'are formed. These wirings 113, 113 '
Are the second-layer aluminum wirings (2
Al). The third insulating film 109 is covered with a protective insulating film 114 such as a silicon nitride film formed by a plasma CVD method so as to cover the wirings 113 and 113 '. The wiring 113 is connected to the upper electrode 93 of the capacitor C, and the wiring 113 'is connected to the bit line (BL).

【0027】第1のコンタクト孔を形成するための前記
エッチングガスを用いるとコンタクト孔の底面コーナー
エッジ部分の角張った形状が丸みを帯びてアール(R)
を有する形状になりバリアメタル層のカバレッジが向上
する。また、従来減圧CVD法により形成したシリコン
窒化膜に加えてプラズマCVD法により形成したシリコ
ン窒化膜を用いて3層構造にすることにより、熱的スト
レスの影響で第1のコンタクト孔の底面コーナーエッジ
部分におけるタングステンのバリアメタル層の突き抜け
を抑制することができる。
When the etching gas for forming the first contact hole is used, the angular shape of the bottom corner edge portion of the contact hole is rounded and R (R) is used.
And the coverage of the barrier metal layer is improved. In addition, by forming a three-layer structure using a silicon nitride film formed by a plasma CVD method in addition to a silicon nitride film formed by a conventional low pressure CVD method, the bottom corner edge of the first contact hole is affected by thermal stress. It is possible to suppress penetration of the tungsten barrier metal layer in the portion.

【0028】ここで、図10を参照して第2のコンタク
ト孔を形成する工程を説明する。第2のコンタクト孔1
62をRIEによりエッチングする工程において、第2
の絶縁膜(TEOS膜)108と中間絶縁膜(シリコン
窒化膜)107とのエッチング選択比が10以上あるの
で、はじめのトレンチエッチングでは逆テーパを形成し
ながらエッチングが進み、中間絶縁膜107表面もしく
はその中でエッチングが終点する。次に、この中間絶縁
膜をRIEエッチングを行うと、第1のコンタクト孔表
面のタングステン界面でエッチングが終点する。逆テー
パ状にエッチングされるので、第1のコンタクト孔とに
合わせずれが生じてもエッチングされる第2のコンタク
ト孔162の先端は、第1のコンタクト孔161の側壁
にいずれかの部分に突き当たるので、第2のコンタクト
孔162が半導体基板100内にまで掘られることはな
い。したがって、第2の絶縁膜108と中間絶縁膜10
7の膜厚管理を十分行えば容易に連続反応性エッチング
が可能になる。また第1のコンタクト孔161と第2の
コンタクト孔162とのレティクル合せずれが発生した
状態でも連続反応性イオンエッチングは、第1の絶縁膜
106のBPSG膜中に終点させるようにエッチング時
間の制御をすることも可能になる。
Here, the step of forming the second contact hole will be described with reference to FIG. Second contact hole 1
62 is etched by RIE.
Since the etching selectivity between the insulating film (TEOS film) 108 and the intermediate insulating film (silicon nitride film) 107 is 10 or more, in the first trench etching, the etching proceeds while forming a reverse taper, and the surface of the intermediate insulating film 107 or Etching ends in that. Next, when this intermediate insulating film is subjected to RIE etching, the etching ends at the tungsten interface on the surface of the first contact hole. Since the second contact hole 162 is etched in a reverse taper shape, the tip of the second contact hole 162 that is etched even if misalignment occurs with the first contact hole abuts any part on the side wall of the first contact hole 161. Therefore, the second contact hole 162 is not dug into the semiconductor substrate 100. Therefore, the second insulating film 108 and the intermediate insulating film 10
If the film thickness control of 7 is sufficiently performed, continuous reactive etching can be easily performed. Further, even when the reticle misalignment between the first contact hole 161 and the second contact hole 162 occurs, the continuous reactive ion etching controls the etching time so as to end in the BPSG film of the first insulating film 106. It is also possible to do.

【0029】減圧CVD法により形成したシリコン窒化
膜の上にプラズマCVD法によるTEOS膜(以下、P
TEOS膜という)及び下部電極を堆積したものにFR
AMキャパシタの強誘電体膜を堆積し、加工してキャパ
シタを形成した場合を仮定する。この後強誘電体膜は、
通常結晶構造を安定化させるために熱処理を加える。熱
処理は、650℃×60分、O2 雰囲気中で行う熱工程
と、650℃×5秒→850℃×5秒、O2 雰囲気中の
工程を行う。ところが、PTEOS膜とTi膜とは熱膨
張の差が大きいので、PTEOS膜とTi膜の界面で膜
剥がれ、白濁などが発生する。また、シリコン窒化膜の
上にTi膜とその上のPt膜からなる下部電極を成膜
し、FRAMキャパシタの強誘電体膜を堆積し、加工し
たあとの前記酸素雰囲気中熱処理を加えると、ウェーハ
内の温度分布の違いから、熱応力転位が発生する。この
実施例では、熱膨脹がTi膜に近いLPTEOS膜を下
部電極と中間絶縁膜との間に介在させることによってそ
の膜剥がれや白濁が生じることの少ないようにしてい
る。
On a silicon nitride film formed by a low pressure CVD method, a TEOS film (hereinafter referred to as P
TEOS film) and FR
It is assumed that a capacitor is formed by depositing and processing a ferroelectric film of an AM capacitor. After this, the ferroelectric film
Usually, heat treatment is applied to stabilize the crystal structure. The heat treatment includes a heating step performed at 650 ° C. × 60 minutes in an O 2 atmosphere and a step performed at 650 ° C. × 5 seconds → 850 ° C. × 5 seconds in an O 2 atmosphere. However, since the difference in thermal expansion between the PTEOS film and the Ti film is large, film peeling occurs at the interface between the PTEOS film and the Ti film, and cloudiness occurs. Further, a lower electrode composed of a Ti film and a Pt film thereon is formed on a silicon nitride film, and a ferroelectric film of an FRAM capacitor is deposited and processed. Thermal stress dislocations occur due to the difference in temperature distribution in the inside. In this embodiment, the thermal expansion causes the LPTEOS film close to the Ti film to be interposed between the lower electrode and the intermediate insulating film, so that peeling or clouding of the film is less likely to occur.

【0030】さらに、例えば、PZTからなる強誘電体
膜を堆積し加工した直後に行う熱処理では、強誘電体膜
に含まれる鉛が下部電極とLPTEOS膜との界面に侵
入し酸素と反応して鉛ガラス(PbO・SiO2 )を生
成し、この鉛ガラスが膜剥がれなどの膜質劣化を起こす
ことがある。このため、この実施例においては、LPT
EOS膜の成膜後に、例えば、700℃×30分程度の
水素燃焼の熱酸化工程を追加してLPTEOS膜の膜質
を向上させ、下部電極の配向性を良くさせることができ
る。これは、鉛ガラスが下部電極の膜下方向に侵入する
のを阻止する作用を奏するチタンシリサイド膜がLPT
EOS膜とTi膜との界面に生成するためである。プラ
ズマCVD法は、低温で処理するので、第1のコンタク
ト孔に形成されたバリアメタル層を破壊することなくな
り、また、タングステンなどの接続配線の拡散を活性化
することがない。また、減圧CVD法によるTEOS膜
上に、Ti膜を堆積する膜質向上につながり、キャパシ
タが安定してその電気的特性を損なうことがない。さら
に減圧CVD法によるTEOS膜は、配向性良く形成す
ることができ、その上のTi膜の配向性を良くすること
ができるので、下部電極上の強誘電体膜の配向性を良く
することができる。
Further, for example, in a heat treatment performed immediately after depositing and processing a ferroelectric film made of PZT, lead contained in the ferroelectric film penetrates the interface between the lower electrode and the LPTEOS film and reacts with oxygen. Lead glass (PbO.SiO 2 ) is generated, and this lead glass may cause film quality deterioration such as film peeling. Therefore, in this embodiment, the LPT
After the formation of the EOS film, for example, a thermal oxidation step of hydrogen combustion at about 700 ° C. for about 30 minutes is added to improve the film quality of the LPTEOS film and improve the orientation of the lower electrode. This is because the titanium silicide film, which acts to prevent the lead glass from penetrating below the lower electrode, is formed by the LPT.
This is because it is generated at the interface between the EOS film and the Ti film. Since the plasma CVD process is performed at a low temperature, the barrier metal layer formed in the first contact hole is not broken, and the diffusion of connection wiring such as tungsten is not activated. Further, the quality of the film for depositing a Ti film on the TEOS film by the low pressure CVD method is improved, and the electric characteristics of the capacitor are not stably deteriorated. Further, the TEOS film formed by the low pressure CVD method can be formed with good orientation, and the orientation of the Ti film thereon can be improved. it can.

【0031】次に、図11を参照して第2の実施例を説
明する。この実施例では半導体記憶装置の第1のコンタ
クト孔及びその中に埋め込まれる接続配線を形成する方
法に特徴があり、図11は、第1のコンタクト孔が示さ
れた半導体基板を示す製造工程の断面図である。第1の
コンタクト孔の上に形成される中間絶縁膜、第2の絶縁
膜及び第2のコンタクト孔等の構造は、第1の実施例と
同じであるので説明を省略する。例えば、p型シリコン
半導体などからなる半導体基板200にはLOCOSに
よるSiO2 から構成された素子分離領域が形成されて
いる。半導体基板200の表面領域にはソース/ドレイ
ン領域として用いられるn型不純物拡散領域203が形
成されている。ソース/ドレイン領域間の上にはゲート
酸化膜(SiO2 )を介してゲート電極が形成されてい
る。ゲート電極は、例えば、ポリシリコン膜とポリシリ
コン膜上のタングステンシリサイド膜からなり、このシ
リサイド膜上面は、シリコン窒化膜により保護されてい
る。半導体基板200は、ゲート電極を覆うように、減
圧CVD法によるBPSG膜を有する第1の絶縁膜(層
間絶縁膜)206により被覆されている。第1の絶縁膜
206は、CMPにより研磨されて平坦化される。次
に、この第1の絶縁膜206の上に膜厚100nm程度
の薄いプラズマCVD法によるTEOS膜207を形成
する。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. This embodiment is characterized by a method of forming a first contact hole of a semiconductor memory device and a connection wiring embedded in the first contact hole. FIG. 11 shows a manufacturing process of a semiconductor substrate showing the first contact hole. It is sectional drawing. The structures of the intermediate insulating film, the second insulating film, the second contact hole, and the like formed on the first contact hole are the same as those of the first embodiment, and therefore the description is omitted. For example, an element isolation region composed of SiO 2 by LOCOS is formed on a semiconductor substrate 200 made of a p-type silicon semiconductor or the like. In the surface region of the semiconductor substrate 200, an n-type impurity diffusion region 203 used as a source / drain region is formed. A gate electrode is formed above the source / drain region via a gate oxide film (SiO 2 ). The gate electrode is composed of, for example, a polysilicon film and a tungsten silicide film on the polysilicon film, and the upper surface of the silicide film is protected by a silicon nitride film. The semiconductor substrate 200 is covered with a first insulating film (interlayer insulating film) 206 having a BPSG film by a low pressure CVD method so as to cover the gate electrode. The first insulating film 206 is polished and flattened by CMP. Next, a TEOS film 207 having a thickness of about 100 nm is formed on the first insulating film 206 by a plasma CVD method.

【0032】このプラズマCVD法によるTEOS膜2
07及び第1の絶縁膜206に第1のコンタクト孔26
1が形成される。まず、CHF3 +O2 +COからなる
混合ガスを使用してプラズマCVD法によるTEOS膜
及び減圧CVD法によるBPSG膜表面がRIEエッチ
ングされ、ついで、O2 とCF4 との混合ガス(流量比
1以上)によりRIEエッチングで開口した部分にさら
にトレンチエッチングを施して垂直な側壁を有する第1
のコンタクト孔261が形成される。第1のコンタクト
孔261は、半導体基板100の不純物拡散領域203
にその底面が配置されている。次に、第1のコンタクト
孔261内も含めて第1の絶縁膜206及びプラズマC
VD法によるTEOS膜207上に膜厚40nm程度の
Ti膜及び膜厚60nm程度のTiN膜からなるバリア
メタル層271Bを順次高融点ロングスパッタリングな
どで堆積し、その上に膜厚620nm程度のタングステ
ン膜271Aを堆積させる。その後、これら積層体をC
MP法などにより研磨して不要な積層体材料を除去して
いく。そして、第1のコンタクト孔261内に堆積した
材料を残し、それ以外のプラズマCVD法によるTEO
S膜207上の積層体材料を除去する。
The TEOS film 2 by this plasma CVD method
07 and a first contact hole 26 in the first insulating film 206.
1 is formed. First, a TEOS film by plasma CVD and a BPSG film surface by low pressure CVD are subjected to RIE etching using a mixed gas of CHF 3 + O 2 + CO, and then a mixed gas of O 2 and CF 4 (flow rate ratio of 1 or more). ), Trench etching is further performed on the portion opened by RIE etching to form a first portion having vertical side walls.
Contact hole 261 is formed. The first contact hole 261 is formed in the impurity diffusion region 203 of the semiconductor substrate 100.
The bottom surface is arranged. Next, the first insulating film 206 including the inside of the first contact hole 261 and the plasma C
A barrier metal layer 271B composed of a Ti film having a thickness of about 40 nm and a TiN film having a thickness of about 60 nm is sequentially deposited on the TEOS film 207 by the VD method by high melting point long sputtering or the like, and a tungsten film having a thickness of about 620 nm is formed thereon. 271A is deposited. Then, these laminates are
Polishing is performed by an MP method or the like to remove unnecessary laminate material. Then, the material deposited in the first contact hole 261 is left, and TEO by the other plasma CVD method is used.
The laminate material on the S film 207 is removed.

【0033】プラズマCVD法によるTEOS膜は、減
圧CVD法によるBPSG膜より研磨速度が十分小さい
ので、オーバーポリッシングにより減圧CVD法による
BPSG膜を研磨して、例えば、半導体素子分離領域上
に形成されたゲート電極を傷付けるような従来良く発生
した現象を抑制することができる。この様に、第1のコ
ンタクト孔261には、Ti膜とTiN膜からなる27
1B及びタングステン膜271Aから構成された接続配
線271が埋め込まれている。これ以降の工程、第1の
コンタクト孔の上に形成される中間絶縁膜、第2の絶縁
膜及び第2のコンタクト孔等の形成は、第1の実施例と
同じであるので説明を省略する。この実施例において
も、第1及び第2のコンタクト孔が形成された絶縁膜間
に挿入され、コンタクト孔をエッチングする際のマスク
に用いられる中間絶縁膜として減圧CVD法により形成
されたシリコン窒化膜とプラズマCVD法により形成さ
れたシリコン窒化膜とから構成された絶縁膜を用いるこ
とを特徴としているる。プラズマCVD法は、低温で処
理するので第1のコンタクト孔に形成されたバリアメタ
ル層を破壊することがなくなり、またタングステンなど
の接続配線の拡散を活性化することがない。
Since the TEOS film formed by the plasma CVD method has a sufficiently lower polishing rate than the BPSG film formed by the low pressure CVD method, the BPSG film formed by the low pressure CVD method is polished by over polishing to form, for example, a semiconductor element isolation region. It is possible to suppress a phenomenon that has conventionally occurred well, such as damaging the gate electrode. As described above, the first contact hole 261 is made of a Ti film and a TiN film.
1B and a connection wiring 271 composed of a tungsten film 271A is embedded. Subsequent steps and the formation of an intermediate insulating film, a second insulating film, a second contact hole, and the like formed on the first contact hole are the same as those in the first embodiment, and therefore description thereof is omitted. . Also in this embodiment, a silicon nitride film formed by a low pressure CVD method as an intermediate insulating film inserted between the insulating films in which the first and second contact holes are formed and used as a mask when etching the contact holes. And an insulating film composed of a silicon nitride film formed by a plasma CVD method. Since plasma CVD is performed at a low temperature, the barrier metal layer formed in the first contact hole is not broken, and the diffusion of connection wiring such as tungsten is not activated.

【0034】以上、本発明は、2段構造のコンタクト孔
の中間に表面酸化を抑制する目的で挿入された中間絶縁
膜の構造に関するので、メモリ、ロジックなどどの様な
半導体装置にも適用することができる。とくに不揮発性
強誘電体メモリ(FRAM)などの強誘電体特性を有す
る強誘電体膜を備えた半導体装置に適用することが最適
である。以下、図2乃至図5を参照して第1及び第2の
実施例で説明した半導体記憶装置、すなわち、FRAM
についてその動作を説明する。図2は、強誘電体膜の印
加電圧/分極特性を示すヒステリシス特性図、図3は、
FRAMセルとして好ましくない状態のヒステリシス特
性図、図4は、FRAMの書き込み動作を説明するFR
AMセルの回路図、図5は、FRAMセルの書き込み時
のプレート電極PLの電位変化図である。図2にPZT
膜等の強誘電体薄膜の印加電圧/分極特性を示す。強誘
電体薄膜は図2に示すようにヒステリシス特性を有す
る。そして、電圧を印加しない状態すなわちV=0
(V)の状態での残留分極Prが「正」であるか「負」
であるかによって、データを記憶することができる。
As described above, the present invention relates to the structure of an intermediate insulating film inserted in the middle of a contact hole having a two-stage structure for the purpose of suppressing surface oxidation, so that it can be applied to any semiconductor device such as a memory and a logic. Can be. Particularly, it is optimal to apply the present invention to a semiconductor device having a ferroelectric film having ferroelectric characteristics, such as a nonvolatile ferroelectric memory (FRAM). Hereinafter, the semiconductor memory device described in the first and second embodiments with reference to FIGS.
The operation will be described below. FIG. 2 is a hysteresis characteristic diagram showing an applied voltage / polarization characteristic of the ferroelectric film, and FIG.
FIG. 4 is a graph showing a hysteresis characteristic in an unfavorable state as an FRAM cell.
FIG. 5 is a circuit diagram of the AM cell, and FIG. 5 is a potential change diagram of the plate electrode PL at the time of writing in the FRAM cell. Figure 2 shows PZT
4 shows applied voltage / polarization characteristics of a ferroelectric thin film such as a film. The ferroelectric thin film has a hysteresis characteristic as shown in FIG. Then, a state where no voltage is applied, that is, V = 0
The remanent polarization Pr in the state (V) is “positive” or “negative”
, The data can be stored.

【0035】図3は、FRAMの強誘電体メモリセルと
しては好ましくないヒステリシス特性である。すなわ
ち、残留分極Prが非常に小さく、その結果、センスア
ンプによる読み出しマージンが低下する、外部からの撹
乱により容易にデータが消失してしまう等の問題が存在
する。図3に示す特性は、80℃の高温状態でのヒステ
リシス特性である。続いて、図4、図5を用いて強誘電
体薄膜を用いたメモリセルの書き込み動作を説明する。
FRAMセルを用いた不揮発性強誘電体メモリは、2つ
のMOSトランジスタQ1、Q2と強誘電体キャパシタ
C1、C2により一つのメモリセルを構成する。そし
て、図4(a)の状態、すなわちキャパシタC1には図
中上向きの矢印に示すように上方向の分極(以下、正分
極と称する)が、キャパシタC2には図中下向きの矢印
に示すように下方向の分極(以下、負分極と称する)が
現れている状態を“1”と定義し、図4(b)の状態、
即ちキャパシタC1には負分極が、キャパシタC2には
正分極が現れている状態を“0”と定義する。
FIG. 3 shows hysteresis characteristics which are not preferable for the ferroelectric memory cell of the FRAM. In other words, there is a problem that the remanent polarization Pr is very small, and as a result, a read margin by the sense amplifier is reduced, and data is easily lost due to external disturbance. The characteristic shown in FIG. 3 is a hysteresis characteristic at a high temperature of 80 ° C. Next, a write operation of a memory cell using a ferroelectric thin film will be described with reference to FIGS.
In a nonvolatile ferroelectric memory using FRAM cells, one memory cell is composed of two MOS transistors Q1 and Q2 and ferroelectric capacitors C1 and C2. 4 (a), that is, the capacitor C1 has an upward polarization (hereinafter referred to as positive polarization) as shown by an upward arrow in the figure, and the capacitor C2 has a downward polarization as shown by an arrow in the figure. Is defined as "1" when a downward polarization (hereinafter referred to as negative polarization) appears in FIG.
That is, a state in which negative polarization appears in the capacitor C1 and positive polarization appears in the capacitor C2 is defined as "0".

【0036】(“1”書き込み動作)以下、メモリセル
に“1”を書き込む場合のステップを示す。まず、ビッ
ト線BLに5Vを印加し、ビット線 /BL(「 /」は反
転信号を表わす、以下、同じ)には0Vを印加する。そ
してワード線WLには7Vを印加しプレート電極PLに
は0Vを印加する。この状態は、キャパシタC1が図2
のaの状態であり、キャパシタC2が図2のbの状態に
ある。続いて、PLを5Vにする。この結果、キャパシ
タC1は、図2のbの状態になり、キャパシタC2は図
2のcの状態になる。続いて、PLを0Vにする。この
結果、キャパシタC1は、図2のaの状態になり、キャ
パシタC2は図2のdの状態になる。図5に書き込み時
のプレート電極PLの電位(VPL)の変化を示す。以上
のようにして、図4(a)の状態、すなわちキャパシタ
C1には正分極が現れ、キャパシタC2には負分極が現
れて“1”書き込みが実現される。
("1" Write Operation) Hereinafter, steps for writing "1" to a memory cell will be described. First, 5 V is applied to the bit line BL, and 0 V is applied to the bit line / BL ("/" indicates an inverted signal; the same applies hereinafter). Then, 7 V is applied to the word line WL, and 0 V is applied to the plate electrode PL. In this state, the capacitor C 1
2A, and the capacitor C2 is in the state of FIG. 2B. Subsequently, PL is set to 5V. As a result, the capacitor C1 is in the state shown in FIG. 2B, and the capacitor C2 is in the state shown in FIG. 2C. Subsequently, PL is set to 0V. As a result, the capacitor C1 is in the state shown in FIG. 2A, and the capacitor C2 is in the state shown in FIG. FIG. 5 shows a change in the potential (VPL) of the plate electrode PL during writing. As described above, the state shown in FIG. 4A, that is, the positive polarization appears in the capacitor C1, and the negative polarization appears in the capacitor C2, and "1" writing is realized.

【0037】(“0”書き込み動作)以下、メモリセル
に“0”を書き込む場合のステップを示す。まず、ビッ
ト線BLに0Vを印加し、ビット線 /BLには5Vを印
加する。そしてワード線WLには7Vを印加し、プレー
ト電極PLには0Vを印加する。この状態では、キャパ
シタC1が図2のbの状態にあり、キャパシタC2が図
2ののaの状態にある。続いて、PLを5Vにする。こ
の結果、キャパシタC1は、図2のcの状態になり、キ
ャパシタC2は、図2のbの状態になる。続いて、PL
を0Vにする。この結果、キャパシタC1は、図2のd
の状態になり、キャパシタC2は、図2のaの状態にな
る。以上のようにして、図4(b)の状態、すなわちキ
ャパシタC1には負分極が現れ、キャパシタC2には正
分極が現れて“0”書き込みが実現される。以上のよう
なFRAMは、消費電力が僅少のためRFIDなどの無
電源ID装置等に用いられる。
("0" Write Operation) Hereinafter, steps for writing "0" to a memory cell will be described. First, 0 V is applied to the bit line BL, and 5 V is applied to the bit line / BL. Then, 7 V is applied to the word line WL, and 0 V is applied to the plate electrode PL. In this state, the capacitor C1 is in the state shown in FIG. 2B, and the capacitor C2 is in the state shown in FIG. Subsequently, PL is set to 5V. As a result, the capacitor C1 is in the state of FIG. 2C, and the capacitor C2 is in the state of FIG. 2B. Then, PL
To 0V. As a result, the capacitor C1 is connected to d in FIG.
And the capacitor C2 is in the state of FIG. As described above, the state shown in FIG. 4B, that is, the negative polarization appears in the capacitor C1, and the positive polarization appears in the capacitor C2, and "0" writing is realized. The FRAM as described above is used for a non-power-supply ID device such as an RFID because the power consumption is very small.

【0038】[0038]

【発明の効果】プラズマCVD法は、低温で処理するの
で第1のコンタクト孔に形成されたバリアメタル層を破
壊することなくなり、さらにタングステンなどの接続配
線の拡散を活性化することがない。また、減圧CVD法
によるTEOS膜は、Ti膜やPt膜とのなじみが良い
のでこの様なTEOS膜を中間絶縁膜上に堆積させる
と、キャパシタが安定してその電気的特性を損なうこと
がないので電気的特性の安定した半導体記憶装置及びそ
の製造方法を得ることができる。
According to the plasma CVD method, since the processing is performed at a low temperature, the barrier metal layer formed in the first contact hole is not broken, and the diffusion of the connection wiring such as tungsten is not activated. In addition, since the TEOS film formed by the low pressure CVD method has good compatibility with the Ti film and the Pt film, when such a TEOS film is deposited on the intermediate insulating film, the capacitor is stabilized and the electric characteristics thereof are not impaired. Therefore, a semiconductor memory device having stable electric characteristics and a method for manufacturing the same can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の半導体記憶装置の断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor memory device of the present invention.

【図2】強誘電体膜の印加電圧/分極特性を示すヒステ
リシス特性図。
FIG. 2 is a hysteresis characteristic diagram showing an applied voltage / polarization characteristic of a ferroelectric film.

【図3】FRAMセルとして好ましくない状態のヒステ
リシス特性図。
FIG. 3 is a hysteresis characteristic diagram in a state unfavorable as an FRAM cell.

【図4】FRAMの書き込み動作を説明するFRAMセ
ルの回路図。
FIG. 4 is a circuit diagram of an FRAM cell illustrating a writing operation of the FRAM.

【図5】FRAMセルの書き込み時のプレート電極PL
の電位変化図。
FIG. 5 shows a plate electrode PL at the time of writing in an FRAM cell;
FIG.

【図6】図1に示された半導体基板の拡大部分断面図。FIG. 6 is an enlarged partial sectional view of the semiconductor substrate shown in FIG. 1;

【図7】図6を比較する従来の半導体基板の断面図。FIG. 7 is a sectional view of a conventional semiconductor substrate comparing FIG. 6;

【図8】図1に示されたキャパシタの拡大断面図。FIG. 8 is an enlarged sectional view of the capacitor shown in FIG. 1;

【図9】図8に示されたキャパシタの平面図。FIG. 9 is a plan view of the capacitor shown in FIG. 8;

【図10】第1の実施例における第2のコンタクト孔の
製造工程を説明する半導体基板の断面図。
FIG. 10 is a cross-sectional view of the semiconductor substrate illustrating a manufacturing process of a second contact hole in the first embodiment.

【図11】第2の実施例の第1のコンタクト孔に接続配
線を埋め込む工程を説明する半導体基板の断面図。
FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate illustrating a step of embedding a connection wiring in a first contact hole of the second embodiment.

【図12】従来の半導体記憶装置の断面図。FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor memory device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、100、200・・・半導体基板、 2、102・
・・素子分離領域、3、103、203・・・不純物拡
散領域(ソース/ドレイン領域)、4、104・・・ゲ
ート酸化膜、 5、105・・・ゲート電極、6、1
06、206・・・第1の絶縁膜(層間絶縁膜)、7、
107・・・中間絶縁膜、 8、108・・・第2の
絶縁膜、9、109・・・第3の絶縁膜、 10、1
0′、13、13′、110、110′、113、11
3′・・・配線、11、11′、111、111′・・
・第3のコンタクト孔、12、12′、71、71′、
72、72′、112、112′、171、171′、
172、172′、271・・・接続配線、14、11
4・・・保護絶縁膜、61、61′、161、16
1′、261・・・第1のコンタクト孔、62、6
2′、162、162′・・・第2のコンタクト孔、7
1A、171A、271A・・・タングステン(W)
膜、71B、171B、271B・・・バリアメタル
層、91、191・・・下部電極、 92、192・
・・強誘電体膜、93、193・・・上部電極、107
A、107C・・・減圧CVD法により形成されたシリ
コン窒化膜、107B・・・プラズマCVD法により形
成されたシリコン窒化膜、107D・・・中間絶縁膜
(減圧CVD法によるTEOS膜)、191A・・・P
t膜、 191B・・・Ti膜、 194・・・保護
膜。
1, 100, 200 ... semiconductor substrate, 2, 102
..Element isolation region, 3, 103, 203 ... impurity diffusion region (source / drain region), 4, 104 ... gate oxide film, 5, 105 ... gate electrode, 6, 1
06, 206... First insulating film (interlayer insulating film), 7,
107: intermediate insulating film, 8, 108: second insulating film, 9, 109: third insulating film, 10, 1
0 ', 13, 13', 110, 110 ', 113, 11
3 '... Wiring, 11, 11', 111, 111 ',.
A third contact hole, 12, 12 ', 71, 71',
72, 72 ', 112, 112', 171, 171 ',
172, 172 ', 271 ... connection wiring, 14, 11
4 ... Protective insulating film, 61, 61 ', 161, 16
1 ′, 261... First contact hole, 62, 6
2 ', 162, 162' ... second contact hole, 7
1A, 171A, 271A ... tungsten (W)
Film, 71B, 171B, 271B ... barrier metal layer, 91, 191 ... lower electrode, 92, 192
..Ferroelectric film, 93, 193... Upper electrode, 107
A, 107C: silicon nitride film formed by low-pressure CVD, 107B: silicon nitride film formed by plasma CVD, 107D: intermediate insulating film (TEOS film by low-pressure CVD), 191A ..P
t film, 191B ... Ti film, 194 ... Protective film.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板と、 前記半導体基板に形成され、ビット線にドレイン又はソ
ースが接続されたスイッチ用トランジスタと、 前記スイッチ用トランジスタを被覆するように前記半導
体基板上に形成された第1の絶縁膜と、 前記第1の絶縁膜の上に形成された中間絶縁膜と、 前記中間絶縁膜上に形成され前記スイッチ用トランジス
タのソース又はドレインに接続された第1の電極、前記
中間絶縁膜に接触しプレート線に接続された第2の電極
及び誘電体膜を備えた電荷蓄積用キャパシタと、 前記電荷蓄積用キャパシタを被覆するように、前記中間
絶縁膜の上に形成された第2の絶縁膜と、 前記第1の絶縁膜に形成された第1のコンタクト孔及び
前記第2の絶縁膜に形成された第2のコンタクト孔を通
して前記ドレイン又はソースと前記第1の電極とを電気
的に接続する配線とを具備し、 前記中間絶縁膜は、減圧CVD法により形成されたシリ
コン窒化膜とプラズマCVD法により形成されたシリコ
ン窒化膜とから構成されていることを特徴とする半導体
記憶装置。
1. A semiconductor substrate, a switching transistor formed on the semiconductor substrate and having a drain or a source connected to a bit line, and a first transistor formed on the semiconductor substrate to cover the switching transistor. An intermediate insulating film formed on the first insulating film; a first electrode formed on the intermediate insulating film and connected to a source or a drain of the switching transistor; A charge storage capacitor having a second electrode and a dielectric film in contact with the film and connected to the plate line; and a second electrode formed on the intermediate insulating film so as to cover the charge storage capacitor. The drain or source through a first contact hole formed in the first insulating film and a second contact hole formed in the second insulating film. A wiring for electrically connecting the first electrode; and the intermediate insulating film is composed of a silicon nitride film formed by a low pressure CVD method and a silicon nitride film formed by a plasma CVD method. A semiconductor memory device.
【請求項2】 前記キャパシタは、強誘電体特性を有す
る強誘電体からなる誘電体膜を有することを特徴とする
請求項1に記載の半導体記憶装置。
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein said capacitor has a dielectric film made of a ferroelectric material having ferroelectric characteristics.
【請求項3】 前記中間絶縁膜は、減圧CVD法により
形成された第1及び第2のシリコン窒化膜と前記第1及
び第2のシリコン窒化膜により挟まれ、プラズマCVD
法により形成された第3のシリコン窒化膜から構成され
ていることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装
置。
3. The intermediate insulating film is sandwiched between first and second silicon nitride films formed by a low-pressure CVD method and the first and second silicon nitride films.
2. The semiconductor memory device according to claim 1, comprising a third silicon nitride film formed by a method.
【請求項4】 前記第1のコンタクト孔側壁は、前記第
1の絶縁膜に対して垂直に形成されており、前記第2の
コンタクト孔は、その側壁が前記第2の絶縁膜に対して
テーパー状に形成され、開口部が底面より広い面積を有
していることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいず
れかに記載の半導体記憶装置。
4. The side wall of the first contact hole is formed perpendicular to the first insulating film, and the side wall of the second contact hole is formed with respect to the second insulating film. 4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor memory device is formed in a tapered shape, and the opening has an area larger than a bottom surface.
【請求項5】 前記キャパシタと前記中間絶縁膜との間
には減圧CVD法により形成されたTEOS膜が介在さ
れていることを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶
装置。
5. The semiconductor memory device according to claim 2, wherein a TEOS film formed by a low pressure CVD method is interposed between said capacitor and said intermediate insulating film.
【請求項6】 前記キャパシタの前記第2の電極はチタ
ン膜とこの上に形成されたプラチナ膜から構成され、こ
のチタン膜は前記減圧CVD法により形成されたTEO
S膜に接して形成されていることを特徴とする請求項5
に記載の半導体記憶装置。
6. The capacitor according to claim 1, wherein said second electrode comprises a titanium film and a platinum film formed thereon, and said titanium film is formed of TEO formed by said low pressure CVD method.
6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the first film is formed in contact with the S film.
3. The semiconductor memory device according to claim 1.
【請求項7】 前記キャパシタの前記第1の電極は、前
記強誘電体膜の上に形成され、前記第1の電極の上及び
前記第1の電極が形成されていない前記強誘電体膜の上
には前記強誘電体膜と同じ材料からなる保護膜が形成さ
れていることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載
の半導体記憶装置。
7. The ferroelectric film, wherein the first electrode of the capacitor is formed on the ferroelectric film, and the first electrode of the ferroelectric film on which the first electrode is not formed is formed on the ferroelectric film. 7. The semiconductor memory device according to claim 5, wherein a protective film made of the same material as the ferroelectric film is formed thereon.
【請求項8】 半導体基板に、ビット線にドレイン又は
ソースが接続されたスイッチ用トランジスタを形成する
工程と、 前記スイッチ用トランジスタを被覆するように前記半導
体基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、 前記第1の絶縁膜をエッチングして前記半導体基板のド
レイン又はソースに至る第1のコンタクト孔を形成する
工程と、 前記第1のコンタクト孔内に接続配線を埋め込む工程
と、 前記第1のコンタクト孔内の接続配線を被覆するように
前記第1の絶縁膜の上に中間絶縁膜を形成する工程と、 前記中間絶縁膜上に第1の電極、第2の電極及びこれら
電極に挟まれた誘電体膜を備えた電荷蓄積用キャパシタ
を形成する工程と、 前記電荷蓄積用キャパシタを被覆するように、前記中間
絶縁膜の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、 前記第2の絶縁膜及び前記中間絶縁膜をエッチングして
前記第1のコンタクト孔内の接続配線に至る第2のコン
タクト孔を形成する工程と、 前記第2のコンタクト孔内に接続配線を埋め込む工程
と、 前記第1及び第2のコンタクト孔内の接続配線を含み、
前記第1のコンタクト孔及び前記第2のコンタクト孔を
通して前記ドレイン又はソースと前記第1の電極とを電
気的に接続する配線とを形成する工程とを具備し、 前記中間絶縁膜は、減圧CVD法により形成されたシリ
コン窒化膜とプラズマCVD法により形成されたシリコ
ン窒化膜とから構成されていることを特徴とする半導体
記憶装置の製造方法。
8. A step of forming a switching transistor having a drain connected to a bit line or a source on a semiconductor substrate, and forming a first insulating film on the semiconductor substrate so as to cover the switching transistor. Forming a first contact hole reaching a drain or a source of the semiconductor substrate by etching the first insulating film; embedding a connection wiring in the first contact hole; Forming an intermediate insulating film on the first insulating film so as to cover the connection wiring in the first contact hole; and forming a first electrode, a second electrode and these electrodes on the intermediate insulating film. Forming a charge storage capacitor having a sandwiched dielectric film; and forming a second insulating film on the intermediate insulating film so as to cover the charge storage capacitor. Forming a second contact hole reaching the connection wiring in the first contact hole by etching the second insulating film and the intermediate insulating film; and connecting wiring in the second contact hole. Burying a connection wiring in the first and second contact holes,
Forming a wiring for electrically connecting the drain or the source to the first electrode through the first contact hole and the second contact hole. A method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising: a silicon nitride film formed by a CVD method; and a silicon nitride film formed by a plasma CVD method.
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