JP2001036027A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacture thereof

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JP2001036027A
JP2001036027A JP2000131954A JP2000131954A JP2001036027A JP 2001036027 A JP2001036027 A JP 2001036027A JP 2000131954 A JP2000131954 A JP 2000131954A JP 2000131954 A JP2000131954 A JP 2000131954A JP 2001036027 A JP2001036027 A JP 2001036027A
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film
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insulating film
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昭彦 皷谷
Yasutoshi Okuno
泰利 奥野
Yoshihiro Mori
義弘 森
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To sufficiently reduce leakage current when using a noble metal electrode, especially the leakage current of a capacitor, which uses a functional material film and a nobel metal electrode. SOLUTION: A lower electrode 13, made of ruthenium, is formed into a thickness of about 50 nm on a thermal oxide film 12. Then, the lower electrode 13 is annealed in a mixed gas of argon and hydrogen at about 800 deg.C for about 2 min. Next, a capacitor insulation film 14 made of Ta2O5 is formed into a thickness of about 17 nm on the lower electrode 13. Thereafter, an upper electrode 15 made of ruthenium is selectively formed on the capacitive insulation film through sputtering method. Thereby, the surface of crystal grains of ruthenium, of which the lower electrode 13 is made, is formed stepwise.

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、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特に、リーク電流を確実に抑制でき
るキャパシタを含む半導体装置及びその製造方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device including a capacitor capable of reliably suppressing a leakage current and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体装置の微細化に伴い、半導体装置
を構成する材料の特性を利用して高性能化を図る必要が
出てきている。トランジスタとキャパシタとを組み合わ
せて情報を記憶するダイナミックランダムアクセスメモ
リ(DRAM)や、強誘電性ランダムアクセスメモリ
(FeRAM)の高集積化においては、トランジスタの
微細化だけでなくキャパシタの微細化も必須となる。
2. Description of the Related Art With the miniaturization of semiconductor devices, it has become necessary to improve the performance by utilizing the characteristics of the materials constituting the semiconductor devices. In high integration of dynamic random access memory (DRAM) and ferroelectric random access memory (FeRAM) which store information by combining transistors and capacitors, not only miniaturization of transistors but also miniaturization of capacitors are essential. Become.

【0003】特に、キャパシタは、雑音やソフトエラー
の問題から、微細化が進んでキャパシタ部の面積が縮小
されたとしても所定値以上の容量値が必要となる。この
ため、キャパシタを構成する誘電体膜として、従来のシ
リコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜、いわゆるON
O膜よりも高い誘電率を有する機能性材料膜が検討され
ている。
In particular, a capacitor needs to have a capacitance value equal to or greater than a predetermined value even if the area of the capacitor portion is reduced due to the problem of noise and soft errors, even if the size of the capacitor portion is reduced. For this reason, a conventional laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film, so-called ON
Functional material films having a higher dielectric constant than the O film have been studied.

【0004】例えば、高誘電体である機能性材料膜とし
て、五酸化タンタル(Ta25)膜や、さらには、チタ
ン酸ストロンチウム(SrTiO3 、以下、STOと略
称する)、チタン酸バリウム(BaTiO3 、以下、B
TOと略称する)、チタン酸バリウムストロンチウム膜
(BaxSr1-xTiO3 、以下、BSTと略称する)等
のペロブスカイト型の酸化物誘電体薄膜が検討されてい
る。
For example, a tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) film, a strontium titanate (SrTiO 3 , hereinafter abbreviated as STO), a barium titanate (hereinafter, abbreviated as STO), or the like is used as a functional material film as a high dielectric material. BaTiO 3 , hereinafter B
Abbreviated as TO), barium strontium titanate film (Ba x Sr 1-x TiO 3, hereinafter, an oxide dielectric thin film of the perovskite type, such as abbreviated as BST) has been studied.

【0005】ところが、これらの機能性材料膜をキャパ
シタの容量絶縁膜に用いる場合には、電極の材料に、従
来のように多結晶シリコンを使用できなくなる。これ
は、機能性材料膜は、酸化性雰囲気で形成されることが
多く、多結晶シリコンではその表面が酸化されてシリコ
ン酸化膜が形成されてしまうからである。シリコン酸化
膜は誘電率が低いため、容量絶縁膜に高誘電体を用いて
も、誘電率が低いシリコン酸化膜によって実効的な蓄積
電荷量が減少してしまうことになる。
However, when these functional material films are used for a capacitor insulating film of a capacitor, polycrystalline silicon cannot be used as a material of an electrode as in the conventional case. This is because the functional material film is often formed in an oxidizing atmosphere, and the surface of polycrystalline silicon is oxidized to form a silicon oxide film. Since the silicon oxide film has a low dielectric constant, even if a high dielectric is used for the capacitive insulating film, the silicon oxide film having a low dielectric constant will reduce the effective amount of accumulated charges.

【0006】そこで、機能性材料膜を用いる場合には、
白金(Pt)、ルテニウム(Ru)又はイリジウム(I
r)等の貴金属からなる電極が用いられる。
Therefore, when a functional material film is used,
Platinum (Pt), ruthenium (Ru) or iridium (I
An electrode made of a noble metal such as r) is used.

【0007】キャパシタに機能性材料膜としてTa25
膜を用いた例が、ジャパニーズ ジャーナル オブ ア
プライド フィジックス、1998年第37号1336
頁〜1339頁に記載されている。また、機能性材料膜
としてBST膜を用いた例が、テクニカル ダイジェス
ト オブ インターナショナル エレクトロン デバイ
ス アンド マテリアルズ、1998年、253頁〜2
56頁に記載されている。
Ta 2 O 5 as a functional material film for a capacitor
An example using a membrane is described in Japanese Journal of Applied Physics, 1998, No. 37, 1336.
Pp. 1339. An example using a BST film as a functional material film is described in Technical Digest of International Electron Device and Materials, 1998, pp. 253-2.
It is described on page 56.

【0008】これら貴金属材料のうち、特にRuは、酸
化物である二酸化ルテニウム(RuO2 )が導電体であ
り、四酸化ルテニウム(RuO4 )は低温における蒸気
圧が高く、ドライエッチングによる加工が可能であるた
め、電極材料として非常に有望である。
Among these noble metal materials, Ru is particularly oxide whose conductive material is ruthenium dioxide (RuO 2 ), and ruthenium tetroxide (RuO 4 ) has a high vapor pressure at a low temperature and can be processed by dry etching. Therefore, it is very promising as an electrode material.

【0009】しかしながら、これら高誘電率を有する機
能性材料膜は、一般に誘電率が高くなる程、電極間に電
圧を印加した場合における電極間のリーク電流密度が大
きくなるという傾向がある。このリーク電流密度の増大
は、時間の経過と共に蓄積電荷量を減少させてしまうた
め、DRAMの電荷を保持できる時間が短くなってしま
うという問題がある。
However, these functional material films having a high dielectric constant generally have a tendency that the higher the dielectric constant, the higher the leakage current density between the electrodes when a voltage is applied between the electrodes. The increase in the leak current density causes the amount of accumulated charge to decrease with the passage of time, so that there is a problem that the time during which the charge of the DRAM can be held is shortened.

【0010】次に、半導体・集積回路技術第54回シン
ポジウム講演論文集(12頁〜17頁)に記載された従
来例を簡単に説明する。この論文によると、シリコンか
らなる基板上に形成された熱酸化膜上に、膜厚が100
nmのルテニウムからなる下部電極を形成し、形成した
下部電極に対して温度が700℃の窒素雰囲気で30秒
間の熱処理を行なう。
Next, a brief description will be given of a conventional example described in the 54th Symposium on Semiconductors and Integrated Circuits (pages 12 to 17). According to this paper, on a thermal oxide film formed on a substrate made of silicon,
A lower electrode made of ruthenium with a thickness of nm is formed, and a heat treatment is performed on the formed lower electrode in a nitrogen atmosphere at a temperature of 700 ° C. for 30 seconds.

【0011】その後、化学気相成長(CVD)法を用い
て下部電極上に膜圧が24nmのTa25膜を形成す
る。この状態では、Ta25膜の組成は化学定量値から
離れてTaが過剰になっている。このままではリーク電
流値が非常に大きいため、改善策として、温度が550
℃の酸素雰囲気で1時間のアニールを行なっている。こ
のアニールにより、電界強度が1MV/cmの場合のリ
ーク電流密度は1×10 -8A/cm2 となり、このとき
の比誘電率は30となる。
Then, using a chemical vapor deposition (CVD) method
With a film thickness of 24 nm on the lower electrodeTwoOFiveForm a film
You. In this state, TaTwoOFiveThe composition of the film is determined from the chemical quantitative value.
Apart from that Ta is excessive. Leakage current
Since the flow value is very large, as a remedy,
Annealing is performed in an oxygen atmosphere at a temperature of 1 ° C. for one hour. This
Annealing when the electric field strength is 1 MV / cm
Peak current density is 1 × 10 -8A / cmTwo At this time
Has a relative dielectric constant of 30.

【0012】この他に酸素を補う方法として、温度が3
00℃で10分間の酸素プラズマアニールを行なってい
る。この酸素プラズマアニールにより、比誘電率は30
程度となり、リーク電流密度は電界強度が1.5MV/
cmの場合で1×10-8A/cm2 となる。
As another method for supplementing oxygen, a temperature of 3
Oxygen plasma annealing is performed at 00 ° C. for 10 minutes. By this oxygen plasma annealing, the relative dielectric constant becomes 30
And the leak current density is 1.5 MV /
cm × 1 × 10 −8 A / cm 2 .

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のキャパシタは、温度が550℃の酸素雰囲気におけ
る1時間のアニール処理や、酸素プラズマアニール処理
を行なった後のリーク電流値は小さいものの、このとき
のTa25膜は結晶化されておらず、誘電率が30程度
と小さい。この程度の誘電率では、従来の酸化窒化膜と
粗面化ポリシリコン電極とを用いたキャパシタと比較し
て大きくは改善されていないため、ルテニウムからなる
電極とTa25膜とを用いる優位性はない。
However, the conventional capacitor has a small leakage current value after an annealing process in an oxygen atmosphere at a temperature of 550 ° C. for one hour or an oxygen plasma annealing process. The Ta 2 O 5 film is not crystallized and has a small dielectric constant of about 30. At this level of dielectric constant, there is not much improvement as compared with a capacitor using a conventional oxynitride film and a roughened polysilicon electrode, so that the advantage of using an electrode made of ruthenium and a Ta 2 O 5 film is superior. There is no sex.

【0014】誘電率を大きくするには、Ta25膜に対
して温度が700℃程度のアニールを行なって、Ta2
5を結晶化する必要がある。前記の講演論文による
と、Ta 25膜を結晶化する方法として、温度が750
℃の窒素雰囲気で60秒間のアニールを実施している。
Ta25膜を結晶化した後の電気的特性は、酸素を補う
方法として、温度が550℃の酸素雰囲気で1時間のア
ニールを行なった試料では、誘電率は60程度であり、
電界強度が1MV/cmの場合のリーク電流密度は1×
10-5A/cm2 である。
To increase the dielectric constant, use TaTwoOFiveFor membrane
And annealing at a temperature of about 700 ° C.Two
OFiveNeed to be crystallized. According to the above lecture paper
And Ta TwoOFiveAs a method of crystallizing a film, a temperature of 750 is used.
Annealing is performed for 60 seconds in a nitrogen atmosphere at ℃.
TaTwoOFiveElectrical properties after crystallizing the film supplement oxygen
The method is as follows.
In the case of the nealed sample, the dielectric constant is about 60,
The leak current density when the electric field strength is 1 MV / cm is 1 ×
10-FiveA / cmTwo It is.

【0015】一方、酸素を補う他の方法として酸素プラ
ズマアニールを用いた試料では、誘電率は60程度であ
り、電界強度が1MV/cmの場合のリーク電流密度は
1×10-8A/cm2 で、電界強度が−1MV/cmの
場合のリーク電流密度は1×10-6A/cm2 である。
このように、酸素を補う方法に酸素プラズマアニールを
用いる方が、酸素雰囲気のアニールよりもリーク電流が
小さくなるものの、それでも十分に小さいとはいえな
い。
On the other hand, a sample using oxygen plasma annealing as another method of supplementing oxygen has a dielectric constant of about 60 and a leak current density of 1 × 10 −8 A / cm when the electric field strength is 1 MV / cm. 2 , the leakage current density is 1 × 10 −6 A / cm 2 when the electric field intensity is −1 MV / cm.
As described above, when the oxygen plasma annealing is used as a method of supplementing oxygen, the leak current is smaller than the annealing in the oxygen atmosphere, but it is still not sufficiently small.

【0016】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、貴金属からなる電極を用い
た場合のリーク電流を十分に低減できるようにし、特
に、機能性材料膜と貴金属電極とを用いたキャパシタの
リーク電流を十分に低減できるようにする。
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to make it possible to sufficiently reduce a leak current when an electrode made of a noble metal is used. A leak current of a capacitor using a noble metal electrode can be sufficiently reduced.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、電極又は配線を構成する導体膜、特にル
テニウムを結晶化する際に、結晶粒の表面形状を階段状
とする構成とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a method of forming a conductive film constituting an electrode or a wiring, in particular, when crystallizing ruthenium, the surface shape of crystal grains is stepped. And

【0018】具体的に、本発明に係る第1の半導体装置
は、基板上に形成されたルテニウムを含む電極又は配線
を備え、ルテニウムの結晶粒は階段状の表面形状を有し
ている。
Specifically, the first semiconductor device according to the present invention includes an electrode or a wiring containing ruthenium formed on a substrate, and the crystal grains of ruthenium have a stepped surface shape.

【0019】第1の半導体装置によると、電極又は配線
を構成するルテニウムの結晶粒(グレイン)の表面形状
が階段状であるため、各結晶粒の表面積が増大するの
で、見かけの比誘電率が階段状の表面形状を有さない場
合よりも大きくなる。その上、後述するように、互いに
隣接する結晶粒同士の接続面と結晶表面とのなす角度が
鈍角となるため、結晶粒の界面に電界の集中が起こりに
くくなるので、リーク電流が低減する。
According to the first semiconductor device, since the surface shape of the crystal grains (grains) of ruthenium constituting the electrodes or wirings is stepped, the surface area of each crystal grain is increased, and the apparent relative dielectric constant is reduced. It is larger than without the step-like surface shape. In addition, as will be described later, the angle formed between the crystal surface and the connection surface between adjacent crystal grains is an obtuse angle, so that the concentration of an electric field at the interface between the crystal grains is less likely to occur, thereby reducing the leakage current.

【0020】本発明に係る第2の半導体装置は、基板上
に形成された下部電極と、下部電極上に形成された容量
絶縁膜と、容量絶縁膜上に形成された上部電極とを備
え、下部電極は結晶粒を含み、該結晶粒は階段状の表面
形状を有している。
A second semiconductor device according to the present invention includes a lower electrode formed on a substrate, a capacitance insulating film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the capacitance insulating film, The lower electrode includes crystal grains, and the crystal grains have a stepped surface shape.

【0021】第2の半導体装置によると、下部電極を構
成する電極部材の結晶粒の表面形状が階段状であるた
め、各結晶粒の表面積が増大し、階段状の表面形状を有
さない場合と比べて見かけの比誘電率が大きくなる。そ
の上、互いに隣接する結晶粒同士の接続面と結晶表面と
のなす角度が鈍角であるため、結晶粒の界面に電界の集
中が起こりにくくなるので、リーク電流が低減する。
According to the second semiconductor device, since the surface shape of the crystal grains of the electrode member constituting the lower electrode is step-like, the surface area of each crystal grain increases, and the crystal member does not have a step-like surface shape. The apparent relative permittivity is larger than that of. In addition, since the angle between the connecting surface of the crystal grains adjacent to each other and the crystal surface is an obtuse angle, the concentration of the electric field at the interface between the crystal grains is less likely to occur, so that the leak current is reduced.

【0022】第2の半導体装置において、下部電極がル
テニウムを含むことが好ましい。このようにすると、結
晶粒の表面に階段状の形状を得やすくなる。
In the second semiconductor device, the lower electrode preferably contains ruthenium. This makes it easier to obtain a step-like shape on the surface of the crystal grain.

【0023】本発明に係る第1の半導体装置の製造方法
は、基板上にルテニウムを含む導体膜を形成する導体膜
形成工程と、導体膜を所定形状にパターニングすること
により、導体膜からなる電極又は配線を形成する電極配
線形成工程と、非酸化性雰囲気でアニールを行なうこと
により、導体膜を構成するルテニウムの結晶粒の表面形
状を階段状とするアニール工程とを備えている。
According to a first method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, there is provided a conductive film forming step of forming a conductive film containing ruthenium on a substrate, and patterning the conductive film into a predetermined shape to form an electrode formed of the conductive film. Alternatively, there is provided an electrode wiring forming step of forming wiring, and an annealing step of performing annealing in a non-oxidizing atmosphere to make the surface shape of ruthenium crystal grains constituting the conductor film step-like.

【0024】第1の半導体装置の製造方法によると、非
酸化性雰囲気でアニールを行なうことにより、導体膜を
構成するルテニウムの結晶粒の表面形状を階段状とする
ため、本発明の第1の半導体装置を実現できる。
According to the first method for manufacturing a semiconductor device, the surface shape of the crystal grains of ruthenium constituting the conductor film is made stepwise by annealing in a non-oxidizing atmosphere. A semiconductor device can be realized.

【0025】第1の半導体装置の製造方法において、非
酸化性雰囲気が水素を含むことが好ましい。このように
すると、ルテニウムの結晶粒の表面に細かい階段状の形
状を確実に得られるようになる。
In the first method for manufacturing a semiconductor device, the non-oxidizing atmosphere preferably contains hydrogen. In this way, a fine step-like shape can be reliably obtained on the surface of the ruthenium crystal grain.

【0026】本発明に係る第2の半導体装置の製造方法
は、基板上にルテニウムを含む導体膜を形成する導体膜
形成工程と、導体膜を所定形状にパターニングすること
により、導体膜からなる下部電極を形成する下部電極形
成工程と、非酸化性雰囲気でアニールを行なうことによ
り、導体膜を構成するルテニウムの結晶粒の表面形状を
階段状とするアニール工程と、下部電極の上に容量絶縁
膜を形成する容量絶縁膜形成工程とを備えている。
According to a second method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, there is provided a conductive film forming step of forming a conductive film containing ruthenium on a substrate, and patterning the conductive film into a predetermined shape, thereby forming a lower portion of the conductive film. A lower electrode forming step of forming an electrode, an annealing step of performing a step shape of the surface of ruthenium crystal grains constituting the conductor film by performing annealing in a non-oxidizing atmosphere, and a capacitive insulating film on the lower electrode Forming a capacitive insulating film.

【0027】第2の半導体装置の製造方法によると、非
酸化性雰囲気でアニールを行なうことにより、下部電極
を構成するルテニウムの結晶粒の表面形状を階段状とす
るため、本発明の第2の半導体装置を実現できる。
According to the second method of manufacturing a semiconductor device, the surface shape of the ruthenium crystal grains constituting the lower electrode is made stepwise by annealing in a non-oxidizing atmosphere. A semiconductor device can be realized.

【0028】第2の半導体装置の製造方法において、非
酸化性雰囲気は水素を含むことが好ましい。
In the second method for manufacturing a semiconductor device, the non-oxidizing atmosphere preferably contains hydrogen.

【0029】第2の半導体装置の製造方法において、容
量絶縁膜が、五酸化タンタル、チタン酸ストロンチウ
ム、チタン酸バリウム又はチタン酸バリウムストロンチ
ウムからなることが好ましい。このようにすると、容量
絶縁膜が高誘電体からなるため、キャパシタを含む半導
体装置をより小型化しても所望の容量値(蓄積電荷量)
を確保できる。
In the second method for manufacturing a semiconductor device, the capacitance insulating film is preferably made of tantalum pentoxide, strontium titanate, barium titanate or barium strontium titanate. In this case, since the capacitance insulating film is made of a high dielectric material, a desired capacitance value (stored charge amount) can be obtained even if the semiconductor device including the capacitor is further downsized.
Can be secured.

【0030】第2の半導体装置の製造方法において、ア
ニール工程は容量絶縁膜形成工程よりも前に行なうこと
が好ましい。このようにすると、容量絶縁膜を形成する
成膜装置内で導体膜のアニールを行なうことができ、工
程が簡単化される。
In the second method for fabricating a semiconductor device, the annealing step is preferably performed before the capacitive insulating film forming step. With this configuration, the conductor film can be annealed in the film forming apparatus for forming the capacitor insulating film, and the process is simplified.

【0031】第2の半導体装置の製造方法において、ア
ニール工程は下部電極形成工程よりも後に行なうことが
好ましい。このようにすると、アニールによって導体膜
の結晶粒が成長して加工がしにくくなる前に、下部電極
のパターニングを行なうため、パターニングの加工が容
易となる。
In the second method for manufacturing a semiconductor device, the annealing step is preferably performed after the lower electrode forming step. With this configuration, the patterning of the lower electrode is performed before the crystal grains of the conductive film grow due to the annealing and the processing becomes difficult, so that the patterning processing is facilitated.

【0032】第2の半導体装置の製造方法において、導
体膜形成工程が、導体膜を有底筒状に形成する工程を含
むことが好ましい。このようにすると、下部電極の表面
積が大きくなるため、キャパシタの容量値が確実に大き
くなる。
In the second method for manufacturing a semiconductor device, the conductor film forming step preferably includes a step of forming the conductor film into a bottomed cylindrical shape. In this case, the surface area of the lower electrode increases, so that the capacitance value of the capacitor surely increases.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】(第1の実施形態)本発明の第1
の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(First Embodiment) A first embodiment of the present invention.
An embodiment will be described with reference to the drawings.

【0034】図1は本発明の第1の実施形態に係る半導
体装置であるキャパシタの断面構成を示している。図1
に示すように、シリコンからなる基板11上には、酸化
シリコンからなる熱酸化膜12、ルテニウム(Ru)か
らなる下部電極13、Ta25 からなる容量絶縁膜1
4、Ruからなる上部電極15が順次形成されている。
FIG. 1 shows a sectional structure of a capacitor which is a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG.
As shown in FIG. 1, a thermal oxide film 12 made of silicon oxide, a lower electrode 13 made of ruthenium (Ru), and a capacitive insulating film 1 made of Ta 2 O 5 are formed on a substrate 11 made of silicon.
4. An upper electrode 15 made of Ru is sequentially formed.

【0035】以下、前記のように構成されたキャパシタ
の製造方法を説明する。
Hereinafter, a method of manufacturing the capacitor having the above-described structure will be described.

【0036】まず、基板11に対して熱処理を行なって
基板11の上部に熱酸化膜12を形成する。次に、熱酸
化膜12の上に、スパッタ法を用いて、膜厚が約50n
mの下部電極13を形成する。続いて、温度が約800
℃の、非酸化性雰囲気であるアルゴン(Ar)と水素
(H2 )との混合ガス中で、下部電極13に対して2分
間程度のアニールを行なう。なお、通常の半導体プロセ
スで用いるアルゴンガスには微量の酸素が含まれている
ため、高純度のアルゴンガスを用いることが好ましい。
First, heat treatment is performed on the substrate 11 to form a thermal oxide film 12 on the substrate 11. Next, a film thickness of about 50 n is formed on the thermal oxide film 12 by using a sputtering method.
m lower electrodes 13 are formed. Subsequently, the temperature was about 800
The lower electrode 13 is annealed for about 2 minutes in a mixed gas of argon (Ar) and hydrogen (H 2 ) which is a non-oxidizing atmosphere at a temperature of ° C. Note that since a small amount of oxygen is contained in an argon gas used in a normal semiconductor process, it is preferable to use a high-purity argon gas.

【0037】次に、CVD法を用いて、下部電極13上
に、膜厚が約17nmの容量絶縁膜14を形成する。こ
のとき、容量絶縁膜14中の酸素の欠乏を補うために、
下部電極13に対して紫外線オゾン照射(UV−O3
理)を行なう。
Next, a capacitor insulating film 14 having a thickness of about 17 nm is formed on the lower electrode 13 by using the CVD method. At this time, in order to compensate for the lack of oxygen in the capacitance insulating film 14,
The lower electrode 13 is irradiated with ultraviolet ozone (UV-O 3 treatment).

【0038】次に、スパッタ法を用いて、容量絶縁膜1
4の上に上部電極15を選択的に形成する。
Next, the capacitor insulating film 1 is formed by sputtering.
The upper electrode 15 is selectively formed on the upper electrode 4.

【0039】このようにして得られたキャパシタの電気
特性を評価した結果を示す。
The results of evaluating the electrical characteristics of the capacitor thus obtained are shown.

【0040】アルゴンと水素との混合ガス中で下部電極
13に対してアニールを行なった場合は、容量絶縁膜1
4の比誘電率が35であり、上部電極が正にバイアスさ
れる場合を正電位とすると、電界強度が1MV/cmの
ときのリーク電流密度が6.7×10-9A/cm2 であ
る。比較用として、アルゴン雰囲気で下部電極13に対
してアニールを行なった場合は、容量絶縁膜14の比誘
電率が30となり、電界強度が1MV/cmのときのリ
ーク電流密度が1.5×10-8A/cm2 となる。
When the lower electrode 13 is annealed in a mixed gas of argon and hydrogen, the capacitance insulating film 1
If the relative dielectric constant of No. 4 is 35 and the upper electrode is positively biased and the potential is positive, the leakage current density when the electric field intensity is 1 MV / cm is 6.7 × 10 −9 A / cm 2 . is there. For comparison, when annealing was performed on the lower electrode 13 in an argon atmosphere, the relative dielectric constant of the capacitor insulating film 14 was 30, and the leak current density when the electric field strength was 1 MV / cm was 1.5 × 10 5 -8 A / cm 2 .

【0041】このように、アルゴンと水素との混合ガス
で下部電極13に対してアニールを行なった場合の容量
絶縁膜14の比誘電率は、アルゴンガスのみでアニール
を行なった比較用のキャパシタよりも大きくなる。ま
た、リーク電流密度は、本実施形態に係るキャパシタの
方が比較用のキャパシタよりも小さくなる。
As described above, when the lower electrode 13 is annealed with a mixed gas of argon and hydrogen, the relative dielectric constant of the capacitance insulating film 14 is higher than that of the comparative capacitor annealed only with the argon gas. Also increases. The capacitor according to the present embodiment has a smaller leak current density than the capacitor for comparison.

【0042】次に、温度が750℃程度の窒素雰囲気で
60秒間のアニールを行なうことにより、容量絶縁膜1
4の結晶化を図る。結晶化後の容量絶縁膜14の比誘電
率は70であり、電界強度が1MV/cmのときのリー
ク電流密度は1.8×10-8A/cm2 である。ちなみ
に、比較用のキャパシタにおける容量絶縁膜14の比誘
電率は60であり、電界強度が1MV/cmのときのリ
ーク電流密度は2×10-8A/cm2 である。このよう
に、容量絶縁膜14の結晶化を行なっても、本実施形態
に係る容量絶縁膜14の比誘電率は、比較用のキャパシ
タよりも大きくなり、且つ、リーク電流密度は、本実施
形態に係るキャパシタの方が比較用のキャパシタよりも
小さくなる。
Next, annealing is performed for 60 seconds in a nitrogen atmosphere at a temperature of about 750.degree.
4 is crystallized. The relative dielectric constant of the capacitance insulating film 14 after crystallization is 70, and the leak current density when the electric field strength is 1 MV / cm is 1.8 × 10 −8 A / cm 2 . Incidentally, the relative dielectric constant of the capacitance insulating film 14 in the comparative capacitor is 60, and the leak current density when the electric field strength is 1 MV / cm is 2 × 10 −8 A / cm 2 . As described above, even when the capacitor insulating film 14 is crystallized, the relative dielectric constant of the capacitor insulating film 14 according to the present embodiment is higher than that of the comparative capacitor, and the leak current density is higher than that of the present embodiment. Is smaller than the capacitor for comparison.

【0043】ここまでのリーク電流密度の測定はすべて
室温で行なっているが、本実施形態に係るキャパシタを
半導体装置として形成する場合には、100℃程度の高
温下での動作を考慮する必要がある。通常、キャパシタ
は装置又は周囲温度の上昇と共にリーク電流が増大す
る。
Although all the measurements of the leak current density up to this point are performed at room temperature, when the capacitor according to the present embodiment is formed as a semiconductor device, it is necessary to consider the operation at a high temperature of about 100 ° C. is there. Normally, the leakage current of the capacitor increases as the temperature of the device or the ambient temperature increases.

【0044】そこで、本実施形態に係るキャパシタのリ
ーク電流特性を125℃の温度下で測定した。
Therefore, the leakage current characteristics of the capacitor according to the present embodiment were measured at a temperature of 125 ° C.

【0045】アルゴンのみのアニールを施した比較用の
キャパシタは、電界強度が1MV/cmのときのリーク
電流密度が1×10-6A/cm2 であるのに対して、本
実施形態に係るキャパシタは、電界強度が1MV/cm
のときのリーク電流密度が2×10-7A/cm2 であ
り、比較用のキャパシタよりもリーク電流値が小さい良
好な結果を得られる。
The capacitor for comparison subjected to annealing only with argon has a leak current density of 1 × 10 −6 A / cm 2 when the electric field intensity is 1 MV / cm, whereas the capacitor according to the present embodiment has The capacitor has an electric field strength of 1 MV / cm
In this case, the leakage current density is 2 × 10 −7 A / cm 2 , and a good result having a smaller leakage current value than the capacitor for comparison can be obtained.

【0046】下部電極13のアニール条件によってリー
ク電流密度に違いが生じる要因は、アルゴンと水素との
混合ガスでアニールを行なうと、ルテニウムの結晶粒の
表面形状が階段状となるためである。
The cause of the difference in the leak current density depending on the annealing conditions of the lower electrode 13 is that when annealing is performed with a mixed gas of argon and hydrogen, the surface shape of the ruthenium crystal grains becomes step-like.

【0047】図2(a)は本実施形態に係る下部電極1
3における階段状の表面形状を有する結晶粒を示す模式
的な拡大図である。ここでは、符号1〜5がそれぞれの
結晶粒を表わしている。各結晶粒1〜5の大きさは、温
度が約800℃のアニールによって50nm〜100n
m程度であり、アニール前のグレイン結晶粒と比べて2
〜5倍程度大きい。
FIG. 2A shows the lower electrode 1 according to this embodiment.
FIG. 3 is a schematic enlarged view showing crystal grains having a step-like surface shape in FIG. Here, reference numerals 1 to 5 represent respective crystal grains. The size of each crystal grain 1 to 5 is 50 nm to 100 n by annealing at a temperature of about 800 ° C.
m, which is 2 times smaller than the grain size before annealing.
About 5 times larger.

【0048】図2(b)は、図2(a)のIIb−IIb線
における部分的な断面構成を示している。図2(b)に
示すように、結晶粒1と結晶粒2との間は階段状を呈し
ている。この場合の結晶粒1の上面と結晶粒2の上面と
は共に面方位が(0001)面であり、この(000
1)面同士が結晶粒の界面である階段状の斜面により接
続されている。
FIG. 2B shows a partial cross-sectional structure taken along the line IIb-IIb in FIG. 2A. As shown in FIG. 2B, the space between the crystal grains 1 and 2 has a stepped shape. In this case, both the upper surface of the crystal grain 1 and the upper surface of the crystal grain 2 have a (0001) plane orientation.
1) The planes are connected by a step-like slope which is an interface between crystal grains.

【0049】図2(c)は図2(b)に示す階段状の一
段差部10を拡大した断面構成を示しており、一段差部
10の傾斜面自体が複数の原子ステップによりさらに細
かい階段状となっている。
FIG. 2C shows an enlarged cross-sectional structure of the step-like one-stepped portion 10 shown in FIG. 2B. The inclined surface itself of the one-stepped portion 10 is made finer by a plurality of atomic steps. It has a shape.

【0050】このように、下部電極13の表面が、階段
状の一段差部10の傾斜面がさらに細かい階段状となる
2重の階段形状を有しているため、下部電極の表面積が
増大し、見かけの比誘電率が、各結晶粒の表面が階段状
でない場合と比べて大きくなる。さらに、図2(b)に
示すように、結晶粒1と結晶粒2とを接続する接続面と
結晶粒1、2の各上面とのなす角度が鈍角であるため、
鋭角的に交わる界面が少なくなる。その結果、結晶粒の
界面に電界の集中が起こりにくくなるので、リーク電流
が低減する。
As described above, since the surface of the lower electrode 13 has a double step shape in which the inclined surface of the step portion 10 has a finer step shape, the surface area of the lower electrode increases. In addition, the apparent relative dielectric constant becomes larger than that in the case where the surface of each crystal grain is not stepped. Further, as shown in FIG. 2B, the angle formed between the connection surface connecting crystal grains 1 and 2 and the upper surfaces of crystal grains 1 and 2 is an obtuse angle.
The number of interfaces that intersect at an acute angle is reduced. As a result, the concentration of the electric field hardly occurs at the interface between the crystal grains, so that the leak current is reduced.

【0051】図3(a)及び図3(b)は比較用のキャ
パシタの下部電極であって、(a)はルテニウムの結晶
粒の表面を示し、(b)は(a)のIIIb−IIIb線にお
ける部分的な断面構成を示している。図3(a)に示す
結晶粒の大きさは図2(a)に示す場合とほぼ同等であ
るが、各結晶粒の表面形状は階段状ではなく平滑であ
る。これは、通常のアルゴンガス中に微量に含まれる酸
素によって、結晶粒の表面が酸化されて酸化ルテニウム
となり、その表面の一部分が揮発してしまい、(000
1)面で止まっていることによる。これにより、図3
(b)に示すように、例えば、結晶粒6及び結晶粒7の
ように、互いに隣接する結晶粒同士の接続面が各結晶粒
に対してほぼ直角となる段差部が形成される。このた
め、この直角な段差部に電界の集中が生じて、リーク電
流が増大する原因となる。
FIGS. 3A and 3B show a lower electrode of a comparative capacitor, in which FIG. 3A shows the surface of ruthenium crystal grains, and FIG. 3B shows IIIb-IIIb of FIG. The partial cross-sectional configuration along the line is shown. Although the size of the crystal grains shown in FIG. 3A is substantially equal to that of the case shown in FIG. 2A, the surface shape of each crystal grain is not a step but a smooth one. This is because the surface of a crystal grain is oxidized to ruthenium oxide by a slight amount of oxygen contained in a normal argon gas, and a part of the surface is volatilized.
1) Because it stops at the surface. As a result, FIG.
As shown in (b), for example, a step portion in which a connection surface between adjacent crystal grains is substantially perpendicular to each crystal grain, such as a crystal grain 6 and a crystal grain 7, is formed. For this reason, an electric field is concentrated on the right-angled step portion, which causes an increase in leakage current.

【0052】以上説明したように、キャパシタの下部電
極13を構成する導体膜を、その結晶粒の表面形状が階
段状となるように形成すれば、高誘電体であるTa25
のような金属酸化物を容量絶縁膜14に用いたキャパシ
タのリーク電流を低減することができる。
As described above, if the conductor film forming the lower electrode 13 of the capacitor is formed so that the surface shape of the crystal grains is stepped, Ta 2 O 5 which is a high dielectric substance is formed.
The leakage current of a capacitor using such a metal oxide as the capacitor insulating film 14 can be reduced.

【0053】なお、高誘電体からなる機能性材料膜膜
は、Ta25膜に限らず、STO膜やBST膜であって
もよい。
The functional material film made of a high dielectric material is not limited to the Ta 2 O 5 film, but may be an STO film or a BST film.

【0054】また、下部電極13に対するアニールの雰
囲気にアルゴンと水素との混合ガスを用いたが、これに
限らず、非酸化性ガスであればよい。
Although a mixed gas of argon and hydrogen is used as an atmosphere for annealing the lower electrode 13, the present invention is not limited to this, and a non-oxidizing gas may be used.

【0055】また、結晶粒の表面が階段状の導体膜は、
キャパシタの電極に限らず、他の電極、例えばコンタク
ト、ビア又はパッド電極に用いてもよい。さらには比較
的高電界が印加される配線に用いてもよい。
Further, the conductive film having a stepped crystal grain surface is
The present invention is not limited to the electrode of the capacitor, and may be used for other electrodes, for example, a contact, a via, or a pad electrode. Further, it may be used for a wiring to which a relatively high electric field is applied.

【0056】(第2の実施形態)以下、本発明の第2の
実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参
照しながら説明する。
(Second Embodiment) Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0057】図4(a)及び図4(b)は第2の実施形
態に係るDRAM装置の製造方法の工程順の断面構成を
示している。
FIGS. 4A and 4B show a cross-sectional structure in the order of steps of a method for manufacturing a DRAM device according to the second embodiment.

【0058】まず、図4(a)に示すように、p型シリ
コンからなる基板21上に、酸化シリコンからなる素子
分離層22を選択的に形成する。続いて、基板21上に
おける素子分離層22に囲まれた素子形成領域に、ゲー
ト絶縁膜23及びゲート電極24を形成し、その後、ゲ
ート電極24をマスクとしたイオン注入によりn+ 型の
第1の拡散層25及びn+ 型の第2の拡散層26を自己
整合的に形成する。
First, as shown in FIG. 4A, an element isolation layer 22 made of silicon oxide is selectively formed on a substrate 21 made of p-type silicon. Subsequently, a gate insulating film 23 and a gate electrode 24 are formed in a device formation region surrounded by a device isolation layer 22 on the substrate 21, and thereafter, an n + -type first is formed by ion implantation using the gate electrode 24 as a mask. a second diffusion layer 26 of the diffusion layer 25 and n + -type self-aligned manner.

【0059】続いて、基板21上にゲート電極24を含
む全面にわたって酸化シリコンからなる層間絶縁膜27
を堆積し、該層間絶縁膜27における第2の拡散層26
の上側の領域に該第2の拡散層26と接触するポリシリ
コンからなるコンタクト28を形成する。次に、スパッ
タ法により、層間絶縁膜27上におけるゲート電極24
の上方の領域にコンタクト28と接触するルテニウムか
らなる下部電極29を選択的に形成する。続いて、下部
電極29が形成された基板21に対して、温度が約80
0℃の水素及びアルゴンの混合ガス中で約2分間のアニ
ールを実施する。
Subsequently, an interlayer insulating film 27 made of silicon oxide is formed on the entire surface including the gate electrode 24 on the substrate 21.
Is deposited, and the second diffusion layer 26 in the interlayer insulating film 27 is formed.
A contact 28 made of polysilicon in contact with the second diffusion layer 26 is formed in the upper region of FIG. Next, the gate electrode 24 on the interlayer insulating film 27 is formed by sputtering.
A lower electrode 29 made of ruthenium which is in contact with the contact 28 is selectively formed in a region above the lower electrode 29. Subsequently, the temperature of the substrate 21 on which the lower electrode 29 is formed is about 80 ° C.
Anneal for about 2 minutes in a mixed gas of hydrogen and argon at 0 ° C.

【0060】次に、図4(b)に示すように、CVD法
を用いて、層間絶縁膜27上に下部電極29を含む全面
にわたってTa25からなる容量絶縁膜30を堆積し、
続いて、容量絶縁膜30に対してUV−O3 処理による
酸素の補充を行なうと共に、温度が約750℃で1分間
程度のアニールを行なうことにより、容量絶縁膜を構成
するTa25を結晶化する。続いて、CVD法により、
結晶化された容量絶縁膜30の上にルテニウムからなる
上部電極31を堆積し、続いて、温度が約600℃で約
1分間のアニールを行なうことにより、キャパシタ部全
体に対する加工ダメージの回復を図る。
Next, as shown in FIG. 4B, a capacitance insulating film 30 made of Ta 2 O 5 is deposited on the interlayer insulating film 27 over the entire surface including the lower electrode 29 by using the CVD method.
Subsequently, oxygen is supplemented to the capacitive insulating film 30 by UV-O 3 treatment, and annealing is performed at a temperature of about 750 ° C. for about 1 minute to remove Ta 2 O 5 constituting the capacitive insulating film. Crystallizes. Subsequently, by the CVD method,
An upper electrode 31 made of ruthenium is deposited on the crystallized capacitor insulating film 30 and subsequently annealed at a temperature of about 600 ° C. for about 1 minute to recover the processing damage to the entire capacitor section. .

【0061】本実施形態においては、図4(a)に示す
ように、下部電極29のパターニングを行なった後に、
結晶粒の成長及び階段状の表面形状を形成するためのア
ニールを行なっている。これは、エッチング等によるパ
ターニング時には、結晶粒の粒径が小さい方が加工しや
すいからである。その上、パターニング後は、膜状のル
テニウムが孤立パターンとなるため、アニール時に生じ
る基板面に平行な方向のストレスを緩和できる。また、
孤立パターンとなったルテニウム中で結晶粒が成長する
ため、結晶粒の数が減少する。
In this embodiment, as shown in FIG. 4A, after the lower electrode 29 is patterned,
Annealing for growing crystal grains and forming a step-like surface shape is performed. This is because, during patterning by etching or the like, the smaller the grain size of the crystal grains, the easier the processing. In addition, after patterning, film-like ruthenium becomes an isolated pattern, so that stress generated in annealing in a direction parallel to the substrate surface can be reduced. Also,
Since the crystal grains grow in the ruthenium in the isolated pattern, the number of crystal grains is reduced.

【0062】なお、本実施形態においては、キャパシタ
部の下部電極29に、単層のルテニウムを用いたが、他
の導体膜との積層構造としてもよい。
In the present embodiment, a single layer of ruthenium is used for the lower electrode 29 of the capacitor section, but a laminated structure with another conductor film may be used.

【0063】また、容量絶縁膜30にTa25を用いた
が、これに限らず、STOやBSTを用いてもよい。
Although Ta 2 O 5 is used for the capacitance insulating film 30, the present invention is not limited to this, and STO or BST may be used.

【0064】また、下部電極29に対するアニールの雰
囲気にアルゴンと水素との混合ガスを用いたが、これに
限らず、非酸化性ガスであればよい。また、アニール温
度を800℃としたが、ルテニウムの結晶粒の成長が生
じる温度であればよい。
Although a mixed gas of argon and hydrogen is used as an atmosphere for annealing the lower electrode 29, the present invention is not limited to this, and a non-oxidizing gas may be used. The annealing temperature is 800 ° C., but may be any temperature at which the growth of ruthenium crystal grains occurs.

【0065】このことを利用して、例えば、容量絶縁膜
30を成膜する成膜装置内において、容量絶縁膜30を
成膜する前に、非酸化性ガスの雰囲気で下部電極29に
対するアニールを行なってもよい。このようにすると、
アニール専用の炉を用いることなく下部電極29のアニ
ールを行なえるので、製造工程を簡単化できる。
By utilizing this, for example, in the film forming apparatus for forming the capacitance insulating film 30, before forming the capacitance insulating film 30, the lower electrode 29 is annealed in a non-oxidizing gas atmosphere. You may do it. This way,
Since the lower electrode 29 can be annealed without using an annealing furnace, the manufacturing process can be simplified.

【0066】なお、アニール温度を上げ過ぎると、トラ
ンジスタ部における第1の拡散層25及び第2の拡散層
26の注入プロファイルが崩れる。また、ゲート電極2
4やコンタクト28にシリサイド膜を形成するような場
合には、シリサイド膜による不良が生じることがある。
If the annealing temperature is too high, the implantation profile of the first diffusion layer 25 and the second diffusion layer 26 in the transistor portion is broken. Also, the gate electrode 2
In the case where a silicide film is formed on the contact 4 or the contact 28, a defect due to the silicide film may occur.

【0067】(第3の実施形態)以下、本発明の第3の
実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参
照しながら説明する。
(Third Embodiment) Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0068】図5(a)〜(c)及び図6(a)、
(b)は第3の実施形態に係るDRAM装置の製造方法
の工程順の断面構成を示している。
FIGS. 5 (a) to 5 (c) and 6 (a),
(B) shows a sectional configuration in a process order of the method for manufacturing the DRAM device according to the third embodiment.

【0069】まず、図5(a)に示すように、p型シリ
コンからなる基板41上に、酸化シリコンからなる素子
分離層42を選択的に形成する。続いて、基板41上に
おける素子分離層42に囲まれた素子形成領域に、ゲー
ト絶縁膜43及びゲート電極44を形成し、その後、ゲ
ート電極44をマスクとしたイオン注入によりn+ 型の
第1の拡散層45及びn+ 型の第2の拡散層46を自己
整合的に形成する。
First, as shown in FIG. 5A, an element isolation layer 42 made of silicon oxide is selectively formed on a substrate 41 made of p-type silicon. Subsequently, a gate insulating film 43 and a gate electrode 44 are formed in a device formation region surrounded by a device isolation layer 42 on the substrate 41, and thereafter, the n + -type first is formed by ion implantation using the gate electrode 44 as a mask. a second diffusion layer 46 of the diffusion layer 45 and n + -type self-aligned manner.

【0070】続いて、基板41上にゲート電極44を含
む全面にわたって酸化シリコンからなる層間絶縁膜47
を堆積し、該層間絶縁膜47における第2の拡散層46
の上側の領域に該第2の拡散層46と接触するポリシリ
コンからなるコンタクト48を形成する。その後、層間
絶縁膜47上に、下部電極の形状を決定する、酸化シリ
コンからなる第1の絶縁膜49及び窒化シリコンからな
る第2の絶縁膜50を順次堆積する。
Subsequently, an interlayer insulating film 47 made of silicon oxide is formed on the entire surface including the gate electrode 44 on the substrate 41.
Is deposited, and a second diffusion layer 46 in the interlayer insulating film 47 is formed.
A contact 48 made of polysilicon contacting the second diffusion layer 46 is formed in the upper region of FIG. Thereafter, a first insulating film 49 made of silicon oxide and a second insulating film 50 made of silicon nitride, which determine the shape of the lower electrode, are sequentially deposited on the interlayer insulating film 47.

【0071】次に、図5(b)に示すように、第1の絶
縁膜49及び第2の絶縁膜50におけるコンタクト48
の上側の領域に対してエッチングを行なうことにより、
コンタクト48及び層間絶縁膜47におけるコンタクト
48の周辺部を露出する開口部49aを形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, the contacts 48 in the first insulating film 49 and the second insulating film 50 are formed.
By etching the upper region of
An opening 49a for exposing the contact 48 and the peripheral portion of the contact 48 in the interlayer insulating film 47 is formed.

【0072】次に、図5(c)に示すように、スパッタ
法を用いて、第2の絶縁膜50上に開口部49aの底面
及び壁面を含む全面にわたってルテニウムからなる下部
電極形成膜51Aを形成し、その後、CVD法等を用い
て、下部電極形成膜51Aの全面に酸化シリコンからな
る保護層52を形成する。続いて、保護層52の上に開
口部49aを充填するようにレジスト膜53を塗布す
る。
Next, as shown in FIG. 5C, a lower electrode forming film 51A made of ruthenium is formed on the second insulating film 50 over the entire surface including the bottom surface and the wall surface of the opening 49a by sputtering. After that, a protective layer 52 made of silicon oxide is formed on the entire surface of the lower electrode forming film 51A by using a CVD method or the like. Subsequently, a resist film 53 is applied on the protective layer 52 so as to fill the opening 49a.

【0073】次に、図6(a)に示すように、開口部4
9aを除くレジスト膜53、保護層52及び下部電極形
成膜51Aに対して異方性のドライエッチによるエッチ
バックを行なって、第2の絶縁膜50を露出させる。こ
れにより、下部電極形成膜51Aから、開口部49aの
底面上及び壁面上に下部電極51Bを形成する。その
後、開口部49aに残る保護層52をフッ酸(HF)を
含む薬液で除去する。続いて、下部電極51Bが形成さ
れた基板41に対して、温度が約800℃の水素及びア
ルゴンの混合ガス中で約2分間のアニールを行なう。
Next, as shown in FIG.
The resist film 53, the protective layer 52, and the lower electrode forming film 51A except 9a are etched back by anisotropic dry etching to expose the second insulating film 50. Thereby, the lower electrode 51B is formed on the bottom surface and the wall surface of the opening 49a from the lower electrode forming film 51A. After that, the protective layer 52 remaining in the opening 49a is removed with a chemical solution containing hydrofluoric acid (HF). Subsequently, annealing is performed on the substrate 41 on which the lower electrode 51B is formed in a mixed gas of hydrogen and argon at a temperature of about 800 ° C. for about 2 minutes.

【0074】これにより、下部電極51Bは、図2
(a)に示すようなルテニウムの結晶粒が成長する。本
実施形態においても、下部電極51Bのパターニング後
に該下部電極51Bのアニールを行なって、下部電極形
成膜51Aの加工を容易としている。また、パターニン
グ後は、膜状のルテニウムが孤立パターンに加工されて
いるため、アニール時に生じる基板面に平行な方向のス
トレスを緩和できる。また、孤立パターンとなったルテ
ニウム中で結晶粒が成長するため、結晶粒の数が減少す
る。
As a result, the lower electrode 51B is
Ruthenium crystal grains as shown in FIG. Also in the present embodiment, annealing of the lower electrode 51B is performed after patterning of the lower electrode 51B, thereby facilitating the processing of the lower electrode forming film 51A. After patterning, the film-like ruthenium is processed into an isolated pattern, so that stress generated in the direction parallel to the substrate surface during annealing can be reduced. In addition, since crystal grains grow in ruthenium in an isolated pattern, the number of crystal grains decreases.

【0075】次に、図6(b)に示すように、例えば1
50℃程度にまで加熱した熱燐酸により第2の絶縁膜5
0を除去し、続いて、フッ酸等により第1の絶縁膜49
を除去することにより、有底筒状の下部電極51Bを得
る。
Next, as shown in FIG.
Second insulating film 5 made of hot phosphoric acid heated to about 50 ° C.
0 is removed, and then the first insulating film 49 is removed with hydrofluoric acid or the like.
Is removed to obtain a bottom electrode 51B having a bottomed cylindrical shape.

【0076】なお、本実施形態においては、レジスト膜
53を用いたエッチバックにより、下部電極形成膜51
Aにおける開口部49aを除く領域を除去しているが、
他の方法として、例えば、化学機械研磨法を用いてもよ
い。
In this embodiment, the lower electrode forming film 51 is etched back using the resist film 53.
Although the area excluding the opening 49a in A is removed,
As another method, for example, a chemical mechanical polishing method may be used.

【0077】この化学機械研磨法を用いる場合でも、下
部電極形成膜51Aの上面に保護層52を形成しておく
ことが望ましい。このようにすると、研磨時に開口部4
9a等に堆積したスラリを、研磨後の洗浄によって保護
層52をリフトオフさせることにより容易に除去するこ
とができる。
Even when using the chemical mechanical polishing method, it is desirable to form the protective layer 52 on the upper surface of the lower electrode forming film 51A. By doing so, the opening 4
The slurry deposited on 9a or the like can be easily removed by lifting off the protective layer 52 by washing after polishing.

【0078】また、下部電極51Bに対するアニール
は、第1の絶縁膜49及び第2の絶縁膜50を除去した
後でもよい。
The annealing for the lower electrode 51B may be performed after the first insulating film 49 and the second insulating film 50 are removed.

【0079】また、本発明の各実施形態において、ルテ
ニウムからなる電極のアニール温度は、450℃〜90
0℃であれば良い。また、アニールの非酸化性雰囲気ガ
スを構成するアルゴンと水素との割合は、水素がアルゴ
ンガス中に含まれる微量の酸素と反応できる程度であれ
ば良く、通常は1%以上であれば良い。
In each embodiment of the present invention, the annealing temperature of the electrode made of ruthenium is 450 ° C. to 90 ° C.
It is sufficient that the temperature is 0 ° C. In addition, the ratio of argon and hydrogen constituting the non-oxidizing atmosphere gas for annealing may be such that hydrogen can react with a trace amount of oxygen contained in the argon gas, and is usually 1% or more.

【0080】[0080]

【発明の効果】本発明に係る半導体装置及びその製造方
法によると、電極又は配線を構成する部材の結晶粒の表
面形状が階段状であるため、各結晶粒の表面積が増大す
るので、階段状の表面形状を有さない場合よりも大きく
なる。その上、互いに隣接する結晶粒同士の接続面と結
晶表面とのなす角度が鈍角であるため、結晶粒の界面に
電界の集中が起こりにくくなるので、リーク電流が低減
する。これにより、高誘電率を持つ機能性材料膜を容量
絶縁膜とするキャパシタの電極に本発明の電極を用いる
と、リーク電流が少ない半導体装置を得ることができ
る。
According to the semiconductor device and the method of manufacturing the same according to the present invention, since the surface shape of the crystal grains of the members constituting the electrodes or wirings is stepped, the surface area of each crystal grain is increased. Is larger than the case without the surface shape. In addition, since the angle between the connecting surface of the crystal grains adjacent to each other and the crystal surface is an obtuse angle, the concentration of the electric field at the interface between the crystal grains is less likely to occur, so that the leak current is reduced. Accordingly, when the electrode of the present invention is used for the electrode of the capacitor in which the functional material film having a high dielectric constant is used as the capacitor insulating film, a semiconductor device with less leakage current can be obtained.

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

【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示
す構成断面図である。
FIG. 1 is a configuration sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】(a)〜(c)は本発明の第1の実施形態に係
る半導体装置の電極を構成するルテニウムの結晶粒の表
面形状を拡大して示し、(a)は模式的な平面図であ
り、(b)は(a)のIIb−IIb線における構成断面図
であり、(c)は(b)における一段差部を拡大した構
成断面図である。
FIGS. 2A to 2C are enlarged views showing the surface shapes of ruthenium crystal grains constituting an electrode of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. It is a figure, (b) is a sectional view taken on the line IIb-IIb of (a), and (c) is a sectional view in which a step portion in (b) is enlarged.

【図3】(a)及び(b)は比較用の半導体装置の電極
を構成するルテニウムの結晶粒の表面形状を拡大して示
し、(a)は模式的な平面図であり、(b)は(a)の
IIIb−IIIb線における構成断面図である。
FIGS. 3A and 3B are enlarged views of the surface shape of ruthenium crystal grains constituting an electrode of a semiconductor device for comparison, FIG. 3A is a schematic plan view, and FIG. Is (a)
FIG. 3 is a sectional view taken along line IIIb-IIIb.

【図4】(a)及び(b)は本発明の第2の実施形態に
係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図で
ある。
FIGS. 4A and 4B are sectional views in the order of steps showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図5】(a)〜(c)は本発明の第3の実施形態に係
る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図であ
る。
FIGS. 5A to 5C are sectional views in the order of steps showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

【図6】(a)及び(b)は本発明の第3の実施形態に
係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図で
ある。
FIGS. 6A and 6B are cross-sectional views in the order of steps showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1〜5 結晶粒 10 段差部 11 基板 12 熱酸化膜 13 下部電極 14 容量絶縁膜 15 上部電極 21 基板 22 素子分離層 23 ゲート絶縁膜 24 ゲート電極 25 第1の拡散層 26 第2の拡散層 27 層間絶縁膜 28 コンタクト 29 下部電極 30 容量絶縁膜 31 上部電極 41 基板 42 素子分離層 43 ゲート絶縁膜 44 ゲート電極 45 第1の拡散層 46 第2の拡散層 47 層間絶縁膜 48 コンタクト 49 第1の絶縁膜 49a 開口部 50 第2の絶縁膜 51A 下部電極形成膜 51B 下部電極 52 保護層 53 レジスト膜 1-5 crystal grain 10 stepped portion 11 substrate 12 thermal oxide film 13 lower electrode 14 capacitance insulating film 15 upper electrode 21 substrate 22 element isolation layer 23 gate insulating film 24 gate electrode 25 first diffusion layer 26 second diffusion layer 27 Interlayer insulating film 28 Contact 29 Lower electrode 30 Capacitive insulating film 31 Upper electrode 41 Substrate 42 Element isolation layer 43 Gate insulating film 44 Gate electrode 45 First diffusion layer 46 Second diffusion layer 47 Interlayer insulation film 48 Contact 49 First Insulating film 49a Opening 50 Second insulating film 51A Lower electrode forming film 51B Lower electrode 52 Protective layer 53 Resist film

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に形成されたルテニウムを含む電
極又は配線を備え、 前記ルテニウムの結晶粒は階段状の表面形状を有してい
ることを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device comprising an electrode or a wiring containing ruthenium formed on a substrate, wherein the ruthenium crystal grains have a stepped surface shape.
【請求項2】 基板上に形成された下部電極と、 前記下部電極上に形成された容量絶縁膜と、 前記容量絶縁膜上に形成された上部電極とを備え、 前記下部電極は結晶粒を含み、該結晶粒は階段状の表面
形状を有していることを特徴とする半導体装置。
2. A semiconductor device comprising: a lower electrode formed on a substrate; a capacitor insulating film formed on the lower electrode; and an upper electrode formed on the capacitor insulating film. A semiconductor device, wherein the crystal grains have a stepped surface shape.
【請求項3】 前記下部電極はルテニウムを含むことを
特徴とするを請求項2に記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein said lower electrode contains ruthenium.
【請求項4】 基板上にルテニウムを含む導体膜を形成
する導体膜形成工程と、 前記導体膜を所定形状にパターニングすることにより、
前記導体膜からなる電極又は配線を形成する電極配線形
成工程と、 非酸化性雰囲気でアニールを行なうことにより、前記導
体膜を構成するルテニウムの結晶粒の表面形状を階段状
とするアニール工程とを備えていることを特徴とする半
導体装置の製造方法。
4. A conductive film forming step of forming a conductive film containing ruthenium on a substrate, and patterning the conductive film into a predetermined shape,
An electrode wiring forming step of forming an electrode or a wiring made of the conductive film; and an annealing step of performing annealing in a non-oxidizing atmosphere to make the surface shape of ruthenium crystal grains constituting the conductive film a step shape. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項5】 前記非酸化性雰囲気は水素を含むことを
特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
5. The method according to claim 4, wherein the non-oxidizing atmosphere contains hydrogen.
【請求項6】 基板上にルテニウムを含む導体膜を形成
する導体膜形成工程と、 前記導体膜を所定形状にパターニングすることにより、
前記導体膜からなる下部電極を形成する下部電極形成工
程と、 非酸化性雰囲気でアニールを行なうことにより、前記導
体膜を構成するルテニウムの結晶粒の表面形状を階段状
とするアニール工程と、 前記下部電極の上に容量絶縁膜を形成する容量絶縁膜形
成工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製
造方法。
6. A conductive film forming step of forming a conductive film containing ruthenium on a substrate, and by patterning the conductive film into a predetermined shape,
A lower electrode forming step of forming a lower electrode made of the conductive film; and an annealing step of performing annealing in a non-oxidizing atmosphere to make a surface shape of ruthenium crystal grains constituting the conductive film a step-like shape. Forming a capacitive insulating film on the lower electrode.
【請求項7】 前記非酸化性雰囲気は水素を含むことを
特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
7. The method according to claim 6, wherein the non-oxidizing atmosphere contains hydrogen.
【請求項8】 前記容量絶縁膜は、五酸化タンタル、チ
タン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム又はチタン酸
バリウムストロンチウムからなることを特徴とする請求
項6又は7に記載の半導体装置の製造方法。
8. The method according to claim 6, wherein the capacitance insulating film is made of tantalum pentoxide, strontium titanate, barium titanate, or barium strontium titanate.
【請求項9】 前記アニール工程は、前記容量絶縁膜形
成工程よりも前に行なうことを特徴とする請求項6〜8
のうちのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
9. The method according to claim 6, wherein the annealing step is performed before the capacitive insulating film forming step.
13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
【請求項10】 前記アニール工程は、前記下部電極形
成工程よりも後に行なうことを特徴とする請求項6〜8
のうちのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
10. The method according to claim 6, wherein the annealing step is performed after the lower electrode forming step.
13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
【請求項11】 前記導体膜形成工程は、前記導体膜を
有底筒状に形成する工程を含むことを特徴とする請求項
6〜8のうちのいずれか1項に記載の半導体装置の製造
方法。
11. The manufacturing of a semiconductor device according to claim 6, wherein said conductor film forming step includes a step of forming said conductor film into a bottomed cylindrical shape. Method.
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