JP2001284548A - Semiconductor memory device and producing method therefor - Google Patents

Semiconductor memory device and producing method therefor

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JP2001284548A
JP2001284548A JP2000099647A JP2000099647A JP2001284548A JP 2001284548 A JP2001284548 A JP 2001284548A JP 2000099647 A JP2000099647 A JP 2000099647A JP 2000099647 A JP2000099647 A JP 2000099647A JP 2001284548 A JP2001284548 A JP 2001284548A
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layer
hole
insulating film
metal layer
tungsten
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JP2000099647A
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Japanese (ja)
Inventor
Sadahiro Kishii
貞浩 岸井
Junichi Watanabe
渡辺  純一
Akio Ito
昭男 伊藤
Andrew Kelly
アンドリュー ケリー
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent oxidization between the lower electrode of a capacitor and a plug. SOLUTION: A hole 18 is formed on an insulating film 17, a barrier metal layer 19a is formed on the inner surface of the hole 18 and the upper surface of the insulating film 17, and a tungsten layer 19b is formed on the barrier metal layer 19a inside the hole 18 by CVD. Then, the tungsten layer 19b and the barrier metal layer 19a are removed from the upper surface of the insulating film 17 by either grinding or etching, the tungsten layer 19b is left inside the hole 18 in the state of making a recessed part 18a existent at the upper part inside the hole 18, and a contact metal layer 19c is formed inside the insulating film 17 and the recessed part 18a. Then, the contact metal layer 19c is removed from the upper surface of the insulating film 17 and left only inside the recessed part 18a by either grinding or etching, a ferroelectric capacitor 20 is formed thereon and further, the capacitor 20 is annealed in the oxygen-containing atmosphere.

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、半導体記憶装置及
びその製造方法に関し、より詳しくは、強誘電体、高誘
電体キャパシタを含む半導体記憶装置及びその製造方法
に関する。
The present invention relates to a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor memory device including a ferroelectric and a high dielectric capacitor and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、ICカード等のメモリデバイスと
してFeRAMが使用されている。FeRAMのセル構
造として例えば図1に示すような構造のものがある。図
1において、シリコン基板1にはMOSトランジスタ2
が形成され、その上にはキャパシタQが形成されてい
る。
2. Description of the Related Art In recent years, FeRAM has been used as a memory device such as an IC card. As a cell structure of the FeRAM, for example, there is one having a structure as shown in FIG. In FIG. 1, a MOS transistor 2 is provided on a silicon substrate 1.
Is formed, and a capacitor Q is formed thereon.

【0003】そのMOSトランジスタ2は、シリコン基
板1上にゲート絶縁膜2aを介して形成されたゲート電
極(ワード線)2bと、ゲート電極2bの両側のシリコ
ン基板1に形成された不純物拡散層2c、2dとを有し
ている。また、MOSトランジスタ2を覆うSiO2層間絶
縁膜3に形成されたホール4にはポリシリコンのプラグ
5が埋め込まれ、そのプラグ5は、シリコン基板1の不
純物拡散層2cに接続されている。また、SiO2層間絶縁
膜3上には、一部がプラグ5に接続する第一の酸化イリ
ジウム(IrO2)膜6aが形成され、その上には第一のイ
リジウム(Ir)膜6b、第二の酸化イリジウム膜6c、
PZT強誘電体膜7、第三の酸化イリジウム膜8a及び
第二のイリジウム膜8bが順に形成されている。
The MOS transistor 2 has a gate electrode (word line) 2b formed on a silicon substrate 1 via a gate insulating film 2a, and an impurity diffusion layer 2c formed on the silicon substrate 1 on both sides of the gate electrode 2b. , 2d. In addition, a polysilicon plug 5 is buried in a hole 4 formed in the SiO 2 interlayer insulating film 3 covering the MOS transistor 2, and the plug 5 is connected to the impurity diffusion layer 2 c of the silicon substrate 1. A first iridium oxide (IrO 2 ) film 6a partially connected to the plug 5 is formed on the SiO 2 interlayer insulating film 3, and a first iridium (Ir) film 6b is formed thereon. A second iridium oxide film 6c,
A PZT ferroelectric film 7, a third iridium oxide film 8a, and a second iridium film 8b are sequentially formed.

【0004】第一のIrO2膜6a、第一のIr膜6b、第二
のIrO2膜6cは所定の大きさにパターニングされてキャ
パシタQの下部電極6を構成し、また、PZT強誘電体
膜7は所定の大きさにパターニングされてキャパシタQ
の誘電体膜を構成し、さらに第三の酸化イリジウム膜8
a、第二のイリジウム膜8bも所定の大きさにパターニ
ングされてキャパシタQの上部電極8を構成する。
The first IrO 2 film 6a, the first Ir film 6b, and the second IrO 2 film 6c are patterned into a predetermined size to form the lower electrode 6 of the capacitor Q, and a PZT ferroelectric material. The film 7 is patterned into a predetermined size to form a capacitor Q
And a third iridium oxide film 8
a, the second iridium film 8b is also patterned into a predetermined size to form the upper electrode 8 of the capacitor Q.

【0005】以上のようなポリシリコンのプラグ5直上
にキャパシタQを形成する構造は、例えば、1999, Symp
osium on VLSI Technology Digest of Technical Paper
s, pp.141-142 に記載されている。この文献に記載され
ているプラグの材料であるポリシリコンは、タングステ
ンと比較して抵抗が高いので、ロジックデバイスとの混
載には向いていない。
The structure in which the capacitor Q is formed directly above the polysilicon plug 5 is described in, for example, 1999, Symp
osium on VLSI Technology Digest of Technical Paper
s, pp. 141-142. Polysilicon, which is a material of a plug described in this document, has a higher resistance than tungsten, and is not suitable for mixed mounting with a logic device.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、プラグの
材料として、抵抗が低く、ロジックとの混載が容易なタ
ングステンを採用することを試みている。設計ルールが
0.35μm世代以降の半導体デバイスでは、MOSト
ランジスタの不純物拡散領域にプラグが接触する面積が
著しく狭まり、プラグと不純物拡散領域との表面コンタ
クト抵抗が例えば1kΩレベルにまで達し、歩留まりを
悪化する要因として見逃せなくなったため、不純物拡散
領域表面を高融点金属シリサイド化するいわゆるサリサ
イド技術を用いてコンタクト面における抵抗を下げる工
夫が必須といわれている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present inventor has attempted to employ, as a plug material, tungsten which has a low resistance and is easily mixed with a logic. In a semiconductor device having a design rule of 0.35 μm generation or later, the area where the plug contacts the impurity diffusion region of the MOS transistor is significantly reduced, and the surface contact resistance between the plug and the impurity diffusion region reaches, for example, 1 kΩ level, and the yield is deteriorated. It is said that it is indispensable to reduce the resistance at the contact surface by using a so-called salicide technique for converting the surface of the impurity diffusion region into a high melting point metal silicide.

【0007】しかし、工程を簡略化し、メモリセルデバ
イス、ロジックデバイス等の異なる領域でプラグを一工
程で一気に形成しようとすると、同じ半導体基板面の全
てのプラグ形成予定領域表面も高融点金属シリサイド化
せざるを得ない。この場合、設計ルールが0.35μm
世代以降のデバイスにおいてもたらされる微細化は、プ
ラグを作りつけるべき窓の幅をも狭めてしまうが、一方
で、層間絶縁膜の厚さは絶縁性能を維持し、配線層間の
相互干渉を避けるには、やむなくある程度の厚さを確保
するしかなく、その結果、プラグ用ホールの開口が狭く
て奥行きの深い高アスペクト比になってしまう。このよ
うな高アスペクト比のホールに対してはスパッタリング
を用いてタングステンを形成することには無理がある。
However, if the process is simplified and plugs are to be formed in one step at a time in different regions of a memory cell device, a logic device, or the like, all the regions where the plugs are to be formed on the same semiconductor substrate surface are made of high melting point metal silicide. I have to do it. In this case, the design rule is 0.35 μm
The miniaturization introduced in future generations of devices will also reduce the width of the window in which the plug is built, while the thickness of the interlayer dielectric will maintain the insulation performance and avoid mutual interference between wiring layers. However, there is no other way but to secure a certain thickness, and as a result, the opening of the plug hole is narrow and the depth is high, resulting in a high aspect ratio. It is not possible to form tungsten for such high aspect ratio holes using sputtering.

【0008】例えば、図2(a) に示すように、層間絶縁
膜3の上面とホール4の内面に沿ってバリアメタル膜9
を形成した後に、そのバリアメタル膜9の上にタングス
テン膜10を形成することになるが、スパッタリング形
成によって高アスペクト比のホール内をタングステン膜
10で埋めようとすると、ホール4内ではボイド10a
の発生が避けられなくなる。
For example, as shown in FIG. 2A, a barrier metal film 9 is formed along the upper surface of the interlayer insulating film 3 and the inner surface of the hole 4.
Is formed, a tungsten film 10 is formed on the barrier metal film 9. However, if the tungsten film 10 is to be filled with a high aspect ratio hole by sputtering, the void 10a is formed in the hole 4.
Inevitably occur.

【0009】そして、そのようなボイド10aのある状
態で、SiO2絶縁膜上のタングステンをCMPにより除去
しようとすると、図2(b) に示すように、研磨終了時に
ボイド10aの中に研磨剤mが入り込んでしまって信頼
性が低下する。あるいは、図2(c) に示すように、PZ
T強誘電体膜7等を形成した後に、PZT特性発現のた
めに酸素雰囲気下で500〜700℃の高温でキャパシ
タQを加熱すると、ボイド10aが破裂し、層構成材料
がホール4の周囲に飛散してデバイス性能に致命的な損
傷をもたらし、ひいては歩留まりを低下させる原因とな
る。
When the tungsten on the SiO2 insulating film is to be removed by CMP in a state where the void 10a is present, as shown in FIG. And the reliability decreases. Alternatively, as shown in FIG.
After forming the T ferroelectric film 7 and the like, when the capacitor Q is heated at a high temperature of 500 to 700 ° C. in an oxygen atmosphere for PZT characteristic development, the void 10 a ruptures and the layer forming material is Scattering can cause catastrophic damage to device performance, which in turn can reduce yield.

【0010】一方、微細デバイスに対しては、ボイド発
生を防ぐために高温高圧スパッタリング法を用いること
にも無理がある。余分な高温や圧力をかけることは、デ
バイスの他の領域にストレスを及ぼしかねず、歩留まり
を下げる要因となることからである。余分に熱をかけれ
ば、例えばロジックデバイスを高速化させようとして浅
く不純物を導入して形成されたソース/ドレイン領域の
下に金属が突き抜けるまでシリサイド化が深く進んでし
まい、ジャンクション破壊が起こる可能性も高い。
On the other hand, it is impossible to use a high-temperature and high-pressure sputtering method for a fine device in order to prevent the generation of voids. Excessive temperatures and pressures can stress other areas of the device and reduce yield. If extra heat is applied, silicidation will proceed deeply until the metal penetrates below the source / drain regions formed by, for example, introducing shallow impurities to speed up the logic device, possibly causing junction breakdown. Is also expensive.

【0011】また、プラグとして用いようとしているタ
ングステンは、ポリシリコンと比較して酸化されやす
く、また、タングステンの上に直にIrO2膜を形成する
と、それらのコンタクト抵抗が増大する。そこで、下部
電極の最下層として、IrO2膜の下にさらにTiN,WN,TaN ,
Ta, AlSiN, TaSiNのいずれかの導電膜を形成して、IrO2
膜とタングステンプラグとのコンタクト抵抗を低減する
ことが考えられる。
[0011] Tungsten to be used as a plug is more easily oxidized than polysilicon, and if an IrO 2 film is formed directly on tungsten, the contact resistance increases. Therefore, as the bottom layer of the lower electrode, further TiN under the IrO 2 film, WN, TaN,
A conductive film of Ta, AlSiN or TaSiN is formed, and IrO 2
It is conceivable to reduce the contact resistance between the film and the tungsten plug.

【0012】しかし、図3に示すように、下部電極の最
下層として酸化されやすい材料膜、例えばTiN 膜6dを
採用すると、PZT強誘電体膜7のエッチングによるダ
メージからの回復をねらって酸素雰囲気でアニールする
際に、TiN 膜6dはその側面方向から酸素が供給されて
酸化してしまってその側部の膜厚が増大してキャパシタ
構成膜に歪みが生じる。例えば、酸素雰囲気中で700
℃、20分のアニールを行うと、そのTiN 膜6dはその
側面から内方に0.2μm程度酸化される。
However, as shown in FIG. 3, when a material film which is easily oxidized, for example, a TiN film 6d is employed as the lowermost layer of the lower electrode, the PZT ferroelectric film 7 is recovered from the damage caused by the etching to prevent the oxygen atmosphere from being damaged. When annealing is performed, oxygen is supplied from the side direction of the TiN film 6d to oxidize the TiN film 6d, so that the thickness of the side portion increases and the capacitor constituent film is distorted. For example, 700 in an oxygen atmosphere
When annealing is performed at 20 ° C. for 20 minutes, the TiN film 6 d is oxidized inward from the side surface by about 0.2 μm.

【0013】その酸化が発生すると、TiN 膜6dの周辺
部の膜厚が局部的に増加するので、その上のIrO2膜6a
等の平坦性が損なわれる。そのような酸化は、TiN の代
わりにWN,TaN ,Ta, AlSiN のいずれを使用しても生じ
る。ここで、下部電極6を構成するIr膜6bは、PZT
強誘電体膜7を透過してくる酸素を吸収する機能がある
ので、その下のTiN,WN,TaN ,Ta, AlSiN, TaSiN、Wの膜
6dの酸化を抑制する機能があるが、側方からの酸化を
抑制することはできない。
[0013] The oxidation occurs, the film thickness of the peripheral portion of the TiN film 6d is locally increased, IrO 2 film 6a thereon
Etc. are impaired. Such oxidation occurs when any of WN, TaN, Ta, AlSiN is used instead of TiN. Here, the Ir film 6b constituting the lower electrode 6 is made of PZT
Since it has a function of absorbing oxygen passing through the ferroelectric film 7, it has a function of suppressing oxidation of the underlying film 6d of TiN, WN, TaN, Ta, AlSiN, TaSiN, and W. Oxidation from water cannot be suppressed.

【0014】本発明の目的は、ボイドの発生を抑制して
タングステンプラグを形成し、さらに、キャパシタ下部
電極とプラグの間の酸化を防止することができる半導体
記憶装置及びその製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device capable of forming a tungsten plug while suppressing the generation of voids and preventing oxidation between a capacitor lower electrode and a plug, and a method of manufacturing the same. It is in.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記した課題は、半導体
基板の上に形成された絶縁膜と、その絶縁膜に形成され
たホールと、ホールの中で上部に凹部を有するように形
成されたタングステン層と、絶縁膜の上に形成された酸
化イリジウムを有する下部電極と強誘電体膜と上部電極
とからなるキャパシタと、ホールの凹部内に埋め込ま
れ、下部電極とタングステン層とのコンタクト抵抗を低
減したコンタクトメタル層とを有する半導体記憶装置に
よって解決される。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an insulating film formed on a semiconductor substrate, a hole formed in the insulating film, and a recess in the hole. A tungsten layer, a capacitor composed of a lower electrode having iridium oxide formed on an insulating film, a ferroelectric film and an upper electrode, and a contact resistance between the lower electrode and the tungsten layer embedded in the recess of the hole. The problem is solved by a semiconductor memory device having a reduced contact metal layer.

【0016】上記した半導体記憶装置において、凹部内
で前記コンタクトメタル層の上に形成されたイリジウム
層を有してもよい。また、上記した課題は、半導体基板
の上に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜にホールを形成
する工程と、ホール内面と絶縁膜上面の上にバリアメタ
ル層を形成する工程と、バリアメタル層の上にCVD法
によってタングステン層を形成して、このタングステン
層をホール内に充填する工程と、研磨、エッチバックの
いずれかによってタングステン層及びバリアメタル層を
絶縁膜上面から除去するとともに、ホール内の上部に凹
部が存在する状態でタングステン層をホール内に残す工
程と、絶縁膜と凹部内にコンタクトメタル層を形成する
工程と、研磨、エッチバックのいずれかによってコンタ
クトメタル層を絶縁膜上から除去して凹部内にのみ残す
工程と、ホールの上に形成されて酸化イリジウムを有す
る下部電極と強誘電体層と上部電極とからなるキャパシ
タを形成する工程とを有する半導体記憶装置の製造方法
によって解決される。この場合、キャパシタの形成後に
キャパシタを酸素含有雰囲気中でアニールしてもよい。
In the above-described semiconductor memory device, the semiconductor memory device may include an iridium layer formed on the contact metal layer in the recess. Further, the above-mentioned problems include a step of forming an insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a hole in the insulating film, a step of forming a barrier metal layer on the inner surface of the hole and the upper surface of the insulating film, Forming a tungsten layer on the layer by a CVD method, filling the tungsten layer into the hole, removing the tungsten layer and the barrier metal layer from the upper surface of the insulating film by either polishing or etching back, Leaving a tungsten layer in the hole with a recess in the upper portion of the inside, forming a contact metal layer in the insulating film and the recess, and polishing or etching back the contact metal layer on the insulating film. A step of removing from the concave portion and leaving only in the concave portion, a lower electrode, a ferroelectric layer, and an upper electrode formed on the hole and having iridium oxide. It is solved by a method of manufacturing a semiconductor memory device and a step of forming a Ranaru capacitor. In this case, the capacitor may be annealed in an oxygen-containing atmosphere after the formation of the capacitor.

【0017】上記した半導体記憶装置の製造方法におい
て、コンタクト層を絶縁膜から除去する前か後に、コン
タクト層の上にイリジウム層を形成する工程と、研磨、
エッチバックのいずれかによってイリジウム層を絶縁膜
上から除去して凹部内でコンタクトメタル層の上にのみ
残す工程とをさらに有してもよい。なお、上記したコン
タクトメタルは、窒化チタン、窒化タングステン、窒化
タンタル、タンタル、窒化アルミニウムシリコン、窒化
タンタルシリコンから選択される。
In the method for manufacturing a semiconductor memory device described above, before or after removing the contact layer from the insulating film, a step of forming an iridium layer on the contact layer;
The method may further include a step of removing the iridium layer from the insulating film by any one of the etch backs and leaving the iridium layer only on the contact metal layer in the concave portion. Note that the contact metal described above is selected from titanium nitride, tungsten nitride, tantalum nitride, tantalum, aluminum silicon nitride, and tantalum silicon nitride.

【0018】上記した本発明によれば、絶縁膜のホール
内のプラグを構成するタングステン層とキャパシタの下
部電極の間に形成されるコンタクトメタル層をホールの
上部に埋め込むようにした。これにより、キャパシタを
酸素含有雰囲気中でアニールしてもそのコンタクトメタ
ル層が酸素に触れることはなくなり、コンタクトメタル
層の膜厚増加は防止される。
According to the present invention described above, the contact metal layer formed between the tungsten layer forming the plug in the hole of the insulating film and the lower electrode of the capacitor is buried in the upper part of the hole. Thus, even if the capacitor is annealed in an oxygen-containing atmosphere, the contact metal layer does not come into contact with oxygen, and an increase in the thickness of the contact metal layer is prevented.

【0019】また、そのホール内においてコンタクトメ
タル層の上にイリジウムを埋め込むようにしている。こ
れにより、従来のようにキャパシタ下部電極としてイリ
ジウム層を酸化イリジウム層で挟む構造を採用する必要
はなくなり、その下部電極を酸化イリジウムのみで構成
してキャパシタの層数が減って、絶縁膜上のカバレッジ
が改善される。
In addition, iridium is buried on the contact metal layer in the hole. This eliminates the need for adopting a structure in which an iridium layer is sandwiched between iridium oxide layers as a capacitor lower electrode as in the related art, and the lower electrode is composed of only iridium oxide, thereby reducing the number of capacitor layers and reducing the number of capacitor layers. Coverage is improved.

【0020】さらに、絶縁膜のホール内にタングステン
層を形成する際にCVD法を採用している。したがっ
て、ホール内のタングステン層にボイドが発生すること
が阻止される。
Further, when a tungsten layer is formed in a hole of an insulating film, a CVD method is employed. Therefore, generation of voids in the tungsten layer in the holes is prevented.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】そこで、以下に本発明の実施形態
を図面に基づいて説明する。 (第1の実施の形態)図4(a) は、本発明の第1実施形
態のFeRAMセルを示す断面図である。図4(a) にお
いて、シリコン(半導体)基板11の表面にはメモリセ
ル領域を区画するためのLOCOS層12が形成され、
そのメモリセル領域にはワード線WLを兼ねたゲート電
極13aがシリコン基板11上にゲート絶縁膜13bを
介して形成されている。また、シリコン基板11のうち
ゲート電極13aの両側方には、不純物拡散層13c、
13dが形成されている。それらのゲート電極13、不
純物拡散層13c,13d等は、MOSトランジスタ1
3を構成する。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. (First Embodiment) FIG. 4A is a sectional view showing an FeRAM cell according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 4A, a LOCOS layer 12 for defining a memory cell region is formed on a surface of a silicon (semiconductor) substrate 11,
In the memory cell region, a gate electrode 13a also serving as a word line WL is formed on the silicon substrate 11 via a gate insulating film 13b. Also, on both sides of the gate electrode 13a in the silicon substrate 11, an impurity diffusion layer 13c,
13d is formed. The gate electrode 13, the impurity diffusion layers 13c and 13d, etc.
Constituting No. 3.

【0022】MOSトランジスタ13、シリコン基板1
1、LOCOS層12は、SiO2よりなる第1絶縁膜1
4、第2絶縁膜15によって覆われ、その第1、第2絶
縁膜14,15には第1に形成された第1のホール16
を通してビット線BLが第1の不純物拡散層13cに接
続されている。また、ビット線BLと第2絶縁膜15の
上には、SiO2よりなる第3絶縁膜17が形成されてい
る。
MOS transistor 13, silicon substrate 1
1. The LOCOS layer 12 is a first insulating film 1 made of SiO2.
4. Covered by the second insulating film 15, the first and second insulating films 14 and 15 have the first hole 16 formed first.
And the bit line BL is connected to the first impurity diffusion layer 13c. Further, a third insulating film 17 made of SiO2 is formed on the bit line BL and the second insulating film 15.

【0023】そして、第1〜第3絶縁膜14,15,1
7において第2の不純物拡散層13dの上には、第2の
ホール18が形成されている。その第2のホール18の
内面には、チタン、窒化チタンが順に形成されてなる二
層構造のバリアメタル膜19aが形成され、さらに、第
2のホール18の中には、タングステン膜19bとその
上に形成されたコンタクトメタル層19cからなるプラ
グ19が埋め込まれている。コンタクトメタル層19c
は、例えば窒化チタン(TiN )、窒化タングステン(W
N)、窒化タンタル(TaN )、タンタル(Ta)、窒化ア
ルミニウムシリコン(AlSiN )、窒化タンタルシリコン
(TaSiN )のいずれかの導電膜から形成されている。
The first to third insulating films 14, 15, 1
7, a second hole 18 is formed on the second impurity diffusion layer 13d. On the inner surface of the second hole 18, a barrier metal film 19a having a two-layer structure in which titanium and titanium nitride are sequentially formed is formed. In the second hole 18, a tungsten film 19b and a A plug 19 made of a contact metal layer 19c formed thereon is buried. Contact metal layer 19c
Are, for example, titanium nitride (TiN), tungsten nitride (W
N), tantalum nitride (TaN), tantalum (Ta), aluminum silicon nitride (AlSiN), or tantalum silicon nitride (TaSiN).

【0024】さらに、第3絶縁膜17の上には、図4
(b) に示すように、キャパシタ20を構成する下部電極
21と強誘電体膜22と上部電極23が順に形成され、
その下部電極21はプラグ19のコンタクトメタル層1
9cに接続されている。下部電極21は、プラグ19に
接続される第1の酸化イリジウム(IrO2)層21aと、
その上に順に形成される第1のイリジウム(Ir)層21
bと第2の酸化イリジウム層21cとから構成される。
強誘電体膜22としては、PZT、PLZT、STB等
の膜が適用される。また、上部電極23は、下から順に
形成された第3の酸化イリジウム層23aと第2のイリ
ジウム層23bから構成されている。
Further, on the third insulating film 17, FIG.
As shown in FIG. 2B, a lower electrode 21, a ferroelectric film 22, and an upper electrode 23 constituting the capacitor 20 are sequentially formed.
The lower electrode 21 is a contact metal layer 1 of the plug 19.
9c. The lower electrode 21 includes a first iridium oxide (IrO 2 ) layer 21 a connected to the plug 19,
A first iridium (Ir) layer 21 sequentially formed thereon
b and the second iridium oxide layer 21c.
As the ferroelectric film 22, a film such as PZT, PLZT, or STB is applied. The upper electrode 23 is composed of a third iridium oxide layer 23a and a second iridium layer 23b formed in order from the bottom.

【0025】さらに、キャパシタ20と第3絶縁膜17
上には絶縁保護膜24が形成され、その上にはホール2
4aを通してキャパシタ20の上部電極23に接続され
る配線25が形成されている。以上のような構成のメモ
リセルにおいては、プラグ19を構成するタングステン
層19bの上にTiN 等よりなるコンタクトメタル層19
cを形成したので、そのコンタクトメタル層19cによ
って第1の酸化イリジウム層21aとタングステン層1
9bの間の電気抵抗が低減される。しかも、酸化されや
すい材料のコンタクトメタル19cは、第2のホール1
8内のみに形成されてキャパシタ20によって外部から
遮断されているので、キャパシタ20の強誘電体膜22
を酸素アニールする際にコンタクトメタル層19cが酸
化されることがなくなる。
Further, the capacitor 20 and the third insulating film 17
An insulating protective film 24 is formed thereon, and a hole 2 is formed thereon.
A wiring 25 connected to the upper electrode 23 of the capacitor 20 through 4a is formed. In the memory cell having the above structure, the contact metal layer 19 made of TiN or the like is formed on the tungsten layer 19b forming the plug 19.
c, the first iridium oxide layer 21a and the tungsten layer 1a are formed by the contact metal layer 19c.
The electrical resistance during 9b is reduced. Moreover, the contact metal 19c, which is easily oxidized, is formed in the second hole 1
8 and is isolated from the outside by the capacitor 20, so that the ferroelectric film 22 of the capacitor 20
Is no longer oxidized when oxygen is annealed.

【0026】なお、下部電極21において、第1の酸化
イリジウム膜21aを省略して第1のイリジウム層21
bを第3絶縁膜17上に直に形成してもよい。上記した
プラグ19の形成については、以下の第2、第3実施形
態において説明する。 (第2の実施の形態)図5(a) 〜(d) は、本発明の第2
実施形態を示すメモリセルのプラグ形成工程を示す断面
図であって、図4のI−I線から見た断面図である。
In the lower electrode 21, the first iridium oxide film 21a is omitted and the first iridium layer 21 is formed.
b may be formed directly on the third insulating film 17. The formation of the above-described plug 19 will be described in the following second and third embodiments. (Second Embodiment) FIGS. 5A to 5D show a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a plug of the memory cell according to the embodiment, and is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 4.

【0027】図5(a) に示す状態になるまでの工程を説
明する。まず、シリコン基板11を覆う第1〜第3絶縁
膜14,15,17を順に形成した後に、フォトリソグ
ラフィー法によりパターニングして不純物拡散層13d
の上に直径500nmのホール18を形成する。SiO2よ
りなる第3絶縁膜17はTEOSガスを用いてプラズマ
CVD法によって形成される。
The steps up to the state shown in FIG. 5A will be described. First, after the first to third insulating films 14, 15, and 17 covering the silicon substrate 11 are sequentially formed, the impurity diffusion layers 13d are patterned by photolithography.
A hole 18 having a diameter of 500 nm is formed on the substrate. The third insulating film 17 made of SiO2 is formed by a plasma CVD method using TEOS gas.

【0028】続いて、スパッタによって、ホール18の
内面と第3絶縁膜17の上に膜厚10nmのチタン層と
膜厚50nmの窒化チタン層を続けて形成し、これをバ
リアメタル層19aとする。さらに、六フッ化タングス
テン(WF6) ガスを用いてCVD法によりバリアメタル層
19aの上にタングステン層19bを形成してホール1
8内に埋め込む。そのタングステン層19cの成長条件
として、成長雰囲気圧力を0.8Torr、成長温度を40
0℃とし、ガスについてはWF6 ガス流量を300sccm、
水素(H2)ガス流量を3slm とし、ホール18内のタング
ステン層19cにはボイドが発生することはない。
Subsequently, a 10-nm-thick titanium layer and a 50-nm-thick titanium nitride layer are successively formed on the inner surface of the hole 18 and the third insulating film 17 by sputtering, and this is used as a barrier metal layer 19a. . Further, a tungsten layer 19b is formed on the barrier metal layer 19a by CVD using tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas to form a hole 1
Embed in 8. As the growth conditions of the tungsten layer 19c, the growth atmosphere pressure is 0.8 Torr and the growth temperature is 40
0 ° C., and the gas flow rate of the WF 6 gas was 300 sccm,
The flow rate of hydrogen (H 2 ) gas is set to 3 slm, and no void is generated in the tungsten layer 19 c in the hole 18.

【0029】次に、図5(b) に示すように、CMP法に
よって第3絶縁膜17上のタングステン層19bとバリ
アメタル層19aを除去するとともに、ホール18内の
上にディシング部18aを形成する。このディシング部
18aを形成するためにCMP法の際に柔らかい研磨
布、例えばSUBA400(ローテル社)を使用する。
続いて、図5(c) に示すように、スパッタ法により、Ti
N 、WN、TaN 、Ta、AlSiN 、TaSiN のいずれかをコンタ
クトメタル層19cとしてディシング部18a内と第3
絶縁膜17上面の上に形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, the tungsten layer 19b and the barrier metal layer 19a on the third insulating film 17 are removed by a CMP method, and a dishing portion 18a is formed on the inside of the hole 18. I do. In order to form the dishing portion 18a, a soft polishing cloth such as SUBA400 (Rotel) is used in the CMP method.
Subsequently, as shown in FIG.
One of N, WN, TaN, Ta, AlSiN, and TaSiN is used as a contact metal layer 19c in the dishing portion 18a and the third metal.
It is formed on the upper surface of the insulating film 17.

【0030】次に、図5(d) に示すように硬い研磨布と
してOC1000(ローテル社)を使用してコンタクト
メタル層19cを研磨して平坦化することにより、第3
絶縁膜17の上面上からコンタクトメタル層19cを除
去するとともに、ディシング部18aを埋め込むように
コンタクトメタル層19cを残す。以上によりホール1
8内のプラグ19の形成が終了する。
Next, as shown in FIG. 5 (d), the contact metal layer 19c is polished and flattened by using OC1000 (Rotel) as a hard polishing cloth to obtain a third
The contact metal layer 19c is removed from the upper surface of the insulating film 17, and the contact metal layer 19c is left so as to fill the dishing portion 18a. Hall 1
The formation of the plug 19 in 8 is completed.

【0031】この後に、図4(b) に示すような下部電極
21を構成するIrO2層21a、Ir層21b、IrO2層21
cを順に形成し、その上に強誘電体膜22を形成し、さ
らにその上に上部電極23を構成するIrO2層23a、Ir
層23bを順に形成する。IrO2層21a,21c,23
aとIr層21b,23bはスパッタ法により形成され、
強誘電体膜22を構成するPZTはゾルゲル法により形
成される。
Thereafter, the IrO 2 layer 21a, Ir layer 21b and IrO 2 layer 21 constituting the lower electrode 21 as shown in FIG.
c is formed in order, a ferroelectric film 22 is formed thereon, and further thereon, IrO 2 layers 23 a and Ir forming an upper electrode 23 are formed.
The layer 23b is formed in order. IrO 2 layers 21a, 21c, 23
a and the Ir layers 21b and 23b are formed by sputtering.
PZT constituting the ferroelectric film 22 is formed by a sol-gel method.

【0032】また、PZTを形成した後には、酸素雰囲
気中でアニールを施してPZTを結晶化させる。さら
に、下部電極21、PZT強誘電体膜22、上部電極2
3を成膜した後に、それらをフォトリソグラフィー法に
より図4(b) に示したようなキャパシタの形状にパター
ニングし、その後に、酸素雰囲気中でキャパシタ20を
温度700℃程度でアニールしてキャパシタ特性を回復
させる。
After the PZT is formed, annealing is performed in an oxygen atmosphere to crystallize the PZT. Further, the lower electrode 21, the PZT ferroelectric film 22, the upper electrode 2
After the films 3 were formed, they were patterned by photolithography into the shape of a capacitor as shown in FIG. 4B, and then the capacitor 20 was annealed in an oxygen atmosphere at a temperature of about 700.degree. To recover.

【0033】以上のような工程により形成されたメモリ
セルは、図4(b) に示したように、プラグ19を構成す
るタングステン層19bと下部電極21を構成するIrO2
層21aの間に形成されるコンタクトメタル層19cが
ホール18中に完全に埋め込まれるので、キャパシタ形
成後に酸素含有雰囲気中で高温アニール処理が施されて
もコンタクトメタル層19cが酸化されることがなくな
る。これにより、図3に示したようなキャパシタ形成後
の下部電極21の周辺部での持ち上がりが無くなる。
As shown in FIG. 4B, the memory cell formed by the above steps has a tungsten layer 19b forming the plug 19 and an IrO 2 forming the lower electrode 21.
Since contact metal layer 19c formed between layers 21a is completely buried in hole 18, contact metal layer 19c is not oxidized even if high-temperature annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere after formation of the capacitor. . As a result, lifting around the lower electrode 21 after the capacitor is formed as shown in FIG. 3 is eliminated.

【0034】また、プラグ19を構成するタングステン
層19bをCVD法により形成したので、ホール18内
でのタングステン層19bにはボイドが発生しなくな
り、プラグ19への汚物の混入やプラグ19の加熱の際
の破裂が防止される。 (第3の実施の形態)本実施形態では、第2実施形態と
異なるプラグの形成方法について図6(a) 〜(d) に基づ
いて説明する。なお、図6において、図5と同じ符号は
同じ要素を示している。
Further, since the tungsten layer 19b constituting the plug 19 is formed by the CVD method, voids are not generated in the tungsten layer 19b in the hole 18, so that contamination of the plug 19 and contamination of the plug 19 can be prevented. Rupture is prevented. (Third Embodiment) In this embodiment, a method of forming a plug different from that of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 6 (a) to 6 (d). In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIG. 5 indicate the same elements.

【0035】まず、図6(a) に示すように、シリコン基
板11を覆う第1〜第3絶縁膜14,15,17を順に
形成した後に、フォトリソグラフィー法によりパターニ
ングして不純物拡散層13dの上にホール18を形成す
る。続いて、スパッタによって、ホール18の内面と第
3絶縁膜17の上にチタン層と窒化チタン層を続けて形
成し、これをバリアメタル層19aとする。さらに、C
VD法によりバリアメタル層19aの上にタングステン
層19bを形成してホール18内に埋め込む。
First, as shown in FIG. 6A, first to third insulating films 14, 15, 17 covering the silicon substrate 11 are sequentially formed, and then patterned by photolithography to form the impurity diffusion layer 13d. A hole 18 is formed thereon. Subsequently, a titanium layer and a titanium nitride layer are successively formed on the inner surface of the hole 18 and the third insulating film 17 by sputtering, and this is used as a barrier metal layer 19a. Further, C
A tungsten layer 19b is formed on the barrier metal layer 19a by the VD method and buried in the hole 18.

【0036】なお、それらの層の形成方法や形成条件
は、第2実施形態と同じである。次に、図6(b) に示す
ように、エッチバックによって第3絶縁膜17上のタン
グステン層19bとバリアメタル層19aを除去し、さ
らに、ホール18内の上に深さ200nm程度の溝18
bを形成する。この場合のエッチング条件として例えば
SF6 とN2の混合ガスを用いる。
The method and conditions for forming these layers are the same as in the second embodiment. Next, as shown in FIG. 6B, the tungsten layer 19b and the barrier metal layer 19a on the third insulating film 17 are removed by etch-back, and a trench 18 having a depth of about 200 nm is formed above the hole 18.
b is formed. As the etching conditions in this case, for example,
A mixed gas of SF 6 and N 2 is used.

【0037】続いて、図6(c) に示すように、スパッタ
法により、TiN 、WN、TaN 、Ta、AlSiN 、TaSiN のいず
れかをコンタクトメタル層19cとしてディシング部1
8a内と第3絶縁膜17上面の上に形成する。次に、図
6(d) に示すように、硬い研磨布としてIC1000
(ローテル社)を使用してコンタクトメタル層19cを
研磨して平坦化することにより、第3絶縁膜17の上面
上からコンタクトメタル層19cを除去するとともに、
ディシング部18aの中にディッシングが生じないよう
にコンタクトメタル層19cを残すようにする。
Subsequently, as shown in FIG. 6C, any one of TiN, WN, TaN, Ta, AlSiN, and TaSiN is used as a contact metal layer 19c by a sputtering method.
8 a and on the upper surface of the third insulating film 17. Next, as shown in FIG.
The contact metal layer 19c is removed from the upper surface of the third insulating film 17 by polishing and flattening the contact metal layer 19c using (Rotel).
The contact metal layer 19c is left so that dishing does not occur in the dishing portion 18a.

【0038】以上によりホール18内のプラグ19の形
成が終了する。この後に、第2実施形態で説明したよう
な工程でキャパシタ20を形成する。以上のような工程
によれば、図4(b) に示したように、プラグ19を構成
するタングステン層19bと下部電極21を構成するIr
O2層21aの間に形成されたコンタクトメタル層19c
がホール18中に埋め込まれた状態になるので、キャパ
シタ形成後の酸素含有雰囲気中での高温のアニール処理
が施されてもコンタクトメタル層19cが酸化されるこ
とがなくなる。従って、図3に示したようなキャパシタ
形成後の下部電極21の周辺部での持ち上がりが無くな
る。
Thus, the formation of the plug 19 in the hole 18 is completed. Thereafter, the capacitor 20 is formed by the steps described in the second embodiment. According to the above steps, as shown in FIG. 4B, the tungsten layer 19b forming the plug 19 and the Ir forming the lower electrode 21 are formed.
Contact metal layer 19c formed between O 2 layers 21a
Is buried in the hole 18, so that the contact metal layer 19c is not oxidized even if high-temperature annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere after the formation of the capacitor. Therefore, lifting around the lower electrode 21 after the capacitor is formed as shown in FIG. 3 is eliminated.

【0039】また、プラグ19を構成するタングステン
層19bをCVD法により形成したので、ホール18内
のタングステン層19bにはボイドが発生しなくなり、
プラグ19への汚物の混入や加熱の際のプラグ19の破
裂が防止される。 (第4の実施の形態)図7(a) は、本発明の第1実施形
態のFeRAMセルを示す断面図であり、図4(a) と同
じ符号は同じ要素を示している。
Since the tungsten layer 19b constituting the plug 19 is formed by the CVD method, no void is generated in the tungsten layer 19b in the hole 18 and
The contamination of the plug 19 with the waste and the rupture of the plug 19 during heating are prevented. (Fourth Embodiment) FIG. 7A is a sectional view showing an FeRAM cell according to a first embodiment of the present invention, and the same reference numerals as those in FIG. 4A indicate the same elements.

【0040】図7(a) において、シリコン(半導体)基
板11の表面にはメモリセル領域を区画するためのLO
COS層12が形成され、そのメモリセル領域にはワー
ド線WLを兼ねたゲート電極13aがシリコン基板11
上にゲート絶縁膜13bを介して形成されている。ま
た、シリコン基板11のうちゲート電極13aの両側方
には、不純物拡散層13c、13dが形成されている。
それらのゲート電極13、不純物拡散層13c,13d
等は、MOSトランジスタ13を構成する。
In FIG. 7A, an LO for partitioning a memory cell region is provided on the surface of a silicon (semiconductor) substrate 11.
A COS layer 12 is formed, and a gate electrode 13a also serving as a word line WL is provided in a silicon substrate 11 in the memory cell region.
It is formed thereover via a gate insulating film 13b. Further, impurity diffusion layers 13c and 13d are formed on both sides of the gate electrode 13a in the silicon substrate 11.
The gate electrode 13 and the impurity diffusion layers 13c and 13d
Etc. constitute the MOS transistor 13.

【0041】MOSトランジスタ13、シリコン基板1
1、LOCOS層12は、SiO2よりなる第1絶縁膜1
4、第2絶縁膜15によって覆われ、その第1、第2絶
縁膜14,15には第1に形成された第1のホール16
を通してビット線BLが第1の不純物拡散層13cに接
続されている。また、ビット線BLと第2絶縁膜15の
上には、SiO2よりなる第3絶縁膜17が形成されてい
る。
MOS transistor 13, silicon substrate 1
1. The LOCOS layer 12 is a first insulating film 1 made of SiO2.
4. Covered by the second insulating film 15, the first and second insulating films 14 and 15 have the first hole 16 formed first.
And the bit line BL is connected to the first impurity diffusion layer 13c. Further, a third insulating film 17 made of SiO2 is formed on the bit line BL and the second insulating film 15.

【0042】そして、第1〜第3絶縁膜14,15,1
7において第2の不純物拡散層13dの上には、第2の
ホール18が形成されている。その第2のホール18の
内面には、チタン、窒化チタンが順に形成されてなる二
層構造のバリアメタル膜30aが形成され、さらに、第
2のホール18の中には、タングステン膜30bとその
上に形成されたコンタクトメタル層30cとイリジウム
層30dが順に形成され、それらによりホール18内に
はプラグ30が埋め込まれている。コンタクトメタル層
30cは、例えばTiN,WN,TaN ,Ta, AlSiN, TaSiNのいず
れかの導電膜から形成されている。
Then, the first to third insulating films 14, 15, 1
7, a second hole 18 is formed on the second impurity diffusion layer 13d. On the inner surface of the second hole 18, a barrier metal film 30 a having a two-layer structure in which titanium and titanium nitride are formed in this order is formed. In the second hole 18, a tungsten film 30 b and a tungsten film 30 b are formed. The contact metal layer 30c and the iridium layer 30d formed thereon are sequentially formed, and the plugs 30 are buried in the holes 18. The contact metal layer 30c is formed of, for example, any one of TiN, WN, TaN, Ta, AlSiN, and TaSiN.

【0043】さらに、第3絶縁膜17の上には、図7
(b) に示すように、キャパシタ31を構成する下部電極
32、強誘電体膜33、上部電極34が順に形成されて
いる。下部電極32は第1の酸化イリジウム(IrO2)層
から構成され、強誘電体膜33はPZT、PLZT、S
BT等から構成され、また、上部電極34は、下から順
に形成された酸化イリジウム層34aとイリジウム層3
4bから構成されている。
Further, on the third insulating film 17, FIG.
As shown in (b), a lower electrode 32, a ferroelectric film 33, and an upper electrode 34 constituting the capacitor 31 are sequentially formed. The lower electrode 32 is made of a first iridium oxide (IrO 2 ) layer, and the ferroelectric film 33 is made of PZT, PLZT, S
The upper electrode 34 includes an iridium oxide layer 34a and an iridium layer 3 formed in this order from the bottom.
4b.

【0044】さらに、キャパシタ31と第3絶縁膜17
上には絶縁保護膜24が形成され、その上にはホール2
4aを通してキャパシタ31の上部電極34に接続され
る配線25が形成されている。以上のような構成のメモ
リセルにおいては、プラグ30を構成するタングステン
層30bの上にTiN 等よりなるコンタクトメタル層30
cとイリジウム層30dを形成したので、そのコンタク
トメタル層19cによってイリジウム層30dとタング
ステン層30bの間の電気抵抗が低減される。しかも、
酸化されやすい材料のコンタクトメタル30cは、第2
のホール18内のみに形成されてキャパシタ31によっ
て外部から遮断されているので、キャパシタ31の強誘
電体膜33を酸素アニールする際にコンタクトメタル層
30cが酸化されることがなくなる。
Further, the capacitor 31 and the third insulating film 17
An insulating protective film 24 is formed thereon, and a hole 2 is formed thereon.
The wiring 25 connected to the upper electrode 34 of the capacitor 31 through 4a is formed. In the memory cell having the above structure, the contact metal layer 30 made of TiN or the like is formed on the tungsten layer 30b forming the plug 30.
Since c and the iridium layer 30d are formed, the electrical resistance between the iridium layer 30d and the tungsten layer 30b is reduced by the contact metal layer 19c. Moreover,
The contact metal 30c, which is easily oxidized,
The contact metal layer 30c is not oxidized when the ferroelectric film 33 of the capacitor 31 is subjected to oxygen annealing because it is formed only in the hole 18 and is shielded from the outside by the capacitor 31.

【0045】さらに、コンタクトメタル層30cの酸化
を防止するためにその上に形成されるイリジウム層30
dも併せてホール18内にのみ残すようにしたので、イ
リジウムと第3絶縁膜との密着性を向上させるために形
成される酸化イリジウムが一層不要となる。上記したプ
ラグ30の形成については、以下の第5、第6実施形態
において説明する。 (第5の実施の形態)図8(a) 〜(d) は、本発明の第5
実施形態を示すメモリセルのプラグ形成工程を示す断面
図であって、図7のII−II線から見た断面図である。
Further, in order to prevent oxidation of contact metal layer 30c, iridium layer 30 formed thereon is
Since d is also left only in the hole 18, iridium oxide formed for improving the adhesion between iridium and the third insulating film is further unnecessary. The formation of the plug 30 will be described in the following fifth and sixth embodiments. (Fifth Embodiment) FIGS. 8A to 8D show a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a plug of the memory cell according to the embodiment, and is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 7.

【0046】図8(a) に示す状態になるまでの工程を説
明する。この工程は、第2実施形態で説明したと同じ工
程とする。即ち、シリコン基板11を覆う第1〜第3絶
縁膜14,15,17を順に形成した後に、フォトリソ
グラフィー法によりパターニングして不純物拡散層13
dの上にホール18を形成する。続いて、スパッタによ
って、ホール18の内面と第3絶縁膜17の上にチタン
層と窒化チタン層を続けて形成し、これをバリアメタル
層30aとする。さらに、バリアメタル層30a上にタ
ングステン層30bをCVD法により形成してホール1
8内に埋め込む。
The steps up to the state shown in FIG. 8A will be described. This step is the same as that described in the second embodiment. That is, after the first to third insulating films 14, 15, and 17 covering the silicon substrate 11 are sequentially formed, the impurity diffusion layer 13 is patterned by photolithography.
A hole 18 is formed on d. Subsequently, a titanium layer and a titanium nitride layer are successively formed on the inner surface of the hole 18 and the third insulating film 17 by sputtering, and this is used as a barrier metal layer 30a. Further, a tungsten layer 30b is formed on the barrier metal layer 30a by the CVD method to form a hole 1
Embed in 8.

【0047】次に、図8(b) に示すように、エッチバッ
クによって第3絶縁膜17上のタングステン層30bと
バリアメタル層30aを除去するとともに、ホール18
内の上に深さ300nm程度の凹部18cを形成する。
続いて、図8(c) に示すように、スパッタ法により、Ti
N 、WN、TaN 、Ta、AlSiN 、TaSiN のいずれかをコンタ
クトメタル層30cとして凹部18c内と第3絶縁膜1
7上面の上に形成した後に、スパッタ法によりイリジウ
ム層30dを300nmの厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, the tungsten layer 30b and the barrier metal layer 30a on the third insulating film 17 are removed by etch back, and the holes 18 are removed.
A recess 18c having a depth of about 300 nm is formed on the inside.
Subsequently, as shown in FIG.
Any of N, WN, TaN, Ta, AlSiN, and TaSiN is used as a contact metal layer 30c in the recess 18c and the third insulating film 1
7, after forming on the upper surface, an iridium layer 30d is formed to a thickness of 300 nm by a sputtering method.

【0048】次に、図8(d) に示すように、硬い研磨布
としてIC1000(ローテル社)を使用してコンタク
トメタル層30cとイリジウム層30dを研磨して平坦
化することにより、第3絶縁膜17の上面上からそれら
の層30c,30dを除去するとともに、凹部18aを
埋め込むようにそれらの層30c,30dを残す。以上
によりホール18内のプラグ30の形成が終了する。
Next, as shown in FIG. 8 (d), the contact metal layer 30c and the iridium layer 30d are polished and flattened by using IC1000 (Rotel) as a hard polishing cloth, so that the third insulating layer is formed. The layers 30c and 30d are removed from the upper surface of the film 17, and the layers 30c and 30d are left so as to fill the concave portions 18a. Thus, the formation of the plug 30 in the hole 18 is completed.

【0049】この後に、図7(b) に示すような下部電極
32を構成するIrO2層を形成し、その上に強誘電体膜3
3を形成し、さらにその上に上部電極34を構成するIr
O2層34a、Ir層34bを順に形成する。IrO2層とIr層
はスパッタ法により形成され、強誘電体膜33を構成す
るPZTはゾルゲル法により形成される。
Thereafter, an IrO 2 layer constituting the lower electrode 32 as shown in FIG. 7B is formed, and the ferroelectric film 3 is formed thereon.
3 is formed, and Ir is further formed thereon to form the upper electrode 34.
O 2 layer 34a, an Ir layer 34b are sequentially formed. The IrO 2 layer and the Ir layer are formed by a sputtering method, and PZT constituting the ferroelectric film 33 is formed by a sol-gel method.

【0050】また、PZTを形成した後には、酸素雰囲
気中でアニールを施してPZTを結晶化させる。さら
に、下部電極32、PZT強誘電体膜33、上部電極3
4を成膜した後に、それらをフォトリソグラフィー法に
より図7(b) に示したようなキャパシタ31の形状にパ
ターニングし、その後に、酸素雰囲気中でキャパシタ3
1を温度700℃程度でアニールしてキャパシタ特性を
回復させる。
After the PZT is formed, annealing is performed in an oxygen atmosphere to crystallize the PZT. Further, the lower electrode 32, the PZT ferroelectric film 33, and the upper electrode 3
After the films 4 are formed, they are patterned by photolithography into the shape of the capacitor 31 as shown in FIG. 7 (b).
1 is annealed at a temperature of about 700 ° C. to recover the capacitor characteristics.

【0051】以上のような工程により形成されたメモリ
セルは、図7(b) に示したように、プラグ30を構成す
るタングステン層30bと下部電極32を構成するIrO2
層の間に形成されるコンタクトメタル層19cがホール
18中に完全に埋め込まれるので、キャパシタ形成後に
酸素含有雰囲気中で高温アニール処理が施されてもコン
タクトメタル層30cが酸化されることがなくなる。こ
れにより、図3に示したようなキャパシタ形成後の下部
電極21の周辺部での持ち上がりが無くなる。
As shown in FIG. 7B, the memory cell formed by the above steps has a tungsten layer 30b forming the plug 30 and an IrO 2 forming the lower electrode 32.
Since the contact metal layer 19c formed between the layers is completely buried in the hole 18, the contact metal layer 30c is not oxidized even if high-temperature annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere after formation of the capacitor. As a result, lifting around the lower electrode 21 after the capacitor is formed as shown in FIG. 3 is eliminated.

【0052】また、第1実施形態でキャパシタ下部電極
を構成していたイリジウム層30dをホール18内に埋
め込んだので、その下部電極の最下層として形成してい
た酸化イリジウム膜の形成が不要になり、キャパシタを
薄くすることが可能になる。さらに、プラグ30を構成
するタングステン層30bをCVD法により形成したの
で、ホール18内でのタングステン層30bにはボイド
が発生しなくなり、プラグ30への汚物の混入やプラグ
30の加熱の際の破裂が防止される。 (第6の実施の形態)本実施形態では、第5実施形態と
異なるプラグの形成方法について図9、図10に基づい
て説明する。なお、図9,図10において、図8と同じ
符号は同じ要素を示している。
Further, since the iridium layer 30d constituting the lower electrode of the capacitor in the first embodiment is buried in the hole 18, it is not necessary to form the iridium oxide film formed as the lowermost layer of the lower electrode. Thus, the capacitor can be made thinner. Further, since the tungsten layer 30b constituting the plug 30 is formed by the CVD method, voids are not generated in the tungsten layer 30b in the hole 18, and contaminants are mixed into the plug 30 and the plug 30 is ruptured when heated. Is prevented. (Sixth Embodiment) In this embodiment, a method of forming a plug different from that of the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10, the same reference numerals as those in FIG. 8 indicate the same elements.

【0053】まず、図9(a) に示すように、シリコン基
板11を覆う第1〜第3絶縁膜14,15,17を順に
形成した後に、フォトリソグラフィー法によりパターニ
ングして不純物拡散層13dの上にホール18を形成す
る。続いて、スパッタによって、ホール18の内面と第
3絶縁膜17の上にチタン層と窒化チタン層を続けて形
成し、これをバリアメタル層30aとする。さらに、バ
リアメタル層30aの上にタングステン層30bをCV
D法により形成してホール18内に埋め込む。
First, as shown in FIG. 9A, first to third insulating films 14, 15, 17 covering the silicon substrate 11 are sequentially formed, and then patterned by photolithography to form the impurity diffusion layer 13d. A hole 18 is formed thereon. Subsequently, a titanium layer and a titanium nitride layer are successively formed on the inner surface of the hole 18 and the third insulating film 17 by sputtering, and this is used as a barrier metal layer 30a. Further, a tungsten layer 30b is formed on the barrier metal layer 30a by CV.
It is formed by the method D and buried in the hole 18.

【0054】なお、それらの層の形成方法や形成条件
は、第2実施形態と同じである。次に、図9(b) に示す
ように、研磨によって第3絶縁膜17上のタングステン
層30bとバリアメタル層30aを除去し、ホール18
内にのみ残す。その研磨の際には、硬い研磨布としてI
C1000(ローテル社)を使用する。次に、図9(c)
に示すように、ホール18内のタングステン層30bと
バリアメタル層30aの上層部をエッチバックにより除
去することにより、深さ300nm程度の凹部18dを
形成する。この場合のエッチング条件として、例えばア
ルゴンガスを用いる。
The method and conditions for forming these layers are the same as in the second embodiment. Next, as shown in FIG. 9B, the tungsten layer 30b and the barrier metal layer 30a on the third insulating film 17 are removed by polishing, and the holes 18 are removed.
Leave only within. During the polishing, a hard polishing cloth
C1000 (Rotel) is used. Next, FIG.
As shown in (1), the upper portion of the tungsten layer 30b and the barrier metal layer 30a in the hole 18 is removed by etch back to form a concave portion 18d having a depth of about 300 nm. As an etching condition in this case, for example, an argon gas is used.

【0055】続いて、図9(d) に示すように、スパッタ
法により、TiN 、WN、TaN 、Ta、AlSiN 、TaSiN のいず
れかをコンタクトメタル層30cとして凹部18d内と
第3絶縁膜17上面の上に300nmの厚さに形成す
る。次に、図10(a) に示すように、コンタクトメタル
層30cを研磨して凹部18dの中にのみ残す。
Then, as shown in FIG. 9D, any one of TiN, WN, TaN, Ta, AlSiN, and TaSiN is used as a contact metal layer 30c by sputtering to form the inside of the recess 18d and the upper surface of the third insulating film 17. To a thickness of 300 nm. Next, as shown in FIG. 10A, the contact metal layer 30c is polished to leave only in the recess 18d.

【0056】さらに、図10(b) に示すように、スパッ
タ法によりイリジウム層30dを形成して凹部18dを
完全に埋め込むようにする。そして、第3絶縁膜17上
に形成されたイリジウム層30dを図10(c) に示すよ
うに研磨、除去する。以上によりホール18内のプラグ
30の形成が終了する。この後に、第5実施形態で説明
したような工程でキャパシタ20を形成する。
Further, as shown in FIG. 10B, an iridium layer 30d is formed by a sputtering method so as to completely fill the recess 18d. Then, the iridium layer 30d formed on the third insulating film 17 is polished and removed as shown in FIG. Thus, the formation of the plug 30 in the hole 18 is completed. Thereafter, the capacitor 20 is formed by the steps described in the fifth embodiment.

【0057】以上のような工程によれば、図7(b) に示
したように、プラグ30を構成するタングステン層30
bと下部電極32を構成するIrO2層の間に形成されたコ
ンタクトメタル層30cがホール18中に埋め込まれた
状態になるので、キャパシタ形成後の酸素含有雰囲気中
での高温のアニール処理が施されてもコンタクトメタル
層19cが酸化されることがなくなる。従って、図3に
示したようなキャパシタ形成後の下部電極32の周辺部
での持ち上がりが無くなる。
According to the above steps, as shown in FIG. 7B, the tungsten layer 30 forming the plug 30 is formed.
b and the contact metal layer 30c formed between the IrO 2 layers constituting the lower electrode 32 is buried in the hole 18, so that a high-temperature annealing treatment in an oxygen-containing atmosphere after the formation of the capacitor is performed. Even if this is done, the contact metal layer 19c will not be oxidized. Accordingly, lifting around the lower electrode 32 after the capacitor is formed as shown in FIG. 3 is eliminated.

【0058】また、第1実施形態でキャパシタ下部電極
を構成していたイリジウム層30dをホール18内に埋
め込んだので、その下部電極の最下層として形成してい
た酸化イリジウム膜の形成が不要になり、キャパシタを
薄くすることが可能になる。
Since the iridium layer 30d constituting the lower electrode of the capacitor in the first embodiment is buried in the hole 18, the iridium oxide film formed as the lowermost layer of the lower electrode is not required. Thus, the capacitor can be made thinner.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、絶縁
膜のホール内のプラグを構成するタングステン層とキャ
パシタの下部電極の間に形成されるコンタクトメタル層
をホールの上部に埋め込むようにしたので、キャパシタ
を酸素含有雰囲気中でアニールしてもそのコンタクトメ
タル層は酸素に触れることはなく、コンタクトメタル層
の膜厚増加を防止することができる。
As described above, according to the present invention, the contact metal layer formed between the tungsten layer forming the plug in the hole of the insulating film and the lower electrode of the capacitor is buried in the upper part of the hole. Therefore, even if the capacitor is annealed in an oxygen-containing atmosphere, the contact metal layer does not come into contact with oxygen, and an increase in the thickness of the contact metal layer can be prevented.

【0060】そのホール内においてコンタクトメタル層
の上にイリジウムを埋め込むようにしたので、従来のよ
うにキャパシタ下部電極としてイリジウム層を酸化イリ
ジウム層で挟む構造を採用する必要はなくなり、その下
部電極を酸化イリジウムのみで構成してキャパシタの層
数が減って、絶縁膜上のカバレッジを改善することがで
きる。
Since iridium is buried on the contact metal layer in the hole, it is not necessary to adopt a structure in which the iridium layer is sandwiched between the iridium oxide layers as the capacitor lower electrode as in the prior art. By using only iridium, the number of layers of the capacitor can be reduced, and the coverage on the insulating film can be improved.

【0061】また、絶縁膜のホール内にタングステン層
を形成する際にCVD法を採用したので、ホール内のタ
ングステン層にボイドが発生することを防止することが
できる。
Further, since the CVD method is used when forming the tungsten layer in the hole of the insulating film, it is possible to prevent the void from being generated in the tungsten layer in the hole.

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

【図1】従来技術を示すメモリセルの断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a memory cell showing a conventional technique.

【図2】従来技術のメモリセルのプラグの形成工程を示
す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a process of forming a plug of a memory cell according to the related art.

【図3】従来技術のメモリセルのキャパシタの酸素アニ
ール後の状態を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state of a conventional memory cell capacitor after oxygen annealing.

【図4】本発明の第1実施形態に係るメモリセルの断面
図である。
FIG. 4 is a sectional view of a memory cell according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2実施形態に係るメモリセル用プラ
グの形成工程を示す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing a step of forming a memory cell plug according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第3実施形態に係るメモリセル用プラ
グの形成工程を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a step of forming a memory cell plug according to a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第4実施形態に係るメモリセルの断面
図である。
FIG. 7 is a sectional view of a memory cell according to a fourth embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第5実施形態に係るメモリセル用プラ
グの形成工程を示す断面図である。
FIG. 8 is a sectional view showing a step of forming a memory cell plug according to a fifth embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第6実施形態に係るメモリセル用プラ
グの形成工程を示す断面図(その1)である。
FIG. 9 is a sectional view (No. 1) showing a step of forming a memory cell plug according to a sixth embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第6実施形態に係るメモリセル用プラ
グの形成工程を示す断面図(その2)である。
FIG. 10 is a sectional view (part 2) illustrating a step of forming a memory cell plug according to the sixth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…シリコン基板(半導体基板)12…LOCOS、
13…MOSトランジスタ、14…第1絶縁膜、15…
第2絶縁膜、17…第3絶縁膜、18…ホール、18a
…ディシング部、18b,18c…凹部、19…プラ
グ、19a…バリアメタル層、19b…タングステン
層、19c…コンタクトメタル層、20…キャパシタ、
21…下部電極、21a,21c…酸化イリジウム層、
21b…イリジウム層、22…強誘電体層、23…上部
電極、23a…酸化イリジウム層、23b…イリジウム
層、30…プラグ、30a…バリアメタル層、30b…
タングステン層、30c…コンタクトメタル層、30d
…イリジウム層、31…キャパシタ、32…下部電極、
33…強誘電体層、34…上部電極。
11: silicon substrate (semiconductor substrate) 12: LOCOS,
13 ... MOS transistor, 14 ... first insulating film, 15 ...
2nd insulating film, 17 ... third insulating film, 18 ... hole, 18a
... Dicing portions, 18b, 18c recesses, 19 plugs, 19a barrier metal layers, 19b tungsten layers, 19c contact metal layers, 20 capacitors
21: lower electrode, 21a, 21c: iridium oxide layer,
21b: iridium layer, 22: ferroelectric layer, 23: upper electrode, 23a: iridium oxide layer, 23b: iridium layer, 30: plug, 30a: barrier metal layer, 30b ...
Tungsten layer, 30c ... contact metal layer, 30d
... Iridium layer, 31 ... Capacitor, 32 ... Lower electrode,
33: ferroelectric layer; 34: upper electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 昭男 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 (72)発明者 ケリー アンドリュー 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 Fターム(参考) 5F083 FR02 GA21 JA14 JA15 JA36 JA39 JA40 JA42 MA17 NA08 PR21 PR22 PR33 PR39 PR40 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Akio Ito 4-1-1, Kamiodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Inside Fujitsu Limited (72) Inventor Kelly Andrew 4-1-1, Kamiodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture No. 1 F-term in Fujitsu Limited (reference) 5F083 FR02 GA21 JA14 JA15 JA36 JA39 JA40 JA42 MA17 NA08 PR21 PR22 PR33 PR39 PR40

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板の上に形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜に形成されたホールと、 前記ホールの中で上部に凹部を有するように形成された
タングステン層と、前記絶縁膜の上に形成された酸化イ
リジウムを有する下部電極と強誘電体膜と上部電極とか
らなるキャパシタと、 前記ホールの前記凹部内に埋め込まれ、前記下部電極と
前記タングステン層とのコンタクト抵抗を低減したコン
タクトメタル層とを有する半導体記憶装置。
An insulating film formed on a semiconductor substrate; a hole formed in the insulating film; a tungsten layer formed so as to have a recess in an upper portion of the hole; A capacitor comprising a lower electrode having iridium oxide formed thereon, a ferroelectric film and an upper electrode; and a contact buried in the recess of the hole to reduce contact resistance between the lower electrode and the tungsten layer. A semiconductor memory device having a metal layer.
【請求項2】前記凹部内において、前記コンタクトメタ
ル層の上に形成されたイリジウム層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, further comprising an iridium layer formed on said contact metal layer in said recess.
【請求項3】前記コンタクトメタルは、窒化チタン、窒
化タングステン、窒化タンタル、タンタル、窒化アルミ
ニウムシリコン、窒化タンタルシリコンから選択される
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体
記憶装置。
3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein said contact metal is selected from titanium nitride, tungsten nitride, tantalum nitride, tantalum, aluminum silicon nitride, and tantalum silicon nitride. .
【請求項4】半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程
と、 前記絶縁膜にホールを形成する工程と、 前記ホール内面と前記絶縁膜上面の上にバリアメタル層
を形成する工程と、 前記バリアメタル層の上にCVD法によってタングステ
ン層を形成して、該タングステン層を前記ホール内に充
填する工程と、 研磨、エッチバックのいずれかによって前記タングステ
ン層及び前記バリアメタル層を前記絶縁膜上面から除去
するとともに、前記ホール内の上部に凹部が存在する状
態で前記タングステン層を前記ホール内に残す工程と、 前記絶縁膜と前記凹部内にコンタクトメタル層を形成す
る工程と、 研磨、エッチバックのいずれかによって前記コンタクト
メタル層を前記絶縁膜上から除去して前記凹部内にのみ
残す工程と、 前記ホールの上に形成されて酸化イリジウムを有する下
部電極と強誘電体層と上部電極とからなるキャパシタを
形成する工程とを有する半導体記憶装置の製造方法。
A step of forming an insulating film on the semiconductor substrate; a step of forming a hole in the insulating film; a step of forming a barrier metal layer on the inner surface of the hole and on the upper surface of the insulating film; Forming a tungsten layer on the barrier metal layer by a CVD method and filling the tungsten layer in the hole; and polishing or etching back the tungsten layer and the barrier metal layer on the insulating film. Removing the tungsten layer from the hole and leaving the tungsten layer in the hole in a state where the concave portion exists in the upper portion of the hole; forming a contact metal layer in the insulating film and the concave portion; polishing and etching back Removing the contact metal layer from above the insulating film and leaving it only in the recess by any one of: Forming a capacitor comprising a lower electrode having iridium oxide, a ferroelectric layer, and an upper electrode.
【請求項5】前記コンタクト層を前記絶縁膜から除去す
る前か後に、前記コンタクト層の上にイリジウム層を形
成する工程と、 研磨、エッチバックのいずれかによって前記イリジウム
層を前記絶縁膜上から除去して前記凹部内で前記コンタ
クトメタル層の上にのみ残す工程とをさらに有する請求
項4に記載の半導体記憶装置の製造方法。
5. A step of forming an iridium layer on the contact layer before or after removing the contact layer from the insulating film; and polishing the iridium layer from above the insulating film by any of polishing and etchback. 5. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 4, further comprising a step of removing and leaving only on said contact metal layer in said concave portion.
【請求項6】前記キャパシタの形成後に前記キャパシタ
を酸素含有雰囲気中でアニールすることを特徴とする請
求項4に記載の半導体記憶装置の製造方法。
6. The method according to claim 4, wherein the capacitor is annealed in an oxygen-containing atmosphere after the formation of the capacitor.
【請求項7】前記コンタクトメタルは、窒化チタン、窒
化タングステン、窒化タンタル、タンタル、窒化アルミ
ニウムシリコン、窒化タンタルシリコンから選択される
ことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の半導体
記憶装置の製造方法。
7. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein said contact metal is selected from titanium nitride, tungsten nitride, tantalum nitride, tantalum, aluminum silicon nitride, and tantalum silicon nitride. Manufacturing method.
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