JP2004165235A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device lessening unevenness of a distribution in a wafer face of a residual polarization amount by enlarging the residual polarization amount more than the conventional, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: The manufacturing method has a process for forming an interlayer insulating film 10 upward of a silicon substrate 1; a process for forming a lower side layer 11a on an interlayer insulating film 11; a process for exposing the lower side layer 11a to the atmosphere; a process for forming an upper side layer 11b on the lower side layer 11a thereafter, and making the upper side layer 11b and the lower side 11a a lower electrode conductive film 11; a process for forming a ferroelectric film 12 on the upper side layer 11b; a process for forming an upper electrode conductive layer 13 on the ferroelectric film 12; a process for forming a capacitor Q provided with a lower electrode 11c consisting of the lower electrode conductive film 11, a capacitor dielectric film 12a consisting of the ferroelectric film 12, and an upper electrode 13a consisting of the upper electrode conductive film 13. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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、より詳細には、強誘電体キャパシタを有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電源を切っても情報を記憶することができる不揮発性メモリとして、フラッシュメモリや強誘電体メモリ(FeRAM)が知られている。
【0003】
このうち、フラッシュメモリは、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(IGFET)のフローティングゲートに電荷を蓄積することで情報を記憶するものであり、情報の書き込みの際には、ゲート絶縁膜にトンネル電流を流す必要があり、比較的高い電圧を必要とする。
【0004】
一方、FeRAMは強誘電体キャパシタを備え、そのキャパシタ誘電体膜として強誘電体膜を使用し、上部電極と下部電極との間に書き込み電圧を印加することでキャパシタ誘電体膜に自発分極を生じさせる。その自発分極は、強誘電体のヒステリシス特性により電源を切っても残存し、その大きさと極性を検出することで情報が読み出される。このようなFeRAMは、フラッシュメモリに比べて低電圧で動作し、また、省電力で高速の書き込みができる。
【0005】
強誘電体キャパシタの特性は、キャパシタ誘電体膜の結晶性に大きく依存し、その結晶性が良いほど特性が向上する。そこで、下部電極の最上層としては、配向が一方向に揃って配向性が高くされたPt膜を採用し、そのPt膜の作用により、キャパシタ誘電体膜の結晶性を高くする。ペロプスカイト構造を有するキャパシタ誘電体膜の分極方向は(001)方向なので、その配向も(001)方向に揃うのが好ましい。しかし、実際にはそのようなキャパシタ誘電体膜を形成するのは困難であるため、(111)方向に配向が揃ったPt膜を形成し、その上のキャパシタ誘電体膜も(111)方向に配向が揃うようにする。
【0006】
但し、Pt膜は絶縁膜上に形成すると剥がれやすいので、その剥がれを防止するため、Pt膜の下にはTi膜が形成される。このTi膜は、剥がれ防止の他に、Pt膜の配向を揃える機能も有する。
【0007】
よって、下部電極はTi膜とPt膜との二層構造を有することになるが、このような下部電極の形成方法や、形成後の処理としては以下のものがある。
【0008】
第1の方法は、Ti膜を成膜した後に連続してPt膜を形成する方法であって、これによれば下地のSiO膜との密着性が良好になると共に、下部電極の抵抗増加を抑えることができる(例えば、特許文献1参照)。
【0009】
第2の方法は、Ti膜とPt膜を連続して成膜して下部電極を形成した後、強誘電体膜を形成する前に、下部電極に対して急速熱処理を行う方法である(例えば、特許文献2参照)。この方法によれば、下部電極の配向が(111)方向に揃うので、その上の強誘電体膜の配向も高まり、キャパシタの自発分極が高められる。
【0010】
第3の方法は、Ti膜とPt膜よりなる下部電極を形成し、その上に強誘電体膜としてPZT膜を形成した後、PZT膜に対して熱処理を行う方法うである(例えば、特許文献3参照)。この方法によると、PZT膜とPt膜との界面にPb−Pt−Ti−O反応層が形成され、劣化の少ないキャパシタを提供することが可能となる。
【0011】
【特許文献1】
特開平9−223779号公報(段落番号0062)
【特許文献2】
特開2000−91511号公報(段落番号0032)
【特許文献3】
特開2000−40779号公報(段落番号0019)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、強誘電体キャパシタの特性を表す指標には種々あるが、その中でも特に重要なものに残留分極量Qswがある。残留分極量Qswとは、電源を切ったときにキャパシタ誘電体膜に残存ししている分極量であって、この値が大きいほど「0」と「1」との分別が容易となる。
【0013】
しかしながら、上記した第1〜第3の方法は残留分極量Qswについて考慮していないため、残留分極量Qswを大きくする点と、該残留分極量Qswのウエハ面内における分布のばらつきを小さくする点において改善の余地がある。
【0014】
本発明は、係る従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、従来よりも残留分極量を大きくすることができ、且つ、残留分極量のウエハ面内における分布のばらつきを小さくすることができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に形成された絶縁膜と、下側層と上側層とが順に積層された下部電極と、キャパシタ誘電体膜と、上部電極とを前記絶縁膜上に順に形成してなるキャパシタと、を備え、前記下部電極の前記下側層の表面に、該下側層の自然酸化膜が形成されたことを特徴とする半導体装置によって解決する。
【0016】
又は、半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、下部電極用導電膜の下側層を前記絶縁膜上に形成する工程と、前記下側層を大気に曝す工程と、前記下側層を大気に曝した後、下部電極用導電膜の上側層を前記下側層上に形成し、前記上側層と前記上側層とを下部電極用導電膜とする工程と、前記上側層上に強誘電体膜を形成する工程と、前記強誘電体膜上に上部電極用導電膜を形成する工程と、前記下部電極用導電膜、前記強誘電体膜、及び前記上部電極用導電膜をパターニングして、前記下部電極用導電膜よりなる下部電極と、前記強誘電体膜よりなるキャパシタ誘電体膜と、前記上部電極用導電膜よりなる上部電極とを備えたキャパシタを形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法によって解決する。
【0017】
次に、本発明の作用について説明する。
【0018】
本発明によれば、下部電極用導電膜の下側層を大気に曝した後、該下側層上に下部電極用導電膜の上側層を形成する。このような方法を採用することにより、FeRAMに必要な強誘電体膜の配向の強さを確保しながら、従来よりも残留分極量Qswの大きさが大きくなり、且つ、ウエハ面内における残留分極量Qswのばらつきが従来よりも小さくなる。更に、リーク電流特性を悪化させること無しに、キャパシタのリテンション特性、インプリント特性、及び疲労損失が従来よりも向上される。しかも、このような利点は、上側層の成膜温度に依存しない。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0020】
図1〜図23は本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図であり、図24は、図7に対応する平面図である。
【0021】
まず、図1に示す断面構造を得るまでの工程を説明する。
【0022】
図1に示すように、n型又はp型のシリコン(半導体)基板1表面に、素子分離絶縁膜2をLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法により形成する。素子分離絶縁膜2としてはLOCOS法の他、STI(Shallow Trench Isolation)法を採用してもよい。
【0023】
そのような素子分離絶縁膜2を形成した後に、シリコン基板1のメモリセル領域Aと周辺回路領域Bにおける所定の活性領域(トランジスタ形成領域)にp型不純物及びn型不純物を選択的に導入して、pウェル3a及びnウェル3bを形成する。なお、図1には示していないが、周辺回路領域BではCMOSを形成するためにpウェル(不図示)も形成される。
【0024】
その後、シリコン基板1の活性領域表面を熱酸化して、ゲート絶縁膜4としてシリコン酸化膜を形成する。
【0025】
次に、シリコン基板1の上側全面に非晶質又は多結晶のシリコン膜を形成し、pウェル3a上ではn型不純物、n型ウェル3b上ではp型不純物をシリコン膜内にイオン注入してシリコン膜を低抵抗化する。その後に、シリコン膜をフォトリソグラフィ法により所定の形状にパターニングして、ゲート電極5a〜5cを形成する。
【0026】
メモリセル領域Aにおける1つのpウェル3a上には2つのゲート電極5a,5bがほぼ平行に配置され、それらのゲート電極5a,5bはワード線WLの一部を構成している。
【0027】
次に、メモリセル領域Aにおいて、ゲート電極5a,5bの両側のpウェル3a内にn型不純物をイオン注入して、nチャネルMOSトランジスタのソース/ドレインとなるn型不純物拡散領域6aを形成する。これと同時に、周辺回路領域Bのpウェル(不図示)にもn型不純物拡散領域を形成する。続いて、周辺回路領域Bにおいて、ゲート電極5cの両側のnウェル3bにp型不純物をイオン注入して、pチャネルMOSトランジスタのソース/ドレインとなるp型不純物拡散領域6bを形成する。
【0028】
続いて、シリコン基板1の全面に絶縁膜を形成した後、その絶縁膜をエッチバックしてゲート電極5a〜5cの両側部分にのみ側壁絶縁膜7として残す。その絶縁膜として、例えばCVD法により酸化シリコン(SiO)を形成する。
【0029】
さらに、ゲート電極5a〜5cと側壁絶縁膜7をマスクに使用して、pウェル3a内に再びn型不純物イオンを注入することによりn型不拡散領域6aをLDD構造にし、さらに、nウェル3b内に再びp型不純物イオンを注入することによりp型不純物拡散領域6bもLDD構造とする。
【0030】
なお、n型不純物とp型不純物の打ち分けは、レジストパターンを使用して行われる。
【0031】
以上のように、メモリセル領域Aでは、pウェル3aとゲート電極5a,5bとその両側のn型不純物拡散領域6a等によってn型MOSFETが構成され、また、周辺回路領域Bでは、nウェル3bとゲート電極5cとその両側のp型不純物拡散領域6b等によってp型MOSFETが構成される。
【0032】
次に、全面に高融点金属膜、例えば、Ti、Coの膜を形成した後に、この高融点金属膜を加熱してn型不純物拡散領域6a,p型不純物拡散領域6bの表面にそれぞれ高融点金属シリサイド層8a,8bを形成する。その後、ウエットエッチングにより未反応の高融点金属膜を除去する。
【0033】
次に、プラズマCVD法により、シリコン基板1の全面にカバー膜9として酸窒化シリコン(SiON)膜を約200nmの厚さに形成する。さらに、TEOSガスを用いるプラズマCVD法により、第1の層間絶縁膜10として二酸化シリコン(SiO)をカバー膜9上に約1.0μmの厚さに成長する。
【0034】
続いて、第1の層間絶縁膜10を化学的機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法により研磨してその表面を平坦化する。
【0035】
次に、図2に示す構造を形成するまでの工程を説明する。
【0036】
まず、成膜温度と成膜時間をそれぞれ20℃、14秒に設定し、DCスパッタ法により、下部電極用導電膜の下側層11aとしてTi層を第1の層間絶縁膜10上に約20nmの厚さに形成する。下側層11aの成膜温度は20℃に限定されず、0℃〜300℃の温度であってよい。更に、下側層11aとしては、Ti層の他に、Ti、Pt−Ti合金、Ir−Ti合金、及びRu−Ti合金のいずれかよりなる層を形成してよい。
【0037】
その後、下側層11aを形成するのに使用したチャンバからシリコン基板1を取り出し、下側層11aを室温(約24℃)で約2時間大気に曝し、その表面を自然酸化、又は吸湿させる。その結果、下側層11aの表面にはTiの薄い自然酸化膜が形成されることになる。なお、大気に曝す時間は上記に限定されず、5分から7日間であってよい。また、その際のシリコン基板1の温度も上記に限定されず、0℃〜100℃であってよい。このように大気に曝すことで得られる効果については、後で詳述する。
【0038】
次に、図3に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
【0039】
まず、成膜温度と成膜時間とをそれぞれ100℃、112秒に設定し、DCスパッタ法により、下部電極用導電膜の上側層11bとしてPt層を下側層11a上に約175nmの厚さに形成する。その結果、下側層11aと上側層11bとで構成される下部電極用導電膜11が形成されたことになる。このように、Ti層(下側層11a)の上にPt層(上側層11b)を形成することで、Ti層の作用によってPt層の配向が(111)方向に揃い、後で形成されるPZT膜の配向を(111)方向に揃えることができる。更に、下側層11aは、下部電極用導電膜11と第1の層間絶縁膜10との密着強度を高める役割をも果たす。
【0040】
なお、上側層11bとしては、Pt層の他、Pt、Ir、Ru、Pd、PtOx、IrOx、RuOx、及びPdOxのいずれかを含む単層又は複数層構造のものを形成してよい。
【0041】
次に、図4に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
【0042】
まず、スパッタ法により、PLZT(lead lanthanum zirconate titanate; (Pb,La)(Zr,Ti)O)を下部電極用導電膜11の上に100〜300nmの厚さ、例えば240nmに形成し、これを強誘電体膜12として使用する。なお、場合によっては、PLZTにカルシウム(Ca)やストロンチウム(Sr)を微量にドープしてもよい。また、PLZTに代えて、PZT(Pb(Zr,Ti)O)、(Sr,Ti)O、(Ba,Sr)TiO等の材料や、BiTi12等のBi層状構造化合物で強誘電体膜12を構成してもよい。更に、強誘電体膜12の形成方法としては、上記したスパッタ法の他にスピンオン法、ゾル−ゲル法、MOD(Metal Organic Deposition)法、MOCVD法がある。
【0043】
続いて、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中にシリコン基板1を置き、600℃以上の温度、例えば725℃で20秒間、昇温速度125℃/secの条件で、強誘電体膜12を構成するPLZT膜をRTA(Rapid Thermal Annealing)処理することにより、PLZT膜の結晶化処理を行う。そのような結晶化処理によれば、上側層11bを構成するPtが緻密化し、下部電極用導電膜11と強誘電体膜12との境界面近傍におけるPtとOとの相互拡散を抑制することもできる。
【0044】
そのような強誘電体膜12を形成した後に、その上に上部電極用導電膜13として酸化イリジウム(IrO)膜をスパッタリング法により100〜300nmの厚さ、例えば200nmの厚さに形成する。なお、上部電極用導電膜13として、プラチナ膜又は酸化ルテニウムストロンチウム(SRO)膜をスパッタ法により形成してもよい。
【0045】
次に、図5に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【0046】
まず、上部電極形状のレジストパターン(不図示)を上部電極用導電膜13上に形成した後に、そのレジストパターンをマスクに使用して上部電極用導電膜13をエッチングし、これにより残った上部電極用導電膜13をキャパシタの上部電極13aとして使用する。
【0047】
そして、そのレジストパターンを除去した後に、温度650℃、60分間の条件で、強誘電体膜12を酸素雰囲気中でアニールする。このアニールは、スパッタリング及びエッチングの際に強誘電体膜12に入ったダメージを回復させるために行われる。
【0048】
続いて、メモリセル領域Aにおいて、キャパシタ上部電極13a及びその周辺にレジストパターン(不図示)を形成した状態で強誘電体膜12をエッチングし、これにより残った強誘電体膜12をキャパシタの誘電体膜12aとして使用する。そして、そのレジストパターンを除去した後に、温度650℃、60分間で強誘電体膜12を酸素雰囲気中でアニールする。このアニールは、その下の膜に吸収された水分等を脱ガスするために行われる。
【0049】
次に、図6に示すように、上部電極13a、誘電体膜12a及び下部電極用導電膜11の上に、エンキャップ層14としてPLZT膜をスパッタリング法により50nmの厚さに常温下で形成する。このエンキャップ層14は、還元され易い誘電体膜12aを水素から保護して、水素がその内部に入ることをブロックするために形成される。なお、エンキャップ層14として、PZT膜、アルミナ膜、又は酸化チタン膜を形成してもよい。
【0050】
その後に、酸素雰囲気中で、700℃、60秒間、昇温速度125℃/secの条件で、エンキャップ層14の下の強誘電体膜12を急速熱処理してその膜質を改善する。
【0051】
次に、エンキャップ層14の上にレジストを塗布し、これを露光、現像して上部電極13a及び誘電体膜12aの上とその周辺に残す。そして、レジストをマスクに使用して、エンキャップ層14、下部電極用導電膜11をエッチングし、これにより残った下部電極用導電膜11をキャパシタの下部電極11c(図7参照)として使用する。エンキャップ層14、下部電極用導電膜11のエッチングは、塩素を用いたドライエッチングにより行われる。
【0052】
そのレジストパターンを除去した後に、酸素雰囲気中で温度650℃、60分間の条件で、強誘電体膜12をアニールしてダメージから回復させる。
【0053】
これにより、図7に示すように、第1の層間絶縁膜10の上には、下部電極11c、誘電体膜12a、上部電極13aからなるキャパシタQが形成されることになる。
【0054】
メモリセル領域Aにおける絶縁膜を除いた平面構成を示すと図24のようになり、矩形状の1つの誘電体膜12aの上には複数の上部電極13aが形成され、また、誘電体膜12aの下の下部電極11cは誘電体膜12aの側方に延在する大きさとなっている。なお、図24には、後述するコンタクトホール、ビット線等も描かれている。
【0055】
次に、図8に示すように、キャパシタQ及び第1の層間絶縁膜10の上に、第2の層間絶縁膜15として膜厚1200nmのSiO膜をCVD法により形成した後に、第2の層間絶縁膜15の表面をCMP法により平坦化する。第2の層間絶縁膜15の成長は、反応ガスとしてシラン(SiH)を用いてもよいし、TEOSを用いて行ってもよい。第2の層間絶縁膜15の表面の平坦化は、上部電極13aの上面から200nmの厚さとなるまで行われる。
【0056】
次に、図9に示すように、第2の層間絶縁膜15の上にレジスト16を塗布し、これを露光、現像して、メモリセル領域Aの不純物拡散層6aの上とキャパシタ下部電極11cの上と周辺回路領域Bの不純物拡散層6bの上にそれぞれホール形成用窓16a〜16eを形成する。
【0057】
続いて、第1及び第2の層間絶縁膜10,15、カバー膜9をドライエッチングして、メモリセル領域Aの不純物拡散層6a、キャパシタ下部電極11cの上にコンタクトホール15a〜15eを形成するとともに、周辺回路領域Bの不純物拡散層6bの上にもコンタクトホール15d、15eを形成する。第1及び第2の層間絶縁膜10,15とカバー膜9は、CF系ガス、例えばCHFにCF、Arを加えた混合ガスを用いてエッチングされる。
【0058】
このエッチングの際には、キャパシタQの下部電極11cを覆っているPLZTエンキャップ層14のエッチングレートが他の絶縁膜よりも小さいので、下部電極11aの上に形成される浅いコンタクトホール15cと他のコンタクトホール15a,15b,15d,15eのエッチング深さの違いはエンキャップ層14によって吸収される。
【0059】
なお、コンタクトホール15a〜15eは、上が広くて下が狭いテーパ状となり、不純物拡散層6a、6bの上のコンタクトホール15a,15b,15d,15eの深さ方向中央での直径は約0.5μmとなる。
【0060】
次に、レジスト16を除去した後に、図10に示すように、第2の層間絶縁膜15の上とコンタクトホール15a〜15eの内面にRF前処理エッチングを行った後、それらの上にスパッタリング法によりチタン(Ti)膜を20nm、窒化チタン(TiN) 膜を50nmの厚さに形成し、これらの膜をグルー膜17とする。さらに、フッ化タングステンガス(WF)、アルゴン、水素の混合ガスを使用するCVD法により、グルー膜17の上にタングステン膜18を形成する。なお、タングステン膜18の成長初期にはシラン(SiH)ガスも使用する。タングステン膜18は、各コンタクトホール15a〜15eを完全に埋め込む厚さ、例えば第2の層間絶縁膜15上で500nm程度とする。
【0061】
なお、コンタクトホール15a〜15eはそれぞれテーパ形状となっているので、それらの中に埋め込まれたタングステン膜18には空洞(す、ボイドともいう)が形成され難い。
【0062】
次に、図11に示すように、第2の層間絶縁膜15上のタングステン膜18とグルー膜17をCMP法により除去し、各コンタクトホール15a〜15e内にのみ残す。これにより、コンタクトホール15a〜15e内のタングステン膜18とグルー膜17をプラグ18a〜18eとして使用する。ここで、CMP法の代わりにエッチバックを用いると、タングステン膜18のエッチングとグルー膜17のエッチングでそれぞれ異なるエッチングガスが必要となるので、エッチング管理に手間がかかる。
【0063】
なお、メモリセル領域Aの1つのpウェル3aにおいて、2つのゲート電極5a,5bに挟まれるn型不純物拡散領域6a上の第1のプラグ18aは、後述するビット線に接続され、さらに、残り2つの第2のプラグ18bは、後述する配線を介してキャパシタQの上部電極13aに接続される。さらに、下部電極11cの上のコンタクトホール15cとその中のプラグ18cは、図24に示したように、誘電体膜12aからはみ出した部分に形成されるものであるが、図11以降の図面では、理解を容易にするために、メモリセル領域Aの不純物拡散層6a上の複数のプラグ18a,18bの延長上にあるように便宜的に描かれている。
【0064】
その後に、コンタクトホール15a〜15e形成後の洗浄処理、CMP後の洗浄処理等の工程で第2の層間絶縁膜15表面に付着したり内部に浸透した水分を除去するために、再び、真空チャンバ中で390℃の温度で第2の層間絶縁膜15を加熱して水を外部に放出させる。このような脱水処理の後に、第2の層間絶縁膜15を加熱しながらNプラズマに曝して膜質を改善するアニールを例えば2分間行う。
【0065】
続いて、図12に示すように、第2の層間絶縁膜15とプラグ18a〜18eの上に、プラズマCVD法によりSiON膜を例えば100nmの厚さに形成する。このSiON膜は、シラン(SiH)とNOの混合ガスを用いて形成され、プラグ18a〜18eの酸化を防止するための酸化防止膜19として使用される。
【0066】
次に、図13に示すように、フォトリソグラフィー法によりエンキャップ層14と第2の層間絶縁膜15をパターニングして、キャパシタQの上部電極13a上にコンタクトホール15fを形成する。
【0067】
この後に、550℃、60分間の条件で、キャパシタQの誘電体膜12aを酸素雰囲気中でアニールして、誘電体膜12aの膜質を改善する。この場合、プラグ18a〜18eは酸化防止膜19によって酸化が防止される。
【0068】
その後に、図14に示すように、CF系のガスを用いてSiON酸化防止膜19をドライエッチングする。そして、RFエッチング法によりプラグ18a〜18e、上部電極13aの各表面を約10nmエッチングして清浄面を露出させる。
【0069】
次いで、図15に示すように、第2の層間絶縁膜15、プラグ18a〜18e、キャパシタQのコンタクトホール15fの上に、アルミニウムを含む4層構造の導電膜をスパッタ法により形成する。その導電膜は、下から順に、膜厚50nmの窒化チタン膜、膜厚500nmの銅含有(0.5%)アルミニウム膜、膜厚5nmのチタン膜、膜厚100nmの窒化チタン膜である。
【0070】
そして、その導電膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、図15に示すように、コンタクトパッド20a、20cと一層目の配線20b、20d〜20fを形成する。
【0071】
ここで、メモリセル領域Aにおいて、pウェル3aの上の2つのゲート電極5a,5bの間にあるプラグ18aの上にはコンタクトパッド20aが形成されている。また、素子分離絶縁膜2とゲート電極5a,5bの間にあるプラグ18bとキャパシタQの上部電極13aはコンタクトホール15fを通して配線20bによって接続される。さらに、キャパシタQの下部電極11a上のプラグ18c上には、図24に示す配置で、別のコンタクトパッド20cが形成されている。
【0072】
なお、フォトリソグラフィー法に使用されるレジストパターンは、コンタクトパッド20a、配線20b等を形成した後に除去される。
【0073】
次に、図16に示すように、TEOSをソースに用いたプラズマCVD法によりSiO膜を第3の層間絶縁膜21として2300nmの厚さに形成し、この層間絶縁膜21により第2の層間絶縁膜15、コンタクトパッド20a,20c及び配線20b等を覆う。続いて、第3の層間絶縁膜21の表面をCMP法により平坦化する。
【0074】
この後に、真空チャンバ中で390℃の温度で第3の層間絶縁膜21を加熱して水を外部に放出させる。このような脱水処理の後に、第3の層間絶縁膜21を加熱しながらNOプラズマに曝して脱水と膜質改善を行う。
続いて、図17に示すように、TEOSを用いてプラズマCVD法によりSiOよりなる保護絶縁膜22を第3の層間絶縁膜21の上に100nm以上の厚さに形成する。第3の層間絶縁膜21にす(ボイド)が生じている場合は、この保護絶縁膜22によりそのボイドが塞がれる。この後に、真空チャンバ中で390℃の温度で保護絶縁膜22の脱水処理をし、加熱しながらNOプラズマに曝して脱水と膜質改善を行う。
【0075】
次に、図18に示すような構造となるまでの工程を説明する。
【0076】
まず、フォトリソグラフィー法により第3の層間絶縁膜21と保護絶縁膜22をパターニングして、メモリセル領域Aのpウェル3aの真ん中にあるコンタクトパッド20aの上と、キャパシタQの下部電極11aの上の配線20cと、周辺回路領域Bの配線20fの上にホール22a〜22cを形成する。
【0077】
次に、保護絶縁膜22の上面とホール22a〜22cの内面の上に、RF前処理エッチングを行った後、膜厚90nm〜150nmの窒化チタン(TiN) よりなるグルー膜23をスパッタ法により形成し、その後、ホール22a〜22cを埋め込むようにブランケットタングステン膜24をCVD法により例えば800nmの厚さに形成する。このブランケットタングステン膜24の成長には、WF、Hを含むソースガスを使用する。ところで、グルー膜23の膜厚を90nm以上としたのは、比較的厚いタングステン膜24の形成に使用されるHが保護絶縁膜22内に浸透してキャパシタQへダメージを与えることを緩和するためである。なお、上記したように、図10に示したタングステン膜18は直径の小さいコンタクトホール15a〜15f内に充填するために薄く形成されるので、その上のTiNグルー膜17の膜厚は50nmと薄くてもよい。
【0078】
次に、図19に示すように、タングステン膜24をエッチバックしてホール22a〜22cの中にのみ残し、ホール22a〜22c内のタングステン膜24を二層目のプラグ25a〜25cとして使用する。これにより、保護絶縁膜22の上にはTiNグルー膜23が残った状態となる。
【0079】
次に、図20に示すように、TiNグルー膜23、プラグ25a〜25cの上に3層構造の導電膜26をスパッタ法により形成する。その導電膜26は、下から順に、膜厚500nmの銅含有(0.5%)アルミニウム膜、膜厚5nmのチタン膜、膜厚100nmの窒化チタン膜である。
【0080】
そして、導電膜26をフォトリソグラフィー法により図21に示すようにパターニングして、二層目のコンタクトパッド、二層目のアルミニウム配線を形成する。例えば、メモリセル領域Aにおいて、pウェル3aの中央の不純物拡散層6aの上方にはプラグ18a,25a、コンタクトパッド20aを介して接続されるビット線26aが形成され、また、キャパシタQの下部電極11cの上方には、プラグ18c,25b、コンタクトパッド20cを介して接続される二層目の配線26bが形成され、さらに周辺回路領域Bの一層目のアルミニウム配線20fの上にはプラグ25cを介して接続される二層目のアルミニウム配線26cが形成されている。この状態の平面図を示すと、図24のようになる。
【0081】
次に、図17〜図21に示したような工程を繰り返して、図22に示すような構造を形成する。その工程は次のようになる。
【0082】
まず、TEOSをソースに用いたプラズマCVD法によりSiO膜を第4の層間絶縁膜27として2300nmの厚さに形成し、この層間絶縁膜27により下側の保護絶縁膜22、配線26a〜26cを覆う。続いて、第4の層間絶縁膜27の表面をCMP法により平坦化する。この後に、真空チャンバ中で390℃の温度で第4の層間絶縁膜27を加熱して水を外部に放出させる。このような脱水処理の後に、第4の層間絶縁膜27をNOプラズマに曝して膜質を改善する。
【0083】
続いて、TEOSを用いてプラズマCVD法によりSiOよりなる上側の保護絶縁膜28を第4の層間絶縁膜27の上に100nm以上の厚さに形成する。この後に、真空チャンバ中で390℃の温度で保護絶縁膜28の脱水処理をし、加熱しながらNOプラズマに曝して膜質を改善する。さらに、フォトリソグラフィー法により第4の層間絶縁膜27と保護絶縁膜28をパターニングして、キャパシタQの下部電極11cに電気的に接続される二層目のアルミニウム配線26bの上にホール27aを形成する。フォトリソグラフィー法にはレジストマスクを用いるがホール27aを形成した後に除去される。
【0084】
次に、保護絶縁膜28の上面とホール27aの内面の上に、膜厚90nm〜150nmの窒化チタン(TiN)よりなるグルー膜29をスパッタ法により形成し、その後、ホール27aを埋め込むようにブランケットタングステン膜をCVD法により800nmの厚さに形成する。さらにに、ブラケットタングステン膜をエッチバックしてホール27aの中にのみ残し、ホール27a内のブラケットタングステン膜を三層目のプラグ30として使用する。
【0085】
これにより、保護絶縁膜28の上にはTiNグルー膜29が残った状態となる。
【0086】
その後、グルー膜29、プラグ30の上に2層構造の導電膜をスパッタ法により形成する。その導電膜は、下から順に、膜厚500nmの銅含有(0.5%)アルミニウム膜、膜厚100nmの窒化チタン膜である。そして、導電膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、三層目のアルミニウム配線31a〜31cを形成する。
【0087】
次に、図23に示すように、TEOSをソースに用いたプラズマCVD法によってSiOよりなる保護絶縁膜32を100nmの厚さに形成する。その後に、真空チャンバ中で390℃の温度で保護絶縁膜32を加熱して水を外部に放出させる。このような脱水処理の後に、保護絶縁膜32をNOプラズマに曝して脱水とともに膜質を改善する。
【0088】
続いて、保護絶縁膜32上にシリコン窒化膜33をCVD法により350nmの厚さに形成して保護絶縁膜32への水の侵入を阻止する。
【0089】
その後に、シリコン窒化膜33の上にポリイミド膜を3μmの厚さに塗布し、これを230℃で30分間のベークを施して、これをカバー膜34とする。
【0090】
ここまでの工程により、FeRAMが完成する。
【0091】
以上説明したように、本実施形態では、下部電極用導電膜11のTi下側層11aを形成した後、一度それを大気に曝し、その後Pt上側層11bを形成するようにした。このような方法により得られる効果について、次に説明する。
【0092】
図25は、Ti下側層11aを形成後にそれを大気に曝すことなしに連続してPt上側層11bを形成する従来例と、本発明とについて、Pt上側層11bとPLZT強誘電体膜12のそれぞれの配向の強さを調査して得られた結果を示すグラフである。調査には、X線回折装置(XRD)が使用された。なお、Pt上側層11bについては(222)方向の配向の強さが調べられ、PLZT強誘電体膜12については(111)方向の配向の強さが調べられた。グラフの系列の中で、「不連続W/N1〜W/N3」で示されるものは本発明を示し、「W/N1〜W/N3」はウエハ番号を示す。一方、「連続W/N1〜W/N3」で示されるものは、Ti下側層11aとPt上側層11bとを連続して成膜した従来例を示す。この従来例は、特開平9−223779号公報に記載の技術に対応し、そこでは各層11a、11bの成膜条件を本実施形態と同じにした。
【0093】
図25に示すように、本実施形態では、強誘電体膜12の配向の強さは従来例と比較してやや小さいが、FeRAMに必要な500000cpsを確保することができている。
【0094】
図26は、キャパシタQに3Vの電圧を印加した場合における残留分極量Qswをウエハ面内71ポイントにおいて調査した結果を示す累積グラフである。グラフの縦軸には累積確率を採ってある。同図においては、本発明と従来例とについて、それぞれ三つの系列があるが、各系列は図25の三つのウエハに対応する。また、この調査においては、本発明とも従来例とも異なる比較例が調査された。この比較例は、Ti下側層11aを形成後、それを酸素とアルゴンの混合雰囲気中でRTAして酸化させ、再度真空中でPt上側層11bを形成したものである。なお、比較例において、各層11a、11bの成膜条件は本実施形態と同じである。
【0095】
図26より理解されるように、本発明の残留分極量Qswは従来例のそれよりも大きくなる。更に、比較例のようにTi下側層11bを熱酸化すると、本発明のように自然酸化させる場合と比較して残留分極量Qswが小さくなってしまうことも理解される。
【0096】
図27は、図26の調査結果に基づき、残留分極量Qswのウエハ面内平均値と標準偏差とを計算して得られたグラフである。
【0097】
図27に示されるように、本発明では、残留分極量Qswの平均値が最も大きく、しかもその標準偏差も三者のうちで最も小さくなり、残留分極量Qswのウエハ面内分布が良好になることが分かる。これは、Ti下側層11bの表面を自然酸化すると、PLZT強誘電体膜12に結晶化アニ−ルを施す際、Tiが強誘電体膜12に拡散し難くなり、PLZT強誘電体膜12とPt上側層11bとの界面の特性が改善されるためであると考えられる。
【0098】
なお、図34は、図26の調査結果に基づき、残留分極量Qswのウエハ面内における分布をグラフ化したものである。そこに示されるように、本発明における標準偏差は0.372〜0.425の範囲に収まり、従来例(0.539〜1.006)よりも小さい。
【0099】
図28(a)、(b)は、図26の調査で使用した本発明、従来例、比較例におけるキャパシタQのリーク電流密度の累積グラフである。図28(a)、(b)では、キャパシタQに大きさ6Vの電圧を印加しているが、その電圧の極性が図28(a)と図28(b)とでは逆である。また、リーク電流密度は、ウエハ面内71ポイントで測定した。
【0100】
図28(a)、(b)より理解されるように、Ti下側層11aを熱酸化させる比較例では、従来例よりもリーク電流密度が1〜1.5桁程度上昇する。一方、本発明のようにTi下側層11aを自然酸化させると、リーク電流の特性は従来例と殆ど同じであり、比較例のように上昇してしまうことがない。
【0101】
図29は、上記した本発明、従来例、比較例のそれぞれのQ2(88)のグラフである。Q2(88)とは、二つのキャパシタQを対にして3Vの電圧を印加し、その後一方をプラス方向分極、他方をマイナス方向分極の状態にし、電源を切って150℃で88時間放置した後に残留する分極量を指す。このQ2(88)はキャパシタの特性を表す一つの指標であって、その値が大きいほどキャパシタのリテンション特性が良いと言われる。
【0102】
図29に示されるように、本発明のQ2(88)は従来例のそれよりも約2〜3μC/cmほど高く、リテンション特性が向上されるのが理解できる。一方、比較例のようにTi下側層11aを熱酸化する場合は、従来例よりもリテンション特性が劣化してしまう。
【0103】
図30は、上記した本発明、従来例、比較例のそれぞれのQ3(88)のグラフである。Q3(88)とは、二つのキャパシタQを対にして3Vの電圧を印加し、一方をプラス方向分極、他方をマイナス方向分極の状態にし、電源を切って150℃で88時間放置した後、再び3Vの電圧を印加して極性を反対にしたときの分極量を指す。このQ3(88)は、キャパシタのインプリント特性を示すものであって、その値が小さいほどキャパシタが一方の極性に癖づいてしまうことを表す。よって、Q3(88)が大きいほどキャパシタのインプリント特性が良好であることになる。
【0104】
図30に示されるように、本発明においては、Q3(88)が従来例のそれよりも約4μC/cmほど高く、インプリント特性が向上することが理解される。また、本発明は、比較例と比べても、インプリント特性が良いのが理解される。
【0105】
図31は、上記した本発明、従来例、比較例のそれぞれにおけるPLZTキャパシタ強誘電体膜12aの疲労損失(Fatigue Loss)を示すグラフである。Fatigue Lossとは、7Vの加速電圧で2.88×10回キャパシタQに書き込みを行った後、3Vの電圧でデータを書き込み、その後電源を切った場合の残留分極量Qswを指す。具体的には、Fatigue Loss(%)とは、100×{(加速前のQsw)−(加速後のQsw)}/(加速前のQsw)で定義され、この値が小さいほどキャパシタが劣化し難いことになる。
【0106】
図31に示されるように、本発明のFatigue Lossは従来例と殆ど変わらない。一方、Ti下側層11aを熱酸化する比較例では、従来例よりもFatigue Lossが大きくなってしまうのが理解される。
【0107】
図32は、Pt上側層11bの成膜温度を振った場合における、ウエハ面内71ポイントでの残留分極量Qswの最大値、最小値、平均値、標準偏差を調査して得られたグラフである。この調査は、本発明の他に、上記の従来例に対しても行われた。
【0108】
図32に示されるように、本発明では、Pt上側層11bの成膜温度に関わらず、従来例よりも残留分極量Qswの平均値が高く、また、その標準偏差も小さくなって面内分布が改善される。
【0109】
上記した各実験結果より、本発明では、FeRAMに必要な強誘電体膜12の配向の強さ(約500000cps)を確保しつつ、従来よりも残留分極量Qswの大きさを大きくすることができ、且つ、ウエハ面内における残留分極量Qswのばらつきを従来よりも小さくすることができる。更に、リーク電流特性を悪化させること無しに、キャパシタのリテンション特性、インプリント特性、及び疲労損失を従来よりも向上させることができる。しかも、このような利点は、Pt上側層11bの成膜温度に依らず得ることができる。
【0110】
次に、FeRAMの製造に使用される半導体製造装置について考える。
【0111】
図33(a)は、従来例に係る半導体製造装置の構成図である。従来例では、Ti下側層11aとPt上側層11bとを連続して成膜するので、Tiチャンバ102とPtチャンバ103とは対を成す必要があり、そのため各チャンバ102、103は同じ数づつトランスファチャンバ101の周囲に設けられる。
【0112】
ところが、Pt上側層11bの成膜時間はTi下側層11aのそれよりも数倍長いため、Ptチャンバ103内でPt上側層11bを成膜しているときには、Tiチャンバ102での成膜が既に終了し、Tiチャンバが待機状態となってしまい、Tiチャンバの稼働率が落ちてしまうという不都合がある。
【0113】
これに対し、本発明では、Ti下側層11aを成膜した後にそれを大気に曝すため、Tiチャンバ102とPtチャンバ103の数を等しくする必要が無い。
【0114】
そこで、例えば、図33(b)に示すように、Ptチャンバ103を一つに減らし、Tiチャンバ102を三つに増設することで、三つのTiチャンバ102内では常に成膜が行われているようにし、Ti下側層11aの成膜が終了したらシリコン基板1をロードロック等に退避させることで、Tiチャンバ102の稼動率を従来の1.5倍(=3/2)に高めることができる。
【0115】
以下に、本発明の特徴を付記する。
【0116】
(付記1) 半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成された絶縁膜と、
下側層と上側層とが順に積層された下部電極と、キャパシタ誘電体膜と、上部電極とを前記絶縁膜上に順に形成してなるキャパシタと、
を備え、
前記下部電極の前記下側層の表面に、該下側層の自然酸化膜が形成されたことを特徴とする半導体装置。
【0117】
(付記2) 前記下側層は、Ti、Pt−Ti合金、Ir−Ti合金、及びRu−Ti合金のいずれかよりなる層であることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
【0118】
(付記3) 半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、
下部電極用導電膜の下側層を前記絶縁膜上に形成する工程と、
前記下側層を大気に曝す工程と、
前記下側層を大気に曝した後、下部電極用導電膜の上側層を前記下側層上に形成し、前記上側層と前記上側層とを下部電極用導電膜とする工程と、
前記上側層上に強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に上部電極用導電膜を形成する工程と、
前記下部電極用導電膜、前記強誘電体膜、及び前記上部電極用導電膜をパターニングして、前記下部電極用導電膜よりなる下部電極と、前記強誘電体膜よりなるキャパシタ誘電体膜と、前記上部電極用導電膜よりなる上部電極とを備えたキャパシタを形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0119】
(付記4) 前記大気に曝す工程における前記半導体基板の温度は0℃〜100℃であることを特徴とする付記3に記載の半導体装置の製造方法。
【0120】
(付記5) 前記大気に曝す工程は、5分〜7日間行われることを特徴とする付記3又は付記4に記載の半導体装置の製造方法。
【0121】
(付記6) 前記下側層は、0℃〜300℃の温度で形成されることを特徴とする付記3乃至付記5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0122】
(付記7) 前記下側層は、Ti、Pt−Ti合金、Ir−Ti合金、及びRu−Ti合金のいずれかよりなる層であることを特徴とする付記3乃至付記6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0123】
(付記8) 前記上側層は、Pt、Ir、Ru、Pd、PtOx、IrOx、RuOx、及びPdOxのいずれかを含む単層又は複数層構造を有することを特徴とする付記3乃至付記7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0124】
(付記9) 前記強誘電体膜は、(Sr,Ti)O、(Ba,Sr)TiO、Pb(Zr,Ti)O、(Pb,La)(Zr,Ti)O、及びBi層状構造化合物のいずれかよりなる膜であることを特徴とする付記3乃至付記8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0125】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下部電極用導電膜の下側層を大気に曝して自然酸化させ、その後、下側層上に下部電極用導電膜の上側層を形成するようにした。
【0126】
これにより、FeRAMに必要な強誘電体膜の配向の強さを確保しながら、従来よりも残留分極量Qswを大きくすることができ、且つ、ウエハ面内における残留分極量Qswのばらつきを従来よりも小さくすることができる。更に、リーク電流特性を悪化させること無しに、キャパシタのリテンション特性、インプリント特性、及び疲労損失を従来よりも向上させることができる。しかも、このような利点は、上側層の成膜温度に依らずに得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その1)である。
【図2】図2は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その2)である。
【図3】図3は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その3)である。
【図4】図4は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その4)である。
【図5】図5は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その5)である。
【図6】図6は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その6)である。
【図7】図7は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その7)である。
【図8】図8は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その8)である。
【図9】図9は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その9)である。
【図10】図10は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その10)である。
【図11】図11は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その11)である。
【図12】図12は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その12)である。
【図13】図13は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その13)である。
【図14】図14は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その14)である。
【図15】図15は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その15)である。
【図16】図16は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その16)である。
【図17】図17は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その17)である。
【図18】図18は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その18)である。
【図19】図19は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その19)である。
【図20】図20は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その20)である。
【図21】図21は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その21)である。
【図22】図22は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その22)である。
【図23】図23は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その23)である。
【図24】図24は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す平面図である。
【図25】図25は、Pt上側層とPLZT強誘電体膜のそれぞれの配向の強さについて、本発明と従来例とに対して調査を行って得られたグラフである。
【図26】図26は、本発明、従来例、及び比較例のそれぞれにおけるキャパシタの残留分極量Qswを示す累積グラフである。
【図27】図27は、本発明、従来例、及び比較例のそれぞれにおけるキャパシタの残留分極量Qswのウエハ内平均値と標準偏差とを示すグラフである。
【図28】図28(a)は、本発明、従来例、及び比較例のそれぞれにおけるキャパシタのリーク電流密度の累積グラフであり、図28(b)は、図28(a)とは印加電圧を逆にした場合のリーク電流密度の累積グラフである。
【図29】図29は、本発明、従来例、比較例のそれぞれのQ2(88)のグラフである。
【図30】図30は、本発明、従来例、比較例のそれぞれのQ3(88)のグラフである。
【図31】本発明、従来例、比較例のそれぞれにおけるPLZTキャパシタ強誘電体膜の疲労損失を示すグラフである。
【図32】Pt上側層の成膜温度を振った場合における、ウエハ面内での残留分極量Qswの最大値、最小値、平均値、標準偏差を本発明と従来例とで調査して得られたグラフである。
【図33】図33(a)は、従来例に係る半導体製造装置の構成図であり、図33(b)は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の構成図である。
【図34】図34は、図26の調査結果に基づき、残留分極量Qswのウエハ面内における分布をグラフ化したものである。
【符号の説明】
1…シリコン基板(半導体基板)、2…素子分離絶縁膜、3a、3b…ウェル、4…ゲート絶縁膜、5a〜5c…ゲート電極、6a,6b…不純物拡散層、7…側壁絶縁膜、8a,8b…高融点金属シリサイド膜、9…カバー膜、10…層間絶縁膜、11…下部電極用導電膜、11a…下側層、11b…上側層、11c…下部電極、12…強誘電体膜、12a…誘電体膜、13…上部電極用導電膜、13a…上部電極、14…エンキャップ層、15…層間絶縁膜、15a〜15f…コンタクトホール、16…レジスト、17…グルー膜、18…タングステン層、18a〜18e…プラグ、19…酸化防止膜、20a,20c…コンタクトパッド、20b,20c〜20f…配線、21…層間絶縁膜、22…保護絶縁膜、23…グルー膜、24…タングステン膜、25a〜25c…プラグ、26…導電層、27…層間絶縁膜、28…保護絶縁膜、29…密着層、30…プラグ、31a〜31f…配線、32…保護絶縁膜、33…シリコン窒化膜、34…カバー膜、101…トランスファチャンバ、102…Tiチャンバ、103…Ptチャンバ、A…メモリセル領域、B…周辺回路領域、Q…キャパシタ。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device having a ferroelectric capacitor and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Flash memories and ferroelectric memories (FeRAM) are known as nonvolatile memories that can store information even when the power is turned off.
[0003]
Among them, a flash memory stores information by accumulating electric charges in a floating gate of an insulated gate field effect transistor (IGFET). When writing information, a tunnel current flows through a gate insulating film. Need, and require a relatively high voltage.
[0004]
On the other hand, FeRAM has a ferroelectric capacitor, uses a ferroelectric film as the capacitor dielectric film, and generates a spontaneous polarization in the capacitor dielectric film by applying a write voltage between the upper electrode and the lower electrode. Let it. The spontaneous polarization remains even after the power is turned off due to the hysteresis characteristic of the ferroelectric substance, and information is read out by detecting its magnitude and polarity. Such a FeRAM operates at a lower voltage than a flash memory, and can perform high-speed writing with low power consumption.
[0005]
The characteristics of a ferroelectric capacitor largely depend on the crystallinity of a capacitor dielectric film, and the better the crystallinity, the better the characteristics. Therefore, as the uppermost layer of the lower electrode, a Pt film in which the orientation is aligned in one direction and the orientation is enhanced is adopted, and the crystallinity of the capacitor dielectric film is enhanced by the action of the Pt film. Since the polarization direction of the capacitor dielectric film having the perovskite structure is the (001) direction, it is preferable that the orientation is also aligned in the (001) direction. However, since it is actually difficult to form such a capacitor dielectric film, a Pt film having a uniform orientation in the (111) direction is formed, and the capacitor dielectric film thereon is also formed in the (111) direction. The orientation should be uniform.
[0006]
However, since the Pt film is easily peeled off when formed on the insulating film, a Ti film is formed under the Pt film to prevent the peeling. The Ti film has a function of aligning the orientation of the Pt film in addition to preventing peeling.
[0007]
Therefore, the lower electrode has a two-layered structure of a Ti film and a Pt film. The method for forming such a lower electrode and the processing after the formation are as follows.
[0008]
The first method is to form a Pt film continuously after forming a Ti film. 2 The adhesion to the film is improved, and the increase in the resistance of the lower electrode can be suppressed (for example, see Patent Document 1).
[0009]
A second method is a method of performing a rapid heat treatment on the lower electrode after forming a lower electrode by forming a Ti film and a Pt film successively and before forming a ferroelectric film (for example, , Patent Document 2). According to this method, since the orientation of the lower electrode is aligned in the (111) direction, the orientation of the ferroelectric film thereon is also enhanced, and the spontaneous polarization of the capacitor is enhanced.
[0010]
A third method is to form a lower electrode made of a Ti film and a Pt film, form a PZT film thereon as a ferroelectric film, and then perform a heat treatment on the PZT film (for example, see Patent Reference 3). According to this method, a Pb-Pt-Ti-O reaction layer is formed at the interface between the PZT film and the Pt film, and a capacitor with less deterioration can be provided.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-9-223779 (paragraph number 0062)
[Patent Document 2]
JP-A-2000-91511 (paragraph number 0032)
[Patent Document 3]
JP 2000-40779 A (Paragraph No. 0019)
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, there are various indexes indicating the characteristics of the ferroelectric capacitor. Among them, the most important one is the remanent polarization Q sw There is. Residual polarization Q sw Is the amount of polarization remaining in the capacitor dielectric film when the power is turned off. The larger this value is, the easier it is to distinguish between "0" and "1".
[0013]
However, the first to third methods described above use the remanent polarization Q sw Is not taken into account, the amount of remanent polarization Q sw And the amount of remanent polarization Q sw There is room for improvement in reducing the dispersion of the distribution in the wafer plane.
[0014]
The present invention has been made in view of the problems of the conventional example, and can increase the amount of remanent polarization compared to the related art, and reduce the variation in the distribution of the amount of remanent polarization in the wafer surface. And a method for manufacturing the same.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The above object is achieved by insulating a semiconductor substrate, an insulating film formed above the semiconductor substrate, a lower electrode in which a lower layer and an upper layer are sequentially stacked, a capacitor dielectric film, and an upper electrode. And a capacitor formed sequentially on the film, wherein a natural oxide film of the lower layer is formed on the surface of the lower layer of the lower electrode.
[0016]
A step of forming an insulating film above a semiconductor substrate; a step of forming a lower layer of a conductive film for a lower electrode on the insulating film; a step of exposing the lower layer to the atmosphere; Exposing the lower electrode to the atmosphere, forming an upper layer of the lower electrode conductive film on the lower layer, and forming the upper layer and the upper layer into a lower electrode conductive film. Forming a dielectric film, forming an upper electrode conductive film on the ferroelectric film, and patterning the lower electrode conductive film, the ferroelectric film, and the upper electrode conductive film. Forming a capacitor having a lower electrode made of the lower electrode conductive film, a capacitor dielectric film made of the ferroelectric film, and an upper electrode made of the upper electrode conductive film. The problem is solved by a method for manufacturing a semiconductor device.
[0017]
Next, the operation of the present invention will be described.
[0018]
According to the present invention, after exposing the lower layer of the lower electrode conductive film to the atmosphere, the upper layer of the lower electrode conductive film is formed on the lower layer. By adopting such a method, the amount of remanent polarization Q can be increased as compared with the related art while securing the strength of the orientation of the ferroelectric film required for the FeRAM. sw And the amount of remanent polarization Q in the wafer plane sw Is smaller than before. Further, the retention characteristic, the imprint characteristic, and the fatigue loss of the capacitor are improved as compared with the related art without deteriorating the leak current characteristic. Moreover, such advantages do not depend on the film formation temperature of the upper layer.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0020]
1 to 23 are sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention in the order of steps, and FIG. 24 is a plan view corresponding to FIG.
[0021]
First, steps required until a sectional structure shown in FIG.
[0022]
As shown in FIG. 1, an element isolation insulating film 2 is formed on a surface of an n-type or p-type silicon (semiconductor) substrate 1 by a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method. The element isolation insulating film 2 may employ an STI (Shallow Trench Isolation) method other than the LOCOS method.
[0023]
After forming such an element isolation insulating film 2, p-type impurities and n-type impurities are selectively introduced into predetermined active regions (transistor formation regions) in the memory cell region A and the peripheral circuit region B of the silicon substrate 1. Thus, a p-well 3a and an n-well 3b are formed. Although not shown in FIG. 1, a p-well (not shown) is also formed in the peripheral circuit region B to form a CMOS.
[0024]
Thereafter, the surface of the active region of the silicon substrate 1 is thermally oxidized to form a silicon oxide film as the gate insulating film 4.
[0025]
Next, an amorphous or polycrystalline silicon film is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 1, and an n-type impurity is ion-implanted on the p-well 3a and a p-type impurity is ion-implanted on the n-type well 3b. Reduce the resistance of the silicon film. After that, the silicon film is patterned into a predetermined shape by photolithography to form gate electrodes 5a to 5c.
[0026]
Two gate electrodes 5a and 5b are arranged substantially in parallel on one p-well 3a in the memory cell region A, and these gate electrodes 5a and 5b constitute a part of the word line WL.
[0027]
Next, in the memory cell region A, an n-type impurity is ion-implanted into the p-well 3a on both sides of the gate electrodes 5a and 5b to form an n-type impurity diffusion region 6a serving as a source / drain of the n-channel MOS transistor. . At the same time, an n-type impurity diffusion region is also formed in a p-well (not shown) of the peripheral circuit region B. Subsequently, in the peripheral circuit region B, a p-type impurity is ion-implanted into the n-well 3b on both sides of the gate electrode 5c to form a p-type impurity diffusion region 6b serving as a source / drain of the p-channel MOS transistor.
[0028]
Subsequently, after an insulating film is formed on the entire surface of the silicon substrate 1, the insulating film is etched back to leave the sidewall insulating film 7 only on both sides of the gate electrodes 5a to 5c. As the insulating film, for example, silicon oxide (SiO 2) is formed by a CVD method. 2 ) Is formed.
[0029]
Further, using gate electrodes 5a-5c and side wall insulating film 7 as a mask, n-type impurity ions are again implanted into p-well 3a to make n-type non-diffusion region 6a an LDD structure, and n-well 3b By implanting p-type impurity ions into the inside again, p-type impurity diffusion region 6b also has an LDD structure.
[0030]
Note that the n-type impurity and the p-type impurity are separated by using a resist pattern.
[0031]
As described above, in the memory cell region A, an n-type MOSFET is constituted by the p-well 3a, the gate electrodes 5a and 5b, and the n-type impurity diffusion regions 6a on both sides thereof, and in the peripheral circuit region B, the n-type MOSFET 3b , Gate electrode 5c and p-type impurity diffusion regions 6b on both sides thereof constitute a p-type MOSFET.
[0032]
Next, after a refractory metal film, for example, a film of Ti or Co is formed on the entire surface, the refractory metal film is heated to form a refractory metal film on the surfaces of the n-type impurity diffusion region 6a and the p-type impurity diffusion region 6b. Metal silicide layers 8a and 8b are formed. After that, the unreacted refractory metal film is removed by wet etching.
[0033]
Next, a silicon oxynitride (SiON) film having a thickness of about 200 nm is formed as a cover film 9 on the entire surface of the silicon substrate 1 by a plasma CVD method. Further, silicon dioxide (SiO 2) is used as the first interlayer insulating film 10 by a plasma CVD method using a TEOS gas. 2 ) Is grown on the cover film 9 to a thickness of about 1.0 μm.
[0034]
Subsequently, the first interlayer insulating film 10 is polished by a chemical mechanical polishing (CMP) method to planarize the surface.
[0035]
Next, steps required until a structure illustrated in FIG.
[0036]
First, the film forming temperature and the film forming time are set to 20 ° C. and 14 seconds, respectively, and a Ti layer is formed on the first interlayer insulating film 10 as a lower layer 11 a of the lower electrode conductive film by a DC sputtering method to a thickness of about 20 nm. Formed to a thickness of The film forming temperature of the lower layer 11a is not limited to 20 ° C., and may be a temperature of 0 ° C. to 300 ° C. Further, as the lower layer 11a, a layer made of any of Ti, Pt-Ti alloy, Ir-Ti alloy, and Ru-Ti alloy may be formed in addition to the Ti layer.
[0037]
After that, the silicon substrate 1 is taken out of the chamber used for forming the lower layer 11a, and the lower layer 11a is exposed to the atmosphere at room temperature (about 24 ° C.) for about 2 hours, and its surface is naturally oxidized or absorbed. As a result, a thin native oxide film of Ti is formed on the surface of the lower layer 11a. The time of exposure to the atmosphere is not limited to the above, and may be 5 minutes to 7 days. The temperature of the silicon substrate 1 at that time is not limited to the above, and may be 0 ° C to 100 ° C. The effect obtained by such exposure to the atmosphere will be described later in detail.
[0038]
Next, steps required until a structure shown in FIG.
[0039]
First, the film formation temperature and the film formation time are set to 100 ° C. and 112 seconds, respectively, and a Pt layer is formed on the lower layer 11a as the upper layer 11b of the lower electrode conductive film by a DC sputtering method to a thickness of about 175 nm. Formed. As a result, the lower electrode conductive film 11 composed of the lower layer 11a and the upper layer 11b is formed. Thus, by forming the Pt layer (upper layer 11b) on the Ti layer (lower layer 11a), the orientation of the Pt layer is aligned in the (111) direction by the action of the Ti layer, and the Pt layer is formed later. The orientation of the PZT film can be aligned in the (111) direction. Further, the lower layer 11a also plays a role of increasing the adhesion strength between the lower electrode conductive film 11 and the first interlayer insulating film 10.
[0040]
In addition, as the upper layer 11b, in addition to the Pt layer, a single-layer or multilayer structure including any of Pt, Ir, Ru, Pd, PtOx, IrOx, RuOx, and PdOx may be formed.
[0041]
Next, steps required until a structure illustrated in FIG. 4 is formed will be described.
[0042]
First, PLZT (lead lanthanum zirconate titanate; (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ) Is formed to a thickness of 100 to 300 nm, for example, 240 nm on the conductive film 11 for the lower electrode, and this is used as the ferroelectric film 12. In some cases, PLZT may be slightly doped with calcium (Ca) or strontium (Sr). Also, instead of PLZT, PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ), (Sr, Ti) O 3 , (Ba, Sr) TiO 3 Materials such as Bi 4 Ti 2 O 12 The ferroelectric film 12 may be made of a Bi layer structure compound such as described above. Further, as a method of forming the ferroelectric film 12, there are a spin-on method, a sol-gel method, a MOD (Metal Organic Deposition) method, and a MOCVD method, in addition to the above-described sputtering method.
[0043]
Subsequently, the silicon substrate 1 is placed in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen, and the ferroelectric film 12 is formed at a temperature of 600 ° C. or more, for example, at 725 ° C. for 20 seconds at a temperature increase rate of 125 ° C./sec. The PLZT film is crystallized by subjecting the PLZT film to RTA (Rapid Thermal Annealing). According to such a crystallization process, Pt constituting the upper layer 11b is densified, and the interdiffusion between Pt and O in the vicinity of the interface between the lower electrode conductive film 11 and the ferroelectric film 12 is suppressed. You can also.
[0044]
After such a ferroelectric film 12 is formed, iridium oxide (IrO 2) is formed thereon as a conductive film 13 for an upper electrode. 2 ) A film is formed to a thickness of 100 to 300 nm, for example, 200 nm by a sputtering method. As the conductive film 13 for the upper electrode, a platinum film or a ruthenium strontium oxide (SRO) film may be formed by a sputtering method.
[0045]
Next, steps required until a structure shown in FIG.
[0046]
First, after forming a resist pattern (not shown) in the shape of an upper electrode on the conductive film 13 for the upper electrode, the conductive film 13 for the upper electrode is etched using the resist pattern as a mask. The conductive film 13 is used as the upper electrode 13a of the capacitor.
[0047]
Then, after removing the resist pattern, the ferroelectric film 12 is annealed in an oxygen atmosphere at a temperature of 650 ° C. for 60 minutes. This annealing is performed to recover damage that has entered the ferroelectric film 12 during sputtering and etching.
[0048]
Subsequently, in the memory cell region A, the ferroelectric film 12 is etched in a state where a resist pattern (not shown) is formed on the capacitor upper electrode 13a and its periphery, and the remaining ferroelectric film 12 is removed by the dielectric of the capacitor. Used as the body film 12a. After removing the resist pattern, the ferroelectric film 12 is annealed at 650 ° C. for 60 minutes in an oxygen atmosphere. This annealing is performed in order to degas the moisture and the like absorbed by the underlying film.
[0049]
Next, as shown in FIG. 6, on the upper electrode 13a, the dielectric film 12a, and the lower electrode conductive film 11, a PLZT film is formed as an encapsulation layer 14 to a thickness of 50 nm by a sputtering method at room temperature. . The encap layer 14 is formed to protect the dielectric film 12a, which is easily reduced, from hydrogen and to block the entry of hydrogen into the dielectric film 12a. Note that a PZT film, an alumina film, or a titanium oxide film may be formed as the encapsulation layer 14.
[0050]
Thereafter, the ferroelectric film 12 under the encap layer 14 is rapidly heat-treated in an oxygen atmosphere at 700 ° C. for 60 seconds at a temperature increase rate of 125 ° C./sec to improve the film quality.
[0051]
Next, a resist is applied on the encapsulation layer 14, which is exposed and developed to leave on and around the upper electrode 13a and the dielectric film 12a. Then, using the resist as a mask, the encapsulation layer 14 and the lower electrode conductive film 11 are etched, and the remaining lower electrode conductive film 11 is used as the lower electrode 11c of the capacitor (see FIG. 7). The etching of the encapsulation layer 14 and the lower electrode conductive film 11 is performed by dry etching using chlorine.
[0052]
After removing the resist pattern, the ferroelectric film 12 is annealed in an oxygen atmosphere at 650 ° C. for 60 minutes to recover from damage.
[0053]
Thereby, as shown in FIG. 7, a capacitor Q including the lower electrode 11c, the dielectric film 12a, and the upper electrode 13a is formed on the first interlayer insulating film 10.
[0054]
FIG. 24 shows a planar configuration excluding the insulating film in the memory cell region A. A plurality of upper electrodes 13a are formed on one rectangular dielectric film 12a. The lower electrode 11c below has a size extending to the side of the dielectric film 12a. FIG. 24 also illustrates contact holes, bit lines, and the like, which will be described later.
[0055]
Next, as shown in FIG. 8, a 1200 nm-thick SiO 2 film is formed on the capacitor Q and the first interlayer insulating film 10 as a second interlayer insulating film 15. 2 After the film is formed by the CVD method, the surface of the second interlayer insulating film 15 is flattened by the CMP method. The second interlayer insulating film 15 is grown by using silane (SiH 4 ) May be used or TEOS may be used. The surface of the second interlayer insulating film 15 is planarized until the thickness of the upper surface of the upper electrode 13a becomes 200 nm.
[0056]
Next, as shown in FIG. 9, a resist 16 is applied on the second interlayer insulating film 15, and is exposed and developed to form a resist 16 on the impurity diffusion layer 6a in the memory cell region A and a capacitor lower electrode 11c. The hole forming windows 16a to 16e are formed on the semiconductor device and on the impurity diffusion layer 6b in the peripheral circuit region B, respectively.
[0057]
Subsequently, the first and second interlayer insulating films 10 and 15 and the cover film 9 are dry-etched to form contact holes 15a to 15e on the impurity diffusion layer 6a in the memory cell region A and the capacitor lower electrode 11c. At the same time, contact holes 15d and 15e are also formed on impurity diffusion layer 6b in peripheral circuit region B. The first and second interlayer insulating films 10 and 15 and the cover film 9 are made of a CF-based gas such as CHF. 3 To CF 4 , Ar is added using a mixed gas.
[0058]
In this etching, since the etching rate of the PLZT encapsulation layer 14 covering the lower electrode 11c of the capacitor Q is smaller than that of the other insulating films, the shallow contact hole 15c formed on the lower electrode 11a The difference in the etching depth of the contact holes 15a, 15b, 15d, and 15e is absorbed by the encapsulation layer 14.
[0059]
Each of the contact holes 15a to 15e has a tapered shape in which the upper portion is wide and the lower portion is narrow, and the diameter of the contact holes 15a, 15b, 15d, and 15e above the impurity diffusion layers 6a and 6b at the center in the depth direction is about 0.1 mm. 5 μm.
[0060]
Next, after removing the resist 16, as shown in FIG. 10, RF pretreatment etching is performed on the second interlayer insulating film 15 and the inner surfaces of the contact holes 15 a to 15 e, and then a sputtering method is performed thereon. To form a titanium (Ti) film with a thickness of 20 nm and a titanium nitride (TiN) film with a thickness of 50 nm. Furthermore, tungsten fluoride gas (WF 6 ), A tungsten film 18 is formed on the glue film 17 by a CVD method using a mixed gas of argon and hydrogen. In the initial stage of the growth of the tungsten film 18, silane (SiH 4 ) Gas is also used. The tungsten film 18 has a thickness that completely fills each of the contact holes 15a to 15e, for example, about 500 nm on the second interlayer insulating film 15.
[0061]
Since each of the contact holes 15a to 15e has a tapered shape, it is difficult to form a cavity (also referred to as a void or a void) in the tungsten film 18 buried therein.
[0062]
Next, as shown in FIG. 11, the tungsten film 18 and the glue film 17 on the second interlayer insulating film 15 are removed by the CMP method, and are left only in the contact holes 15a to 15e. Thus, the tungsten film 18 and the glue film 17 in the contact holes 15a to 15e are used as plugs 18a to 18e. Here, if etch-back is used instead of the CMP method, different etching gases are required for etching the tungsten film 18 and for etching the glue film 17, respectively, so that the etching management is troublesome.
[0063]
In one p-well 3a of the memory cell region A, the first plug 18a on the n-type impurity diffusion region 6a sandwiched between the two gate electrodes 5a and 5b is connected to a bit line described later, The two second plugs 18b are connected to the upper electrode 13a of the capacitor Q via a wiring described later. Further, as shown in FIG. 24, the contact hole 15c above the lower electrode 11c and the plug 18c therein are formed in a portion protruding from the dielectric film 12a, but in the drawings after FIG. In order to facilitate understanding, it is drawn for the sake of convenience so as to extend over a plurality of plugs 18a and 18b on the impurity diffusion layer 6a in the memory cell region A.
[0064]
After that, in order to remove moisture adhering to the surface of the second interlayer insulating film 15 or permeating into the inside in a process such as a cleaning process after forming the contact holes 15a to 15e and a cleaning process after the CMP, a vacuum chamber is again formed. The second interlayer insulating film 15 is heated at a temperature of 390 ° C. to release water to the outside. After such a dehydration process, the second interlayer insulating film 15 is heated while heating 2 Annealing for improving film quality by exposure to plasma is performed for, for example, 2 minutes.
[0065]
Subsequently, as shown in FIG. 12, a SiON film is formed to a thickness of, for example, 100 nm on the second interlayer insulating film 15 and the plugs 18a to 18e by a plasma CVD method. This SiON film is made of silane (SiH 4 ) And N 2 It is formed using a mixed gas of O and is used as an antioxidant film 19 for preventing oxidation of the plugs 18a to 18e.
[0066]
Next, as shown in FIG. 13, the encapsulation layer 14 and the second interlayer insulating film 15 are patterned by photolithography to form a contact hole 15f on the upper electrode 13a of the capacitor Q.
[0067]
Thereafter, the dielectric film 12a of the capacitor Q is annealed in an oxygen atmosphere at 550 ° C. for 60 minutes to improve the film quality of the dielectric film 12a. In this case, oxidation of the plugs 18a to 18e is prevented by the antioxidant film 19.
[0068]
Thereafter, as shown in FIG. 14, the SiON oxidation preventing film 19 is dry-etched using a CF-based gas. Then, each surface of the plugs 18a to 18e and the upper electrode 13a is etched by about 10 nm by RF etching to expose a clean surface.
[0069]
Next, as shown in FIG. 15, a four-layer conductive film containing aluminum is formed on the second interlayer insulating film 15, the plugs 18a to 18e, and the contact holes 15f of the capacitor Q by a sputtering method. The conductive films are, in order from the bottom, a 50-nm-thick titanium nitride film, a 500-nm-thick copper-containing (0.5%) aluminum film, a 5-nm-thick titanium film, and a 100-nm-thick titanium nitride film.
[0070]
Then, the conductive film is patterned by photolithography to form contact pads 20a and 20c and first-layer wirings 20b and 20d to 20f, as shown in FIG.
[0071]
Here, in the memory cell region A, a contact pad 20a is formed on the plug 18a between the two gate electrodes 5a and 5b on the p well 3a. The plug 18b between the element isolation insulating film 2 and the gate electrodes 5a, 5b is connected to the upper electrode 13a of the capacitor Q by a wiring 20b through a contact hole 15f. Further, another contact pad 20c is formed on the plug 18c on the lower electrode 11a of the capacitor Q in the arrangement shown in FIG.
[0072]
Note that the resist pattern used for the photolithography method is removed after forming the contact pads 20a, the wirings 20b, and the like.
[0073]
Next, as shown in FIG. 16, SiO 2 is formed by plasma CVD using TEOS as a source. 2 A film is formed as a third interlayer insulating film 21 to a thickness of 2300 nm, and the second interlayer insulating film 21 covers the second interlayer insulating film 15, the contact pads 20a and 20c, the wiring 20b, and the like. Subsequently, the surface of the third interlayer insulating film 21 is planarized by the CMP method.
[0074]
Thereafter, the third interlayer insulating film 21 is heated at a temperature of 390 ° C. in a vacuum chamber to release water to the outside. After such a dehydration process, the third interlayer insulating film 21 is heated while 2 Dehydration and film quality improvement are performed by exposure to O plasma.
Subsequently, as shown in FIG. 17, SiO 2 is formed by plasma CVD using TEOS. 2 A protective insulating film 22 is formed on the third interlayer insulating film 21 to a thickness of 100 nm or more. When voids are formed in the third interlayer insulating film 21, the voids are closed by the protective insulating film 22. Thereafter, the protective insulating film 22 is dehydrated in a vacuum chamber at a temperature of 390 ° C. 2 Dehydration and film quality improvement are performed by exposure to O plasma.
[0075]
Next, steps required until a structure as shown in FIG.
[0076]
First, the third interlayer insulating film 21 and the protective insulating film 22 are patterned by the photolithography method, so that the third interlayer insulating film 21 and the protective insulating film 22 are patterned on the contact pad 20a in the middle of the p well 3a in the memory cell region A and on the lower electrode 11a of the capacitor Q. Holes 22a to 22c are formed on the wiring 20c of FIG.
[0077]
Next, after performing RF pretreatment etching on the upper surface of the protective insulating film 22 and the inner surfaces of the holes 22a to 22c, a glue film 23 made of titanium nitride (TiN) having a thickness of 90 nm to 150 nm is formed by sputtering. Thereafter, a blanket tungsten film 24 is formed to have a thickness of, for example, 800 nm by the CVD method so as to fill the holes 22a to 22c. WF is used to grow the blanket tungsten film 24. 6 , H 2 The source gas containing is used. By the way, the reason why the thickness of the glue film 23 is set to 90 nm or more is that H used for forming a relatively thick tungsten film 24 is used. 2 This is to alleviate the damage to the capacitor Q by penetrating into the protective insulating film 22. As described above, since the tungsten film 18 shown in FIG. 10 is formed thin to fill the small diameter contact holes 15a to 15f, the thickness of the TiN glue film 17 thereon is as thin as 50 nm. You may.
[0078]
Next, as shown in FIG. 19, the tungsten film 24 is etched back and left only in the holes 22a to 22c, and the tungsten film 24 in the holes 22a to 22c is used as second-layer plugs 25a to 25c. Thus, the TiN glue film 23 remains on the protective insulating film 22.
[0079]
Next, as shown in FIG. 20, a conductive film 26 having a three-layer structure is formed on the TiN glue film 23 and the plugs 25a to 25c by a sputtering method. The conductive film 26 is, in order from the bottom, a copper-containing (0.5%) aluminum film having a thickness of 500 nm, a titanium film having a thickness of 5 nm, and a titanium nitride film having a thickness of 100 nm.
[0080]
Then, the conductive film 26 is patterned by photolithography as shown in FIG. 21 to form a second-layer contact pad and a second-layer aluminum wiring. For example, in the memory cell region A, a bit line 26a connected via plugs 18a and 25a and a contact pad 20a is formed above the impurity diffusion layer 6a at the center of the p well 3a. Above 11c, a second layer wiring 26b connected via plugs 18c and 25b and contact pad 20c is formed, and a first layer aluminum wiring 20f in peripheral circuit region B is formed via plug 25c. A second-layer aluminum wiring 26c is formed to be connected. FIG. 24 shows a plan view of this state.
[0081]
Next, the steps as shown in FIGS. 17 to 21 are repeated to form a structure as shown in FIG. The process is as follows.
[0082]
First, SiO 2 was formed by plasma CVD using TEOS as a source. 2 A film is formed as the fourth interlayer insulating film 27 to a thickness of 2300 nm, and the lower protective insulating film 22 and the wirings 26a to 26c are covered with the interlayer insulating film 27. Subsequently, the surface of the fourth interlayer insulating film 27 is planarized by the CMP method. Thereafter, the fourth interlayer insulating film 27 is heated at a temperature of 390 ° C. in a vacuum chamber to release water to the outside. After such a dehydration process, the fourth interlayer insulating film 27 is 2 Exposure to O plasma improves film quality.
[0083]
Subsequently, SiO 2 is formed by plasma CVD using TEOS. 2 The upper protective insulating film 28 is formed on the fourth interlayer insulating film 27 to a thickness of 100 nm or more. Thereafter, the protective insulating film 28 is dehydrated at a temperature of 390 ° C. in a vacuum chamber. 2 Exposure to O plasma improves film quality. Further, the fourth interlayer insulating film 27 and the protective insulating film 28 are patterned by photolithography to form a hole 27a on the second-layer aluminum wiring 26b electrically connected to the lower electrode 11c of the capacitor Q. I do. The photolithography method uses a resist mask, but is removed after forming the hole 27a.
[0084]
Next, a glue film 29 made of titanium nitride (TiN) having a thickness of 90 nm to 150 nm is formed on the upper surface of the protective insulating film 28 and the inner surface of the hole 27a by a sputtering method, and then a blanket is formed so as to fill the hole 27a. A tungsten film is formed to a thickness of 800 nm by a CVD method. Further, the bracket tungsten film is etched back and left only in the hole 27a, and the bracket tungsten film in the hole 27a is used as a third-layer plug 30.
[0085]
Thus, the TiN glue film 29 remains on the protective insulating film 28.
[0086]
Thereafter, a conductive film having a two-layer structure is formed on the glue film 29 and the plug 30 by a sputtering method. The conductive film is, in order from the bottom, a copper-containing (0.5%) aluminum film having a thickness of 500 nm and a titanium nitride film having a thickness of 100 nm. Then, the conductive film is patterned by a photolithography method to form third-layer aluminum wirings 31a to 31c.
[0087]
Next, as shown in FIG. 23, SiO 2 is formed by a plasma CVD method using TEOS as a source. 2 A protective insulating film 32 is formed to a thickness of 100 nm. Thereafter, the protective insulating film 32 is heated at a temperature of 390 ° C. in a vacuum chamber to release water to the outside. After such a dehydration treatment, the protective insulating film 32 is 2 Exposure to O plasma improves dehydration and film quality.
[0088]
Subsequently, a silicon nitride film 33 is formed to a thickness of 350 nm on the protective insulating film 32 by a CVD method to prevent water from entering the protective insulating film 32.
[0089]
Thereafter, a polyimide film is applied to a thickness of 3 μm on the silicon nitride film 33 and baked at 230 ° C. for 30 minutes to form a cover film.
[0090]
Through the steps so far, the FeRAM is completed.
[0091]
As described above, in the present embodiment, after forming the Ti lower layer 11a of the lower electrode conductive film 11, it is once exposed to the air, and then the Pt upper layer 11b is formed. The effect obtained by such a method will be described below.
[0092]
FIG. 25 shows a conventional example in which a Pt upper layer 11b is continuously formed without exposing the Ti lower layer 11a to the air after forming the Ti lower layer 11a, and the Pt upper layer 11b and the PLZT ferroelectric film 12 in the present invention. 5 is a graph showing the results obtained by investigating the strength of each orientation of the above. An X-ray diffractometer (XRD) was used for the investigation. The strength of the (222) direction of the Pt upper layer 11b was measured, and the strength of the (111) direction of the PLZT ferroelectric film 12 was measured. In the series of graphs, those indicated by “discontinuous W / N1 to W / N3” indicate the present invention, and “W / N1 to W / N3” indicate wafer numbers. On the other hand, what is indicated by “continuous W / N1 to W / N3” indicates a conventional example in which a Ti lower layer 11a and a Pt upper layer 11b are continuously formed. This conventional example corresponds to the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-223779, in which the film forming conditions for the layers 11a and 11b are the same as in the present embodiment.
[0093]
As shown in FIG. 25, in the present embodiment, the strength of the orientation of the ferroelectric film 12 is slightly smaller than that of the conventional example, but 500,000 cps required for the FeRAM can be secured.
[0094]
FIG. 26 shows the residual polarization Q when a voltage of 3 V is applied to the capacitor Q. sw 9 is a cumulative graph showing the results of examining at 71 points in the wafer plane. The cumulative probability is taken on the vertical axis of the graph. In the drawing, there are three series for the present invention and the conventional example, respectively, and each series corresponds to the three wafers in FIG. In this investigation, comparative examples different from the present invention and the conventional example were investigated. In this comparative example, after the Ti lower layer 11a was formed, it was oxidized by RTA in a mixed atmosphere of oxygen and argon, and the Pt upper layer 11b was formed again in vacuum. Note that, in the comparative example, the film forming conditions of each of the layers 11a and 11b are the same as in the present embodiment.
[0095]
As can be understood from FIG. 26, the remanent polarization Q sw Is larger than that of the conventional example. Furthermore, when the Ti lower layer 11b is thermally oxidized as in the comparative example, the residual polarization Q sw It is also understood that is reduced.
[0096]
FIG. 27 shows the residual polarization Q sw 7 is a graph obtained by calculating an average value and a standard deviation within a wafer surface of FIG.
[0097]
As shown in FIG. 27, in the present invention, the amount of remanent polarization Q sw Are the largest, and the standard deviation is the smallest among the three. sw It can be understood that the distribution in the wafer surface becomes better. This is because, when the surface of the Ti lower layer 11b is naturally oxidized, Ti is hardly diffused into the ferroelectric film 12 when the PLZT ferroelectric film 12 is subjected to crystallization annealing, and the PLZT ferroelectric film 12 This is because the characteristics of the interface between the Pt upper layer 11b and the Pt upper layer 11b are improved.
[0098]
FIG. 34 shows the residual polarization Q sw Is a graph of the distribution in the wafer plane. As shown therein, the standard deviation in the present invention falls in the range of 0.372 to 0.425, which is smaller than the conventional example (0.539 to 1.006).
[0099]
FIGS. 28A and 28B are cumulative graphs of the leak current density of the capacitor Q in the present invention, the conventional example, and the comparative example used in the investigation of FIG. In FIGS. 28A and 28B, a voltage having a magnitude of 6 V is applied to the capacitor Q, but the polarity of the voltage is opposite between FIGS. 28A and 28B. The leakage current density was measured at 71 points in the wafer plane.
[0100]
As understood from FIGS. 28A and 28B, in the comparative example in which the Ti lower layer 11a is thermally oxidized, the leak current density is increased by about 1 to 1.5 digits compared to the conventional example. On the other hand, when the Ti lower layer 11a is spontaneously oxidized as in the present invention, the characteristics of the leak current are almost the same as those of the conventional example, and do not increase as in the comparative example.
[0101]
FIG. 29 is a graph of Q2 (88) of each of the present invention, the conventional example, and the comparative example. Q2 (88) means that two capacitors Q are paired, a voltage of 3 V is applied, one of them is polarized in the plus direction, the other is polarized in the minus direction, and the power is turned off and the device is left at 150 ° C. for 88 hours. Indicates the amount of polarization remaining. This Q2 (88) is one index indicating the characteristics of the capacitor, and it is said that the larger the value, the better the retention characteristics of the capacitor.
[0102]
As shown in FIG. 29, Q2 (88) of the present invention is about 2-3 μC / cm higher than that of the conventional example. 2 It can be understood that the retention characteristic is higher and the retention characteristic is improved. On the other hand, when the Ti lower layer 11a is thermally oxidized as in the comparative example, the retention characteristics are deteriorated as compared with the conventional example.
[0103]
FIG. 30 is a graph of Q3 (88) of each of the present invention, the conventional example, and the comparative example described above. Q3 (88) means that a voltage of 3 V is applied to two capacitors Q as a pair, one of them is in a positive polarization state, the other is in a negative polarization state, and the power is turned off and the apparatus is left at 150 ° C. for 88 hours. It indicates the amount of polarization when the polarity is reversed by applying a voltage of 3 V again. This Q3 (88) indicates the imprint characteristic of the capacitor, and indicates that the smaller the value is, the more the capacitor tends to have one polarity. Therefore, the larger the Q3 (88), the better the imprint characteristics of the capacitor.
[0104]
As shown in FIG. 30, in the present invention, Q3 (88) is about 4 μC / cm 2 It is understood that the higher the value, the higher the imprint characteristics. It is also understood that the present invention has better imprint characteristics than the comparative example.
[0105]
FIG. 31 is a graph showing the fatigue loss of the ferroelectric film 12a of the PLZT capacitor in each of the present invention, the conventional example, and the comparative example. Fatique Loss is 2.88 × 10 at an acceleration voltage of 7V. 7 After writing data to the capacitor Q, the data is written at a voltage of 3 V, and then the residual polarization Q sw Point to. Specifically, the Fatty Loss (%) is 100 × {(Q before acceleration) sw )-(Q after acceleration sw )} / (Q before acceleration sw ), The smaller the value, the more difficult the capacitor is to deteriorate.
[0106]
As shown in FIG. 31, the Fatty Loss of the present invention is almost the same as the conventional example. On the other hand, in the comparative example in which the Ti lower layer 11a is thermally oxidized, it is understood that the Fatty Loss is larger than in the conventional example.
[0107]
FIG. 32 shows the amount of remanent polarization Q at 71 points in the wafer plane when the film forming temperature of the Pt upper layer 11b is varied. sw 5 is a graph obtained by investigating the maximum value, the minimum value, the average value, and the standard deviation. This investigation was conducted on the above-mentioned conventional example in addition to the present invention.
[0108]
As shown in FIG. 32, in the present invention, regardless of the deposition temperature of the Pt upper layer 11b, the remanent polarization Q sw Are high, and the standard deviation is small, so that the in-plane distribution is improved.
[0109]
According to the results of the above experiments, in the present invention, the remanent polarization Q is higher than that of the related art while securing the orientation strength (about 500,000 cps) of the ferroelectric film 12 necessary for the FeRAM. sw Can be increased, and the amount of remanent polarization Q in the wafer plane can be increased. sw Can be made smaller than before. Further, the retention characteristic, the imprint characteristic, and the fatigue loss of the capacitor can be improved as compared with the related art without deteriorating the leak current characteristic. Moreover, such advantages can be obtained irrespective of the film forming temperature of the Pt upper layer 11b.
[0110]
Next, a semiconductor manufacturing apparatus used for manufacturing the FeRAM will be considered.
[0111]
FIG. 33A is a configuration diagram of a semiconductor manufacturing apparatus according to a conventional example. In the conventional example, since the Ti lower layer 11a and the Pt upper layer 11b are formed continuously, it is necessary that the Ti chamber 102 and the Pt chamber 103 form a pair. Therefore, each of the chambers 102 and 103 has the same number. It is provided around the transfer chamber 101.
[0112]
However, since the film formation time of the Pt upper layer 11b is several times longer than that of the Ti lower layer 11a, when the Pt upper layer 11b is formed in the Pt chamber 103, the film formation in the Ti chamber 102 is not performed. The operation has already been completed, and the Ti chamber is in a standby state, so that the operation rate of the Ti chamber is reduced.
[0113]
On the other hand, in the present invention, since the Ti lower layer 11a is formed and then exposed to the atmosphere, it is not necessary to equalize the number of Ti chambers 102 and Pt chambers 103.
[0114]
Therefore, for example, as shown in FIG. 33B, by reducing the number of Pt chambers 103 to one and increasing the number of Ti chambers 102 to three, film formation is always performed in the three Ti chambers 102. As described above, when the formation of the Ti lower layer 11a is completed, the silicon substrate 1 is evacuated to a load lock or the like, so that the operation rate of the Ti chamber 102 can be increased to 1.5 times (= 3/2) the conventional rate. it can.
[0115]
Hereinafter, features of the present invention will be additionally described.
[0116]
(Supplementary Note 1) A semiconductor substrate,
An insulating film formed above the semiconductor substrate;
A lower electrode in which a lower layer and an upper layer are sequentially stacked, a capacitor dielectric film, and a capacitor formed by sequentially forming an upper electrode on the insulating film;
With
A semiconductor device, wherein a natural oxide film of the lower layer is formed on a surface of the lower layer of the lower electrode.
[0117]
(Supplementary Note 2) The semiconductor device according to Supplementary Note 1, wherein the lower layer is a layer made of any of Ti, Pt—Ti alloy, Ir—Ti alloy, and Ru—Ti alloy.
[0118]
(Supplementary Note 3) a step of forming an insulating film above the semiconductor substrate;
Forming a lower layer of the lower electrode conductive film on the insulating film;
Exposing the lower layer to the atmosphere;
Exposing the lower layer to the atmosphere, forming an upper layer of the lower electrode conductive film on the lower layer, and forming the upper layer and the upper layer as a lower electrode conductive film;
Forming a ferroelectric film on the upper layer;
Forming an upper electrode conductive film on the ferroelectric film;
The lower electrode conductive film, the ferroelectric film, and the upper electrode conductive film are patterned to form a lower electrode made of the lower electrode conductive film, and a capacitor dielectric film made of the ferroelectric film. Forming a capacitor having an upper electrode made of the upper electrode conductive film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0119]
(Supplementary Note 4) The method for manufacturing a semiconductor device according to Supplementary Note 3, wherein the temperature of the semiconductor substrate in the step of exposing to the atmosphere is 0 ° C to 100 ° C.
[0120]
(Supplementary Note 5) The method of manufacturing a semiconductor device according to Supplementary Note 3 or 4, wherein the step of exposing to air is performed for 5 minutes to 7 days.
[0121]
(Supplementary Note 6) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 3 to 5, wherein the lower layer is formed at a temperature of 0 ° C to 300 ° C.
[0122]
(Supplementary Note 7) The lower layer according to any one of Supplementary notes 3 to 6, wherein the lower layer is a layer made of any of Ti, a Pt-Ti alloy, an Ir-Ti alloy, and a Ru-Ti alloy. Manufacturing method of a semiconductor device.
[0123]
(Supplementary Note 8) Any of the supplementary notes 3 to 7, wherein the upper layer has a single-layer or multilayer structure including any one of Pt, Ir, Ru, Pd, PtOx, IrOx, RuOx, and PdOx. 13. A method for manufacturing a semiconductor device according to
[0124]
(Supplementary Note 9) The ferroelectric film is made of (Sr, Ti) O 3 , (Ba, Sr) TiO 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 , (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 9. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 3 to 8, wherein the film is a film made of any one of the following compounds:
[0125]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the lower layer of the lower electrode conductive film is exposed to the air to be naturally oxidized, and then the upper layer of the lower electrode conductive film is formed on the lower layer. did.
[0126]
As a result, while maintaining the strength of the orientation of the ferroelectric film required for the FeRAM, the remanent polarization Q sw Can be increased, and the amount of remanent polarization Q in the wafer surface can be increased. sw Can be made smaller than before. Further, the retention characteristic, the imprint characteristic, and the fatigue loss of the capacitor can be improved as compared with the related art without deteriorating the leak current characteristic. Moreover, such advantages can be obtained irrespective of the film forming temperature of the upper layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view (part 1) illustrating a method for manufacturing a semiconductor manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view (No. 5) illustrating the method of manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view (part 6) illustrating the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a sectional view (part 7) illustrating the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a cross-sectional view (No. 8) illustrating the method of manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view (No. 9) illustrating the method of manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view (part 10) illustrating the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view (No. 11) illustrating the method of manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a sectional view (part 12) illustrating the method of manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view (part 13) illustrating the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a sectional view (part 14) illustrating the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention;
FIG. 15 is a sectional view (part 15) illustrating the method of manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention;
FIG. 16 is a sectional view (16) showing the method of manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention;
FIG. 17 is a cross-sectional view (No. 17) illustrating the method of manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a sectional view (part 18) illustrating the method of manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a cross-sectional view (19) illustrating the method of manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention;
FIG. 20 is a sectional view (part 20) illustrating the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention;
FIG. 21 is a sectional view (part 21) illustrating the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a sectional view (part 22) illustrating the method of manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a sectional view (part 23) illustrating the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a plan view showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a graph obtained by investigating the present invention and a conventional example regarding the orientation strength of the Pt upper layer and the PLZT ferroelectric film.
FIG. 26 is a diagram showing the amount of remanent polarization Q of a capacitor in each of the present invention, a conventional example, and a comparative example. sw FIG.
FIG. 27 is a diagram illustrating the amount of remanent polarization Q of a capacitor in each of the present invention, a conventional example, and a comparative example. sw 7 is a graph showing an average value and a standard deviation within a wafer.
28 (a) is a cumulative graph of the leakage current density of the capacitor in each of the present invention, the conventional example, and the comparative example, and FIG. 7 is a cumulative graph of the leak current density in the case where is reversed.
FIG. 29 is a graph of Q2 (88) of each of the present invention, the conventional example, and the comparative example.
FIG. 30 is a graph of Q3 (88) of each of the present invention, the conventional example, and the comparative example.
FIG. 31 is a graph showing fatigue loss of a ferroelectric film of a PLZT capacitor in each of the present invention, a conventional example, and a comparative example.
FIG. 32 shows the amount of remanent polarization Q in the wafer surface when the film forming temperature of the Pt upper layer is varied. sw 5 is a graph obtained by investigating the maximum value, minimum value, average value, and standard deviation of the present invention and the conventional example.
FIG. 33 (a) is a configuration diagram of a semiconductor manufacturing device according to a conventional example, and FIG. 33 (b) is a configuration diagram of a semiconductor manufacturing device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 34 is a graph showing the amount of remanent polarization Q based on the investigation result shown in FIG. 26; sw Is a graph of the distribution in the wafer plane.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate (semiconductor substrate), 2 ... Element isolation insulating film, 3a, 3b ... Well, 4 ... Gate insulating film, 5a-5c ... Gate electrode, 6a, 6b ... Impurity diffusion layer, 7 ... Side wall insulating film, 8a , 8b: refractory metal silicide film, 9: cover film, 10: interlayer insulating film, 11: conductive film for lower electrode, 11a: lower layer, 11b: upper layer, 11c: lower electrode, 12: ferroelectric film 12a: Dielectric film, 13: Upper electrode conductive film, 13a: Upper electrode, 14: Encap layer, 15: Interlayer insulating film, 15a to 15f: Contact hole, 16: Resist, 17: Glue film, 18 ... Tungsten layer, 18a to 18e plug, 19 antioxidant film, 20a, 20c contact pad, 20b, 20c to 20f wiring, 21 interlayer insulating film, 22 protective insulating film, 23 glue film, 24 Tungsten film, 25a to 25c plug, 26 conductive layer, 27 interlayer insulating film, 28 protective insulating film, 29 adhesion layer, 30 plug, 31a to 31f wiring, 32 protective insulating film, 33 silicon Nitride film, 34 cover film, 101 transfer chamber, 102 Ti chamber, 103 Pt chamber, A memory cell region, B peripheral circuit region, Q capacitor.

Claims (5)

半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成された絶縁膜と、
下側層と上側層とを積層してなる下部電極と、キャパシタ誘電体膜と、上部電極とを前記絶縁膜上に順に形成してなるキャパシタと、
を備え、
前記下部電極の前記下側層の表面に、該下側層の自然酸化膜が形成されたことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
An insulating film formed above the semiconductor substrate;
A lower electrode formed by laminating a lower layer and an upper layer, a capacitor dielectric film, and a capacitor formed by sequentially forming an upper electrode on the insulating film;
With
A semiconductor device, wherein a natural oxide film of the lower layer is formed on a surface of the lower layer of the lower electrode.
半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、
下部電極用導電膜の下側層を前記絶縁膜上に形成する工程と、
前記下側層を大気に曝す工程と、
前記下側層を大気に曝した後、下部電極用導電膜の上側層を前記下側層上に形成し、前記上側層と前記上側層とを下部電極用導電膜とする工程と、
前記上側層上に強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に上部電極用導電膜を形成する工程と、
前記下部電極用導電膜、前記強誘電体膜、及び前記上部電極用導電膜をパターニングして、前記下部電極用導電膜よりなる下部電極と、前記強誘電体膜よりなるキャパシタ誘電体膜と、前記上部電極用導電膜よりなる上部電極とを備えたキャパシタを形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film above the semiconductor substrate;
Forming a lower layer of the lower electrode conductive film on the insulating film;
Exposing the lower layer to the atmosphere;
Exposing the lower layer to the atmosphere, forming an upper layer of the lower electrode conductive film on the lower layer, and forming the upper layer and the upper layer as a lower electrode conductive film;
Forming a ferroelectric film on the upper layer;
Forming an upper electrode conductive film on the ferroelectric film;
The lower electrode conductive film, the ferroelectric film, and the upper electrode conductive film are patterned to form a lower electrode made of the lower electrode conductive film, and a capacitor dielectric film made of the ferroelectric film. Forming a capacitor having an upper electrode made of the upper electrode conductive film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記大気に曝す工程における前記半導体基板の温度は0℃〜100℃であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。The method according to claim 2, wherein the temperature of the semiconductor substrate in the step of exposing to air is 0 ° C. to 100 ° C. 4. 前記大気に曝す工程は、5分〜7日間行われることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の半導体装置の製造方法。4. The method according to claim 2, wherein the step of exposing to air is performed for 5 minutes to 7 days. 5. 前記下側層は、0℃〜300℃の温度で形成されることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。5. The method according to claim 2, wherein the lower layer is formed at a temperature of 0 ° C. to 300 ° C. 6.
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