JP2005064466A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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進也 夏目
Shinichiro Hayashi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a disconnection of an electrode caused by performing a heat treatment of comparatively high temperature to dielectrics. <P>SOLUTION: A capacitive element 26 is provided with: a lower electrode 23 comprising polycrystals of oxide, nitride or oxynitride of a noble metal formed on a bottom face and a wall surface of an opening 22a provided on a third insulating film 22 on a semiconductor substrate 10; a capacitive insulating film 24 comprising the dielectrics formed on the lower electrode 23; and an upper electrode 25 comprising polycrystals of oxide, nitride or oxynitride of a noble metal formed on the capacitance insulating film 24. According to this configuration, it is possible to prevent disconnections of the lower electrode 23 and the upper electrode 25 and a diffusion of atoms constituting the capacitive insulating film 24, which are caused at the time of a heat treatment for crystallization of the dielectrics to the capacitive insulating film 24. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、三次元構造のいわゆる立体キャパシタを有する半導体装置に関し、特に、立体キャパシタの電極を構成する導電膜に貴金属を用いた半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a so-called three-dimensional capacitor having a three-dimensional structure, and more particularly to a semiconductor device using a noble metal as a conductive film constituting an electrode of a three-dimensional capacitor and a method for manufacturing the same.

ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)や強誘電体ランダムアクセスメモリ(FeRAM)のような半導体メモリ装置に使用される、ペロブスカイト型の結晶構造を持つ高誘電体又は強誘電体からなる容量絶縁膜は、結晶化及び膜質の向上を図るために比較的高温の酸素雰囲気での熱処理を行なう必要がある。この熱処理時に、例えば容量絶縁膜と電極材料との反応により、容量絶縁膜の組成比が設計値からずれた場合には、容量絶縁膜における分極量の減少やリーク電流の増大等の特性の劣化を引き起こす。そこで、このような容量絶縁膜と接する下部電極又は上部電極を形成する導電膜材料には、耐酸化性を有し且つ容量絶縁膜の組成のずれを防止できるように化学反応性に極めて乏しい白金(Pt)やルテニウム(Ru)が一般に用いられる。   A capacitive insulating film made of a high dielectric material or a ferroelectric material having a perovskite crystal structure, which is used in a semiconductor memory device such as a dynamic random access memory (DRAM) or a ferroelectric random access memory (FeRAM), is a crystal. It is necessary to perform heat treatment in a relatively high-temperature oxygen atmosphere in order to improve the quality and improve the film quality. During this heat treatment, if the composition ratio of the capacitive insulating film deviates from the design value due to, for example, the reaction between the capacitive insulating film and the electrode material, deterioration of characteristics such as a decrease in the amount of polarization and an increase in leakage current in the capacitive insulating film cause. Therefore, the conductive film material for forming the lower electrode or the upper electrode in contact with such a capacitive insulating film is platinum that has oxidation resistance and extremely low chemical reactivity so as to prevent the compositional deviation of the capacitive insulating film. (Pt) and ruthenium (Ru) are generally used.

また、半導体集積回路の微細化及び高集積化に伴って、DRAM装置や、FeRAM装置におけるメモリセルにも微細化が求められている。その結果、メモリセルを構成する容量素子は、その単位面積当たりの容量を大きくするために、立体形状すなわち三次元形状化が図られようとしている。   Further, along with miniaturization and high integration of semiconductor integrated circuits, miniaturization is also required for memory cells in DRAM devices and FeRAM devices. As a result, the capacitor element constituting the memory cell is about to have a three-dimensional shape, that is, a three-dimensional shape, in order to increase the capacitance per unit area.

例えば、下記の特許文献1は、断面凹凸形状を有する下地基板上に沿って、白金又はイリジウムを含む下部電極を有機金属気相堆積(MOCVD)法により形成し、形成した下部電極上に誘電体膜及び上部電極を順次形成して、キャパシタを形成する例を示している。この方法により、アスペクト比が大きい溝部(凹部)に対しても、下部電極をカバレッジ良く且つ均一な膜厚で形成することができる。   For example, in Patent Document 1 below, a lower electrode containing platinum or iridium is formed by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method on a base substrate having an uneven cross-sectional shape, and a dielectric is formed on the formed lower electrode. In this example, a capacitor is formed by sequentially forming a film and an upper electrode. By this method, the lower electrode can be formed with a uniform film thickness with good coverage even for a groove (concave portion) having a large aspect ratio.

下記の特許文献2は、立体形状、例えばコンケーブ(凹)形状の高誘電体膜又は強誘電体膜を含む容量素子の例である。凹部に沿って、スパッタ法により下層導電膜を形成した後に、形成した下層導電膜の上にCVD法により上層導電膜を形成して下層導電膜と上層導電膜とからなる電極膜を形成することにより、形成された電極膜の底部の隅部には電極膜の途切れ(断線)を生じないようにしている。このように、スパッタ法を用いることにより下層導電膜のモフォロジーが向上し、その後にCVD法を用いることにより、上層導電膜の膜厚が均一となるため、誘電体膜を結晶化する際の熱処理工程においても、下層導電膜及び上層導電膜が凝集し難くなるので、電極膜における底部の隅部に生じる途切れ(断線)を防止することができる。   The following Patent Document 2 is an example of a capacitive element including a high dielectric film or a ferroelectric film having a three-dimensional shape, for example, a concave shape. After forming the lower conductive film along the recess by sputtering, an upper conductive film is formed on the formed lower conductive film by CVD to form an electrode film composed of the lower conductive film and the upper conductive film This prevents the electrode film from being interrupted (disconnected) at the bottom corner of the formed electrode film. As described above, the morphology of the lower conductive film is improved by using the sputtering method, and the film thickness of the upper conductive film becomes uniform by using the CVD method thereafter, so that the heat treatment for crystallization of the dielectric film is performed. Also in the process, since the lower conductive film and the upper conductive film are less likely to aggregate, it is possible to prevent discontinuity (disconnection) occurring at the bottom corner of the electrode film.

下記の特許文献3は、誘電体膜に対する結晶化の熱処理工程で発生する下部電極の膜剥れを断面凹状の下部電極の側壁部分に接着層を形成することにより防止している。ここで、接着層は、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、タングステン(W)及び銅(Cu)のうちいずれか1つを用いた酸化物、又はこれらの酸化物と他の金属との混合物からなる。また、該接着層に、酸化ルテニウムバリウムストロンチウム((Ba,Sr)RuO3 )からなる化合物、又はルテニウム(Ru)若しくは酸素(O)を含む非晶質材料を用いる構成を開示している。また、下部電極の組成は、ルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO2 )又はこれらの混合物である。 In Patent Document 3 below, film peeling of the lower electrode that occurs in the heat treatment process for crystallization of the dielectric film is prevented by forming an adhesive layer on the side wall portion of the lower electrode having a concave cross section. Here, the adhesive layer is an oxide using any one of titanium (Ti), tantalum (Ta), tungsten (W), and copper (Cu), or a mixture of these oxides and other metals. Consists of. Further, a structure is disclosed in which a compound made of ruthenium barium strontium oxide ((Ba, Sr) RuO 3 ) or an amorphous material containing ruthenium (Ru) or oxygen (O) is used for the adhesive layer. The composition of the lower electrode is ruthenium (Ru), ruthenium oxide (RuO 2 ), or a mixture thereof.

下記の特許文献4は、容量素子の下部電極を構成する白金族からなる金属膜と酸化シリコンからなる絶縁膜との界面で生じる金属膜の剥離を、該金属膜と絶縁膜との間に窒化タンタル(TaN)からなる接着層を設けることにより防止している。さらに、ここでは、接着層の上端部が除去されて、該接着層の上端部が下部電極によって覆われるようにすることにより、接着層が酸化されることを防止している。
特開2001−160616号公報 特開2002−231905号公報 特開2001−223345号公報 特開2002−76306号公報
In Patent Document 4 below, peeling of a metal film that occurs at the interface between a metal film made of a platinum group that constitutes a lower electrode of a capacitor element and an insulating film made of silicon oxide is nitrided between the metal film and the insulating film. This is prevented by providing an adhesive layer made of tantalum (TaN). Further, here, the upper end portion of the adhesive layer is removed so that the upper end portion of the adhesive layer is covered with the lower electrode, thereby preventing the adhesive layer from being oxidized.
JP 2001-160616 A JP 2002-231905 A JP 2001-223345 A JP 2002-76306 A

本願発明者らが得た、コンケーブ型構造のキャパシタを有する強誘電体不揮発性メモリ(FeRAM)装置を従来の方法により製造する際に生ずる課題について説明する。   A problem that arises when a ferroelectric nonvolatile memory (FeRAM) device having a capacitor having a concave structure obtained by the inventors of the present application is manufactured by a conventional method will be described.

キャパシタの下部電極や上部電極に、金属膜である白金(Pt)膜を用いた場合には、その後の強誘電体膜の結晶化のための酸素雰囲気での高温熱処理によって、白金膜がマイグレーションや体積収縮を起こし、さらには白金膜が断線を起こす。このように、電極膜に断線が生じると、電極面積が減少してメモリの容量値が小さくなる。また、マイグレーション時の応力により、強誘電体膜の膜質が悪化してリーク等の特性劣化を引き起こす。   When a platinum (Pt) film, which is a metal film, is used for the lower electrode or the upper electrode of the capacitor, the platinum film is migrated or removed by high-temperature heat treatment in an oxygen atmosphere for subsequent crystallization of the ferroelectric film. Volume shrinkage occurs, and the platinum film breaks. Thus, when a disconnection occurs in the electrode film, the electrode area is reduced and the capacitance value of the memory is reduced. In addition, the stress at the time of migration deteriorates the quality of the ferroelectric film and causes characteristics such as leakage.

また、白金膜が断線した場合には、化学的に極めて安定な白金以外の膜が強誘電体膜に接触してしまったり、又は白金膜以外の膜の成分が強誘電体膜中に拡散したり、逆に強誘電体膜の成分が白金膜以外の膜中に拡散したりして、強誘電体膜の膜質が変化し、誘電体膜の組成ずれによる分極量の減少やリークの増大等を引き起こしてしまう。   In addition, when the platinum film is broken, a chemically very stable film other than platinum comes into contact with the ferroelectric film, or components of the film other than the platinum film diffuse into the ferroelectric film. Conversely, the ferroelectric film components diffuse into the film other than the platinum film, and the film quality of the ferroelectric film changes, resulting in a decrease in the amount of polarization and an increase in leakage due to a shift in the composition of the dielectric film. Will cause.

また、誘電体膜は下地となる白金膜の結晶性に従って結晶成長し且つ配向するが、下地の白金膜に断線を生じた場合には、断線が生じた部分上に位置する誘電体膜の結晶性が他の部分と異なることにもなる。   The dielectric film grows and is oriented according to the crystallinity of the underlying platinum film, but if the underlying platinum film is broken, the dielectric film crystals located on the broken portion are crystallized. Sex will also be different from other parts.

以下、本願発明者らにより断線が確認されたFeRAM装置のキャパシタ部分の製造方法について簡単に説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing the capacitor portion of the FeRAM device whose disconnection has been confirmed by the present inventors will be briefly described.

まず、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、下地絶縁膜に深さが300nm〜500nmで、テーパ角度が70°〜80°の凹部を形成する。次に、スパッタ法により、下地絶縁膜上の凹部に沿ってキャパシタの下部電極となる白金膜を50nmの膜厚で形成する。ここで、白金膜を下地絶縁膜の上に直接に形成すると、成膜時や熱処理時に白金膜が剥離するため、該白金膜と下地絶縁膜との間に窒化チタン(TiN)又は酸化イリジウム(IrOx )等からなる密着層を10nmの膜厚で形成する。次に、強塩基性のスラリーを用いた化学機械的研磨(CMP)法により、凹部の内壁面以外の部分に堆積された白金膜と密着層とを下地絶縁膜が露出するまで除去する。次に、有機金属気相堆積(MOCVD)法により、白金膜の上にタンタル酸ストロンチウムバリウム(SBT)膜を100nm以下の膜厚でカバレッジが良好となるように形成する。次に、スパッタ法により、SBT膜の上に、上部電極となる白金膜を20nmの膜厚で形成する。次に、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、上部電極とSBT膜とをパターニングする。次に、CVD法により、オゾン−ノンシリケートグラス(O3-NSG)等の酸化シリコンからなる絶縁膜を100nmの膜厚で形成する。次に、急速加熱酸化(RTO)法により、温度が750℃の酸素雰囲気で60秒間の熱処理を行なう。この急速加熱酸化処理により、強誘電体膜であるSBT膜を結晶化させたところ、下部電極と上部電極とを構成する白金膜に断線が生じることを確認している。このとき、上部電極の方が下部電極よりも断線の程度がひどく、断線箇所は凹部の内壁面に不規則(ランダム)に発生していた。なお、白金膜の剥離については観察されなかった。この断線により、立体キャパシタの分極量は約3分の2以下となり、リーク量も増大することを確認している。 First, a recess having a depth of 300 nm to 500 nm and a taper angle of 70 ° to 80 ° is formed in the base insulating film by lithography and dry etching. Next, a platinum film having a film thickness of 50 nm is formed by sputtering to form the lower electrode of the capacitor along the recess on the base insulating film. Here, when the platinum film is formed directly on the base insulating film, the platinum film is peeled off at the time of film formation or heat treatment. Therefore, titanium nitride (TiN) or iridium oxide ( An adhesion layer made of IrO x ) or the like is formed with a thickness of 10 nm. Next, the platinum film deposited on the portion other than the inner wall surface of the recess and the adhesion layer are removed by a chemical mechanical polishing (CMP) method using a strongly basic slurry until the base insulating film is exposed. Next, a strontium barium tantalate (SBT) film is formed on the platinum film by a metal organic vapor phase deposition (MOCVD) method so that the coverage is good with a thickness of 100 nm or less. Next, a platinum film having a thickness of 20 nm is formed on the SBT film by sputtering. Next, the upper electrode and the SBT film are patterned by lithography and dry etching. Next, an insulating film made of silicon oxide such as ozone-non-silicate glass (O 3 -NSG) is formed to a thickness of 100 nm by a CVD method. Next, heat treatment is performed for 60 seconds in an oxygen atmosphere at a temperature of 750 ° C. by a rapid heating oxidation (RTO) method. It has been confirmed that when the SBT film, which is a ferroelectric film, is crystallized by this rapid thermal oxidation treatment, a disconnection occurs in the platinum film constituting the lower electrode and the upper electrode. At this time, the disconnection of the upper electrode was severer than that of the lower electrode, and the disconnection portion occurred irregularly (randomly) on the inner wall surface of the recess. Note that no peeling of the platinum film was observed. Due to this disconnection, it has been confirmed that the amount of polarization of the three-dimensional capacitor becomes about two-thirds or less, and the amount of leakage increases.

以下、前記の各特許文献との差異を示す。   Hereinafter, differences from the above-described patent documents will be described.

特許文献1の目的は、MOCVD法により下部電極をカバレッジ良く均一に形成することであり、下部電極の断線は課題として挙げられていない。   The purpose of Patent Document 1 is to form the lower electrode uniformly with good coverage by the MOCVD method, and disconnection of the lower electrode is not listed as a problem.

特許文献2では、電極膜の形成方法によって、容量膜である誘電体膜に対して行なう比較的に高温の熱処理時に、立体電極の底部の隅部で断線が生じることが課題として上げられている。その解決策として、特許文献2では、導電性を持つ電極膜のモフォロジーや膜厚の均一性を改善することにより電極膜の断線を防止しており、それ以上の防止方法は開示されていない。また、電極膜に生じる断線は該電極膜の底部の隅部で発生することが記載されている。   Patent Document 2 raises the problem that a wire breakage occurs at the corner of the bottom of the three-dimensional electrode during a relatively high-temperature heat treatment performed on the dielectric film, which is a capacitive film, by the electrode film formation method. . As a solution to this, Patent Document 2 prevents the disconnection of the electrode film by improving the morphology and the uniformity of the film thickness of the conductive electrode film, and no further prevention method is disclosed. Moreover, it is described that the disconnection which arises in an electrode film generate | occur | produces in the corner | angular part of the bottom part of this electrode film.

これに対し、特許文献3は、電極膜の剥離を課題としており、該電極膜に生じる断線は課題として挙げられていない。   On the other hand, patent document 3 makes the peeling of an electrode film a subject, and the disconnection which arises in this electrode film is not mentioned as a subject.

また、特許文献4は、電極膜の剥離を防止するため特許文献3と同様に、絶縁膜(下地膜)と電極膜との間に接着層を設ける構成を挙げており、さらに接着層を電極膜で覆うことにより該接着層の酸化を防止している。   In addition, Patent Document 4 mentions a configuration in which an adhesive layer is provided between an insulating film (underlayer film) and an electrode film, as in Patent Document 3, in order to prevent peeling of the electrode film. Covering with a film prevents oxidation of the adhesive layer.

本発明は、前記の課題を解決し、誘電体に対して比較的に高温の熱処理を行なったとしても誘電体の近傍に設けられた導電膜に断線を生じないようにすることを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described problems and prevent disconnection of a conductive film provided in the vicinity of a dielectric even when a relatively high temperature heat treatment is performed on the dielectric. .

前記の目的を達成するため、本発明に係る第1の半導体装置は、基板上の絶縁膜に設けられた開口部の底面及び壁面上に形成された第1の導電膜と、第1の導電膜の上に形成された誘電体膜と、誘電体膜の上に形成された第2の導電膜とからなる容量素子を備え、容量素子における誘電体膜は結晶化されており、第1の導電膜及び第2の導電膜は、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物の多結晶からなることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a first semiconductor device according to the present invention includes a first conductive film formed on a bottom surface and a wall surface of an opening provided in an insulating film on a substrate, and a first conductive film. A capacitor element including a dielectric film formed on the film and a second conductive film formed on the dielectric film, wherein the dielectric film in the capacitor element is crystallized; The conductive film and the second conductive film are characterized by being made of a noble metal oxide, nitride, or oxynitride polycrystal.

第1の半導体装置によると、容量素子の電極となる導電膜に貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物を用いており、これら貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物は貴金属のみからなる導電膜と比較してそのマイグレーション耐性が高く、また体積収縮率が小さいことから、誘電体膜の結晶化のための熱処理によって発生する導電膜の断線を防止することができる。また、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物の膜は一般に化学的に安定であることから、誘電体膜の熱処理時に誘電体膜を構成する原子の拡散を防止できる。このため、誘電体の分極量の減少が抑えられるので、誘電体の信頼性を維持できるようになり、その結果、安定した電極を実現することができる。   According to the first semiconductor device, the noble metal oxide, nitride, or oxynitride is used for the conductive film to be the electrode of the capacitor element, and the noble metal oxide, nitride, or oxynitride is made of only the noble metal. Since the migration resistance is higher than that of the conductive film and the volume shrinkage is small, disconnection of the conductive film caused by heat treatment for crystallization of the dielectric film can be prevented. In addition, since noble metal oxide, nitride, or oxynitride films are generally chemically stable, diffusion of atoms constituting the dielectric film can be prevented during heat treatment of the dielectric film. For this reason, since the decrease in the polarization amount of the dielectric can be suppressed, the reliability of the dielectric can be maintained, and as a result, a stable electrode can be realized.

第1の半導体装置において、第1の導電膜及び第2の導電膜の少なくとも一方は、多結晶を構成するグレインサイズが該導電膜の膜厚の3分の1以下であることが好ましい。このようにすると、導電膜のマイグレーションに対する耐性が向上するため、該導電膜に生じる断線をより確実に防止することができる。   In the first semiconductor device, it is preferable that at least one of the first conductive film and the second conductive film has a grain size constituting a polycrystal of one third or less of the thickness of the conductive film. In this case, resistance to migration of the conductive film is improved, so that disconnection that occurs in the conductive film can be more reliably prevented.

第1の半導体装置において、第1の導電膜及び前記第2の導電膜の少なくとも一方は高融点金属を含むことが好ましい。このように、導電膜に高融点金属を添加すると、高融点金属を添加されない導電膜と比べてマイグレーションに対する耐性が高くなり、さらに体積収縮率も小さくなるため、誘電体膜に対して行なわれる熱処理によって生じる導電膜の断線を防止することができる。   In the first semiconductor device, it is preferable that at least one of the first conductive film and the second conductive film contains a refractory metal. As described above, when a refractory metal is added to a conductive film, resistance to migration is higher than that of a conductive film to which no refractory metal is added, and the volume shrinkage rate is also reduced. The disconnection of the conductive film caused by can be prevented.

ここで、高融点金属は、導電膜を構成する貴金属とは異なる金属からなることが好ましい。   Here, the refractory metal is preferably made of a metal different from the noble metal constituting the conductive film.

本発明に係る第2の半導体装置は、基板上の絶縁膜の上に、島状に形成されるか、又は断面凹凸形状を有する絶縁膜の該凹凸形状に沿って形成された第1の導電膜と、第1の導電膜の上に形成された誘電体膜と、誘電体膜の上に形成された第2の導電膜とを備え、第1の導電膜及び第2の導電膜は、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなり、第1の導電膜及び第2の導電膜の少なくとも一方は、高融点金属を含むことを特徴とする。   The second semiconductor device according to the present invention is formed on the insulating film on the substrate in the shape of an island or along the uneven shape of the insulating film having the uneven shape of the cross section. A film, a dielectric film formed on the first conductive film, and a second conductive film formed on the dielectric film, wherein the first conductive film and the second conductive film are: It is made of a noble metal oxide, nitride, or oxynitride, and at least one of the first conductive film and the second conductive film contains a refractory metal.

第2の半導体装置によると、高融点金属を添加された導電膜は、高融点金属を添加されていない導電膜と比べてマイグレーションに対する耐性が高くなり、体積収縮率も小さくなるため、誘電体膜に対して行なわれる熱処理によって生じる導電膜の断線を防止することができる。   According to the second semiconductor device, the conductive film to which the refractory metal is added has higher resistance to migration and the volume shrinkage ratio is smaller than that of the conductive film to which the refractory metal is not added. The disconnection of the conductive film caused by the heat treatment performed on can be prevented.

第1又は第2の半導体装置は、絶縁膜と第1の導電膜との間に、第1の導電膜の絶縁膜に対する密着性を高める密着層をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、第1の導電膜のマイグレーションに対する耐性がさらに向上する。   The first or second semiconductor device preferably further includes an adhesion layer between the insulating film and the first conductive film for improving the adhesion of the first conductive film to the insulating film. In this way, the resistance to migration of the first conductive film is further improved.

この場合に、密着層は誘電体膜に対して行なわれる膜質の向上処理によって酸化されにくい導電性材料からなることが好ましい。このようにすると、密着層を形成した後の誘電体膜に対する膜質向上を図る熱処理にさらされたとしても、密着層の酸化による膜剥がれを防止することができる。   In this case, the adhesion layer is preferably made of a conductive material that is not easily oxidized by the film quality improvement process performed on the dielectric film. In this way, even if the film is subjected to a heat treatment for improving the film quality of the dielectric film after the adhesion layer is formed, film peeling due to oxidation of the adhesion layer can be prevented.

第1又は第2の半導体装置において、高融点金属の導電膜に対する添加量は、0.5質量%以上且つ30質量%以下であることが好ましい。ここで、高融点金属は、導電膜を構成する貴金属とは異なる金属からなることが好ましい。   In the first or second semiconductor device, the amount of the refractory metal added to the conductive film is preferably 0.5% by mass or more and 30% by mass or less. Here, the refractory metal is preferably made of a metal different from the noble metal constituting the conductive film.

第1又は第2の半導体装置において、貴金属はイリジウムを主成分とすることが好ましい。   In the first or second semiconductor device, the noble metal preferably contains iridium as a main component.

第1又は第2の半導体装置において、誘電体膜はペロブスカイト系酸化物からなる強誘電体膜であることが好ましい。   In the first or second semiconductor device, the dielectric film is preferably a ferroelectric film made of a perovskite oxide.

この場合に、強誘電体膜は主成分としてビスマスを含むことが好ましい。   In this case, the ferroelectric film preferably contains bismuth as a main component.

本発明に係る第1の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に開口部を形成した後、形成された開口部の底面及び壁面上に、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなる第1の導電膜を形成する工程(a)と、第1の導電膜の上に誘電体膜を形成する工程(b)と、誘電体膜の上に、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなる第2の導電膜を形成する工程(c)と、工程(c)の後に、形成された誘電体膜を結晶化する工程(d)とを備え、工程(a)及び工程(c)において、第1の導電膜及び第2の導電膜をそれぞれ多結晶構造とすることを特徴とする。   In the first method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after forming an opening in an insulating film on a substrate, an oxide, nitride, or oxynitride of a noble metal is formed on the bottom surface and wall surface of the formed opening. A step (a) of forming a first conductive film comprising: a step (b) of forming a dielectric film on the first conductive film; and a noble metal oxide or nitride on the dielectric film. Or a step (c) of forming a second conductive film made of oxynitride, and a step (d) of crystallizing the formed dielectric film after the step (c). In the step (c), each of the first conductive film and the second conductive film has a polycrystalline structure.

第1の半導体装置の製造方法によると、導電膜に貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物を用いているため、これら貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物は貴金属と比較してマイグレーション耐性が高く、また体積収縮率が小さいことから、誘電体膜の結晶化のための熱処理によって発生する導電膜の断線を防止することができる。また、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物の膜は一般に化学的に安定であることから、誘電体膜の熱処理時に、誘電体膜を構成する原子の拡散が防止される。このため、誘電体の分極量の減少が抑えられるので、誘電体膜の信頼性を維持できるようになり、その結果、導電膜から安定した電極を得ることができる。   According to the first method for manufacturing a semiconductor device, the noble metal oxide, nitride, or oxynitride is used for the conductive film. Therefore, the noble metal oxide, nitride, or oxynitride migrates compared to the noble metal. Since the resistance is high and the volume shrinkage rate is small, disconnection of the conductive film caused by the heat treatment for crystallization of the dielectric film can be prevented. In addition, since noble metal oxide, nitride or oxynitride films are generally chemically stable, diffusion of atoms constituting the dielectric film is prevented during heat treatment of the dielectric film. For this reason, since the decrease in the polarization amount of the dielectric can be suppressed, the reliability of the dielectric film can be maintained, and as a result, a stable electrode can be obtained from the conductive film.

本発明に係る第2の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜の上に第1の導電膜を島状に形成するか、又は絶縁膜の上部を断面凹凸形状に形成した後、形成された凹凸形状に沿って第1の導電膜を形成する工程(a)と、第1の導電膜の上に誘電体膜を形成する工程(b)と、誘電体膜の上に第2の導電膜を形成する工程(c)と、該工程(c)の後に、形成された誘電体膜を結晶化する工程(d)とを備え、第1の導電膜及び第2の導電膜は、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなり、第1の導電膜及び第2の導電膜の少なくとも一方は、高融点金属を含むことを特徴とする。   In the second method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first conductive film is formed in an island shape on the insulating film on the substrate, or the upper portion of the insulating film is formed in a concavo-convex shape and then formed. A step (a) of forming a first conductive film along the uneven shape, a step (b) of forming a dielectric film on the first conductive film, and a second step on the dielectric film. A step (c) of forming a conductive film, and a step (d) of crystallizing the formed dielectric film after the step (c), wherein the first conductive film and the second conductive film are: It is made of a noble metal oxide, nitride, or oxynitride, and at least one of the first conductive film and the second conductive film contains a refractory metal.

第2の半導体装置の製造方法によると、第1の導電膜及び第2の導電膜の少なくとも一方に高融点金属を添加するため、高融点金属が添加された導電膜は高融点金属を添加されない導電膜と比べてマイグレーションに対する耐性が高くなり且つ体積収縮率も小さくなるため、誘電体膜を結晶化する例えば熱処理によって生じる導電膜の断線を防止することができる。   According to the second method for manufacturing a semiconductor device, since the refractory metal is added to at least one of the first conductive film and the second conductive film, the refractory metal is not added to the conductive film to which the refractory metal is added. Compared to the conductive film, the resistance to migration is high and the volume shrinkage rate is small, so that disconnection of the conductive film caused by, for example, heat treatment for crystallizing the dielectric film can be prevented.

第1又は第2の半導体装置の製造方法は、工程(a)及び工程(c)において、第1の導電膜又は第2の導電膜は、300℃以上且つ600℃以下の温度で形成することが好ましい。このように、第1の導電膜又は第2の導電膜をその成膜温度としては比較的に高温である300℃以上且つ600℃以下の温度で形成するため、誘電体膜に対して導電膜の成膜温度よりも高い温度で行なう誘電体膜の膜質向上のための熱処理時に、導電膜は既に比較的に高い熱履歴を受けているので、誘電体膜に対する熱処理による導電膜の熱収縮量が減少し、その結果、該導電膜に生じる断線を防止することができる。   In the manufacturing method of the first or second semiconductor device, in the step (a) and the step (c), the first conductive film or the second conductive film is formed at a temperature of 300 ° C. or more and 600 ° C. or less. Is preferred. Thus, since the first conductive film or the second conductive film is formed at a relatively high temperature of 300 ° C. or more and 600 ° C. or less as the film formation temperature, the conductive film is formed on the dielectric film. Since the conductive film has already received a relatively high thermal history during the heat treatment for improving the film quality of the dielectric film performed at a temperature higher than the film formation temperature, the amount of heat shrinkage of the conductive film due to the heat treatment on the dielectric film As a result, disconnection occurring in the conductive film can be prevented.

第1又は第2の半導体装置の製造方法は、工程(d)において、誘電体膜には500℃以上且つ800℃以下の温度で熱処理を行なうことが好ましい。   In the manufacturing method of the first or second semiconductor device, in the step (d), the dielectric film is preferably heat-treated at a temperature of 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.

また、第1又は第2の半導体装置の製造方法において、誘電体膜を結晶化する際の加熱温度と、第1の導電膜及び第2の導電膜を形成する際の形成温度との差は200℃以内であることが好ましい。このようにすると、誘電体膜に対して膜質向上を図る熱処理時において、各導電膜は誘電体膜に施す熱処理温度に対して既に200℃以内の熱履歴を受けているため、誘電体膜に対する熱処理による導電膜の熱収縮量が減少するので、導電膜に生じる断線を防止することができる。   In the first or second method for manufacturing a semiconductor device, the difference between the heating temperature for crystallization of the dielectric film and the formation temperature for forming the first conductive film and the second conductive film is It is preferably within 200 ° C. In this way, during the heat treatment for improving the film quality of the dielectric film, each conductive film has already received a thermal history within 200 ° C. with respect to the heat treatment temperature applied to the dielectric film. Since the amount of thermal contraction of the conductive film due to heat treatment is reduced, disconnection generated in the conductive film can be prevented.

第1又は第2の半導体装置の製造方法は、工程(d)よりも前に、第1の導電膜及び第2の導電膜の形成温度よりも高く且つ誘電体膜が結晶化する温度よりも低い温度で、第1の導電膜及び第2の導電膜に対して熱処理を行なう工程(e)をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、誘電体膜に対して導電膜の成膜温度よりも高い温度で行なう誘電体膜の結晶化を図る熱処理時に、導電膜は既に該導電膜の形成温度よりも高く且つ誘電体が結晶化する温度よりも低い温度の熱処理を受けているため、誘電体膜の結晶化を図る熱処理時に導電膜の熱収縮量が減少するので、該導電膜に生じる断線を防止することができる。   In the manufacturing method of the first or second semiconductor device, the temperature higher than the formation temperature of the first conductive film and the second conductive film and the temperature at which the dielectric film crystallizes before the step (d). It is preferable to further include a step (e) of performing a heat treatment on the first conductive film and the second conductive film at a low temperature. In this case, the conductive film is already higher than the formation temperature of the conductive film during the heat treatment for crystallization of the dielectric film performed on the dielectric film at a temperature higher than the film formation temperature of the conductive film. Is subjected to a heat treatment at a temperature lower than the temperature at which the dielectric film is crystallized, so that the amount of thermal contraction of the conductive film is reduced during the heat treatment for crystallizing the dielectric film, so that disconnection occurring in the conductive film can be prevented. .

第1又は第2の半導体装置の製造方法は、工程(c)よりも後で且つ工程(d)よりも前に、保護絶縁膜を第2の導電膜を覆うように形成する工程(f)をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、誘電体膜に対する膜質向上を図る熱処理時に、第2の導電膜はその上の保護絶縁膜によって高温の雰囲気に直接にさらされなくなると共に、第2の導電膜の熱収縮量が減少するため、第2の導電膜に生じる断線を防止することができる。   In the first or second method for manufacturing a semiconductor device, a step (f) of forming a protective insulating film so as to cover the second conductive film after the step (c) and before the step (d). Is preferably further provided. Thus, during the heat treatment for improving the film quality of the dielectric film, the second conductive film is not directly exposed to the high temperature atmosphere by the protective insulating film thereon, and the thermal contraction amount of the second conductive film is reduced. Therefore, disconnection that occurs in the second conductive film can be prevented.

また、第1又は第2の半導体装置の製造方法において、工程(a)は、第1の導電膜を形成するよりも前に、絶縁膜の上に該絶縁膜と第1の導電膜との密着性を高める密着層を形成する工程を含むことが好ましい。このようにすると、第1の導電膜に対するマイグレーションに対する耐性がさらに向上する。   In the method for manufacturing the first or second semiconductor device, the step (a) includes the step of forming the insulating film and the first conductive film on the insulating film before forming the first conductive film. It is preferable to include the process of forming the contact | adherence layer which improves adhesiveness. In this way, resistance to migration with respect to the first conductive film is further improved.

第1半導体装置の製造方法において、第1の導電膜及び第2の導電膜の少なくとも一方は高融点金属を含むことが好ましい。   In the method for manufacturing the first semiconductor device, it is preferable that at least one of the first conductive film and the second conductive film contains a refractory metal.

第1又は第2の半導体装置の製造方法において、貴金属はイリジウムを主成分とすることが好ましい。   In the first or second method for manufacturing a semiconductor device, the noble metal preferably contains iridium as a main component.

また、第1又は第2の半導体装置の製造方法において、誘電体膜はぺロブスカイト系酸化物からなる強誘電体膜であることが好ましい。   In the first or second method for manufacturing a semiconductor device, the dielectric film is preferably a ferroelectric film made of a perovskite oxide.

本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、容量素子の電極となる導電膜の形成後に容量膜である誘電体膜に対して施される熱処理により導電膜が断線することを防止することができる。   According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is possible to prevent the conductive film from being disconnected by a heat treatment applied to the dielectric film that is the capacitive film after the conductive film to be the electrode of the capacitive element is formed. it can.

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

図1は本発明の第1の実施形態に係る半導体メモリ装置の断面構成を示している。   FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.

図1に示すように、例えば、シリコン(Si)からなる半導体基板10の上部に形成されたシャロウトレンチ分離(STI:Shallow Trench Isolation)領域11に区画されてなる各素子形成領域には、それぞれゲート絶縁膜12を介在させたゲート電極13と該ゲート電極13の両側方に形成された不純物拡散層14とからなる複数のトランジスタ15が形成されている。   As shown in FIG. 1, for example, each element formation region partitioned by a shallow trench isolation (STI) region 11 formed on an upper part of a semiconductor substrate 10 made of silicon (Si) includes a gate. A plurality of transistors 15 each including a gate electrode 13 with an insulating film 12 interposed therebetween and an impurity diffusion layer 14 formed on both sides of the gate electrode 13 are formed.

半導体基板10の上には、膜厚が約0.4μm〜0.8μmの酸化シリコンからなる第1の層間絶縁膜16が各トランジスタ15を覆うように形成されている。ここで、酸化シリコンには、ホウ素(B)及びリン(P)を添加したいわゆるBPSG(Boro-Phospho-Silicate Glass)や、高密度プラズマにより形成され、ホウ素やリンが添加されない、いわゆるHDP−NSG(High Density Plasma-Non Silicate Glass)、又は酸化雰囲気にオゾン(O3 )を用いたO3-NSGを用いると良い。 On the semiconductor substrate 10, a first interlayer insulating film 16 made of silicon oxide having a film thickness of about 0.4 μm to 0.8 μm is formed so as to cover each transistor 15. Here, so-called BPSG (Boro-Phospho-Silicate Glass) to which boron (B) and phosphorus (P) are added to silicon oxide, or so-called HDP-NSG which is formed by high-density plasma and does not contain boron or phosphorus. (High Density Plasma-Non Silicate Glass) or O 3 —NSG using ozone (O 3 ) in an oxidizing atmosphere may be used.

第1の層間絶縁膜16におけるトランジスタ15の一方の不純物拡散層14の上には該不純物拡散層14と電気的に接続される第1のコンタクトプラグ17が形成されている。第1のコンタクトプラグの材料には、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)又は窒化タンタル(TaN)を用いる。さらに、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)若しくはコバルト(Co)の珪化金属、又は銅(Cu)、さらには不純物をドーピングされた多結晶シリコンを用いてもよい。   A first contact plug 17 electrically connected to the impurity diffusion layer 14 is formed on one impurity diffusion layer 14 of the transistor 15 in the first interlayer insulating film 16. As a material of the first contact plug, tungsten (W), molybdenum (Mo), titanium (Ti), titanium nitride (TiN), or tantalum nitride (TaN) is used. Further, titanium (Ti), nickel (Ni) or cobalt (Co) metal silicide, copper (Cu), or polycrystalline silicon doped with impurities may be used.

上面が平坦化された第1の層間絶縁膜16の上には、第1のコンタクトプラグ17と電気的に接続され、タングステン又は多結晶シリコンからなる複数のビット配線18が選択的に形成されている。   A plurality of bit wirings 18 made of tungsten or polycrystalline silicon are selectively formed on the first interlayer insulating film 16 whose upper surface is planarized and electrically connected to the first contact plug 17. Yes.

第1の層間絶縁膜16の上には、各ビット配線18を覆うように第2の層間絶縁膜19が形成されている。第2の層間絶縁膜19は各ビット配線18の酸化を防止できる程度の膜厚が必要である。   A second interlayer insulating film 19 is formed on the first interlayer insulating film 16 so as to cover each bit line 18. The second interlayer insulating film 19 needs to be thick enough to prevent oxidation of each bit wiring 18.

第1の層間絶縁膜16及び第2の層間絶縁膜19におけるトランジスタ15の他方の不純物拡散層14の上には、該不純物拡散層14と電気的に接続される第2のコンタクトプラグ20が形成されている。なお、第2のコンタクトプラグ20には第1のコンタクトプラグ17に用いた材料と同等の材料を用いればよい。   A second contact plug 20 electrically connected to the impurity diffusion layer 14 is formed on the other impurity diffusion layer 14 of the transistor 15 in the first interlayer insulating film 16 and the second interlayer insulating film 19. Has been. The second contact plug 20 may be made of a material equivalent to the material used for the first contact plug 17.

上面が平坦化された第2の層間絶縁膜19の上には、第2のコンタクトプラグ20とそれぞれ電気的に接続され、且つ第2の層間絶縁膜19上における第2のコンタクトプラグ20の周辺部分をも覆う複数の酸素バリア膜21が形成されている。酸素バリア膜21の材料には、例えば窒化チタンアルミニウム(TiAlN)、酸窒化チタンアルミニウム(TiAlON)、窒化チタン(TiN)、酸化イリジウム(IrOx )、イリジウム(Ir)、酸化ルテニウム(RuOx )、又はルテニウム(Ru)を用いれば良く、また、これらのうちの少なくとも2つからなる積層構造としても良い。ここで、酸化イリジウム及び酸化ルテニウムの一般式におけるxは正の実数である。 The second contact plug 20 is electrically connected to the second interlayer insulating film 19 whose upper surface is planarized, and the periphery of the second contact plug 20 on the second interlayer insulating film 19 A plurality of oxygen barrier films 21 that also covers the portions are formed. Examples of the material of the oxygen barrier film 21 include titanium aluminum nitride (TiAlN), titanium aluminum oxynitride (TiAlON), titanium nitride (TiN), iridium oxide (IrO x ), iridium (Ir), ruthenium oxide (RuO x ), Alternatively, ruthenium (Ru) may be used, and a stacked structure including at least two of them may be used. Here, x in the general formulas of iridium oxide and ruthenium oxide is a positive real number.

第2の層間絶縁膜19の上には、各酸素バリア膜21を露出する開口部を有し酸素バリア膜21上の膜厚が300nm〜700nm程度の第3の層間絶縁膜22が形成されている。この第3の層間絶縁膜22の膜厚は後述する容量素子の容量値を決定するパラメータとなる。   On the second interlayer insulating film 19, a third interlayer insulating film 22 having an opening exposing each oxygen barrier film 21 and having a film thickness on the oxygen barrier film 21 of about 300 nm to 700 nm is formed. Yes. The film thickness of the third interlayer insulating film 22 is a parameter that determines the capacitance value of a capacitive element to be described later.

第3の層間絶縁膜22における各開口部には、その壁面及び底面に沿うように、例えば貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなる下部電極23および上部電極25と容量絶縁膜24とからなる容量素子26が形成されている。下部電極23及び上部電極25の具体的な材料は、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)又はオスミウム(Os)の酸化物、窒化物又は酸窒化物がある。例えば、酸化物を用いる場合には、酸化イリジウム(IrO2 )、酸化ルテニウム(RuO2 )又は酸化銀(Ag2O)等である。 Each opening in the third interlayer insulating film 22 has a lower electrode 23 and an upper electrode 25 made of, for example, a noble metal oxide, nitride, or oxynitride, and a capacitive insulating film 24 along the wall surface and bottom surface thereof. A capacitive element 26 is formed. Specific materials of the lower electrode 23 and the upper electrode 25 are platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), rhodium (Rh), or osmium. There are oxides, nitrides or oxynitrides of (Os). For example, when an oxide is used, it is iridium oxide (IrO 2 ), ruthenium oxide (RuO 2 ), silver oxide (Ag 2 O), or the like.

また、容量絶縁膜24として、強誘電体であるチタン酸バリウムストロンチウム(BaxSr1-xTiO3)(但し、xは0≦x≦1である。以下、BSTと呼ぶ。)系誘電体や、ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zrx1-x)O3)(但し、xは0≦x≦1である。以下、PZTと呼ぶ。)若しくはジルコニウムチタン酸鉛ランタン(PbyLa1-y(ZrxTi1-x)O3)(但し、x,yは0≦x,y≦1である。)等の鉛を含むペロブスカイト系誘電体、又はタンタル酸ストロンチウムビスマス(Sr1-yBi2+xTa29)(但し、x,yは0≦x,y≦1である。以下、SBTと呼ぶ。)若しくはチタン酸ビスマスランタン(Bi4-xLaxTi312)(但し、xは0≦x≦1である。)等のビスマスを含むペロブスカイト系誘電体を用いると、不揮発性メモリ装置を作製することができる。 Further, as the capacitor insulating film 24, a barium strontium titanate (Ba x Sr 1-x TiO 3 ) (provided that x is 0 ≦ x ≦ 1, hereinafter referred to as BST) -based dielectric. Or lead zirconium titanate (Pb (Zr x T 1-x ) O 3 ) (where x is 0 ≦ x ≦ 1, hereinafter referred to as PZT) or lead lanthanum zirconium titanate (Pb y La 1 -y (Zr x Ti 1-x ) O 3) (where x and y are 0 ≦ x, y ≦ 1) or the like, or a perovskite-based dielectric material containing strontium bismuth tantalate (Sr 1-y Bi 2 + x Ta 2 O 9 ) (where x and y are 0 ≦ x and y ≦ 1, hereinafter referred to as SBT) or bismuth lanthanum titanate (Bi 4−x La x Ti 3 O 12 ) (Where x is 0 ≦ x ≦ 1), etc., a perovskite-based dielectric containing bismuth Can be used to manufacture a nonvolatile memory device.

また、強誘電体膜には、一般式がABO3 (但し、AとBとは異なる元素である。)で表わされるペロブスカイト構造を有する化合物を用いることができる。ここで、元素Aは、例えば、鉛(Pb)、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、ランタン(La)、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、マグネシウム(Mg)及びビスマス(Bi)からなる群より選択される少なくとも1つであり、元素Bは、例えば、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、スカンジウム(Sc)、コバルト(Co)、ハフニウム(Hf)、マグネシウム(Mg)及びモリブデン(Mo)からなる群より選択される少なくとも1つである。 For the ferroelectric film, a compound having a perovskite structure represented by a general formula ABO 3 (however, A and B are different elements) can be used. Here, the element A is, for example, lead (Pb), barium (Ba), strontium (Sr), calcium (Ca), lanthanum (La), lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), magnesium. (Mg) and at least one selected from the group consisting of bismuth (Bi), and the element B is, for example, titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), tantalum (Ta), tungsten (W ), Iron (Fe), nickel (Ni), scandium (Sc), cobalt (Co), hafnium (Hf), magnesium (Mg), and molybdenum (Mo).

また、容量絶縁膜24は、単層の強誘電体膜に限られず、組成が異なる複数の強誘電体膜を用いてもよく、さらには、異なる組成を連続的に変化させて、組成を傾斜させる構成としてもよい。   The capacitor insulating film 24 is not limited to a single-layer ferroelectric film, and a plurality of ferroelectric films having different compositions may be used. Further, the composition is inclined by changing different compositions continuously. A configuration may be adopted.

また、本発明に係る容量絶縁膜24は、強誘電体に限られないことはいうまでもなく、酸化シリコン(SiO2 )、窒化シリコン(Si34)、五酸化ニオブ(Nb25)、五酸化タンタル(Ta25)又は酸化アルミニウム(Al23)等を用いてもよい。 Needless to say, the capacitor insulating film 24 according to the present invention is not limited to a ferroelectric substance, and silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), niobium pentoxide (Nb 2 O 5). ), Tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or the like may be used.

第3の層間絶縁膜22の上には、第4の層間絶縁膜27が容量素子26の凹部を埋めるように形成されている。第2の層間絶縁膜19、第3の層間絶縁膜22及び第4の層間絶縁膜27における第1のコンタクト17の上には、該第1のコンタクトプラグ17及びビット配線18と電気的に接続される第3のコンタクトプラグ28が形成されている。ここでも、第3のコンタクトプラグ28には第1のコンタクトプラグ17及び第2のコンタクトプラグ20に用いた材料と同等の材料を用いればよい。   A fourth interlayer insulating film 27 is formed on the third interlayer insulating film 22 so as to fill the concave portion of the capacitive element 26. The first contact plug 17 and the bit wiring 18 are electrically connected on the first contact 17 in the second interlayer insulating film 19, the third interlayer insulating film 22, and the fourth interlayer insulating film 27. A third contact plug 28 is formed. Again, the third contact plug 28 may be made of a material equivalent to the material used for the first contact plug 17 and the second contact plug 20.

以下、前記のように構成された半導体メモリ装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a method of manufacturing the semiconductor memory device configured as described above will be described with reference to the drawings.

図2(a)〜図2(d)乃至図6(a)〜図6(c)は本発明の第1の実施形態に係る半導体メモリ装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。   2 (a) to 2 (d) to 6 (a) to 6 (c) show cross-sectional structures in the order of steps of the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. .

まず、図2(a)に示すように、半導体基板10の上部にSTI領域11を選択的に形成し、形成したSTI領域11により半導体基板10を複数の素子形成領域に区画する。続いて、各素子形成領域に、例えば酸化シリコン又は酸窒化シリコンからなり膜厚が約3nmのゲート絶縁膜12と、多結晶シリコン、金属又は金属珪化物を含み膜厚が約200nmのゲート電極13とを順次形成し、続いてゲート電極13をマスクとする不純物イオンのイオン注入により不純物拡散層14を形成して、トランジスタ15をそれぞれ形成する。続いて、CVD法により、BPSG、HDP−NSG又はO3-NSGのような絶縁膜を約0.6μm〜1.2μmの膜厚で成膜し、その後、化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polish:CMP)法を用いて、成膜した絶縁膜の表面を平坦化して膜厚が約0.4μm〜0.8μmの第1の層間絶縁膜16を形成する。 First, as shown in FIG. 2A, the STI region 11 is selectively formed on the semiconductor substrate 10, and the semiconductor substrate 10 is partitioned into a plurality of element formation regions by the formed STI region 11. Subsequently, each element formation region includes, for example, a gate insulating film 12 made of silicon oxide or silicon oxynitride and having a thickness of about 3 nm, and a gate electrode 13 having a thickness of about 200 nm including polycrystalline silicon, metal, or metal silicide. And the impurity diffusion layer 14 is formed by ion implantation of impurity ions using the gate electrode 13 as a mask, thereby forming the transistors 15. Subsequently, an insulating film such as BPSG, HDP-NSG, or O 3 -NSG is formed by CVD to a thickness of about 0.6 μm to 1.2 μm, and then chemical mechanical polishing (Chemical Mechanical Polishing). The first interlayer insulating film 16 having a thickness of about 0.4 μm to 0.8 μm is formed by planarizing the surface of the formed insulating film by using the CMP method.

次に、図2(b)に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、第1の層間絶縁膜16に各トランジスタ15の一方の不純物拡散層14を露出する第1のコンタクトホール16aを形成する。   Next, as shown in FIG. 2B, a first contact hole 16a exposing one impurity diffusion layer 14 of each transistor 15 is formed in the first interlayer insulating film 16 by lithography and dry etching. To do.

次に、図2(c)に示すように、スパッタ法、CVD法又はめっき法により、第1の層間絶縁膜16の上に、第1のコンタクトホール16aが充填されるように第1のコンタクトプラグ形成膜17Aを成膜する。ここで、第1のコンタクトプラグ形成膜17Aは、前述したように、タングステン等の金属、窒化チタン等の窒化金属、珪化チタン等の珪化金属、銅、又は多結晶シリコンを用いる。また、第1のコンタクトプラグ形成膜17Aを成膜する前に、例えば基板側から順次積層されたチタンと窒化チタン、又はタンタルと窒化タンタルとの積層膜からなる密着層を形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 2C, the first contact is formed so that the first contact hole 16a is filled on the first interlayer insulating film 16 by sputtering, CVD, or plating. A plug forming film 17A is formed. Here, as described above, the first contact plug forming film 17A uses a metal such as tungsten, a metal nitride such as titanium nitride, a metal silicide such as titanium silicide, copper, or polycrystalline silicon. Further, before forming the first contact plug formation film 17A, an adhesion layer made of, for example, titanium and titanium nitride, or a laminated film of tantalum and tantalum nitride, which are sequentially laminated from the substrate side, may be formed.

次に、図2(d)に示すように、成膜した第1のコンタクトプラグ形成膜17Aに対して、第1の層間絶縁膜16が露出するまでエッチバック又はCMP処理を行なって、第1のコンタクトプラグ形成膜17Aから、各トランジスタ15の一方の不純物拡散層14と電気的に接続される第1のコンタクトプラグ17を形成する。   Next, as shown in FIG. 2D, the first contact plug formation film 17A that has been formed is etched back or subjected to CMP until the first interlayer insulating film 16 is exposed. The first contact plug 17 electrically connected to one impurity diffusion layer 14 of each transistor 15 is formed from the contact plug formation film 17A.

次に、図3(a)に示すように、スパッタ法、CVD法又は炉により、第1の層間絶縁膜16の上に、例えばタングステン又は多結晶シリコンからなる導電膜を形成し、続いて、リソグラフィ法及びエッチング法により、導電膜を第1のコンタクトプラグ17と接続されるようにパターニングして、導電膜から複数のビット配線18を形成する。このとき、配線材料がタングステンの場合には、例えば塩素系ガス及びフッ素系ガスを混合したエッチングガスを用いれば良く、多結晶シリコンの場合にはフッ素系ガスを用いればよい。また、ビット配線18にタングステンを用いる場合には、タングステン膜を形成する前に、基板側から順次積層された例えばチタンと窒化チタンとの積層膜からなる密着層を形成してもよい。また、各ビット配線18の厚さは配線抵抗及び設計ルールによって決定され、20nm〜150nm程度が好ましい。さらには、容量素子の上部の配線との間でスタック型のコンタクトプラグを形成する場合には、あらかじめ第1のコンタクトプラグ17のうちの1つのプラグを覆うようにビット配線パターンを形成しておいてもよい。   Next, as shown in FIG. 3A, a conductive film made of, for example, tungsten or polycrystalline silicon is formed on the first interlayer insulating film 16 by a sputtering method, a CVD method, or a furnace, A plurality of bit lines 18 are formed from the conductive film by patterning the conductive film so as to be connected to the first contact plug 17 by lithography and etching. At this time, when the wiring material is tungsten, for example, an etching gas obtained by mixing a chlorine-based gas and a fluorine-based gas may be used, and when polycrystalline silicon is used, a fluorine-based gas may be used. Further, when tungsten is used for the bit wiring 18, an adhesion layer made of a laminated film of, for example, titanium and titanium nitride sequentially laminated from the substrate side may be formed before the tungsten film is formed. The thickness of each bit wiring 18 is determined by wiring resistance and design rules, and is preferably about 20 nm to 150 nm. Further, when forming a stack type contact plug with the wiring above the capacitor element, a bit wiring pattern is formed in advance so as to cover one of the first contact plugs 17. May be.

次に、図3(b)に示すように、CVD法により、第1の層間絶縁膜16の上に、膜厚が約200nm〜800nmのBPSG等からなる第2の層間絶縁膜19を各ビット配線18を覆うように成膜する。続いて、成膜した第2の層間絶縁膜19に対して、CMP、エッチバック又はリフロー処理を行なって平坦化する。この平坦化処理により、第2の層間絶縁膜19の上に設けられる容量素子の形成が容易となる。なかでも、CMP法を用いると、第2の層間絶縁膜19の上部に各ビット配線18により生じた段差部分をより一層平坦化することができる。なお、第2の層間絶縁膜19における各ビット配線18の上側部分の膜厚Xを各ビット配線18の酸化を防止できる膜厚である50nm〜500nmに設定することが好ましい。   Next, as shown in FIG. 3B, a second interlayer insulating film 19 made of BPSG or the like having a thickness of about 200 nm to 800 nm is formed on each bit on the first interlayer insulating film 16 by CVD. A film is formed so as to cover the wiring 18. Subsequently, the formed second interlayer insulating film 19 is planarized by performing CMP, etch back or reflow processing. By this planarization treatment, it is easy to form a capacitor element provided on the second interlayer insulating film 19. In particular, when the CMP method is used, the stepped portion caused by each bit wiring 18 on the second interlayer insulating film 19 can be further flattened. The film thickness X of the upper portion of each bit wiring 18 in the second interlayer insulating film 19 is preferably set to 50 nm to 500 nm, which is a film thickness that can prevent the oxidation of each bit wiring 18.

次に、図3(c)に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、第1の層間絶縁膜16及び第2の層間絶縁膜19に、各トランジスタ15の他方の不純物拡散層14を露出する第2のコンタクトホール19aを形成する。   Next, as shown in FIG. 3C, the other impurity diffusion layer 14 of each transistor 15 is exposed to the first interlayer insulating film 16 and the second interlayer insulating film 19 by lithography and dry etching. A second contact hole 19a is formed.

次に、図3(d)に示すように、スパッタ法、CVD法又はめっき法により、第2の層間絶縁膜19の上に、第2のコンタクトホール19aが充填されるように第2のコンタクトプラグ形成膜(図示せず)を成膜する。ここで、第2のコンタクトプラグ形成膜の材料は、第1のコンタクトプラグ17と同等でよい。また、ここでも、第2のコンタクトプラグ形成膜を成膜する前に、窒化チタンとチタン又は窒化タンタルとタンタルとの積層膜からなる密着層を形成してもよい。その後、成膜した第2のコンタクトプラグ形成膜に対して、第2の層間絶縁膜19が露出するまでエッチバック又はCMP処理を行なって、第2のコンタクトプラグ形成膜から、各トランジスタ15の他方の不純物拡散層14と電気的に接続される第2のコンタクトプラグ20を形成する。   Next, as shown in FIG. 3D, the second contact hole 19a is filled on the second interlayer insulating film 19 by sputtering, CVD, or plating. A plug forming film (not shown) is formed. Here, the material of the second contact plug formation film may be the same as that of the first contact plug 17. Also in this case, an adhesive layer made of a laminated film of titanium nitride and titanium or tantalum nitride and tantalum may be formed before the second contact plug formation film is formed. Thereafter, etch back or CMP treatment is performed on the formed second contact plug formation film until the second interlayer insulating film 19 is exposed. From the second contact plug formation film, the other of the transistors 15 is removed. A second contact plug 20 electrically connected to the impurity diffusion layer 14 is formed.

次に、図4(a)に示すように、第2の層間絶縁膜19の上に、例えば、スパッタ法、CVD法、又は有機金属気相堆積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法により、第2の層間絶縁膜19上の全面に、膜厚が50nm〜250nmで、第2のコンタクトプラグ20の酸化を防止する酸素バリア形成膜21Aを成膜する。前述したように、酸素バリア形成膜21Aの材料には、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、酸窒化チタンアルミニウム、イリジウム若しくはその酸化物、又はルテニウム若しくはその酸化物を用いる。   Next, as shown in FIG. 4A, on the second interlayer insulating film 19, for example, by sputtering, CVD, or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), An oxygen barrier formation film 21A having a thickness of 50 nm to 250 nm and preventing the second contact plug 20 from being oxidized is formed on the entire surface of the second interlayer insulating film 19. As described above, titanium nitride, titanium aluminum nitride, titanium aluminum oxynitride, iridium or an oxide thereof, or ruthenium or an oxide thereof is used as the material of the oxygen barrier formation film 21A.

次に、図4(b)に示すように、リソグラフィ法、及び塩素系ガスとフッ素系ガスとの混合ガスを用いたドライエッチング法により、各第2のコンタクトプラグ20及びその周辺部をそれぞれ覆うようにパターニングすることにより、酸素バリア形成膜21Aから複数の酸素バリア膜21を形成する。なお、図示はしていないが、第2のコンタクトプラグ形成膜を第2の層間絶縁膜19上から除去する際に、各第2のコンタクトプラグ20の上端面に生じる凹状部(リセス部)に酸素バリア膜21を埋め込む構成としてもよい。   Next, as shown in FIG. 4B, the second contact plugs 20 and their peripheral portions are respectively covered by a lithography method and a dry etching method using a mixed gas of a chlorine-based gas and a fluorine-based gas. By patterning in this manner, a plurality of oxygen barrier films 21 are formed from the oxygen barrier forming film 21A. Although not shown, when the second contact plug formation film is removed from the second interlayer insulating film 19, a concave portion (recessed portion) generated on the upper end surface of each second contact plug 20 is formed. The oxygen barrier film 21 may be embedded.

次に、図4(c)に示すように、CVD法により、第2の層間絶縁膜19の上に、膜厚が約900nm〜1400nmのBPSG等からなる第3の層間絶縁膜22を各酸素バリア膜21を覆うように成膜する。続いて、成膜した第3の層間絶縁膜22に対して、CMP法により平坦化処理を行なう。このとき、第3の層間絶縁膜22における各酸素バリア膜21上の厚さは、容量素子の容量値を決めるパラメータとなり、ここでは、300nm〜700nm程度が望ましい。   Next, as shown in FIG. 4C, a third interlayer insulating film 22 made of BPSG or the like having a thickness of about 900 nm to 1400 nm is formed on the second interlayer insulating film 19 by the CVD method. A film is formed so as to cover the barrier film 21. Subsequently, a planarization process is performed on the formed third interlayer insulating film 22 by a CMP method. At this time, the thickness of the third interlayer insulating film 22 on each oxygen barrier film 21 is a parameter that determines the capacitance value of the capacitor, and is preferably about 300 nm to 700 nm.

次に、図4(d)に示すように、リソグラフィ法及びエッチング法により、第3の層間絶縁膜22に対して、各酸素バリア膜21の中央部分すなわち第2のコンタクトプラグ20の上方部分を露出する複数の開口部22aを形成する。ここで、開口部22aを形成するエッチングは、ドライエッチでもウエットエッチでもよい。   Next, as shown in FIG. 4D, the central portion of each oxygen barrier film 21, that is, the upper portion of the second contact plug 20 is formed with respect to the third interlayer insulating film 22 by lithography and etching. A plurality of exposed openings 22a are formed. Here, the etching for forming the opening 22a may be dry etching or wet etching.

また、開口部22aは、底面から上面に向かうに従って開口が広がる形状、すなわち図4(d)に示す断面図において開口部の壁面がテーパー形状となっている。   The opening 22a has a shape in which the opening widens from the bottom surface toward the top surface, that is, the wall surface of the opening portion is tapered in the cross-sectional view shown in FIG.

次に、図5(a)に示すように、スパッタ法、CVD法又はMOCVD法により、約200℃〜500℃の温度下で第3の層間絶縁膜22の上に各開口部22aの壁面及び底面を含む全面にわたって、白金又はイリジウム等の貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなり、膜厚が約20nm〜60nmの下部電極形成膜23Aを成膜する。   Next, as shown in FIG. 5A, the wall surface of each opening 22a and the third interlayer insulating film 22 are formed on the third interlayer insulating film 22 at a temperature of about 200 ° C. to 500 ° C. by sputtering, CVD, or MOCVD. A lower electrode formation film 23A made of a noble metal oxide such as platinum or iridium, nitride or oxynitride and having a thickness of about 20 nm to 60 nm is formed over the entire surface including the bottom surface.

ここで、下部電極形成膜23Aに酸化イリジウム(IrO2 )を用いる場合の成膜条件について説明する。 Here, film forming conditions when iridium oxide (IrO 2 ) is used for the lower electrode forming film 23A will be described.

まず、スパッタ法により酸化イリジウムからなる下部電極形成膜23Aを成膜する場合の成膜条件を以下に示す。   First, film forming conditions for forming the lower electrode forming film 23A made of iridium oxide by sputtering are shown below.

ターゲット材:イリジウム(Ir)
基板温度:300℃〜500℃
圧力:0.5Pa〜0.8Pa
パワー:0.8kW〜3.5kW
スパッタガス:アルゴン(Ar)
酸化性ガス:酸素(O2
ガス比:O2 /Ar=1〜3
次に、スパッタ法に代えて、MOCVD法により酸化イリジウムからなる下部電極形成膜23Aを成膜する場合の成膜条件を示す。
Target material: Iridium (Ir)
Substrate temperature: 300 ° C to 500 ° C
Pressure: 0.5 Pa to 0.8 Pa
Power: 0.8kW to 3.5kW
Sputtering gas: Argon (Ar)
Oxidizing gas: Oxygen (O 2 )
Gas ratio: O 2 / Ar = 1-3
Next, film forming conditions for forming the lower electrode forming film 23A made of iridium oxide by MOCVD instead of sputtering will be shown.

イリジウムを含む有機金属原料(前駆体)
:ジメチルイリジウムシクロオクタジエン
溶媒:テトラヒドラフラン
気化器の温度:60℃〜120℃
酸化性ガス:酸素(O2 )[流量50〜150ml/min]
キャリアガス:アルゴン(Ar)[流量150〜250ml/min]
圧力:133Pa〜266Pa
温度:250℃〜450℃
ここで、貴金属の窒化物は、スパッタ法による場合には窒素ガスを用いて成膜を行ない、また、貴金属の酸窒化物は、窒素ガスと酸素ガスとを用いて成膜を行なう。また、MOCVD法による場合には、窒素又は酸素を含んだ原料を適宜用いることにより成膜を行なう。これにより、下部電極形成膜23Aは、スパッタ法又はMOCVD法のいずれの場合にも多結晶構造となる。
Organometallic raw material (precursor) containing iridium
: Dimethyliridium cyclooctadiene
Solvent: Tetrahydrafuran Temperature of vaporizer: 60 ° C to 120 ° C
Oxidizing gas: oxygen (O 2 ) [flow rate: 50 to 150 ml / min]
Carrier gas: Argon (Ar) [flow rate: 150 to 250 ml / min]
Pressure: 133Pa-266Pa
Temperature: 250 ° C-450 ° C
Here, the noble metal nitride film is formed using nitrogen gas in the case of sputtering, and the noble metal oxynitride film is formed using nitrogen gas and oxygen gas. In the case of MOCVD, film formation is performed by appropriately using a raw material containing nitrogen or oxygen. As a result, the lower electrode formation film 23A has a polycrystalline structure in both the sputtering method and the MOCVD method.

このように、MOCVD法を用いて下部電極形成膜23Aを成膜することにより、下部電極形成膜23Aにおける第3の層間絶縁膜22の開口部22aの壁面及び底面でのカバレッジが良好となる。その上、下部電極形成膜23Aに貴金属の酸化物又は窒化物を用いることにより、電極形成膜の収縮率が減少するため、該電極形成膜の断線を防止することができる。   Thus, by forming the lower electrode formation film 23A using the MOCVD method, the coverage on the wall surface and the bottom surface of the opening 22a of the third interlayer insulating film 22 in the lower electrode formation film 23A is improved. In addition, by using a noble metal oxide or nitride for the lower electrode formation film 23A, the contraction rate of the electrode formation film is reduced, so that disconnection of the electrode formation film can be prevented.

次に、図5(b)に示すように、CMP法により、第3の層間絶縁膜22上に堆積した下部電極形成膜23Aを第3の層間絶縁膜22が露出するように除去することにより、第3の層間絶縁膜22の開口部22aの壁面及び底面上に下部電極形成膜23Aから下部電極23を形成する。   Next, as shown in FIG. 5B, the lower electrode formation film 23A deposited on the third interlayer insulating film 22 is removed by CMP so that the third interlayer insulating film 22 is exposed. The lower electrode 23 is formed from the lower electrode forming film 23A on the wall surface and the bottom surface of the opening 22a of the third interlayer insulating film 22.

ここで、CMP法を用いる代わりに、第3の層間絶縁膜22の開口部22aに形成された下部電極23の凹部を埋め込むように絶縁膜(犠牲膜、図示せず)を堆積し、堆積した絶縁膜に対してドライエッチにより全面的にエッチバックを行なうことにより、下部電極形成膜23Aにおける下部電極23以外の部分を第3の層間絶縁膜22が露出するまで除去してもよい。その後、下部電極23上の犠牲膜をフッ化水素酸(HF)等によるウェットエッチングにより除去する。   Here, instead of using the CMP method, an insulating film (sacrificial film, not shown) is deposited so as to fill the recess of the lower electrode 23 formed in the opening 22 a of the third interlayer insulating film 22. Etching back the entire surface of the insulating film by dry etching may remove portions other than the lower electrode 23 in the lower electrode forming film 23A until the third interlayer insulating film 22 is exposed. Thereafter, the sacrificial film on the lower electrode 23 is removed by wet etching using hydrofluoric acid (HF) or the like.

次に、図5(c)に示すように、スパッタ法又はMOCVD法により、第3の層間絶縁膜22の上に断面凹状の各下部電極23を含む全面にわたって、例えば強誘電体からなり、膜厚が40nm〜100nmの容量絶縁膜形成膜24Aを成膜する。前述したように、容量絶縁膜形成膜24Aには、BST、PZT又はSBT等の強誘電体材料を用いる。   Next, as shown in FIG. 5C, the entire surface including the lower electrodes 23 having a concave cross section on the third interlayer insulating film 22 is formed on the third interlayer insulating film 22 by a sputtering method or an MOCVD method. A capacitive insulating film forming film 24A having a thickness of 40 nm to 100 nm is formed. As described above, a ferroelectric material such as BST, PZT, or SBT is used for the capacitor insulating film forming film 24A.

続いて、スパッタ法、CVD法又はMOCVD法により、下部電極形成膜23Aと同等の成膜条件で、容量絶縁膜形成膜24Aの上に、白金又はイリジウム等の貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物の多結晶からなり、膜厚が20nmの上部電極形成膜25Aを成膜する。第1の実施形態においては、下部電極形成膜23A及び上部電極形成膜25Aの下地層は、開口部22aを有する第3の層間絶縁膜22である。   Subsequently, an oxide, nitride or acid of noble metal such as platinum or iridium is formed on the capacitor insulating film forming film 24A by sputtering, CVD or MOCVD under the same film forming conditions as the lower electrode forming film 23A. An upper electrode formation film 25A made of nitride polycrystal and having a thickness of 20 nm is formed. In the first embodiment, the underlying layer of the lower electrode formation film 23A and the upper electrode formation film 25A is the third interlayer insulating film 22 having an opening 22a.

次に、図5(d)に示すように、リソグラフィ法及び塩素系ガスとフッ素系ガスとの混合ガスを用いたドライエッチング法により、容量絶縁膜形成膜24A及び上部電極形成膜25Aに対して下部電極23を覆うようにパターニングすることにより、容量絶縁膜形成膜24Aから容量絶縁膜24を形成し、上部電極形成膜25Aから上部電極25を形成する。これにより、下部電極23、容量絶縁膜24及び上部電極25からなる断面凹状の容量素子26が形成される。   Next, as shown in FIG. 5D, the capacitive insulating film formation film 24A and the upper electrode formation film 25A are formed by a lithography method and a dry etching method using a mixed gas of a chlorine-based gas and a fluorine-based gas. By patterning so as to cover the lower electrode 23, the capacitive insulating film 24 is formed from the capacitive insulating film forming film 24A, and the upper electrode 25 is formed from the upper electrode forming film 25A. As a result, a capacitive element 26 having a concave cross section composed of the lower electrode 23, the capacitive insulating film 24 and the upper electrode 25 is formed.

次に、図6(a)に示すように、CVD法により、第3の層間絶縁膜22の上に、容量素子26を覆うようにBPSG等からなる第4の層間絶縁膜27を成膜する。その後、CMP法により、成膜した第4の層間絶縁膜27の表面を平坦化する。平坦化後の第4の層間絶縁膜27における容量素子26の上端部の上側の膜厚は100nm〜300nmが望ましい。続いて、容量絶縁膜24を構成する強誘電体を結晶化する等の、容量絶縁膜24の膜質を向上するための高温且つ酸素雰囲気で熱処理を行なう。なお、この熱処理は、炉を用いるアニールでも良く、急速加熱処理(Rapid Thermal Anneal:RTA)でも良い。加熱温度は500℃以上且つ800℃以下が好ましい。さらには、容量絶縁膜24に対する熱処理温度と下部電極23及び上部電極25を形成する際の温度との差を200℃以内とすることが好ましい。例えば、容量絶縁膜24の膜質向上を図る加熱温度が700℃のときには、下部電極23及び上部電極25を500℃以上の温度で成膜することが好ましい。   Next, as shown in FIG. 6A, a fourth interlayer insulating film 27 made of BPSG or the like is formed on the third interlayer insulating film 22 so as to cover the capacitive element 26 by the CVD method. . Thereafter, the surface of the formed fourth interlayer insulating film 27 is planarized by CMP. The film thickness above the upper end of the capacitor 26 in the fourth interlayer insulating film 27 after planarization is preferably 100 nm to 300 nm. Subsequently, heat treatment is performed at a high temperature and in an oxygen atmosphere for improving the film quality of the capacitor insulating film 24, such as crystallization of a ferroelectric forming the capacitor insulating film 24. This heat treatment may be annealing using a furnace, or rapid thermal annealing (RTA). The heating temperature is preferably 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. Furthermore, it is preferable that the difference between the heat treatment temperature for the capacitor insulating film 24 and the temperature at which the lower electrode 23 and the upper electrode 25 are formed is within 200 ° C. For example, when the heating temperature for improving the film quality of the capacitive insulating film 24 is 700 ° C., the lower electrode 23 and the upper electrode 25 are preferably formed at a temperature of 500 ° C. or higher.

なお、容量絶縁膜24の膜質向上を図る熱処理は、第4の層間絶縁膜27を形成する前に行なってもよいが、本願発明者らは、上部電極25が絶縁膜で覆われた状態で熱処理を行なうと、上部電極25が熱雰囲気にさらされた状態で加熱するよりも、上部電極25の熱収縮が小さいという知見を得ており、従って、ここでも、容量絶縁膜24の膜質向上を図る熱処理は、第4の層間絶縁膜27の形成後に行なうことが好ましい。   The heat treatment for improving the film quality of the capacitor insulating film 24 may be performed before the formation of the fourth interlayer insulating film 27. However, the inventors of the present application have made the upper electrode 25 covered with the insulating film. It has been found that the thermal contraction of the upper electrode 25 is smaller when the heat treatment is performed than when the upper electrode 25 is exposed to a thermal atmosphere. Therefore, the film quality of the capacitive insulating film 24 is improved also here. The heat treatment to be performed is preferably performed after the fourth interlayer insulating film 27 is formed.

また、上部電極25を形成した後で且つ容量絶縁膜24の膜質向上を図る熱処理よりも前に、上部電極25に対して該上部電極25の形成温度よりも高く且つ容量絶縁膜24を構成する強誘電体が結晶化する温度よりも低い温度で熱処理を行なうことが好ましい。ここでは、例えば、上部電極形成膜25Aの成膜後、600℃程度で60秒間程度の熱処理を行なうと良い。さらには、熱処理時の収縮による応力は、上部電極形成膜25Aの面積が増大する程大きくなるため、パターニング後がより好ましい。これにより、下部電極23及び上部電極25は、容量絶縁膜24の膜質向上を図る熱処理の前に、これらの電極の形成温度よりも高く且つ容量絶縁膜24を構成する強誘電体が結晶化する温度よりも低い温度であらかじめ熱処理を受けることになる。このため、容量絶縁膜24の結晶化の熱処理時における各電極23、25の急激な熱収縮が抑制されるので、各電極23、25の断線を低減することができる。   Further, after the formation of the upper electrode 25 and before the heat treatment for improving the film quality of the capacitor insulating film 24, the capacitor insulating film 24 is formed with respect to the upper electrode 25 at a temperature higher than the formation temperature of the upper electrode 25. It is preferable to perform the heat treatment at a temperature lower than the temperature at which the ferroelectric crystallizes. Here, for example, after the formation of the upper electrode formation film 25A, heat treatment may be performed at about 600 ° C. for about 60 seconds. Furthermore, since the stress due to shrinkage during the heat treatment increases as the area of the upper electrode formation film 25A increases, it is more preferable after patterning. Thereby, before the heat treatment for improving the film quality of the capacitor insulating film 24, the lower electrode 23 and the upper electrode 25 are crystallized by a ferroelectric material that is higher than the formation temperature of these electrodes and that constitutes the capacitor insulating film 24. A heat treatment is previously performed at a temperature lower than the temperature. For this reason, since the rapid thermal contraction of the electrodes 23 and 25 during the heat treatment for crystallization of the capacitive insulating film 24 is suppressed, disconnection of the electrodes 23 and 25 can be reduced.

次に、図6(b)に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、第4の層間絶縁膜27、第3の層間絶縁膜22及び第2の層間絶縁膜19にビット配線18を露出する第3のコンタクトホール27aを形成する。   Next, as shown in FIG. 6B, the bit wiring 18 is exposed to the fourth interlayer insulating film 27, the third interlayer insulating film 22, and the second interlayer insulating film 19 by lithography and dry etching. A third contact hole 27a is formed.

次に、図6(c)に示すように、スパッタ法、CVD法又はめっき法により、第4の層間絶縁膜27の上に、第3のコンタクトホール27aが充填されるように第3のコンタクトプラグ形成膜(図示せず)を成膜する。ここで、第3のコンタクトプラグ形成膜の材料は、第1のコンタクトプラグ17と同等でよい。また、ここでも、第3のコンタクトプラグ形成膜を成膜する前に、窒化チタンとチタン又は窒化タンタルとタンタルとの積層膜からなる密着層を形成してもよい。その後、成膜した第3のコンタクトプラグ形成膜に対して、第4の層間絶縁膜27が露出するまでエッチバック又はCMP処理を行なって、第3のコンタクトプラグ形成膜から、各ビット配線18と電気的に接続される第3のコンタクトプラグ28を形成する。これにより、第1のコンタクトプラグ17とビット配線18と第3のコンタクトプラグ28とにより、いわゆるスタックコンタクトが形成される。   Next, as shown in FIG. 6C, the third contact is made so that the third contact hole 27a is filled on the fourth interlayer insulating film 27 by sputtering, CVD, or plating. A plug forming film (not shown) is formed. Here, the material of the third contact plug formation film may be the same as that of the first contact plug 17. Also in this case, an adhesion layer made of a laminated film of titanium nitride and titanium or tantalum nitride and tantalum may be formed before forming the third contact plug formation film. Thereafter, etch back or CMP processing is performed on the formed third contact plug formation film until the fourth interlayer insulating film 27 is exposed, and each bit wiring 18 and the third contact plug formation film are formed from the third contact plug formation film. A third contact plug 28 to be electrically connected is formed. Thus, a so-called stack contact is formed by the first contact plug 17, the bit line 18 and the third contact plug 28.

このように形成された容量素子における電極(導電膜)の断線発生率について図7を用いて説明する。図7は電極材料としてイリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrOx )、窒化イリジウム(IrN)及び酸窒化イリジウム(IrON)を用いた場合のそれぞれの電極の膜厚比と、容量絶縁膜の熱処理により発生する断線の発生確率との関係を示している。 The disconnection rate of the electrode (conductive film) in the capacitor thus formed will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the thickness ratio of each electrode when iridium (Ir), iridium oxide (IrO x ), iridium nitride (IrN), and iridium oxynitride (IrON) are used as electrode materials, and the heat treatment of the capacitive insulating film. It shows the relationship with the probability of occurrence of disconnection.

図7に示すように、イリジウムを電極材料として用いた場合は、電極における最も膜厚が小さい部分と最も膜厚が大きい部分との膜厚比の値が0.8以下のときの断線発生率は100%であり、膜厚が均一である場合の膜厚比の値が1.0のときでもその断線発生率は30%であった。一方、酸化イリジウムを電極に用いた場合は、膜厚比が0.8以上で且つ1.0以下の範囲において断線発生率は0%であった。窒化イリジウムを電極に用いた場合は、膜厚比が0.6以上且つ1.0以下において断線発生率は10%以下であり、さらに0.7以上且つ1.0以下においては0%であった。また、酸窒化イリジウムを電極に用いた場合は、膜厚比が0.5以上且つ1.0以下において断線発生率は10%以下であり、0.7以上且つ1.0以下においては0%であった。すなわち、電極材料として貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物を用い、膜厚における最小値と最大値との比の値が0.8以上且つ1.0以下となるように成膜した場合に、容量素子の断線の発生を防ぐことができる。   As shown in FIG. 7, when iridium is used as an electrode material, the disconnection occurrence rate when the value of the film thickness ratio between the thinnest part and the thickest part of the electrode is 0.8 or less. Was 100%, and even when the film thickness ratio was 1.0 when the film thickness was uniform, the disconnection occurrence rate was 30%. On the other hand, when iridium oxide was used for the electrode, the disconnection rate was 0% when the film thickness ratio was 0.8 or more and 1.0 or less. When iridium nitride is used for the electrode, the disconnection rate is 10% or less when the film thickness ratio is 0.6 or more and 1.0 or less, and 0% when the film thickness ratio is 0.7 or more and 1.0 or less. It was. When iridium oxynitride is used for the electrode, the disconnection rate is 10% or less at a film thickness ratio of 0.5 or more and 1.0 or less, and 0% at 0.7 or more and 1.0 or less. Met. That is, when a noble metal oxide, nitride or oxynitride is used as the electrode material and the film is formed such that the ratio of the minimum value to the maximum value in the film thickness is 0.8 or more and 1.0 or less In addition, disconnection of the capacitor element can be prevented.

また、電極における最も膜厚が小さい部分の膜厚が15nm程度であれば、電極としての本来の役割を劣化させることはなく、また断線もほとんど生じることがない。   Further, if the thickness of the thinnest portion of the electrode is about 15 nm, the original role as the electrode is not deteriorated and disconnection hardly occurs.

従って、容量素子の電極に貴金属を用いる場合よりも、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物を用いた場合の方が、電極の断線の発生を低減することができる。また、電極に貴金属の窒化物を用いると最も効果的に断線を低減することができる。   Therefore, the occurrence of disconnection of the electrode can be reduced when a noble metal oxide, nitride, or oxynitride is used rather than when a noble metal is used for the electrode of the capacitor. Further, when noble metal nitride is used for the electrode, the disconnection can be most effectively reduced.

以上説明したように、第1の実施形態によると、断面凹状のいわゆるコンケーブ型の容量素子26の下部電極23及び上部電極25に、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物のみを用いているため、下部電極23及び上部電極25とりわけ上部電極25が容量絶縁膜24に対する結晶化の熱処理時に断線を生じてリークが発生する事態を防止することができる。   As described above, according to the first embodiment, only the noble metal oxide, nitride, or oxynitride is used for the lower electrode 23 and the upper electrode 25 of the so-called concave capacitor 26 having a concave cross section. Therefore, it is possible to prevent a situation in which the lower electrode 23 and the upper electrode 25, in particular the upper electrode 25, are disconnected during the crystallization heat treatment of the capacitive insulating film 24 and a leak occurs.

なお、強誘電体の結晶化には500℃以上で且つ800℃以下の比較的に高温の熱処理が必要であるため、本発明の効果が大きい。   The crystallization of the ferroelectric requires a relatively high temperature heat treatment of 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, so that the effect of the present invention is great.

また、容量絶縁膜24に、ペロブスカイト系酸化物からなる強誘電体を用いる場合には、五酸化タンタル(Ta25)等のような常誘電体と比べて高温の熱処理を必要とするため、本発明の効果が大きい。 Further, when a ferroelectric made of a perovskite oxide is used for the capacitor insulating film 24, a heat treatment at a higher temperature is required as compared with a paraelectric such as tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ). The effect of the present invention is great.

また、容量絶縁膜24に、ビスマスを含むペロブスカイト系酸化物を用いる場合には、鉛を含むペロブスカイト系酸化物と比べて高温の熱処理を必要とするため、本発明の効果がさらに大きくなる。   Further, when a perovskite-based oxide containing bismuth is used for the capacitor insulating film 24, a heat treatment at a higher temperature is required as compared with a perovskite-based oxide containing lead, and thus the effect of the present invention is further increased.

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図8は本発明の第2の実施形態に係る半導体メモリ装置の断面構成を示している。図8において、図1に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 8 shows a cross-sectional structure of a semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 8, the same components as those shown in FIG.

図8に示すように、第2の実施形態においては、容量素子26を構成する例えば酸化イリジウムからなる下部電極23Bが、第2の層間絶縁膜19の上に300nm〜700nmと比較的に大きい膜厚で且つ島状に形成されていることを特徴とする。言い換えると、図8に示す断面図において凸形状となるように下部電極23Bが形成されている。   As shown in FIG. 8, in the second embodiment, a lower electrode 23 </ b> B made of, for example, iridium oxide constituting the capacitive element 26 is a relatively large film of 300 nm to 700 nm on the second interlayer insulating film 19. It is thick and formed in an island shape. In other words, the lower electrode 23B is formed so as to have a convex shape in the cross-sectional view shown in FIG.

これにより、BST等の強誘電体からなる容量絶縁膜24及び例えば酸化イリジウムからなる上部電極25は島状の下部電極23Bを覆うように形成されていることから、容量絶縁膜24及び上部電極25の各断面形状は、上方に凸状をなす。   Thus, the capacitive insulating film 24 made of a ferroelectric material such as BST and the upper electrode 25 made of, for example, iridium oxide are formed so as to cover the island-like lower electrode 23B. Each cross-sectional shape is convex upward.

このような構成の容量素子26であっても、容量絶縁膜24の膜質を向上するための高温且つ酸素雰囲気での熱処理にさらされたとしても、例えば酸化イリジウム等の貴金属の酸化物からなる上部電極25の熱収縮率は、イリジウムからなる上部電極の熱収縮率と比べて小さいため、上部電極25の体積が収縮することにより、例えば凸形状における屈曲部等に断線を起こすことがない。同様に、イリジウム等の貴金属の窒化物、酸窒化物からなる上部電極25を用いた場合も、上部電極の熱収縮による断線を抑制することができる。   Even if the capacitive element 26 having such a configuration is exposed to a heat treatment in a high temperature and oxygen atmosphere for improving the film quality of the capacitive insulating film 24, the upper part made of a noble metal oxide such as iridium oxide is used. Since the thermal contraction rate of the electrode 25 is smaller than the thermal contraction rate of the upper electrode made of iridium, the volume of the upper electrode 25 contracts, so that, for example, the bent portion or the like in the convex shape does not break. Similarly, when the upper electrode 25 made of a noble metal nitride or oxynitride such as iridium is used, disconnection due to thermal contraction of the upper electrode can be suppressed.

以下、前記のように構成された半導体メモリ装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a method of manufacturing the semiconductor memory device configured as described above will be described with reference to the drawings.

図9(a)〜図9(d)及び図10(a)〜図10(c)は本発明の第2の実施形態に係る半導体メモリ装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。ここでは、第1の実施形態と同一の工程は省略し、第2の実施形態の特徴である島状の下部電極23Bを形成する工程から説明する。   9 (a) to 9 (d) and FIGS. 10 (a) to 10 (c) show cross-sectional structures in the order of steps of the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. . Here, the same steps as those of the first embodiment are omitted, and the process of forming the island-shaped lower electrode 23B, which is a feature of the second embodiment, will be described.

図9(a)に示すように、スパッタ法、CVD法又はMOCVD法により、第2の層間絶縁膜19の上に全面にわたって、白金又はイリジウム等の貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなり、膜厚が約500nmの下部電極形成膜23Aを成膜する。   As shown in FIG. 9 (a), a noble metal oxide such as platinum or iridium, nitride or oxynitride is formed on the entire surface of the second interlayer insulating film 19 by sputtering, CVD or MOCVD. Thus, a lower electrode formation film 23A having a thickness of about 500 nm is formed.

次に、図9(b)に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、成膜された下部電極形成膜23Aに対して、各第2のコンタクトプラグ20及びその周辺部をそれぞれ覆うようにパターニングすることにより、下部電極形成膜23Aから複数の下部電極23Bを形成する。   Next, as shown in FIG. 9B, the second contact plug 20 and its peripheral portion are respectively covered with the lower electrode formation film 23A formed by lithography and dry etching. By patterning, a plurality of lower electrodes 23B are formed from the lower electrode formation film 23A.

次に、図9(c)に示すように、スパッタ法又はMOCVD法により、第2の層間絶縁膜19の上に各下部電極23を覆うように全面にわたって、例えば強誘電体からなり、膜厚が50nm〜100nmの容量絶縁膜形成膜24Aを成膜する。ここで、容量絶縁膜形成膜24Aには、BST、PZT又はSBT等の強誘電体材料を用いる。続いて、スパッタ法又はMOCVD法により、下部電極形成膜23Aと同等の成膜条件で、容量絶縁膜形成膜24Aの上に、白金又はイリジウム等の貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなり、膜厚が20nmの上部電極形成膜25Aを成膜する。第2の実施形態においては、上部電極形成膜25Aの下地層は、島状の下部電極23Bが形成された状態の第3の層間絶縁膜22である。   Next, as shown in FIG. 9C, the entire surface of the second interlayer insulating film 19 is covered with, for example, a ferroelectric so as to cover each lower electrode 23 by sputtering or MOCVD. A capacitor insulating film formation film 24A having a thickness of 50 nm to 100 nm is formed. Here, a ferroelectric material such as BST, PZT, or SBT is used for the capacitor insulating film forming film 24A. Subsequently, from a noble metal oxide such as platinum or iridium, nitride or oxynitride on the capacitor insulating film formation film 24A by sputtering or MOCVD under the same film formation conditions as the lower electrode formation film 23A. Thus, an upper electrode formation film 25A having a thickness of 20 nm is formed. In the second embodiment, the base layer of the upper electrode formation film 25A is the third interlayer insulating film 22 in a state where the island-shaped lower electrode 23B is formed.

次に、図9(d)に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、容量絶縁膜形成膜24A及び上部電極形成膜25Aに対して下部電極23Bを覆うようにパターニングすることにより、容量絶縁膜形成膜24Aから容量絶縁膜24を形成し、上部電極形成膜25Aから上部電極25を形成する。これにより、下部電極23B、容量絶縁膜24及び上部電極25からなる断面凸状の容量素子26が形成される。   Next, as shown in FIG. 9 (d), the capacitive insulating film forming film 24A and the upper electrode forming film 25A are patterned by the lithography method and the dry etching method so as to cover the lower electrode 23B. The capacitor insulating film 24 is formed from the film forming film 24A, and the upper electrode 25 is formed from the upper electrode forming film 25A. As a result, a capacitive element 26 having a convex cross section composed of the lower electrode 23B, the capacitive insulating film 24, and the upper electrode 25 is formed.

次に、図10(a)に示すように、CVD法により、第2の層間絶縁膜19の上に、容量素子26を覆うようにBPSG等からなる第3の層間絶縁膜22を成膜する。その後、CMP法により、成膜した第3の層間絶縁膜22の表面を平坦化する。平坦化後の第3の層間絶縁膜22における容量素子26の上側の膜厚は100nm〜300nmが望ましい。続いて、容量絶縁膜24を構成する強誘電体を結晶化する等の、容量絶縁膜24の膜質を向上するための高温且つ酸素雰囲気で熱処理を行なう。なお、この熱処理は、炉を用いるアニールでも良く、急速加熱処理(RTA)でも良い。加熱温度は500℃以上且つ800℃以下が好ましく、さらには、容量絶縁膜24に対する熱処理温度と下部電極23及び上部電極25を形成する際の温度との差は200℃以内とすることが好ましい。すなわち、容量絶縁膜24の膜質向上を図る加熱温度が700℃のときには、下部電極23B及び上部電極25を500℃で成膜することが好ましい。   Next, as shown in FIG. 10A, a third interlayer insulating film 22 made of BPSG or the like is formed on the second interlayer insulating film 19 so as to cover the capacitive element 26 by the CVD method. . Thereafter, the surface of the formed third interlayer insulating film 22 is planarized by CMP. The film thickness on the upper side of the capacitive element 26 in the third interlayer insulating film 22 after planarization is preferably 100 nm to 300 nm. Subsequently, heat treatment is performed at a high temperature and in an oxygen atmosphere for improving the film quality of the capacitor insulating film 24, such as crystallization of a ferroelectric forming the capacitor insulating film 24. This heat treatment may be annealing using a furnace or rapid heat treatment (RTA). The heating temperature is preferably 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. Furthermore, the difference between the heat treatment temperature for the capacitive insulating film 24 and the temperature when forming the lower electrode 23 and the upper electrode 25 is preferably within 200 ° C. That is, when the heating temperature for improving the film quality of the capacitive insulating film 24 is 700 ° C., the lower electrode 23B and the upper electrode 25 are preferably formed at 500 ° C.

なお、容量絶縁膜24の膜質向上を図る熱処理は、第3の層間絶縁膜22を形成する前に行なってもよいが、第1の実施形態で説明したように、容量絶縁膜24の膜質向上を図る熱処理は、第3の層間絶縁膜22の形成後に行なうことが好ましい。   The heat treatment for improving the film quality of the capacitor insulating film 24 may be performed before the third interlayer insulating film 22 is formed. However, as described in the first embodiment, the film quality of the capacitor insulating film 24 is improved. The heat treatment for achieving the above is preferably performed after the formation of the third interlayer insulating film 22.

また、第2の実施形態においても、例えば、上部電極形成膜25Aの成膜後に、温度が600℃程度で60秒間程度の熱処理を行なうと良い。さらには、熱処理時の収縮による応力は、上部電極形成膜25Aの面積が増大する程大きくなるため、パターニング後がより好ましい。   Also in the second embodiment, for example, after the upper electrode formation film 25A is formed, it is preferable to perform a heat treatment at a temperature of about 600 ° C. for about 60 seconds. Furthermore, since the stress due to shrinkage during the heat treatment increases as the area of the upper electrode formation film 25A increases, it is more preferable after patterning.

次に、図10(b)に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、第3の層間絶縁膜22及び第2の層間絶縁膜19にビット配線18を露出する第3のコンタクトホール27aを形成する。   Next, as shown in FIG. 10B, a third contact hole 27a that exposes the bit wiring 18 in the third interlayer insulating film 22 and the second interlayer insulating film 19 is formed by lithography and dry etching. Form.

次に、図10(c)に示すように、スパッタ法、CVD法又はめっき法により、第3の層間絶縁膜22の上に、第3のコンタクトホール27aが充填されるように第3のコンタクトプラグ形成膜(図示せず)を成膜する。ここで、第3のコンタクトプラグ形成膜の材料は、第1のコンタクトプラグ17と同等でよい。また、第3のコンタクトプラグ形成膜を成膜する前に、窒化チタンとチタン又は窒化タンタルとタンタルとの積層膜からなる密着層を形成してもよい。その後、成膜した第3のコンタクトプラグ形成膜に対して、第3の層間絶縁膜22が露出するまでエッチバック又はCMP処理を行なって、第3のコンタクトプラグ形成膜から、各ビット配線18と電気的に接続される第3のコンタクトプラグ28を形成する。これにより、第1のコンタクトプラグ17とビット配線18と第3のコンタクトプラグ28とにより、いわゆるスタックコンタクトが形成される。   Next, as shown in FIG. 10C, the third contact is made so that the third contact hole 27a is filled on the third interlayer insulating film 22 by sputtering, CVD, or plating. A plug forming film (not shown) is formed. Here, the material of the third contact plug formation film may be the same as that of the first contact plug 17. Further, an adhesion layer made of a laminated film of titanium nitride and titanium or tantalum nitride and tantalum may be formed before forming the third contact plug formation film. Thereafter, etch back or CMP treatment is performed on the formed third contact plug formation film until the third interlayer insulating film 22 is exposed, and each bit wiring 18 and the third contact plug formation film are formed from the third contact plug formation film. A third contact plug 28 to be electrically connected is formed. Thus, a so-called stack contact is formed by the first contact plug 17, the bit line 18 and the third contact plug 28.

以上説明したように、第2の実施形態によると、断面凸状の容量素子26を構成する屈曲部を持つ上部電極25に貴金属の酸化物を用いているため、容量絶縁膜24に対する結晶化の熱処理時に、上部電極25が体積収縮などにより断線したり、容量絶縁膜24にリークが発生したりする事態を防止することができる。   As described above, according to the second embodiment, since the noble metal oxide is used for the upper electrode 25 having the bent portion constituting the capacitive element 26 having a convex cross section, the crystallization of the capacitive insulating film 24 is performed. During the heat treatment, it is possible to prevent a situation in which the upper electrode 25 is disconnected due to volume shrinkage or the like, or leakage occurs in the capacitor insulating film 24.

(第2の実施形態の一変形例)
以下、本発明の第2の実施形態の一変形例について図面を参照しながら説明する。
(One Modification of Second Embodiment)
Hereinafter, a modification of the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図11は本発明の第2の実施形態の一変形例に係る半導体メモリ装置の断面構成を示している。図11において、図8に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 11 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor memory device according to a modification of the second embodiment of the present invention. In FIG. 11, the same components as those shown in FIG.

図11に示すように、本変形例においては、容量素子26を構成する酸化イリジウムからなる下部電極23Bがその側方領域を第3の層間絶縁膜22により埋め込まれており、容量絶縁膜24B及び上部電極25Bは、表面が平坦化された下部電極23B及び第3の層間絶縁膜22の上に形成されている。   As shown in FIG. 11, in this modification, a lower electrode 23B made of iridium oxide constituting the capacitive element 26 is embedded in the lateral region with a third interlayer insulating film 22, and the capacitive insulating film 24B and The upper electrode 25B is formed on the lower electrode 23B and the third interlayer insulating film 22 whose surfaces are planarized.

従って、本変形例においては、上部電極形成膜25Aの下地層は、第3の層間絶縁膜22及び容量絶縁膜24Bである。   Therefore, in the present modification, the base layer of the upper electrode formation film 25A is the third interlayer insulating film 22 and the capacitor insulating film 24B.

このような構成を採る本変形例においても、断面凸状の容量素子26を構成する屈曲部を持つ上部電極25Bに貴金属の酸化物を用いているため、容量絶縁膜24に対する結晶化の熱処理時に、下部電極23B又は上部電極25Bが断線したり、容量絶縁膜24にリークが発生したりする事態を防止することができる。   Also in this modified example having such a configuration, since the noble metal oxide is used for the upper electrode 25B having the bent portion constituting the capacitive element 26 having a convex cross section, the capacitor insulating film 24 is subjected to the heat treatment for crystallization. Thus, it is possible to prevent a situation in which the lower electrode 23B or the upper electrode 25B is disconnected or a leak occurs in the capacitor insulating film 24.

なお、第1の実施形態、第2の実施形態及びその変形例においては、断線を防止できる導電膜として容量素子26の電極を例に挙げたが、本発明は容量素子の電極に限られない。例えば、導電膜が断面凹状又は断面凸状すなわち屈曲部を有しており、この屈曲部を有する導電膜が形成された後に、該導電膜の成膜温度よりも高い温度の熱処理が実施されるような半導体プロセスに極めて有効である。   In the first embodiment, the second embodiment, and the modifications thereof, the electrode of the capacitive element 26 is taken as an example of the conductive film that can prevent disconnection, but the present invention is not limited to the electrode of the capacitive element. . For example, the conductive film has a concave section or a convex section, that is, a bent portion, and after the conductive film having the bent portion is formed, a heat treatment at a temperature higher than the film formation temperature of the conductive film is performed. It is extremely effective for such semiconductor processes.

また、トランジスタ15は、必ずしも半導体基板10に直接に形成する必要はなく、例えば基板上にエピタキシャル成長してなる半導体層の一部の領域に形成してもよい。   The transistor 15 is not necessarily formed directly on the semiconductor substrate 10, and may be formed, for example, in a partial region of a semiconductor layer that is epitaxially grown on the substrate.

また、強誘電体膜である容量絶縁膜24の水素雰囲気による還元を防止するための水素透過バリア膜を容量素子の上部若しくは下部又は容量素子を覆うように、さらには容量素子を完全に囲むように形成してもよい。   In addition, a hydrogen permeable barrier film for preventing reduction of the capacitive insulating film 24, which is a ferroelectric film, by a hydrogen atmosphere covers the upper or lower portion of the capacitive element or the capacitive element, and further completely surrounds the capacitive element. You may form in.

(本願発明者らによる知見)
以下、本願発明者らによる、屈曲部を有する導電膜がその成膜温度よりも高い温度の熱処理を受けた際に生じる断線の原因を種々の実験による検討を重ねた結果、以下のような知見を得ている。
(Knowledge by the present inventors)
Hereinafter, as a result of repeated examinations by various experiments on the cause of the disconnection that occurs when the conductive film having a bent portion is subjected to heat treatment at a temperature higher than the film forming temperature, the inventors have found the following knowledge. Have gained.

まず、耐酸化性を有することから一般に用いられる白金(Pt)等の貴金属によって断面凹状又は断面凸状、すなわち屈曲部を有する導電膜を形成すると断線が生じ易くなる原因として、本願発明者らは、白金がマイグレーションに対する耐性が低いということを突き止めており、これにより、白金の成膜温度よりも高い温度の熱処理によって容易に断線を生じることを確認している。   First, the inventors of the present application are considered to cause disconnection when forming a conductive film having a concave section or a convex section, that is, a bent section, by a precious metal such as platinum (Pt) that is generally used because of its oxidation resistance. It has been determined that platinum has low resistance to migration, and it has been confirmed that disconnection is easily caused by heat treatment at a temperature higher than the film formation temperature of platinum.

従って、第1の知見は、導電膜の材料に貴金属の酸化物又は窒化物を用いると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線を生じないというものである。貴金属の酸化物又は窒化物はその貴金属と比べてマイグレーションに対する耐性が高く且つ体積収縮率が小さいため、誘電体膜等の他の部材の熱処理時に導電膜が断線することを防止することができる。これは、貴金属は一般に化学的に安定なことから、例えば強誘電体の熱処理時に該強誘電体を構成する原子の拡散を防止できるからである。このため、強誘電体が持つ分極量の減少を抑えることができるので、該強誘電体の信頼性を維持できるようになり、安定した電極を形成することができる。   Therefore, the first finding is that when a noble metal oxide or nitride is used as the material of the conductive film, disconnection due to heat treatment does not occur in the conductive film having a bent portion. Since noble metal oxides or nitrides have higher migration resistance and smaller volume shrinkage than the noble metal, the conductive film can be prevented from being disconnected during heat treatment of other members such as a dielectric film. This is because noble metals are generally chemically stable, so that, for example, diffusion of atoms constituting the ferroelectric can be prevented during heat treatment of the ferroelectric. For this reason, since the decrease in the polarization amount of the ferroelectric can be suppressed, the reliability of the ferroelectric can be maintained, and a stable electrode can be formed.

第2の知見は、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなる導電膜の膜厚を、その最も小さい部分と最も大きい部分との比の値が0.8以上となるようにすると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。ここでも、導電膜の組成は限定されない。導電膜に膜厚の厚い部分と薄い部分とが混在すると、膜厚の薄い部分の原子(分子)は、膜厚の厚い部分に移動(マイグレーション)が生じ易いため、膜厚の薄い部分が破断してしまうことになる。特に下地層の凹凸形状に沿って導電膜を形成すると、形成された導電膜は段差部分で薄くなり易く、隅部又は角部では導電膜の膜厚の変化が大きいため、隅部又は角部において断線が起こり易くなる。一例として、導電膜の最も小さい部分と最も大きい部分との比の値を0.8以上とすると好ましい材料には、窒化チタン(TiN)、酸化イリジウム(IrOx )、窒化チタンアルミニウム(TiAlN)、酸窒化チタンアルミニウム(TiAlON)がある。図12は導電膜に窒化チタンを用いた場合の最も小さい部分と最も大きい部分との比の値と断線の発生確率との関係を示している。図12に示すように、導電膜の最も小さい部分と最も大きい部分との比の値が0.8以上となるようにすると、該導電膜に断線が生じないことが分かる。 The second finding is that the film thickness of the conductive film made of noble metal oxide, nitride or oxynitride is such that the value of the ratio between the smallest part and the largest part is 0.8 or more. This is because disconnection due to heat treatment does not occur in the conductive film having a bent portion. Again, the composition of the conductive film is not limited. When a thick part and a thin part are mixed in the conductive film, atoms (molecules) in the thin part tend to move (migrate) to the thick part, so the thin part breaks. Will end up. In particular, when the conductive film is formed along the uneven shape of the base layer, the formed conductive film tends to be thin at the stepped portion, and the change in the film thickness of the conductive film is large at the corner or corner. In this case, disconnection is likely to occur. As an example, preferable materials having a ratio of the smallest part to the largest part of the conductive film of 0.8 or more include titanium nitride (TiN), iridium oxide (IrO x ), titanium aluminum nitride (TiAlN), There is titanium aluminum oxynitride (TiAlON). FIG. 12 shows the relationship between the value of the ratio between the smallest part and the largest part when titanium nitride is used for the conductive film and the probability of occurrence of disconnection. As shown in FIG. 12, when the ratio value between the smallest part and the largest part of the conductive film is set to 0.8 or more, it is understood that no disconnection occurs in the conductive film.

第3の知見は、誘電体膜の成膜時又は成膜された後の熱処理による導電膜の体積収縮率を30%以下に設定すると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。なお、導電膜は導電性を有していれば良く、金属、該金属の酸化物や窒化物やその混合物に限定されない。一例として、誘電体膜の熱処理時における導電膜の体積収縮率が30%以下となる材料には、イリジウム(Ir)の酸化物がある。図13は導電膜に白金(Pt)を用いた場合の熱処理による体積収縮率と断線の発生確率との関係を示している。図13に示すように、導電膜の体積収縮率が30%を超えると該導電膜に断線を生じることが分かる。   The third finding is that when the volume contraction rate of the conductive film by the heat treatment during the formation of the dielectric film or after the film formation is set to 30% or less, the conductive film having the bent portion is not disconnected by the heat treatment. Is. Note that the conductive film only needs to have conductivity, and is not limited to a metal, an oxide or a nitride of the metal, or a mixture thereof. As an example, an iridium (Ir) oxide is a material in which the volume shrinkage of the conductive film during heat treatment of the dielectric film is 30% or less. FIG. 13 shows the relationship between the volume shrinkage due to heat treatment and the probability of occurrence of disconnection when platinum (Pt) is used for the conductive film. As shown in FIG. 13, when the volume shrinkage ratio of the conductive film exceeds 30%, it is found that the conductive film is disconnected.

第4の知見は、誘電体膜が成膜される際又は成膜された後の熱処理による導電膜の格子定数の減少率は25%以下に設定すると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。ここでも、導電膜の組成は限定されない。一例として、誘電体膜の熱処理時における導電膜の格子定数の減少率が25%以下となる材料には、イリジウム(Ir)の酸化物がある。図14は導電膜に白金(Pt)を用いた場合の熱処理による格子定数の減少率と断線の発生確率との関係を示している。図14に示すように、白金の格子定数の減少率が25%を超えると該導電膜に断線を生じることが分かる。   A fourth finding is that when the reduction rate of the lattice constant of the conductive film by the heat treatment after the dielectric film is formed is set to 25% or less, the conductive film having a bent portion is disconnected by the heat treatment. Does not occur. Again, the composition of the conductive film is not limited. As an example, an iridium (Ir) oxide is a material in which the reduction rate of the lattice constant of the conductive film during the heat treatment of the dielectric film is 25% or less. FIG. 14 shows the relationship between the lattice constant reduction rate due to heat treatment and the probability of disconnection when platinum (Pt) is used for the conductive film. As shown in FIG. 14, when the rate of decrease of the lattice constant of platinum exceeds 25%, it can be seen that the conductive film is disconnected.

第5の知見は、導電膜に高融点金属を添加すると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が防止されるというものである。これは、高融点金属を含む導電膜は、高融点金属を含まない導電膜と比べて体積収縮率が小さいためであり、このため、誘電体膜に対する熱処理時に導電膜に生じる断線を防止することができる。ここでも、導電膜の組成は限定されない。また、高融点金属は、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)又はクロム(Cr)が好ましい。なお、高融点金属に用いられる金属は、導電膜に用いる貴金属とは異なる金属である。図15は導電膜に高融点金属を添加した場合の添加量と断線発生率との関係を示している。図15に示すように、酸化イリジウムからなる導電膜にニオブを添加する場合には、例えばニオブの添加量が35質量%以上では導電膜が固溶しにくいため、導電膜に添加するニオブの添加量は0.5質量%〜30質量%が好ましい。さらには、5質量%〜30質量%が好ましい。   The fifth finding is that when a refractory metal is added to the conductive film, disconnection due to heat treatment is prevented in the conductive film having a bent portion. This is because a conductive film containing a refractory metal has a smaller volume shrinkage ratio than a conductive film that does not contain a refractory metal, and therefore prevents disconnection that occurs in the conductive film during heat treatment of the dielectric film. Can do. Again, the composition of the conductive film is not limited. The refractory metal is preferably tungsten (W), tantalum (Ta), niobium (Nb), molybdenum (Mo), vanadium (V), or chromium (Cr). Note that the metal used for the refractory metal is a metal different from the noble metal used for the conductive film. FIG. 15 shows the relationship between the addition amount and the disconnection rate when a refractory metal is added to the conductive film. As shown in FIG. 15, when adding niobium to a conductive film made of iridium oxide, for example, if the amount of niobium added is 35% by mass or more, the conductive film is difficult to dissolve, so addition of niobium added to the conductive film The amount is preferably 0.5% by mass to 30% by mass. Furthermore, 5 mass%-30 mass% are preferable.

第6の知見は、誘電体膜が成膜される際又は成膜された後の熱処理による導電膜の膜厚(ナノメートル単位)と該導電膜の収縮率(百分率)との比の値を1.5以上とすると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。図16は導電膜に白金(Pt)を用いた場合の膜厚の絶対値と収縮率の絶対値との比の値と断線の発生確率との関係を示している。図16に示すように、導電膜の膜厚(ナノメートル単位)と該導電膜の収縮率(百分率)との比の値が1.5以上であると、導電膜に生じる断線を防止できることが分かる。なお、導電膜の膜厚の最大値は、下地層の凹部に容量素子を形成できる程度の膜厚である。例えば、導電膜により凹部が埋まる程の膜厚では、容量素子を形成できなくなる。   The sixth finding is that the value of the ratio between the film thickness (in nanometers) of the conductive film and the shrinkage rate (percentage) of the conductive film by the heat treatment when the dielectric film is formed or after the film formation is determined. If it is 1.5 or more, disconnection due to heat treatment does not occur in the conductive film having a bent portion. FIG. 16 shows the relationship between the ratio of the absolute value of the film thickness and the absolute value of the shrinkage rate and the probability of occurrence of disconnection when platinum (Pt) is used for the conductive film. As shown in FIG. 16, when the value of the ratio of the film thickness (in nanometers) of the conductive film to the shrinkage rate (percentage) of the conductive film is 1.5 or more, disconnection that occurs in the conductive film can be prevented. I understand. Note that the maximum value of the thickness of the conductive film is such that the capacitor can be formed in the concave portion of the base layer. For example, if the film thickness is such that the recess is filled with the conductive film, the capacitive element cannot be formed.

第7の知見は、多結晶からなる導電膜を構成するグレインの大きさが該導電膜の膜厚の3分の1以下に設定すると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。本願発明者らによる実験によると、屈曲部すなわち断面凹状又は断面凸状を有する導電膜に生じる断線は、グレインの粒界が膜厚方向に並んだ部位が、引っ張り応力に対して弱いために発生することを確認している。従って、グレインの大きさを導電膜の膜厚の3分の1以下とすると、膜厚方向のグレインの数が相対的に多くなるため、導電膜にかかる応力が緩和され易くなるので、屈曲部を有する導電膜に断線が生じにくくなる。   The seventh finding is that when the size of the grains constituting the polycrystalline conductive film is set to one third or less of the film thickness of the conductive film, the conductive film having a bent portion is not disconnected by heat treatment. Is. According to the experiments by the inventors of the present application, the disconnection generated in the conductive film having the bent portion, that is, the concave section or the convex section is caused by the fact that the grain grain boundaries are arranged in the film thickness direction and are weak against tensile stress. Make sure you do. Therefore, if the size of the grain is set to one third or less of the film thickness of the conductive film, the number of grains in the film thickness direction becomes relatively large, and the stress applied to the conductive film is easily relaxed. Disconnection is less likely to occur in the conductive film having

第8の知見は、容量素子の下地層となる絶縁膜に設ける凹部のアスペクト比(深さ/開口径)の値が2以下とすると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。図17は凹部のアスペクト比の値と断線の発生確率との関係を示している。図17に示すように、アスペクト比の値を2以下に設定すると、断線を防止できることが分かる。アスペクト比の値が2よりも大きい場合には、導電膜における下地層の凹部へのカバレッジが極端に悪くなるため、断線が発生し易くなる。   The eighth finding is that if the aspect ratio (depth / opening diameter) of the concave portion provided in the insulating film serving as the base layer of the capacitive element is 2 or less, the conductive film having the bent portion is not disconnected by heat treatment. Is. FIG. 17 shows the relationship between the aspect ratio value of the recess and the probability of occurrence of disconnection. As shown in FIG. 17, it is understood that disconnection can be prevented by setting the aspect ratio value to 2 or less. When the value of the aspect ratio is larger than 2, the coverage of the conductive film to the concave portion of the underlying layer is extremely deteriorated, so that disconnection is likely to occur.

第9の知見は、下地層における凹部の壁面又は凸部の側面を該下地層の主面に対して0°以上且つ80°以下の角度(テーパ角)をなすように形成すると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。図18はテーパ角と断線の発生確率との関係を示している。図18に示すように、テーパ角を80°以下に設定すると、導電膜における下地層の凹部又は凸部へのカバレッジが向上するため、導電膜に生じる断線を防止することができる。   The ninth finding is that when the wall surface of the concave portion or the side surface of the convex portion in the underlayer is formed so as to form an angle (taper angle) of 0 ° or more and 80 ° or less with respect to the main surface of the underlayer. The disconnection due to heat treatment does not occur in the conductive film. FIG. 18 shows the relationship between the taper angle and the probability of occurrence of disconnection. As shown in FIG. 18, when the taper angle is set to 80 ° or less, coverage to a concave portion or a convex portion of the base layer in the conductive film is improved, so that disconnection generated in the conductive film can be prevented.

第10の知見は、誘電体膜の上に300℃以上且つ600℃以下の温度で導電膜を形成すると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。第1及び第2の実施形態で行なったように、導電膜をその成膜温度としては比較的に高温の300℃以上の温度で形成すると、誘電体膜の膜質向上を図るための導電膜の成膜温度よりも高い温度で行なう熱処理において、導電膜は既に比較的に高い熱履歴を受けていることから、誘電体膜に対する熱処理による導電膜の熱収縮量が減少するので、該導電膜の断線を防止することができる。これに対し、600℃以上で導電膜を成膜すると、成膜過程が供給律速から反応律速となるため、下地層の凹部又は凸部へのカバレッジが低下したり、コンタクトプラグやビット配線等の他の部材を酸化することにもなる。   A tenth finding is that when a conductive film is formed on a dielectric film at a temperature of 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, disconnection due to heat treatment does not occur in the conductive film having a bent portion. As in the first and second embodiments, when the conductive film is formed at a relatively high temperature of 300 ° C. or higher, the conductive film for improving the film quality of the dielectric film is formed. In the heat treatment performed at a temperature higher than the film formation temperature, since the conductive film has already received a relatively high thermal history, the amount of thermal contraction of the conductive film due to the heat treatment on the dielectric film is reduced. Disconnection can be prevented. On the other hand, when the conductive film is formed at 600 ° C. or higher, the film formation process is changed from supply rate control to reaction rate control, so that the coverage to the concave or convex portions of the underlayer is reduced, contact plugs, bit wirings, etc. It will also oxidize other members.

第11の知見は、誘電体膜に対する熱処理時の温度と導電膜を形成する際の温度との差を200℃以内に設定すると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。この知見も第1及び第2の実施形態で行なったように、誘電体膜の膜質向上を図るための導電膜の成膜温度よりも高い温度で行なう熱処理において、導電膜は誘電体膜に行なう熱処理温度に対して既に200℃以内の熱履歴を受けているため、誘電体膜に対する熱処理による導電膜の熱収縮量が減少し、その結果、導電膜に生じる断線を防止することができる。なお、誘電体膜に対する熱処理温度は、必ずしも導電膜の形成温度よりも高いとは限られず、誘電体膜及び導電膜の材料によっては、誘電体膜に対する熱処理温度が導電膜の形成温度よりも低い場合もあり得る。   The eleventh finding is that if the difference between the temperature at the time of heat treatment for the dielectric film and the temperature at the time of forming the conductive film is set within 200 ° C., the conductive film having a bent portion is not disconnected by the heat treatment. is there. This knowledge is also applied to the dielectric film in the heat treatment performed at a temperature higher than the film formation temperature for improving the film quality of the dielectric film as in the first and second embodiments. Since the thermal history within 200 ° C. has already been received with respect to the heat treatment temperature, the amount of thermal contraction of the conductive film due to the heat treatment on the dielectric film is reduced, and as a result, disconnection occurring in the conductive film can be prevented. Note that the heat treatment temperature for the dielectric film is not necessarily higher than the formation temperature of the conductive film, and depending on the material of the dielectric film and the conductive film, the heat treatment temperature for the dielectric film is lower than the formation temperature of the conductive film. There may be cases.

第12の知見は、導電膜を形成した後で且つ誘電体膜に対する熱処理よりも前に、導電膜に対して該導電膜の形成温度よりも高く且つ誘電体が結晶化する温度よりも低い温度で熱処理を行なうと、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。この知見も第1及び第2の実施形態で行なったように、導電膜の形成温度よりも高く且つ誘電体が結晶化する温度よりも低い温度の熱処理による熱履歴を導電膜に与えることにより、誘電体の熱処理時時に導電膜が急速に収縮することを抑制できるため、導電膜に生じる断線を防止することができる。   The twelfth finding is that, after the conductive film is formed and before the heat treatment of the dielectric film, the temperature is higher than the temperature at which the conductive film is formed and lower than the temperature at which the dielectric crystallizes. When the heat treatment is performed, the disconnection due to the heat treatment does not occur in the conductive film having the bent portion. As this knowledge was also obtained in the first and second embodiments, by giving the conductive film a thermal history by heat treatment at a temperature higher than the formation temperature of the conductive film and lower than the temperature at which the dielectric crystallizes, Since the conductive film can be prevented from rapidly shrinking during the heat treatment of the dielectric, disconnection generated in the conductive film can be prevented.

第13の知見は、導電膜の上に保護絶縁膜を形成した状態で、誘電体膜に対して熱処理を行なうと、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。この知見も第1及び第2の実施形態で行なったように、導電膜(上部電極)を保護絶縁膜(層間絶縁膜)で覆った状態で誘電体膜に熱処理を行なうと、導電膜の表面モフォロジーを改善できると共に、該導電膜の収縮を抑えることができるため、導電膜に生じる断線を防止することができる。   A thirteenth finding is that when a dielectric film is subjected to heat treatment in a state where a protective insulating film is formed on the conductive film, disconnection due to the heat treatment does not occur in the conductive film having a bent portion. As in the first and second embodiments, when this heat treatment is performed on the dielectric film with the conductive film (upper electrode) covered with the protective insulating film (interlayer insulating film), the surface of the conductive film is also obtained. Since the morphology can be improved and shrinkage of the conductive film can be suppressed, disconnection generated in the conductive film can be prevented.

第14の知見は、上面に凹部又は凸部を有する下地層と導電膜との間に該導電膜の下地層に対する密着性を高める密着層を設けると、屈曲部を有する導電膜に熱処理による断線が生じないというものである。このようにすると、誘電体に対する膜質向上の熱処理時に導電膜(下部電極)にマイグレーションが起きにくくなるため、導電膜に生じる断線を防止することができる。   According to a fourteenth finding, when an adhesive layer that improves the adhesion of the conductive film to the base layer is provided between the base layer having a recess or a protrusion on the upper surface and the conductive film, the conductive film having a bent portion is disconnected by heat treatment. Does not occur. This makes it difficult for migration to occur in the conductive film (lower electrode) during the heat treatment for improving the film quality of the dielectric, so that disconnection occurring in the conductive film can be prevented.

第15の知見は、上部電極との間の密着性を高める密着層を上部電極の上に水素原子を含まないガスを用いて形成すると、屈曲部を有する上部電極に熱処理による断線が生じないというものである。なぜなら、水素原子を含むガスを用いて密着層を形成すると、水素原子により誘電体膜が劣化する。従って、誘電体膜が強誘電体からなる場合には、該誘電体膜の分極量が減少するため、水素原子を含まない状態で成膜することが望ましい。   According to the fifteenth finding, when an adhesion layer that enhances adhesion with the upper electrode is formed on the upper electrode using a gas that does not contain hydrogen atoms, disconnection due to heat treatment does not occur in the upper electrode having a bent portion. Is. This is because when the adhesion layer is formed using a gas containing hydrogen atoms, the dielectric film is deteriorated by the hydrogen atoms. Therefore, when the dielectric film is made of a ferroelectric material, the amount of polarization of the dielectric film is reduced, so that it is desirable to form the film without containing hydrogen atoms.

なお、以上説明した各知見における導電膜の具体例としては、第1の実施形態及び第2の実施形態及びその変形例に係る上部電極及び下部電極が挙げられる。   In addition, as a specific example of the electrically conductive film in each knowledge demonstrated above, the upper electrode and lower electrode which concern on 1st Embodiment, 2nd Embodiment, and its modification are mentioned.

(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態について図面を参照しながら説明する。第3の実施形態においては、前述した本発明の第14の知見に基づく構成を説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the third embodiment, a configuration based on the above-described fourteenth knowledge of the present invention will be described.

図19は本発明の第3の実施形態に係る半導体メモリ装置の断面構成を示している。図19において、図1に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 19 shows a cross-sectional structure of a semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention. 19, the description of the same components as shown in FIG. 1 is omitted by retaining the same reference numerals.

図19に示すように、第3の層間絶縁膜22と下部電極23との間に、膜厚が10nm程度の密着層30がそれぞれ形成されている。   As shown in FIG. 19, an adhesion layer 30 having a thickness of about 10 nm is formed between the third interlayer insulating film 22 and the lower electrode 23.

密着層30は、容量絶縁膜24に対する膜質向上の熱処理によって酸化されると、熱膨張を起こしたりコンタクト抵抗が増大したりするため、酸化されにくい材料が好ましい。特に、金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物を用いれば、密着性が上がると共に密着層30の酸化を確実に防止することができる。   The adhesion layer 30 is preferably made of a material that is difficult to oxidize because when it is oxidized by heat treatment for improving the film quality of the capacitive insulating film 24, it causes thermal expansion or increases contact resistance. In particular, when a metal oxide, nitride, or oxynitride is used, adhesion can be improved and oxidation of the adhesion layer 30 can be reliably prevented.

ここで、密着層30を構成する具体例として、タンタル(Ta)、窒化チタンアルミニウム(TiAlN)、チタンアルミニウム(TiAl)、酸窒化チタンアルミニウム(TiAlON)、酸化イリジウム(IrO2 )、酸化ルテニウム(RuO2 )、窒化タングステン(WN)、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)、窒化珪化アルミニウム(AlSiN)、又は窒化珪化タンタル(TaSiN)が好ましい。 Here, as specific examples of the adhesion layer 30, tantalum (Ta), titanium aluminum nitride (TiAlN), titanium aluminum (TiAl), titanium aluminum oxynitride (TiAlON), iridium oxide (IrO 2 ), ruthenium oxide (RuO) 2 ), tungsten nitride (WN), tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), aluminum nitride silicide (AlSiN), or tantalum nitride silicide (TaSiN) is preferred.

なお、第3の実施形態に係る容量素子26を構成する下部電極23及び上部電極25には、第1の実施形態のような酸化イリジウム(IrO2 )等の貴金属の酸化物を必ずしも用いる必要はなく、従来の白金やイリジウムのような貴金属の単体を主成分とする構成であってもよい。 Note that the lower electrode 23 and the upper electrode 25 constituting the capacitive element 26 according to the third embodiment need not necessarily use a noble metal oxide such as iridium oxide (IrO 2 ) as in the first embodiment. Alternatively, a conventional main component of a noble metal such as platinum or iridium may be used.

本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、導電膜の形成後に誘電体膜になされる熱処理時に該導電膜が断線することを防止するという効果を有し、特に断面が凹形状又は凸形状である導電膜と接するように設けられた強誘電体からなる容量膜を有する半導体装置及びその製造方法等に有用である。   The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention have an effect of preventing the conductive film from being disconnected during the heat treatment performed on the dielectric film after the formation of the conductive film. This is useful for a semiconductor device having a capacitive film made of a ferroelectric material so as to be in contact with a certain conductive film, a manufacturing method thereof, and the like.

本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。1 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. (a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(d) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(d) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(d) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(d) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)〜(c)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(c) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法における導電膜の膜厚比と断線の発生確率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the film thickness ratio of the electrically conductive film in the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention, and the generation | occurrence | production probability of a disconnection. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。3 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. (a)〜(d)は本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(d) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. (a)〜(c)は本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(c) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の一変形例に係る半導体装置の断面構成を示している。8 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to a modification of the second embodiment of the present invention. 本発明の、導電膜における最も小さい部分と最も大きい部分との比の値と断線の発生確率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the value of the ratio of the smallest part in a conductive film of this invention, and the largest part, and the generation probability of a disconnection. 本発明の、導電膜に白金を用いた場合の体積収縮率と断線の発生確率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the volume shrinkage rate at the time of using platinum for the electrically conductive film of this invention, and the generation probability of a disconnection. 本発明の、導電膜に白金を用いた場合の格子定数の減少率と断線の発生確率との関係を示すグラフである。ある。It is a graph which shows the relationship between the decreasing rate of the lattice constant at the time of using platinum for the electrically conductive film of this invention, and the generation | occurrence | production probability of a disconnection. is there. 本発明の、高融点金属の添加量と断線の発生確率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the addition amount of a refractory metal of this invention, and the occurrence probability of a disconnection. 本発明の、導電膜の膜厚(ナノメートル単位)と収縮率(百分率)との比の値と断線の発生確率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the value of the ratio of the film thickness (nanometer unit) of an electrically conductive film of this invention, and shrinkage | contraction rate (percentage), and the occurrence probability of a disconnection. 本発明の、アスペクト比の値と断線の発生確率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the value of an aspect-ratio of this invention, and the occurrence probability of a disconnection. 本発明の下地層における凹部の壁面又は凸部の側面のテーパ角と断線の発生確率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the taper angle of the wall surface of a recessed part in the base layer of this invention, or the side surface of a convex part, and the occurrence probability of a disconnection. 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。4 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 半導体基板
11 シャロウトレンチ分離領域
12 ゲート絶縁膜
13 ゲート電極
14 不純物拡散層
15 トランジスタ
16 第1の層間絶縁膜
16a 第1のコンタクトホール
17 第1のコンタクトプラグ
17A 第1のコンタクトプラグ形成膜
18 ビット配線
19 第2の層間絶縁膜
19a 第2のコンタクトホール
20 第2のコンタクトプラグ
21 酸素バリア膜
21A 酸素バリア形成膜
22 第3の層間絶縁膜
22a 開口部
23 下部電極
23A 下部電極形成膜
23B 下部電極
24 容量絶縁膜
24A 容量絶縁膜形成膜
24B 容量絶縁膜
25 上部電極
25A 上部電極形成膜
25B 上部電極
26 容量素子
27 第4の層間絶縁膜
27a 第3のコンタクトホール
28 第3のコンタクトプラグ
30 密着層
10 semiconductor substrate 11 shallow trench isolation region 12 gate insulating film 13 gate electrode 14 impurity diffusion layer 15 transistor 16 first interlayer insulating film 16a first contact hole 17 first contact plug 17A first contact plug forming film 18 bit Wiring 19 Second interlayer insulating film 19a Second contact hole 20 Second contact plug 21 Oxygen barrier film 21A Oxygen barrier forming film 22 Third interlayer insulating film 22a Opening 23 Lower electrode 23A Lower electrode forming film 23B Lower electrode 24 capacitive insulating film 24A capacitive insulating film forming film 24B capacitive insulating film 25 upper electrode 25A upper electrode forming film 25B upper electrode 26 capacitive element 27 fourth interlayer insulating film 27a third contact hole 28 third contact plug 30 adhesion layer

Claims (20)

基板上の絶縁膜に設けられた開口部の底面及び壁面上に形成された第1の導電膜と、前記第1の導電膜の上に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜の上に形成された第2の導電膜とからなる容量素子を備え、
前記容量素子における前記誘電体膜は結晶化されており、
前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜は、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物の多結晶からなることを特徴とする半導体装置。
A first conductive film formed on a bottom surface and a wall surface of an opening provided in an insulating film on the substrate; a dielectric film formed on the first conductive film; and A capacitor element made of a second conductive film formed on
The dielectric film in the capacitive element is crystallized,
The semiconductor device, wherein the first conductive film and the second conductive film are made of a noble metal oxide, nitride, or oxynitride polycrystal.
前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜の少なくとも一方は、前記多結晶を構成するグレインサイズが該導電膜の膜厚の3分の1以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The grain size constituting at least one of the first conductive film and the second conductive film is less than one third of the film thickness of the conductive film. The semiconductor device described. 前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜の少なくとも一方は、高融点金属を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of the first conductive film and the second conductive film contains a refractory metal. 基板上の絶縁膜の上に、島状に形成されるか、又は断面凹凸形状を有する絶縁膜の該凹凸形状に沿って形成された第1の導電膜と、
前記第1の導電膜の上に形成された誘電体膜と、
前記誘電体膜の上に形成された第2の導電膜とを備え、
前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜は、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなり、前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜の少なくとも一方は、高融点金属を含むことを特徴とする半導体装置。
A first conductive film formed on the insulating film on the substrate in an island shape or along the concave-convex shape of the insulating film having a cross-sectional concave-convex shape;
A dielectric film formed on the first conductive film;
A second conductive film formed on the dielectric film,
The first conductive film and the second conductive film are made of a noble metal oxide, nitride, or oxynitride, and at least one of the first conductive film and the second conductive film is a refractory metal. A semiconductor device comprising:
前記絶縁膜と前記第1の導電膜との間に、前記第1の導電膜の前記絶縁膜に対する密着性を高める密着層をさらに備えていることを特徴とする請求項1又は4に記載の半導体装置。   5. The adhesive layer according to claim 1, further comprising an adhesion layer that enhances adhesion of the first conductive film to the insulating film between the insulating film and the first conductive film. Semiconductor device. 前記密着層は、前記誘電体膜に対して行なわれる膜質の向上処理によって酸化されにくい導電性材料からなることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 5, wherein the adhesion layer is made of a conductive material that is not easily oxidized by a film quality improvement process performed on the dielectric film. 前記高融点金属の前記第1の導電膜又は前記第2の導電膜に含まれる割合は、0.5質量%以上且つ30質量%以下であることを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体装置。   The ratio of the refractory metal contained in the first conductive film or the second conductive film is 0.5% by mass or more and 30% by mass or less. Semiconductor device. 前記貴金属は、イリジウムを主成分とすることを特徴とする請求項1又は4に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the noble metal contains iridium as a main component. 前記誘電体膜は、ぺロブスカイト系酸化物からなる強誘電体膜であることを特徴とする請求項1又は4に記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the dielectric film is a ferroelectric film made of a perovskite oxide. 基板上の絶縁膜に開口部を形成した後、形成された前記開口部の底面及び壁面上に、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなる第1の導電膜を形成する工程(a)と、
前記第1の導電膜の上に誘電体膜を形成する工程(b)と、
前記誘電体膜の上に、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなる第2の導電膜を形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後に、形成された前記誘電体膜を結晶化する工程(d)とを備え、
前記工程(a)及び前記工程(c)において、前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜をそれぞれ多結晶構造とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an opening in the insulating film on the substrate and then forming a first conductive film made of a noble metal oxide, nitride, or oxynitride on the bottom surface and wall surface of the formed opening (a )When,
Forming a dielectric film on the first conductive film (b);
Forming a second conductive film made of a noble metal oxide, nitride or oxynitride on the dielectric film (c);
A step (d) of crystallizing the formed dielectric film after the step (c);
In the step (a) and the step (c), each of the first conductive film and the second conductive film has a polycrystalline structure.
基板上の絶縁膜の上に第1の導電膜を島状に形成するか、又は前記絶縁膜の上部を断面凹凸形状に形成した後、形成された凹凸形状に沿って第1の導電膜を形成する工程(a)と、
前記第1の導電膜の上に誘電体膜を形成する工程(b)と、
前記誘電体膜の上に第2の導電膜を形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後に、形成された前記誘電体膜を結晶化する工程(d)とを備え、
前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜は、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなり、前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜の少なくとも一方は、高融点金属を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The first conductive film is formed in an island shape on the insulating film on the substrate, or the upper part of the insulating film is formed in a concavo-convex shape, and then the first conductive film is formed along the formed concavo-convex shape. Forming (a);
Forming a dielectric film on the first conductive film (b);
A step (c) of forming a second conductive film on the dielectric film;
A step (d) of crystallizing the formed dielectric film after the step (c);
The first conductive film and the second conductive film are made of a noble metal oxide, nitride, or oxynitride, and at least one of the first conductive film and the second conductive film is a refractory metal. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記工程(a)及び前記工程(c)において、前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜は、300℃以上且つ600℃以下の温度で形成することを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法。   The said 1st electrically conductive film and said 2nd electrically conductive film are formed in the said process (a) and the said process (c) at the temperature of 300 degreeC or more and 600 degrees C or less, It is characterized by the above-mentioned. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 1-3. 前記工程(d)において、前記誘電体膜には500℃以上且つ800℃以下の温度で熱処理を行なうことを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法。   12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein in the step (d), the dielectric film is subjected to heat treatment at a temperature of 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. 前記誘電体膜を結晶化する際の加熱温度と、前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜を形成する際の形成温度との差は200℃以内であることを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法。   The difference between the heating temperature for crystallizing the dielectric film and the forming temperature for forming the first conductive film and the second conductive film is within 200 ° C. A method for manufacturing a semiconductor device according to 10 or 11. 前記工程(d)よりも前に、
前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜の形成温度よりも高く且つ前記誘電体膜が結晶化する温度よりも低い温度で、前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜に対して熱処理を行なう工程(e)をさらに備えていることを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法。
Prior to step (d),
With respect to the first conductive film and the second conductive film, the temperature is higher than the formation temperature of the first conductive film and the second conductive film and lower than the temperature at which the dielectric film is crystallized. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, further comprising a step (e) of performing a heat treatment.
前記工程(c)よりも後で且つ前記工程(d)よりも前に、
保護絶縁膜を前記第2の導電膜を覆うように形成する工程(f)をさらに備えていることを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法。
After step (c) and before step (d),
12. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, further comprising a step (f) of forming a protective insulating film so as to cover the second conductive film.
前記工程(a)は、前記第1の導電膜を形成するよりも前に、前記絶縁膜の上に該絶縁膜と前記第1の導電膜との密着性を高める密着層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法。   The step (a) includes a step of forming an adhesion layer for improving adhesion between the insulating film and the first conductive film on the insulating film before forming the first conductive film. 12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, further comprising: 前記第1の導電膜及び前記第2の導電膜の少なくとも一方は、高融点金属を含むことを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein at least one of the first conductive film and the second conductive film contains a refractory metal. 前記貴金属は、イリジウムを主成分とすることを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the noble metal contains iridium as a main component. 前記誘電体膜は、ぺロブスカイト系酸化物からなる強誘電体膜であることを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法。
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the dielectric film is a ferroelectric film made of a perovskite oxide.
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