JP2005347491A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、キャパシタにおいて酸素拡散バリア層を有する半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having an oxygen diffusion barrier layer in a capacitor.
半導体記憶装置の中で、DRAMやFeRAMの集積度が増加するに従って、メモリセルの面積は小さくなっている。一方、セルの縮小化に合わせて、キャパシタの面積を縮小させることができず、安定した動作を維持するためには、最小限度の容量が必要になる。 As the degree of integration of DRAM and FeRAM increases in the semiconductor memory device, the area of the memory cell is reduced. On the other hand, the area of the capacitor cannot be reduced as the cell size is reduced, and a minimum capacity is required to maintain a stable operation.
そこで、制限されたメモリセル面積内にメモリキャパシタの容量を確保するための方法として、キャパシタの有効面積を増加させるためにキャパシタの下部電極の構造を3次元の構造に立体化する方法がある。 Therefore, as a method for securing the capacity of the memory capacitor within the limited memory cell area, there is a method in which the structure of the lower electrode of the capacitor is three-dimensionalized in order to increase the effective area of the capacitor.
このような3次元の立体キャパシタの一つとして、コンケーブ型のキャパシタがある。例えば、特許文献1は、キャパシタとコンタクトプラグとの間に酸素拡散バリア層が設けられているコンケーブ型キャパシタの製造方法を示している。
しかしながら、酸素拡散バリア層に、例えばイリジウムの酸化物のような貴金属酸化物を用いた立体キャパシタの場合には、以下のような課題を有している。 However, a three-dimensional capacitor using a noble metal oxide such as an iridium oxide for the oxygen diffusion barrier layer has the following problems.
コンケーブ型のキャパシタでは、キャパシタを形成した後に誘電体膜を結晶化するために酸素雰囲気での熱処理が行なわれる。この時、コンケーブの凹部からの酸素は、強誘電体膜の結晶化である程度消費されるが、ほとんどの酸素は酸素バリア層に供給される。しかし、3次元の立体キャパシタにおいて、酸素バリア層のコンケーブ凹部と接触している領域以外では、酸素バリア層の上や横には、緻密な絶縁膜が厚く形成されているため、熱処理時に、酸素拡散バリア層である貴金属酸化物層まで、酸素が十分に供給されない。つまり、雰囲気中から酸素拡散バリア層までの酸素の侵入パスが長いため、雰囲気中の酸素の供給が酸素拡散バリア層に対して十分に行なわれない。貴金属は化学反応性が乏しいために、熱処理時に酸素が供給されないと、貴金属の酸化物は分解して、酸素を放出しやすい。そして貴金属酸化物は還元すると酸素バリア性が弱まるため、酸素拡散バリア層の下のコンタクトプラグまで酸素が拡散し、コンタクトプラグが酸化し、コンタクト抵抗が上昇するという課題が生じる。 In the concave type capacitor, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere in order to crystallize the dielectric film after forming the capacitor. At this time, oxygen from the concave portion of the concave is consumed to some extent by crystallization of the ferroelectric film, but most of the oxygen is supplied to the oxygen barrier layer. However, in a three-dimensional capacitor, a dense insulating film is formed thickly on or next to the oxygen barrier layer except in a region in contact with the concave concave portion of the oxygen barrier layer. Oxygen is not sufficiently supplied to the noble metal oxide layer that is the diffusion barrier layer. That is, since the oxygen intrusion path from the atmosphere to the oxygen diffusion barrier layer is long, oxygen supply in the atmosphere is not sufficiently performed to the oxygen diffusion barrier layer. Since noble metals have poor chemical reactivity, if no oxygen is supplied during heat treatment, oxides of noble metals are likely to decompose and release oxygen. When the noble metal oxide is reduced, the oxygen barrier property is weakened, so that oxygen diffuses to the contact plug below the oxygen diffusion barrier layer, the contact plug is oxidized, and the contact resistance increases.
そこで、本発明は、上記従来の技術の問題点を鑑み、コンケーブ型のキャパシタにおいて、酸素拡散バリア層の還元を防止することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of preventing reduction of an oxygen diffusion barrier layer in a concave capacitor in view of the problems of the conventional technology.
上記課題を解決するために、本発明に係る第1の半導体装置の製造方法は、基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、第1の絶縁膜に形成されたホール内に第1の導電膜を埋め込みプラグを形成する工程(a)と、第1の絶縁膜上に、プラグと接するように貴金属酸化物からなる第2の導電膜を形成する工程(b)と、第2の導電膜と第1の絶縁膜との上に第2の絶縁膜を形成する工程(c)と、第2の絶縁膜に第2の導電膜に達する開口部を形成する工程(d)と、開口部内に、下部電極、容量絶縁膜、および上部電極とからなる容量素子を形成する工程(e)と、少なくとも容量素子の周囲における第2の絶縁膜を除去する工程(f)と、第2の絶縁膜を除去する工程(f)の後に、容量素子に対し酸素雰囲気下で熱処理を行なう工程(g)と有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first insulating film on a substrate, and a first in a hole formed in the first insulating film. A step (a) of forming an embedded plug of the conductive film, a step (b) of forming a second conductive film made of a noble metal oxide on the first insulating film so as to be in contact with the plug, and a second A step (c) of forming a second insulating film on the conductive film and the first insulating film; a step (d) of forming an opening reaching the second conductive film in the second insulating film; A step (e) of forming a capacitive element comprising a lower electrode, a capacitive insulating film, and an upper electrode in the opening, a step (f) of removing a second insulating film at least around the capacitive element, and a second After the step (f) of removing the insulating film, a step of performing heat treatment on the capacitor element in an oxygen atmosphere ( And having a).
また、本発明に係る第2の半導体装置の製造方法は、基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、第1の絶縁膜に形成されたホール内に、ホールを完全に埋めないように第1の絶縁膜の上面よりも下側に第1の導電膜を埋め込む工程(a)と、ホールを完全に埋めるように、第1の導電膜の上に貴金属酸化物からなる第2の導電膜を形成する工程(b)と、第2の導電膜と第1の絶縁膜との上に第2の絶縁膜を形成する工程(c)と、第2の絶縁膜に第2の導電膜に達する開口部を形成する工程(d)と、開口部内に、下部電極、容量絶縁膜、および上部電極とからなる容量素子を形成する工程(e)と、少なくとも容量素子の周囲の第2の絶縁膜を除去する工程(f)と、第2の絶縁膜を除去する工程(f)の後に、容量素子に対し酸素雰囲気下で熱処理を行なう工程(g)とを有することを特徴とする。 The second method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first insulating film on a substrate, and a hole formed in the first insulating film so as not to completely fill the hole. A step (a) of embedding the first conductive film below the upper surface of the first insulating film, and a second step made of a noble metal oxide on the first conductive film so as to completely fill the hole. A step (b) of forming a conductive film, a step (c) of forming a second insulating film on the second conductive film and the first insulating film, and a second conductive film on the second insulating film. A step (d) of forming an opening reaching the film, a step (e) of forming a capacitive element comprising a lower electrode, a capacitive insulating film, and an upper electrode in the opening, and a second at least around the capacitive element After the step (f) of removing the insulating film and the step (f) of removing the second insulating film, the oxygen atmosphere is applied to the capacitor element. Characterized by a step (g) performing a heat treatment under.
このように、第1および第2の半導体装置の製造方法によると、貴金属酸化物からなる第2の導電膜である酸素拡散バリア層上の第2の絶縁膜の膜厚を一旦薄くした後に、酸素雰囲気での容量絶縁膜に対する熱処理を行なうことから、酸素拡散バリア層と酸素雰囲気との距離が短くなり、貴金属酸化物からなる酸素拡散バリア層に酸素が十分供給される。従って、熱処理時に酸素拡散バリア層の還元を防止することができ、さらに酸素拡散バリア膜の還元による剥離を防止することができる。 As described above, according to the first and second semiconductor device manufacturing methods, after the thickness of the second insulating film on the oxygen diffusion barrier layer, which is the second conductive film made of the noble metal oxide, is once reduced, Since the heat treatment is performed on the capacitive insulating film in an oxygen atmosphere, the distance between the oxygen diffusion barrier layer and the oxygen atmosphere is shortened, and oxygen is sufficiently supplied to the oxygen diffusion barrier layer made of a noble metal oxide. Therefore, reduction of the oxygen diffusion barrier layer can be prevented during the heat treatment, and peeling due to reduction of the oxygen diffusion barrier film can be prevented.
また、第1及び第2の半導体装置の製造方法において、第2の絶縁膜を除去する工程(f)は、第2の絶縁膜の上面から第2の導電膜の上面に至る第2の絶縁膜を除去するが好ましい。この場合、酸素拡散バリア層である第2の導電膜が酸素雰囲気と直接接するため、第2の導電膜に酸素を効果的に供給することができ、還元を防止することができる。 In the first and second semiconductor device manufacturing methods, the step (f) of removing the second insulating film includes a second insulation from the upper surface of the second insulating film to the upper surface of the second conductive film. Preferably, the film is removed. In this case, since the second conductive film which is an oxygen diffusion barrier layer is in direct contact with the oxygen atmosphere, oxygen can be effectively supplied to the second conductive film, and reduction can be prevented.
また、第1及び第2の半導体装置の製造方法において、第2の絶縁膜を除去する工程(f)は、少なくとも容量素子の側方の第2の絶縁膜を残すことが好ましい。この場合、容量素子の周囲の第2の絶縁膜を除去したとしても、容量素子に接する第2の絶縁膜を一部残すことで、容量素子が倒れることを防止することができる。 In the first and second semiconductor device manufacturing methods, the step (f) of removing the second insulating film preferably leaves at least the second insulating film on the side of the capacitor element. In this case, even if the second insulating film around the capacitor element is removed, the capacitor element can be prevented from falling by leaving a part of the second insulating film in contact with the capacitor element.
また、第1及び第2の半導体装置の製造方法において、第2の絶縁膜の除去をウェットエッチングにより行なうことが好ましい。ウェットエッチングを用いることにより、第2の絶縁膜を除去するエッチングによって生じる容量絶縁膜へのダメージを低減することができる。 In the first and second semiconductor device manufacturing methods, the second insulating film is preferably removed by wet etching. By using wet etching, damage to the capacitor insulating film caused by etching for removing the second insulating film can be reduced.
また、第1及び第2の半導体装置の製造方法において、第2の層間絶縁膜の除去をドライエッチングにより行なうことが好ましい。このように、異方性のドライエッチングを使用することにより、容量素子の上部電極の下方に第2の絶縁膜が一部残るため、コンケーブ型立体キャパシタの倒れを防止することができる。また、容量素子の下部電極がテーパー形状である場合には、テーパー部の下方に第2の絶縁膜が一部残るため、コンケーブ型立体キャパシタの第2の絶縁膜の除去による倒れを防止することができる。 In the first and second semiconductor device manufacturing methods, the second interlayer insulating film is preferably removed by dry etching. In this manner, by using anisotropic dry etching, the second insulating film remains partly below the upper electrode of the capacitor, so that the concave three-dimensional capacitor can be prevented from falling. Further, when the lower electrode of the capacitive element has a tapered shape, a part of the second insulating film remains below the tapered portion, so that the collapse due to the removal of the second insulating film of the concave three-dimensional capacitor is prevented. Can do.
また、第1及び第2の半導体装置の製造方法において、熱処理の温度が650℃以上850℃以下であることが好ましい。 In the first and second semiconductor device manufacturing methods, the heat treatment temperature is preferably 650 ° C. or higher and 850 ° C. or lower.
また、第1及び第2の半導体装置の製造方法において、第2の導電膜が貴金属酸化物の積層からなることが好ましい。このように、酸素拡散バリア層が貴金属酸化物の積層からなるとき、酸素バリア性が向上し、酸素雰囲気中における、プラグの酸化を効果的に防ぐことができる。 In the first and second semiconductor device manufacturing methods, the second conductive film is preferably formed of a noble metal oxide stack. Thus, when the oxygen diffusion barrier layer is composed of a stack of noble metal oxides, the oxygen barrier property is improved, and oxidation of the plug in an oxygen atmosphere can be effectively prevented.
また、第1及び第2の半導体装置の製造方法において、貴金属酸化物が、イリジウムの酸化物であることが好ましい。イリジウムの酸化物は、熱的に不安定であり、熱処理により分解し酸素を放出するため、熱処理時に、より多くの酸素を供給することで、酸素拡散バリア層の還元を抑制できる。 In the first and second semiconductor device manufacturing methods, the noble metal oxide is preferably an iridium oxide. Since the iridium oxide is thermally unstable and decomposes and releases oxygen by the heat treatment, reduction of the oxygen diffusion barrier layer can be suppressed by supplying more oxygen during the heat treatment.
また、第1及び第2の半導体装置の製造方法において、プラグがタングステンからなることが好ましい。タングステンは、熱処理により酸化されやすいため、プラグとしてタングステンを用いた場合、第1及び第2の半導体装置の製造方法を用いることにより、プラグの酸化を低減することができる。 In the first and second semiconductor device manufacturing methods, the plug is preferably made of tungsten. Since tungsten is easily oxidized by heat treatment, when tungsten is used as the plug, oxidation of the plug can be reduced by using the first and second semiconductor device manufacturing methods.
また、第1及び第2の半導体装置の製造方法において、誘電体膜が、強誘電体膜であることが好ましい。強誘電体膜の結晶化温度は一般に高いため、本発明の効果は大きい。 In the first and second semiconductor device manufacturing methods, the dielectric film is preferably a ferroelectric film. Since the crystallization temperature of the ferroelectric film is generally high, the effect of the present invention is great.
本発明に係る半導体装置の製造方法によると、酸素拡散バリア層を有するキャパシタにおいて、酸素拡散バリア層の還元を防止し、コンタクト抵抗の悪化を抑制することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in a capacitor having an oxygen diffusion barrier layer, reduction of the oxygen diffusion barrier layer can be prevented and deterioration of contact resistance can be suppressed.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態における半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。図1(a)から図4(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の工程断面図である。
(First embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A to FIG. 4C are process cross-sectional views of the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
まず、図1(a)に示すように、例えばシリコン(Si)からなる半導体基板10に、シャロウトレンチ分離領域(STI:Shallow Trench Isolation)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。
First, as shown in FIG. 1A, a shallow trench isolation region (STI: Shallow Trench Isolation) 11 is selectively formed on a
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。
Subsequently, each element formation region includes, for example, a
続いて、CVD法により、半導体基板10を覆うように、例えば、BPSG、HDP−NSG又はO3-NSGからなる絶縁膜を約0.6μm以上1.2μm以下程度の膜厚で成膜し、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以上0.8μm以下程度の第1の層間絶縁膜16を形成する。
Subsequently, an insulating film made of, for example, BPSG, HDP-NSG, or O 3 -NSG is formed with a film thickness of about 0.6 μm to 1.2 μm so as to cover the
次に、図1(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17を形成する。
Next, as shown in FIG. 1B, a
次に、図1(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17を充填するように第1のコンタクトプラグ形成膜18を成膜する。ここで、第1のコンタクトプラグ形成膜18は、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18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. 1C, the first contact plug is filled so as to fill the
次に、図1(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18に対して、第1の層間絶縁膜16の上面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18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19を形成する。
Next, as shown in FIG. 1D, the formed first contact
次に、図1(e)に示すように、例えばスパッタ法、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19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20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20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20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。更には、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19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く、図ではこの説明を行なう。
Next, as shown in FIG. 1E, a conductive film made of, for example, tungsten or polycrystalline silicon is formed on the first
なお、本実施形態において、ビット配線20を容量素子の下方に配置する構成について説明しているが、本発明はこれに限られず、ビット配線を容量素子の上方に配置する構成においても、本発明の効果を得ることができる。 In the present embodiment, the configuration in which the bit wiring 20 is disposed below the capacitive element has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is also applicable to a configuration in which the bit wiring is disposed above the capacitive element. The effect of can be obtained.
次に、図1(f)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程度のBPSG等からなる第2の層間絶縁膜21を各ビット配線20を覆うように成膜し、続いて、成膜した第2の層間絶縁膜21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21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21の上部に各ビット配線20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。
Next, as shown in FIG. 1F, a second
なお、第2の層間絶縁膜21における各ビット配線20の上側部分の膜厚Xを各ビット配線20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。
The film thickness X of the upper portion of each bit wiring 20 in the second
次に、図1(g)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21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22を形成する。ここで、第1の層間絶縁膜16および第2の層間絶縁膜21は、第1の絶縁膜のことである。
Next, as shown in FIG. 1G, the other
次に、スパッタ法、CVD法又はめっき法により、第2の層間絶縁膜21の上に、第2のコンタクトホール22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19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。ここで、第2のコンタクトプラグ形成膜は、第1の導電膜のことである。
Next, a second contact plug forming film (not shown) is formed on the second
その後、図2(a)に示すように、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21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23を形成する。ここで、第2のコンタクトプラグ23は、プラグのことである。
Thereafter, as shown in FIG. 2A, the second contact plug formation film thus formed is subjected to etch back or CMP treatment until the second
次に、図2(b)に示すように、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21上の全面に、膜厚が約50nm以上250nm以下程度で、後工程の容量絶縁膜の結晶化熱処理時に、上部電極、容量絶縁膜、更に下部電極を順に通過してくる酸素により、主に第2のコンタクトプラグ23の酸化を防止する目的の酸素拡散バリア形成膜24を成膜する。。
Next, as shown in FIG. 2B, the entire surface of the second
ここで、酸素拡散バリア形成膜24の材料には、例えば、イリジウムの酸化膜(IrOx)やルテニウムの酸化膜、等の貴金属酸化膜の単層膜、あるいは、少なくとも貴金属酸化膜を一層に含む積層膜を用いる。
Here, as the material of the oxygen diffusion
また、貴金属酸化膜と一緒に積層される材料としては、窒化チタン(TiN)、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)、イリジウム(Ir)、又はルテニウム(Ru)等があり、貴金属酸化膜と積層することにより酸素拡散バリア性が向上し、さらに金属拡散のバリアの役割を果たすこともある。例えば、IrとIrOxの積層膜を形成した場合には、IrOx単体膜より酸素バリア性が高くなる。また、例えば、タングステンからなるコンタクトプラグ上にTiNやTiAlNを形成した場合には、工程途中の熱処理時に、タングステン原子がTiNやTiAlNの上の膜へ拡散するのを防止することができる。また、TiAlN,TiAlON,TiNについては、導電性の水素拡散バリア膜の役割も果たすことから、例えば、IrOx/Ir/TiAlNのような酸素拡散バリアと水素拡散バリア膜の両方の役割をもつ積層構造にもなる。 The material laminated together with the noble metal oxide film includes titanium nitride (TiN), titanium aluminum nitride (TiAlN), titanium oxynitride (TiAlON), iridium (Ir), ruthenium (Ru), etc. By laminating with a noble metal oxide film, the oxygen diffusion barrier property is improved, and it may also serve as a barrier for metal diffusion. For example, when a laminated film of Ir and IrOx is formed, the oxygen barrier property is higher than that of a single film of IrOx. Further, for example, when TiN or TiAlN is formed on a contact plug made of tungsten, it is possible to prevent tungsten atoms from diffusing into a film on TiN or TiAlN during the heat treatment in the middle of the process. For TiAlN, TiAlON, and TiN, it also serves as a conductive hydrogen diffusion barrier film. It also becomes.
次に、図2(c)に示すように、コンタクトプラグ23を覆うように酸素拡散バリア形成膜24をパターニングし、酸素拡散バリア層25を形成する。ここで、酸素拡散バリア層25は、第2の導電膜のことである。
Next, as shown in FIG. 2C, the oxygen diffusion
次に、図2(d)に示すように、酸素拡散バリア層25上の全面に、例えばCVD法により、膜厚が約300nm以上1500nm以下程度の第3の層間絶縁膜26を成膜し、続いてCMP法により平坦化処理を行なうことにより、約200nm以上1300nm以下の膜厚にする。第3の層間絶縁膜26の材料には、BPSGやPSGやTEOSやSiNを用いればよいが、O3NSGが最も好ましい。このように、O3を使用した熱CVDで成膜したNSGは、不純物が入っていない絶縁膜であることと、成膜時に水素を発生しないため、特に好ましい。ここで、第3の層間絶縁膜26の膜厚は、容量素子を形成する開口部27の深さを決めるため、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。また、第3の層間絶縁膜26は、第2の絶縁膜のことである。
Next, as shown in FIG. 2D, a third
次に、図2(e)に示すように、リソグラフィ法とドライエッチング法、あるいは、リソグラフィ法とウェットエッチング法により、第3の層間絶縁膜26に対して、酸素拡散バリア層25の上面を露出する複数の開口部27を形成する。
Next, as shown in FIG. 2E, the upper surface of the oxygen
なお、開口部27は、60度以上90度以下のテーパーを持つのが好ましい。つまり、開口部27の壁面と底面とのなす角度が、90度以上120度以下程度であることが好ましい。このような形状によると、膜の被覆性が良いため、その後に形成する下部電極、容量絶縁膜、上部電極をスパッタ法などにより、ほぼ均一な膜厚で形成することができる。従って、膜厚のばらつきを抑制することができ、電極の断線を防止することができる。
The
次に、図3(a)に示すように、スパッタ法、CVD法又はMOCVD法により、約200℃以上500℃以下の温度下で、第3の層間絶縁膜26上と、各開口部27の壁面及び底面に沿うように、膜厚が約20nm以上50nm以下程度の下部電極形成膜である導電膜28を成膜する。導電膜28の材料として、白金又はイリジウム等の貴金属、または、貴金属の酸化物、窒化物、酸窒化物が好ましい。
Next, as shown in FIG. 3A, by sputtering, CVD, or MOCVD, at a temperature of about 200 ° C. or more and 500 ° C. or less, on the third
次に、図3(b)に示すように、少なくとも開口部27内の導電膜28を残存させるように、第3の層間絶縁膜26上の導電膜28を除去し、下部電極29を形成する。ここで、導電膜28の除去方法は、リソグラフィ法、及びドライエッチング法により、開口部27を残すように開口部27より外側でパターニングする。または、CMP法により、開口部27以外の導電膜28を除去しても良い。
Next, as shown in FIG. 3B, the
次に、図3(c)に示すように、MOCVD法により、第3の層間絶縁膜26の上と、各下部電極29の上に、開口部27を埋め込まないように、例えば強誘電体膜からなり、膜厚が約20nm以上100nm以下程度の容量絶縁膜30を成膜する。
Next, as shown in FIG. 3C, for example, a ferroelectric film is formed by the MOCVD method so as not to bury the
容量絶縁膜30には、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(ZrxT1-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+xTa2O9)(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-xLaxTi3 O12)(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。
The
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30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、異なる組成を傾斜させる構成としてもよい。
In addition, the
また、本発明に係る容量絶縁膜30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(Si3N4)、五酸化ニオブ(Nb2O5)、五酸化タンタル(Ta2O5)又は酸化アルミニウム(Al2O3)等を用いてもよい。
Needless to say, the
次に、スパッタ法、CVD法又はMOCVD法により、下部電極形成用の導電膜28と同等の成膜条件で、容量絶縁膜30の上に、膜厚が20nm程度の上部電極形成膜である導電膜31を成膜する。
Next, a conductive material that is an upper electrode forming film having a thickness of about 20 nm is formed on the
次に、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30及び導電膜に対してパターニングすることにより、容量絶縁膜30から容量絶縁膜32を形成し、導電膜31から上部電極33を形成する。これにより、下部電極29、容量絶縁膜32及び上部電極33からなるコンケーブ型の容量素子34が形成される。
Next, the capacitive insulating
次に、図4(a)から(d)に示すように、ドライエッチング、またはウェットエッチングにより、第3の層間絶縁膜26の一部を除去する。
Next, as shown in FIGS. 4A to 4D, a part of the third
ウェットエッチングの場合には、図4(a)に示すように、セルプレート線方向のキャパシタ断面図において、等方性エッチングのため、複数のキャパシタに跨って形成される上部電極33の下方の領域aがエッチングされる。また、図4(c)に示すように、ビット線方向のキャパシタ断面図において、領域aの第3の層間絶縁膜26がエッチングされる。その後、図5(a)および(b)に示すように、第4の層間絶縁膜35の成膜時に領域aは埋め込まれず、ボイドが発生する。
In the case of wet etching, as shown in FIG. 4A, in the capacitor cross-sectional view in the cell plate line direction, a region below the
ウェットエッチングを用いる場合には、強誘電体膜からなる容量絶縁膜32へのダメージを低減できる。
When wet etching is used, damage to the
一方、異方性のドライエッチングの場合には、異方性エッチングであるため、例えば、図4(b)に示すセルプレート方向の断面図において、複数のキャパシタに跨って形成される上部電極33の下方の第3の絶縁膜26は、そのまま残る。更に、図4(d)のビット線方向のキャパシタ断面図に示すように、上部電極33の下方の第3の絶縁膜26は残り、コンケーブ型の容量素子34の倒れを防止できる。さらに、下部電極29がテーパー形状である場合には、テーパー部下層には第3の層間絶縁膜26が残り、コンケーブ型立体キャパシタの倒れを防止することができる。
On the other hand, since anisotropic dry etching is anisotropic etching, for example, in the cross-sectional view in the cell plate direction shown in FIG. 4B, the
ここで、少なくとも容量素子34の周囲で、酸素拡散バリア層25の上面より上方の第3の層間絶縁膜26を除去する。このとき、例えば図4(c)や図4(a)に示すように、酸素拡散バリア層25上に残存する第3の層間絶縁膜26の膜厚Aはできるだけ薄い方がよいが、容量素子の倒れが生じない膜厚が最低でも必要となる。また、コンタクトプラグ23に対して、直接酸素が拡散しない膜厚が必要となる。また、酸素拡散バリア層25を構成する貴金属酸化物の還元を防止するためには、酸素拡散バリア層25上に残存する第3の層間絶縁膜26の膜厚Aはできるだけ薄い方がよいのは言うまでもない。この3点から、酸素拡散バリア層25上に残存する第3の層間絶縁膜26の膜厚Aは約0以上200nm以下程度が好ましい。また、10〜50nmが更に好ましい。
Here, the third
次に、容量絶縁膜32を結晶化させる目的で、例えば酸素雰囲気中で、650℃〜850℃の温度下で熱処理を行なう。この熱処理は、炉でのアニール・RTA等で行なう。この時、酸素拡散バリア層25上の第3の層間絶縁膜26の膜厚が薄いことから、酸素拡散バリア層25に酸素が十分に供給され、貴金属酸化膜からの酸素の分解は進行せず、酸素拡散バリア層25の劣化が起こらない。その結果、コンタクトプラグ23の酸化を防止することができる。また、酸素バリア層が上からIrOx,Ir,TiAlNの積層膜の場合には、IrOxの酸素バリア膜の劣化がないことから、IrOxが酸素の拡散を防止することができ、下の膜であるIrやTiAlNが酸化されることはない。
Next, heat treatment is performed at a temperature of 650 ° C. to 850 ° C., for example, in an oxygen atmosphere for the purpose of crystallizing the capacitive insulating
次に、図5(a)および(b)に示すように、CVD法により、容量素子34を覆うように、半導体基板10の全面に亘って、BPSG等からなる第4の層間絶縁膜35を成膜し、CMP法により、成膜した第4の層間絶縁膜35の表面を平坦化する。平坦化後の第4の層間絶縁膜35における容量素子34の上端部からの膜厚は100〜200nmが望ましい。
Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, a fourth
なお、前工程の第3の層間絶縁膜26の除去の時、ウエットエッチングを用いた場合、容量素子34の周囲にBPSG膜が堆積されず、ボイド(図示せず)が形成される場合がある。
If wet etching is used when removing the third
次に、図5(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4の層間絶縁膜35、第3の層間絶縁膜26及び第2の層間絶縁膜21にビット配線20の一部を露出する第3のコンタクトホール36を形成する。
Next, as shown in FIG. 5C, the bit wiring 20 is formed on the fourth
次に、図5(d)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35の上に、第3のコンタクトホール36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形成膜18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35の上面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20と電気的に接続される第3のコンタクトプラグ37を形成する。これにより、第1のコンタクトプラグ19とビット配線20と第3のコンタクトプラグ37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. 5D, the third contact is made so that the
また、酸素拡散バリア層25が貴金属酸化物の単層である場合には、還元による酸素拡散バリア性の低下が大きいため、本発明にかかる半導体装置の製造方法を用いると、効果的に酸素を酸素拡散バリア層25に供給することができるため、還元を低減する効果が大きい。
In addition, when the oxygen
また、コンタクトプラグ23の材料がWの場合には、Wは酸化しやすいため、本発明に係る半導体装置の製造方法を用いると、酸素拡散バリア層25の酸素バリア性の劣化が抑制されるため、コンタクトプラグの酸化防止効果が大きくなる。
Further, when the material of the
また、酸素拡散バリア層25を構成する貴金属酸化物が、イリジウムの酸化物である場合には、酸化イリジウムは熱的に不安定であるため、熱処理により分解し酸素を放出しやすい。このような場合において、本発明も係る半導体装置の製造方法を用いることにより、酸素を十分に供給しながら熱処理を行なうことができるため、酸化イリジウムの分解を抑制することができる。
In addition, when the noble metal oxide constituting the oxygen
また、容量絶縁膜32が強誘電体材料であるときには、結晶化時に、酸素雰囲気での熱処理温度が高いため、本発明の効果が大きい。
Further, when the
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態である半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図6(a)から図7(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の工程順の断面構成を示している。また、図6(a)より前の工程は、第1の実施形態の図1(a)〜図1(g)までの工程と同一の工程であるので、説明を省略する。また、第1の実施形態と同一構成要素は同符号を付して説明を省略する。 FIG. 6A to FIG. 7C show cross-sectional configurations in the order of steps of the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Further, the steps before FIG. 6A are the same as the steps from FIG. 1A to FIG. 1G of the first embodiment, and thus description thereof is omitted. Further, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図6(a)に示すように、コンタクトプラグ形成膜18(図示せず)をエッチバック法、またはCMP法により除去し、コンタクトプラグの上面を第2の層間絶縁膜21の上面より低い位置になるように形成にする。これにより、図6(a)に示すように、凹部38が形成される。この凹部38は、エッチバック法やCMPの選択比によって、制御可能である。または、ウェットエッチングにより、コンタクトプラグ23を除去することによっても形成できる。
As shown in FIG. 6A, the contact plug formation film 18 (not shown) is removed by an etch back method or a CMP method, and the upper surface of the contact plug is positioned lower than the upper surface of the second
次に、第2の層間絶縁膜21の全面亘って、凹部38を埋めるように、酸素拡散バリア形成膜24(図示せず)を形成し、凹部38よりはみ出した酸素拡散バリア形成膜24をエッチバック法、またはCMP法により、除去することにより、凹部38内にのみ酸素拡散バリア層25を形成する。
Next, an oxygen diffusion barrier formation film 24 (not shown) is formed so as to fill the
続く、図6(c)〜図7(b)は、第1の実施形態の図2(d)〜図3(c)と同じ工程であるため、説明を省略する。 6 (c) to 7 (b) are the same steps as those in FIGS. 2 (d) to 3 (c) of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
次に、図7(c)に示すように、ドライエッチング、またはウェットエッチングにより、第3の層間絶縁膜26の一部を除去する。このとき、酸素拡散バリア層25より上方に残存する第3の層間絶縁膜26の膜厚Aはできるだけ薄い方がよいが、容量素子34の倒れが生じない膜厚が最低でも必要となる。また、コンタクトプラグ23に対して、直接酸素が拡散しない膜厚が必要となる。また、酸素拡散バリア層25の一層である貴金属酸化物の還元を防止するためには、酸素拡散バリア層25の周囲、つまり酸素拡散バリア層に一番近い第3の層間絶縁膜26の膜厚Aはできるだけ薄い方がよいのは言うまでもない。この3点から、酸素拡散バリア層25上に残存する第3の層間絶縁膜26の膜厚Aは0〜200nm程度が好ましい。また、10〜50nmが更に好ましい。
Next, as shown in FIG. 7C, a part of the third
その後の工程については、図5(a)以降と同じであるので、説明を省略する。 The subsequent steps are the same as those after FIG.
第2の実施形態は、第1の実施形態と比較すると、酸素バリア膜から絶縁膜の上面への酸素拡散距離が長いので、本発明による効果が大きい。 In the second embodiment, the oxygen diffusion distance from the oxygen barrier film to the upper surface of the insulating film is longer than that in the first embodiment, so that the effect of the present invention is great.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、キャパシタの下に酸素バリア膜を有したコンケーブ型立体キャパシタを有する半導体装置に有用である。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is useful for a semiconductor device having a concave three-dimensional capacitor having an oxygen barrier film under the capacitor.
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
17 第1のコンタクトホール
18 コンタクトプラグ形成膜
19 第1のコンタクトプラグ
20 ビット配線
21 第2の層間絶縁膜
22 第2のコンタクトホール
23 第2のコンタクトプラグ
24 酸素拡散バリア形成膜
25 酸素拡散バリア層
26 第3の層間絶縁膜
27 開口部
28 導電膜
29 下部電極
30 容量絶縁膜
31 導電膜
32 容量絶縁膜
33 上部電極
34 容量素子
35 第4の層間絶縁膜
36 第3のコンタクトホール
37 第3のコンタクトプラグ
10
Claims (11)
前記第1の絶縁膜上で、前記プラグの上に貴金属酸化物からなる第2の導電膜を形成する工程(b)と、
前記第2の導電膜と前記第1の絶縁膜との上に、第2の絶縁膜を形成する工程(c)と、
前記第2の絶縁膜に、前記第2の導電膜を露出する開口部を形成する工程(d)と、
前記開口部内に、下部電極、容量絶縁膜、および上部電極とからなる容量素子を形成する工程(e)と、
少なくとも前記容量素子の周囲の前記第2の絶縁膜を除去する工程(f)と、
前記工程(f)の後に、前記容量素子に対し酸素雰囲気下で熱処理を行なう工程(g)とを有する半導体装置の製造方法。 Forming a plug made of the first conductive film in the first insulating film on the substrate;
(B) forming a second conductive film made of a noble metal oxide on the plug on the first insulating film;
A step (c) of forming a second insulating film on the second conductive film and the first insulating film;
A step (d) of forming an opening exposing the second conductive film in the second insulating film;
Forming a capacitive element comprising a lower electrode, a capacitive insulating film, and an upper electrode in the opening (e);
A step (f) of removing at least the second insulating film around the capacitive element;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step (g) of performing a heat treatment in an oxygen atmosphere after the step (f).
前記第1の導電膜の上に、前記ホールを完全に埋めるように貴金属酸化物からなる第2の導電膜を形成する工程(b)と、
前記第2の導電膜と前記第1の絶縁膜との上に第2の絶縁膜を形成する工程(c)と、
前記第2の絶縁膜に、前記第2の導電膜を露出する開口部を形成する工程(d)と、
前記開口部内に、下部電極、容量絶縁膜、および上部電極とからなる容量素子を形成する工程(e)と、
少なくとも前記容量素子の周囲の前記第2の絶縁膜を除去する工程(f)と、
前記工程(f)の後に、前記容量素子に対し酸素雰囲気下で熱処理を行なう工程(g)とを有する半導体装置の製造方法。 A step (a) of forming a first conductive film in a hole formed in the first insulating film on the substrate so as not to completely fill the upper part of the hole;
Forming a second conductive film made of a noble metal oxide on the first conductive film so as to completely fill the hole;
Forming a second insulating film on the second conductive film and the first insulating film (c);
A step (d) of forming an opening exposing the second conductive film in the second insulating film;
Forming a capacitive element comprising a lower electrode, a capacitive insulating film, and an upper electrode in the opening (e);
A step (f) of removing at least the second insulating film around the capacitive element;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step (g) of performing a heat treatment in an oxygen atmosphere after the step (f).
前記第2の導電膜の上面より上の前記第2の絶縁膜を除去することを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。 The step (f)
3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second insulating film above the upper surface of the second conductive film is removed.
少なくとも前記容量素子の側方周囲の前記第2の絶縁膜を残すことを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。 The step (f)
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein at least the second insulating film around a side of the capacitor element is left.
ウェットエッチング法により前記第2の絶縁膜を除去することを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。 The step (f)
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second insulating film is removed by a wet etching method.
ドライエッチング法により前記第2の絶縁膜を除去することを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。 The step (f)
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second insulating film is removed by a dry etching method.
650℃以上且つ850℃以下の温度で行なうことを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。 The step (g)
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the method is performed at a temperature of 650.degree.
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the capacitor insulating film is made of a ferroelectric film.
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WO2007116436A1 (en) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Fujitsu Limited | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
KR101035589B1 (en) | 2008-12-24 | 2011-05-19 | 매그나칩 반도체 유한회사 | Capacitor and method for fabricating the same |
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2004
- 2004-06-02 JP JP2004164938A patent/JP2005347491A/en not_active Withdrawn
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KR101035589B1 (en) | 2008-12-24 | 2011-05-19 | 매그나칩 반도체 유한회사 | Capacitor and method for fabricating the same |
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