JP2006210386A - Capacitor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜を備えた凹型の立体構造を有する容量素子及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a capacitive element having a concave three-dimensional structure provided with a capacitive insulating film made of a ferroelectric or a high dielectric, and a method for manufacturing the same.
近年、従来にはない低電圧であって且つ高速での書き込み及び読み出し動作が可能なRAMの実用化を目指して、自発分極特性を有する強誘電体又は高誘電体に関する研究開発が盛んに行なわれている。特に、デザインルールが0.18μm以下のCMOSで構成されたLSI上に搭載するメガビット級の半導体記憶装置を実現するためには、小面積であっても大容量を実現することができる立体構造を有する容量素子を開発する必要がある。この立体構造を有する容量素子は、主に凹型形状の立体構造を有しているので、容量素子の高さは、容量素子の幅に比べて非常に高い。 In recent years, research and development on ferroelectrics or high-dielectrics having spontaneous polarization characteristics has been actively conducted with the aim of putting RAMs that can perform writing and reading operations at a high speed at a low voltage that has not been conventionally possible. ing. In particular, in order to realize a megabit-class semiconductor memory device mounted on an LSI configured with a CMOS having a design rule of 0.18 μm or less, a three-dimensional structure capable of realizing a large capacity even in a small area. It is necessary to develop a capacitive element. Since the capacitive element having this three-dimensional structure mainly has a concave three-dimensional structure, the height of the capacitive element is much higher than the width of the capacitive element.
このように、立体構造を有する容量素子の場合、凹部又は凸部が存在する部分に、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を成膜する必要があるために、その成膜方法としては、平面構造を有する容量素子で使用されていた有機金属溶液を塗布するMOD法(Metal Organic Decomposition法)ではなく、段差被覆性に優れたMOCVD法(Metal Organic Chmical Vapor Deposition法)が主に用いられる。なお、スパッタリング法又はALD法(Atomic Layer Deposition法)が用いられる場合もある。 Thus, in the case of a capacitive element having a three-dimensional structure, it is necessary to form a ferroelectric thin film or a high dielectric thin film in a portion where a concave portion or a convex portion is present. The MOCVD method (Metal Organic Chemical Vapor Deposition method) excellent in step coverage is mainly used, not the MOD method (Metal Organic Decomposition method) in which an organometallic solution used in a capacitive element having a structure is applied. A sputtering method or an ALD method (Atomic Layer Deposition method) may be used.
MOD法を用いて、強誘電体又は高誘電体の成分を含む有機金属溶液を塗布して強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を成膜する際の温度は、室温である。一方、MOCVD法を用いて、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を成膜する際の温度は、約300℃以上になる。したがって、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を成膜する際における最重要課題の一つとして、成膜直後に強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を構成する各金属が所望の組成比になっているかどうかという点が挙げられる。 The temperature at the time of forming a ferroelectric thin film or a high dielectric thin film by applying an organometallic solution containing a ferroelectric or high dielectric component using the MOD method is room temperature. On the other hand, the temperature when forming a ferroelectric thin film or a high dielectric thin film using the MOCVD method is about 300 ° C. or higher. Therefore, as one of the most important issues when forming a ferroelectric thin film or a high dielectric thin film, each metal constituting the ferroelectric thin film or the high dielectric thin film has a desired composition ratio immediately after the film formation. The point is whether or not.
以下に、従来例について図面を参照しながら説明する。 A conventional example will be described below with reference to the drawings.
まず、第1の従来例について、図8を参照しながら説明する(例えば、特許文献1参照)。図8は、MOCVD法によって成膜されたPb(ZrxTi1-x)O3 (但し、0≦x≦1)膜よりなる強誘電体薄膜を容量絶縁膜として用いた容量素子の構造を示す要部断面図である。 First, a first conventional example will be described with reference to FIG. 8 (see, for example, Patent Document 1). FIG. 8 shows the structure of a capacitive element using a ferroelectric thin film made of a Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (where 0 ≦ x ≦ 1) film formed by MOCVD as a capacitive insulating film. It is a principal part sectional view shown.
図8に示すように、シリコン基板101の上には、200nmの膜厚を有する熱酸化膜102が形成されており、該熱酸化膜102の上には、下層から順に、30nmの膜厚を有するTi膜103及び200nmの膜厚を有するPt膜104よりなる下部電極が形成されている。また、Pt膜104の上には、TiO2 膜又はPbTiO3 膜よりなり、約10nmの膜厚を有するバッファー層105が形成されている。バッファー層105の上には、MOCVD法により成膜され、300nmの膜厚を有するPb(ZrxTi1-x)O3(但し、0≦x≦1)膜よりなる強誘電体薄膜106が形成されている。
As shown in FIG. 8, a
第1の従来例におけるバッファー層105は、MOCVD法によって約600℃の温度条件下でPb(ZrxTi1-x)O3 (但し、0≦x≦1)膜よりなる強誘電体薄膜106を成膜する場合に生じるPbとPtとの反応を防止して、Pb及びPtよりなる合金に起因した特性劣化を抑制する役割を有している。
The
次に、第2の従来例について、図9を参照しながら説明する(例えば、特許文献2参照)。図9は、MOCVD法によって成膜されたBi4Ti3O12 膜よりなる強誘電体薄膜を容量絶縁膜として用いた容量素子の構造を示す要部断面図である。なお、図9では、第1の従来例における図8と共通する部分には、図8に示した符号と同一の符号が付されている。 Next, a second conventional example will be described with reference to FIG. 9 (see, for example, Patent Document 2). FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part showing the structure of a capacitive element using a ferroelectric thin film made of a Bi 4 Ti 3 O 12 film formed by MOCVD as a capacitive insulating film. In FIG. 9, the same reference numerals as those shown in FIG. 8 are given to the portions of the first conventional example that are common to FIG.
図9に示すように、シリコン基板101の上には、200nmの膜厚を有する熱酸化膜102が形成されており、該熱酸化膜102の上には、下層から順に、20nmの膜厚を有するTa膜よりなる接着層107、及び(111)面に配向したPt膜よりなる下部電極108が形成されている。下部電極108の上には、20nmの膜厚を有するTiO2 膜よりなるバッファー層109が形成されている。バッファー層109の上には、MOCVD法により成膜され、約100nmの膜厚を有するBi4Ti3O12 膜よりなる強誘電体薄膜110が形成されている。強誘電体薄膜110の上には、Pt膜よりなる上部電極111が形成されている。
As shown in FIG. 9, a
第2の従来例におけるバッファー層109は、該バッファー層109の上に成膜される強誘電体薄膜110の緻密化及び表面平滑化を促進させて、ピンホール又は表面の凹凸に起因したリーク電流の上昇を抑制する役割を有している。
しかしながら、以上で説明した第1及び第2の従来例の場合、MOCVD法によって成膜された強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜を容量絶縁膜として用いた立体構造を有する容量素子は、容量素子として所望の特性が得られない可能性が高いということを我々は見出した。以下、この理由について詳細に説明する。 However, in the case of the first and second conventional examples described above, a capacitive element having a three-dimensional structure using a ferroelectric thin film or a high dielectric thin film formed by MOCVD as a capacitive insulating film is a capacitive element. We have found that there is a high probability that the desired characteristics will not be obtained. Hereinafter, this reason will be described in detail.
まず、平面構造を有する容量素子を形成する場合については、前述した通り、MOD法を用いて有機金属溶液を塗布して強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜よりなる容量絶縁膜を成膜するが、このMOD法では、強誘電体又は高誘電体の成分を含む有機金属溶液を塗布する際の温度は、室温である。このため、塗布後の薄膜の組成は、所望の組成、つまり有機金属溶液中の組成からずれることはない。また、塗布した薄膜を結晶化する際に必要となる650℃〜800℃の酸素雰囲気中での熱処理時においても、赤外線ランプを用いたRTA(Rapid Thermal Annealing)法が用いられるので、約1分間の熱処理中に容量絶縁膜を構成する金属元素が下部電極中へ熱拡散して、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜が組成ずれを起こすことはほとんどない。 First, in the case of forming a capacitive element having a planar structure, as described above, an organic metal solution is applied by using the MOD method to form a capacitive insulating film made of a ferroelectric thin film or a high dielectric thin film. In this MOD method, the temperature at which the organometallic solution containing the ferroelectric or high dielectric component is applied is room temperature. For this reason, the composition of the thin film after coating does not deviate from the desired composition, that is, the composition in the organometallic solution. Also, the RTA (Rapid Thermal Annealing) method using an infrared lamp is used for the heat treatment in an oxygen atmosphere of 650 ° C. to 800 ° C. necessary for crystallization of the coated thin film, so that it takes about 1 minute. During the heat treatment, the metal element constituting the capacitive insulating film is thermally diffused into the lower electrode, and the ferroelectric thin film or the high dielectric thin film hardly causes a composition shift.
一方、MOCVD法、スパッタリング法、又はALD法を用いて強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜よりなる容量絶縁膜を成膜する場合には、成膜時の温度は約300℃以上となり、且つ成膜速度が約1nm/分から20nm/分と遅いため、成膜中に容量絶縁膜を構成する金属元素が下部電極中へ熱拡散して、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜が組成ずれを起こしてしまう。 On the other hand, when a capacitive insulating film made of a ferroelectric thin film or a high dielectric thin film is formed by MOCVD, sputtering, or ALD, the temperature during film formation is about 300 ° C. or higher. Since the film speed is as low as about 1 nm / min to 20 nm / min, the metal element constituting the capacitive insulating film is thermally diffused into the lower electrode during the film formation, and the ferroelectric thin film or the high dielectric thin film causes a composition shift. End up.
ところで、強誘電体薄膜又は高誘電体薄膜の組成ずれに対する一解決策として、第1の従来例又は第2の従来例が提案されているが、前述した通り、下部電極と容量絶縁膜との間にバッファー層を介在させる構造では、新たな問題が生じることになる。すなわち、バッファー層は、強誘電体又は高誘電体によって構成されるものではないために、下部電極と容量絶縁膜との間にバッファー層を介在させた容量素子は、強誘電体又は高誘電体よりなる容量素子に、誘電率が低い容量絶縁膜よりなる容量素子が直列に接続された構造を有することになってしまう。このような構造を有する容量素子に電圧を印加すると、その電圧のほとんどは、誘電率が低い容量絶縁膜に印加されてしまう。その結果、本来電圧が印加されて記憶装置として動作に寄与しなければならない強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜には所望の電圧が印加されず、誤動作を起こす可能性が高い。 Incidentally, as a solution to the composition shift of the ferroelectric thin film or the high dielectric thin film, the first conventional example or the second conventional example has been proposed. As described above, the lower electrode and the capacitive insulating film In the structure in which the buffer layer is interposed therebetween, a new problem occurs. That is, since the buffer layer is not composed of a ferroelectric material or a high dielectric material, the capacitive element in which the buffer layer is interposed between the lower electrode and the capacitive insulating film is a ferroelectric material or a high dielectric material. Thus, a capacitor element made of a capacitor insulating film having a low dielectric constant is connected in series to the capacitor element formed. When a voltage is applied to the capacitor having such a structure, most of the voltage is applied to the capacitor insulating film having a low dielectric constant. As a result, a desired voltage is not applied to the capacitor insulating film made of a ferroelectric or a high dielectric, which originally has to be applied with a voltage and must contribute to the operation of the memory device, and is likely to malfunction.
特に、立体構造を有する容量素子は、0.18μm以下のCMOSで構成されたLSI上に搭載するメガビット級の記憶装置に用いられることから、平面サイズをより小さくする必要があること、及び電源電圧が2V以下になることなどの制約がある。したがって、立体構造を有する容量素子に用いられる容量絶縁膜の膜厚は、100nm以下、理想的には、20nm〜60nmの範囲に設定されることが望ましい。この場合、第1及び第2の従来例に記述されたバッファー層を採用すると、前述したように、本来電圧が印加されて記憶装置として動作に寄与しなければならない強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜には所望の電圧が印加されず、誤動作を起こす可能性が非常に高い。 In particular, since the capacitive element having a three-dimensional structure is used for a megabit-class storage device mounted on an LSI composed of a CMOS of 0.18 μm or less, it is necessary to reduce the plane size, and the power supply voltage Is limited to 2V or less. Therefore, the thickness of the capacitive insulating film used for the capacitive element having a three-dimensional structure is desirably set to 100 nm or less, ideally in the range of 20 nm to 60 nm. In this case, when the buffer layers described in the first and second conventional examples are employed, as described above, the ferroelectric layer or the high dielectric material, which is originally applied with a voltage and has to contribute to the operation as a memory device, is used. A desired voltage is not applied to the capacitor insulating film, and the possibility of malfunctioning is very high.
すなわち、MOCVD法などを用いて約300℃以上の高温下で成膜される強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜を用いた立体構造を有する容量素子を、高性能化及び高信頼性化することができないという問題を従来有していた。 In other words, a capacitive element having a three-dimensional structure using a capacitive insulating film made of a ferroelectric or high dielectric formed at a high temperature of about 300 ° C. or higher by using the MOCVD method or the like is improved in performance and reliability. In the past, there was a problem that it could not be realized.
前記に鑑み、本発明の目的は、実現が容易な構造により、優れた特性を持つ立体構造を有する容量素子を提供することである。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a capacitive element having a three-dimensional structure having excellent characteristics by a structure that can be easily realized.
前記の目的を達成するために、我々は鋭意検討を重ねた結果、下部電極の下地の一部として、容量絶縁膜を構成する金属元素の一部を含んだ犠牲層を設けることにより、容量絶縁膜の組成ずれを防止できることを見出した。すなわち、MOCVD法などを用いて約300℃以上で容量絶縁膜を下部電極上に成膜する際、犠牲層から下部電極中への金属元素の熱拡散が生じて、下部電極中に含まれる容量絶縁膜を構成する金属元素の濃度が高くなることにより、容量絶縁膜から下部電極中への容量絶縁膜を構成する金属元素の熱拡散量が大幅に低減する。このため、従来例のように、バッファー層などの誘電率の低い容量膜を設けることなく、所望の組成を有する強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜を実現することができる。 In order to achieve the above-mentioned purpose, as a result of intensive studies, we have made a capacitive insulation by providing a sacrificial layer containing a part of the metal element constituting the capacitive insulating film as a part of the base of the lower electrode. It has been found that the compositional deviation of the film can be prevented. That is, when a capacitive insulating film is formed on the lower electrode at about 300 ° C. or higher using the MOCVD method or the like, the thermal diffusion of the metal element from the sacrificial layer into the lower electrode occurs, and the capacitance contained in the lower electrode By increasing the concentration of the metal element constituting the insulating film, the amount of thermal diffusion of the metal element constituting the capacitive insulating film from the capacitive insulating film into the lower electrode is significantly reduced. Therefore, unlike the conventional example, a capacitive insulating film made of a ferroelectric or high dielectric having a desired composition can be realized without providing a capacitive film having a low dielectric constant such as a buffer layer.
本発明は前記知見に鑑みてなされたものであり、具体的には、本発明に係る容量素子は、第1の層間絶縁膜に形成されたホールの少なくとも側壁部及び底部に沿うように、下部電極、容量絶縁膜及び上部電極がこの順に形成されてなる容量素子であって、下部電極におけるホールの側壁部に形成されている部分と第1の層間絶縁膜との間には、容量絶縁膜を構成する金属元素のうちの少なくとも1種類の元素を含む犠牲層が形成されていることを特徴とする。 The present invention has been made in view of the above knowledge, and specifically, the capacitive element according to the present invention has a lower portion so as to extend along at least the side wall and bottom of the hole formed in the first interlayer insulating film. A capacitive element in which an electrode, a capacitive insulating film, and an upper electrode are formed in this order, and a capacitive insulating film is provided between a portion of the lower electrode formed on the sidewall of the hole and the first interlayer insulating film. A sacrificial layer containing at least one element among the metal elements constituting is formed.
本発明に係る容量素子によると、容量絶縁膜を構成する金属元素のうちの少なくとも1種類の元素を含む犠牲層を備えた構成を有していることにより、容量絶縁膜の形成時において、容量絶縁膜を構成する元素が、容量素子の大半の面積を占有するホールの側壁部に配置された下部電極へ熱拡散することを防止することができる。このため、組成ずれが防止され所望の組成を有する容量絶縁膜を実現できる。したがって、高性能であって且つ高信頼性を有する大容量の容量素子を小面積で実現可能となる。 According to the capacitive element according to the present invention, since it has a configuration including a sacrificial layer containing at least one element of the metal elements constituting the capacitive insulating film, the capacitance is formed when the capacitive insulating film is formed. It is possible to prevent the elements constituting the insulating film from thermally diffusing to the lower electrode disposed on the side wall of the hole that occupies most of the area of the capacitor. Therefore, it is possible to realize a capacitive insulating film having a desired composition in which composition deviation is prevented. Therefore, a large-capacity capacitive element having high performance and high reliability can be realized in a small area.
本発明に係る容量素子において、容量絶縁膜は、SrBi2(TaxNb1-x)2O9、Pb(ZrxTi1-x)O3、(BixLa1-x)4Ti3O12、及び(BaxSr1-x)TiO3(但し、0≦x≦1)よりなる群の中から選択されるいずれか1種類の材料よりなる場合には、所望の組成を有する強誘電体膜又は高誘電体膜よりなる容量絶縁膜を実現することができる。
In the capacitor element according to the present invention, the capacitor insulating film, SrBi 2 (Ta x Nb 1 -x) 2
本発明に係る容量素子において、犠牲層は、Bi、Pb、Ta、Nb、Zr、Ti、La、Ti、Sr、及びBaよりなる群の中から選択されるいずれか1種類の金属又は複数種類の金属を含んでいることが好ましく、この場合に、犠牲層は金属酸化物よりなることが好ましい。 In the capacitive element according to the present invention, the sacrificial layer may be one kind of metal selected from the group consisting of Bi, Pb, Ta, Nb, Zr, Ti, La, Ti, Sr, and Ba, or a plurality of kinds. In this case, the sacrificial layer is preferably made of a metal oxide.
本発明に係る容量素子において、犠牲層は、絶縁体であることが好ましい。 In the capacitive element according to the present invention, the sacrificial layer is preferably an insulator.
以上の構成を有する犠牲層を用いると、容量絶縁膜から下部電極への金属元素の熱拡散を防止することができる。 When the sacrificial layer having the above structure is used, thermal diffusion of the metal element from the capacitive insulating film to the lower electrode can be prevented.
本発明に係る容量素子において、犠牲層の膜厚は、ホールの直径及び容量絶縁膜の組成ずれに対する抑制効果などに鑑みると、1nm以上であって且つ50nm以下であることが好ましい。 In the capacitive element according to the present invention, the thickness of the sacrificial layer is preferably 1 nm or more and 50 nm or less in view of the effect of suppressing the hole diameter and the composition deviation of the capacitive insulating film.
本発明に係る容量素子において、犠牲層は、下部電極におけるホールの底部に存在する部分の下方の領域であって、下部電極に対して下方から電位が供給される領域を除いた領域にさらに形成されていることが好ましい。 In the capacitive element according to the present invention, the sacrificial layer is further formed in a region below the portion of the lower electrode that exists at the bottom of the hole, excluding a region where a potential is supplied from below to the lower electrode. It is preferable that
このようにすると、犠牲層から下部電極への金属元素の熱拡散量が増えるので、容量絶縁膜から下部電極への金属元素の熱拡散量を低減させることができる。このため、より組成ずれが防止され、より所望の組成を有する容量絶縁膜を実現することができる。したがって、より高性能であって且つより高信頼性を有する大容量の容量素子を小面積で実現可能となる。 This increases the amount of thermal diffusion of the metal element from the sacrificial layer to the lower electrode, so that the amount of thermal diffusion of the metal element from the capacitive insulating film to the lower electrode can be reduced. For this reason, composition deviation is prevented more and a capacitive insulating film having a more desired composition can be realized. Therefore, a large-capacity capacitive element having higher performance and higher reliability can be realized in a small area.
本発明に係る容量素子において、下部電極におけるホールの底部に存在する部分の下部と接するように、酸素又は水素に対してバリア性を有する導電性バリア層を含んだ電極が形成されていることが好ましい。 In the capacitive element according to the present invention, an electrode including a conductive barrier layer having a barrier property against oxygen or hydrogen may be formed so as to be in contact with a lower portion of a portion existing at the bottom of the hole in the lower electrode. preferable.
このようにすると、例えば容量絶縁膜の結晶化に要する高温酸素アニール時に、当該電極と接続されるプラグの表面が酸化されることを防止できたり、下方からの水素の拡散に対するバリア性能を強化できるなど、特性劣化の防止が可能な構造を有する容量素子を実現できる。 In this way, for example, during high-temperature oxygen annealing required for crystallization of the capacitive insulating film, the surface of the plug connected to the electrode can be prevented from being oxidized, and the barrier performance against hydrogen diffusion from below can be enhanced. Thus, it is possible to realize a capacitor element having a structure capable of preventing characteristic deterioration.
本発明に係る容量素子において、下部電極におけるホールの底部に存在する部分は、半導体基板と第1の層間絶縁膜との間の第2の層間絶縁膜中に形成されたプラグを介して、半導体基板の表層部に形成されたトランジスタのソース又はドレインと電気的に接続されていることが好ましい。 In the capacitive element according to the present invention, the portion of the lower electrode existing at the bottom of the hole is connected to the semiconductor via a plug formed in the second interlayer insulating film between the semiconductor substrate and the first interlayer insulating film. It is preferable that the transistor is electrically connected to the source or drain of the transistor formed in the surface layer portion of the substrate.
本発明に係る第1の容量素子の製造方法は、基板上に第1の層間絶縁膜を形成する工程と、第1の層間絶縁膜中にホールを形成する工程と、ホールの側壁部に犠牲層を形成する工程と、ホールの底部及び犠牲層の側面に下部電極を形成する工程と、下部電極の表面を覆うように強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜を形成する工程と、容量絶縁膜の表面を覆うように上部電極を形成する工程とを少なくとも含み、犠牲層は、容量絶縁膜を構成する金属元素のうちの少なくとも1種類の元素を含むことを特徴とする。 A first method for manufacturing a capacitive element according to the present invention includes a step of forming a first interlayer insulating film on a substrate, a step of forming a hole in the first interlayer insulating film, and a sacrifice on a side wall portion of the hole. A step of forming a layer, a step of forming a lower electrode on the bottom of the hole and a side surface of the sacrificial layer, a step of forming a capacitive insulating film made of a ferroelectric or a high dielectric so as to cover the surface of the lower electrode, A step of forming an upper electrode so as to cover the surface of the capacitor insulating film, and the sacrificial layer includes at least one element of metal elements constituting the capacitor insulating film.
本発明に係る第1の容量素子の製造方法によると、容量絶縁膜を構成する金属元素のうちの少なくとも1種類の元素を含む犠牲層を形成することにより、容量絶縁膜の形成時において、容量絶縁膜を構成する元素が、容量素子の大半の面積を占有するホールの側壁部に配置された下部電極へ熱拡散することを防止することができる。このため、組成ずれが防止され所望の組成を有する容量絶縁膜を形成することができる。したがって、高性能であって且つ高信頼性を有する大容量の容量素子を小面積で容易な方法で形成することができる。 According to the first method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, the sacrificial layer containing at least one element of the metal elements constituting the capacitive insulating film is formed. It is possible to prevent the elements constituting the insulating film from thermally diffusing to the lower electrode disposed on the side wall of the hole that occupies most of the area of the capacitor. For this reason, it is possible to form a capacitive insulating film having a desired composition in which composition deviation is prevented. Therefore, a high-capacity capacitive element having high performance and high reliability can be formed with a small area and an easy method.
本発明に係る第1の容量素子の製造方法において、容量絶縁膜を形成する工程が、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)、原子層堆積法(ALD法)、又はスパッタリング法を用いて、SrBi2(TaxNb1-x)2O9、Pb(ZrxTi1-x)O3、(BixLa1-x)4Ti3O12、及び(BaxSr1-x)TiO3(但し、以上におけるxは、0≦x≦1の関係式を満たす)よりなる群の中から選択されるいずれか1種類の材料よりなる容量絶縁膜を形成する工程を含む場合には、MOCVD法などを用いて容量絶縁膜を下部電極上に成膜する際に問題となる、容量絶縁膜から下部電極への金属元素の熱拡散を防止して、所望の組成を有する強誘電体膜又は高誘電体膜よりなる容量絶縁膜を形成することができる。
In the first method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, the step of forming the capacitive insulating film is performed using a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), an atomic layer deposition method (ALD method), or a sputtering method. , SrBi 2 (Ta x Nb 1 -x) 2
また、成膜時の温度が300℃以上である条件下で行なわれる場合に特に問題となる、容量絶縁膜から下部電極への金属元素の熱拡散を防止して、所望の組成を有する強誘電体膜又は高誘電体膜よりなる容量絶縁膜を形成することができる。 In addition, a ferroelectric having a desired composition can be obtained by preventing thermal diffusion of a metal element from the capacitive insulating film to the lower electrode, which is particularly problematic when the temperature during film formation is 300 ° C. or higher. A capacitive insulating film made of a body film or a high dielectric film can be formed.
本発明に係る第1の容量素子の製造方法において、犠牲層を形成する工程は、ホールの側壁部及び底部を含む第1の層間絶縁膜上に、犠牲層形成用の薄膜を堆積する工程と、犠牲層形成用の薄膜をエッチバックすることにより、犠牲層を形成する工程とを含むことが好ましい。このようにすると、ホールの側壁部に犠牲層を容易な方法で形成することができる。 In the first method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, the step of forming the sacrificial layer includes a step of depositing a thin film for forming the sacrificial layer on the first interlayer insulating film including the side wall portion and the bottom portion of the hole. And a step of forming a sacrificial layer by etching back the thin film for forming the sacrificial layer. If it does in this way, a sacrificial layer can be formed in the side wall part of a hole by an easy method.
また、犠牲層形成用の薄膜を堆積する工程は、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)、原子層堆積法(ALD法)、又はスパッタリング法を用いて行なわれることが好ましい。このようにすると、犠牲層形成用の薄膜を段差被覆性良く形成することができる。 The step of depositing the thin film for forming the sacrificial layer is preferably performed using a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), an atomic layer deposition method (ALD method), or a sputtering method. In this way, a thin film for forming a sacrificial layer can be formed with good step coverage.
本発明に係る第1の容量素子の製造方法において、犠牲層は、Bi、Pb、Ta、Nb、Zr、Ti、La、Ti、Sr、及びBaよりなる群の中から選択されるいずれか1種類の金属又は複数種類の金属を含んでいることが好ましく、この場合に、犠牲層は金属酸化物よりなることが好ましい。 In the first method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, the sacrificial layer is any one selected from the group consisting of Bi, Pb, Ta, Nb, Zr, Ti, La, Ti, Sr, and Ba. It is preferable that a kind of metal or a plurality of kinds of metals are included. In this case, the sacrificial layer is preferably made of a metal oxide.
本発明に係る第1の容量素子の製造方法において、犠牲層は、絶縁体であることが好ましい。 In the first method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, the sacrificial layer is preferably an insulator.
以上の構成を有する犠牲層を用いると、容量絶縁膜から下部電極への金属元素の熱拡散を防止することができる。 When the sacrificial layer having the above structure is used, thermal diffusion of the metal element from the capacitive insulating film to the lower electrode can be prevented.
本発明に係る第1の容量素子の製造方法において、下部電極を形成する工程よりも後であって且つ容量絶縁膜を形成する工程よりも前に、300℃以上であって且つ800℃以下の温度範囲にて熱処理を行なうことにより、犠牲層を構成する金属元素を下部電極へ拡散させる工程をさらに含むことが好ましい。 In the first method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, the temperature is 300 ° C. or higher and 800 ° C. or lower after the step of forming the lower electrode and before the step of forming the capacitive insulating film. It is preferable to further include a step of diffusing the metal element constituting the sacrificial layer into the lower electrode by performing heat treatment in the temperature range.
このようにすると、容量絶縁膜を形成する前に、犠牲層から下部電極中に容量絶縁膜を構成する少なくとも一種類の元素を熱拡散させておくので、容量絶縁膜の形成の際における容量絶縁膜から下部電極への金属元素の熱拡散をより防止することができる。このため、より所望の組成を有する容量絶縁膜を形成することができる。したがって、より高性能であって且つより高信頼性を有する大容量の容量素子を小面積で容易な方法で形成することができる。 In this case, since at least one element constituting the capacitive insulating film is thermally diffused from the sacrificial layer into the lower electrode before the capacitive insulating film is formed, the capacitive insulation in the formation of the capacitive insulating film is performed. The thermal diffusion of the metal element from the film to the lower electrode can be further prevented. For this reason, a capacitive insulating film having a more desired composition can be formed. Therefore, a large-capacity capacitive element having higher performance and higher reliability can be formed with a small area and an easy method.
本発明に係る第1の容量素子の製造方法において、第1の層間絶縁膜を形成する工程よりも前に、基板上に、酸素又は水素に対してバリア性を有する導電性バリア層を含んだ電極を形成する工程をさらに含み、第1の層間絶縁膜を形成する工程は、基板上に、導電性バリア層を含んだ電極を覆うように第1の層間絶縁膜を形成する工程であり、ホールを形成する工程は、第1の層間絶縁膜中に、導電性バリア層を含んだ電極の上面を露出させるようにホールを形成する工程であり、下部電極を形成する工程は、ホールの底部及び犠牲層の側面に、導電性バリア層を含んだ電極の上部と接するように下部電極を形成する工程であることが好ましい。 In the first method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, a conductive barrier layer having a barrier property against oxygen or hydrogen is included on the substrate before the step of forming the first interlayer insulating film. The step of forming the first interlayer insulating film further includes a step of forming an electrode, and the step of forming the first interlayer insulating film is a step of forming the first interlayer insulating film on the substrate so as to cover the electrode including the conductive barrier layer, The step of forming the hole is a step of forming a hole in the first interlayer insulating film so as to expose the upper surface of the electrode including the conductive barrier layer, and the step of forming the lower electrode is a bottom portion of the hole. In addition, it is preferable to form a lower electrode on the side surface of the sacrificial layer so as to be in contact with the upper portion of the electrode including the conductive barrier layer.
このようにすると、例えば容量絶縁膜の結晶化に要する高温酸素アニール時に、当該電極と接続されるプラグの表面が酸化されることを防止できたり、下方からの水素の拡散に対するバリア性能を強化できるなど、特性劣化の防止が可能な構造を有する容量素子を実現できる。 In this way, for example, during high-temperature oxygen annealing required for crystallization of the capacitive insulating film, the surface of the plug connected to the electrode can be prevented from being oxidized, and the barrier performance against hydrogen diffusion from below can be enhanced. Thus, it is possible to realize a capacitor element having a structure capable of preventing characteristic deterioration.
本発明に係る第2の容量素子の製造方法は、基板上に電極を形成する工程と、基板上に、電極を覆うように第1の層間絶縁膜を形成する工程と、第1の層間絶縁膜中に、電極の上面が露出するようにホールを形成する工程と、ホールの底部及び側壁部を含む第1の層間絶縁膜の上に、犠牲層形成用の薄膜膜を堆積する工程と、犠牲層形成用の薄膜の上に導電膜を形成する工程と、導電膜及び犠牲層形成用の薄膜をエッチバックすることにより、ホールの側壁部とホールの底部の一部とに、犠牲層及び下部電極を同一の工程にて形成すると共に、エッチバックの際に露出する導電性バリア層を含んだ電極の上面をスパッタエッチングすることにより、導電性バリア層を含んだ電極を構成する金属が犠牲層におけるホールの底部に形成されたエッチング端面に付着して、下部電極と導電性バリア層を含んだ電極とを接続する接続電極を形成する工程と、導電性バリア層を含んだ電極におけるホールの底部に露出している部分と、接続電極の表面と、下部電極の表面とを少なくとも覆うように、強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜を形成する工程と、容量絶縁膜の表面を覆うように上部電極を形成する工程を少なくとも含み、犠牲層は、容量絶縁膜を構成する金属元素のうちの少なくとも1種類の元素を含むことを特徴とする。 The second method for manufacturing a capacitive element according to the present invention includes a step of forming an electrode on a substrate, a step of forming a first interlayer insulating film on the substrate so as to cover the electrode, and a first interlayer insulation. Forming a hole in the film so that the upper surface of the electrode is exposed; depositing a thin film for forming a sacrificial layer on the first interlayer insulating film including the bottom and side walls of the hole; Forming a conductive film on the thin film for forming the sacrificial layer; and etching back the conductive film and the thin film for forming the sacrificial layer, so that the sacrificial layer and the part of the bottom of the hole The lower electrode is formed in the same process, and the upper surface of the electrode including the conductive barrier layer exposed during the etch back is sputter etched to sacrifice the metal constituting the electrode including the conductive barrier layer. Layer formed at the bottom of the hole in the layer. Forming a connection electrode that adheres to the edge surface of the substrate and connects the lower electrode and the electrode including the conductive barrier layer; and a portion exposed at the bottom of the hole in the electrode including the conductive barrier layer; Forming a capacitor insulating film made of a ferroelectric or high dielectric so as to cover at least the surface of the connection electrode and the surface of the lower electrode, and forming an upper electrode so as to cover the surface of the capacitor insulating film. The sacrificial layer includes at least one element of metal elements constituting the capacitor insulating film.
本発明に係る第2の容量素子の製造方法によると、本発明に係る第1の容量素子の製造方法と比べて、容量絶縁膜を構成する金属元素のうちの少なくとも1種類の元素を含む犠牲層を、ホールの側壁部だけではなく底部の一部にも形成することにより、容量絶縁膜の形成時において、容量絶縁膜を構成する元素が、容量素子の大半の面積を占有するホールの側壁部に配置された下部電極へ熱拡散することをより防止することができる。このため、より所望の組成を有する容量絶縁膜を形成することができる。したがって、より高性能であって且つより高信頼性を有する大容量の容量素子を小面積で容易な方法で形成することができる。 According to the second method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, as compared with the first method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, the sacrifice including at least one element of the metal elements constituting the capacitive insulating film. By forming the layer not only on the side wall portion of the hole but also on a part of the bottom portion, the element constituting the capacitive insulating film occupies most of the area of the capacitive element when forming the capacitive insulating film. It is possible to further prevent thermal diffusion to the lower electrode disposed in the part. For this reason, a capacitive insulating film having a more desired composition can be formed. Therefore, a large-capacity capacitive element having higher performance and higher reliability can be formed with a small area and an easy method.
本発明に係る第2の容量素子の製造方法において、電極は、酸素又は水素に対してバリア性を有する導電性バリア層を含むことが好ましい。 In the second method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, the electrode preferably includes a conductive barrier layer having a barrier property against oxygen or hydrogen.
このようにすると、例えば容量絶縁膜の結晶化に要する高温酸素アニール時に、当該電極と接続されるプラグの表面が酸化されることを防止できたり、下方からの水素の拡散に対するバリア性能を強化できるなど、特性劣化の防止が可能な構造を有する容量素子を実現できる。 In this way, for example, during high-temperature oxygen annealing required for crystallization of the capacitive insulating film, the surface of the plug connected to the electrode can be prevented from being oxidized, and the barrier performance against hydrogen diffusion from below can be enhanced. Thus, it is possible to realize a capacitor element having a structure capable of preventing characteristic deterioration.
本発明に係る容量素子及びその製造方法によると、下部電極の下地の一部として、容量絶縁膜を構成する金属元素の一部を含んだ犠牲層を設けることにより、容量絶縁膜の組成ずれを防止できる。すなわち、例えばMOCVD法などを用いて約300℃以上で容量絶縁膜を下部電極上に成膜する際、犠牲層から下部電極中への金属元素の熱拡散が生じて、下部電極中に含まれる容量絶縁膜を構成する金属元素の濃度が高くなることにより、容量絶縁膜から下部電極中への容量絶縁膜を構成する金属元素の熱拡散量が大幅に低減する。このため、所望の組成を有する強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜を実現でき、優れた特性を持つ立体構造を有する容量素子を実現が容易な構造により提供することができる。 According to the capacitive element and the method for manufacturing the same according to the present invention, by providing a sacrificial layer containing a part of the metal element constituting the capacitive insulating film as a part of the base of the lower electrode, the compositional deviation of the capacitive insulating film is reduced. Can be prevented. That is, for example, when a capacitive insulating film is formed on the lower electrode at about 300 ° C. or more using the MOCVD method or the like, thermal diffusion of the metal element from the sacrificial layer into the lower electrode occurs and is included in the lower electrode By increasing the concentration of the metal element constituting the capacitive insulating film, the amount of thermal diffusion of the metallic element constituting the capacitive insulating film from the capacitive insulating film into the lower electrode is greatly reduced. Therefore, a capacitive insulating film made of a ferroelectric or high dielectric having a desired composition can be realized, and a capacitive element having a three-dimensional structure with excellent characteristics can be provided with a structure that can be easily realized.
以下に、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
以下に、本発明の第1の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置について説明する。
(First embodiment)
A semiconductor memory device using a capacitive element having a three-dimensional structure according to the first embodiment of the present invention will be described below.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置の構造を示す要部断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part showing the structure of a semiconductor memory device using a capacitive element having a three-dimensional structure according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、半導体基板1上における素子分離領域2によって区画された素子形成領域には、ゲート3が形成されており、また、半導体基板1の表層部におけるゲート3の周囲には、活性領域4が形成されている。半導体基板1上の全面には、素子分離領域2、ゲート3及び活性領域4を覆うように、SiO2 又はSiNよりなる第1の層間絶縁膜5が形成されている。第1の層間絶縁膜5中には、タングステンよりなるか又はn型不純物がドープされた低抵抗ポリシリコンよりなり、下端が活性領域4と接続するプラグコンタクト6が形成されている。
As shown in FIG. 1, a
また、第1の層間絶縁膜5及びプラグコンタクト6の上には、SiO2 又はSiNよりなる第2の層間絶縁膜7が形成されており、該第2の層間絶縁膜7には、プラグコンタクト6の上面を露出させるホール8が形成されている。ここで、容量素子の容量を大きくするためには、第2の層間絶縁膜7の膜厚はなるべく厚いことが望ましいが、本実施形態では、第2の層間絶縁膜7の膜厚は、1μm以上である。また、ホール8の直径としては、0.2μm以上であって且つ1μm以下の範囲を想定しており、本実施形態では、その直径は約0.6μmである。後述する立体構造を有する容量素子は、このホール8の底部及び側壁部を利用して形成されている。
A second
また、ホール8の側壁部には、後述する強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜11を構成する金属元素のうちの少なくとも1種類の元素を含む材料、ここでは、Biを含む金属酸化物よりなる犠牲層9が形成されている。また、犠牲層9を構成する材料としては、例えば、BixOy(但し、0<x≦1、0<y≦1)、BixTayOz(但し、0<x≦1、0<y≦1、0<z≦1)、又はSrBi2(TaxNb1-x)O9(但し、0≦x≦1)などが用いられる。また、犠牲層9の膜厚は、ホール8の直径及び容量絶縁膜11の組成ずれに対する抑制効果などに鑑みて、1nm以上であって且つ50nm以下の範囲に設定している。
Further, the side wall of the
また、ホール8の底部並びに犠牲層9の表面には、下部電極10が形成されている。ここで、下部電極10を構成する材料としては、Pt、Ir、IrO2 、Ru、若しくはRuO2 などの貴金属又はその酸化物を含む導電性材料が用いられる。また、下部電極10の膜厚は、10nm以上であって且つ50nm以下の範囲を想定している。本実施形態では、下部電極10の材料として、IrO2 が用いられており、その膜厚は30nmである。
A
また、下部電極10及び第2の層間絶縁膜7の上には、下部電極10の表面を覆うように、強誘電体又は高誘電体、例えばSrBi2(TaxNb1-x)2O9(但し、0≦x≦1)よりなる容量絶縁膜11が形成されている。容量絶縁膜11は、凹部の段差被覆性が良好な成膜方法、すなわちMOCVD法で形成されている。また、その成膜温度は、約300℃以上である。ここで、犠牲層9は容量絶縁膜11を構成する金属元素のうちの少なくとも1種類の元素を含む材料よりなるので、容量絶縁膜11の成膜時において、犠牲層9を構成する金属元素が下部電極10へ熱拡散することにより、下部電極10内には、容量絶縁膜11を構成する金属元素が大量に含有されることとなる。このため、容量絶縁膜11の成膜時において、容量絶縁膜11を構成する金属元素が容量絶縁膜11から下部電極10へ熱拡散する濃度は、犠牲層9が形成されていない場合と比較して大幅に減少する。したがって、所望の組成を有する容量絶縁膜11を容易に実現できる。なお、容量絶縁膜11の膜厚は、12.5nm以上であって且つ100nm以下の範囲である。また、本実施形態では、容量絶縁膜11の膜厚は50nmである。
On the
また、容量絶縁膜11の上には、その表面を覆うように、上部電極12が形成されている。ここで、上部電極12を構成する材料としては、Pt、Ir、IrO2 、Ru、若しくはRuO2 などの貴金属又はその酸化物を含む導電性材料が用いられる。また、上部電極12の膜厚は、10nm以上であって且つ50nm以下の範囲を想定している。本実施形態では、上部電極12の材料としてIrO2 が用いられており、その膜厚は30nmである。以上の構成により、立体構造を有する容量素子13が完成している。
An
以上のように、本発明の第1の実施形態に係る凹型の立体構造を有する容量素子を備えた半導体記憶装置では、ホール8の一部、本実施形態では容量素子13のかなりの面積を占めるホール8の側壁部に、容量絶縁膜11を構成する金属元素の一部又は全部を含む犠牲層9が形成されていることにより、容量絶縁膜11を成膜する際に、容量絶縁膜11を構成する元素が下部電極9へ熱拡散することを防止できるので、強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜11の組成ずれを防止することができる。すなわち、従来例では、300℃以上の温度で成膜するMOCVD法などを用いた容量絶縁膜11の形成の際に、容量絶縁膜11を構成する金属元素が下部電極10へ熱拡散することが問題であったが、本発明の第1の実施形態によると、この問題を解決することができる。このようにして、実現が容易な構造により、特性に優れた容量素子13を実現することができる。
As described above, in the semiconductor memory device including the capacitive element having the concave three-dimensional structure according to the first embodiment of the present invention, a part of the
以下に、図1に示した立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置の製造方法について説明する。 A method for manufacturing a semiconductor memory device using the capacitive element having the three-dimensional structure shown in FIG. 1 will be described below.
図2(a)〜(c)及び図3(a)及び(b)は、本発明の第1の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を備えた半導体記憶装置の製造方法を示す工程断面図である。 2A to 2C and FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor memory device including a capacitive element having a three-dimensional structure according to the first embodiment of the present invention. FIG.
まず、図2(a)に示すように、半導体基板1上における素子分離領域2によって区画された素子形成領域に、ゲート3を形成した後に、該ゲート3をマスクとして、半導体基板1の表層部に活性領域4を形成する。続いて、CVD法により、半導体基板1上の全面に、素子分離領域2、ゲート3及び活性領域4を覆うように、SiO2 又はSiNよりなる第1の層間絶縁膜5を形成する。続いて、第1の層間絶縁膜5中にコンタクトホールを開口した後に、該コンタクトホールの内部に、タングステンよりなるか又はn型不純物がドープされた低抵抗ポリシリコンよりなるプラグコンタクト6を形成する。
First, as shown in FIG. 2A, after a
次に、図2(b)に示すように、CVD法により、第1の層間絶縁膜5及びプラグコンタクト6の上に、SiO2 又はSiNよりなる第2の層間絶縁膜7を形成した後に、第2の層間絶縁膜7中に、プラグコンタクト6の上面を露出させるホール8を開口する。
Next, as shown in FIG. 2B, after the second
次に、図2(c)に示すように、MOCVD法により、ホール8の底部及び側壁部並びに第2の層間絶縁膜7の上に、後述する犠牲層9を構成するBiを含む金属酸化物よりなる薄膜を堆積する。なお、ここでは、MOCVD法を用いたが、ALD法又はスパッタリング法を用いることも可能である。続いて、この薄膜をエッチバックすることにより、ホール8の側壁部にのみ犠牲層9を形成する。ここで、エッチバックには、塩素又はフッ素を含むガスが用いられる。
Next, as shown in FIG. 2C, a metal oxide containing Bi constituting a
次に、図3(a)に示すように、スパッタリング法により、ホール8の底部、犠牲層9の表面、及び第2の層間絶縁膜7の表面に、Pt、Ir、IrO2 、Ru、若しくはRuO2 などの貴金属又はその酸化物を含む導電性材料を堆積した後に、該導電性材料をエッチングして、少なくとも犠牲層9の表面及びホール8の底部を覆う下部電極10を形成する。
Next, as shown in FIG. 3A, Pt, Ir, IrO 2 , Ru, or Ru are formed on the bottom of the
次に、図3(b)に示すように、MOCVD法により、第2の層間絶縁膜7の表面及び下部電極10の表面を覆うように、SrBi2(TaxNb1-x)2O9(0≦x≦1)よりなる容量絶縁膜11を成膜する。なお、成膜方法としては、MOCVD法の代わりに、ALD法又はスパッタリング法を用いることも可能である。これらのいずれの方法を用いて容量絶縁膜11を成膜する場合においても、成膜温度は約300℃以上である。ここで、従来例では、この成膜温度においては、容量絶縁膜11を構成する金属元素、本実施形態の場合であればBiが、下部電極10へ熱拡散することにより、容量絶縁膜11の組成ずれ、つまりBi組成の減少を生じさせる可能性があった。しかしながら、本実施形態では、Biを含んだ犠牲層9を形成しているため、容量絶縁膜11の成膜時に、犠牲層9からも該犠牲層9を構成するBiが下部電極10へ熱拡散し、下部電極10の内部のBi濃度が高くなる。このため、容量絶縁膜11から下部電極10へ熱拡散するBiの量が減少する。したがって、容量絶縁膜11の組成ずれを防止することができる。また、容量絶縁膜11を成膜する前に、300℃以上であって且つ800℃以下の範囲で熱処理を施して、犠牲層9から該犠牲層9を構成する金属元素を下部電極10へ予め熱拡散させることも可能である。本実施形態では、酸素雰囲気下で650℃、1分間、RTA法を用いて熱処理を行なう。これにより、容量絶縁膜11の組成ずれを防止する効果が強化することができる。続いて、スパッタリング法により、容量絶縁膜11の表面に、Pt、Ir、IrO2 、Ru、若しくはRuO2などの貴金属又はその酸化物を含む導電性材料よりなる上部電極12を形成する。続いて、容量絶縁膜11を結晶化する目的で、酸素雰囲気中、650℃以上であって且つ800℃以下の範囲で、約1分間、RTA法を用いて熱処理を行なう。以上の工程により、立体構造を有する容量素子13が完成する。
Next, as shown in FIG. 3B, SrBi 2 (Ta x Nb 1-x ) 2 O 9 is formed so as to cover the surface of the second
以上のように、本発明の第1の実施形態に係る凹型の立体構造を有する容量素子を備えた半導体記憶装置の製造方法では、ホール8の一部、本実施形態では容量素子13のかなりの面積を占めるホール8の側壁部に、容量絶縁膜11を構成する金属元素の一部又は全部を含む犠牲層9を形成することにより、容量絶縁膜11を成膜する際に、容量絶縁膜11を構成する元素が下部電極10へ熱拡散することを防止できるので、強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜11の組成ずれを容易に防止することができる。すなわち、従来例では、300℃以上の温度で成膜するMOCVD法などを用いた容量絶縁膜11の形成する際に、容量絶縁膜11を構成する金属元素が下部電極10へ熱拡散することが問題であったが、本発明の第1の実施形態によると、この問題を解決することができる。このようにして、実現が容易な構造により、特性に優れた容量素子13を実現することができる。
As described above, in the method for manufacturing the semiconductor memory device including the capacitive element having the concave three-dimensional structure according to the first embodiment of the present invention, a part of the
(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置及びその製造方法について説明する。
(Second Embodiment)
A semiconductor memory device using a capacitive element having a three-dimensional structure according to the second embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described below.
図4は、本発明の第2の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置の構造を示す要部断面図である。なお、図4では、図1と共通する部分には、図1に示した符号と同一の符号が付されている。 FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part showing the structure of a semiconductor memory device using a capacitive element having a three-dimensional structure according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same reference numerals as those shown in FIG.
図4に示す本発明の第2の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置は、図1に示した本発明の第1の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置と比較して、容量素子13の下部の構造が異なっており、それ以外の部分は同様であるので、以下では、その異なる点を中心に説明する。
The semiconductor memory device using the capacitive element having the three-dimensional structure according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 4 includes the capacitive element having the three-dimensional structure according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. Compared with the semiconductor memory device used, the structure of the lower portion of the
図4に示す本実施形態に係る半導体記憶装置の構造が、図1に示した第1の実施形態に係る半導体記憶装置の構造と異なる点は、第1の層間絶縁膜5及びプラグコンタクト6の上に、電極14が形成されている点である。すなわち、図4に示すように、第1のバリア層15及び第2のバリア層16の積層膜よりなる電極14は、ホール8の底部領域以上の領域を有しており、プラグコンタクト6の上端を覆うと共に下部電極10に接するように配置されている。ここで、第1のバリア層15は、電極14の上層を構成する酸素に対するバリア層であって、IrO2、Ir、RuO2、又はRuから選ばれる材料よりなる単層膜あるいは積層膜よりなり、第2のバリア層16は、電極14の下層を構成する酸素又は水素に対するバリア層であって、TiAlN、TaAlN、TiSiN又はTaSiNよりなる。また、電極14は、第1のバリア層15及び第2のバリア層16よりなる積層膜を少なくとも含む構造であればよい。また、第1のバリア層15の膜厚は、10nm以上であって且つ100nm以下の範囲であり、第2のバリア層16の膜厚は、10nm以上であって且つ100nm以下の範囲である。
The structure of the semiconductor memory device according to the present embodiment shown in FIG. 4 is different from the structure of the semiconductor memory device according to the first embodiment shown in FIG. 1 in that the first
なお、本実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法は、前述した第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法に加えて、電極14を形成する工程を追加すればよい。具体的には、前述した第1の実施形態に用いた図2(a)に示す工程よりも後であって図2(b)に示す工程よりも前に、すなわち、図2(a)に示したプラグコンタクト6を形成した後に、プラグコンタクト6の上端を覆うように、前述した第2のバリア層16及び第1のバリア層15よりなる電極14を形成する。その後、第1の層間絶縁膜5及び電極14の上に第2の層間絶縁膜7を形成した後に、第2の層間絶縁膜7中に、電極14の上面を露出させるホール8を開口する。以降の工程は、図2(c)、図3(a)及び(b)を用いた説明と同様である。
Note that the semiconductor memory device manufacturing method according to the present embodiment may include a step of forming the
以上のように、本発明の第2の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置及びその製造方法によると、電極14を備えたことにより、第1の実施形態でも説明した容量絶縁膜11の結晶化に要する高温酸素アニール時に、プラグコンタクト6の表面が酸化されることを防止できると共に、容量素子13の下方からの水素の拡散に対するバリア性能を強化することができる。このため、容量素子13の特性劣化を防止することができる。
As described above, according to the semiconductor memory device using the capacitive element having a three-dimensional structure and the manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention, the
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置について説明する。
(Third embodiment)
A semiconductor memory device using a capacitive element having a three-dimensional structure according to the third embodiment of the present invention will be described below.
図5は、本発明の第3の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置の構造を示す要部断面図である。なお、図5では、図1及び図3と共通する部分には図1及び図3で用いた符号と同一の符号が付されている。 FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view showing the structure of a semiconductor memory device using a capacitive element having a three-dimensional structure according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same reference numerals as those used in FIG. 1 and FIG.
図5に示す本発明の第3の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置についても、図4に示した本発明の第2の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置と異なる点を中心に説明する。 Also for the semiconductor memory device using the capacitive element having the three-dimensional structure according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 5, the capacitive element having the three-dimensional structure according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. The description will focus on the differences from the semiconductor memory device using the.
図5に示す本発明の第3の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置では、犠牲層9が、ホール8の側壁部に加えて底部の一部にも形成されており、この点で、第2の実施形態に係る半導体記憶装置と異なっている。ここで、犠牲層9におけるホール8の底部に形成されている部分は、ホール8の底部領域であって且つ下部電極10に対して下方から電位が供給される領域以外の領域に形成されている。
In the semiconductor memory device using the capacitive element having a three-dimensional structure according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 5, the
さらに、図5に示す本発明の第3の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置では、電極14の上面と下部電極10とを接続するように、傾斜部を有する接続電極17が形成されており、この点で、第2の実施形態に係る半導体記憶装置と異なっている。なお、傾斜部を有する接続電極17が形成されていることにより、容量絶縁膜11における底部の角部及び上部電極12における底部の角部は傾斜形状となっている。このように、容量絶縁膜11及び下部電強17は段差被覆性良く形成されている。
Further, in the semiconductor memory device using the capacitive element having a three-dimensional structure according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 5, the connection having an inclined portion so as to connect the upper surface of the
以下に、本発明の第3の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置の製造方法について説明する。 A method for manufacturing a semiconductor memory device using a capacitive element having a three-dimensional structure according to the third embodiment of the present invention will be described below.
図6(a)及び(b)並びに図7(a)及び(b)は、本発明の第3の実施形態に係る立体構造を有する容量素子を用いた半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。 6 (a) and 6 (b) and FIGS. 7 (a) and 7 (b) are main parts showing a method for manufacturing a semiconductor memory device using a capacitive element having a three-dimensional structure according to the third embodiment of the present invention. It is process sectional drawing.
まず、図6(a)に示すように、半導体基板1上における素子分離領域2によって区画された素子形成領域に、ゲート3を形成した後に、該ゲート3をマスクとして、半導体基板1の表層部に活性領域4を形成する。続いて、CVD法により、半導体基板1上の全面に、素子分離領域2、ゲート3及び活性領域4を覆うように、SiO2 又はSiNよりなる第1の層間絶縁膜5を形成する。続いて、第1の層間絶縁膜5中にコンタクトホールを開口した後に、該コンタクトホールの内部に、タングステンよりなるか又はn型不純物がドープされた低抵抗ポリシリコンよりなるプラグコンタクト6を形成する。さらに、本実施形態では、第1の層間絶縁膜5及びプラグコンタクト6の上に、該プラグコンタクト6の上端を覆うように、第1のバリア層15及び第2のバリア層16の積層膜よりなる電極14を形成する。ここで、電極14は、後述するホール8の底部領域以上の領域を有していると共に、第1のバリア層15は、電極14の上層を構成する酸素に対するバリア層であって、IrO2、Ir、RuO2、又はRuから選ばれる材料よりなる単層膜あるいは積層膜よりなり、第2のバリア層16は、電極14の下層を構成する酸素又は水素に対するバリア層であって、TiAlN、TaAlN、TiSiN又はTaSiNよりなる。また、電極14は、第1のバリア層15及び第2のバリア層16よりなる積層膜を少なくとも含む構造であればよい。また、第1のバリア層15の膜厚は、10nm以上であって且つ100nm以下の範囲であり、第2のバリア層16の膜厚は、10nm以上であって且つ100nm以下の範囲である。
First, as shown in FIG. 6A, after forming a
次に、図6(b)に示すように、CVD法により、第1の層間絶縁膜5の上に、電極14を覆うように、SiO2 又はSiNよりなる第2の層間絶縁膜7を形成した後に、該第2の層間絶縁膜7中に、電極14の上面を露出させるホール8を開口する。
Next, as shown in FIG. 6B, a second
次に、図7(a)に示すように、MOCVD法により、ホール8の底部及び側壁部並びに第2の層間絶縁膜7の表面に、後述する犠牲層を構成するBiを含む金属酸化物よりなる薄膜を堆積する。なお、ここでは、MOCVD法を用いたが、ALD法又はスパッタリング法を用いることも可能である。さらに、スパッタリング法により、犠牲層を構成する薄膜を覆うように、Pt、Ir、IrO2 、Ru、若しくはRuO2 などの貴金属又はその酸化物を含む導電性材料を堆積する。続いて、犠牲層を構成する薄膜及び堆積された導電性材料をエッチバックすることにより、ホール8の側壁部及び底部の一部に犠牲層9及び下部電極10を形成する。ここで、エッチバックには、塩素又はフッ素を含むガスが用いられる。このように、本実施形態では、犠牲層9は、ホール8の側壁部に加えて底部の一部にも配置されており、犠牲層9におけるホール8の底部に形成されている部分は、ホール8の底部領域であって且つ下部電極10に対して下方から電位が供給される領域以外の領域に形成されている。さらに、本実施形態では、エッチバックによって電極14の上面が露出する際に、電極14を構成する材料の一部がエッチングされ、エッチングされた電極14を構成する材料が、犠牲層9及び下部電極10におけるホール8の底部に位置するエッチング端面に付着することにより、傾斜部を有する接続電極17が形成される。これにより、下部電極10と電極14とを電気的に接続することが可能となる。このようにして接続電極17が形成されるのは、電極14を構成する貴金属材料が化学反応性に乏しいことから、電極14に対するエッチングが物理的なスパッタエッチングとなる特徴を活かすことによって実現されている。なお、ここでのエッチバックには、塩素又はフッ素を含むガスに加えてアルゴンなどの不活性ガスが用いられる。
Next, as shown in FIG. 7A, a metal oxide containing Bi constituting a sacrificial layer described later is formed on the bottom and side walls of the
次に、図7(b)に示すように、MOCVD法により、第2の層間絶縁膜7の表面、犠牲層9の表面、下部電極10の表面、接続電極17の表面、及び電極14におけるホール8の底部に露出している部分を覆うように、SrBi2(TaxNb1-x)2O9(0≦x≦1)よりなる容量絶縁膜11を成膜する。なお、成膜方法としては、MOCVD法の代わりに、ALD法又はスパッタリング法を用いることも可能である。これらのいずれの方法を用いて容量絶縁膜11を成膜する場合であっても、その成膜温度は約300℃以上である。ここで、従来例では、この成膜温度においては、容量絶縁膜11を構成する金属元素、本実施形態の場合であればBiが、下部電極10へ熱拡散することにより、容量絶縁膜11の組成ずれ、つまりBi組成の減少を生じさせる可能性があった。しかしながら、本実施形態では、Biを含んだ犠牲層9をホール8の側壁部に加えて底部の一部にも形成しているので、容量絶縁膜11の成膜時において、犠牲層9からも該犠牲層9を構成するBiが下部電極10へより熱拡散し、下部電極10の内部のBi濃度がより高くなる。このため、容量絶縁膜11から下部電極10へ熱拡散するBiの量がより減少する。したがって、容量絶縁膜11の組成ずれをより防止することができる。また、容量絶縁膜11を成膜する前に、300℃以上であって且つ800℃以下の範囲で熱処理を施して、犠牲層9から該犠牲層9を構成する金属元素を下部電極10へ予め熱拡散させることも可能である。本実施形態では、酸素雰囲気下で650℃、1分間、RTA法を用いた熱処理を行なう。これにより、容量絶縁膜11の組成ずれを防止する効果を一層強化することができる。続いて、スパッタリング法により、容量絶縁膜11の表面に、Pt、Ir、IrO2 、Ru、若しくはRuO2などの貴金属又はその酸化物を含む導電性材料よりなる上部電極12を形成する。なお、傾斜部を有する接続電極17が配置されていることにより、容量絶縁膜11における底部の角部及び上部電極12における底部の角部は傾斜形状となる。また、接続電極17が傾斜部を有していることから、容量絶縁膜11及び上部電極12を段差被覆性良く形成することができる。続いて、容量絶縁膜11を結晶化する目的で、酸素雰囲気中、650℃以上であって且つ800℃以下の範囲で約1分間、RTA法を用いて熱処理を行なう。以上の工程により、立体構造を有する容量素子13が完成する。
Next, as shown in FIG. 7B, the surface of the second
以上のように、本発明の第3の実施形態に係る凹型の立体構造を有する容量素子を備えた半導体記憶装置及びその製造方法によると、前述した第2の実施形態による効果に加えて、犠牲層9がホール8の側壁部に加えて底部の一部にも形成されていることから、容量絶縁膜11の組成ずれに対する抑制をより一層強化できる。このため、より特性に優れた容量素子13を実現することができる。さらに、容量絶縁膜11の組成ずれに対する抑制をより一層強化可能な構造を容易な方法で実現することができる。また、段差被覆性に優れた容量絶縁膜11及び上部電極12を実現することができる。
As described above, according to the semiconductor memory device including the capacitive element having the concave three-dimensional structure and the manufacturing method thereof according to the third embodiment of the present invention, in addition to the effects of the second embodiment described above, the sacrifice is performed. Since the
なお、以上の第1〜第3の実施形態では、凹型の立体構造を有する容量素子を有する半導体記憶装置を例に用いて説明したが、本発明はこの構成に限定される趣旨ではなく、凸型などの段差部に形成された立体構造の容量素子を有する半導体記憶装置の場合であっても、本発明は同様に実現可能である。 In the first to third embodiments described above, the semiconductor memory device having a capacitor element having a concave three-dimensional structure has been described as an example. However, the present invention is not limited to this configuration. The present invention can be similarly realized even in the case of a semiconductor memory device having a three-dimensional capacitive element formed in a stepped portion such as a mold.
本発明は、強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜を用いた立体構造を有する容量素子及びその製造方法、特に、容量絶縁膜がMOCVD法などの300℃以上で成膜される場合に本発明を適用すると有用である。 The present invention relates to a capacitive element having a three-dimensional structure using a capacitive insulating film made of a ferroelectric material or a high dielectric material, and a method for manufacturing the same, particularly when the capacitive insulating film is formed at 300 ° C. or higher such as MOCVD. It is useful to apply the present invention.
1 半導体基板
2 素子分離領域
3 ゲート
4 活性領域
5 第1の層間絶縁膜
6 プラグコンタクト
7 第2の層間絶縁膜
8 ホール
9 犠牲層
10 下部電極
11 強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜
12 上部電極
13 容量素子
14 電極
15 酸素に対する第1のバリア層
16 酸素又は水素に対する第2のバリア層
17 接続電極
1
Claims (21)
前記下部電極における前記ホールの側壁部に形成されている部分と前記第1の層間絶縁膜との間には、前記容量絶縁膜を構成する金属元素のうちの少なくとも1種類の元素を含む犠牲層が形成されていることを特徴とする容量素子。 A capacitive element in which a lower electrode, a capacitive insulating film, and an upper electrode are formed in this order so as to extend along at least the side wall and the bottom of a hole formed in the first interlayer insulating film,
A sacrificial layer containing at least one element of metal elements constituting the capacitive insulating film between a portion of the lower electrode formed on the side wall of the hole and the first interlayer insulating film A capacitor element is formed.
前記第1の層間絶縁膜中にホールを形成する工程と、
前記ホールの側壁部に犠牲層を形成する工程と、
前記ホールの底部及び前記犠牲層の側面に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の表面を覆うように強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜の表面を覆うように上部電極を形成する工程とを少なくとも含み、
前記犠牲層は、前記容量絶縁膜を構成する金属元素のうちの少なくとも1種類の元素を含むことを特徴とする容量素子の製造方法。 Forming a first interlayer insulating film on the substrate;
Forming a hole in the first interlayer insulating film;
Forming a sacrificial layer on the side wall of the hole;
Forming a lower electrode on the bottom of the hole and the side surface of the sacrificial layer;
Forming a capacitive insulating film made of a ferroelectric or a high dielectric so as to cover the surface of the lower electrode;
Forming an upper electrode so as to cover the surface of the capacitive insulating film,
The method of manufacturing a capacitor element, wherein the sacrificial layer includes at least one element of metal elements constituting the capacitor insulating film.
前記ホールの側壁部及び底部を含む前記第1の層間絶縁膜上に、犠牲層形成用の薄膜を堆積する工程と、
前記犠牲層形成用の薄膜をエッチバックすることにより、前記犠牲層を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項10に記載の容量素子の製造方法。 The step of forming the sacrificial layer includes
Depositing a sacrificial layer forming thin film on the first interlayer insulating film including the side wall and bottom of the hole;
The method for manufacturing a capacitor element according to claim 10, further comprising: forming the sacrificial layer by etching back the thin film for forming the sacrificial layer.
前記第1の層間絶縁膜を形成する工程は、前記基板上に、前記導電性バリア層を含んだ電極を覆うように前記第1の層間絶縁膜を形成する工程であり、
前記ホールを形成する工程は、前記第1の層間絶縁膜中に、前記導電性バリア層を含んだ電極の上面を露出させるように前記ホールを形成する工程であり、
前記下部電極を形成する工程は、前記ホールの底部及び前記犠牲層の側面に、前記導電性バリア層を含んだ電極の上部と接するように前記下部電極を形成する工程であることを特徴とする請求項10に記載の容量素子の製造方法。 Before the step of forming the first interlayer insulating film, further comprising the step of forming an electrode including a conductive barrier layer having a barrier property against oxygen or hydrogen on the substrate;
The step of forming the first interlayer insulating film is a step of forming the first interlayer insulating film on the substrate so as to cover the electrode including the conductive barrier layer,
The step of forming the hole is a step of forming the hole in the first interlayer insulating film so as to expose an upper surface of the electrode including the conductive barrier layer.
The step of forming the lower electrode is a step of forming the lower electrode on the bottom of the hole and the side surface of the sacrificial layer so as to be in contact with the upper portion of the electrode including the conductive barrier layer. The method for manufacturing a capacitive element according to claim 10.
前記基板上に、前記電極を覆うように第1の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の層間絶縁膜中に、前記電極の上面が露出するようにホールを形成する工程と、
前記ホールの底部及び側壁部を含む前記第1の層間絶縁膜の上に、犠牲層形成用の薄膜膜を堆積する工程と、
前記犠牲層形成用の薄膜の上に導電膜を形成する工程と、
前記導電膜及び前記犠牲層形成用の薄膜をエッチバックすることにより、前記ホールの側壁部と前記ホールの底部の一部とに、犠牲層及び下部電極を同一の工程にて形成すると共に、前記エッチバックの際に露出する前記導電性バリア層を含んだ電極の上面をスパッタエッチングすることにより、前記導電性バリア層を含んだ電極を構成する金属が前記犠牲層における前記ホールの底部に形成されたエッチング端面に付着して、前記下部電極と前記導電性バリア層を含んだ電極とを接続する接続電極を形成する工程と、
前記導電性バリア層を含んだ電極における前記ホールの底部に露出している部分と、前記接続電極の表面と、前記下部電極の表面とを少なくとも覆うように、強誘電体又は高誘電体よりなる容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜の表面を覆うように上部電極を形成する工程を少なくとも含み、
前記犠牲層は、前記容量絶縁膜を構成する金属元素のうちの少なくとも一種類の元素を含むことを特徴とする容量素子の製造方法。 Forming an electrode on the substrate;
Forming a first interlayer insulating film on the substrate so as to cover the electrodes;
Forming a hole in the first interlayer insulating film so that an upper surface of the electrode is exposed;
Depositing a thin film for forming a sacrificial layer on the first interlayer insulating film including the bottom and side walls of the hole;
Forming a conductive film on the sacrificial layer forming thin film;
Etching back the conductive film and the thin film for forming the sacrificial layer forms a sacrificial layer and a lower electrode on the side wall of the hole and a part of the bottom of the hole in the same process, and Sputter etching is performed on the upper surface of the electrode including the conductive barrier layer exposed during etch back, so that the metal constituting the electrode including the conductive barrier layer is formed at the bottom of the hole in the sacrificial layer. Forming a connection electrode attached to the etched end face and connecting the lower electrode and the electrode including the conductive barrier layer;
The electrode including the conductive barrier layer is made of a ferroelectric material or a high dielectric material so as to cover at least the portion exposed at the bottom of the hole, the surface of the connection electrode, and the surface of the lower electrode. Forming a capacitive insulating film;
Including at least a step of forming an upper electrode so as to cover the surface of the capacitive insulating film;
The method of manufacturing a capacitor element, wherein the sacrificial layer includes at least one element of metal elements constituting the capacitor insulating film.
21. The method of manufacturing a capacitor element according to claim 20, wherein the electrode includes a conductive barrier layer having a barrier property against oxygen or hydrogen.
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