JP2012064631A - Method of manufacturing capacitor, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a capacitor which can form a capacitive insulating film having a high-temperature phase crystal structure on an electrode directly.SOLUTION: A method of manufacturing a capacitor Cap includes: a step of forming a first electrode 3; a step of forming a metal oxide made of an amorphous phase on the first electrode 3 at a first temperature lower than a film formation temperature of a low-temperature phase crystal structure, the metal oxide being capable of forming the amorphous phase, the low-temperature phase crystal structure, and a high-temperature phase crystal structure in an ascending order of the film formation temperature; a step of depositing the high-temperature phase crystal structure on the metal oxide to obtain a capacitive insulating film 4 by rising the temperature from the first temperature to a second temperature equal to a film formation temperature of the high-temperature phase crystal structure at a temperature rising speed of 10°C/second or more and annealing the metal oxide at the second temperature; and a step of forming a second electrode 5 on the capacitive insulating film 4.

Description

本発明はキャパシタの製造方法および半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a capacitor manufacturing method and a semiconductor device manufacturing method.

近年、DRAM等の半導体装置の高集積化に伴い、DRAMを構成するキャパシタの静電容量を増大させることが重要とされている。また、静電容量の大きいキャパシタとしては、金属薄膜からなる2つの電極で誘電体膜を挟むMIM(Metal-Insulator-Metal)構造の素子が採用されている。
また、キャパシタをMIM構造とする他に、下部電極を立体化する方法や、下部電極のアスペクト比を大きくして表面積を増やす方法、誘電体膜の膜厚を薄くする方法などが、キャパシタの静電容量を増大させる方法として採用されている。しかし、小さい空間で高い静電容量を安定的に確保するためには、上記の方法だけでは不十分とされている。そのため、近年はキャパシタの容量絶縁膜として、高い誘電率を有する結晶質の誘電体膜を用いる方法が採用されている。
In recent years, with the high integration of semiconductor devices such as DRAMs, it has been important to increase the capacitance of capacitors constituting the DRAMs. Further, as a capacitor having a large capacitance, an element having an MIM (Metal-Insulator-Metal) structure in which a dielectric film is sandwiched between two electrodes made of a metal thin film is employed.
Besides the MIM structure of the capacitor, there are a method of three-dimensionalizing the lower electrode, a method of increasing the surface area by increasing the aspect ratio of the lower electrode, and a method of reducing the thickness of the dielectric film. It is adopted as a method for increasing the electric capacity. However, in order to stably secure a high capacitance in a small space, the above method is not sufficient. Therefore, in recent years, a method of using a crystalline dielectric film having a high dielectric constant has been adopted as a capacitor insulating film of a capacitor.

また、キャパシタは、アスペクト比が高く表面積の大きい構成であることが求められているため、アスペクト比の高い電極上に誘電体膜を被覆性良く形成する方法が求められる。このように、微細な電極上に誘電体膜を形成する方法としては、ALD(Atomic Layer Deposition)法が一般的である。   Further, since the capacitor is required to have a high aspect ratio and a large surface area, a method for forming a dielectric film on an electrode having a high aspect ratio with good coverage is required. As described above, an ALD (Atomic Layer Deposition) method is generally used as a method for forming a dielectric film on a fine electrode.

ALD法は成膜温度を適切に選ぶことで、揮発性の金属前駆体を理想的には単原子レベルで一層ずつ吸着させた後、酸素前駆体と反応させて所定の誘電体酸化膜を形成する方法である。前駆体は反応表面に飽和吸着させるために高濃度で反応室内に供給する。吸着に寄与しなかった余分な前駆体は酸素前駆体を送る前に反応室内からパージする。この時、反応副生成物もパージされる。酸素前駆体についても同様の供給とパージがなされる。この金属前駆体の吸着とパージ、酸素前駆体による酸化とパージを順次繰り返すことによって、薄い膜を制御性良く形成することができる。   In the ALD method, a volatile metal precursor is ideally adsorbed one by one at the monoatomic level and then reacted with an oxygen precursor to form a predetermined dielectric oxide film by appropriately selecting the deposition temperature. It is a method to do. The precursor is supplied into the reaction chamber at a high concentration to be saturated and adsorbed on the reaction surface. Excess precursor that did not contribute to the adsorption is purged from the reaction chamber before sending the oxygen precursor. At this time, reaction by-products are also purged. The same supply and purging are performed for the oxygen precursor. A thin film can be formed with good controllability by sequentially repeating the adsorption and purging of the metal precursor and the oxidation and purging with the oxygen precursor.

また、誘電体膜の材料としては、一般的に、TiO(酸化チタン)が用いられている。また、TiOの結晶構造としては、アナターゼ構造とルチル構造の2種類が良く知られている。また、TiOの結晶構造は、成膜時の温度設定に依存している。
たとえば、アナターゼ構造は低温で形成されやすい結晶構造(いわゆる低温相の結晶構造)である。また、具体的には、TiOを低温(330〜465℃)の条件下で成膜するとアナターゼ構造となることが知られている。
また、アナターゼ構造のTiOは比誘電率が40−50程度と低いため、キャパシタを構成する誘電体膜としては望ましくないとされている。
As a material for the dielectric film, TiO 2 (titanium oxide) is generally used. As the crystal structure of TiO 2 , two types of anatase structure and rutile structure are well known. The crystal structure of TiO 2 depends on the temperature setting during film formation.
For example, the anatase structure is a crystal structure that is easily formed at a low temperature (a so-called low-temperature phase crystal structure). More specifically, it is known that an anatase structure is formed when a film of TiO 2 is formed under a low temperature (330 to 465 ° C.) condition.
Further, TiO 2 having an anatase structure has a low relative dielectric constant of about 40-50, and thus is not desirable as a dielectric film constituting a capacitor.

一方、ルチル構造のTiOは、通常は高温で形成される結晶構造(いわゆる高温相の結晶構造)であり、比誘電率が70−100程度と高い。このため、DRAMのキャパシタを構成する誘電体膜は、ルチル構造のTiOからなることが望ましいとされている。
また、ルチル構造は高温で形成されやすい結晶構造(いわゆる高温相の結晶構造)であり、具体的には、高温(660℃以上)の条件下で成膜するとルチル構造のみとなる。また、中温(550℃)の条件下で成膜すると、TiOはアナターゼ構造とルチル構造の混在状態となる。
なお、TiOの成膜時に、いったんアナターゼ構造の結晶が析出した場合は、その後に成膜時よりも高温の条件下でアニール処理を行っても、アナターゼ構造の結晶をルチル構造に変換することは困難とされている(非特許文献1)。
On the other hand, TiO 2 having a rutile structure is usually a crystal structure formed at a high temperature (a so-called high-temperature phase crystal structure) and has a high relative dielectric constant of about 70-100. For this reason, the dielectric film constituting the capacitor of the DRAM is preferably made of TiO 2 having a rutile structure.
The rutile structure is a crystal structure that is easily formed at a high temperature (a so-called high-temperature phase crystal structure). Specifically, when a film is formed at a high temperature (660 ° C. or higher), only the rutile structure is obtained. In addition, when the film is formed under a medium temperature (550 ° C.) condition, TiO 2 is in a mixed state of an anatase structure and a rutile structure.
In addition, once anatase structure crystals are deposited at the time of TiO 2 film formation, the anatase structure crystals can be converted to a rutile structure even if annealing is performed under conditions higher than those at the time of film formation. Is considered difficult (Non-Patent Document 1).

また、ルチル構造のTiOからなる誘電体膜を形成する方法としては、たとえば、アナターゼ構造のTiO膜の表面にイオンを照射した後、500℃〜700℃の温度条件下でアニールする方法が知られている(特許文献1)。また、その他には、レーザー蒸着成膜法により、500℃の温度条件下でルチル構造の金属酸化物を形成したのちに、750℃〜950℃の温度条件下で熱処理を行う方法が知られている(特許文献2)。また、ルチル構造のTiOを低温の条件下で形成する方法としては、ルチル構造の前処理膜上に400℃以下の温度条件下でTiO膜を形成したのちに、500℃以下の温度条件下で熱処理を行う方法が知られている(特許文献3)。
特許文献1,2,3で挙げられているように、高温条件下でのTiO膜の成膜またはTiO膜成膜後のポストアニールを行うことにより、TiO膜は結晶化してルチル構造となる。また、TiO膜成膜の際に、TiO膜に含有される不純物(C,H,N等)は熱により除去される。
In addition, as a method of forming a dielectric film made of rutile TiO 2 , for example, after irradiating ions on the surface of an anatase TiO 2 film, annealing is performed under a temperature condition of 500 ° C. to 700 ° C. Known (Patent Document 1). In addition, a method is known in which a metal oxide having a rutile structure is formed under a temperature condition of 500 ° C. by a laser vapor deposition method, and then heat treatment is performed under a temperature condition of 750 ° C. to 950 ° C. (Patent Document 2). Further, as a method for forming the TiO 2 of the rutile structure in low temperature conditions, after forming the TiO 2 film at a temperature of 400 ° C. or less on the pretreatment layer of the rutile structure, 500 ° C. or less temperature condition A method of performing a heat treatment under is known (Patent Document 3).
As mentioned in Patent Documents 1, 2 and 3, by performing the post-annealing after the film formation or TiO 2 film formation of the TiO 2 film under high temperature conditions, the TiO 2 film is rutile structure crystallizes It becomes. Further, when the TiO 2 film formation, impurities contained in the TiO 2 film (C, H, N, etc.) is removed by heat.

特開2000−254519号公報JP 2000-254519 A 特開2003−63892号公報JP 2003-63892 A 特開2007−110111号公報JP 2007-110111 A

IBM Journal of Research and Development, volume43, number3, MAY1999,pp383-392IBM Journal of Research and Development, volume 43, number3, MAY1999, pp383-392

しかし、たとえばルチル構造のような高温相の結晶構造の金属酸化物を形成するための温度条件下で電極上に容量絶縁膜を形成すると、電極や、すでに形成済みの素子(トランジスタ等)への熱負担が大きくなる。そのため、熱負担によるダメージが生じ、製造歩留まりの低下や電気特性の劣化といった問題が生じやすい。このため、高温相の結晶構造の金属酸化物からなる容量絶縁膜を、半導体装置に設けた電極上に形成することは困難であるとされている。そのため、高温相の結晶構造の金属酸化物からなる容量絶縁膜を、できるだけ低い温度の条件下で電極上に形成する方法が求められている。   However, if a capacitive insulating film is formed on an electrode under temperature conditions for forming a metal oxide having a high-temperature phase crystal structure such as a rutile structure, for example, an electrode or an already formed element (such as a transistor) Heat burden increases. For this reason, damage due to a heat burden occurs, and problems such as a decrease in manufacturing yield and deterioration of electrical characteristics are likely to occur. For this reason, it is said that it is difficult to form a capacitive insulating film made of a metal oxide having a high-temperature crystal structure on an electrode provided in a semiconductor device. Therefore, there is a demand for a method of forming a capacitive insulating film made of a metal oxide having a crystal structure in a high temperature phase on an electrode under conditions as low as possible.

上記課題を解決するために、本発明は以下の構成を採用した。すなわち、本発明のキャパシタの製造方法は、低温で安定な低温相の結晶構造と高温で安定な高温相の結晶構造とを有する金属酸化物からなる膜を容量絶縁膜として用いるキャパシタの製造方法であって、第1の電極を形成する工程と、前記第1の電極上に、前記低温相の結晶構造が得られる温度よりも100℃以上低い温度で、前記金属酸化物の非晶質膜を形成する工程と、前記高温相の結晶構造が得られる温度まで、10℃/秒以上の昇温速度で温度を上昇させた後に、前記高温相の結晶構造が得られる温度を維持して前記非晶質膜をアニールして、前記金属酸化物の結晶膜を形成する工程と、前記結晶膜上に第2の電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention employs the following configuration. That is, the method for manufacturing a capacitor according to the present invention is a method for manufacturing a capacitor using a film made of a metal oxide having a crystal structure of a low-temperature phase stable at a low temperature and a crystal structure of a high-temperature phase stable at a high temperature as a capacitor insulating film. A step of forming a first electrode, and forming an amorphous film of the metal oxide on the first electrode at a temperature lower by 100 ° C. or more than a temperature at which the crystal structure of the low-temperature phase is obtained. And the step of forming and maintaining the temperature at which the crystal structure of the high-temperature phase is obtained after increasing the temperature at a temperature rising rate of 10 ° C./second or more to a temperature at which the crystal structure of the high-temperature phase is obtained. The method includes: annealing the crystalline film to form a crystal film of the metal oxide; and forming a second electrode on the crystal film.

本発明のキャパシタの製造方法によれば、第1の電極上に、金属酸化膜の低温相の結晶構造が得られる温度よりも100℃以上低い温度で、金属酸化物の非晶質膜を形成した後に、金属酸化物の高温相の結晶構造が得られる温度まで、10℃/秒以上の昇温速度で急速に温度を上昇させることにより、昇温過程における低温相の結晶構造の析出を防ぐことができる。また、金属酸化物を昇温させた後に高温相の結晶構造が得られる温度を維持して非晶質膜をアニールすることにより、低温相の結晶構造を析出させることなく高温相の結晶構造を析出させることができる。このため、低温相の結晶構造を高温相の結晶構造に変化させるための高温のアニールが不要となる。このため、高温相の結晶構造の金属酸化物からなる容量絶縁膜を、熱負担をかけることなく電極上に形成できる。また、電極を備えた半導体装置への熱負担が軽減されるため、製造歩留まりの低下や電気特性の劣化を抑制してキャパシタを形成できる。以上により、高集積かつ低消費電力の半導体装置を実現することができる。   According to the method for manufacturing a capacitor of the present invention, the metal oxide amorphous film is formed on the first electrode at a temperature lower by 100 ° C. or more than the temperature at which the crystal structure of the low-temperature phase of the metal oxide film is obtained. After that, the temperature is rapidly increased to a temperature at which a high-temperature crystal structure of the metal oxide is obtained at a rate of temperature increase of 10 ° C./second or more, thereby preventing precipitation of the crystal structure of the low-temperature phase during the temperature-raising process. be able to. In addition, by annealing the amorphous film while maintaining the temperature at which the high-temperature phase crystal structure is obtained after raising the temperature of the metal oxide, the high-temperature phase crystal structure can be obtained without precipitating the low-temperature phase crystal structure. It can be deposited. This eliminates the need for high-temperature annealing for changing the crystal structure of the low-temperature phase to the crystal structure of the high-temperature phase. Therefore, a capacitive insulating film made of a metal oxide having a crystal structure in a high temperature phase can be formed on the electrode without applying a heat burden. In addition, since a thermal burden on the semiconductor device including the electrode is reduced, a capacitor can be formed while suppressing a decrease in manufacturing yield and electrical characteristics. As described above, a highly integrated and low power consumption semiconductor device can be realized.

図1は、第一の実施形態におけるキャパシタの製造方法を模式的に示す縦断面図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a method for manufacturing a capacitor in the first embodiment. 図2は、第一の実施形態におけるキャパシタの製造方法を模式的に示す縦断面図である。FIG. 2 is a longitudinal sectional view schematically showing the method for manufacturing the capacitor in the first embodiment. 図3は、第一の実施形態におけるキャパシタの製造方法の一部の処理を示すフローチャート図である。FIG. 3 is a flowchart showing a part of the process of the capacitor manufacturing method according to the first embodiment. 図4は、第一の実施形態におけるキャパシタの製造方法を模式的に示す縦断面図である。FIG. 4 is a longitudinal sectional view schematically showing the method for manufacturing the capacitor in the first embodiment. 図5は、第一の実施形態により形成されたキャパシタを備えたメモリセルの配線構造などの一部要素の一例を示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing an example of some elements such as a wiring structure of a memory cell including the capacitor formed according to the first embodiment. 図6は、図5のA−A’線に対応する半導体装置の断面構造を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the semiconductor device corresponding to the A-A ′ line of FIG. 5. 図7は、半導体装置の製造方法を模式的に示す縦断面図であって、図6の一部を示す断面図である。FIG. 7 is a longitudinal sectional view schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device, and is a sectional view showing a part of FIG. 図8は、図7に続く工程を示す図であって、図6の一部を示す断面図である。FIG. 8 is a diagram showing a step subsequent to FIG. 7, and is a cross-sectional view showing a part of FIG. 図9は、図8に続く工程を示す図であって、図6の一部を示す断面図である。FIG. 9 is a view showing a step subsequent to FIG. 8, and is a cross-sectional view showing a part of FIG.

以下、本発明の第一の実施形態であるキャパシタの製造方法の一例について説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される原料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。   Hereinafter, an example of a method for manufacturing a capacitor according to the first embodiment of the present invention will be described. Note that the drawings referred to in the following description may show the features that are enlarged for convenience in order to make the features easier to understand, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent. In addition, the raw materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to these, and can be appropriately modified and implemented without changing the gist thereof.

本実施形態のキャパシタCapの製造方法は、第一の電極3を形成する工程と、第一の電極3上に容量絶縁膜4を形成する工程と、容量絶縁膜4上に第二の電極5を形成する工程と、から概略構成されている。以下、各工程についてその詳細を説明する。   The method for manufacturing the capacitor Cap of the present embodiment includes a step of forming the first electrode 3, a step of forming the capacitive insulating film 4 on the first electrode 3, and the second electrode 5 on the capacitive insulating film 4. The process is generally composed of: Details of each step will be described below.

まず、図1に示すように半導体基板1上に、酸化シリコン(SiO)等からなる層間絶縁膜2を形成する。 First, as shown in FIG. 1, an interlayer insulating film 2 made of silicon oxide (SiO 2 ) or the like is formed on a semiconductor substrate 1.

次いで、第一の電極3を形成する。
まず、層間絶縁膜2上に、例えばCVD(化学気相成長)法やALD(原子層堆積)法により、たとえばチタン膜と窒化チタン膜の積層膜からなる金属膜を堆積する。このとき、金属膜の構造は、単体の金属膜でも、複数の金属膜を堆積させた積層膜としても、どちらでもかまわない。また、金属膜の材料は、チタン膜と窒化チタン膜に限られず、他の金属を用いても構わない。第一の電極3の材料としては、他にはたとえば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、タングステン(W)などを用いることができる。
次いで、フォトレジスト膜をマスクとしたドライエッチングを行い、金属膜を所定の形状にパターニングする。このパターニングにより、所定の形状の金属膜からなる第一の電極3が、層間絶縁膜2上に形成される。
Next, the first electrode 3 is formed.
First, a metal film made of a laminated film of, for example, a titanium film and a titanium nitride film is deposited on the interlayer insulating film 2 by, for example, a CVD (chemical vapor deposition) method or an ALD (atomic layer deposition) method. At this time, the structure of the metal film may be either a single metal film or a laminated film in which a plurality of metal films are deposited. Further, the material of the metal film is not limited to the titanium film and the titanium nitride film, and other metals may be used. Other examples of the material of the first electrode 3 include platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), and tungsten (W).
Next, dry etching is performed using the photoresist film as a mask to pattern the metal film into a predetermined shape. By this patterning, a first electrode 3 made of a metal film having a predetermined shape is formed on the interlayer insulating film 2.

次いで、図2に示すように、第一の電極3上に、金属酸化物からなる容量絶縁膜4を形成する。本実施形態における容量絶縁膜4用の金属酸化物としては、成膜温度が低い順に、非晶質相、低温相の結晶構造、高温相の結晶構造を形成し得るものを用いる。このような材料としては、酸化チタン、酸化ニオブ(Nb)または酸化ジルコニウム(ZrO)のうちのいずれか一種を選択して用いることができる。また、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムの中から少なくとも2種類以上を選択して積層した積層膜を形成しても良い。
以下に、容量絶縁膜4用の金属酸化物として酸化チタン(TiO)を用いた例について説明する。
Next, as shown in FIG. 2, a capacitive insulating film 4 made of a metal oxide is formed on the first electrode 3. As the metal oxide for the capacitive insulating film 4 in the present embodiment, an oxide capable of forming an amorphous phase, a low-temperature phase crystal structure, and a high-temperature phase crystal structure in descending order of film formation temperature is used. As such a material, any one of titanium oxide, niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and zirconium oxide (ZrO 2 ) can be selected and used. Alternatively, a laminated film in which at least two kinds of titanium oxide, niobium oxide, or zirconium oxide are selected and laminated may be formed.
Hereinafter, an example in which titanium oxide (TiO 2 ) is used as the metal oxide for the capacitive insulating film 4 will be described.

まず、図示しない成膜装置を準備する。この成膜装置は、ALD法で金属酸化物の堆積を行うことができる反応室と、酸化剤および原料ガスを導入可能なガス供給系を備えている。次いで、キャパシタCap用の第一の電極3まで形成した基体を準備し、成膜装置の反応室内に設置する。このとき、成膜装置の反応室内の温度を、基体を設置する前に予め第一の温度に設定しておく。   First, a film forming apparatus (not shown) is prepared. This film forming apparatus includes a reaction chamber in which a metal oxide can be deposited by an ALD method, and a gas supply system capable of introducing an oxidizing agent and a source gas. Next, a substrate formed up to the first electrode 3 for the capacitor Cap is prepared and placed in the reaction chamber of the film forming apparatus. At this time, the temperature in the reaction chamber of the film forming apparatus is set in advance to the first temperature before the substrate is installed.

第一の温度は、容量絶縁膜4用の金属酸化物(酸化チタン)の低温相の結晶構造(アナターゼ構造)が得られる温度よりも100℃以上低い温度とする。具体的には230℃以下の温度に設定する。
また、金属酸化物の材料として酸化ニオブを用いる場合も、低温相の結晶構造(六方晶構造)が得られる温度よりも100℃以上低い温度とする。また、酸化ジルコニウムを用いる場合も、低温相の結晶構造(正方晶構造)が得られる温度よりも100℃以上低い温度とする。
The first temperature is set to be 100 ° C. or more lower than the temperature at which the crystal structure (anatase structure) of the low-temperature phase of the metal oxide (titanium oxide) for the capacitive insulating film 4 is obtained. Specifically, the temperature is set to 230 ° C. or lower.
Also, when niobium oxide is used as the metal oxide material, the temperature is 100 ° C. or more lower than the temperature at which a low-temperature phase crystal structure (hexagonal crystal structure) is obtained. Also when zirconium oxide is used, the temperature is set to be 100 ° C. or more lower than the temperature at which a low-temperature phase crystal structure (tetragonal structure) is obtained.

なお、ここで述べる低温相の結晶構造とは、Tn>Tn-1>・・T2>T1(nは2以上の整数)の関係にあるそれぞれの温度範囲(例えば温度Tn-1からTnの範囲)で、それぞれ安定に存在するn種類の結晶構造Sn(nは2以上の整数)を有する高誘電体材料(容量絶縁膜4用の金属酸化物)において、最も低い温度で安定して得られるS1の結晶構造を示す。酸化チタンの場合にはn=2となる。   Note that the crystal structure of the low temperature phase described here is a temperature range (for example, a range of temperatures Tn-1 to Tn) in a relationship of Tn> Tn-1> .. T2> T1 (n is an integer of 2 or more). ), A high-dielectric material (metal oxide for the capacitive insulating film 4) having n kinds of crystal structures Sn (n is an integer of 2 or more) each stably present can be stably obtained at the lowest temperature. The crystal structure of S1 is shown. In the case of titanium oxide, n = 2.

次いで、第一の電極3上に非晶質の結晶構造の金属酸化物からなる非晶質膜(容量絶縁膜4)を形成する。なお、本明細書中では、非晶質の結晶構造の金属酸化物からなる膜を非晶質膜4とする。   Next, an amorphous film (capacitive insulating film 4) made of a metal oxide having an amorphous crystal structure is formed on the first electrode 3. Note that in this specification, a film made of a metal oxide having an amorphous crystal structure is referred to as an amorphous film 4.

図3に、酸化チタンの非晶質膜4を形成する工程のフローチャートを示す。非晶質膜4の形成においては、Ti原料(Tiプリカーサ)を原料ガスとしたALD法を用いることができる。また、Tiプリカーサとしては、例えばTDMAT(テトラキスジメチルアミノチタン:Ti[N(CH)])等の有機金属錯体を例示することができるが、TiプリカーサはTDMATに限定されず、他のものを用いても構わない。 FIG. 3 shows a flowchart of a process for forming the amorphous film 4 of titanium oxide. In forming the amorphous film 4, an ALD method using a Ti raw material (Ti precursor) as a raw material gas can be used. Examples of the Ti precursor include organometallic complexes such as TDMAT (tetrakisdimethylaminotitanium: Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4 ), but the Ti precursor is not limited to TDMAT. A thing may be used.

まず、Ti原料ガス(Tiプリカーサ)を反応室内に供給し、第一の電極3表面にチタン膜を堆積させる。このとき、原料ガスとともに、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、La(ランタン)、Al(アルミニウム)またはSr(ストロンチウム)の群の中から少なくとも1種類以上の元素を添加してもよい。このような別の元素を添加する場合には、ALD法中においてTi原料ガスを供給するサイクルとは別に、添加元素を含有したガスを供給するサイクルを設け、それぞれのサイクル数を独立して設定することで、所定の濃度の添加元素を含有するチタン膜を堆積させることができる。これらの添加元素を加えることで、最終的に形成される酸化チタン膜のバンドギャップを制御する効果が得られ、最適なリーク耐圧を備えた誘電体膜を形成することが可能となる。
また、酸化ニオブや酸化ジルコニウムを形成する場合にも、これらの添加元素(酸化ジルコニウムの場合には添加元素としてのジルコニウムは除く)を加えることが可能である。
First, Ti source gas (Ti precursor) is supplied into the reaction chamber, and a titanium film is deposited on the surface of the first electrode 3. At this time, at least one element from the group of Y (yttrium), Zr (zirconium), La (lanthanum), Al (aluminum) or Sr (strontium) may be added together with the source gas. When adding such another element, a cycle for supplying a gas containing the additive element is provided separately from the cycle for supplying the Ti raw material gas in the ALD method, and the number of each cycle is set independently. By doing so, it is possible to deposit a titanium film containing an additive element at a predetermined concentration. By adding these additive elements, an effect of controlling the band gap of the finally formed titanium oxide film can be obtained, and a dielectric film having an optimum leakage withstand voltage can be formed.
In addition, when forming niobium oxide or zirconium oxide, it is possible to add these additional elements (excluding zirconium as an additional element in the case of zirconium oxide).

次に、反応室内にパージ用のNガスを供給し、余剰のTi原料ガスを排出する。次いで、酸化剤を反応室内に供給することにより、前記チタン膜を酸化させて酸化チタン膜を形成する。このとき、酸化剤としては酸素(O2)、オゾン(O3)、水蒸気(HO)、またはこれらのガスの混合気体や、これらのガスと窒素ガスとの混合気体などの酸化剤等を用いることができる。
その後、反応室内にNガスを供給し、酸化剤を排出する。
Next, N 2 gas for purge is supplied into the reaction chamber, and excess Ti source gas is discharged. Next, by supplying an oxidizing agent into the reaction chamber, the titanium film is oxidized to form a titanium oxide film. At this time, as the oxidizing agent, oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ), water vapor (H 2 O), a mixed gas of these gases, or a mixed gas of these gases and nitrogen gas, etc. Can be used.
Thereafter, N 2 gas is supplied into the reaction chamber and the oxidant is discharged.

以上により、第一の電極3表面を覆うように酸化チタンの原子層が形成される。この後、原料ガス導入から酸化剤の排出までの一連の工程を任意の回数繰り返すことにより、酸化チタンの原子層の積層膜からなる非晶質膜4の薄膜が形成される。   Thus, an atomic layer of titanium oxide is formed so as to cover the surface of the first electrode 3. Thereafter, a series of steps from the introduction of the source gas to the discharge of the oxidizing agent is repeated an arbitrary number of times, thereby forming a thin film of the amorphous film 4 composed of a laminated film of titanium oxide atomic layers.

また、非晶質膜4の形成においては、同一の金属の原子層を積層せずに、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムの中から少なくとも2種類以上を選択して積層膜(非晶質膜4)を積層してもかまわない。
このとき、成膜装置の温度設定条件によっては、一部が低温相の結晶構造となる場合があるが、非晶質膜4には低温相の結晶構造が含有されていないことが好ましい。
In the formation of the amorphous film 4, at least two kinds of titanium oxide, niobium oxide or zirconium oxide are selected without stacking the same atomic layer of the same metal, and a stacked film (amorphous film 4) may be laminated.
At this time, depending on the temperature setting conditions of the film forming apparatus, a part may have a low-temperature phase crystal structure, but the amorphous film 4 preferably does not contain a low-temperature phase crystal structure.

次いで、第一の温度から、たとえば酸化チタンにおけるルチル構造など、高温で安定な高温相の結晶構造が得られる温度(第二の温度)まで、10℃/秒以上の昇温速度で反応室内の温度を上昇させる。酸化チタンの場合には第二の温度は600℃となる。   Next, from the first temperature to the temperature (second temperature) at which a high-temperature stable crystal structure such as a rutile structure in titanium oxide is obtained (second temperature), the reaction chamber is heated at a rate of 10 ° C./second or more. Increase temperature. In the case of titanium oxide, the second temperature is 600 ° C.

また、金属酸化物(非晶質膜4)として酸化ニオブを用いる場合の第二の温度は700℃となる。また、酸化ニオブからなる非晶質膜4のアニールにより、斜方晶構造の結晶構造が、高温相の結晶構造として析出する。また、同様に、非晶質膜4として酸化ジルコニウムを用いる場合の第二の温度は450℃であり、非晶質膜4のアニールにより六方晶構造の結晶構造が高温相の結晶構造として析出する。   The second temperature when niobium oxide is used as the metal oxide (amorphous film 4) is 700 ° C. Further, by annealing the amorphous film 4 made of niobium oxide, the orthorhombic crystal structure is precipitated as a high-temperature phase crystal structure. Similarly, the second temperature when zirconium oxide is used as the amorphous film 4 is 450 ° C., and the amorphous film 4 is annealed to precipitate a hexagonal crystal structure as a high-temperature phase crystal structure. .

また、金属酸化物として、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムの中から少なくとも2種類以上を選択して積層した積層膜(非晶質膜4)を用いる場合は、積層膜に用いた各金属の第二の温度のうち、最も高い温度に合わせて昇温する。   Further, in the case of using a laminated film (amorphous film 4) in which at least two kinds of titanium oxide, niobium oxide, or zirconium oxide are selected and laminated as the metal oxide, each metal used in the laminated film is used. The temperature is raised to the highest temperature among the second temperatures.

なお、ここで述べる高温相の結晶構造とは、Tn>Tn-1>・・T2>T1(nは2以上の整数)の関係にあるそれぞれの温度範囲(例えば温度Tn-1からTnの範囲)で、それぞれ安定に存在するn種類の結晶構造Sn(nは2以上の整数)を有する高誘電体材料(容量絶縁膜4用の金属酸化物)において、低い方からk番目の温度で安定して得られる結晶構造Sk(kは2以上、n以下の整数)を示す。酸化チタンの高温相の場合にはk=2となる。
すなわち、本発明では反応室内の温度を第1の結晶構造S1が形成される温度T1よりも100℃以上低い第一の温度から、第kの結晶構造Skが形成される第二の温度(Tk以上でTk+1未満の温度)まで、10℃/秒以上の昇温速度で上昇させる。本発明は、温度に応じて3種類以上の結晶構造を有する高誘電体材料においても、適用することが可能である。
The crystal structure of the high-temperature phase described here is a temperature range (for example, a range of temperatures Tn-1 to Tn) having a relationship of Tn>Tn-1> .. T2> T1 (n is an integer of 2 or more). ) In a high-dielectric material (metal oxide for the capacitive insulating film 4) having n kinds of crystal structures Sn (n is an integer of 2 or more) that exist stably, at a k-th temperature from the lowest. The crystal structure Sk (k is an integer of 2 or more and n or less) is obtained. In the case of the high-temperature phase of titanium oxide, k = 2.
That is, in the present invention, the temperature in the reaction chamber is set to a second temperature (Tk at which the k-th crystal structure Sk is formed from a first temperature that is 100 ° C. lower than the temperature T1 at which the first crystal structure S1 is formed. The temperature is increased at a temperature increase rate of 10 ° C./second or more until the temperature is less than Tk + 1. The present invention can also be applied to a high dielectric material having three or more types of crystal structures depending on the temperature.

次いで、反応室内の温度を第二の温度で維持したまま、窒素雰囲気中で非晶質膜4をアニール(ポストアニール処理)する。このアニールにより、高温相の結晶構造が析出し、高温相の結晶構造の金属酸化物(酸化チタン)からなる容量絶縁膜4が形成される。   Next, the amorphous film 4 is annealed (post-annealing) in a nitrogen atmosphere while the temperature in the reaction chamber is maintained at the second temperature. By this annealing, a high-temperature phase crystal structure is deposited, and a capacitive insulating film 4 made of a metal oxide (titanium oxide) having a high-temperature phase crystal structure is formed.

次いで、図4に示すように第二の電極5を形成する。まず、容量絶縁膜4上を覆うように、たとえばチタン膜と窒化チタン膜の積層膜からなる金属酸化物を堆積させる。次いで、前記金属酸化物を所定の形状にパターニングする。このパターニングにより、所定の形状の第二の電極5が容量絶縁膜4上に形成される。
以上により、MIM構造のキャパシタCapが形成される。
Next, a second electrode 5 is formed as shown in FIG. First, a metal oxide made of, for example, a laminated film of a titanium film and a titanium nitride film is deposited so as to cover the capacitor insulating film 4. Next, the metal oxide is patterned into a predetermined shape. By this patterning, the second electrode 5 having a predetermined shape is formed on the capacitive insulating film 4.
Thus, the MIM structure Cap is formed.

本実施形態のキャパシタCapの製造方法によれば、第1の電極3上に、金属酸化膜の低温相の結晶構造が得られる温度よりも100℃以上低い温度で、金属酸化物の非晶質膜を形成することにより、低温相の結晶構造を析出させることなく、非晶質膜4を形成できる。また、非晶質膜4を形成した後に、金属酸化物の高温相の結晶構造が得られる温度まで、10℃/秒以上の昇温速度で急速に温度を上昇させることにより、昇温過程における低温相の結晶構造の析出を防ぐことができる。
また、金属酸化物を急速に昇温させた後に高温相の結晶構造が得られる温度を維持して非晶質膜をアニールすることにより、低温相の結晶構造を析出させることなく高温相の結晶構造を析出させることができる。
According to the manufacturing method of the capacitor Cap of the present embodiment, the amorphous metal oxide is formed on the first electrode 3 at a temperature lower by 100 ° C. or more than the temperature at which the crystal structure of the low-temperature phase of the metal oxide film is obtained. By forming the film, the amorphous film 4 can be formed without precipitating the crystal structure of the low temperature phase. In addition, after the amorphous film 4 is formed, the temperature is rapidly increased at a temperature increase rate of 10 ° C./second or more to a temperature at which a high-temperature crystal structure of the metal oxide is obtained. Precipitation of the crystal structure of the low temperature phase can be prevented.
Also, by annealing the amorphous film while maintaining the temperature at which the high-temperature phase crystal structure is obtained after rapidly raising the temperature of the metal oxide, the high-temperature phase crystal can be obtained without precipitating the low-temperature phase crystal structure. The structure can be deposited.

また、非晶質膜4中での、低温相の結晶構造の析出が防がれるため、低温相の結晶構造を高温相の結晶構造に変化させるための高温のアニールが不要となり、第一の電極3への熱負担を軽減できる。このため、従来よりも低温の条件下で、高温相の結晶構造の金属酸化物からなる容量絶縁膜4を第1の電極3上に直接形成できる。また、高温相の結晶構造が得られる下限温度でのアニールの実施でよく、所望の結晶構造(高温相の結晶構造)の容量絶縁膜4を効率よく得ることが可能となる。   Further, since precipitation of the crystal structure of the low-temperature phase in the amorphous film 4 is prevented, high-temperature annealing for changing the crystal structure of the low-temperature phase to the crystal structure of the high-temperature phase becomes unnecessary, and the first The thermal burden on the electrode 3 can be reduced. For this reason, the capacitor insulating film 4 made of a metal oxide having a crystal structure of a high temperature phase can be directly formed on the first electrode 3 under conditions lower than that of the prior art. Further, annealing may be performed at a lower limit temperature at which a high-temperature phase crystal structure is obtained, and the capacitor insulating film 4 having a desired crystal structure (high-temperature phase crystal structure) can be efficiently obtained.

また、第1の電極3材料への熱負担が軽減されるため、第一の電極3の不良や動作特性の劣化を防止できる。そのため、高集積かつ低消費電力のキャパシタCapを実現することが可能となる。また、高温相の結晶構造の容量絶縁膜4を第一の電極3上に容易に形成できるため、従来の高温相の結晶構造の容量絶縁膜4を有するキャパシタCapの製造方法に比べ、工程を簡略化させることができる。
以上により、高集積かつ低消費電力のキャパシタCapを実現することができる。
In addition, since the heat burden on the first electrode 3 material is reduced, it is possible to prevent the first electrode 3 from being defective and the operating characteristics from being deteriorated. Therefore, a highly integrated and low power consumption capacitor Cap can be realized. Further, since the capacitor insulating film 4 having a high-temperature phase crystal structure can be easily formed on the first electrode 3, the process is compared with the conventional method of manufacturing a capacitor Cap having the capacitor insulating film 4 having a high-temperature phase crystal structure. It can be simplified.
As described above, a highly integrated and low power consumption capacitor Cap can be realized.

また、容量絶縁膜4用の金属酸化物として、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムのうちのいずれか一種を選択して用いることにより、静電容量が大きいキャパシタCapを形成できる。
また、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムの中から少なくとも2種類以上を選択して積層した積層膜を、金属酸化物の膜として形成することにより、静電容量が大きいキャパシタCapを形成できる。
Further, by selecting and using any one of titanium oxide, niobium oxide, and zirconium oxide as the metal oxide for the capacitive insulating film 4, a capacitor Cap having a large capacitance can be formed.
In addition, a capacitor Cap having a large capacitance can be formed by forming a laminated film in which at least two kinds of titanium oxide, niobium oxide or zirconium oxide are selected and laminated as a metal oxide film.

また、金属酸化物からなる膜として、酸化チタンおよび/または酸化ニオブからなる膜を形成する際に、原料ガスとともに、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、La(ランタン)、Al(アルミニウム)またはSr(ストロンチウム)の群の中から少なくとも1種類以上の元素を含有したガスを用いて成膜することにより、上記元素が添加された容量絶縁膜4が形成され、リーク特性に優れたキャパシタCapを形成できる。また、金属酸化物からなる膜として酸化ジルコニウムからなる膜を形成する場合には、原料ガスとともに、Y、La、AlまたはSrの群の中から少なくとも1種類以上の元素を含有したガスを用いて成膜することで、同様の効果を得ることができる。   In addition, when forming a film made of titanium oxide and / or niobium oxide as a film made of metal oxide, together with the source gas, Y (yttrium), Zr (zirconium), La (lanthanum), Al (aluminum) or By forming a film using a gas containing at least one element from the group of Sr (strontium), the capacitor insulating film 4 to which the element is added is formed, and a capacitor Cap having excellent leakage characteristics is obtained. Can be formed. When a film made of zirconium oxide is formed as a film made of metal oxide, a gas containing at least one element from the group of Y, La, Al, or Sr is used together with the source gas. Similar effects can be obtained by forming a film.

次に、本発明の第二の実施形態である半導体装置の製造方法について説明する。はじめに、本実施形態の製造方法により形成された半導体装置110ついて、その構成の一例を、図5及び図6を参照して説明する。
図5は、図6に示す本発明の容量絶縁膜114を適用したDRAMのうち、メモリセル部の平面レイアウトを示す概念図である。また、図5の右手側は、後述するワード配線Wとなるゲート電極105とサイドウォール105bとを切断する面を基準とした透過断面図である。
また、図6は、図5のA−A’線に対応する半導体装置110の断面構造を示す断面図である。なお、キャパシタCapの記載は図5においては省略し、図6にのみ記載する。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. First, an example of the configuration of the semiconductor device 110 formed by the manufacturing method of this embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a planar layout of a memory cell portion in a DRAM to which the capacitive insulating film 114 of the present invention shown in FIG. 6 is applied. Further, the right-hand side of FIG. 5 is a transmission cross-sectional view with reference to a plane that cuts a gate electrode 105 and a side wall 105b to be a word wiring W to be described later.
6 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the semiconductor device 110 corresponding to the line AA ′ of FIG. Note that the description of the capacitor Cap is omitted in FIG. 5 and only shown in FIG.

はじめに図5を用いて、半導体装置110のメモリセル部について説明する。メモリセル部はX方向に延設されたビット配線106と、Y方向に延設されたワード配線Wと、細長い短冊状の活性領域Kと、不純物拡散層108と、から概略構成されている。以下それぞれの構成についてその詳細を説明する。   First, the memory cell portion of the semiconductor device 110 will be described with reference to FIG. The memory cell portion is roughly composed of a bit wiring 106 extending in the X direction, a word wiring W extending in the Y direction, an elongated strip-shaped active region K, and an impurity diffusion layer 108. Details of each configuration will be described below.

ビット配線106はX方向に折れ線形状(湾曲形状)で延設されており、Y方向に対しては所定の間隔で複数配置されている。
また、ワード配線WはY方向に直線形状で延設されており、X方向に対しては所定の間隔で複数配置されている。また、ワード配線Wと各活性領域Kとが互いに交差する部分は、その交差する領域において、後述するゲート電極105が含まれている。また、ワード配線Wの両側には、ライン方向(Y方向)に沿ってサイドウォール105bが形成されている。
The bit wiring 106 extends in a polygonal line shape (curved shape) in the X direction, and a plurality of bit wirings 106 are arranged at predetermined intervals in the Y direction.
Further, the word lines W are linearly extended in the Y direction, and a plurality of word lines W are arranged at a predetermined interval in the X direction. Further, the portion where the word line W and each active region K intersect each other includes a gate electrode 105 described later in the intersecting region. Further, sidewalls 105b are formed on both sides of the word wiring W along the line direction (Y direction).

活性領域Kは、半導体基板101の一面に形成されている。活性領域Kは細長い短冊状であり、個々に所定の間隔をあけて右斜め下向きに整列した配置となっている。これは、一般に6F2型メモリセルと呼ばれるレイアウトに沿った配列である。
また、活性領域Kの中央部および両端側には、個々に不純物拡散層108が形成されており、後述するMOSトランジスタTr1のソース・ドレイン領域として機能している。また、円状の基板コンタクト部205a、205b、205cが、ソース・ドレイン領域(不純物拡散層)の真上に配置されるようにそれぞれ形成されている。
また、半導体基板101には、複数の素子分離領域103が、Y方向に直線形状で延設されている。また、素子分離領域103はX方向に所定の間隔で配列している。
The active region K is formed on one surface of the semiconductor substrate 101. The active region K has a long and narrow strip shape, and is arranged in an obliquely downward right direction with a predetermined interval. This is an arrangement along a layout generally called a 6F2 type memory cell.
Impurity diffusion layers 108 are individually formed in the central portion and both end sides of the active region K, and function as source / drain regions of a MOS transistor Tr1 described later. Circular substrate contact portions 205a, 205b, and 205c are formed so as to be disposed immediately above the source / drain regions (impurity diffusion layers), respectively.
The semiconductor substrate 101 has a plurality of element isolation regions 103 extending linearly in the Y direction. The element isolation regions 103 are arranged at predetermined intervals in the X direction.

また、基板コンタクト部205a、205bおよび205cは、それらの中心がそれぞれワード配線Wの間となるように配置されている。また、中央の基板コンタクト部205aは、ビット配線106と重なるように配置されている。
また、基板コンタクト部205a、205bおよび205cは、後述する基板コンタクトプラグ109を配置する位置に設けられている。また、基板コンタクト部205a、205bおよび205cの形成された位置は、半導体基板101と接する部分となる。
Further, the substrate contact portions 205a, 205b, and 205c are arranged so that their centers are between the word lines W, respectively. The central substrate contact portion 205 a is arranged so as to overlap the bit wiring 106.
Further, the substrate contact portions 205a, 205b and 205c are provided at positions where a substrate contact plug 109 described later is disposed. Further, the positions where the substrate contact portions 205 a, 205 b and 205 c are formed are in contact with the semiconductor substrate 101.

次に、図6を参照して半導体装置110の断面構造について説明する。なお、図6はメモリセル部(図5)のA−A’線に対応する断面模式図である。本実施形態の半導体装置110は、半導体基板101と、MOSトランジスタTr1と、MOSトランジスタTr1に接続された基板コンタクトプラグ109及び容量コンタクトプラグ107Aと、キャパシタCapと、から概略構成されている。以下それぞれについてその詳細を説明する。   Next, a cross-sectional structure of the semiconductor device 110 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view corresponding to the A-A ′ line of the memory cell portion (FIG. 5). The semiconductor device 110 according to the present embodiment is generally configured by a semiconductor substrate 101, a MOS transistor Tr1, a substrate contact plug 109 and a capacitor contact plug 107A connected to the MOS transistor Tr1, and a capacitor Cap. Details of each will be described below.

半導体基板101は、所定の濃度のP型不純物を含有する半導体、例えばシリコン(Si)により形成されている。この半導体基板101には、素子分離領域103が形成されている。素子分離領域103は、半導体基板101の表面にSTI(Shallow Trench Isolation)法によりシリコン酸化膜(SiO)等の絶縁膜を埋設することで形成されたものである。このような構成により、隣接する活性領域K同士は、素子分離領域103によりそれぞれ絶縁分離されている。なお、本実施形態では、1つの活性領域Kに2ビットのメモリセルが配置されたセル構造に、本発明を適用した例を示している。 The semiconductor substrate 101 is formed of a semiconductor containing a P-type impurity having a predetermined concentration, for example, silicon (Si). An element isolation region 103 is formed on the semiconductor substrate 101. The element isolation region 103 is formed by embedding an insulating film such as a silicon oxide film (SiO 2 ) on the surface of the semiconductor substrate 101 by an STI (Shallow Trench Isolation) method. With such a configuration, adjacent active regions K are isolated from each other by the element isolation region 103. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to a cell structure in which 2-bit memory cells are arranged in one active region K is shown.

MOSトランジスタTr1は、ゲート電極105と、不純物拡散層108から構成されている。ゲート電極105は溝型のゲート電極であり、半導体基板101の一面に設けられた溝部に埋め込まれるとともに、前記溝部から不純物拡散層108を貫いて半導体基板101の上部に突出するように形成されている。   The MOS transistor Tr1 includes a gate electrode 105 and an impurity diffusion layer 108. The gate electrode 105 is a groove-type gate electrode, and is embedded in a groove provided on one surface of the semiconductor substrate 101 and is formed so as to protrude from the groove through the impurity diffusion layer 108 to the upper portion of the semiconductor substrate 101. Yes.

また、ゲート電極105は、不純物を含有させた多結晶シリコン膜と金属膜との多層膜により構成されている。前記多結晶シリコン膜は、CVD法(Chemical Vapor Deposition)での成膜時にリン(P)などのN型不純物を含有させて形成できる。また、前記金属膜は、タングステン(W)や窒化タングステン(WN)、タングステンシリサイド(WSi)等の高融点金属を用いることができる。このような構成により、ゲート電極105は、MOSトランジスタTr1のゲート電極として機能する。   The gate electrode 105 is composed of a multilayer film of a polycrystalline silicon film containing impurities and a metal film. The polycrystalline silicon film can be formed by containing an N-type impurity such as phosphorus (P) during film formation by CVD (Chemical Vapor Deposition). The metal film may be made of a refractory metal such as tungsten (W), tungsten nitride (WN), tungsten silicide (WSi), or the like. With such a configuration, the gate electrode 105 functions as the gate electrode of the MOS transistor Tr1.

また、ゲート電極105と半導体基板101との間にはゲート絶縁膜105aが形成されている。また、ゲート電極105のうち、半導体基板101から突出した部分の側壁には窒化シリコン(Si)などの絶縁膜からなるサイドウォール105bが形成されている。また、ゲート電極105上には、窒化シリコンなどからなる絶縁膜105cが形成されており、ゲート電極105上面を保護している。 A gate insulating film 105 a is formed between the gate electrode 105 and the semiconductor substrate 101. A side wall 105b made of an insulating film such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) is formed on the side wall of the gate electrode 105 protruding from the semiconductor substrate 101. An insulating film 105 c made of silicon nitride or the like is formed on the gate electrode 105 to protect the upper surface of the gate electrode 105.

また、半導体基板1の活性領域Kにおいては、MOSトランジスタTr1のソース・ドレイン領域として機能する不純物拡散層108が形成されている。不純物拡散層108は、半導体基板101にN型不純物として、例えばリンを導入することにより形成されている。また、個々の不純物拡散層108同士の間には、溝型のゲート電極105が形成されており、個々の不純物拡散層108同士は互いに離間している。   In the active region K of the semiconductor substrate 1, an impurity diffusion layer 108 that functions as a source / drain region of the MOS transistor Tr1 is formed. The impurity diffusion layer 108 is formed by introducing, for example, phosphorus as an N-type impurity into the semiconductor substrate 101. A groove-type gate electrode 105 is formed between the individual impurity diffusion layers 108, and the individual impurity diffusion layers 108 are separated from each other.

また、基板コンタクトプラグ109は、不純物拡散層108と接触するように形成されている。基板コンタクトプラグ109は、図5に示した基板コンタクト部205c、205a、205bの位置にそれぞれ配置され、例えば、リン(P)を含有した多結晶シリコンから形成されている。また、基板コンタクトプラグ109の横(X)方向の幅は、隣接するゲート配線Wに設けられたサイドウォール105bによって規定されている。すなわち、基板コンタクトプラグ109はサイドウォール105bによって規定されたセルフアライン構造とされている。   The substrate contact plug 109 is formed so as to be in contact with the impurity diffusion layer 108. The substrate contact plug 109 is disposed at the position of each of the substrate contact portions 205c, 205a, and 205b shown in FIG. 5, and is made of, for example, polycrystalline silicon containing phosphorus (P). Further, the width in the horizontal (X) direction of the substrate contact plug 109 is defined by the sidewall 105 b provided in the adjacent gate wiring W. That is, the substrate contact plug 109 has a self-aligned structure defined by the sidewall 105b.

また、第一の層間絶縁膜104は、ゲート電極105上の絶縁膜105cおよび基板コンタクトプラグ109上を覆うように形成されている。ビット線コンタクトプラグ104Aは、図4の基板コンタクト部205aに対応する位置に配置されている。また、ビット線コンタクトプラグ104Aは第一の層間絶縁膜104を貫通し、かつ、基板コンタクトプラグ109と導通するように形成されている。また、ビット線コンタクトプラグ104Aは、たとえば、チタン(Ti)及び窒化チタン(TiN)の積層膜からなるバリア膜(TiN/Ti)上にタングステン(W)等が順次積層した構成となっている。   The first interlayer insulating film 104 is formed so as to cover the insulating film 105 c on the gate electrode 105 and the substrate contact plug 109. The bit line contact plug 104A is disposed at a position corresponding to the substrate contact portion 205a of FIG. Further, the bit line contact plug 104A is formed so as to penetrate the first interlayer insulating film 104 and to be electrically connected to the substrate contact plug 109. The bit line contact plug 104A has a structure in which, for example, tungsten (W) or the like is sequentially laminated on a barrier film (TiN / Ti) made of a laminated film of titanium (Ti) and titanium nitride (TiN).

また、ビット配線106は、ビット線コンタクトプラグ104Aに接続するように形成されている。また、ビット配線106は、窒化タングステン(WN)及びタングステン(W)からなる積層膜で構成されている。   The bit line 106 is formed so as to be connected to the bit line contact plug 104A. The bit wiring 106 is formed of a laminated film made of tungsten nitride (WN) and tungsten (W).

第二の層間絶縁膜107は、ビット配線106及び第一の層間絶縁膜104を覆うように形成されている。また、容量コンタクトプラグ107Aは、第二の層間絶縁膜107及び第一の層間絶縁膜104を貫通し、かつ、基板コンタクトプラグ109に接続するように形成されている。また、容量コンタクトプラグ107Aは、図5に示した基板コンタクト部205b、205cの位置に配置されている。   The second interlayer insulating film 107 is formed so as to cover the bit wiring 106 and the first interlayer insulating film 104. Further, the capacitor contact plug 107A is formed so as to penetrate the second interlayer insulating film 107 and the first interlayer insulating film 104 and to be connected to the substrate contact plug 109. The capacitor contact plug 107A is disposed at the position of the substrate contact portions 205b and 205c shown in FIG.

窒化シリコンからなる第三の層間絶縁膜111は、第二の層間絶縁膜107を覆うように形成されており、シリコン酸化膜からなる第四の層間絶縁膜112は、第三の層間絶縁膜111を覆うように形成されている。   The third interlayer insulating film 111 made of silicon nitride is formed so as to cover the second interlayer insulating film 107, and the fourth interlayer insulating film 112 made of a silicon oxide film is formed by the third interlayer insulating film 111. It is formed so as to cover.

キャパシタCapは、第三の層間絶縁膜111および第四の層間絶縁膜112の内部に配置されている。また、キャパシタCapは第三の層間絶縁膜111および第四の層間絶縁膜112を貫通し、第一の電極113の部分は容量コンタクトプラグ107Aと接続している。また、第一の電極113と容量コンタクトプラグ107Aは直接接続する構成でなくてもよく、第一の電極113とコンタクトプラグ107Aの間に、導電膜で形成したパッドを介してもよい。また、第一の電極113は、容量コンタクトプラグ107Aを介してMOSトランジスタTr1と接続している。   The capacitor Cap is disposed inside the third interlayer insulating film 111 and the fourth interlayer insulating film 112. The capacitor Cap passes through the third interlayer insulating film 111 and the fourth interlayer insulating film 112, and the portion of the first electrode 113 is connected to the capacitor contact plug 107A. The first electrode 113 and the capacitor contact plug 107A may not be directly connected, and a pad formed of a conductive film may be interposed between the first electrode 113 and the contact plug 107A. The first electrode 113 is connected to the MOS transistor Tr1 via the capacitive contact plug 107A.

キャパシタCapは、第一の電極113と、第一の電極113の側面を覆うように形成された容量絶縁膜114と、容量絶縁膜114を覆うように形成された第二の電極115と、から構成されている。つまり、キャパシタCapは第一の電極113と第二の電極115との間に、容量絶縁膜114を挟んだ構造となっている。
また、キャパシタCapの第二の電極115には、所定の電位が与えられている。そこで、キャパシタCapに保持された電荷の有無を判定することによって、情報の記憶動作を行うDRAMとして機能することができる。
The capacitor Cap includes a first electrode 113, a capacitor insulating film 114 formed to cover the side surface of the first electrode 113, and a second electrode 115 formed to cover the capacitor insulating film 114. It is configured. That is, the capacitor Cap has a structure in which the capacitor insulating film 114 is sandwiched between the first electrode 113 and the second electrode 115.
A predetermined potential is applied to the second electrode 115 of the capacitor Cap. Therefore, by determining the presence or absence of electric charge held in the capacitor Cap, it can function as a DRAM that performs an information storage operation.

容量絶縁膜114は、高温相の結晶構造の金属酸化物により形成されている。また、容量絶縁膜114は酸化チタン、酸化ニオブ(Nb)、ZrO(酸化ジルコニウム)から形成されていることが好ましい。また、TiO、Nb、ZrOの中から少なくとも2種類以上を選択して積層した積層膜から構成されていてもよい。容量絶縁膜114の材料として、このような金属酸化物を用いることにより、静電容量が大きいキャパシタCapを形成できる。
また、容量絶縁膜114には、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、アルミニウムまたはストロンチウムの群の中から少なくとも1種類以上の元素が含有(添加)されていてもよい。これにより、キャパシタCapのリーク耐圧が向上するためである。
The capacitor insulating film 114 is formed of a metal oxide having a crystal structure in a high temperature phase. The capacitor insulating film 114 is preferably formed of titanium oxide, niobium oxide (Nb 2 O 5 ), or ZrO 2 (zirconium oxide). Also, TiO 2, Nb 2 O 5 , from the ZrO 2 may be composed of a laminated film of laminated layers by selecting at least two or more types. By using such a metal oxide as the material of the capacitor insulating film 114, a capacitor Cap having a large capacitance can be formed.
Further, the capacitor insulating film 114 may contain (add) at least one element from the group of yttrium, zirconium, lanthanum, aluminum, or strontium. This is because the leakage withstand voltage of the capacitor Cap is improved.

また、第二の電極115上には、酸化シリコン等からなる第五の層間絶縁膜120が形成されている。また、第五の層間絶縁膜120上には、アルミニウム(Al)、銅(Cu)等からなる配線121が形成されている。また、第五の層間絶縁膜120及び配線121を覆うように、表面保護膜122が形成されている。   A fifth interlayer insulating film 120 made of silicon oxide or the like is formed on the second electrode 115. On the fifth interlayer insulating film 120, a wiring 121 made of aluminum (Al), copper (Cu), or the like is formed. A surface protective film 122 is formed so as to cover the fifth interlayer insulating film 120 and the wiring 121.

次に、本発明の第二の実施形態である半導体装置の製造方法の一例について、図6〜図9を参照にして説明する。なお、以下の説明において例示される原料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。   Next, an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the raw material, dimension, etc. which are illustrated in the following description are an example, Comprising: This invention is not limited to them, It is possible to change suitably in the range which does not change the summary.

本実施形態の半導体装置の製造方法は、トランジスタ(MOSトランジスタTr1)を形成する工程と、キャパシタCapを形成する工程と、から概略構成されている。以下、各工程について詳細を説明する。   The manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment is roughly configured from a step of forming a transistor (MOS transistor Tr1) and a step of forming a capacitor Cap. Details of each step will be described below.

まず、所定の濃度のP型不純物を含有する半導体基板101を準備する。次いで、STI(Shallow Trench Isolation)法により、半導体基板101表面に素子分離領域103を形成する。これにより、素子分離領域103により区画された領域は、図5で示した活性領域Kとなる。次いで、図示しないマスクを用いて、半導体基板101の一面に複数のトレンチ102を隣接形成する。このトレンチ102は、MOSトランジスタTr1の溝型のゲート電極用のものとなる。   First, a semiconductor substrate 101 containing a predetermined concentration of P-type impurities is prepared. Next, an element isolation region 103 is formed on the surface of the semiconductor substrate 101 by STI (Shallow Trench Isolation). Thus, the region partitioned by the element isolation region 103 becomes the active region K shown in FIG. Next, a plurality of trenches 102 are formed adjacent to one surface of the semiconductor substrate 101 using a mask (not shown). The trench 102 is used for a trench-type gate electrode of the MOS transistor Tr1.

次に、熱酸化法により半導体基板101の表面を酸化し、トレンチ102の内壁に酸化シリコン(SiO)からなるゲート絶縁膜105aを形成する。なお、半導体基板101の主面上に形成された酸化シリコン膜は、後のMOSトランジスタの製造工程で除去してもかまわない。
次いで、ゲート絶縁膜105a上に、たとえばリン等のN型不純物を含有させた多結晶シリコン膜を堆積させて、トレンチ102の内部を多結晶シリコン膜で完全に充填する。次に、スパッタリング法を用いて、前記多結晶シリコン膜上に、例えば、タングステン、窒化タングステンまたはタングステンシリサイド等の高融点金属を50nm程度の膜厚で堆積させて、金属膜を形成する。このようにして形成した多結晶シリコン膜及び金属膜は、後述する工程を経てゲート電極105とされる。
Next, the surface of the semiconductor substrate 101 is oxidized by a thermal oxidation method, and a gate insulating film 105 a made of silicon oxide (SiO 2 ) is formed on the inner wall of the trench 102. Note that the silicon oxide film formed on the main surface of the semiconductor substrate 101 may be removed in a later manufacturing process of the MOS transistor.
Next, a polycrystalline silicon film containing an N-type impurity such as phosphorus is deposited on the gate insulating film 105a to completely fill the trench 102 with the polycrystalline silicon film. Next, a refractory metal such as tungsten, tungsten nitride, or tungsten silicide is deposited on the polycrystalline silicon film to a thickness of about 50 nm by sputtering, thereby forming a metal film. The polycrystalline silicon film and the metal film formed in this manner are used as the gate electrode 105 through a process described later.

次に、プラズマCVD法を用いて、前記金属膜上に、たとえば窒化シリコンからなる絶縁膜105cを70nm程度の膜厚で堆積する。次に、フォトリソグラフィ法を用いて、絶縁膜5c上にゲート電極形成用のフォトレジストパターン(レジストマスク)を形成した後、前記レジストマスクを用いて絶縁膜105cを異方性エッチングする。前記レジストマスクを除去した後、絶縁膜105cをハードマスクとして、金属膜及び多結晶シリコン膜をエッチングして、ゲート電極105を形成する。なお、ゲート電極105は、図5に示すワード線Wとして機能する。   Next, an insulating film 105c made of, for example, silicon nitride is deposited to a thickness of about 70 nm on the metal film by plasma CVD. Next, a photoresist pattern (resist mask) for forming a gate electrode is formed on the insulating film 5c by photolithography, and then the insulating film 105c is anisotropically etched using the resist mask. After removing the resist mask, the gate electrode 105 is formed by etching the metal film and the polycrystalline silicon film using the insulating film 105c as a hard mask. Note that the gate electrode 105 functions as the word line W shown in FIG.

次に、活性領域内のゲート電極105で覆われていない半導体基板101の一面にN型不純物としてリンのイオン注入を行うことにより、不純物拡散層108を形成する。この不純物拡散層108は、MOSトランジスタTr1のソース・ドレイン領域として機能する。以上により、ゲート電極105および不純物拡散層108からなるMOSトランジスタTr1が形成される。   Next, an impurity diffusion layer 108 is formed by performing ion implantation of phosphorus as an N-type impurity on one surface of the semiconductor substrate 101 not covered with the gate electrode 105 in the active region. The impurity diffusion layer 108 functions as a source / drain region of the MOS transistor Tr1. Thus, the MOS transistor Tr1 including the gate electrode 105 and the impurity diffusion layer 108 is formed.

次に、CVD法により、半導体基板101の一面、ゲート電極105および絶縁膜105cを覆うように膜厚20〜50nm程度の窒化シリコン膜を堆積する。次いで、絶縁膜105cが露出するまで前記窒化シリコン膜のエッチバックを行う。これにより、ゲート電極105の側壁にサイドウォール105bが形成される。   Next, a silicon nitride film having a thickness of about 20 to 50 nm is deposited by CVD to cover one surface of the semiconductor substrate 101, the gate electrode 105, and the insulating film 105c. Next, the silicon nitride film is etched back until the insulating film 105c is exposed. As a result, a sidewall 105 b is formed on the side wall of the gate electrode 105.

次に、フォトリソグラフィ法を用いて、図5に示した基板コンタクト部205a、205b、205cの位置に開口を形成するように、絶縁膜105c上にフォトレジストパターン(レジストマスク)を形成する。次いで、前記レジストマスクを用いて、異方性ドライエッチングを行う。これにより、窒化シリコンからなる絶縁膜105cおよびサイドウォール105bを利用したセルフアラインにより、ゲート電極105同士の間に開口を設けることができる。   Next, using a photolithography method, a photoresist pattern (resist mask) is formed on the insulating film 105c so as to form openings at the positions of the substrate contact portions 205a, 205b, and 205c shown in FIG. Next, anisotropic dry etching is performed using the resist mask. Thus, an opening can be provided between the gate electrodes 105 by self-alignment using the insulating film 105c and the sidewall 105b made of silicon nitride.

次に、CVD法を用いて、リンを含有した多結晶シリコン膜を堆積させる。次いで、CMP法を用いて、絶縁膜105cが露出するまで前記多結晶シリコン膜の表面を研磨する。これにより、不純物拡散層108上に、開口内に充填された構成の基板コンタクトプラグ109が形成される。
次に、CVD法を用いて、ゲート電極上の絶縁膜105cおよび基板コンタクトプラグ109を覆うように、酸化シリコン等からなる第一の層間絶縁膜104を形成する。次いで、CMP法を用いて、第一の層間絶縁膜104の表面を研磨するとともに平坦化する。
Next, a polycrystalline silicon film containing phosphorus is deposited by CVD. Next, the surface of the polycrystalline silicon film is polished by CMP until the insulating film 105c is exposed. As a result, a substrate contact plug 109 having a structure filled in the opening is formed on the impurity diffusion layer 108.
Next, a first interlayer insulating film 104 made of silicon oxide or the like is formed so as to cover the insulating film 105c on the gate electrode and the substrate contact plug 109 by using the CVD method. Next, the surface of the first interlayer insulating film 104 is polished and planarized using a CMP method.

次に、図5に示した基板コンタクト部205aの位置の第一の層間絶縁膜104に、基板コンタクトプラグ109の表面を露出させるように、開口(コンタクトホール)を形成する。
次に、この開口部を充填するように、TiN/Ti等のバリア膜上にタングステン(W)を積層した膜を堆積した後、CMP法を用いて、第一の層間絶縁膜104が露出するまで表面研磨して、ビット線コンタクトプラグ104Aを形成する。
Next, an opening (contact hole) is formed in the first interlayer insulating film 104 at the position of the substrate contact portion 205a shown in FIG. 5 so that the surface of the substrate contact plug 109 is exposed.
Next, after depositing a film in which tungsten (W) is laminated on a barrier film such as TiN / Ti so as to fill the opening, the first interlayer insulating film 104 is exposed by CMP. The surface is polished until the bit line contact plug 104A is formed.

次に、ビット線コンタクト104Aと接続するようにビット配線106を第1の第一の層間絶縁膜104上に形成した後、ビット配線106および第1の第一の層間絶縁膜104を覆うように、酸化シリコン等からなる第二の層間絶縁膜107を形成する。   Next, after the bit wiring 106 is formed on the first first interlayer insulating film 104 so as to be connected to the bit line contact 104A, the bit wiring 106 and the first first interlayer insulating film 104 are covered. Then, a second interlayer insulating film 107 made of silicon oxide or the like is formed.

次に、図5に示した基板コンタクト部205b、205cの位置の基板コンタクトプラグ109の表面を露出させるように、第1の第一の層間絶縁膜104および第2の第二の層間絶縁膜107を貫通する開口(コンタクトホール)を形成する。
次に、この開口部を充填するように、TiN/Ti等のバリア膜上にタングステン(W)を積層した膜を堆積した後、CMP法を用いて、第1の層間絶縁膜4が露出するまで表面研磨して、容量コンタクトプラグ107Aを形成する。以上により、容量コンタクトプラグ107AとMOSトランジスタTr1は、基板コンタクトプラグ109を介して接続した構成となる。
Next, the first first interlayer insulating film 104 and the second second interlayer insulating film 107 are exposed so as to expose the surface of the substrate contact plug 109 at the positions of the substrate contact portions 205b and 205c shown in FIG. An opening (contact hole) penetrating through is formed.
Next, after depositing a film in which tungsten (W) is laminated on a barrier film such as TiN / Ti so as to fill the opening, the first interlayer insulating film 4 is exposed by CMP. The surface is polished until the capacitor contact plug 107A is formed. As described above, the capacitor contact plug 107A and the MOS transistor Tr1 are connected via the substrate contact plug 109.

次に、キャパシタCapを形成する。なお、図7〜図9においては、第1の第三の層間絶縁膜111より下の部分については記載を省略している。   Next, the capacitor Cap is formed. In FIG. 7 to FIG. 9, the description of the portion below the first third interlayer insulating film 111 is omitted.

はじめに、図7に示すように第一の電極113を形成する。はじめに、第2の第二の層間絶縁膜107を覆うように、窒化シリコンからなる第1の第三の層間絶縁膜111を60nm程度の膜厚で形成する。次に、1の第三の層間絶縁膜111を覆うように酸化シリコン等からなる第2の第四の層間絶縁膜112を2μm程度の膜厚で堆積した後、異方性ドライエッチングを用いて、容量コンタクトプラグ107Aの表面を露出させるように、第2の第四の層間絶縁膜112に孔112Aを形成する。孔112A内壁は、キャパシタCapが形成される領域となる。   First, the first electrode 113 is formed as shown in FIG. First, a first third interlayer insulating film 111 made of silicon nitride is formed to a thickness of about 60 nm so as to cover the second second interlayer insulating film 107. Next, a second fourth interlayer insulating film 112 made of silicon oxide or the like is deposited to a thickness of about 2 μm so as to cover the first third interlayer insulating film 111, and then anisotropic dry etching is used. Then, a hole 112A is formed in the second fourth interlayer insulating film 112 so as to expose the surface of the capacitor contact plug 107A. The inner wall of the hole 112A is a region where the capacitor Cap is formed.

次いで、孔112Aの内壁側面及び底面を覆うとともに、孔112Aの内部を完全には充填しない膜厚でチタン膜と窒化チタン膜を順次堆積する。次に、第四の層間絶縁膜112上のチタン膜と窒化チタン膜をドライエッチング法またはCMP法によって除去し、チタン膜と窒化チタン膜からなる円筒状の第一の電極113を形成する。なお、ここでは第一の電極113の材料としてチタン膜と窒化チタン膜を挙げたが、材料はこれらに限定されず、他の金属膜を使用してもかまわない。   Next, a titanium film and a titanium nitride film are sequentially deposited so as to cover the inner wall side surface and the bottom surface of the hole 112A and not to completely fill the inside of the hole 112A. Next, the titanium film and the titanium nitride film on the fourth interlayer insulating film 112 are removed by a dry etching method or a CMP method, and a cylindrical first electrode 113 made of the titanium film and the titanium nitride film is formed. Note that here, a titanium film and a titanium nitride film are cited as materials for the first electrode 113, but the materials are not limited to these, and other metal films may be used.

次に、図8に示すように金属酸化物からなる容量絶縁膜114を形成する。本実施形態における金属酸化物としては、成膜温度が低い順に、非晶質相、低温相の結晶構造、高温相の結晶構造を形成し得るものを用いる。このような材料としては、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムのうちのいずれか一種を選択して用いることができる。また、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムの中から少なくとも2種類以上を選択して積層した積層膜を形成しても良い。
以下に、容量絶縁膜4用の金属酸化物として酸化チタン(TiO)を用いた例について説明する。
Next, as shown in FIG. 8, a capacitive insulating film 114 made of a metal oxide is formed. As the metal oxide in this embodiment, an oxide capable of forming an amorphous phase, a low-temperature phase crystal structure, and a high-temperature phase crystal structure in descending order of film formation temperature is used. As such a material, any one of titanium oxide, niobium oxide, and zirconium oxide can be selected and used. Alternatively, a laminated film in which at least two kinds of titanium oxide, niobium oxide, or zirconium oxide are selected and laminated may be formed.
Hereinafter, an example in which titanium oxide (TiO 2 ) is used as the metal oxide for the capacitive insulating film 4 will be described.

まず、図示しない成膜装置の反応室内に、第一の電極113までが形成された半導体基板101を設置する。このとき、成膜装置の反応室内の温度は、第一の温度に設定しておく。   First, the semiconductor substrate 101 on which up to the first electrode 113 is formed is placed in a reaction chamber of a film forming apparatus (not shown). At this time, the temperature in the reaction chamber of the film forming apparatus is set to the first temperature.

第一の温度は、容量絶縁膜4用の金属酸化物(酸化チタン)の低温相の結晶構造(アナターゼ構造)が得られる温度よりも100℃以上低い温度とする。
また、金属酸化物の材料として酸化ニオブを用いる場合も、低温相の結晶構造(六方晶構造)が得られる温度よりも100℃以上低い温度とする。また、酸化ジルコニウムを用いる場合も、低温相の結晶構造(正方晶構造)が得られる温度よりも100℃以上低い温度とする。
The first temperature is set to be 100 ° C. or more lower than the temperature at which the crystal structure (anatase structure) of the low-temperature phase of the metal oxide (titanium oxide) for the capacitive insulating film 4 is obtained.
Also, when niobium oxide is used as the metal oxide material, the temperature is 100 ° C. or more lower than the temperature at which a low-temperature phase crystal structure (hexagonal crystal structure) is obtained. Also when zirconium oxide is used, the temperature is set to be 100 ° C. or more lower than the temperature at which a low-temperature phase crystal structure (tetragonal structure) is obtained.

次いで、ALD法により、第一の電極113上に非晶質の結晶構造の金属酸化物からなる非晶質膜(容量絶縁膜114)を形成する。なお、本明細書中では、非晶質の結晶構造の金属酸化物からなる膜を非晶質膜114とする。   Next, an amorphous film (capacitive insulating film 114) made of a metal oxide having an amorphous crystal structure is formed on the first electrode 113 by ALD. Note that in this specification, a film made of a metal oxide having an amorphous crystal structure is referred to as an amorphous film 114.

まず、Ti原料ガス(Tiプリカーサ)を反応室内に供給し、第一の電極3表面にチタン膜を堆積させる。このとき、原料ガスでの成膜に加えて、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、La(ランタン)、Al(アルミニウム)またはSr(ストロンチウム)の群の中から少なくとも1種類以上の元素を添加して成膜してもよい。なお、本実施例では酸化チタンを用いた例について説明するが、酸化ジルコニウムを金属酸化膜として形成する場合には、添加物としてY、La、AlまたはSrの群の中から少なくとも1種類以上の元素を用いても構わない。   First, Ti source gas (Ti precursor) is supplied into the reaction chamber, and a titanium film is deposited on the surface of the first electrode 3. At this time, in addition to the film formation with the source gas, at least one element from the group of Y (yttrium), Zr (zirconium), La (lanthanum), Al (aluminum) or Sr (strontium) is added. Then, the film may be formed. In this embodiment, an example using titanium oxide will be described. However, when zirconium oxide is formed as a metal oxide film, at least one or more kinds of Y, La, Al, or Sr are added as additives. Elements may be used.

次に、反応室内にパージ用のNガスを供給し、Ti原料ガスを排出する。次いで、酸化剤を反応室内に供給することにより、チタン膜を酸化させる。このとき、酸化剤としては酸素(O2)、オゾン(O3)、水蒸気(HO)、またはこれらのガスの混合気体や、これらのガスと窒素ガスとの混合気体などの酸化剤等を用いることができる。
その後、反応室内にNガスを供給し、酸化剤を排出する。
Next, purge N 2 gas is supplied into the reaction chamber, and Ti source gas is discharged. Next, the titanium film is oxidized by supplying an oxidizing agent into the reaction chamber. At this time, as the oxidizing agent, oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ), water vapor (H 2 O), a mixed gas of these gases, or a mixed gas of these gases and nitrogen gas, etc. Can be used.
Thereafter, N 2 gas is supplied into the reaction chamber and the oxidant is discharged.

以上により、第一の電極113の内壁面及び底面を覆うように酸化チタンの原子層が形成される。この後、原料ガス導入から酸化剤のパージまでの一連の工程を任意の回数繰り返すことにより、酸化チタンの原子層からなる非晶質膜114の薄膜が形成される。ここではたとえば、非晶質膜114を6nm〜10nmの膜厚で形成する。   Thus, an atomic layer of titanium oxide is formed so as to cover the inner wall surface and the bottom surface of the first electrode 113. Thereafter, the thin film of the amorphous film 114 made of an atomic layer of titanium oxide is formed by repeating a series of steps from introduction of the source gas to purging of the oxidant any number of times. Here, for example, the amorphous film 114 is formed with a film thickness of 6 nm to 10 nm.

また、非晶質膜114の形成においては、同一の金属の原子層を積層せずに、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムの中から少なくとも2種類以上を選択して積層膜(非晶質膜114)を積層してもかまわない。   In the formation of the amorphous film 114, at least two types of titanium oxide, niobium oxide, or zirconium oxide are selected without stacking the same metal atomic layer, and a stacked film (amorphous film) is selected. 114) may be laminated.

次いで、第一の温度から、たとえば酸化チタンにおけるルチル構造など、高温で安定な高温相の結晶構造が得られる温度(第二の温度)まで、10℃/秒以上の昇温速度で反応室内の温度を上昇させる。   Next, from the first temperature to the temperature (second temperature) at which a high-temperature stable crystal structure such as a rutile structure in titanium oxide is obtained (second temperature), the reaction chamber is heated at a rate of 10 ° C./second or more. Increase temperature.

このとき、金属酸化物(非晶質膜4)として酸化ニオブを用いる場合の第二の温度は700℃となる。また、酸化ニオブからなる非晶質膜4のアニールにより、斜方晶構造の結晶構造が高温相の結晶構造として析出する。酸化ニオブを用いて高温相(斜方晶構造)の結晶膜を形成するには、400℃以下の温度で非晶質状態の膜を形成した後に、10℃/秒以上の昇温速度で700℃まで昇温して、アニールを実施すればよい。   At this time, the second temperature when niobium oxide is used as the metal oxide (amorphous film 4) is 700 ° C. Further, the annealing of the amorphous film 4 made of niobium oxide precipitates the orthorhombic crystal structure as a high-temperature phase crystal structure. In order to form a high-temperature phase (orthorhombic structure) crystal film using niobium oxide, an amorphous film is formed at a temperature of 400 ° C. or lower, and then a temperature increase rate of 10 ° C./second or higher is 700. Annealing may be performed by raising the temperature to ° C.

また、同様に、非晶質膜4として酸化ジルコニウムを用いる場合の第二の温度は450℃であり、非晶質膜4のアニールにより六方晶構造の結晶構造が高温相の結晶構造として析出する。酸化ジルコニウムを用いて高温相(六方晶構造)の結晶膜を形成するには、200℃以下の温度で非晶質状態の膜を形成した後に、10℃/秒以上の昇温速度で450℃まで昇温して、アニールを実施すればよい。   Similarly, the second temperature when zirconium oxide is used as the amorphous film 4 is 450 ° C., and the amorphous film 4 is annealed to precipitate a hexagonal crystal structure as a high-temperature phase crystal structure. . In order to form a high-temperature phase (hexagonal crystal) crystal film using zirconium oxide, an amorphous film is formed at a temperature of 200 ° C. or lower, and then a temperature rise rate of 10 ° C./second or higher is 450 ° C. The temperature may be increased up to annealing.

また、金属酸化物として、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムの中から少なくとも2種類以上を選択して積層した積層膜(非晶質膜114)を用いる場合は、積層膜に用いた各金属の第二の温度のうち、最も高い温度に合わせて昇温する。   Further, in the case of using a laminated film (amorphous film 114) in which at least two kinds of titanium oxide, niobium oxide, or zirconium oxide are selected and laminated as the metal oxide, each metal used in the laminated film is used. The temperature is raised to the highest temperature among the second temperatures.

次いで、反応室内の温度を第二の温度で維持したまま、窒素雰囲気中で非晶質膜114をアニールする。このアニールにより、高温相の結晶構造が析出し、高温相の結晶構造の金属酸化物からなる容量絶縁膜114が形成される。   Next, the amorphous film 114 is annealed in a nitrogen atmosphere while maintaining the temperature in the reaction chamber at the second temperature. By this annealing, a high-temperature phase crystal structure is deposited, and a capacitive insulating film 114 made of a metal oxide having a high-temperature phase crystal structure is formed.

次いで、図9に示すように、第二の電極115を形成する。
まず、容量絶縁膜114の内壁面、および、第2の第四の層間絶縁膜112上を覆うように、たとえばチタン膜と窒化チタン膜の積層膜を堆積させる。次いで、前記積層膜をパターニングし、第二の電極115を形成する。
以上により、円筒状の第一の電極113と、第一の電極113の内壁面及び底面を覆うように形成された容量絶縁膜114と、容量絶縁膜114を覆うように形成された第二の電極115と、を有するキャパシタCapが形成される。
Next, as shown in FIG. 9, the second electrode 115 is formed.
First, a laminated film of, for example, a titanium film and a titanium nitride film is deposited so as to cover the inner wall surface of the capacitor insulating film 114 and the second fourth interlayer insulating film 112. Next, the stacked film is patterned to form the second electrode 115.
As described above, the cylindrical first electrode 113, the capacitor insulating film 114 formed so as to cover the inner wall surface and the bottom surface of the first electrode 113, and the second electrode formed so as to cover the capacitor insulating film 114. A capacitor Cap having the electrode 115 is formed.

なお、本実施形態におけるキャパシタCapは、第一の電極113の内壁のみを電極として利用するシリンダー型を例として示したが、第一の電極113の外壁と内壁の双方を電極として利用するクラウン型や、第一の電極113の外壁のみを電極として利用するペデスタル型のキャパシタとすることも可能である。   In addition, although the capacitor Cap in the present embodiment has been shown as an example of a cylinder type that uses only the inner wall of the first electrode 113 as an electrode, a crown type that uses both the outer wall and the inner wall of the first electrode 113 as an electrode. Alternatively, a pedestal capacitor that uses only the outer wall of the first electrode 113 as an electrode can be used.

その後、図6に示すように、第二の電極115を覆うように酸化シリコン等からなる第五の層間絶縁膜120を形成する。
次に、第五の層間絶縁膜120を貫通するように、キャパシタCapの第二の電極115に電位を与えるための引き出し用コンタクトプラグ(不図示)を形成する。
次に、前記引き出し用コンタクトプラグと接続するように、アルミニウム(Al)や銅
(Cu)などからなる配線121を第五の層間絶縁膜120上に形成する。次いで、配線121および第五の層間絶縁膜120を覆うように、酸窒化シリコン(SiON)等からなる表面保護膜122を形成する。
以上の工程により、本発明の実施形態である半導体装置110を製造する。
Thereafter, as shown in FIG. 6, a fifth interlayer insulating film 120 made of silicon oxide or the like is formed so as to cover the second electrode 115.
Next, a lead-out contact plug (not shown) for applying a potential to the second electrode 115 of the capacitor Cap is formed so as to penetrate the fifth interlayer insulating film 120.
Next, a wiring 121 made of aluminum (Al), copper (Cu), or the like is formed on the fifth interlayer insulating film 120 so as to be connected to the lead contact plug. Next, a surface protective film 122 made of silicon oxynitride (SiON) or the like is formed so as to cover the wiring 121 and the fifth interlayer insulating film 120.
Through the above steps, the semiconductor device 110 according to the embodiment of the present invention is manufactured.

本実施形態の半導体装置110の製造方法によれば、第1の電極113上に、金属酸化膜の低温相の結晶構造が得られる温度よりも100℃以上低い温度で、金属酸化物の非晶質膜を形成することにより、低温相の結晶構造を析出させることなく、非晶質膜114を形成できる。また、非晶質膜114を形成した後に、金属酸化物の高温相の結晶構造が得られる温度まで10℃/秒以上の昇温速度で急速に温度を上昇させることにより、昇温過程における低温相の結晶構造の析出を防ぐことができる。   According to the method for manufacturing the semiconductor device 110 of this embodiment, the amorphous metal oxide is formed on the first electrode 113 at a temperature that is 100 ° C. or more lower than the temperature at which the low-temperature crystal structure of the metal oxide film is obtained. By forming the material film, the amorphous film 114 can be formed without precipitating the crystal structure of the low temperature phase. Further, after the amorphous film 114 is formed, the temperature is rapidly increased at a temperature increase rate of 10 ° C./second or more to a temperature at which a crystal structure of a high-temperature phase of the metal oxide can be obtained. Precipitation of the crystal structure of the phase can be prevented.

また、非晶質膜114中での、低温相の結晶構造の析出が防がれるため、低温相の結晶構造を高温相の結晶構造に変化させるための高温のアニールが不要となり、第一の電極113およびMOSトランジスタへの熱負担を軽減できる。このため、従来よりも低温の条件下で、高温相の結晶構造の金属酸化物からなる容量絶縁膜114を第1の電極113上に、半導体装置にダメージを与える事無く形成できる。また、高温相の結晶構造を得るための下限温度でのアニールの実施でよいため、所望の結晶構造(高温相の結晶構造)の容量絶縁膜114を有する半導体装置110を容易に形成できる。   In addition, since precipitation of the crystal structure of the low temperature phase in the amorphous film 114 is prevented, high temperature annealing for changing the crystal structure of the low temperature phase to the crystal structure of the high temperature phase is not necessary, The heat burden on the electrode 113 and the MOS transistor can be reduced. Therefore, the capacitor insulating film 114 made of a metal oxide having a crystal structure in a high temperature phase can be formed on the first electrode 113 without damaging the semiconductor device under a condition lower than that in the past. Further, since annealing at a lower limit temperature for obtaining a high-temperature phase crystal structure may be performed, the semiconductor device 110 including the capacitor insulating film 114 having a desired crystal structure (high-temperature phase crystal structure) can be easily formed.

また、誘電率の高い結晶構造の誘電体膜を用いたキャパシタを容易に形成できるので、リフレッシュ特性(データ保持特性)に優れ、高集積かつ低消費電力の半導体装置110を実現することが可能となる。   In addition, since a capacitor using a dielectric film having a crystal structure with a high dielectric constant can be easily formed, it is possible to realize a semiconductor device 110 having excellent refresh characteristics (data retention characteristics), high integration, and low power consumption. Become.

また、容量絶縁膜114用の金属酸化物として、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムのうちのいずれか一種を選択して用いることにより、静電容量が大きいキャパシタCapを有する半導体装置110を形成できる。
また、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムの中から少なくとも2種類以上を選択して積層した積層膜を、金属酸化物の膜として形成することにより、静電容量が大きいキャパシタCapを有する半導体装置110を形成できる。
Further, by selecting and using any one of titanium oxide, niobium oxide, and zirconium oxide as the metal oxide for the capacitor insulating film 114, the semiconductor device 110 having the capacitor Cap having a large capacitance can be formed. .
Further, a semiconductor device 110 having a capacitor Cap having a large capacitance is formed by forming a laminated film in which at least two or more of titanium oxide, niobium oxide and zirconium oxide are laminated as a metal oxide film. Can be formed.

また、金属酸化物からなる膜として、酸化チタンおよび/または酸化ニオブからなる膜を形成する際に、原料ガスとともに、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、La(ランタン)、Al(アルミニウム)またはSr(ストロンチウム)の群の中から少なくとも1種類以上の元素を含有したガスを用いて成膜することにより、リーク耐圧の大きいキャパシタCapを有する半導体装置110を形成できる。また、金属酸化物からなる膜として酸化ジルコニウムからなる膜を形成する際に、原料ガスとともに、Y、La、AlまたはSrの群の中から少なくとも1種類以上の元素を含有したガスを用いて成膜することにより、同様の効果を得ることができる。   In addition, when forming a film made of titanium oxide and / or niobium oxide as a film made of metal oxide, together with the source gas, Y (yttrium), Zr (zirconium), La (lanthanum), Al (aluminum) or By forming a film using a gas containing at least one kind of element from the group of Sr (strontium), the semiconductor device 110 having the capacitor Cap with a large leakage withstand voltage can be formed. In addition, when forming a film made of zirconium oxide as a film made of metal oxide, a film containing at least one element from the group of Y, La, Al, or Sr is formed together with the source gas. The same effect can be obtained by forming a film.

以下、本発明のキャパシタCapの製造方法の一例を実施例に基づいて具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
(実施例1)
Hereinafter, an example of the manufacturing method of the capacitor Cap of the present invention will be specifically described based on examples. However, the present invention is not limited only to these examples.
Example 1

実施例1として、ALD法を用いて、最終的に酸化チタン(TiO)からなる容量絶縁膜4を有するキャパシタCapを形成する工程を以下に説明する。
はじめに、図1に示すように、Siからなる半導体基板1上に、酸化シリコン(SiO)からなる層間絶縁膜2を形成した。次いで、層間絶縁膜2上にPtからなる第一の電極3を形成した。なお、ここで第一の電極3の材料としてPtを用いた理由は、Ptが耐熱性に優れ、特性評価を行いやすい材料であるためである。
As Example 1, a process of finally forming a capacitor Cap having a capacitive insulating film 4 made of titanium oxide (TiO 2 ) using the ALD method will be described.
First, as shown in FIG. 1, an interlayer insulating film 2 made of silicon oxide (SiO 2 ) was formed on a semiconductor substrate 1 made of Si. Next, a first electrode 3 made of Pt was formed on the interlayer insulating film 2. Here, the reason why Pt is used as the material of the first electrode 3 is that Pt is excellent in heat resistance and easy to evaluate characteristics.

次いで、第一の電極3まで形成した半導体基板1をALD成膜装置の反応室内に設置した。次いで、TDMATを原料ガスとしたALD法により、第一の電極3上に非晶質の結晶構造の非晶質膜4を形成した。このとき、反応室内の温度(第一の温度)は、低温相の結晶構造(アナターゼ構造)の酸化チタンが安定に形成される最低温度(330℃)よりも100℃以上低い200℃とした。この結果、膜厚9nmの非晶質状態(アモルファス状態)の酸化チタンからなる非晶質膜4が形成された。   Next, the semiconductor substrate 1 formed up to the first electrode 3 was placed in the reaction chamber of the ALD film forming apparatus. Next, an amorphous film 4 having an amorphous crystal structure was formed on the first electrode 3 by an ALD method using TDMAT as a source gas. At this time, the temperature (first temperature) in the reaction chamber was set to 200 ° C., which is 100 ° C. lower than the lowest temperature (330 ° C.) at which titanium oxide having a low-temperature phase crystal structure (anatase structure) is stably formed. As a result, an amorphous film 4 made of titanium oxide in an amorphous state (amorphous state) having a thickness of 9 nm was formed.

なお、TiOの成膜を高温(660℃以上)の条件下で成膜すると最初からルチル構造のみとなり、TiOの成膜を中温(550℃)で行うとアナターゼ構造とルチル構造の混在状態となるとされている。本発明のアニールを行う第二の温度は、非晶質状態で形成した膜を所定の結晶構造とするための温度であり、成膜時に最初から所定の結晶構造の膜を形成する場合の成膜温度とは必ずしも一致しない。本発明では、ルチル構造の酸化チタンを形成するための第2の温度は600℃となる。 In addition, when the TiO 2 film is formed at a high temperature (660 ° C. or higher), only the rutile structure is formed from the beginning. When the TiO 2 film is formed at an intermediate temperature (550 ° C.), a mixed state of the anatase structure and the rutile structure. It is supposed to be. The second temperature at which the annealing of the present invention is performed is a temperature for forming a film formed in an amorphous state into a predetermined crystal structure. It does not necessarily match the film temperature. In the present invention, the second temperature for forming the rutile-structured titanium oxide is 600 ° C.

次いで、反応室内の温度を第一の温度(200℃)から第二の温度(600℃)まで、10℃/秒の昇温速度で上昇させた。このとき、反応室内には窒素を充填させた状態とした。
次いで、反応室内の温度を第二の温度(600℃)に維持したまま、非晶質膜4のアニール処理(ポストアニール処理)を行い、容量絶縁膜4を形成した。このアニール処理ののち、XRD(X−ray diffracation)によって容量絶縁膜4(酸化チタン)の結晶構造を調べたところ、ルチル構造(高温相の結晶構造)が主体の結晶構造となっていた。
Next, the temperature in the reaction chamber was increased from the first temperature (200 ° C.) to the second temperature (600 ° C.) at a rate of temperature increase of 10 ° C./second. At this time, the reaction chamber was filled with nitrogen.
Next, with the temperature in the reaction chamber maintained at the second temperature (600 ° C.), the amorphous film 4 was annealed (post-annealed) to form the capacitive insulating film 4. After the annealing treatment, the crystal structure of the capacitive insulating film 4 (titanium oxide) was examined by XRD (X-ray diffracation). As a result, the rutile structure (crystal structure of the high temperature phase) was the main crystal structure.

同様にして、第一の温度を250℃、300℃に変え、また、第二の温度を400℃、500℃、600℃、700℃に変え、それぞれの条件で非晶質膜4を形成した。また、比較例として、ポストアニール処理を行わずに非晶質膜4を形成した。
表1に、第一の温度と第二の温度をそれぞれ変えて容量絶縁膜4を形成した場合における、それぞれの結晶構造を示す。なお、下線が引かれているものはその構造が主であることを示している。また、下線がなく「アナターゼ構造+ルチル構造」とあるものは二種類の結晶構造の酸化チタンが同程度含有されていることを示している。
Similarly, the first temperature was changed to 250 ° C. and 300 ° C., and the second temperature was changed to 400 ° C., 500 ° C., 600 ° C. and 700 ° C., and the amorphous film 4 was formed under each condition. . Further, as a comparative example, the amorphous film 4 was formed without performing the post-annealing process.
Table 1 shows each crystal structure when the capacitor insulating film 4 is formed by changing the first temperature and the second temperature, respectively. In addition, what is underlined has shown that the structure is main. In addition, an underlined “anatase structure + rutile structure” indicates that titanium oxides having two types of crystal structures are contained to the same extent.

Figure 2012064631
Figure 2012064631

表1に示すように、第一の温度を200℃とした場合は、膜厚9nmの非晶質(アモルファス状態)の非晶質膜4が形成された。その後、第二の温度を600℃としてポストアニールを行ったところ、非晶質膜4は、ルチル構造の酸化チタンを主体とする容量絶縁膜4となった。また、容量絶縁膜4中にアナターゼ構造は発生しなかった。また、第二の温度を500℃とした場合も同様の結果となった。
それに対し、第一の温度を200℃、第二の温度を400℃とした場合は、非晶質膜4はルチル構造とならず、容量絶縁膜4の結晶構造は非晶質(アモルファス状態)のままであった。
As shown in Table 1, when the first temperature was 200 ° C., an amorphous (amorphous) amorphous film 4 having a thickness of 9 nm was formed. Thereafter, post-annealing was performed at a second temperature of 600 ° C., and the amorphous film 4 became a capacitive insulating film 4 mainly composed of titanium oxide having a rutile structure. Further, no anatase structure was generated in the capacitive insulating film 4. The same result was obtained when the second temperature was 500 ° C.
On the other hand, when the first temperature is 200 ° C. and the second temperature is 400 ° C., the amorphous film 4 does not have a rutile structure, and the crystal structure of the capacitive insulating film 4 is amorphous (amorphous state). It remained.

また、第一の温度を250℃とした場合は膜厚9nmの非晶質状態の非晶質膜4が形成された。その後、第二の温度を700℃としてポストアニールを行ったところ、非晶質膜4は、ルチル構造を主とし、アナターゼ構造を含む結晶構造の容量絶縁膜4となった。
また、第一の温度を250℃、第二の温度を600℃とした場合は、容量絶縁膜4は、ルチル構造とアナターゼ構造の両方を同程度ずつ含む結晶構造となった。
また、第一の温度を250℃、第二の温度を500℃とした場合は、容量絶縁膜4中にルチル構造の酸化チタンは析出せず、容量絶縁膜4の結晶構造は非晶質(アモルファス状態)のままであった。
In addition, when the first temperature was 250 ° C., an amorphous film 4 having a film thickness of 9 nm was formed. Thereafter, post-annealing was performed at a second temperature of 700 ° C. As a result, the amorphous film 4 became a capacitive insulating film 4 having a crystal structure mainly including a rutile structure and including an anatase structure.
Further, when the first temperature was 250 ° C. and the second temperature was 600 ° C., the capacitive insulating film 4 had a crystal structure including both the rutile structure and the anatase structure.
Further, when the first temperature is 250 ° C. and the second temperature is 500 ° C., titanium oxide having a rutile structure does not precipitate in the capacitor insulating film 4, and the crystal structure of the capacitor insulating film 4 is amorphous ( (Amorphous state).

また、第一の温度を300℃とした場合は、膜厚20nmのアナターゼ構造の容量絶縁膜4が形成された。その後、第二の温度を700℃としてポストアニールを行ったところ、容量絶縁膜4は、ルチル構造を主とし、アナターゼ構造を含む結晶構造となった。
また、第一の温度を300℃、第二の温度を600℃とした場合も同様に、容量絶縁膜4は、ルチル構造を主とし、アナターゼ構造を含む結晶構造となった。
また、第一の温度を300℃、第二の温度を500℃とした場合は、容量絶縁膜4は、アナターゼ構造を主とし、ルチル構造を含む結晶構造となった。
また、第一の温度を300℃、第二の温度を400℃とした場合は、容量絶縁膜4は、アナターゼ構造を主体とした結晶構造のままであった。
Further, when the first temperature was set to 300 ° C., the capacitive insulating film 4 having an anatase structure with a film thickness of 20 nm was formed. Thereafter, post-annealing was performed at a second temperature of 700 ° C., and the capacitive insulating film 4 had a crystal structure mainly including a rutile structure and including an anatase structure.
Similarly, when the first temperature is 300 ° C. and the second temperature is 600 ° C., the capacitive insulating film 4 has a crystal structure mainly including a rutile structure and including an anatase structure.
When the first temperature was 300 ° C. and the second temperature was 500 ° C., the capacitive insulating film 4 had a crystal structure mainly including an anatase structure and including a rutile structure.
When the first temperature was 300 ° C. and the second temperature was 400 ° C., the capacitive insulating film 4 remained in a crystal structure mainly composed of an anatase structure.

なお、第一の温度を200℃、もしくは250℃とした場合は容量絶縁膜4が9nmの膜厚で形成されたのに対し、第一の温度を300℃とした場合、容量絶縁膜4は20nmの膜厚で形成された。
このような、成膜時の温度による膜厚の差が生じる理由は、第一の温度を300℃とした場合は、成膜時の温度が高いことに加え、第一の温度での成膜時に既にアナターゼ構造になっているため、非晶質状態の場合と比べて結晶化しやすいことが原因であると推測されている。
When the first temperature is 200 ° C. or 250 ° C., the capacitive insulating film 4 is formed with a thickness of 9 nm, whereas when the first temperature is 300 ° C., the capacitive insulating film 4 is The film was formed with a thickness of 20 nm.
The reason for the difference in film thickness due to the temperature during film formation is that when the first temperature is set to 300 ° C., the film formation temperature at the first temperature is high in addition to the high temperature during film formation. Sometimes it is already anatase structure, and it is presumed that this is because it is easier to crystallize compared to the amorphous state.

以上のように、低温相であるアナターゼ構造の酸化チタンが安定に形成される最低温度(330℃)よりも100℃以上低い第一の温度(200℃)で容量絶縁膜4を成膜するとともに、ポストアニールの昇温速度を10℃/秒以上の速度とすることにより、所望の結晶構造であるルチル構造の容量絶縁膜4を、低温のプロセスで得ることができた。
また、第一の温度を300℃とするとアナターゼ構造が析出されたが、第一の温度を200℃とした場合はアナターゼ構造を発生させることなく、ルチル構造の容量絶縁膜4を得ることができた。
As described above, the capacitive insulating film 4 is formed at the first temperature (200 ° C.) that is 100 ° C. or more lower than the lowest temperature (330 ° C.) at which the titanium oxide having the anatase structure as the low temperature phase is stably formed. By setting the temperature increase rate of post-annealing to 10 ° C./second or more, the capacitive insulating film 4 having a rutile structure as a desired crystal structure could be obtained by a low temperature process.
Further, when the first temperature is 300 ° C., an anatase structure is deposited. However, when the first temperature is 200 ° C., the capacitive insulating film 4 having the rutile structure can be obtained without generating the anatase structure. It was.

本発明の活用例として、DRAMや、キャパシタまたはMOSトランジスタを含む半導体装置が挙げられる。   Examples of utilization of the present invention include semiconductor devices including DRAMs, capacitors, or MOS transistors.

Tr1…MOSトランジスタ、W…ワード配線、Cap…キャパシタ、1…半導体基板、2…層間絶縁膜、3…第一の電極、4…容量絶縁膜(非晶質膜)、5…第二の電極、101…半導体基板、102…トレンチ、103…素子分離領域、104…第一の層間絶縁膜、104A…ビット線コンタクトプラグ、105…ゲート電極、105a…ゲート絶縁膜、105b…サイドウォール、105c…絶縁膜、106…ビット配線、107…第二の層間絶縁膜、107A…容量コンタクトプラグ、108…不純物拡散層、109…基板コンタクトプラグ、110…半導体装置、111…第三の層間絶縁膜、112…第四の層間絶縁膜、113…第一の電極、114…容量絶縁膜(非晶質膜)、115…第二の電極 Tr1 ... MOS transistor, W ... word wiring, Cap ... capacitor, 1 ... semiconductor substrate, 2 ... interlayer insulating film, 3 ... first electrode, 4 ... capacitive insulating film (amorphous film), 5 ... second electrode 101 ... Semiconductor substrate, 102 ... Trench, 103 ... Element isolation region, 104 ... First interlayer insulating film, 104A ... Bit line contact plug, 105 ... Gate electrode, 105a ... Gate insulating film, 105b ... Side wall, 105c ... Insulating film, 106 bit wiring, 107 second interlayer insulating film, 107A capacitor contact plug, 108 impurity diffusion layer, 109 substrate contact plug, 110 semiconductor device, 111 third interlayer insulating film, 112 ... fourth interlayer insulating film, 113 ... first electrode, 114 ... capacitive insulating film (amorphous film), 115 ... second electrode

Claims (9)

低温で安定な低温相の結晶構造と高温で安定な高温相の結晶構造とを有する金属酸化物からなる膜を容量絶縁膜として用いるキャパシタの製造方法であって、
第1の電極を形成する工程と、
前記第1の電極上に、前記低温相の結晶構造が得られる温度よりも100℃以上低い温度で、前記金属酸化物の非晶質膜を形成する工程と、
前記高温相の結晶構造が得られる温度まで、10℃/秒以上の昇温速度で温度を上昇させた後に、前記高温相の結晶構造が得られる温度を維持して前記非晶質膜をアニールして、前記金属酸化物の結晶膜を形成する工程と、
前記結晶膜上に第2の電極を形成する工程と、を有することを特徴とするキャパシタの製造方法。
A method for manufacturing a capacitor using a film made of a metal oxide having a crystal structure of a low-temperature phase stable at a low temperature and a crystal structure of a high-temperature phase stable at a high temperature as a capacitor insulating film,
Forming a first electrode;
Forming an amorphous film of the metal oxide on the first electrode at a temperature 100 ° C. or more lower than a temperature at which the crystal structure of the low-temperature phase is obtained;
After the temperature is increased at a temperature rising rate of 10 ° C./second or more to a temperature at which the high-temperature phase crystal structure is obtained, the amorphous film is annealed while maintaining the temperature at which the high-temperature phase crystal structure is obtained. And a step of forming a crystal film of the metal oxide,
And a step of forming a second electrode on the crystal film.
前記金属酸化物が、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムのうちのいずれか一種からなることを特徴とする請求項1に記載のキャパシタの製造方法。   The method for manufacturing a capacitor according to claim 1, wherein the metal oxide is made of any one of titanium oxide, niobium oxide, and zirconium oxide. 前記金属酸化物からなる膜が、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムの中から少なくとも2種類以上を選択して積層した積層膜であることを特徴とする請求項1に記載のキャパシタの製造方法。   2. The method of manufacturing a capacitor according to claim 1, wherein the film made of the metal oxide is a laminated film in which at least two kinds of films selected from titanium oxide, niobium oxide, and zirconium oxide are laminated. 前記金属酸化物からなる膜が、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、La(ランタン)、Al(アルミニウム)またはSr(ストロンチウム)の群の中から少なくとも1種類以上の元素を含有していることを特徴とする請求項2または請求項3のいずれかに記載のキャパシタの製造方法。   The film made of the metal oxide contains at least one element from the group of Y (yttrium), Zr (zirconium), La (lanthanum), Al (aluminum), or Sr (strontium). The method for manufacturing a capacitor according to claim 2, wherein: 金属酸化物を容量絶縁膜として用いるキャパシタを備えた半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上にMOSトランジスタを形成する工程と、
前記MOSトランジスタのソース・ドレイン電極のいずれか一方と接続する前記キャパシタ用の第1の電極を形成する工程と、
前記第1の電極上に、前記金属酸化物の低温相の結晶構造が得られる温度よりも100℃以上低い温度で、前記金属酸化物の非晶質膜を形成する工程と、
前記金属酸化物の高温相の結晶構造が得られる温度まで、10℃/秒以上の昇温速度で温度を上昇させた後に、前記高温相の結晶構造が得られる温度を維持して前記非晶質膜をアニールして、前記金属酸化物の結晶膜を形成する工程と、
前記結晶膜上に前記キャパシタ用の第2の電極を形成する工程を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device including a capacitor using a metal oxide as a capacitor insulating film,
Forming a MOS transistor on a semiconductor substrate;
Forming a first electrode for the capacitor connected to any one of the source and drain electrodes of the MOS transistor;
Forming an amorphous film of the metal oxide on the first electrode at a temperature lower by 100 ° C. or more than a temperature at which a crystal structure of a low-temperature phase of the metal oxide is obtained;
After the temperature is increased at a rate of temperature increase of 10 ° C./second or more to a temperature at which the crystal structure of the high-temperature phase of the metal oxide is obtained, the temperature at which the crystal structure of the high-temperature phase is obtained is maintained and the amorphous Annealing the material film to form a crystal film of the metal oxide;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a second electrode for the capacitor on the crystal film.
前記金属酸化物が、酸化チタン、酸化ニオブまたは酸化ジルコニウムのうちのいずれか一種を含むように形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。   6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the metal oxide is formed so as to include any one of titanium oxide, niobium oxide, and zirconium oxide. 前記金属酸化物の非晶質膜を形成する工程は、前記金属酸化物に含有される金属を主成分とする金属膜を堆積する工程と、
前記金属膜を酸化剤によって酸化することで金属酸化膜に変化させる工程とを含むことを特徴とする請求項5または6に記載の半導体装置の製造方法。
Forming the amorphous metal oxide film includes depositing a metal film mainly composed of a metal contained in the metal oxide;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, further comprising: oxidizing the metal film with an oxidizing agent to change the metal film into a metal oxide film.
前記金属膜が、Ti(チタン)、Nb(ニオブ)、Zr(ジルコニウム)のいずれかを主成分として含有し、
さらに、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、La(ランタン)、Al(アルミニウム)またはSr(ストロンチウム)の群の中から少なくとも1種類以上の元素も併せて含有していることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
The metal film contains any one of Ti (titanium), Nb (niobium), and Zr (zirconium) as a main component,
Furthermore, it contains at least one element from the group of Y (yttrium), Zr (zirconium), La (lanthanum), Al (aluminum) or Sr (strontium). Item 8. A method for manufacturing a semiconductor device according to Item 7.
前記金属酸化物が酸化チタンであって、
前記非晶質膜を230℃以下の温度で形成し、
前記アニールを600℃以上の温度で実施することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
The metal oxide is titanium oxide,
Forming the amorphous film at a temperature of 230 ° C. or lower;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the annealing is performed at a temperature of 600 ° C. or more.
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