JP2012174707A - Semiconductor manufacturing method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form a capacitor using a strontium titanate film as a capacitance insulation film, which has large capacitance and less leakage current.SOLUTION: In a semiconductor manufacturing method, after forming a lower electrode, a multilayer film in which an intermediate titanium nitride film and an amorphous strontium titanate film contacting each other are laminated on the lower electrode. Subsequently, the intermediate titanium nitride film and the amorphous strontium titanate film are converted into a crystalline strontium titanate film by performing first heat treatment. Subsequently, an upper electrode is formed on the crystalline strontium titanate film.

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

近年、DRAMでは微細化が進んでおり、設計ルール40nm以降の世代では、キャパシタ用の誘電体膜として誘電率の高い絶縁膜が必要となっている。現在、その候補の1つとしてSrTiOx(チタン酸ストロンチウム;xは正の数を表し、自然数又は小数であっても良い。以下、「STO」と記載)の利用が検討されている(特許文献1)。 In recent years, miniaturization has progressed in DRAMs, and in the generations after the design rule of 40 nm, an insulating film having a high dielectric constant is required as a dielectric film for capacitors. At present, the use of SrTiO x (strontium titanate; x represents a positive number and may be a natural number or a decimal number, hereinafter referred to as “STO”) is being studied as one of the candidates (Patent Literature). 1).

特開2001−111000号公報JP 2001-111000 A

しかしながら、従来のSTO膜を用いたキャパシタではリーク電流を低減することが難しく、微細化したDRAMのメモリセルに適した誘電体膜としての利用が困難であった。   However, it is difficult to reduce the leakage current in a capacitor using a conventional STO film, and it is difficult to use it as a dielectric film suitable for a miniaturized DRAM memory cell.

一実施形態は、
下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に、中間窒化チタン膜及び非晶質チタン酸ストロンチウム膜が互いに接するように積層された積層膜を形成する工程と、
第1の熱処理を行うことにより、前記中間窒化チタン膜及び非晶質チタン酸ストロンチウム膜を結晶質チタン酸ストロンチウム膜に変換する工程と、
前記結晶質チタン酸ストロンチウム膜上に上部電極を形成する工程と、
を有する、キャパシタを備えた半導体装置の製造方法に関する。
One embodiment is:
Forming a lower electrode;
Forming a laminated film in which an intermediate titanium nitride film and an amorphous strontium titanate film are in contact with each other on the lower electrode;
Converting the intermediate titanium nitride film and the amorphous strontium titanate film into a crystalline strontium titanate film by performing a first heat treatment;
Forming an upper electrode on the crystalline strontium titanate film;
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device including a capacitor.

チタン酸ストロンチウム膜を容量絶縁膜として用いたキャパシタにおいて、静電容量が大きく、リーク電流が小さいキャパシタを形成することができる。   In a capacitor using a strontium titanate film as a capacitor insulating film, a capacitor having a large capacitance and a small leakage current can be formed.

第1実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 1st Example. 第1実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 1st Example. 第1実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 1st Example. 第1実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 1st Example. 第1実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 1st Example. 非晶質STO膜の結晶化温度と、非晶質STO膜中の非晶質Sr/Ti比の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the crystallization temperature of an amorphous STO film, and the amorphous Sr / Ti ratio in an amorphous STO film. 結晶質STO膜と窒化チタン膜の断面SEM像を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional SEM image of a crystalline STO film | membrane and a titanium nitride film. 中間窒化チタン膜の膜厚と、熱処理後の結晶質STO膜の結晶質Sr/Ti比の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of an intermediate titanium nitride film, and crystalline Sr / Ti ratio of the crystalline STO film | membrane after heat processing. STOキャパシタの比誘電率εrと中間窒化チタン膜の膜厚の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the dielectric constant (epsilon) r of a STO capacitor, and the film thickness of an intermediate titanium nitride film. STOキャパシタのリーク電流と中間窒化チタン膜の膜厚の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the leakage current of a STO capacitor, and the film thickness of an intermediate titanium nitride film. 第2実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 2nd Example. 第2実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 2nd Example. 第2実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 2nd Example. 第2実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 2nd Example. 第2実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 2nd Example. 第3実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 3rd Example. 第3実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 3rd Example. 第3実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 3rd Example. アルミニウムドープ量に対する、比誘電率、リーク電流の依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the dependence of a dielectric constant and leakage current with respect to the amount of aluminum dope. 第4実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 4th Example. 第4実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 4th Example. 第4実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 4th Example. 第4実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 4th Example. 第4実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 4th Example. 第4実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 4th Example. 第4実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 4th Example. 第4実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 4th Example. 第4実施例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by 4th Example. 第4実施例の変形例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by the modification of 4th Example. 第4実施例の変形例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by the modification of 4th Example. 第4実施例の変形例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by the modification of 4th Example. 第4実施例の変形例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by the modification of 4th Example. 第4実施例の変形例による半導体装置の製造方法の一工程を表す断面図である。It is sectional drawing showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device by the modification of 4th Example.

第1実施例の、STOキャパシタの製造方法及び構造を、図1〜9を用いて説明する。図1〜5は第1実施例による半導体装置の製造方法を表す断面図である。図6は非晶質状態のSTO膜(以下では、「非晶質STO膜」と呼ぶ)の結晶化温度と、非晶質STO膜中におけるストロンチウム(Sr)とチタン(Ti)の原子数比(以下では、「非晶質Sr/Ti比」と呼ぶ)の関係を示す図である。図7A、Bは結晶質状態のSTO膜(以下では、「結晶質STO膜」と呼ぶ)と窒化チタン膜の断面SEM像を示す図である。図8は中間窒化チタン膜の膜厚と、熱処理後の結晶質STO膜におけるSrとTiの原子数比(以下では、「結晶質Sr/Ti比」と呼ぶ)の関係を示す図である。図9はSTOキャパシタの比誘電率εrと中間窒化チタン膜の膜厚の関係を示す図である。また、図10はSTOキャパシタのリーク電流と中間窒化チタン膜の膜厚の関係を示す図である。   The manufacturing method and structure of the STO capacitor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5 are sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 6 shows the crystallization temperature of an amorphous STO film (hereinafter referred to as “amorphous STO film”) and the atomic ratio of strontium (Sr) and titanium (Ti) in the amorphous STO film. FIG. 4 is a diagram showing a relationship (hereinafter referred to as “amorphous Sr / Ti ratio”). 7A and 7B are cross-sectional SEM images of an STO film in a crystalline state (hereinafter referred to as “crystalline STO film”) and a titanium nitride film. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the film thickness of the intermediate titanium nitride film and the atomic ratio of Sr and Ti (hereinafter referred to as “crystalline Sr / Ti ratio”) in the crystalline STO film after the heat treatment. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the relative dielectric constant εr of the STO capacitor and the film thickness of the intermediate titanium nitride film. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the leakage current of the STO capacitor and the film thickness of the intermediate titanium nitride film.

図1に示すように、シリコン等の半導体基板111上に、シリコン酸化膜からなる層間膜112を形成した。この後、層間膜112を貫き半導体装置111に接続するキャパシタコンタクトプラグ113を形成した。キャパシタコンタクトプラグ113上に、キャパシタの下部電極膜を形成した。下部電極膜の材料には、ルテニウム膜(Ru)を用いた。下部電極膜の成膜にはALD法を用い、原料ガスにはRu(C711)(C79)を用いた。下部電極膜の成膜方法はこれに限定されず、MOCVD法などを用いることができる。下部電極膜の膜厚は10nmを用いた。下部電極膜の成膜後、リソグラフィー技術とドライエッチング技術を用いてパターニングを行い、下部電極114を形成した。 As shown in FIG. 1, an interlayer film 112 made of a silicon oxide film was formed on a semiconductor substrate 111 such as silicon. Thereafter, a capacitor contact plug 113 penetrating the interlayer film 112 and connected to the semiconductor device 111 was formed. A capacitor lower electrode film was formed on the capacitor contact plug 113. A ruthenium film (Ru) was used as the material of the lower electrode film. The ALD method was used for forming the lower electrode film, and Ru (C 7 H 11 ) (C 7 H 9 ) was used as the source gas. The method for forming the lower electrode film is not limited to this, and an MOCVD method or the like can be used. The thickness of the lower electrode film was 10 nm. After the formation of the lower electrode film, patterning was performed using a lithography technique and a dry etching technique to form the lower electrode 114.

図2に示すように、下部電極114上に、窒化チタン膜(TiN)を形成した。以下では、この窒化チタン膜を「中間窒化チタン膜115」と呼ぶ。窒化チタン膜の膜厚は評価のために0.5nm、1nm、1.5nm、2nm、と膜厚を変えて形成した。以下では、形成した中間窒化チタン膜115の膜厚を「tTiN」と表記する。ここで、比較として窒化チタン膜を形成しない0nmのものも形成した。窒化チタン膜の成膜にはALD法を用い、原料ガスには、TiCl4とNH3を用いて交互に供給して形成した。窒化チタン膜の製法はこれに限定されず、MOCVD法などを用いても良い。 As shown in FIG. 2, a titanium nitride film (TiN) was formed on the lower electrode 114. Hereinafter, this titanium nitride film is referred to as “intermediate titanium nitride film 115”. The thickness of the titanium nitride film was changed to 0.5 nm, 1 nm, 1.5 nm, and 2 nm for evaluation. Hereinafter, the film thickness of the formed intermediate titanium nitride film 115 is denoted as “tTiN”. Here, as a comparison, a film having a thickness of 0 nm without forming a titanium nitride film was also formed. The titanium nitride film was formed by using the ALD method and alternately supplying TiCl 4 and NH 3 as source gases. The manufacturing method of the titanium nitride film is not limited to this, and an MOCVD method or the like may be used.

図3に示すように、非晶質STO膜116を成膜した。非晶質STO膜116の成膜にはALD法を用いた。ALD法では、半導体基板を300℃程度に加熱した状態でストロンチウム(Sr)原料ガスを所定の時間、供給した(工程(a))。この後、酸化原料ガスとしてO3を所定の時間供給することでストロンチウムの酸化反応を起こした後、パージを行った(工程(b))。引き続き、チタン原料ガスを所定の時間供給した後に、酸化原料ガスとしてO3を所定の時間供給することでチタンの酸化反応を起こした(工程(c))。この後、パージを行った(工程(d))。ALD法では、工程(a)及び(b)からなるSr原料成膜サイクルが1サイクル以上と、工程(c)及び(d)からなるTi原料成膜サイクルが1サイクル以上と、からSTO成膜サイクルが構成される。そして、Sr原料成膜サイクルとTi原料成膜サイクルのサイクル数を調節することで、非晶質STO膜の非晶質Sr/Ti比を調節した。また、STO成膜サイクルのサイクル数を調節することでSTO膜の膜厚を調節した。 As shown in FIG. 3, an amorphous STO film 116 was formed. An ALD method was used to form the amorphous STO film 116. In the ALD method, a strontium (Sr) source gas was supplied for a predetermined time with the semiconductor substrate heated to about 300 ° C. (step (a)). Thereafter, O 3 was supplied as an oxidizing raw material gas for a predetermined time to cause an oxidation reaction of strontium, and then a purge was performed (step (b)). Subsequently, after supplying the titanium raw material gas for a predetermined time, O 3 was supplied as an oxidizing raw material gas for a predetermined time to cause an oxidation reaction of titanium (step (c)). Thereafter, purging was performed (step (d)). In the ALD method, the STO film formation cycle including steps (a) and (b) is 1 cycle or more, and the Ti material film formation cycle including steps (c) and (d) is 1 cycle or more. A cycle is constructed. Then, the amorphous Sr / Ti ratio of the amorphous STO film was adjusted by adjusting the number of cycles of the Sr raw material film forming cycle and the Ti raw material film forming cycle. Further, the film thickness of the STO film was adjusted by adjusting the number of STO film formation cycles.

本実施例では、非晶質STO膜116形成時の原料ガスの供給時間10秒、パージ時間10秒とし、その膜厚は10nmで形成した。なお、ストロンチウム原料として、ビス(ペンタメチルシクロペンタジエニル)ストロンチウム(Sr(C5(CH352)を用いた。ストロンチウム原料としてはこの他に、Sr(DPM)2(DPMはジピバロイルメタナート)、Sr(METHD)2(METHDはメトキシエトキシテトラメチルヘプタンジオネート)、Sr(OC252、Sr(OC372、Sr(HfA)2(HfAはヘキサフルオロアセチルアセトナト)などを用いることができるが、特にこれらのガスに限定されない。 In this embodiment, the material gas supply time for forming the amorphous STO film 116 is 10 seconds, the purge time is 10 seconds, and the film thickness is 10 nm. Note that bis (pentamethylcyclopentadienyl) strontium (Sr (C 5 (CH 3 ) 5 ) 2 ) was used as a strontium raw material. As other strontium raw materials, Sr (DPM) 2 (DPM is dipivaloylmethanate), Sr (METHD) 2 (METHD is methoxyethoxytetramethylheptanedionate), Sr (OC 2 H 5 ) 2 , Sr (OC 3 H 7 ) 2 , Sr (HfA) 2 (HfA is hexafluoroacetylacetonate) or the like can be used, but is not particularly limited to these gases.

チタン原料ガスとしては、テトラキス(イソプロポキシ)チタンTi(OCH(CH324を用いた。この他、テトラキス(2−メトキシ−1−メチル−1−プロポキソ)チタン(Ti(MMP)4)、TiO(tmhd)2(ただし、tmhdは2,2,6,6−テトラメチルへプタン−3,5−ジオンを示す)、Ti(depd)(tmhd)2(ただし、depdはジエチルペンタジオールを示す)など公知のチタン原料ガスを用いることができるが、特にこれらのガスに限定されない。 Tetrakis (isopropoxy) titanium Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 was used as the titanium source gas. In addition, tetrakis (2-methoxy-1-methyl-1-propoxo) titanium (Ti (MMP) 4 ), TiO (tmhd) 2 (where tmhd is 2,2,6,6-tetramethylheptane-3 , 5-dione), Ti (depd) (tmhd) 2 (where depd represents diethylpentadiol) and the like, but known titanium source gases can be used, but are not particularly limited to these gases.

成膜した非晶質STO膜116の組成比は、RBS(Rutherford backscattering spectrometry;ラザフォード後方散乱)測定等により調べた。本実施例では、非晶質Sr/Ti比は1.6になるように形成した。この理由は、後の図4の工程で述べるように、ストロンチウムを過剰にすることにより結晶化温度が低温化され、STO膜の剥がれの抑制を行えるためである。なお、本実施例では、非晶質STO膜116の製造方法はALD法で説明したが、製造方法はこれに限定されず、MOCVD法、スパッタ法などを用いて形成しても良い。   The composition ratio of the formed amorphous STO film 116 was examined by RBS (Rutherford backscattering spectroscopy) measurement or the like. In this example, the amorphous Sr / Ti ratio was 1.6. This is because, as will be described later with reference to FIG. 4, the crystallization temperature is lowered by making strontium excessive, and the STO film can be prevented from peeling off. In this embodiment, the manufacturing method of the amorphous STO film 116 is described by the ALD method. However, the manufacturing method is not limited to this, and the amorphous STO film 116 may be formed by an MOCVD method, a sputtering method, or the like.

図4に示すように、非晶質STO膜116が成膜された基板に対して熱処理を行い、非晶質STO膜116を結晶化させて、結晶質STO膜116aを形成した。結晶化熱処理は、窒素雰囲気でRTA(Rapid Thermal Anneal;瞬時熱アニール)法を用いて行った。温度は600℃、時間5分の条件で行った。この熱処理温度は、次の実験結果に基づいて決められた。   As shown in FIG. 4, the substrate on which the amorphous STO film 116 was formed was heat-treated to crystallize the amorphous STO film 116 to form a crystalline STO film 116a. The crystallization heat treatment was performed using an RTA (Rapid Thermal Anneal) method in a nitrogen atmosphere. The temperature was 600 ° C. for 5 minutes. This heat treatment temperature was determined based on the following experimental results.

シリコン基板上に、窒化チタン膜、10nmの非晶質STO膜を、順次成膜した後、熱処理温度を変えて熱処理を施し、形成されたSTO膜が結晶性を有しているか否かをXRD測定により調べた。非晶質STO膜は、非晶質Sr/Ti比を0.8、1.0、1.2、1.4、1.6と変えて形成した。それぞれについて、結晶化温度を調べた。その結果を図6に示す。   A titanium nitride film and a 10 nm amorphous STO film are sequentially formed on a silicon substrate, and then subjected to a heat treatment at different heat treatment temperatures, to determine whether the formed STO film has crystallinity or not. Investigated by measurement. The amorphous STO film was formed by changing the amorphous Sr / Ti ratio to 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, and 1.6. For each, the crystallization temperature was examined. The result is shown in FIG.

図6では、非晶質状態は□、結晶化状態は■で示している。各非晶質Sr/Ti比により結晶化温度が変化し、それぞれの結晶化温度は、非晶質Sr/Ti比0.8の時620℃、非晶質Sr/Ti比1の時610℃、非晶質Sr/Ti比1.2の時590℃、非晶質Sr/Ti比1.4の時580℃、非晶質Sr/Ti比1.6の時570℃と求められた。非晶質Sr/Ti比が1.8、2.0では570℃と、非晶質Sr/Ti比1.6以上では結晶化温度は一定になった。同様に、ルテニウム膜上についても、結晶化温度と非晶質Sr/Ti比依存性を調べたところ、ほぼ窒化チタン膜上と同じ結晶化温度と、非晶質Sr/Ti比依存性が得られ、下部電極の材料の依存性は見られなかった。このように、非晶質Sr/Ti比が大きいほど、結晶化温度は低下する傾向を示す理由は明確ではないが、ストロンチウムが過剰に含まれることにより低温で結晶化しやすい結晶物(ストロンチウム酸化物(SrO酸化物))などが形成され、その結晶核にチタン酸化物(TiO酸化物)が取り込まれてSTO結晶が成長すると考えている。   In FIG. 6, the amorphous state is indicated by □, and the crystallized state is indicated by ■. The crystallization temperature varies depending on each amorphous Sr / Ti ratio. The crystallization temperatures are 620 ° C. when the amorphous Sr / Ti ratio is 0.8 and 610 ° C. when the amorphous Sr / Ti ratio is 1. 590 ° C. when the amorphous Sr / Ti ratio was 1.2, 580 ° C. when the amorphous Sr / Ti ratio was 1.4, and 570 ° C. when the amorphous Sr / Ti ratio was 1.6. When the amorphous Sr / Ti ratio was 1.8 or 2.0, 570 ° C., and when the amorphous Sr / Ti ratio was 1.6 or more, the crystallization temperature became constant. Similarly, on the ruthenium film, when the crystallization temperature and the amorphous Sr / Ti ratio dependence were examined, the crystallization temperature and the amorphous Sr / Ti ratio dependence almost the same as those on the titanium nitride film were obtained. The dependence of the material of the lower electrode was not seen. As described above, the reason why the crystallization temperature tends to decrease as the amorphous Sr / Ti ratio increases is not clear. However, a strontium oxide is easily crystallized at a low temperature due to excessive strontium. (SrO oxide)) and the like are formed, and titanium oxide (TiO oxide) is taken into the crystal nucleus to grow the STO crystal.

次に、シリコン基板上に窒化チタン膜を成膜し、窒化チタン上に非晶質Sr/Ti比1.6で非晶質STO膜を10nm形成した後、前述の熱処理条件において、熱処理温度を570℃から700℃の間で、10℃間隔で温度を変えて処理して、SEM観察を行った。この結果、650℃以上で熱処理を行った試料では、窒化チタン膜と、結晶質STO膜116aとの界面で、膜剥がれが観察された。640℃以下で熱処理を行った試料では、膜剥がれは観察されなかった。非晶質Sr/Ti比を1に変えて、同様の観察を行ったところ、同様に650℃程度以上で剥がれが観察された。   Next, after forming a titanium nitride film on the silicon substrate and forming an amorphous STO film with an amorphous Sr / Ti ratio of 1.6 nm on the titanium nitride, the heat treatment temperature is set under the above heat treatment conditions. SEM observation was performed by changing the temperature between 570 ° C. and 700 ° C. at intervals of 10 ° C. As a result, in the sample heat-treated at 650 ° C. or higher, film peeling was observed at the interface between the titanium nitride film and the crystalline STO film 116a. No peeling of the film was observed in the sample heat-treated at 640 ° C. or lower. When the same observation was performed while changing the amorphous Sr / Ti ratio to 1, peeling was observed at about 650 ° C. or higher.

非晶質Sr/Ti比が1.6の場合において熱処理温度600℃で行った場合の断面SEM写真を図7Aに、熱処理温度650℃で行った場合の断面SEM写真を図7Bに示す。650℃で行った試料では、上面から見ると、円状の斑点が観察され、その部分の断面を見たのが図7Bである。円状の斑点として見えた部分では、結晶質STO膜と窒化チタン膜の間に剥れ121が発生していた。STO膜は、下部電極との密着性が弱く、剥がれに対する注意が必要であることが示唆される。また、熱処理の時間については、1時間までの範囲において、時間と剥がれ易さには依存性は見られなかった。同様に、下部電極がルテニウム膜においても、熱処理温度と剥がれの観察を行ったが、ほぼ同じ温度で剥がれる傾向を示した。   FIG. 7A shows a cross-sectional SEM photograph when the amorphous Sr / Ti ratio is 1.6 and the heat treatment temperature is 600 ° C., and FIG. 7B shows a cross-sectional SEM photograph when the heat treatment temperature is 650 ° C. In the sample performed at 650 ° C., circular spots are observed when viewed from the top, and FIG. 7B shows a cross section of the portion. In a portion that appeared as a circular spot, peeling 121 occurred between the crystalline STO film and the titanium nitride film. The STO film has poor adhesion to the lower electrode, suggesting that attention to peeling is necessary. In addition, the heat treatment time was not dependent on time and ease of peeling in the range up to 1 hour. Similarly, when the lower electrode was a ruthenium film, the heat treatment temperature and peeling were observed, but showed a tendency to peel off at substantially the same temperature.

このように、STO膜は、650℃以上の熱処理では、剥がれ易いことがわかり、結晶化熱処理は650℃より低い温度で行う必要であることがわかってきた。この剥がれが起きる温度は、SEM観察により求められたが、確実に剥がれを抑制するには、650℃から余裕をとって低くすることが望ましい。   Thus, it has been found that the STO film is easily peeled off by a heat treatment at 650 ° C. or higher, and that the crystallization heat treatment needs to be performed at a temperature lower than 650 ° C. The temperature at which this peeling occurs was determined by SEM observation. However, in order to surely suppress peeling, it is desirable that the temperature is lowered from 650 ° C. with a margin.

一方、結晶化温度は570℃〜620℃であり、結晶化温度と剥がれを起こす温度との間に、温度領域の余裕がない。さらに結晶化熱処理は、結晶化温度よりもなるべく高い温度で行い、結晶化を十分に行うことが、誘電率を高めるには好ましい。そのため、結晶化温度は、650℃より低い温度領域であり、そのような温度領域においてなるべく低い温度であることが望ましい。そのような結晶化温度であれば、熱処理温度と結晶化温度との温度差を大きくでき、結晶化が十分にでき、且つ、剥がれが起きる650℃との温度マージンも確保できる。このように、結晶化温度を低温化することが望ましいが、そのためには、結晶化温度と非晶質Sr/Ti比との関係の結果から、非晶質STO膜116形成時の非晶質Sr/Ti比を大きくして形成して、結晶化温度を下げることが有効である。このため、非晶質STO膜116の非晶質Sr/Ti比は1.6以上であることが好ましい。本実施例では、非晶質STO膜116の非晶質Sr/Ti比は1.6を用いた。それにより、結晶化温度は570℃と低温化することができ、結晶化熱処理の熱処理温度を、剥がれが観察された650℃よりも十分に低い600℃で行った。これにより、剥がれを抑制しつつ、且つ、結晶化も促進させることが可能となる。   On the other hand, the crystallization temperature is 570 ° C. to 620 ° C., and there is no room for the temperature range between the crystallization temperature and the temperature at which peeling occurs. Further, it is preferable to perform the crystallization heat treatment at a temperature as high as possible higher than the crystallization temperature and to sufficiently perform the crystallization in order to increase the dielectric constant. Therefore, the crystallization temperature is in a temperature range lower than 650 ° C., and it is desirable that the temperature be as low as possible in such a temperature range. With such a crystallization temperature, the temperature difference between the heat treatment temperature and the crystallization temperature can be increased, crystallization can be sufficiently performed, and a temperature margin of 650 ° C. at which peeling occurs can be secured. As described above, it is desirable to lower the crystallization temperature. For this purpose, from the result of the relationship between the crystallization temperature and the amorphous Sr / Ti ratio, the amorphous state during the formation of the amorphous STO film 116 is reduced. It is effective to increase the Sr / Ti ratio and lower the crystallization temperature. For this reason, the amorphous Sr / Ti ratio of the amorphous STO film 116 is preferably 1.6 or more. In this embodiment, the amorphous Sr / Ti ratio of the amorphous STO film 116 is 1.6. Thereby, the crystallization temperature could be lowered to 570 ° C., and the heat treatment temperature of the crystallization heat treatment was performed at 600 ° C. which was sufficiently lower than 650 ° C. at which peeling was observed. Thereby, it becomes possible to promote crystallization while suppressing peeling.

結晶化熱処理に引き続いて、必要に応じて、STO膜中に酸素を十分に供給するため、酸化性雰囲気熱処理を行う。温度は、剥がれが起きないように、結晶化熱処理より低温を用いる。本実施例では、450℃で、10分、酸素雰囲気、ファーネスで行った。   Subsequent to the crystallization heat treatment, an oxidizing atmosphere heat treatment is performed as necessary to sufficiently supply oxygen into the STO film. The temperature is lower than the crystallization heat treatment so that peeling does not occur. In this embodiment, the process was performed at 450 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere and a furnace.

図5に示すように、上部電極膜を成膜した。上部電極膜の材料には、ルテニウム(Ru)膜を用いた。上部電極膜の成膜は、図1の工程の下部電極の成膜と同様に行うことができる。上部電極膜の膜厚は10nmに形成した。フォトリソグラフィー技術、エッチング技術を用いて、上部電極膜をパターニングして、上部電極117を形成した。この工程を経て、結晶質STO膜116aを絶縁膜とし、結晶質STO膜116aの上下に下部電極114、上部電極117から成るMIM構造のSTOキャパシタ118を形成した。膜厚tTiNが振られて形成された5種類のSTOキャパシタ118について原子数比を調べた。   As shown in FIG. 5, an upper electrode film was formed. A ruthenium (Ru) film was used as the material of the upper electrode film. The upper electrode film can be formed in the same manner as the lower electrode film in the process of FIG. The film thickness of the upper electrode film was 10 nm. The upper electrode film was patterned by using a photolithography technique and an etching technique to form the upper electrode 117. Through this process, a crystalline STO film 116a was used as an insulating film, and an SIM capacitor 118 having an MIM structure including a lower electrode 114 and an upper electrode 117 was formed above and below the crystalline STO film 116a. The atomic ratio of five types of STO capacitors 118 formed by varying the film thickness tTiN was examined.

結晶質STO膜116aのSrとTiの原子数比をRBS測定で調べた。この原子数比を、非晶質STO膜の原子数である非晶質Sr/Ti比と区別して、「結晶質Sr/Ti比」と呼ぶ。図8に中間窒化チタン膜の各膜厚tTiNに対する、結晶質Sr/Ti比を示す。tTiN=0nmでは、非晶質状態と同じ1.6を示した。一方、tTiN=0.5nm、1nm、1.5nm、2nmでは、非晶質状態の1.6よりも小さい値を示し、それぞれ1.3、1.0、0.8、0.7であった。   The atomic ratio of Sr and Ti in the crystalline STO film 116a was examined by RBS measurement. This atomic number ratio is referred to as “crystalline Sr / Ti ratio” in distinction from the amorphous Sr / Ti ratio, which is the number of atoms in the amorphous STO film. FIG. 8 shows the crystalline Sr / Ti ratio with respect to each film thickness tTiN of the intermediate titanium nitride film. At tTiN = 0 nm, the same 1.6 as in the amorphous state was shown. On the other hand, at tTiN = 0.5 nm, 1 nm, 1.5 nm and 2 nm, the values are smaller than 1.6 in the amorphous state, and are 1.3, 1.0, 0.8 and 0.7, respectively. It was.

これらを見ると、中間窒化チタン膜115を形成した試料で、tTiNが厚いほど、結晶質Sr/Ti比は小さくなっている。このことは、中間窒化チタン膜115の膜厚tTiNが厚いほど、結晶質STO膜116a中へのチタンの割合が増加していることを意味しており、結晶化熱処理中に、中間窒化チタン膜115が、STO膜中に取り込まれることにより結晶質Sr/Ti比が低下したことが示唆される。   When these are seen, the crystalline Sr / Ti ratio is smaller as the tTiN is thicker in the sample in which the intermediate titanium nitride film 115 is formed. This means that as the film thickness tTiN of the intermediate titanium nitride film 115 increases, the proportion of titanium in the crystalline STO film 116a increases. During the crystallization heat treatment, the intermediate titanium nitride film It is suggested that 115 is taken into the STO film and the crystalline Sr / Ti ratio is lowered.

次に、作製した種々のSTOキャパシタについて、誘電率特性、リーク電流特性を評価した。図9に、比誘電率εrの窒化チタン膜厚tTiNに対する依存性を示す。中間窒化チタン膜115を形成していないtTiN=0nmでは、比誘電率εrは約40と小さい。中間窒化チタン膜を0.5nmで形成したtTiN=0.5nmのSTOキャパシタでは、比誘電率εrは約90と増加した。さらに、中間窒化チタン膜115の膜厚を増加させたtTiN=1.0nm、1.5nmでは、比誘電率εrは約100と最も大きい値を示した。さらに、中間窒化チタン膜115を厚くしたtTiN=2nmでは、逆に、比誘電率は約50に低下した。これらSTOキャパシタは、従来のジルコニウム酸化膜の比誘電率約20〜30に比べて、大きい値が得られ、特に、TiN=0.5、1.0.1.5では、100近くの比誘電率εrが得られ、従来のジルコニウム酸化膜の3倍以上と非常に大きな良好な値が得られた。   Next, dielectric constant characteristics and leakage current characteristics were evaluated for the various STO capacitors produced. FIG. 9 shows the dependence of the relative dielectric constant εr on the titanium nitride film thickness tTiN. At tTiN = 0 nm where the intermediate titanium nitride film 115 is not formed, the relative dielectric constant εr is as small as about 40. In the STO capacitor with tTiN = 0.5 nm in which the intermediate titanium nitride film was formed at 0.5 nm, the relative dielectric constant εr increased to about 90. Further, at tTiN = 1.0 nm and 1.5 nm where the thickness of the intermediate titanium nitride film 115 was increased, the relative dielectric constant εr was about 100, which was the largest value. Further, at tTiN = 2 nm where the thickness of the intermediate titanium nitride film 115 was increased, the relative dielectric constant decreased to about 50. These STO capacitors can obtain a large value compared to the relative dielectric constant of about 20 to 30 of the conventional zirconium oxide film. In particular, when TiN = 0.5 and 1.0.1.5, the relative dielectric constant is close to 100. The ratio εr was obtained, and a very good value of 3 times or more of the conventional zirconium oxide film was obtained.

この比誘電率εrと、結晶質STO膜116aの結晶質Sr/Ti比との関係を見てみる。結晶質Sr/Ti比が0.8、1.0の時、つまりtTiN=1.5nm、1nmの時、比誘電率εrが100と大きくなっていることがわかる。そして、結晶質Sr/Ti比がそれらよりも大きい方向に変化すると、Sr/Ti比1.3の時(tTiN=0.5nmの時)比誘電率εrは90、Sr/Ti比1.6の時(tTiN=0nmの時)比誘電率εrは40と小さい方向に変化した。結晶質Sr/Ti比がそれらより小さい方向に変化すると、Sr/Ti比0.7の時(tTiN=2nmの時)、比誘電率εrは50とやはり小さい方向に変化した。即ちSr/Ti比1近くの0.8〜1.2付近で比誘電率εrはピークを示し、そこからずれると比誘電率εrは小さくなっている。この理由は、結晶質Sr/Ti比が1近くでは、STO膜(SrTiO3)の化学量論比の1に近い組成比となり、STO膜が支配的に形成されるため、比誘電率が大きくなったものと考えられる。そして、STO膜の比誘電率εrは100程度であると考えられる。一方、結晶質Sr/Ti比>1では、過剰のストロンチウムが含まれており、そのストロンチウムは、ストロンチウム酸化膜(SrOx)を形成し、STO膜中に混在するものと考えられる。このストロンチウム酸化膜は、比誘電率εrが約40と、得られたSTOの比誘電率εrの100に比べて小さい。そのため、ストロンチウム酸化膜が混在したSTO膜は、全体として比誘電率εrは小さくなるものと考えられる。また、Sr/Ti<1では、過剰のチタンが含まれており、このチタンはチタン酸化膜(TiOx)を形成してSTO膜中に混在するものと考えられる。チタン酸化膜はアナターゼ構造で比誘電率は約40、ルチル構造で約80が得られており、これらの比誘電率εrは、STO膜の比誘電率100に比べて小さい。そのため、チタン酸化膜が混在したSTO膜は、全体として比誘電率εrは小さくなるものと考えられる。これらの結果から、比誘電率εrを大きくするには、結晶質Sr/Ti比を1付近となるように形成することが望ましいことが示される。 Let us look at the relationship between the relative dielectric constant εr and the crystalline Sr / Ti ratio of the crystalline STO film 116a. It can be seen that when the crystalline Sr / Ti ratio is 0.8 and 1.0, that is, when tTiN = 1.5 nm and 1 nm, the relative dielectric constant εr is as large as 100. When the crystalline Sr / Ti ratio changes in a larger direction, the relative dielectric constant εr is 90 when the Sr / Ti ratio is 1.3 (when tTiN = 0.5 nm), and the Sr / Ti ratio is 1.6. At that time (when tTiN = 0 nm), the relative dielectric constant εr changed to 40, which was a small direction. When the crystalline Sr / Ti ratio was changed in a direction smaller than those, the relative dielectric constant εr was changed to a direction as small as 50 when the Sr / Ti ratio was 0.7 (when tTiN = 2 nm). That is, the relative dielectric constant εr shows a peak in the vicinity of 0.8 to 1.2 near the Sr / Ti ratio of 1, and the relative dielectric constant εr decreases as it deviates from that. This is because, when the crystalline Sr / Ti ratio is close to 1, the composition ratio is close to 1 of the stoichiometric ratio of the STO film (SrTiO 3 ), and the STO film is dominantly formed, so that the relative dielectric constant is large. It is thought that it became. It is considered that the relative dielectric constant εr of the STO film is about 100. On the other hand, when the crystalline Sr / Ti ratio> 1, excess strontium is contained, and the strontium forms a strontium oxide film (SrO x ) and is considered to be mixed in the STO film. This strontium oxide film has a relative dielectric constant εr of about 40, which is smaller than 100, which is the relative dielectric constant εr of the obtained STO. Therefore, the STO film mixed with the strontium oxide film is considered to have a small relative dielectric constant εr as a whole. In addition, when Sr / Ti <1, excessive titanium is contained, and this titanium is considered to form a titanium oxide film (TiO x ) and coexist in the STO film. The titanium oxide film has an anatase structure and a relative dielectric constant of about 40, and a rutile structure of about 80, and the relative dielectric constant εr is smaller than the relative dielectric constant 100 of the STO film. Therefore, the STO film mixed with the titanium oxide film is considered to have a small relative dielectric constant εr as a whole. From these results, it is shown that it is desirable to form the crystalline Sr / Ti ratio in the vicinity of 1 in order to increase the relative dielectric constant εr.

次に、キャパシタの上下電極間に電圧を印加して、電極間に流れるリーク電流を評価した。図10に、リーク電流密度Jの、中間窒化チタン膜115の膜厚tTiNに対する依存性を示す。リーク電流は、1.0V印加時のリーク電流密度で示した。周辺回路領域の電源電圧にVddを用い、ビット線に1/2Vddを与える電圧構成をとる場合、キャパシタ絶縁膜には1/2Vddが印加される。現在のDRAMでは、Vddには約1.5Vが用いられており、キャパシタ絶縁膜には約0.75Vが印加される。リーク電流の評価では、電圧の変動マージンなどを考慮して、1.0Vで評価した。また、リーク電流は、製品のデータ保持時間を満たすようにする必要がある。現在のDRAMでは、例えば、1セルあたり凡そ1×10-15A以下とすることが求められており、リーク電流密度1×10-8(A/cm2)以下とすることが目安となる。 Next, a voltage was applied between the upper and lower electrodes of the capacitor, and the leakage current flowing between the electrodes was evaluated. FIG. 10 shows the dependence of the leakage current density J on the film thickness tTiN of the intermediate titanium nitride film 115. The leakage current is shown as a leakage current density when 1.0 V is applied. In the case of using a voltage configuration in which Vdd is used as the power supply voltage in the peripheral circuit region and ½ Vdd is applied to the bit line, ½ Vdd is applied to the capacitor insulating film. In the current DRAM, about 1.5 V is used for Vdd, and about 0.75 V is applied to the capacitor insulating film. In the evaluation of the leakage current, the evaluation was performed at 1.0 V in consideration of a voltage variation margin. The leakage current needs to satisfy the data retention time of the product. In the current DRAM, for example, it is required to be about 1 × 10 −15 A or less per cell, and the leakage current density is 1 × 10 −8 (A / cm 2 ) or less.

中間窒化チタン膜115を形成しないtTiN=0nm、中間窒化チタン膜115を形成した0.5nm、1nmでは、リーク電流はJ=5×10-9(A/cm2)と小さい値を示した。中間窒化チタン膜115をさらに厚くしたtTiN=1.5nmでは、リーク電流は9×10-9(A/cm2)とやや大きくなった。中間窒化チタン膜115をさらに厚くしたtTiN=2nmでは、さらにリーク電流は増加して、J=5×10-5(A/cm2)と3桁以上、増加した。tTiN=0〜1.5nmでは、リーク電流密度の製品上の許容値の1×10-8(A/cm2)以下を示した。一方、t=2nmでは、製品上の許容値より大きく、スペックを満足していなかった。これらから、リーク電流の観点から、本実施例では、t=1.5nm以下で形成する必要があることが示された。 When tTiN = 0 nm where the intermediate titanium nitride film 115 was not formed and 0.5 nm and 1 nm where the intermediate titanium nitride film 115 was formed, the leakage current was as small as J = 5 × 10 −9 (A / cm 2 ). At tTiN = 1.5 nm in which the intermediate titanium nitride film 115 was further thickened, the leakage current was slightly increased to 9 × 10 −9 (A / cm 2 ). When the thickness of the intermediate titanium nitride film 115 was further increased at tTiN = 2 nm, the leakage current further increased and increased by 3 digits or more to J = 5 × 10 −5 (A / cm 2 ). At tTiN = 0 to 1.5 nm, the allowable value on the product of the leakage current density was 1 × 10 −8 (A / cm 2 ) or less. On the other hand, at t = 2 nm, it was larger than the allowable value on the product and did not satisfy the specifications. From these, it was shown that it is necessary to form at t = 1.5 nm or less in this example from the viewpoint of leakage current.

ここで、キャパシタの電極の材料の種類とリーク電流との関係を考える。STO膜のバンドギャップは3.2eVと狭いため、電極の材料によっては、結晶質STO膜とのバンドオフセットが減少し、ショットキー伝導によるリーク電流が増大するという問題がある。発明者の検討により、ルテニウム膜、窒化チタン膜に対して、XPS法を用いて、仕事関数を調べた結果、それぞれ4.99eV、4.85eVが得られた。この結果、ルテニウム膜は、窒化チタン膜に比べて、仕事関数が深く、リーク電流が抑制されることが示唆される。また、STO膜の電子親和力χはおよそ4.0eVであり、この値からバンドオフセットを見積もると、ルテニウム膜とSTO膜との間は1eV、窒化チタン膜とSTO膜との間は0.85eVと見積もられ、ルテニウム膜では1eV程度が確保されるが、窒化チタン膜では1eVより小さいことが見積もられる。   Here, the relationship between the type of capacitor electrode material and the leakage current is considered. Since the band gap of the STO film is as narrow as 3.2 eV, depending on the electrode material, there is a problem that the band offset with respect to the crystalline STO film decreases and the leakage current due to Schottky conduction increases. As a result of examining the work function of the ruthenium film and the titanium nitride film by using the XPS method, the inventors obtained 4.99 eV and 4.85 eV, respectively. As a result, the ruthenium film has a deeper work function than the titanium nitride film, suggesting that the leakage current is suppressed. Further, the electron affinity χ of the STO film is about 4.0 eV, and the band offset is estimated from this value, and 1 eV between the ruthenium film and the STO film, and 0.85 eV between the titanium nitride film and the STO film. It is estimated that about 1 eV is secured in the ruthenium film, but it is estimated that it is smaller than 1 eV in the titanium nitride film.

実験結果を見ると、tTiN=0nmの試料で、リーク電流密度がJ=5×10-9(A/cm2)と小さかった。この理由は、下部電極がルテニウム膜であるため、STO膜の伝導帯とのバンドオフセットの見積もり値が1eV程度とれるので電流が抑制されているものと考えられる。これに対して、tTiN=2nmの試料で、リーク電流がJ=5×10-5(A/cm2)と大きくなるのは、ルテニウム膜上に形成された中間窒化チタン膜上にSTO膜が形成されたため、STO膜の伝導帯とのバンドオフセットの見積もり値が、ルテニウム膜の1eVより小さい0.85eV程度のため、リーク電流が大きくなったことが推定される。 From the experimental results, the sample with tTiN = 0 nm had a leakage current density as small as J = 5 × 10 −9 (A / cm 2 ). The reason is considered that the current is suppressed because the estimated value of the band offset with the conduction band of the STO film is about 1 eV because the lower electrode is a ruthenium film. On the other hand, in the sample of tTiN = 2 nm, the leakage current increases as J = 5 × 10 −5 (A / cm 2 ) because the STO film is formed on the intermediate titanium nitride film formed on the ruthenium film. Since it is formed, the estimated value of the band offset with respect to the conduction band of the STO film is about 0.85 eV, which is smaller than 1 eV of the ruthenium film, so that it is estimated that the leakage current has increased.

ここで、t=0.5nm、1nm、1.5nmでは、中間窒化チタン膜を形成しているにもかかわらず、リーク電流がJ=1×10-8(A/cm2)以下と小さく、tTiN=0nmのリーク電流特性と略同じ値を示した。前に示したように、結晶質STO膜116aの組成比を調べた結果、中間窒化チタン膜115を形成した試料では、結晶質Sr/Ti比が、非晶質STO膜116形成時の非晶質Sr/Ti比1.6よりも小さくなっていた。このことより、結晶化熱処理中に中間窒化チタン膜がSTO膜中に取り込まれることにより、STO膜中のチタンの割合が増加していることが示唆されている。ここで得られたリーク電流特性の結果を考慮すると、tTiN=0.5nm、1nm、1.5nmでは、中間窒化チタン膜115は、殆どが結晶質STO膜116a中に取り込まれ、下部電極114のルテニウム膜と結晶質STO膜116aが接する構造となっているものと考えられる。一方、tTiN=2nmでは、結晶化熱処理後において、中間窒化チタン膜114の一部分がSTO膜中に取り込まれるが、少なくとも中間窒化チタン膜114の一部が残存しているものと考えられる。尚、tTiN=0.5nm、1nm、1.5nmでは中間窒化チタン膜115が結晶質STO膜116aに殆ど取り込まれると考えられるが、中間窒化チタン膜115の一部が僅かに残存し、その残存した中間窒化チタン膜115が、絶縁膜、例えばTiOx、TiOxyなどに変質して残存している可能性はある。そのような絶縁膜に変質して残存している場合においても、ショットキー伝導を抑制する効果は十分に発揮される。 Here, at t = 0.5 nm, 1 nm, and 1.5 nm, although the intermediate titanium nitride film is formed, the leakage current is as small as J = 1 × 10 −8 (A / cm 2 ) or less, The leakage current characteristic of tTiN = 0 nm was almost the same value. As described above, as a result of examining the composition ratio of the crystalline STO film 116a, in the sample in which the intermediate titanium nitride film 115 is formed, the crystalline Sr / Ti ratio is amorphous when the amorphous STO film 116 is formed. The quality Sr / Ti ratio was smaller than 1.6. This suggests that the ratio of titanium in the STO film is increased by incorporating the intermediate titanium nitride film into the STO film during the crystallization heat treatment. Considering the result of the leakage current characteristics obtained here, at tTiN = 0.5 nm, 1 nm, and 1.5 nm, most of the intermediate titanium nitride film 115 is taken into the crystalline STO film 116 a, and the lower electrode 114 It is considered that the ruthenium film is in contact with the crystalline STO film 116a. On the other hand, at tTiN = 2 nm, it is considered that a part of the intermediate titanium nitride film 114 is taken into the STO film after the crystallization heat treatment, but at least a part of the intermediate titanium nitride film 114 remains. Note that, at tTiN = 0.5 nm, 1 nm, and 1.5 nm, it is considered that the intermediate titanium nitride film 115 is almost taken into the crystalline STO film 116a, but a part of the intermediate titanium nitride film 115 remains slightly and remains. There is a possibility that the intermediate titanium nitride film 115 is altered and remains as an insulating film, for example, TiO x , TiO x N y or the like. Even when such an insulating film is altered and remains, the effect of suppressing Schottky conduction is sufficiently exhibited.

これらで示したように、本実施例では、下部電極114のルテニウム膜上に形成した中間窒化チタン膜115が、非晶質STO膜116の結晶化熱処理の最中に、STO膜中に取り込まれて、結晶質STO膜116aが形成されることが推定される。ここで、非晶質STO膜116のSr/Ti比を1より大きくして形成する場合、過剰のストロンチウムが含まれており、このストロンチウムは、中間窒化チタン膜から取り込まれたチタンとでSrTiO3結晶を形成するものと考えられる。ここで、この過剰のストロンチウムと中間窒化チタン膜のチタンがSTOを形成する際に、酸素が必要であるが、酸素は、非晶質STO膜中、下部電極のルテニウム膜、下地基板のシリコン酸化膜などに含まれている酸素から供給されることが可能である。これら酸素が補われても、形成された結晶質STO膜116a中の酸素欠損が問題となるときは、図4の工程において結晶化熱処理の後の酸化性雰囲気熱処理を行うようにして、酸素を補うことが有効である。 As described above, in this embodiment, the intermediate titanium nitride film 115 formed on the ruthenium film of the lower electrode 114 is taken into the STO film during the crystallization heat treatment of the amorphous STO film 116. Thus, it is estimated that the crystalline STO film 116a is formed. Here, in the case where the Sr / Ti ratio of the amorphous STO film 116 is made larger than 1, excess strontium is contained, and this strontium is SrTiO 3 with titanium taken from the intermediate titanium nitride film. It is thought to form crystals. Here, when the excess strontium and the titanium of the intermediate titanium nitride film form STO, oxygen is required. The oxygen is contained in the amorphous STO film, the ruthenium film of the lower electrode, and the silicon oxide of the base substrate. It can be supplied from oxygen contained in the membrane or the like. If oxygen deficiency in the formed crystalline STO film 116a becomes a problem even if these oxygens are supplemented, the oxygen is removed by performing an oxidizing atmosphere heat treatment after the crystallization heat treatment in the step of FIG. It is effective to supplement.

中間窒化チタン膜115の膜厚は、用いる非晶質STO膜116の非晶質Sr/Ti比と、非晶質STO膜116の厚さと、形成される結晶質STO膜116aにおいて求められる結晶質Sr/Ti比に依存して決められる。ここで用いる非晶質STO膜116の非晶質Sr/Ti比は、行いたい結晶化熱処理の温度を満足できる様な所望の結晶化温度が得られる非晶質Sr/Ti比となるように決められる。所定の結晶質Sr/Ti比を得る場合、非晶質Sr/Ti比が大きいほど中間窒化チタン膜115の厚さを厚くする必要がある。非晶質STO膜116の厚さについては、STOキャパシタ118において求められる耐圧、リーク電流、容量値から必要な厚さが決められる。所定の結晶質Sr/Ti比を得る場合、非晶質STO膜116の厚さが厚いほど中間窒化チタン膜115を厚くする必要がある。形成される結晶質STO膜116aにおいて求められる結晶質Sr/Ti比は、高い容量値を得るためには1程度となるように決められる。所定の結晶質Sr/Ti比を得る場合、結晶質Sr/Ti比は小さいほど中間窒化チタン膜115の厚さを厚くする必要がある。   The thickness of the intermediate titanium nitride film 115 is such that the amorphous Sr / Ti ratio of the amorphous STO film 116 to be used, the thickness of the amorphous STO film 116, and the crystalline quality required for the crystalline STO film 116a to be formed. It is determined depending on the Sr / Ti ratio. The amorphous Sr / Ti ratio of the amorphous STO film 116 used here is an amorphous Sr / Ti ratio that provides a desired crystallization temperature that can satisfy the temperature of the desired crystallization heat treatment. It is decided. When obtaining a predetermined crystalline Sr / Ti ratio, it is necessary to increase the thickness of the intermediate titanium nitride film 115 as the amorphous Sr / Ti ratio increases. The thickness of the amorphous STO film 116 is determined from the breakdown voltage, leakage current, and capacitance value required for the STO capacitor 118. In order to obtain a predetermined crystalline Sr / Ti ratio, the thicker the amorphous STO film 116, the thicker the intermediate titanium nitride film 115 needs to be. The crystalline Sr / Ti ratio required for the formed crystalline STO film 116a is determined to be about 1 in order to obtain a high capacitance value. In order to obtain a predetermined crystalline Sr / Ti ratio, it is necessary to increase the thickness of the intermediate titanium nitride film 115 as the crystalline Sr / Ti ratio decreases.

図4の工程で行う結晶化熱処理は、中間窒化チタン膜115のほぼ全部を、STO膜が取り込めるように行う必要がある。そのため、中間窒化チタン膜115が厚くなると、それに応じて結晶化熱処理の時間を長くして行われる。結晶化熱処理による熱負荷によるトランジスタへの影響等を考慮すると、結晶化熱処理の時間は短い方が好ましく、そのためには、中間窒化チタン膜115の厚さは薄い方が好ましい。   The crystallization heat treatment performed in the step of FIG. 4 needs to be performed so that almost all of the intermediate titanium nitride film 115 can be taken into the STO film. Therefore, when the intermediate titanium nitride film 115 becomes thicker, the crystallization heat treatment time is increased accordingly. Considering the influence of the heat load of the crystallization heat treatment on the transistor, the time for the crystallization heat treatment is preferably shorter, and for this purpose, the thickness of the intermediate titanium nitride film 115 is preferably thinner.

本実施例の半導体装置の製造方法では、下部電極上に第1膜厚の中間窒化チタン膜を形成する工程、中間窒化チタン膜上に非晶質STO膜を形成する工程、非晶質STO膜に対して熱処理を行い中間窒化チタン膜を取り込むように結晶質STO膜を形成する工程、を有する。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, a step of forming an intermediate titanium nitride film having a first thickness on the lower electrode, a step of forming an amorphous STO film on the intermediate titanium nitride film, an amorphous STO film And a step of forming a crystalline STO film so as to take in the intermediate titanium nitride film.

非晶質STO膜は、ストロンチウムとチタンの原子数比である非晶質Sr/Tiが第1原子数比を有して形成され、結晶質STO膜はストロンチウムとチタンの原子数比である結晶質Sr/Tiが第1原子数比よりも小さい第2原子数比を有する。   The amorphous STO film is formed of amorphous Sr / Ti, which is the atomic ratio of strontium and titanium, having the first atomic ratio, and the crystalline STO film is a crystal having the atomic ratio of strontium and titanium. The quality Sr / Ti has a second atomic ratio that is smaller than the first atomic ratio.

第1原子数比は1よりも大きく、第2原子数比は0.8〜1.2を有することが好ましい。結晶質STO膜の形成後において、結晶質STO膜と下部電極の間には、窒化チタン膜は存在しないように形成する。   The first atomic ratio is preferably greater than 1 and the second atomic ratio preferably has 0.8 to 1.2. After the formation of the crystalline STO film, the titanium nitride film is formed so as not to exist between the crystalline STO film and the lower electrode.

非晶質STO膜は、非晶質Sr/Ti比を1.6で形成し、600℃以下の温度で熱処理を行って、結晶質Sr/Ti比1.0の結晶質STO膜を形成することが好ましい。   The amorphous STO film is formed with an amorphous Sr / Ti ratio of 1.6 and heat-treated at a temperature of 600 ° C. or lower to form a crystalline STO film with a crystalline Sr / Ti ratio of 1.0. It is preferable.

本実施例の製造方法では、下部電極上に中間窒化チタン膜を形成し、その上にSr/Ti比が1よりも大きい組成を持つ非晶質STO膜を形成し、熱処理を行い、中間窒化チタン膜を取り込んでSr/Ti比が1程度の結晶質STO膜を形成する方法を用いることが好ましい。この結果、高い誘電率、低いリーク電流を持つ結晶質STOキャパシタを、低温で形成することが可能となり、剥がれの問題を抑制して形成することが実現できる。   In the manufacturing method of this example, an intermediate titanium nitride film is formed on the lower electrode, an amorphous STO film having a composition with a Sr / Ti ratio larger than 1 is formed thereon, heat treatment is performed, and intermediate nitridation is performed. It is preferable to use a method of taking a titanium film and forming a crystalline STO film having an Sr / Ti ratio of about 1. As a result, a crystalline STO capacitor having a high dielectric constant and a low leakage current can be formed at a low temperature, and can be formed while suppressing the problem of peeling.

本実施例では、上部電極、下部電極にルテニウム膜を用いたが、これに限定されず、仕事関数が深い材料、特にルテニウムよりも深い材料を用いることができ、白金膜、イリジウム膜、ニッケル膜、コバルト膜、モリブデン膜などの金属、ルテニウム酸化膜、イリジウム酸化膜、モリブデン酸化膜などの酸化膜を用いることができる。また、これらから選ばれた複数の膜からなる積層膜を用いても良い。   In this embodiment, the ruthenium film is used for the upper electrode and the lower electrode. However, the present invention is not limited to this, and a material having a deep work function, in particular, a material deeper than ruthenium can be used, such as a platinum film, an iridium film, and a nickel film. A metal such as a cobalt film or a molybdenum film, or an oxide film such as a ruthenium oxide film, an iridium oxide film, or a molybdenum oxide film can be used. Further, a laminated film composed of a plurality of films selected from these may be used.

本実施例では、結晶化熱処理において、中間窒化チタン膜115がSTO膜に取り込まれることで説明した。しかし、熱処理は、図4の工程で行う結晶化熱処理以外の、STOキャパシタを形成した後の工程における、層間膜のアニール工程や、コンタクトプラグ形成時のCVD膜成長時の熱処理工程などにおいて行っても良い。但し、STOキャパシタ形成後の、これら熱処理で代用する場合には、STO膜の構造が変化することによる応力がSTO膜に加わり、膜が劣化する問題があるので、このような問題が発生しない場合に用いることができる。   In this embodiment, it has been described that the intermediate titanium nitride film 115 is taken into the STO film in the crystallization heat treatment. However, the heat treatment is performed in an annealing process of the interlayer film in a process after forming the STO capacitor, a heat treatment process in growing the CVD film when forming the contact plug, etc., other than the crystallization heat treatment performed in the process of FIG. Also good. However, when these heat treatments are substituted after the STO capacitor is formed, there is a problem that stress due to the change in the structure of the STO film is applied to the STO film and the film deteriorates. Can be used.

(第2実施例)
第2実施例では、第1実施例の技術を用いて、さらにリーク電流が小さいSTOキャパシタを提供する。図11〜15は、第2実施例を説明するための半導体装置の断面図である。
(Second embodiment)
In the second embodiment, an STO capacitor having a smaller leakage current is provided by using the technique of the first embodiment. 11 to 15 are sectional views of the semiconductor device for explaining the second embodiment.

図11に示すように、第1実施例の図1の工程と同様にして半導体基板211上に、シリコン酸化膜から成る層間膜212、キャパシタコンタクトプラグ213、下部電極214を形成した。下部電極214の材料は、ルテニウム膜(Ru)を用いた。   As shown in FIG. 11, an interlayer film 212 made of a silicon oxide film, a capacitor contact plug 213, and a lower electrode 214 were formed on a semiconductor substrate 211 in the same manner as in the step of FIG. As the material of the lower electrode 214, a ruthenium film (Ru) was used.

第1実施例の図3の工程の非晶質STO膜の成長と同様に、非晶質第1STO膜215を、ALD法により形成した。非晶質第1STO膜215の膜厚は5nmとし、非晶質Sr/Ti比1.6で形成した。   Similar to the growth of the amorphous STO film in the step of FIG. 3 of the first embodiment, the amorphous first STO film 215 was formed by the ALD method. The film thickness of the amorphous first STO film 215 was 5 nm, and the amorphous Sr / Ti ratio was 1.6.

図12に示すように、非晶質第1STO膜215上に、第1実施例の図4の工程の中間窒化チタン膜の形成と同様にして、中間窒化チタン膜216を形成した。中間窒化チタン膜の膜厚は、tTiN=1nmで形成した。   As shown in FIG. 12, an intermediate titanium nitride film 216 was formed on the amorphous first STO film 215 in the same manner as the formation of the intermediate titanium nitride film in the step of FIG. 4 of the first embodiment. The film thickness of the intermediate titanium nitride film was formed with tTiN = 1 nm.

図13に示すように、第1実施例の図3の工程の非晶質STO膜の成長と同様にして、非晶質状態で非晶質第2STO膜217を、ALD法により形成した。非晶質第2STO膜217の膜厚は5nmとし、非晶質Sr/Ti比は、第1実施例の非晶質STO膜と同様の非晶質Sr/Ti=1.6で形成した。   As shown in FIG. 13, an amorphous second STO film 217 was formed in an amorphous state by the ALD method in the same manner as the growth of the amorphous STO film in the step of FIG. 3 of the first embodiment. The film thickness of the amorphous second STO film 217 was set to 5 nm, and the amorphous Sr / Ti ratio was formed with the same amorphous Sr / Ti = 1.6 as that of the amorphous STO film of the first example.

図14に示すように、第1実施例の図4の工程と同様にして、剥がれに注意して600℃の窒素(N2)の不活性ガス雰囲気中でのRTA法により5分の熱処理を行い、非晶質第1STO膜215、非晶質第2STO膜217を結晶化させた。これにより、結晶化第1STO膜215a、結晶化第2STO膜217aを形成した。結晶化熱処理に引き続いて、必要に応じて、STO膜中に酸素を十分に供給するため、酸化性雰囲気熱処理を行った。酸化性雰囲気下の熱処理温度は、剥がれが起きないよう、結晶化熱処理よりも低温を用いた。本実施例では、450℃で、10分、酸素雰囲気、ファーネスで行った。 As shown in FIG. 14, in the same manner as the process of FIG. 4 of the first embodiment, heat treatment for 5 minutes is performed by RTA method in an inert gas atmosphere of nitrogen (N 2 ) at 600 ° C., paying attention to peeling. Then, the amorphous first STO film 215 and the amorphous second STO film 217 were crystallized. Thus, a crystallized first STO film 215a and a crystallized second STO film 217a were formed. Subsequent to the crystallization heat treatment, an oxidizing atmosphere heat treatment was performed as necessary to sufficiently supply oxygen into the STO film. The heat treatment temperature in an oxidizing atmosphere was lower than the crystallization heat treatment so that peeling does not occur. In this embodiment, the process was performed at 450 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere and a furnace.

図15に示すように、第1実施例の図5の工程と同様にして上部電極膜を成膜した。上部電極膜の材料には、ルテニウム(Ru)膜を用いた。フォトリソグラフィー技術、エッチング技術を用いて、上部電極218をパターニング形成した。   As shown in FIG. 15, an upper electrode film was formed in the same manner as in the step of FIG. 5 of the first example. A ruthenium (Ru) film was used as the material of the upper electrode film. The upper electrode 218 was formed by patterning using a photolithography technique and an etching technique.

以上の工程を経て、STO膜を絶縁膜とする、MIM構造のSTOキャパシタ219を形成した。完成したSTOキャパシタ219は、中間窒化チタン膜216が、第1STO膜、第2STO膜に取り込まれて消滅し、下部電極214のルテニウム膜上に、結晶質第1STO膜215a、結晶質第2STO膜217aが順に積層された構成となった。すなわち、上に形成された非晶質第2STO膜217が、(200)優先配向した結晶化第2STO膜217aとなって形成された。結晶化第1STO膜215a、結晶化第2STO膜217aの結晶質Sr/Ti比は、それぞれ凡そ1に形成され、高い比誘電率εrが得られる構造となった。結晶化第1STO膜215aと結晶化第2STO膜217aの間は、結晶の連続性が分断されて、下部電極214上面に対して略平行に形成された、面状に広がる粒界221が形成された(図14)。このように、結晶質STO膜には高さ方向に2層に分断する粒界面を形成され、下部電極214から、上部電極218にかけて連続的に走る粒界が形成されることを抑制できた。   Through the above steps, an STO capacitor 219 having an MIM structure using the STO film as an insulating film was formed. In the completed STO capacitor 219, the intermediate titanium nitride film 216 is taken in and disappears by the first STO film and the second STO film, and the crystalline first STO film 215a and the crystalline second STO film 217a are formed on the ruthenium film of the lower electrode 214. Became the structure laminated | stacked in order. That is, the amorphous second STO film 217 formed thereon was formed as a crystallized second STO film 217a with a (200) preferential orientation. The crystalline Sr / Ti ratio of the crystallized first STO film 215a and the crystallized second STO film 217a is formed to be approximately 1, respectively, so that a high relative dielectric constant εr is obtained. Between the crystallized first STO film 215a and the crystallized second STO film 217a, the crystal continuity is divided, and a grain boundary 221 extending in a planar shape is formed, which is formed substantially parallel to the upper surface of the lower electrode 214. (FIG. 14). In this way, the crystalline STO film was formed with a grain interface that was divided into two layers in the height direction, and it was possible to suppress the formation of a grain boundary that continuously runs from the lower electrode 214 to the upper electrode 218.

このSTO膜の、リーク電流を測定したところ、J=1×10-9(A/cm2)と、第1実施例で得られた最も小さいリーク電流を示したtTiN=0、0.5nm、1.0nmでのJ=5×10-9(A/cm2)に比べて、さらに低い電流を得ることができた。この理由は、下部電極から、上部電極にかけて連続的に走る粒界が形成されることを抑制されたためと考えられる。 When the leakage current of this STO film was measured, J = 1 × 10 −9 (A / cm 2 ) and tTiN = 0, 0.5 nm, which showed the smallest leakage current obtained in the first example, Compared with J = 5 × 10 −9 (A / cm 2 ) at 1.0 nm, an even lower current could be obtained. The reason for this is considered to be that the formation of a grain boundary that continuously runs from the lower electrode to the upper electrode is suppressed.

次に、比誘電率εrの測定を行った。その結果、100と、第1実施例で得られた結果と同等の結果が得られた。本実施例を用いると、第1実施例に比べてさらにリーク電流が小さい高誘電率膜を得ることができる。リーク電流を低減したい場合に効果を有する。   Next, the relative dielectric constant εr was measured. As a result, a result equal to 100 and the result obtained in the first example was obtained. When this embodiment is used, a high dielectric constant film having a smaller leakage current than that of the first embodiment can be obtained. This is effective when it is desired to reduce the leakage current.

(第3実施例)
非晶質STO膜の成膜後、結晶化して形成された結晶質STO膜は、膜中の酸素が抜けて欠陥準位が形成され、リーク電流の増大を招く場合があった。本実施例は、このような問題を対策する例に関するものである。
(Third embodiment)
The crystalline STO film formed by crystallization after the formation of the amorphous STO film may have a defect level due to the loss of oxygen in the film, leading to an increase in leakage current. The present embodiment relates to an example for countering such a problem.

第3実施例の、STOキャパシタの製造方法及び構造を、図16〜19を用いて説明する。図16〜18は、第3実施例による半導体装置の製造方法を示す断面図である。図19は、アルミニウムドープ量に対する、比誘電率、リーク電流の依存性を示すグラフである。   The manufacturing method and structure of the STO capacitor according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 16 to 18 are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment. FIG. 19 is a graph showing the dependence of the relative permittivity and leakage current on the aluminum doping amount.

図16に示すように、第1実施例の図1の工程と同様にして、半導体基板311、シリコン酸化膜から成る層間膜312、キャパシタコンタクトプラグ313、キャパシタの下部電極314を形成した。下部電極314の材料は、ルテニウム膜(Ru)を用いた。下部電極314の膜厚は10nmで形成した。第1実施例の図2の工程と同様に、中間窒化チタン膜315を形成した。中間窒化チタン膜315の膜厚は、tTiN=1nmで形成した。   As shown in FIG. 16, a semiconductor substrate 311, an interlayer film 312 made of a silicon oxide film, a capacitor contact plug 313, and a capacitor lower electrode 314 were formed in the same manner as in the process of FIG. As the material of the lower electrode 314, a ruthenium film (Ru) was used. The film thickness of the lower electrode 314 was 10 nm. An intermediate titanium nitride film 315 was formed in the same manner as in the process of FIG. The film thickness of the intermediate titanium nitride film 315 was formed with tTiN = 1 nm.

中間窒化チタン膜315上に、アルミニウム(Al)を含んだ、非晶質状態のAl含有STO膜をALD法により形成した。以下では、これを「非晶質Al含有STO膜316」と呼ぶ。この非晶質Al含有STO膜316は、第1実施例と同様にストロンチウムとチタンの原子数比Sr/Ti比を1.6として形成した。   An amorphous Al-containing STO film containing aluminum (Al) was formed on the intermediate titanium nitride film 315 by ALD. Hereinafter, this is referred to as “amorphous Al-containing STO film 316”. This amorphous Al-containing STO film 316 was formed with an atomic ratio Sr / Ti ratio of strontium and titanium of 1.6, as in the first example.

非晶質Al含有STO膜316の成膜には、ALD法を用いた。半導体基板を300℃程度に加熱した状態でストロンチウム(Sr)原料ガスを所定の時間、供給した後に、酸化原料ガスとして、O3を所定の時間供給することでストロンチウムの酸化反応を起こした。引き続き、チタン原料ガスを所定の時間供給した後に、酸化原料ガスとして、O3を所定の時間供給することでチタンの酸化反応を起こす。これをALD法の1サイクルとして、複数のサイクルを繰り返すことにより、所望の膜厚となるようにSTO膜を形成した。さらに、本実施例では、アルミニウム(Al)原料ガスを所定の時間供給した後に、酸化原料ガスとして、O3を所定の時間供給することでアルミニウムの酸化反応を起こすステップを、前記複数のサイクルのうち、所定の複数のサイクルに追加した。このアルミニウムの酸化反応を起こすステップのアルミニウム原料ガス供給時間、アルミニウムの酸化反応を起こすステップが追加されるサイクルの数は、完成したSTO膜中に所望の濃度でアルミニウムが含まれるように、調整した。なお、ストロンチウム原料ガス、チタン原料ガスは第1実施例に示したガスを用いることができる。アルミニウム原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム(TMA)を用いたが、これに限定はされない。 An ALD method was used to form the amorphous Al-containing STO film 316. A strontium (Sr) source gas was supplied for a predetermined time while the semiconductor substrate was heated to about 300 ° C., and then O 3 was supplied as an oxidizing source gas for a predetermined time to cause an oxidation reaction of strontium. Subsequently, after supplying the titanium raw material gas for a predetermined time, an oxidation reaction of titanium is caused by supplying O 3 as an oxidizing raw material gas for a predetermined time. This was defined as one cycle of the ALD method, and a plurality of cycles were repeated to form an STO film so as to have a desired film thickness. Furthermore, in this embodiment, after supplying the aluminum (Al) source gas for a predetermined time, the step of causing the oxidation reaction of aluminum by supplying O 3 as the oxidizing source gas for a predetermined time is performed in the plurality of cycles. Of these, they were added to a predetermined number of cycles. The aluminum source gas supply time in the step for causing the oxidation reaction of aluminum and the number of cycles in which the step for causing the oxidation reaction of aluminum were added were adjusted so that aluminum was contained at a desired concentration in the completed STO film. . As the strontium source gas and titanium source gas, the gases shown in the first embodiment can be used. Although trimethylaluminum (TMA) was used as the aluminum source gas, it is not limited to this.

本実施例では、トータル膜厚は10nmで形成した。アルミニウムの酸化反応を起こすステップをサイクルに追加する数を変えて形成して、異なるアルミニウム濃度が含まれるSTO膜を形成した。尚、成膜方法はALD法に限定されず、MOCVD法、スパッタ法など用いることができる。   In this embodiment, the total film thickness is 10 nm. STO films containing different aluminum concentrations were formed by changing the number of steps for causing an oxidation reaction of aluminum to be added to the cycle. Note that the film formation method is not limited to the ALD method, and an MOCVD method, a sputtering method, or the like can be used.

第1実施例の図4と同様にして、剥がれに注意して、600℃程度の窒素(N2)の不活性ガス雰囲気中でのRTA法により5分の熱処理を行い、結晶化したAl含有STO膜を形成した。以下では、この膜を「結晶化Al含有STO膜316a」と呼ぶ。尚、アルミドープを行うことにより、結晶化温度が変化することが考えられるが、今回実験で用いた2at%以下では結晶化温度への影響は小さかった。結晶化熱処理に引き続いて、必要に応じて、STO膜中に酸素を十分に供給するため、酸化性雰囲気熱処理を行った。酸化性雰囲気下での熱処理温度は、剥がれが起きないよう、結晶化熱処理より低温を用いた。本実施例では、450℃で、10分、酸素雰囲気、ファーネスで行った。 As in FIG. 4 of the first embodiment, paying attention to peeling, heat treatment for 5 minutes in an inert gas atmosphere of nitrogen (N 2 ) at about 600 ° C. is performed for 5 minutes, and crystallized Al content An STO film was formed. Hereinafter, this film is referred to as “crystallized Al-containing STO film 316a”. In addition, although it is thought that crystallization temperature changes by performing aluminum dope, the influence on crystallization temperature was small at 2 at% or less used in this experiment. Subsequent to the crystallization heat treatment, an oxidizing atmosphere heat treatment was performed as necessary to sufficiently supply oxygen into the STO film. The heat treatment temperature in an oxidizing atmosphere was lower than the crystallization heat treatment so that peeling does not occur. In this embodiment, the process was performed at 450 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere and a furnace.

図18に示すように、第1実施例の図5の工程と同様にして、上部電極317を成膜した。上部電極317の材料には、ルテニウム(Ru)膜を用いた。この工程を経て、STO膜を絶縁膜とする、MIM構造のSTOキャパシタ318を形成した。アルミニウム濃度を変化させて形成した結晶化Al含有STO膜317について、RBS法によりアルミの原子数比Al/(Sr+Ti+Al+O)を調べたところ、原子数濃度で、0at%〜2at%の間で変化した試料が形成された。また、Sr/Ti比は、約1に形成された。   As shown in FIG. 18, an upper electrode 317 was formed in the same manner as in the step of FIG. 5 of the first example. As the material of the upper electrode 317, a ruthenium (Ru) film was used. Through this process, the STO capacitor 318 having the MIM structure using the STO film as an insulating film was formed. For the crystallized Al-containing STO film 317 formed by changing the aluminum concentration, the atomic ratio Al / (Sr + Ti + Al + O) of aluminum was examined by the RBS method, and the atomic concentration varied between 0 at% and 2 at%. A sample was formed. Further, the Sr / Ti ratio was formed to be about 1.

これらの試料に対して、比誘電率(●)、リーク電流(○)のアルミニウムドープ量依存性を調べた。結果を図19に示す。アルミニウムを含まない0at%では、第1実施例と同様に比誘電率εrは100を示した。図19の比誘電率εrを示す右側の縦軸では、0at%での比誘電率εrを1と規格化して、比誘電率比で示している。これを見ると、比誘電率比は、0at%の1を最大として、アルミニウム原子数濃度が増えると比誘電率比は徐々に減少した。0.3〜1at%の範囲では、比誘電率比は約0.7、比誘電率εrは約70となる。この範囲では、アルミニウム原子数濃度に拠らずにほぼ一定の値を示した。1at%以上では、再び減少し、2at%では比誘電率比0.3を示した。この結果から、ドープするアルミニウム原子数比が0.3〜1at%の範囲では、アルミニウムを含まないSTO膜に比べて、約70%〜80%の比誘電率と小さくなるが、現在用いられているジルコニウムの比誘電率εrの20〜30などに比べて十分に大きい値が得られている。また、アルミニウム原子数濃度に対する比誘電率εrの変化は小さく安定しており、製造上でのばらつきの問題も抑制される結果を示した。   For these samples, the dependence of the relative permittivity (●) and the leakage current (◯) on the aluminum doping amount was examined. The results are shown in FIG. At 0 at% not containing aluminum, the relative dielectric constant εr was 100 as in the first example. In the right vertical axis indicating the relative dielectric constant εr in FIG. 19, the relative dielectric constant εr at 0 at% is normalized to 1 and indicated by a relative dielectric constant ratio. As can be seen from the graph, the relative permittivity ratio is 1 at 0 at%, and the relative permittivity ratio gradually decreases as the aluminum atom number concentration increases. In the range of 0.3 to 1 at%, the relative dielectric constant ratio is about 0.7 and the relative dielectric constant εr is about 70. In this range, a substantially constant value was shown regardless of the aluminum atom number concentration. It decreased again at 1 at% or more, and a relative dielectric constant ratio of 0.3 was shown at 2 at%. From this result, when the ratio of the number of aluminum atoms to be doped is in the range of 0.3 to 1 at%, the dielectric constant is about 70% to 80% smaller than that of the STO film not containing aluminum, but it is currently used. A sufficiently large value is obtained as compared with 20 to 30 or the like of the relative dielectric constant εr of zirconium. Moreover, the change of the relative dielectric constant εr with respect to the concentration of aluminum atoms was small and stable, and the result of suppressing the problem of variation in manufacturing was shown.

アルミニウムを含まない0at%の第1実施例の条件での、リーク電流密度J=5×10-9(A/cm2)を示す。図19のリーク電流を示す左側の縦軸では、0at%でのリーク電流を1と規格化したリーク電流比で示している。アルミニウムを0.1at%ドープすると、リーク電流比は、200分の1に急激に減少し、J=2×10-11(A/cm2)と小さいリーク電流値を示した。0.1at%以上ドープすると、ドープ量が増加すると共に少しずつ減少する。このことから、アルミニウムを0.1at%以上ドープすることによりリーク電流を2桁小さくできることが判った。この理由は、アルミニウムを含有しないSTO膜が酸素欠損を起こし易く、酸素が抜けた箇所で、欠陥準位が形成され、リークの原因となるためである。アルミニウムは、イオン半径がチタン(Ti)に近いので、アルミニウムをドープすると、STO膜中のチタン(Ti)と置換されると考えられる。アルミニウムは3価で、価数変化が殆どない元素である。アルミニウムをドープすることにより、酸素欠損量を低減でき、リーク電流が抑制されるものと考えられる。また、アルミニウムは、価数の変化が殆どない元素であり、不安定な準位を形成することもない。アルミニウムと同様の効果が得られる元素として、同じ3価の元素で、チタンと原子半径が近いガリウム(Ga)、インジウム(In)、ルテチウム(Lu)のいずれかをドープして用いることもできる。 The leakage current density J = 5 × 10 −9 (A / cm 2 ) under the conditions of the first example of 0 at% not containing aluminum is shown. In the left vertical axis showing the leakage current in FIG. 19, the leakage current at 0 at% is shown as a leakage current ratio normalized to 1. When aluminum was doped at 0.1 at%, the leakage current ratio decreased sharply to 1/200 and showed a small leakage current value of J = 2 × 10 −11 (A / cm 2 ). When doping at 0.1 at% or more, the doping amount increases and decreases gradually. From this, it was found that the leakage current can be reduced by two orders of magnitude by doping aluminum at 0.1 at% or more. This is because the STO film not containing aluminum easily causes oxygen vacancies, and a defect level is formed at a location where oxygen is released, causing leakage. Since the ion radius of aluminum is close to that of titanium (Ti), it is considered that when aluminum is doped, it is replaced with titanium (Ti) in the STO film. Aluminum is a trivalent element with little change in valence. Doping aluminum is considered to reduce the amount of oxygen vacancies and suppress leakage current. Aluminum is an element with almost no change in valence, and does not form an unstable level. As an element that can obtain the same effect as aluminum, any of gallium (Ga), indium (In), and lutetium (Lu), which are the same trivalent elements and have an atomic radius close to that of titanium, can be used.

(第4実施例)
本実施例は、第1実施例のキャパシタを、DRAMに適用する方法を開示したものである。図20〜28は、第4実施例による半導体装置の製造方法を説明する断面図である。図29〜33は、第4実施例の変形例を説明するための半導体装置の断面図である。
(Fourth embodiment)
The present embodiment discloses a method of applying the capacitor of the first embodiment to a DRAM. 20 to 28 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment. 29 to 33 are cross-sectional views of a semiconductor device for explaining a modification of the fourth embodiment.

図20に示すように、半導体基板11上に、素子分離領域12を形成した。この素子分離領域12で区画されて素子形成領域13が画定された。ゲート絶縁膜14、ゲート導電膜15、ゲート保護膜16を成膜した後、レジストマスクを用いて順次エッチングして、ゲート電極17を形成した。ゲート電極17をマスクに用いて、半導体基板11上にイオン注入法を用いてソース/ドレイン領域18を形成した。ゲート電極17の側壁にサイドウォール19を形成した。ゲート電極17間を埋め込むようにゲート層間膜20を形成した。ゲート電極17間のソース/ドレイン領域18上と接続するセルコンタクトプラグ21を形成した。セルコンタクトプラグ層間膜22を形成した。セルコンタクトプラグ層間膜22を貫き、ビット線が接続される側のセルコンタクトプラグ21上と接続するビット線コンタクトプラグ23を形成した。ビット線コンタクトプラグ23と接続するビット線24を形成した。ビット線層間膜25を形成した。ビット線層間膜25を貫き、キャパシタが接続される側のセルコンタクトプラグ21上と接続するキャパシタコンタクトプラグ26を形成した。   As shown in FIG. 20, the element isolation region 12 was formed on the semiconductor substrate 11. An element formation region 13 was defined by being partitioned by the element isolation region 12. After forming the gate insulating film 14, the gate conductive film 15, and the gate protective film 16, the gate electrode 17 was formed by sequentially etching using a resist mask. Using the gate electrode 17 as a mask, a source / drain region 18 was formed on the semiconductor substrate 11 by ion implantation. Sidewalls 19 were formed on the side walls of the gate electrode 17. A gate interlayer film 20 was formed so as to embed between the gate electrodes 17. A cell contact plug 21 connected to the source / drain region 18 between the gate electrodes 17 was formed. A cell contact plug interlayer 22 was formed. A bit line contact plug 23 that penetrates the cell contact plug interlayer 22 and is connected to the cell contact plug 21 on the side to which the bit line is connected was formed. A bit line 24 connected to the bit line contact plug 23 was formed. A bit line interlayer film 25 was formed. A capacitor contact plug 26 that penetrates the bit line interlayer 25 and is connected to the cell contact plug 21 on the side to which the capacitor is connected was formed.

キャパシタ層間膜27を形成する。材料はシリコン酸化膜を用いた。ここで、本実施例では、層間膜にホールを形成して、ホール内壁に電極を形成する、コンケーブ型構造のキャパシタを用いた。尚、キャパシタ構造はこれに限定されず、導電膜をパターニングして得られる箱型構造などを用いても良い。   A capacitor interlayer 27 is formed. The material used was a silicon oxide film. In this example, a capacitor having a concave structure in which holes are formed in the interlayer film and electrodes are formed on the inner walls of the holes is used. The capacitor structure is not limited to this, and a box structure obtained by patterning a conductive film may be used.

図21に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて、キャパシタホール形成領域が開口されたレジストマスク411を形成した。レジストマスク411を用いて、キャパシタ層間膜27を貫きキャパシタコンタクトプラグ26上を開口するエッチングを行い、キャパシタホール412を形成した。   As shown in FIG. 21, a resist mask 411 having an opening in the capacitor hole formation region was formed by using a photolithography technique. Using the resist mask 411, etching was performed to penetrate the capacitor interlayer 27 and open the capacitor contact plug 26, thereby forming a capacitor hole 412.

図22に示すように、キャパシタホール412内から、キャパシタ層間膜27上にかけて、下部電極膜413を形成した。下部電極膜413の材料には、ルテニウム膜(Ru)用いた。下部電極膜413の成膜にはALD法を用い、原料ガスには、Ru(C711)(C79)を用いた。下部電極膜413の成膜方法はこれに限定されず、MOCVD法などを用いることができる。下部電極膜413の膜厚は10nmを用いたが、その材料はルテニウム膜に限定されず、仕事関数が深い材料、特にルテニウムよりも深い材料を用いることができ、白金膜、イリジウム膜、ニッケル膜、コバルト膜、モリブデン膜などの金属、ルテニウム酸化膜、イリジウム酸化膜、モリブデン酸化膜などの酸化膜を用いることができる。また、これらから選ばれた複数の膜からなる積層膜を用いても良い。 As shown in FIG. 22, the lower electrode film 413 was formed from the capacitor hole 412 to the capacitor interlayer film 27. A ruthenium film (Ru) was used as the material of the lower electrode film 413. The ALD method was used for forming the lower electrode film 413, and Ru (C 7 H 11 ) (C 7 H 9 ) was used as the source gas. The method for forming the lower electrode film 413 is not limited to this, and an MOCVD method or the like can be used. The film thickness of the lower electrode film 413 is 10 nm, but the material is not limited to the ruthenium film, and a material having a deep work function, particularly a material deeper than ruthenium can be used. A platinum film, an iridium film, a nickel film A metal such as a cobalt film or a molybdenum film, or an oxide film such as a ruthenium oxide film, an iridium oxide film, or a molybdenum oxide film can be used. Further, a laminated film composed of a plurality of films selected from these may be used.

図23に示すように、キャパシタ層間膜27上の下部電極膜413を選択的に除去して、キャパシタホール412内の側面から底面に残るように下部電極413を形成した。下部電極413は、底部でキャパシタコンタクトプラグ26と接続される。下部電極413の形成にはCMP法を用いたが、下部電極413の形成方法はこれに限定されずエッチバック法を用いても良い。下部電極413の形成において、キャパシタホール412内の下部電極膜413がエッチング除去されるのを防止するため、キャパシタホール412内の下部電極膜413の凹部内に、レジスト膜などの保護膜を埋め込んで行うこともできる。その際には、キャパシタ層間膜27上の下部電極膜413を除去した後、保護膜を除去する。   As shown in FIG. 23, the lower electrode film 413 on the capacitor interlayer 27 was selectively removed, and the lower electrode 413 was formed so as to remain on the bottom surface from the side surface in the capacitor hole 412. The lower electrode 413 is connected to the capacitor contact plug 26 at the bottom. Although the CMP method is used to form the lower electrode 413, the method for forming the lower electrode 413 is not limited to this, and an etch back method may be used. In forming the lower electrode 413, a protective film such as a resist film is embedded in the recess of the lower electrode film 413 in the capacitor hole 412 in order to prevent the lower electrode film 413 in the capacitor hole 412 from being etched away. It can also be done. In that case, after removing the lower electrode film 413 on the capacitor interlayer film 27, the protective film is removed.

図24に示すように、第1実施例の図2の工程と同様にして、中間窒化チタン膜414を形成した。中間窒化チタン膜414の成膜にはALD法を用い、原料ガスには、TiCl4とNH3を用いて、交互に供給して形成した。中間窒化チタン膜414の製法はこれに限定されずMOCVD法などを用いても良い。尚、本実施例では、ALD法、MOCVD法などのステップカバレッジに優れる製法を用いるのが好ましい。本実施例では、中間窒化チタン膜414の膜厚はtTiN=1nmで形成した。尚、この中間窒化チタン膜414の膜厚は、第1実施例で述べたように、非晶質STO膜で用いられる非晶質Sr/Ti比、膜厚、結晶化された後の結晶質STO膜の結晶質Sr/Ti比の要請に応じて決められる。 As shown in FIG. 24, an intermediate titanium nitride film 414 was formed in the same manner as in the step of FIG. 2 of the first example. The intermediate titanium nitride film 414 was formed by using an ALD method, and using TiCl 4 and NH 3 as source gases alternately. The manufacturing method of the intermediate titanium nitride film 414 is not limited to this, and an MOCVD method or the like may be used. In this embodiment, it is preferable to use a manufacturing method having excellent step coverage such as ALD method and MOCVD method. In this embodiment, the thickness of the intermediate titanium nitride film 414 is tTiN = 1 nm. The film thickness of the intermediate titanium nitride film 414 is the same as the amorphous Sr / Ti ratio used in the amorphous STO film, the film thickness, and the crystallinity after crystallization as described in the first embodiment. It is determined according to the demand for the crystalline Sr / Ti ratio of the STO film.

図25に示すように、第1実施例の図3の工程と同様にして、キャパシタ絶縁膜として、STO膜を非晶質状態で成長させて非晶質STO膜415を得た。本実施例では、非晶質STO膜415の非晶質Sr/Ti比は1.6で形成した。非晶質STO膜415の成膜は、ステップカバレッジに優れるALD法を用いた。すなわち、半導体基板を300℃程度に加熱した状態でストロンチウム(Sr)原料ガスを所定の時間供給した後に、酸化原料ガスとして、O3を所定の時間供給することでストロンチウムの酸化反応を起こし、次にパージを行った。引き続き、チタン原料ガスを所定の時間供給した後に、酸化原料ガスとして、O3を所定の時間供給することでチタンの酸化反応を起こし、次にパージを行った。これをALD法の1サイクルとして、複数のサイクルを繰り返すことにより、所望の膜厚となるようにSTO膜を形成した。本実施例では、原料ガスの供給時間10秒、パージ時間10秒で行い、膜厚は10nmで形成した。 As shown in FIG. 25, the STO film was grown in an amorphous state as a capacitor insulating film in the same manner as in the step of FIG. 3 of the first example to obtain an amorphous STO film 415. In this embodiment, the amorphous Sr / Ti ratio of the amorphous STO film 415 is 1.6. The amorphous STO film 415 was formed using an ALD method having excellent step coverage. That is, after supplying a strontium (Sr) source gas for a predetermined time while the semiconductor substrate is heated to about 300 ° C., O 3 is supplied as an oxidizing source gas for a predetermined time to cause an oxidation reaction of strontium, Was purged. Subsequently, after supplying the titanium raw material gas for a predetermined time, an oxidation reaction of titanium was caused by supplying O 3 as an oxidizing raw material gas for a predetermined time, and then purge was performed. This was defined as one cycle of the ALD method, and a plurality of cycles were repeated to form an STO film so as to have a desired film thickness. In this example, the raw material gas was supplied for 10 seconds, the purge time was 10 seconds, and the film thickness was 10 nm.

なお、ストロンチウム原料として、ビス(ペンタメチルシクロペンタジエニル)ストロンチウム(Sr(C5(CH352)を用いた。この他、Sr(DPM)2(DPMはジピバロイルメタナート)、Sr(METHD)2(METHDはメトキシエトキシテトラメチルヘプタンジオネート)、Sr(OC252、Sr(OC372、Sr(HfA)2(HfAはヘキサフルオロアセチルアセトナト)などを用いることができるが、特にこれらのガスに限定されない。チタン原料ガスとしては、テトラキス(イソプロポキシ)チタンTi(OCH(CH324を用いた。この他、テトラキス(2−メトキシ−1−メチル−1−プロポキソ)チタン(Ti(MMP)4)、TiO(tmhd)2(ただし、tmhdは2,2,6,6−テトラメチルへプタン−3,5−ジオンを示す)、Ti(depd)(tmhd)2(ただし、depdはジエチルペンタジオールを示す)など公知のチタン原料ガスを用いることができるが、特にこれらのガスに限定されない。 Note that bis (pentamethylcyclopentadienyl) strontium (Sr (C 5 (CH 3 ) 5 ) 2 ) was used as a strontium raw material. In addition, Sr (DPM) 2 (DPM is dipivaloylmethanate), Sr (METHD) 2 (METHD is methoxyethoxytetramethylheptanedionate), Sr (OC 2 H 5 ) 2 , Sr (OC 3 H 7 ) 2 , Sr (HfA) 2 (HfA is hexafluoroacetylacetonato) or the like can be used, but is not particularly limited to these gases. Tetrakis (isopropoxy) titanium Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 was used as the titanium source gas. In addition, tetrakis (2-methoxy-1-methyl-1-propoxo) titanium (Ti (MMP) 4 ), TiO (tmhd) 2 (where tmhd is 2,2,6,6-tetramethylheptane-3 , 5-dione), Ti (depd) (tmhd) 2 (where depd represents diethylpentadiol) and the like, but known titanium source gases can be used, but are not particularly limited to these gases.

成膜する非晶質STO膜413のストロンチウム(Sr)とチタン(Ti)の組成比である非晶質Sr/Ti比は、Sr原料成膜サイクルのサイクル回数、Ti原料成膜サイクルのサイクル回数を調整し、所定の組成比で形成した。非晶質Sr/Ti比としてここでは1.6を用いたが、第1実施例で述べたように、Sr/Ti比を大きくすると結晶化温度を下げることができ、行いたい結晶化熱処理の温度を満足できる様な所望の結晶化温度が得られる非晶質Sr/Ti比となるように決められる。   The amorphous Sr / Ti ratio, which is the composition ratio of strontium (Sr) and titanium (Ti), of the amorphous STO film 413 to be formed is the number of cycles of the Sr source film formation cycle, the number of cycles of the Ti source film formation cycle And was formed at a predetermined composition ratio. The amorphous Sr / Ti ratio of 1.6 is used here, but as described in the first embodiment, the crystallization temperature can be lowered by increasing the Sr / Ti ratio. A desired crystallization temperature that satisfies the temperature is determined so as to obtain an amorphous Sr / Ti ratio.

本実施例では、非晶質STO膜415を成膜する膜厚は10nmで形成した。尚、この膜厚は、第1実施例で述べたようにSTOキャパシタ462において求められる耐圧、リーク電流、容量値から決められる。   In this embodiment, the amorphous STO film 415 is formed with a thickness of 10 nm. The film thickness is determined from the breakdown voltage, leakage current, and capacitance value required for the STO capacitor 462 as described in the first embodiment.

中間窒化チタン膜414の膜厚については、用いる非晶質STO膜415の非晶質Sr/Ti比と、非晶質STO膜415の厚さと、形成される結晶質STO膜415aにおいて求められる結晶質Sr/Ti比とに依存して、厚さが決められる。ここで用いる非晶質STO膜415の非晶質Sr/Ti比は、行いたい結晶化熱処理の温度を満足できる様な所望の結晶化温度が得られる非晶質Sr/Ti比となるように決められる。所定の結晶質Sr/Ti比を得る場合、非晶質Sr/Ti比が大きいほど中間窒化チタン膜414の厚さを厚くする必要がある。非晶質STO膜415の厚さは、後に完成されるSTOキャパシタ417において求められる耐圧、リーク電流、容量値から必要な厚さが決められる。所定の結晶質Sr/Ti比を得る場合、非晶質STO膜415の厚さが厚いほど中間窒化チタン膜414を厚くする必要がある。形成される結晶質STO膜415aにおいて求められる結晶質Sr/Ti比は、高い容量値を得るためには1程度となるように決められる。結晶質Sr/Ti比が小さいほど、中間窒化チタン膜414の厚さを厚くする必要がある。   Regarding the thickness of the intermediate titanium nitride film 414, the amorphous Sr / Ti ratio of the amorphous STO film 415 to be used, the thickness of the amorphous STO film 415, and the crystal required for the crystalline STO film 415a to be formed. Depending on the quality Sr / Ti ratio, the thickness is determined. The amorphous Sr / Ti ratio of the amorphous STO film 415 used here is an amorphous Sr / Ti ratio that provides a desired crystallization temperature that can satisfy the temperature of the desired crystallization heat treatment. It is decided. When obtaining a predetermined crystalline Sr / Ti ratio, it is necessary to increase the thickness of the intermediate titanium nitride film 414 as the amorphous Sr / Ti ratio increases. The thickness of the amorphous STO film 415 is determined from the breakdown voltage, leakage current, and capacitance value required for the STO capacitor 417 to be completed later. In order to obtain a predetermined crystalline Sr / Ti ratio, it is necessary to make the intermediate titanium nitride film 414 thicker as the amorphous STO film 415 is thicker. The crystalline Sr / Ti ratio required for the formed crystalline STO film 415a is determined to be about 1 in order to obtain a high capacitance value. It is necessary to increase the thickness of the intermediate titanium nitride film 414 as the crystalline Sr / Ti ratio decreases.

図26に示すように、第1実施例の図4の工程と同様にして、600℃で5分、N2雰囲気、5分の条件で結晶化熱処理を行った。この熱処理温度は、結晶化温度よりも高く、また650℃に対してなるべく低い温度となるように決められる。熱処理時間は、第1実施例で述べたように、中間窒化チタン膜414を、STO膜がほぼ完全に取り込めるような時間に定められる。 As shown in FIG. 26, the crystallization heat treatment was performed under the conditions of 600 ° C. for 5 minutes and N 2 atmosphere for 5 minutes in the same manner as in the step of FIG. 4 of the first example. This heat treatment temperature is determined to be higher than the crystallization temperature and as low as possible with respect to 650 ° C. As described in the first embodiment, the heat treatment time is determined so that the intermediate titanium nitride film 414 can be almost completely taken in by the STO film.

結晶化熱処理に引き続いて、必要に応じて、STO膜中に酸素を十分に供給するため、酸化性雰囲気熱処理を行った。酸化性雰囲気下の熱処理温度は、剥がれが起きないように、結晶化熱処理より低温を用いた。本実施例では、450℃で、10分、酸素雰囲気、ファーネスで行った。   Subsequent to the crystallization heat treatment, an oxidizing atmosphere heat treatment was performed as necessary to sufficiently supply oxygen into the STO film. The heat treatment temperature in an oxidizing atmosphere was lower than the crystallization heat treatment so that peeling does not occur. In this embodiment, the process was performed at 450 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere and a furnace.

以上のようにして結晶質STO膜415aが形成された。結晶化熱処理では中間窒化チタン膜414がSTO膜中に取り込まれ、結晶質STO膜415aの下面は、下部電極414のルテニウム膜とほぼ接触するような構造となった。結晶質STO膜415aの結晶質Sr/Ti比は、ほぼ1となるように形成した。   A crystalline STO film 415a was formed as described above. In the crystallization heat treatment, the intermediate titanium nitride film 414 was taken into the STO film, and the lower surface of the crystalline STO film 415a was in contact with the ruthenium film of the lower electrode 414. The crystalline STO film 415a was formed so that the crystalline Sr / Ti ratio was approximately 1.

図27に示すように、第1実施例の図5の工程と同様にして、上部電極膜416を成膜した。上部電極膜416の材料には、ルテニウム膜(Ru)膜を用い、その成膜にはステップカバレッジに優れるALD法を用いた。上部電極膜416の原料ガスには、Ru(C711)(C79)を用いた。上部電極の成膜方法はこれに限定されず、MOCVD法などを用いることができる。上部電極の膜厚は10nmを用いた。上部電極の材料はルテニウム膜に限定されず、仕事関数が深い材料、特にルテニウムよりも深い材料を用いることができ、白金膜、イリジウム膜、ニッケル膜、コバルト膜、モリブデン膜などの金属、ルテニウム酸化膜、イリジウム酸化膜、モリブデン酸化膜などの酸化膜を用いることができる。またこれらから選ばれた複数の膜からなる積層膜を用いても良い。 As shown in FIG. 27, an upper electrode film 416 was formed in the same manner as in the process of FIG. 5 of the first embodiment. As the material of the upper electrode film 416, a ruthenium film (Ru) film was used, and the ALD method having excellent step coverage was used for the film formation. Ru (C 7 H 11 ) (C 7 H 9 ) was used as a source gas for the upper electrode film 416. The method for forming the upper electrode is not limited to this, and an MOCVD method or the like can be used. The film thickness of the upper electrode was 10 nm. The material of the upper electrode is not limited to the ruthenium film, but a material having a deep work function, particularly a material deeper than ruthenium, can be used, such as platinum film, iridium film, nickel film, cobalt film, molybdenum film, ruthenium oxide An oxide film such as a film, an iridium oxide film, or a molybdenum oxide film can be used. Further, a laminated film composed of a plurality of films selected from these may be used.

図28に示すように、フォトリソグラフィー技術、エッチング技術を用いて、上部電極膜をパターニングして、上部電極416を形成した。これにより、結晶質STO膜415aと、その上下に形成された下部電極413、上部電極416から成るSTOキャパシタ417が形成された。キャパシタ上層間膜418を形成した。周辺回路領域において、キャパシタ上層間膜418からビット線24と接続する周辺コンタクトを形成した(図示されない)。周辺コンタクトに接続する配線419を形成した。この後、必要に応じて、層間膜、ビアホール、配線、キャップ膜、層間膜、パッド電極、パッシベーション膜を形成して、デバイスが完成させた。   As shown in FIG. 28, the upper electrode film 416 was formed by patterning the upper electrode film using a photolithography technique and an etching technique. Thus, an STO capacitor 417 including a crystalline STO film 415a and a lower electrode 413 and an upper electrode 416 formed above and below the crystalline STO film 415a was formed. An interlayer film 418 on the capacitor was formed. In the peripheral circuit region, a peripheral contact connected to the bit line 24 from the interlayer film 418 on the capacitor was formed (not shown). A wiring 419 connected to the peripheral contact was formed. Thereafter, an interlayer film, a via hole, a wiring, a cap film, an interlayer film, a pad electrode, and a passivation film were formed as necessary to complete the device.

以上の工程を経て、結晶質STO膜を絶縁膜とするMIMキャパシタを有するDRAMを形成することができた。形成されたキャパシタの比誘電率は約100程度と大きい値を有し、且つ1V印加時のリーク電流密度はJ=5×10-5(A/cm2)と小さい値を示した。これにより、微細化した場合であってもデータ保持特性(リフレッシュ特性)に優れた、信頼性の高いDRAM素子を製造することが可能となった。尚、ここでは、第1実施例の形成方法を応用したが、第2実施例、第3実施例の方法を応用することも可能である。 Through the above steps, a DRAM having an MIM capacitor using a crystalline STO film as an insulating film could be formed. The relative permittivity of the formed capacitor was as large as about 100, and the leak current density when 1 V was applied was as small as J = 5 × 10 −5 (A / cm 2 ). This makes it possible to manufacture a highly reliable DRAM element having excellent data retention characteristics (refresh characteristics) even when miniaturized. Although the formation method of the first embodiment is applied here, the methods of the second and third embodiments can be applied.

(変形例)
図29〜図33は、第4実施例の変形例を説明するための図である。上述した第4実施例では、下部電極膜を形成した後、キャパシタホール内を覆うように下部電極を形成し、その上に中間窒化チタン膜、非晶質STO膜を形成して中間窒化チタン膜をSTO膜中に取り込む方法を用いた。この方法では、中間窒化チタン膜414がキャパシタ層間膜27上を覆うように形成された(図24)。図26の工程で、STO膜中に中間窒化チタン膜414を取り込む際に、キャパシタ層間膜上に中間窒化チタン膜が、残渣として残ると、隣接する下部電極間の短絡を招き、製品の不良を引き起こす。このため、中間窒化チタン膜414がキャパシタ層間膜27上に残らないようにSTO膜中に取り込まれるよう形成する必要がある。変形例では、このような問題が発生しない方法を開示する。
(Modification)
FIGS. 29-33 is a figure for demonstrating the modification of 4th Example. In the fourth embodiment described above, after forming the lower electrode film, the lower electrode is formed so as to cover the inside of the capacitor hole, and an intermediate titanium nitride film and an amorphous STO film are formed thereon to form an intermediate titanium nitride film. The method of taking in the STO film was used. In this method, an intermediate titanium nitride film 414 was formed so as to cover the capacitor interlayer 27 (FIG. 24). In the process of FIG. 26, when the intermediate titanium nitride film 414 is taken into the STO film, if the intermediate titanium nitride film remains as a residue on the capacitor interlayer film, a short circuit occurs between adjacent lower electrodes, resulting in a product defect. cause. Therefore, it is necessary to form the intermediate titanium nitride film 414 so as to be taken into the STO film so as not to remain on the capacitor interlayer film 27. In the modification, a method that does not cause such a problem is disclosed.

図29に示すように、図22の下部電極膜414を形成するまでは、第4実施例と同様に行う。下部電極膜414の上に中間窒化チタン膜511を積層するように形成した。下部電極膜414の形成方法は、第4実施例の図24と同様に行う。   As shown in FIG. 29, the same processes as in the fourth embodiment are performed until the lower electrode film 414 in FIG. 22 is formed. An intermediate titanium nitride film 511 was stacked on the lower electrode film 414. The method for forming the lower electrode film 414 is performed in the same manner as in FIG. 24 of the fourth embodiment.

図30に示すように、第4実施例の図23と同様の方法で、キャパシタ層間膜27上の中間窒化チタン膜511と下部電極膜413の選択的に除去して、キャパシタホール412内の側面から底面に残るように下部電極413と、中間窒化チタン膜511を形成した。下部電極413は、底部でキャパシタコンタクトプラグ26と接続された。下部電極413の形成にはCMP法を用いたが、下部電極413の形成方法はこれに限定されずエッチバック法を用いても良い。また保護膜で凹部内を保護して行っても良い。   As shown in FIG. 30, the intermediate titanium nitride film 511 and the lower electrode film 413 on the capacitor interlayer film 27 are selectively removed by the same method as in FIG. A lower electrode 413 and an intermediate titanium nitride film 511 were formed so as to remain on the bottom surface. The lower electrode 413 was connected to the capacitor contact plug 26 at the bottom. Although the CMP method is used to form the lower electrode 413, the method for forming the lower electrode 413 is not limited to this, and an etch back method may be used. Moreover, you may protect the inside of a recessed part with a protective film.

図31に示すように、第4実施例の図25の工程と同様に非晶質STO膜512を形成した。   As shown in FIG. 31, an amorphous STO film 512 was formed in the same manner as in the step of FIG. 25 of the fourth embodiment.

図32に示すように、第4実施例の図26の工程と同様に結晶化熱処理を行った。キャパシタホール412内に形成された中間窒化チタン膜511は、STO膜内に取り込まれた。この際、非晶質STO膜512は、結晶化されて結晶質STO膜512aが形成された。結晶質STO膜512aは、キャパシタホール412内に形成された部分では、中間窒化チタン膜511が取り込まれるため、キャパシタ層間膜27上に形成された部分に比べて厚い膜厚を有していた。尚、下部電極413の環状の上面上には、中間窒化チタン膜511が形成されないので、その部分では結晶質STO膜512aの膜厚は、キャパシタ層間膜27上での厚さとほぼ等しくなり、キャパシタホール412内での結晶質STO膜512aの厚さに比べて薄く形成された。   As shown in FIG. 32, crystallization heat treatment was performed in the same manner as in the step of FIG. 26 of the fourth example. The intermediate titanium nitride film 511 formed in the capacitor hole 412 was taken into the STO film. At this time, the amorphous STO film 512 was crystallized to form a crystalline STO film 512a. The crystalline STO film 512 a is thicker than the portion formed on the capacitor interlayer 27 because the intermediate titanium nitride film 511 is taken in the portion formed in the capacitor hole 412. Incidentally, since the intermediate titanium nitride film 511 is not formed on the annular upper surface of the lower electrode 413, the thickness of the crystalline STO film 512a becomes substantially equal to the thickness on the capacitor interlayer film 27 in that portion. It was formed thinner than the thickness of the crystalline STO film 512a in the hole 412.

図33に示すように、第4実施例の図27の工程と同様にして上部電極膜513を形成した。フォトリソグラフィー技術、エッチング技術を用いてパターニングを行い、上部電極513を形成した。これによりSTOキャパシタ514が形成した。この後の工程は、第4実施例の図28と同様の工程を経てデバイスが完成させた。この変形例を用いれば、中間窒化チタン膜511は、図30の工程でキャパシタホール412内の側壁に選択的に形成するので、キャパシタ層間膜27上の中間窒化チタン膜511はCMP法またはエッチング法により除去された。この結果、隣接する下部電極間での、中間窒化チタン膜511を介しての短絡の問題が起きにくくできる。   As shown in FIG. 33, an upper electrode film 513 was formed in the same manner as in the step of FIG. 27 of the fourth embodiment. The upper electrode 513 was formed by patterning using a photolithography technique and an etching technique. As a result, an STO capacitor 514 was formed. Subsequent steps were completed through the same steps as in FIG. 28 of the fourth embodiment. If this modification is used, the intermediate titanium nitride film 511 is selectively formed on the sidewall in the capacitor hole 412 in the step of FIG. Removed by. As a result, the problem of a short circuit between the adjacent lower electrodes via the intermediate titanium nitride film 511 can be prevented.

この変形例のSTOキャパシタ514は、下部電極413の環状の上面上の部分の結晶質STO膜512aの膜厚は、キャパシタホール412内での結晶質STO膜512aの厚さに比べて薄く形成される。このため、下部電極413の環状の上面上の部分における、リーク電流、耐圧が、製品上の規格を満たすような厚さに形成する。また、下部電極413の環状の上面上の部分の結晶質STO膜512aは、Sr/Ti比は、ほぼ非晶質Sr/Ti比の値を有するので、この部分での比誘電率εrは、キャパシタホール412内の部分の比誘電率εrに比べて小さくなるが、キャパシタンスとしての影響は小さく問題ないレベルで済む。   In the STO capacitor 514 of this modified example, the film thickness of the crystalline STO film 512 a on the annular upper surface of the lower electrode 413 is formed smaller than the thickness of the crystalline STO film 512 a in the capacitor hole 412. The Therefore, the lower electrode 413 is formed in such a thickness that the leakage current and breakdown voltage in the portion on the annular upper surface satisfy the product specifications. Further, since the Sr / Ti ratio of the crystalline STO film 512a on the annular upper surface of the lower electrode 413 has an amorphous Sr / Ti ratio, the relative dielectric constant εr in this part is Although it is smaller than the relative dielectric constant εr of the portion in the capacitor hole 412, the influence as capacitance is small and can be at a level with no problem.

11 半導体基板
12 素子分離領域
13 素子形成領域
14 ゲート絶縁膜
15 ゲート導電膜
16 ゲート保護膜
17 ゲート電極
18 ソース/ドレイン領域
19 サイドウォール
20 ゲート層間膜
21 セルコンタクトプラグ
22 セルコンタクトプラグ層間膜
23 ビット線コンタクトプラグ
24 ビット線
25 ビット線層間膜
26 キャパシタコンタクトプラグ
27 キャパシタ層間膜
111、211、311 半導体基板
112、212、312 層間膜
113、213、313 キャパシタコンタクトプラグ
114、214、314 下部電極
115、216、315 中間窒化チタン膜
116 非晶質STO膜
116a 結晶質STO膜
117、218、317 上部電極
118、219、318 STOキャパシタ
121 剥れ
215 非晶質第1STO膜
215a 結晶化第1STO膜
217 非晶質第2STO膜
217a 結晶化第2STO膜
221 粒界
316 非晶質Al含有STO膜
316a 結晶化Al含有STO膜
317 結晶化Al含有STO膜
411 レジストマスク
412 キャパシタホール
413 下部電極膜
414 中間窒化チタン膜
415 非晶質STO膜
415a 結晶質STO膜
416 上部電極膜
417、462 STOキャパシタ
418 キャパシタ上層間膜
419 配線
511 中間窒化チタン膜
512 非晶質STO膜
512a 結晶質STO膜
513 上部電極膜
514 STOキャパシタ
11 Semiconductor substrate 12 Element isolation region 13 Element formation region 14 Gate insulating film 15 Gate conductive film 16 Gate protective film 17 Gate electrode 18 Source / drain region 19 Side wall 20 Gate interlayer 21 Cell contact plug 22 Cell contact plug interlayer 23 Bit Line contact plug 24 Bit line 25 Bit line interlayer 26 Capacitor contact plug 27 Capacitor interlayer 111, 211, 311 Semiconductor substrate 112, 212, 312 Interlayer 113, 213, 313 Capacitor contact plug 114, 214, 314 Lower electrode 115, 216, 315 Intermediate titanium nitride film 116 Amorphous STO film 116a Crystalline STO film 117, 218, 317 Upper electrode 118, 219, 318 STO capacitor 121 Peeling 215 Amorphous first STO film 215a Crystallized first STO film 217 Amorphous second STO film 217a Crystallized second STO film 221 Grain boundary 316 Amorphous Al-containing STO film 316a Crystallized Al-containing STO film 317 Crystallized Al-containing STO film 411 Resist mask 412 Capacitor hole 413 Lower electrode film 414 Intermediate titanium nitride film 415 Amorphous STO film 415a Crystalline STO film 416 Upper electrode film 417, 462 STO capacitor 418 Capacitor interlayer film 419 Wiring 511 Intermediate titanium nitride film 512 Amorphous STO film 512a Crystalline STO film 513 Upper electrode film 514 STO capacitor

Claims (14)

下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に、中間窒化チタン膜及び非晶質チタン酸ストロンチウム膜が互いに接するように積層された積層膜を形成する工程と、
第1の熱処理を行うことにより、前記中間窒化チタン膜及び非晶質チタン酸ストロンチウム膜を結晶質チタン酸ストロンチウム膜に変換する工程と、
前記結晶質チタン酸ストロンチウム膜上に上部電極を形成する工程と、
を有する、キャパシタを備えた半導体装置の製造方法。
Forming a lower electrode;
Forming a laminated film in which an intermediate titanium nitride film and an amorphous strontium titanate film are in contact with each other on the lower electrode;
Converting the intermediate titanium nitride film and the amorphous strontium titanate film into a crystalline strontium titanate film by performing a first heat treatment;
Forming an upper electrode on the crystalline strontium titanate film;
A method for manufacturing a semiconductor device including a capacitor.
前記積層膜は、前記下部電極側から上部電極側に向かって順に積層された中間窒化チタン膜及び非晶質チタン酸ストロンチウム膜からなる、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the laminated film is composed of an intermediate titanium nitride film and an amorphous strontium titanate film laminated in order from the lower electrode side to the upper electrode side. 前記積層膜は、前記下部電極側から上部電極側に向かって順に積層された非晶質チタン酸ストロンチウム膜、中間窒化チタン膜及び非晶質チタン酸ストロンチウム膜からなる、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The semiconductor according to claim 1, wherein the stacked film is composed of an amorphous strontium titanate film, an intermediate titanium nitride film, and an amorphous strontium titanate film stacked in order from the lower electrode side to the upper electrode side. Device manufacturing method. 前記非晶質チタン酸ストロンチウム膜がアルミニウムを含有する、請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the amorphous strontium titanate film contains aluminum. 前記非晶質チタン酸ストロンチウム膜中の、原子数比Al/(Sr+Ti+Al+O)が0.1〜1.0at%である、請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein an atomic ratio Al / (Sr + Ti + Al + O) in the amorphous strontium titanate film is 0.1 to 1.0 at%. 前記非晶質チタン酸ストロンチウム膜中の原子数比Sr/Tiが、前記結晶質チタン酸ストロンチウム膜中の原子数比Sr/Tiよりも大きい、請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。   The atomic number ratio Sr / Ti in the amorphous strontium titanate film is larger than the atomic ratio Sr / Ti in the crystalline strontium titanate film according to any one of claims 1 to 5. A method for manufacturing a semiconductor device. 前記非晶質チタン酸ストロンチウム膜中の原子数比Sr/Tiが1以上であり、
前記結晶質チタン酸ストロンチウム膜中の原子数比Sr/Tiが0.8〜1.2である、請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
The atomic ratio Sr / Ti in the amorphous strontium titanate film is 1 or more,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein an atomic ratio Sr / Ti in the crystalline strontium titanate film is 0.8 to 1.2.
前記非晶質チタン酸ストロンチウム膜中の原子数比Sr/Tiが1.6以下である、請求項7に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein an atomic ratio Sr / Ti in the amorphous strontium titanate film is 1.6 or less. 650℃未満の温度で前記第1の熱処理を行う、請求項1〜8の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first heat treatment is performed at a temperature lower than 650 ° C. 9. 600℃以下の温度で前記第1の熱処理を行う、請求項9に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the first heat treatment is performed at a temperature of 600 ° C. or less. 前記下部電極を形成する工程の前に更に、
MOSトランジスタを形成する工程と、
前記MOSトランジスタの第1不純物拡散領域に接続されるようにビット線を形成する工程と、
前記MOSトランジスタの第2不純物拡散領域に接続されるように容量コンタクトパッドを形成する工程と、
を有し、
前記下部電極を形成する工程において、
前記容量コンタクトパッドに接続されるように前記下部電極を形成する、請求項1〜10の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
Before the step of forming the lower electrode,
Forming a MOS transistor;
Forming a bit line to be connected to the first impurity diffusion region of the MOS transistor;
Forming a capacitor contact pad to be connected to the second impurity diffusion region of the MOS transistor;
Have
In the step of forming the lower electrode,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the lower electrode is formed so as to be connected to the capacitor contact pad.
前記容量コンタクトパッドを形成する工程の後に更に、
前記容量コンタクトパッドを覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜内に、前記容量コンタクトパッドを露出させるようにキャパシタホールを形成する工程と、
を有し、
前記下部電極を形成する工程において、
前記キャパシタホール内に下部電極を形成し、
前記積層膜を形成する工程は、
前記キャパシタホール内の下部電極上及び前記層間絶縁膜上に、前記中間窒化チタン膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上の前記中間窒化チタン膜を除去する工程と、
前記キャパシタホール内の前記中間窒化チタン膜上に、前記非晶質チタン酸ストロンチウム膜を形成する工程と、
を有する、請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
After the step of forming the capacitive contact pad,
Forming an interlayer insulating film so as to cover the capacitive contact pad;
Forming a capacitor hole in the interlayer insulating film so as to expose the capacitor contact pad;
Have
In the step of forming the lower electrode,
Forming a lower electrode in the capacitor hole;
The step of forming the laminated film includes
Forming the intermediate titanium nitride film on the lower electrode in the capacitor hole and on the interlayer insulating film;
Removing the intermediate titanium nitride film on the interlayer insulating film;
Forming the amorphous strontium titanate film on the intermediate titanium nitride film in the capacitor hole;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 11, comprising:
前記結晶質チタン酸ストロンチウム膜に変換する工程の後に更に、酸化性雰囲気下で第2の熱処理を行う工程を有する、請求項1〜12の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of performing a second heat treatment in an oxidizing atmosphere after the step of converting to the crystalline strontium titanate film. 前記第1の熱処理の温度は、前記第2の熱処理の温度よりも高い、請求項13に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein a temperature of the first heat treatment is higher than a temperature of the second heat treatment.
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