JP2013110312A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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繁 杉岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device excellent in device characteristics, which reduces writing/reading failures by preventing an increase in contact resistance between a capacitor and a contact pad.SOLUTION: A method for manufacturing a semiconductor device comprises the steps of: forming a tungsten film 8b; forming a lower electrode 13 formed of a titanium nitride film on the tungsten film 8b; oxidizing the titanium nitride film by heat-treating the titanium nitride film under an oxidizing atmosphere; forming a capacitance insulating film 14 on the lower electrode 13; and forming an upper electrode 15 on the capacitance insulating film 14.

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.

パソコンのメインメモリとして従来から、DRAM(Dynamic Random Access Memory)が使用されている。DRAMは、基本セル構造として1Tr.1キャパシタ構造を採用し、キャパシタ側にはキャパシタ−コンタクトパッド−容量コンタクトプラグ−拡散層−メモリセルトランジスタという構造を有する。この構造では、キャパシタ中での電荷の有無により情報を記憶する。   Conventionally, DRAM (Dynamic Random Access Memory) has been used as a main memory of a personal computer. DRAM has a basic cell structure of 1Tr. A one-capacitor structure is employed, and the capacitor side has a structure of capacitor-contact pad-capacitance contact plug-diffusion layer-memory cell transistor. In this structure, information is stored depending on the presence or absence of charge in the capacitor.

このDRAMの安定動作および信頼性の確保のためには、一定以上のキャパシタ容量が必要である。しかし、半導体素子の微細化が進むにつれて、1ビットに相当する面積は小さくなり、キャパシタを配置する面積も小さくなっている。このため、メモリセルトランジスタのゲート長も短く、それらをつなぐコンタクトパッドや容量コンタクトプラグも小さくなっている。   In order to ensure the stable operation and reliability of the DRAM, a certain capacity of the capacitor is required. However, as the miniaturization of semiconductor elements progresses, the area corresponding to 1 bit is reduced, and the area for arranging capacitors is also reduced. For this reason, the gate lengths of the memory cell transistors are short, and the contact pads and capacitor contact plugs connecting them are also small.

そこで、高いキャパシタ容量を確保するために、電極の表面積を増やす方法や、低EOT(等価酸化膜厚)膜の開発が進められている。電極の表面積を増やす方法として、特許文献1及び2(特開平07−7084号公報、特開2003−142605号公報)に開示されているように、高アスペクト比のクラウン構造のキャパシタの研究が進んでいる。また、低EOT膜として、IV族やV族の元素の酸化膜やそれらの酸化膜を積層した膜の開発も進んでいる。特に、低EOT膜としてまず、酸化ジルコニウムの結晶膜(ZrO2)を成膜後、薄膜のアルミナ(Al23)と酸化ジルコニウム(ZrO2)を数層ずつ積層するアモルファス膜の積層膜はEOT=0.8nmを達成することができ、注目を集めている。 Therefore, in order to ensure a high capacitor capacity, a method for increasing the surface area of the electrode and a development of a low EOT (equivalent oxide film thickness) film are being promoted. As a method for increasing the surface area of the electrode, as disclosed in Patent Documents 1 and 2 (Japanese Patent Laid-Open Nos. 07-7084 and 2003-142605), research on a capacitor having a high aspect ratio crown structure has progressed. It is out. In addition, as a low EOT film, an oxide film of an IV group or V group element or a film in which these oxide films are stacked is also being developed. In particular, as a low EOT film, first, a crystalline film of zirconium oxide (ZrO 2 ) is formed, and then a thin film of alumina (Al 2 O 3 ) and several layers of zirconium oxide (ZrO 2 ) are laminated. EOT = 0.8 nm can be achieved and is attracting attention.

特開平07−7084号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-7084 特開2003−142605号公報JP 2003-142605 A

キャパシタの下部電極は、コンタクトパッドの下にある容量コンタクトプラグを介してメモリセルトランジスタのソース又はドレイン領域に接続されている。この下部電極には窒化チタンを用い、窒化チタンとのコンタクト抵抗を低くするためコンタクトパッドにはタングステンを用いている。   The lower electrode of the capacitor is connected to the source or drain region of the memory cell transistor via a capacitive contact plug under the contact pad. Titanium nitride is used for the lower electrode, and tungsten is used for the contact pad in order to reduce the contact resistance with titanium nitride.

上記の様なタングステン膜上に窒化チタンからなる下部電極を使用したキャパシタには、2つの問題点が発生していた。   Two problems have occurred in the capacitor using the lower electrode made of titanium nitride on the tungsten film as described above.

1つ目の問題点は、この半導体記憶装置では、容量絶縁膜として酸化膜を使用すると、図22Aに示すように、容量絶縁膜(酸化膜)14の成膜時に酸素原子が窒化チタン膜(下部電極)13aの結晶粒界を通ってタングステン膜21にまで拡散する。これにより、タングステン膜21の表面が酸化し、コンタクト抵抗が高くなる箇所が発生する。   The first problem is that, in this semiconductor memory device, when an oxide film is used as a capacitor insulating film, oxygen atoms are converted into a titanium nitride film (as shown in FIG. 22A) when the capacitor insulating film (oxide film) 14 is formed. Diffusion to the tungsten film 21 through the grain boundary of the lower electrode 13a. Thereby, the surface of the tungsten film 21 is oxidized, and a portion where the contact resistance is increased is generated.

2つ目の問題点は、図22Bに示すように、窒化チタン膜13aとタングステン膜21の膨張係数の違いにより、容量絶縁膜14の成膜以降の工程において加わる熱のため、窒化チタン膜13aがタングステン膜21から剥離して、窒化チタン膜13aとタングステン膜21間のコンタクト抵抗が高くなる。2つ目の問題点である剥離の発生は、1つ目の問題点であるタングステン膜21表面の酸化により加速される。   The second problem is that, as shown in FIG. 22B, due to the difference in expansion coefficient between the titanium nitride film 13a and the tungsten film 21, heat applied in the steps after the formation of the capacitive insulating film 14 causes the titanium nitride film 13a. Is peeled off from the tungsten film 21, and the contact resistance between the titanium nitride film 13a and the tungsten film 21 is increased. The occurrence of peeling, which is the second problem, is accelerated by oxidation of the surface of the tungsten film 21, which is the first problem.

コンタクト抵抗が増加すると、キャパシタへのリード・ライト時の時間が長くなり、書き込み・読み出し不良の原因となる。この結果、装置特性を低下させて、歩留まりが低下することとなる。   When the contact resistance increases, the time for reading and writing to the capacitor becomes longer, which causes a write / read failure. As a result, the device characteristics are lowered, and the yield is lowered.

一実施形態は、
タングステン膜を形成する工程と、
前記タングステン膜上に、窒化チタン膜からなる下部電極を形成する工程と、
酸化雰囲気下で前記窒化チタン膜に熱処理を行うことにより、前記窒化チタン膜を酸化する工程と、
前記下部電極上に容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜上に上部電極を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法に関する。
One embodiment is:
Forming a tungsten film;
Forming a lower electrode made of a titanium nitride film on the tungsten film;
Oxidizing the titanium nitride film by performing a heat treatment on the titanium nitride film in an oxidizing atmosphere;
Forming a capacitive insulating film on the lower electrode;
Forming an upper electrode on the capacitive insulating film;
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having

キャパシタの下部電極とタングステン膜間のコンタクト抵抗の上昇を防ぎ、書き込み・読み出し不良を低減する。この結果、装置特性が優れた半導体装置を提供する。また、歩留まりを向上させることができる。   This prevents an increase in contact resistance between the lower electrode of the capacitor and the tungsten film, and reduces writing / reading defects. As a result, a semiconductor device having excellent device characteristics is provided. In addition, the yield can be improved.

第1実施例の半導体装置の製造方法を表す平面図である。FIG. 6 is a plan view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first embodiment. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first example. 従来の半導体装置の問題点を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the problem of the conventional semiconductor device. 第1実施例の半導体装置の製造方法を表す平面図である。FIG. 6 is a plan view illustrating a method for manufacturing the semiconductor device of the first embodiment.

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施例について詳細に説明する。なお、下記実施例は、本発明のより一層の深い理解のために示される具体例であって、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following examples are specific examples shown for a deeper understanding of the present invention, and the present invention is not limited to these examples.

(第1実施例)
本実施例は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)を有する半導体装置の製造方法に関するものであり、図1〜21及び23を参照して説明する。なお、図1及び23は主要な構造を模式的に表す平面図であり、一部の構造は省略している。また、図2〜21において、A図は図1及び23のA−A’断面、B図は図1のB−B’断面に対応する図面である。
(First embodiment)
The present embodiment relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a DRAM (Dynamic Random Access Memory), which will be described with reference to FIGS. 1 and 23 are plan views schematically showing the main structure, and a part of the structure is omitted. 2 to 21, the A diagram corresponds to the AA ′ section of FIGS. 1 and 23, and the B diagram corresponds to the BB ′ section of FIG. 1.

まず、図2に示すように、半導体基板50の周辺回路領域X及びメモリセル領域Yにそれぞれ、STI(Shallow Trench Isolation)法により、深さ250nmの素子分離領域2を形成し、メモリセル領域X及び周辺回路領域Yにそれぞれ、素子分離領域2で区画された活性領域32、32’を設ける。活性領域32、32’に設けるトランジスタの性能調整用に、p型不純物となるボロン(B)やn型不純物となるリン(P)や砒素(As)を、活性領域32、32’内に必要な濃度、必要な深さに注入する。   First, as shown in FIG. 2, an element isolation region 2 having a depth of 250 nm is formed in the peripheral circuit region X and the memory cell region Y of the semiconductor substrate 50 by the STI (Shallow Trench Isolation) method, respectively, and the memory cell region X In addition, active regions 32 and 32 'partitioned by the element isolation region 2 are provided in the peripheral circuit region Y, respectively. Boron (B), which is a p-type impurity, phosphorus (P), and arsenic (As), which are n-type impurities, are required in the active regions 32 and 32 ′ for performance adjustment of transistors provided in the active regions 32 and 32 ′. Inject at the required concentration and depth.

なお、活性領域32、32’ごとに不純物の注入領域を切り替える場合、注入領域の切り替えは、目的の不純物を注入したい活性領域上に開口を有するフォトレジスト(図示していない)のパターンを設ける工程と、目的の不純物を注入する工程と、フォトレジストのパターンを除去する工程を繰り返すことにより行う。不純物の注入後は、N2雰囲気中で1000℃、10sのアニールを行い、不純物を活性化させる。 When the impurity implantation region is switched for each of the active regions 32 and 32 ′, the implantation region is switched by a step of providing a pattern of a photoresist (not shown) having an opening on the active region where the target impurity is to be implanted. Then, the step of injecting the target impurity and the step of removing the photoresist pattern are repeated. After the impurity implantation, annealing is performed at 1000 ° C. for 10 seconds in an N 2 atmosphere to activate the impurity.

図3に示すように、活性領域32、32’内への不純物の注入を終えた後、熱酸化により、半導体基板50の表面にシリコン酸化膜を形成する。その後、ゲート電極からのボロン(B)漏れを防ぐために、シリコン酸化膜中に窒素をドーピングする処理を行いシリコン酸窒化膜24とする。この際、周辺回路領域Xのシリコン酸窒化膜24は、後の工程で周辺回路領域Xのゲート酸化膜となる。半導体基板50の全面に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によってポリシリコン膜29を成膜する。ポリシリコン膜29は、不純物を導入しないノンドープ状態で20nm程度、成膜する。   As shown in FIG. 3, after completing the implantation of impurities into the active regions 32 and 32 ', a silicon oxide film is formed on the surface of the semiconductor substrate 50 by thermal oxidation. Thereafter, in order to prevent boron (B) leakage from the gate electrode, the silicon oxide film is doped with nitrogen to form the silicon oxynitride film 24. At this time, the silicon oxynitride film 24 in the peripheral circuit region X becomes a gate oxide film in the peripheral circuit region X in a later step. A polysilicon film 29 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 50 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The polysilicon film 29 is formed to a thickness of about 20 nm in a non-doped state without introducing impurities.

図4に示すように、ポリシリコン膜29の成膜後、周辺回路領域Xを覆うフォトレジスト(図示していない)を形成し、メモリセル領域Yの活性領域32にp型不純物となるボロン(B)やインジウム(In)イオン注入する。この際、活性領域32内の不純物濃度は低濃度とし、1×1018atoms/cm3を超えないようにする。さらに、メモリセル領域Yの活性領域32表面にソース及びドレイン領域4を形成する。ソース及びドレイン領域4は、活性領域32内に不純物としてリン(P)や砒素(As)を注入することにより、不純物濃度が1×1018atoms/cm3となるように形成する。ソース及びドレイン領域4は、後の工程で埋め込みゲート型MOSトランジスタのソース及びドレイン領域となり、それぞれ容量コンタクトプラグ34及びビット線25が接続される。 As shown in FIG. 4, after the formation of the polysilicon film 29, a photoresist (not shown) covering the peripheral circuit region X is formed, and boron (p-type impurity) is formed in the active region 32 of the memory cell region Y. B) or indium (In) ions are implanted. At this time, the impurity concentration in the active region 32 is set to a low concentration so as not to exceed 1 × 10 18 atoms / cm 3 . Further, the source and drain regions 4 are formed on the surface of the active region 32 in the memory cell region Y. The source and drain regions 4 are formed to have an impurity concentration of 1 × 10 18 atoms / cm 3 by implanting phosphorus (P) or arsenic (As) as impurities into the active region 32. The source and drain regions 4 will be the source and drain regions of the buried gate type MOS transistor in a later step, and the capacitor contact plug 34 and the bit line 25 are connected thereto, respectively.

活性領域32内への不純物の注入後、上記フォトレジストをマスクとしてドライエッチング技術を用いることにより、メモリセル領域Yのポリシリコン膜29を除去する。その後、N2雰囲気中で1000℃、10sのアニールを行い、不純物を活性化させる。さらに、CVD法を用いて、ハードマスク41を60nm程度形成する。ハードマスク41としては例えば、シリコン窒化膜を挙げることができる。次に、リソグラフィー技術を使用することにより、周辺回路領域Xの全体を覆うと共に、メモリセル領域Y上にライン/スペースパターンを有するフォトレジストパターン(図示していない)を形成する。フォトレジストは、活性領域32の長手方向を横切るラインパターンで構成される。本実施例では、フォトレジストのスペースの幅を50nmとする。 After the impurity is implanted into the active region 32, the polysilicon film 29 in the memory cell region Y is removed by using a dry etching technique using the photoresist as a mask. Thereafter, annealing is performed at 1000 ° C. for 10 s in an N 2 atmosphere to activate the impurities. Further, a hard mask 41 is formed to a thickness of about 60 nm using a CVD method. An example of the hard mask 41 is a silicon nitride film. Next, by using a lithography technique, a photoresist pattern (not shown) having a line / space pattern is formed on the memory cell region Y while covering the entire peripheral circuit region X. The photoresist is composed of a line pattern that crosses the longitudinal direction of the active region 32. In this embodiment, the width of the photoresist space is 50 nm.

メモリセル領域Yにおいて、ドライエッチング法によりフォトレジストパターンをハードマスクに転写してハードマスクパターン41を形成した後、このハードマスクパターン41を用いて、複数の素子分離領域2および複数の活性領域32を跨いで連通するトレンチ40を形成する。トレンチ40は幅50nm、深さ150nmとなるように形成する。この際、フォトレジストも除去される。本実施例ではトレンチ40の幅が25〜60nmとなるように形成することが好ましい。25nmより小さくなると、後の工程でトレンチ40内にタングステンを形成する空間を確保できなくなり、60nmより大きくなると半導体装置としての特性が、トレンチ40内に埋め込まれたタングステンの抵抗に依存しなくなるからである。また、トレンチ40の深さが100〜200nmとなるように形成することが好ましい。100nmより小さくなると、後の工程でタングステンの上に形成するキャップ絶縁膜23の形成空間が確保できなくなり、200nmより大きくなると素子分離領域2の深さと同等になって素子分離特性が悪化するからである。   In the memory cell region Y, a photoresist pattern is transferred to a hard mask by a dry etching method to form a hard mask pattern 41. After that, the hard mask pattern 41 is used to form a plurality of element isolation regions 2 and a plurality of active regions 32. A trench 40 is formed to communicate with each other. The trench 40 is formed to have a width of 50 nm and a depth of 150 nm. At this time, the photoresist is also removed. In this embodiment, it is preferable to form the trench 40 so that the width is 25 to 60 nm. If the thickness is smaller than 25 nm, a space for forming tungsten in the trench 40 cannot be secured in a later process. If the thickness is larger than 60 nm, the characteristics of the semiconductor device do not depend on the resistance of tungsten embedded in the trench 40. is there. Moreover, it is preferable to form so that the depth of the trench 40 may be 100-200 nm. If the thickness is smaller than 100 nm, a space for forming the cap insulating film 23 to be formed on tungsten in a later process cannot be secured, and if the thickness is larger than 200 nm, the depth becomes equal to the depth of the element isolation region 2 and the element isolation characteristics deteriorate. is there.

図5に示すように、トレンチ40の内面として露出した半導体基板50の表面を熱酸化することにより、トレンチ40の内面にシリコン酸化膜からなる厚さ5nm程度のセルゲート酸化膜45aを形成する。その後、CVD法により半導体基板50の全面に、厚さ5nmの窒化チタン膜からなるバリア膜45bを形成する。続いて、SFD(Sequential Flow Deposition)法により半導体基板50の全面に、トレンチ40が完全に埋設できる膜厚でタングステン膜45cを形成する。SFD法では、最初の核形成工程において、原料ガスと還元ガスを交互に供給する工程からなるサイクルを1回以上、行うALD法により結晶核を形成する。この後、連続して行なう膜形成工程において、原料ガスと還元ガスを同時に供給するCVD法により、結晶核を種にして結晶成長を行わせタングステン膜45cを形成する。具体的には、下記工程(1)〜(4)が核形成工程、下記工程(5)が膜形成工程に相当する。タングステン膜45cの所望の膜厚に応じて、SFD法のサイクル数およびその他の条件を決定する。   As shown in FIG. 5, the surface of the semiconductor substrate 50 exposed as the inner surface of the trench 40 is thermally oxidized to form a cell gate oxide film 45 a made of a silicon oxide film having a thickness of about 5 nm on the inner surface of the trench 40. Thereafter, a barrier film 45b made of a titanium nitride film having a thickness of 5 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 50 by a CVD method. Subsequently, a tungsten film 45c is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 50 by a SFD (Sequential Flow Deposition) method with a film thickness that allows the trench 40 to be completely buried. In the SFD method, crystal nuclei are formed by an ALD method in which, in the first nucleation step, a cycle including a step of alternately supplying a source gas and a reducing gas is performed one or more times. Thereafter, in a film forming process performed continuously, a tungsten film 45c is formed by performing crystal growth using a crystal nucleus as a seed by a CVD method in which a source gas and a reducing gas are simultaneously supplied. Specifically, the following steps (1) to (4) correspond to a nucleation step, and the following step (5) corresponds to a film formation step. The number of cycles of the SFD method and other conditions are determined according to the desired film thickness of the tungsten film 45c.

(1)フッ化タングステン(WF6)ガスを供給することにより、バリア膜45bの表面にタングステン原料を吸着させる工程、
(2)フッ化タングステン(WF6)ガスをパージする工程、
(3)モノシラン(SiH4)ガスを供給することにより、バリア膜45bの表面に吸着しているタングステン原料を還元してタングステンの結晶核を形成する工程、
(4)モノシラン(SiH4)ガスをパージする工程、
(5)フッ化タングステン(WF6)ガス及び水素ガスを同時に供給することにより、タングステン膜45cを成膜する工程。
(1) A step of adsorbing a tungsten raw material on the surface of the barrier film 45b by supplying a tungsten fluoride (WF 6 ) gas;
(2) purging tungsten fluoride (WF 6 ) gas;
(3) a step of reducing tungsten raw material adsorbed on the surface of the barrier film 45b by supplying monosilane (SiH 4 ) gas to form tungsten crystal nuclei;
(4) purging monosilane (SiH 4 ) gas;
(5) A step of forming a tungsten film 45c by simultaneously supplying tungsten fluoride (WF 6 ) gas and hydrogen gas.

本実施例では、上記工程(1)〜(4)のサイクルを5サイクル、行ってタングステン核を形成した後、工程(5)でタングステン膜45cの形成を行い、合計で60nmのタングステン膜45cを成膜した。SFD法はステップカバレッジに優れるため、トレンチ40のような高アスペクト(深さ/幅)比のトレンチ内を完全にタングステン膜45cで埋め込むことができる。好ましくは、SFD法により、アスペクト比が10以下のトレンチ40内にタングステン膜45cを形成するのが良い。本実施例ではトレンチ40の幅が50nmで深さを150nmとしている。タングステン膜45cの形成前に厚さ5nmのゲート酸化膜45aと厚さ5nmのバリア膜45bを形成しているので、残された空間の幅は約30nmで深さが約140nmとなる。したがって、アスペクト比は約4.7となる。   In this example, after the tungsten nuclei were formed by performing five cycles of the above steps (1) to (4), the tungsten film 45c was formed in the step (5), and the tungsten film 45c having a total thickness of 60 nm was formed. A film was formed. Since the SFD method is excellent in step coverage, a trench having a high aspect ratio (depth / width) such as the trench 40 can be completely filled with the tungsten film 45c. Preferably, the tungsten film 45c is formed in the trench 40 having an aspect ratio of 10 or less by the SFD method. In this embodiment, the width of the trench 40 is 50 nm and the depth is 150 nm. Since the gate oxide film 45a having a thickness of 5 nm and the barrier film 45b having a thickness of 5 nm are formed before the formation of the tungsten film 45c, the remaining space has a width of about 30 nm and a depth of about 140 nm. Therefore, the aspect ratio is about 4.7.

次に、タングステン膜45c及びバリア膜45bのエッチバックを行う。このエッチバックは、塩素含有プラズマを用いたドライエッチング法により行う。このエッチバックでは、エッチバックされたバリア膜45bおよびタングステン膜45cの上面が半導体基板50の上面よりも60nm下がった位置となるように形成する。これにより、トレンチ40内にはセルゲート酸化膜45aが残留すると共に、埋め込まれたタングステン膜45c及びバリア膜45bも残留し、埋め込みゲート電極20を形成する。埋め込みゲート電極20はDRAMにおいてはワード配線を構成している。この場合、ワード配線20は、トレンチ40の内面に沿ってセルゲート酸化膜45aを介して形成されるバリア膜45bと、バリア膜45bの内部に埋め込まれるタングステン膜45cで構成される。また、ワード配線20は、タングステン膜45cの上面およびバリア膜45bの二つの上面に接するキャップ絶縁膜23(次工程で形成される)を有する構成となる。   Next, the tungsten film 45c and the barrier film 45b are etched back. This etch back is performed by a dry etching method using chlorine-containing plasma. In this etch back, the upper surfaces of the etched back barrier film 45b and tungsten film 45c are formed so as to be 60 nm lower than the upper surface of the semiconductor substrate 50. As a result, the cell gate oxide film 45a remains in the trench 40, and the buried tungsten film 45c and barrier film 45b also remain, thereby forming the buried gate electrode 20. The buried gate electrode 20 forms a word wiring in the DRAM. In this case, the word line 20 includes a barrier film 45b formed along the inner surface of the trench 40 via the cell gate oxide film 45a, and a tungsten film 45c embedded in the barrier film 45b. In addition, the word wiring 20 has a configuration including a cap insulating film 23 (formed in the next step) in contact with the upper surface of the tungsten film 45c and the two upper surfaces of the barrier film 45b.

CVD法により、ハードマスク40上の全面にワード配線20の酸化防止を目的としたシリコン窒化膜21aを10nm程度形成する。この後、半導体基板50上の全面に、ボロンとリンを多く含み、高温でリフローするシリコン酸化膜であるBPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass)膜21bを500nm程度、成膜する。さらに、N2雰囲気中で800℃、10分の熱処理を行い、ワード配線20の上面を埋める。上記シリコン窒化膜21aをストッパに用いたCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を行い、BPSG膜21bの表面を平坦化した後、ドライエッチング技術とウェットエッチング技術を組み合わせて、上記シリコン窒化膜21aとハードマスク41を除去する。より具体的に説明すると、半導体基板50の表面にはハードマスク41と上記シリコン窒化膜21aが合計で70nm程度、存在する。このため、まず、ドライエッチング技術を用いて、シリコン窒化膜21a及び41を半分程度の膜厚までエッチバックする。それから、熱リン酸を用いたウェットエッチング技術により、半導体基板50の表面上のシリコン窒化膜21a及び41を時間調整しつつ、除去する。これにより、図5に示されるシリコン窒化膜21aとBPSG膜21bの積層膜であるキャップ絶縁膜23を形成する。 A silicon nitride film 21a for the purpose of preventing the oxidation of the word wiring 20 is formed on the entire surface of the hard mask 40 by CVD so as to have a thickness of about 10 nm. Thereafter, a BPSG (Boron Phosphorus Silicon Glass) film 21b, which is a silicon oxide film containing a large amount of boron and phosphorus and reflowing at a high temperature, is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 50 to a thickness of about 500 nm. Further, heat treatment is performed at 800 ° C. for 10 minutes in an N 2 atmosphere to fill the upper surface of the word wiring 20. After performing CMP (Chemical Mechanical Polishing) using the silicon nitride film 21a as a stopper to planarize the surface of the BPSG film 21b, the silicon nitride film 21a and the hard mask are combined with a dry etching technique and a wet etching technique. 41 is removed. More specifically, the hard mask 41 and the silicon nitride film 21a are present on the surface of the semiconductor substrate 50 in a total of about 70 nm. Therefore, first, the silicon nitride films 21a and 41 are etched back to about half the film thickness using a dry etching technique. Then, the silicon nitride films 21a and 41 on the surface of the semiconductor substrate 50 are removed while adjusting the time by a wet etching technique using hot phosphoric acid. Thereby, the cap insulating film 23 which is a laminated film of the silicon nitride film 21a and the BPSG film 21b shown in FIG. 5 is formed.

以上により、メモリセル領域Yにおいて、一つの活性領域32内に埋め込み型のゲート電極20を有するMOSトランジスタTrを完成させる。MOSトランジスタTrは、セルゲート酸化膜45a、窒化チタン膜45b及びタングステン膜45cからなる埋め込みゲート電極20、ソース及びドレイン4a(第2の不純物拡散層)及び4b(第1の不純物拡散層)で構成される。なお、本実施例中では、1つの活性領域に2つのMOSトランジスタTrが形成され、2つのトランジスタTrの間でソース領域4bが共有化されている。なお、バイアス印加状態が逆転すればソース領域とドレイン領域は入れ替わることとなる。   As described above, in the memory cell region Y, the MOS transistor Tr having the embedded gate electrode 20 in one active region 32 is completed. The MOS transistor Tr is composed of a buried gate electrode 20 composed of a cell gate oxide film 45a, a titanium nitride film 45b and a tungsten film 45c, and a source and drain 4a (second impurity diffusion layer) and 4b (first impurity diffusion layer). The In this embodiment, two MOS transistors Tr are formed in one active region, and the source region 4b is shared between the two transistors Tr. Note that if the bias application state is reversed, the source region and the drain region are interchanged.

図6に示すように、CVD法により、半導体基板50上の全面にシリコン酸化膜31を30nm程度、形成する。   As shown in FIG. 6, a silicon oxide film 31 is formed to a thickness of about 30 nm on the entire surface of the semiconductor substrate 50 by the CVD method.

図7に示すように、メモリセル領域Yの全体を覆い、周辺回路領域Xを開孔するフォトレジスト(図示していない)を形成する。その後、フォトレジストをマスクとして用いたドライエッチング技術により、周辺回路領域Xのシリコン酸化膜31を除去する。この後、フォトレジストを除去する。   As shown in FIG. 7, a photoresist (not shown) that covers the entire memory cell region Y and opens the peripheral circuit region X is formed. Thereafter, the silicon oxide film 31 in the peripheral circuit region X is removed by a dry etching technique using a photoresist as a mask. Thereafter, the photoresist is removed.

次いで、周辺回路領域Xの全体を覆うと共に、メモリセル領域Y上にパターンを有するフォトレジスト(図示していない)を形成する。このパターンはソース領域(第1の不純物拡散層)4bを露出させるように、複数の活性領域32を跨ぐ直線パターンで形成される。フォトレジストをマスクに用いたエッチングにより、シリコン酸化膜31の一部を除去して、半導体基板50の表面を露出させる。この後、フォトレジストを除去する。半導体基板50の表面を露出させたこの孔をビットコンタクト孔19と呼ぶ。   Next, a photoresist (not shown) having a pattern is formed on the memory cell region Y while covering the entire peripheral circuit region X. This pattern is formed in a linear pattern across a plurality of active regions 32 so as to expose the source region (first impurity diffusion layer) 4b. A part of the silicon oxide film 31 is removed by etching using a photoresist as a mask to expose the surface of the semiconductor substrate 50. Thereafter, the photoresist is removed. This hole in which the surface of the semiconductor substrate 50 is exposed is referred to as a bit contact hole 19.

図8に示すように、半導体基板50の全面に順にCVD法により、厚さ50nmのノンドープのポリシリコン膜43を成膜する。この際、周辺回路領域Xでは予めノンドープのポリシリコン膜29が形成されているため、ポリシリコン膜43と合計して、メモリセル領域Yよりも厚い膜厚のポリシリコン膜29、43が形成される。次に、CMP処理等により、ポリシリコン膜43の平坦化を行う。リソグラフィー技術を使用して、周辺回路領域Xにおいて、PチャネルMOSトランジスタ及びNチャネルMOSトランジスタのゲート電極の一部となるポリシリコン膜29、43中にそれぞれ、リン(P)及びボロン(B)等の不純物を注入する。この時、同時にメモリセル領域Yにおいてビット線の一部となるポリシリコン膜43中にも不純物を注入する。不純物の注入後、N2雰囲気中で活性化アニールを行った後、合計厚さ40nmのタングステン積層膜33を成膜する。タングステン積層膜33は、タングステンシリサイド(WSi)、窒化タングステン膜(WN)、タングステン(W)を順次、積層することにより形成する。 As shown in FIG. 8, a non-doped polysilicon film 43 having a thickness of 50 nm is sequentially formed on the entire surface of the semiconductor substrate 50 by CVD. At this time, since the non-doped polysilicon film 29 is formed in advance in the peripheral circuit region X, the polysilicon films 29 and 43 having a thickness larger than that of the memory cell region Y in total with the polysilicon film 43 are formed. The Next, the polysilicon film 43 is planarized by CMP processing or the like. Using the lithography technique, phosphorus (P), boron (B), etc. are respectively formed in the polysilicon films 29 and 43 that are part of the gate electrodes of the P channel MOS transistor and the N channel MOS transistor in the peripheral circuit region X. Implant impurities. At this time, impurities are also implanted into the polysilicon film 43 that becomes a part of the bit line in the memory cell region Y. After the impurity implantation, activation annealing is performed in an N 2 atmosphere, and then a tungsten laminated film 33 having a total thickness of 40 nm is formed. The tungsten stacked film 33 is formed by sequentially stacking tungsten silicide (WSi), tungsten nitride film (WN), and tungsten (W).

さらに、厚さ160nmのシリコン窒化膜27(以下、膜43、33、27を積層したものを「積層体」と記載する場合がある)を形成する。なお、ポリシリコン膜43とタングステン膜の間のバリア膜として、窒化タングステン膜の代わりに窒化チタン膜を形成しても良い。   Further, a silicon nitride film 27 having a thickness of 160 nm (hereinafter, a film in which films 43, 33, and 27 are stacked may be referred to as a “stacked body”) is formed. As a barrier film between the polysilicon film 43 and the tungsten film, a titanium nitride film may be formed instead of the tungsten nitride film.

図9に示すように、ポリシリコン膜29及び積層体に対してリソグラフィ技術を利用したエッチングを行うことにより、メモリセル領域Yに積層体からなるビット線25を形成する。この時、同時に周辺回路領域Xでは、ポリシリコン膜29及び積層体からなるプレナー型のMOSトランジスタ用のゲート電極26が形成される。また、この時、ソース領域4bに接続されるビットコンタクトプラグ19'も同時に形成される。本実施例では、ビット線25の、埋め込みゲート電極延在方向の幅は50nmとしている。   As shown in FIG. 9, the polysilicon film 29 and the stacked body are etched using a lithography technique to form the bit line 25 made of the stacked body in the memory cell region Y. At the same time, in the peripheral circuit region X, a polysilicon film 29 and a gate electrode 26 for a planar type MOS transistor made of a laminate are formed. At this time, a bit contact plug 19 ′ connected to the source region 4b is also formed at the same time. In this embodiment, the width of the bit line 25 in the extending direction of the buried gate electrode is 50 nm.

全面にシリコン窒化膜を形成した後、ドライエッチング法によりエッチバックする。これにより、ビット線25およびゲート電極26の側壁にサイドウォール44を形成する。メモリセル領域Yをフォトレジスト(図示していない)で覆った状態で、周辺回路領域Xにリンやヒ素などのn型不純物のイオン注入を行うことにより、ゲート電極26の両側に位置する半導体基板の領域にソース及びドレイン領域28を形成する。これにより、プレナー型のMOSトランジスタを完成させる。この後、メモリセル領域Y上に形成したフォトレジストを除去する。   A silicon nitride film is formed on the entire surface, and then etched back by a dry etching method. As a result, sidewalls 44 are formed on the sidewalls of the bit line 25 and the gate electrode 26. A semiconductor substrate located on both sides of the gate electrode 26 by ion implantation of n-type impurities such as phosphorus and arsenic into the peripheral circuit region X in a state where the memory cell region Y is covered with a photoresist (not shown). The source and drain regions 28 are formed in the regions. Thus, a planar type MOS transistor is completed. Thereafter, the photoresist formed on the memory cell region Y is removed.

図10に示すように、半導体基板50の全面に厚さ400nmの第1の層間絶縁膜5を形成する。その後、シリコン窒化膜27をストッパに用いたCMP法により第1の層間絶縁膜5の表面を平坦化する。リソグラフィー技術とドライエッチング技術を利用して、メモリセル領域Yの第1の層間絶縁膜5とシリコン酸窒化膜24を貫通してドレイン領域4aへ達する容量コンタクトホール37aを形成する。容量コンタクトホール37aの形成後、フォトレジストを除去する。容量コンタクトホール37aの直径は50nmとする。   As shown in FIG. 10, a first interlayer insulating film 5 having a thickness of 400 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 50. Thereafter, the surface of the first interlayer insulating film 5 is planarized by a CMP method using the silicon nitride film 27 as a stopper. Using the lithography technique and the dry etching technique, a capacitor contact hole 37a that penetrates the first interlayer insulating film 5 and the silicon oxynitride film 24 in the memory cell region Y and reaches the drain region 4a is formed. After the formation of the capacitor contact hole 37a, the photoresist is removed. The diameter of the capacitor contact hole 37a is 50 nm.

半導体基板50上の全面にCVD法により、容量コンタクトホール37aが完全に埋設されるように、1×1020atoms/cm3のリンを含有するシリコン膜36を形成する。次に、ドライエッチング法により、シリコン膜36をエッチバックして、容量コンタクトホール37a内の底から80nm程度、残留させる。なお、ノンドープのシリコン膜で形成した後に、イオン注入法によりシリコン膜中に不純物を導入しても良い。また、選択エピタキシャル成長法により形成することもできる。 A silicon film 36 containing phosphorus of 1 × 10 20 atoms / cm 3 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 50 by CVD so that the capacitor contact hole 37a is completely buried. Next, the silicon film 36 is etched back by dry etching to leave about 80 nm from the bottom in the capacitor contact hole 37a. Note that after the non-doped silicon film is formed, impurities may be introduced into the silicon film by an ion implantation method. It can also be formed by selective epitaxial growth.

次に、リソグラフィー技術とドライエッチング技術を利用して、周辺回路領域Xに第1の層間絶縁膜5とゲート絶縁膜24を貫通してソース及びドレイン領域28へ達する周辺コンタクトホール37bを形成する。容量コンタクトホール37aと周辺コンタクトホール37bの形成後、全面にバリア膜としてチタン膜(Ti)と窒化チタン膜(TiN)を順次、成膜後、CVD法によりタングステン膜(W)を成膜する。なお、図10以降の図面では、チタン膜(Ti)、窒化チタン膜(TiN)及びタングステン膜(W)の境界を示さず、これらの膜をまとめてタングステン積層膜38として示す。タングステン積層膜38を成膜後、CMP法を用いて、第1の層間絶縁膜5の表面上のタングステン積層膜38を除去した後、第1の層間絶縁膜5とシリコン窒化膜27の一部を研削する。この研磨では、シリコン窒化膜27は50nm程度、残る条件に設定する。これにより、タングステン積層膜の埋め込まれた周辺コンタクトプラグ7と、シリコン膜とタングステン積層膜の埋め込まれた容量コンタクトプラグ34を形成する。   Next, a peripheral contact hole 37b that penetrates the first interlayer insulating film 5 and the gate insulating film 24 and reaches the source and drain regions 28 is formed in the peripheral circuit region X by using a lithography technique and a dry etching technique. After the capacitor contact hole 37a and the peripheral contact hole 37b are formed, a titanium film (Ti) and a titanium nitride film (TiN) are sequentially formed as a barrier film on the entire surface, and then a tungsten film (W) is formed by a CVD method. 10 and the subsequent drawings, the boundaries of the titanium film (Ti), the titanium nitride film (TiN), and the tungsten film (W) are not shown, and these films are collectively shown as a tungsten laminated film 38. After the tungsten laminated film 38 is formed, the tungsten laminated film 38 on the surface of the first interlayer insulating film 5 is removed by CMP, and then a part of the first interlayer insulating film 5 and the silicon nitride film 27 is formed. Grind. In this polishing, the silicon nitride film 27 is set to a remaining condition of about 50 nm. Thus, the peripheral contact plug 7 embedded with the tungsten multilayer film and the capacitive contact plug 34 embedded with the silicon film and the tungsten multilayer film are formed.

図11に示すように、スパッタ法により、第1の層間絶縁膜5上にタングステン膜を形成した後、周辺回路領域Xの配線形成部分及びメモリセル領域Yのコンタクトパッド形成部分にフォトレジスト(図示していない)を形成する。フォトレジストをマスクに用いてタングステン膜のエッチングを行うことにより、メモリセル領域Yのドレイン領域4aに接続されたコンタクトプラグ34上にコンタクトパッド8b、周辺回路領域Xのソース及びドレイン領域28に接続されたコンタクトプラグ7上に配線層8aを形成する。このようにコンタクトパッド8bを形成することにより、シリコン膜上に下部電極を形成する場合と比べて、その上に形成する下部電極とのコンタクト抵抗を低減することができる。次に、第1の層間絶縁膜5上、配線層8aおよびコンタクトパッド8b上の全面に、ALD法を用いてシリコン窒化膜9を形成する。なお、装置の構成によってはコンタクトパッド8bを設けず、直接、容量コンタクトプラグ34上部のタングステン膜、または、タングステン膜からなるコンタクトプラグ34を形成し、タングステン膜上に直接、下部電極(後の工程で形成する)を形成しても良い。   As shown in FIG. 11, after a tungsten film is formed on the first interlayer insulating film 5 by sputtering, a photoresist (FIG. 11) is formed on the wiring formation portion in the peripheral circuit region X and the contact pad formation portion in the memory cell region Y. (Not shown). Etching the tungsten film using a photoresist as a mask connects the contact pad 8b and the source and drain regions 28 of the peripheral circuit region X on the contact plug 34 connected to the drain region 4a of the memory cell region Y. A wiring layer 8 a is formed on the contact plug 7. By forming the contact pad 8b in this way, the contact resistance with the lower electrode formed thereon can be reduced as compared with the case where the lower electrode is formed on the silicon film. Next, a silicon nitride film 9 is formed on the entire surface of the first interlayer insulating film 5 and on the wiring layer 8a and the contact pad 8b by using the ALD method. Depending on the configuration of the device, the contact pad 8b is not provided, and the tungsten film on the capacitor contact plug 34 or the contact plug 34 made of a tungsten film is directly formed, and the lower electrode (later process) is directly formed on the tungsten film. May be formed).

図12に示すように、シリコン窒化膜9上に、BPSG膜10aと、TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)を原料ガスに用いたプラズマCVD法によりシリコン酸化膜10bを順次、形成する。BPSG膜10aとシリコン膜酸化10bを成膜した後、CMP法によりこれらの膜10a及び10bの平坦化を行う。次に、ALD法により、シリコン酸化膜10b上にシリコン窒化膜11を形成する。シリコン窒化膜11は、後の工程で形成するキャパシタの下部電極の倒壊を防ぐサポート膜として機能する。   As shown in FIG. 12, a BPSG film 10a and a silicon oxide film 10b are sequentially formed on the silicon nitride film 9 by plasma CVD using TEOS (Tetra Ethyl Ortho Silicate) as a source gas. After forming the BPSG film 10a and the silicon film oxide 10b, the films 10a and 10b are planarized by the CMP method. Next, a silicon nitride film 11 is formed on the silicon oxide film 10b by ALD. The silicon nitride film 11 functions as a support film that prevents the lower electrode of the capacitor to be formed in a later process from collapsing.

図13に示すように、メモリセル領域Yにキャパシタ用の開口、周辺回路領域Xとメモリセル領域Yの境界にガードリング用の開口を有するフォトレジスト(図示していない)を形成する。フォトレジストをマスクに用いて絶縁膜11、10b、10a及び9をドライエッチングする。これにより、メモリセル領域Yにはキャパシタホール12aが形成され、その底面にコンタクトパッド8bが露出する。周辺回路領域Xとメモリセル領域Yの境界にはガードリング用トレンチ12bが形成される。キャパシタホール12aは断面が略円形となる円筒状であり、ガードリング用トレンチ12bはメモリセル領域Yを四角状に囲むように形成される。この際、キャパシタホール12aは、高アスペクト比であるため、深さ方向の中央部で断面径が大きく、頂部と底部で断面径が小さくなるボーイング形状となる。   As shown in FIG. 13, a photoresist (not shown) having a capacitor opening in the memory cell region Y and a guard ring opening at the boundary between the peripheral circuit region X and the memory cell region Y is formed. The insulating films 11, 10b, 10a and 9 are dry-etched using a photoresist as a mask. As a result, a capacitor hole 12a is formed in the memory cell region Y, and the contact pad 8b is exposed on the bottom surface thereof. A guard ring trench 12b is formed at the boundary between the peripheral circuit region X and the memory cell region Y. The capacitor hole 12a has a cylindrical shape with a substantially circular cross section, and the guard ring trench 12b is formed so as to surround the memory cell region Y in a square shape. At this time, since the capacitor hole 12a has a high aspect ratio, the capacitor hole 12a has a bow shape with a large cross-sectional diameter at the center in the depth direction and a small cross-sectional diameter at the top and bottom.

図14に示すように、ドライエッチ後の洗浄を兼ねてBPSG膜10aとシリコン酸化膜10bのウェットエッチングを行う。これにより、キャパシタホール12aにおいて、深さ方向の中央部と、頂部及び底部との断面径の差を小さくして、ボーイング形状をストレート形状に近づける。このようにキャパシタホール12aをストレート形状に近づけることで、後の工程で形成するキャパシタの容量Csを増大させることができる。すなわち、層間絶縁膜10aはBPSG膜、層間絶縁膜10bはTEOS膜としたため、層間絶縁膜10aは10bに対して、図14の工程でのエッチングレートが大きくなるように成膜することが出来る。これにより、キャパシタホール12aをボーイング形状からストレート形状に近づけることが可能となる。ウェットエッチングの薬液としては、希釈フッ酸(HF)やアンモニア水(NH4OH)を使用する。 As shown in FIG. 14, the BPSG film 10a and the silicon oxide film 10b are wet-etched also for cleaning after dry etching. Thereby, in the capacitor hole 12a, the difference in cross-sectional diameter between the central portion in the depth direction, the top portion, and the bottom portion is reduced, and the bowing shape is brought closer to a straight shape. Thus, by making the capacitor hole 12a close to a straight shape, it is possible to increase the capacitance C s of the capacitor formed in a later process. That is, since the interlayer insulating film 10a is a BPSG film and the interlayer insulating film 10b is a TEOS film, the interlayer insulating film 10a can be formed on the 10b so as to increase the etching rate in the step of FIG. As a result, the capacitor hole 12a can be made closer to the straight shape from the bowing shape. Diluted hydrofluoric acid (HF) or ammonia water (NH 4 OH) is used as a chemical solution for wet etching.

図15に示すように全面に、CVD法によりチタン膜を成膜する。直後にアンモニア(NH3)ガスを用いたプラズマ窒化を行い、チタン膜を窒化チタン膜へ変換する。更に、その上にSFD(Sequentianl Flow Deposition)法により、窒化チタン膜を形成する。このSFD法では、TiCl4ガスと、アンモニア(NH3)ガスを交互に供給することにより、原料層の堆積と窒化を行う。これにより合計で窒化チタン13を15nm程度、成膜する。上記のSFD法は、CVD法よりも段差被覆性(カバレッジ)に優れるため、キャパシタホール12aのような高アスペクト比のホールであっても、その内壁上にまで窒化チタン膜13を形成することができる。 As shown in FIG. 15, a titanium film is formed on the entire surface by CVD. Immediately thereafter, plasma nitridation using ammonia (NH 3 ) gas is performed to convert the titanium film into a titanium nitride film. Further, a titanium nitride film is formed thereon by SFD (Sequential Flow Deposition) method. In this SFD method, TiCl 4 gas and ammonia (NH 3 ) gas are alternately supplied to deposit and nitride the raw material layer. As a result, a total of about 15 nm of titanium nitride 13 is formed. Since the above SFD method is superior in step coverage (coverage) than the CVD method, the titanium nitride film 13 can be formed even on the inner wall of a high aspect ratio hole such as the capacitor hole 12a. it can.

なお、微細化とコンテクト抵抗の低減を両立させる観点から、下部電極13(窒化チタン膜)とコンタクトパッド8b(タングステン膜)の接触面積≦{(下部電極13の膜厚)×3}2であることが好ましい。また、下記表1に、各プロセスで使用する下部電極13(窒化チタン膜)の寸法を示す。 From the viewpoint of achieving both miniaturization and reduction of the context resistance, the contact area of the lower electrode 13 (titanium nitride film) and the contact pad 8b (tungsten film) ≦ {(film thickness of the lower electrode 13) × 3} 2 . It is preferable. Table 1 below shows the dimensions of the lower electrode 13 (titanium nitride film) used in each process.

表1に示すように、微細化が進展して各部の寸法が小さくなると、タングステン膜のコンタクトパッド8b又はコンタクトプラグと下部電極13の接触面積が小さくなり、コンタクト抵抗の増大が顕著となる。しかし、本実施例では、このように微細化が進展した場合であっても、後述するように、酸化雰囲気下での熱処理により下部電極13上に、後述する酸化チタン膜35を形成し、この酸化チタン膜35は容量絶縁膜14形成時の酸素のバリアとして機能する。このため、容量絶縁膜14からの酸素の拡散によりタングステン膜8bに悪影響を及ぼして、タングステン膜8bと下部電極13間のコンタクト抵抗が増加することを防止できる。この結果、装置特性が優れた半導体装置を提供することができる。また、歩留まりを向上させることができる。表1に示すように、本実施例では、下部電極13の径が60nm以下、下部電極13の高さが1.6μm以下、下部電極13の膜厚が15nm以下の場合に、コンタクト抵抗の増加を防止する効果が特に顕著に表れる。   As shown in Table 1, as the miniaturization progresses and the size of each part decreases, the contact area between the contact pad 8b or contact plug of the tungsten film and the lower electrode 13 decreases, and the increase in contact resistance becomes significant. However, in this embodiment, even when the miniaturization progresses as described above, a titanium oxide film 35 described later is formed on the lower electrode 13 by heat treatment in an oxidizing atmosphere, as will be described later. The titanium oxide film 35 functions as an oxygen barrier when the capacitive insulating film 14 is formed. For this reason, it is possible to prevent the contact resistance between the tungsten film 8b and the lower electrode 13 from increasing due to an adverse effect on the tungsten film 8b due to the diffusion of oxygen from the capacitive insulating film 14. As a result, a semiconductor device having excellent device characteristics can be provided. In addition, the yield can be improved. As shown in Table 1, in this example, when the diameter of the lower electrode 13 is 60 nm or less, the height of the lower electrode 13 is 1.6 μm or less, and the film thickness of the lower electrode 13 is 15 nm or less, the contact resistance increases. The effect of preventing this appears particularly remarkably.

図16に示すように、プラズマCVD法により、全面に200nmのシリコン窒化膜42を形成する。シリコン窒化膜42はカバレッジが悪い条件で成膜されるため、キャパシタホール12a、12bの中にまでは入り込まない。シリコン窒化膜42は、後の工程でサポート膜11内に開口を形成するためのフォトレジストを形成する際、フォトレジストがキャパシタホール12a内に入るのを防ぐ目的で形成する。   As shown in FIG. 16, a 200 nm silicon nitride film 42 is formed on the entire surface by plasma CVD. Since the silicon nitride film 42 is formed under conditions with poor coverage, it does not enter the capacitor holes 12a and 12b. The silicon nitride film 42 is formed for the purpose of preventing the photoresist from entering the capacitor hole 12a when a photoresist for forming an opening in the support film 11 is formed in a later step.

図17に示すように、シリコン窒化膜42上にフォトレジスト(図示していない)を成膜し、リソグラフィー技術により、フォトレジストのパターニングを行う。フォトレジストをマスクに用いてシリコン窒化膜42、サポート膜11および窒化チタン膜13のドライエッチングを行い、サポート膜11内に層間絶縁膜10a及び10bのウェットエッチング用の開口30を形成する。図1は開口30の形成後の状態を模式的に表す平面図であり、開口30は複数のキャパシタホール12a上に設けられる。   As shown in FIG. 17, a photoresist (not shown) is formed on the silicon nitride film 42, and the photoresist is patterned by a lithography technique. Using the photoresist as a mask, the silicon nitride film 42, the support film 11 and the titanium nitride film 13 are dry-etched, and openings 30 for wet etching of the interlayer insulating films 10a and 10b are formed in the support film 11. FIG. 1 is a plan view schematically showing a state after the opening 30 is formed. The openings 30 are provided on the plurality of capacitor holes 12a.

フォトレジストを除去した後、エッチバックによりシリコン窒化膜42を除去する。続いて、異方性のエッチバックにより、サポート膜11上の窒化チタン膜13を除去して、キャパシタホール12aの内壁上に下部電極13を形成する。   After removing the photoresist, the silicon nitride film 42 is removed by etch back. Subsequently, the titanium nitride film 13 on the support film 11 is removed by anisotropic etch back, and the lower electrode 13 is formed on the inner wall of the capacitor hole 12a.

図18に示すように、フッ化酸(HF)を用いたウェットエッチングにより、メモリセル領域Y内の層間絶縁膜10a及び10bを除去する。この際、周辺回路領域Xはメモリセル領域Yとガードリング用のトレンチ12bによって分断されているため、ウェットエッチング時に、HF水溶液は周辺回路領域Xには侵入せず、周辺回路領域X内の層間絶縁膜10a及び10bは除去されない。   As shown in FIG. 18, the interlayer insulating films 10a and 10b in the memory cell region Y are removed by wet etching using hydrofluoric acid (HF). At this time, since the peripheral circuit region X is divided by the memory cell region Y and the guard ring trench 12b, the HF aqueous solution does not enter the peripheral circuit region X during wet etching, and the interlayer in the peripheral circuit region X The insulating films 10a and 10b are not removed.

図19に示すように、オゾン(O3)の雰囲気下、220℃で窒化チタン膜に対して熱処理を30分程度行うことにより、窒化チタン膜上に1nmの薄い酸化チタン(TiO2)膜35を形成する。なお、酸化チタン(TiO2)膜35の膜厚は0.5〜1.5nmとすることが好ましい。 As shown in FIG. 19, a 1 nm thin titanium oxide (TiO 2 ) film 35 is formed on the titanium nitride film by performing a heat treatment on the titanium nitride film at 220 ° C. for about 30 minutes in an atmosphere of ozone (O 3 ). Form. The thickness of the titanium oxide (TiO 2 ) film 35 is preferably 0.5 to 1.5 nm.

図20に示すように全面に、220℃の温度に設定したALD法により、膜厚が5.2nmで非晶質の酸化ジルコニウム(ZrO2)膜を形成する。このALD法では、原料ガスとしてZr[N(C25)(CH3)]4(TEMAZ;テトラキス・エチルメチル・ジルコニウム)ガス、酸化ガスとして酸素(O2)ガス又はオゾン(O3)ガスを交互に供給することにより、原料層の堆積と酸化を行う。原料ガスとしてはTEMAZ以外にも、Zr(O−tBu)4、Zr[N(CH324、Zr[N(C2524、Zr(TMHD)4、Zr(OiC373(TMTD)及びZr(OtBu)4からなる群の中から選択されるいずれか1つを含むものを使用することができる。 As shown in FIG. 20, an amorphous zirconium oxide (ZrO 2 ) film having a film thickness of 5.2 nm is formed on the entire surface by ALD method set at a temperature of 220 ° C. In this ALD method, Zr [N (C 2 H 5 ) (CH 3 )] 4 (TEMAZ; tetrakis-ethylmethyl-zirconium) gas as a source gas, oxygen (O 2 ) gas or ozone (O 3 ) as an oxidizing gas By alternately supplying the gas, the raw material layer is deposited and oxidized. In addition to TEMAZ, the source gases include Zr (O-tBu) 4 , Zr [N (CH 3 ) 2 ] 4 , Zr [N (C 2 H 5 ) 2 ] 4 , Zr (TMHD) 4 , Zr (OiC). Those containing any one selected from the group consisting of 3 H 7 ) 3 (TMTD) and Zr (OtBu) 4 can be used.

次に、220℃の温度に設定したALD法により、全面に膜厚が0.5nmで1原子層の酸化アルミニウム(Al23)膜を形成する。このALD法では、原料ガスとしてトリメチル・アルミニウム(TMA)ガス、酸化ガスとして酸素(O2)ガス又はオゾン(O3)ガスを交互に供給することにより、原料層の堆積と酸化を行う。 Next, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film having a thickness of 0.5 nm and a single atomic layer is formed on the entire surface by an ALD method set at a temperature of 220 ° C. In this ALD method, the source layer is deposited and oxidized by alternately supplying trimethylaluminum (TMA) gas as the source gas and oxygen (O 2 ) gas or ozone (O 3 ) gas as the oxidizing gas.

続いて、220℃の温度に設定したALD法により、膜厚が1.5nmで非晶質の酸化ジルコニウム膜と酸化アルミニウムの積層膜(LAZO膜)を形成する。このLAZO膜は、前記の酸化ジルコニウム(ZrO2)膜及び酸化アルミニウム(Al23)膜と同様の原料ガス、酸化ガス及び成膜方法を用いて、酸化ジルコニウム(ZrO2)膜を数層、成膜し、続いて酸化アルミニウム(Al23)膜を数層成膜という工程を数回、繰り返すことにより成膜する。なお、図20以降の図面では、最初に形成した酸化ジルコニウム膜及び酸化アルミニウム膜と、LAZO膜をまとめて符号14で示す。 Subsequently, an amorphous zirconium oxide film and an aluminum oxide laminated film (LAZO film) having a film thickness of 1.5 nm are formed by an ALD method set at a temperature of 220 ° C. This LAZO film is composed of several layers of zirconium oxide (ZrO 2 ) film using the same raw material gas, oxidizing gas and film forming method as the zirconium oxide (ZrO 2 ) film and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film. The film is formed by repeating the process of forming several layers of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) films several times. In FIG. 20 and subsequent drawings, the first formed zirconium oxide film and aluminum oxide film and the LAZO film are collectively indicated by reference numeral 14.

この後、従来の製造方法を用いて、窒化チタン膜と、ボロン(B)をドープしたSiGe膜を成膜し、更にこの上にタングステン膜を成膜する。以降では、これらの膜を合わせて、上部電極15と表記する。上部電極の形成工程を具体的に説明すると、まず、SFD法により全面に窒化チタン膜を10nm、形成する。その後、CVD法により、ボロン(B)をドープしたSiGe膜を150nm、タングステン膜を100nm、成膜する。なお、このSiGe膜の成膜時の熱処理により、最初に形成した膜厚が5.2nmで非晶質の酸化ジルコニウム(ZrO2)膜は結晶質となるが、LAZO膜中の非晶質の酸化ジルコニウム膜はこの熱処理によっても非晶質のままとなる。SiGe膜成膜時の熱処理により、酸化ジルコニウム(ZrO2)膜を結晶質に変換するためには、酸化ジルコニウム(ZrO2)膜の膜厚を4〜5nmとすることが好ましい。また、上記の熱処理時に酸化ジルコニウム(ZrO2)膜を非晶質のままとするためには、酸化ジルコニウム(ZrO2)膜の膜厚を0.3〜0.5nmとすることが好ましい。 Thereafter, a titanium nitride film and an SiGe film doped with boron (B) are formed using a conventional manufacturing method, and a tungsten film is further formed thereon. Hereinafter, these films are collectively referred to as the upper electrode 15. The step of forming the upper electrode will be specifically described. First, a titanium nitride film having a thickness of 10 nm is formed on the entire surface by the SFD method. Thereafter, a SiGe film doped with boron (B) is formed with a thickness of 150 nm and a tungsten film is formed with a thickness of 100 nm by a CVD method. The heat treatment during the formation of this SiGe film causes the first formed film thickness of 5.2 nm to be amorphous zirconium oxide (ZrO 2 ) film, but the amorphous film in the LAZO film The zirconium oxide film remains amorphous even by this heat treatment. In order to convert the zirconium oxide (ZrO 2 ) film to crystalline by the heat treatment during the formation of the SiGe film, the thickness of the zirconium oxide (ZrO 2 ) film is preferably 4 to 5 nm. In order to keep the zirconium oxide (ZrO 2 ) film amorphous during the above heat treatment, the thickness of the zirconium oxide (ZrO 2 ) film is preferably 0.3 to 0.5 nm.

上部電極15の成膜後、フォトレジスト(図示していない)を容量プレートの形状にパターニングした後、フォトレジストをマスクに用いて上部電極15、容量絶縁膜14及びサポート膜11のドライエッチングを行うことにより、メモリセル領域Yにのみこれらの膜を残存させる。これにより、下部電極13の内壁面及び外壁側面上に容量絶縁膜14が形成され、容量絶縁膜14上に上部電極15が形成されたクラウン構造のキャパシタが完成する。このような構造のキャパシタとすることで、電極13、15と容量絶縁膜14の接触面積を増大させてキャパシタ容量Csを大きくすることができる。最後に、フォトレジストを除去する。 After the upper electrode 15 is formed, a photoresist (not shown) is patterned into the shape of a capacitor plate, and then the upper electrode 15, the capacitor insulating film 14, and the support film 11 are dry-etched using the photoresist as a mask. As a result, these films are left only in the memory cell region Y. As a result, a capacitor having the capacitor structure is formed on the inner wall surface and the outer wall side surface of the lower electrode 13, and a capacitor having a crown structure in which the upper electrode 15 is formed on the capacitor insulating film 14 is completed. With capacitor having such a structure, it is possible to increase the contact area of the electrodes 13 and 15 and the capacitor insulating film 14 to increase the capacitance C s. Finally, the photoresist is removed.

本実施例では、容量絶縁膜14として、結晶質の酸化ジルコニウム膜/酸化アルミニウム膜/非晶質の酸化ジルコニウム膜と酸化アルミニウムの積層膜(LAZO膜)、を使用する。結晶質の酸化ジルコニウム膜、及びLAZO膜の比有誘電率は、それぞれ45及び25程度である。このため、比誘電率の大きい結晶質の酸化ジルコニウム膜を用いることで容量絶縁膜14全体のEOTを0.8nm以下と小さくして、キャパシタ容量を大きくすることができる。   In this embodiment, a crystalline zirconium oxide film / aluminum oxide film / amorphous zirconium oxide film and a laminated film of aluminum oxide (LAZO film) are used as the capacitor insulating film 14. The relative dielectric constants of the crystalline zirconium oxide film and the LAZO film are about 45 and 25, respectively. Therefore, by using a crystalline zirconium oxide film having a large relative dielectric constant, the EOT of the entire capacitor insulating film 14 can be reduced to 0.8 nm or less, and the capacitor capacity can be increased.

また、図19の工程では酸化雰囲気下での熱処理により、窒化チタン膜からなる下部電極13上に酸化チタン膜35を形成する。この酸化チタン膜35は酸素原子のバリアとして機能するため、図20の工程で酸化ジルコニウム膜を形成した場合であっても、酸化ジルコニウム膜中の酸素が窒化チタン膜13中を拡散して、その下に位置するタングステン膜のコンタクトパッド8bにまで到達することを防止できる。この結果、タングステン膜8bの表面が酸化して、コンタクト抵抗が高くなることを防止できる。   In the step of FIG. 19, a titanium oxide film 35 is formed on the lower electrode 13 made of a titanium nitride film by heat treatment in an oxidizing atmosphere. Since the titanium oxide film 35 functions as a barrier for oxygen atoms, oxygen in the zirconium oxide film diffuses in the titanium nitride film 13 even when the zirconium oxide film is formed in the step of FIG. It is possible to prevent reaching the contact pad 8b of the tungsten film located below. As a result, it is possible to prevent the contact resistance from being increased due to oxidation of the surface of the tungsten film 8b.

さらに、容量絶縁膜14成膜後の熱処理時に、下部電極13である窒化チタン膜とコンタクトパッド8bであるタングステン膜の膨張係数の違いにより、窒化チタン膜13のタングステン膜8bからの剥離が顕著となることも防止できる。すなわち、このような剥離はタングステン膜8bの表面が酸化された場合に顕著となるが、本実施例では上記のようにタングステン膜8b表面の酸化が防止されるため、剥離が促進されることを防止できる。   Further, during the heat treatment after the capacitor insulating film 14 is formed, peeling of the titanium nitride film 13 from the tungsten film 8b is remarkable due to a difference in expansion coefficient between the titanium nitride film as the lower electrode 13 and the tungsten film as the contact pad 8b. Can also be prevented. That is, such peeling becomes remarkable when the surface of the tungsten film 8b is oxidized. However, in this embodiment, since the oxidation of the surface of the tungsten film 8b is prevented as described above, the peeling is promoted. Can be prevented.

結果的に、コンタクトパッド8bと下部電極13間のコンタクト抵抗が増大することを防止できる。そして、コンタクト抵抗増大による書き込み・読み出し不良が防止され、装置特性が優れた半導体装置を提供することができる。本実施例では、不良品の発生率を従来よりも1/3にまで減らすことができ、歩留まりを向上させることができる。   As a result, the contact resistance between the contact pad 8b and the lower electrode 13 can be prevented from increasing. In addition, it is possible to provide a semiconductor device in which writing / reading failure due to an increase in contact resistance is prevented and device characteristics are excellent. In the present embodiment, the incidence of defective products can be reduced to 1/3 of the conventional one, and the yield can be improved.

図21及び23に示すように、CVD法により、層間絶縁膜10b上の全面にシリコン酸化膜10cを形成する。なお、図21は図23のA−A’断面及びB−B’断面を表す。図23中ではメモリセル領域Yの埋め込みゲート電極20、活性領域32、ビット線25及び容量コンタクトプラグ34など主要な構造しか示していない。また、図23のメモリセル領域Yにおける、埋め込みゲート電極20及びビット線25の端部の構造は概略的に示している。シリコン酸化膜10a〜10c内を貫通するようにコンタクトホール39を形成した後、CVD法により、全面にバリア膜となる窒化チタン膜とタングステン膜を形成する。さらに、CMP法により、シリコン酸化膜10c表面の窒化チタン膜及びタングステン膜を除去することにより、後に形成する配線層18と、配線層8aを接続する、コンタクトプラグ17を作製する。続いて、シリコン酸化膜10c上に配線層18となるアルミ膜を成膜する。リソグラフィー技術とエッチング技術によりアルミ膜をパターニングし、配線層18を形成する。さらに、上層のコンタクトプラグと配線(図示していない)を形成することにより、キャパシタとキャパシタに接続されたMOSトランジスタを備えたメモリセルを複数、有するDRAMを完成させることができる。   As shown in FIGS. 21 and 23, a silicon oxide film 10c is formed on the entire surface of the interlayer insulating film 10b by a CVD method. FIG. 21 shows an A-A ′ section and a B-B ′ section in FIG. 23. FIG. 23 shows only main structures such as the buried gate electrode 20, the active region 32, the bit line 25, and the capacitor contact plug 34 in the memory cell region Y. Further, the structures of the end portions of the buried gate electrode 20 and the bit line 25 in the memory cell region Y of FIG. 23 are schematically shown. After the contact hole 39 is formed so as to penetrate through the silicon oxide films 10a to 10c, a titanium nitride film and a tungsten film serving as a barrier film are formed on the entire surface by CVD. Further, by removing the titanium nitride film and the tungsten film on the surface of the silicon oxide film 10c by CMP, the contact plug 17 that connects the wiring layer 18 to be formed later and the wiring layer 8a is manufactured. Subsequently, an aluminum film to be the wiring layer 18 is formed on the silicon oxide film 10c. The aluminum film is patterned by the lithography technique and the etching technique to form the wiring layer 18. Further, by forming an upper layer contact plug and wiring (not shown), a DRAM having a plurality of memory cells each including a capacitor and a MOS transistor connected to the capacitor can be completed.

なお、本実施例では、図20の工程で容量絶縁膜14として、酸化ジルコニウム膜及び酸化アルミニウム膜を形成したが、他の酸化膜を使用しても良い。容量絶縁膜14のうち、少なくとも下部電極13に最も近い膜として、高い誘電率を有し、かつイオン化傾向が高く強固な酸化物を形成し、酸素原子がタングステン膜8bにまで拡散しにくいIV族元素の酸化膜を使用することが好ましい。IV族元素の酸化膜としては、酸化ジルコニウム(ZrO2)膜以外に、酸化ハフニウム(HfO2)膜、酸化チタン(TiO2)膜を挙げることができる。なお、容量絶縁膜14として酸化チタン膜を使用する場合、図19の工程で酸化雰囲気下での熱処理により下部電極13上に形成する酸化チタン膜35は、容量絶縁膜14中の酸素原子がコンタクトパッド8bにまで拡散するのを防止する目的で形成されるのに対して、図20の工程で容量絶縁膜14として形成する酸化チタン膜は、情報記録のための電荷保持を行う目的で形成される点が異なる。しかし、容量絶縁膜14形成後には、両者の酸化チタン膜の境界は明確に識別できない場合がある。 In this embodiment, the zirconium oxide film and the aluminum oxide film are formed as the capacitive insulating film 14 in the step of FIG. 20, but other oxide films may be used. Of the capacitive insulating film 14, as a film closest to the lower electrode 13, a strong oxide having a high dielectric constant and a high ionization tendency is formed, and oxygen atoms hardly diffuse into the tungsten film 8 b. It is preferable to use elemental oxide films. Examples of the oxide film of the group IV element include a hafnium oxide (HfO 2 ) film and a titanium oxide (TiO 2 ) film in addition to the zirconium oxide (ZrO 2 ) film. When a titanium oxide film is used as the capacitor insulating film 14, the titanium oxide film 35 formed on the lower electrode 13 by heat treatment in an oxidizing atmosphere in the step of FIG. The titanium oxide film formed as the capacitor insulating film 14 in the process of FIG. 20 is formed for the purpose of holding charge for information recording, whereas it is formed for the purpose of preventing diffusion to the pad 8b. Is different. However, after the capacitor insulating film 14 is formed, the boundary between the two titanium oxide films may not be clearly identified.

また、下部電極として使用する窒化チタン膜13aに熱処理を行う温度は250℃以下とし、少なくとも酸化チタン膜上に形成する容量絶縁膜を形成する温度は250℃以下とすることが好ましい。また、窒化チタン膜に熱処理を行う処理温度は、容量絶縁膜を形成する処理温度以上とすることが好ましい(容量絶縁膜を形成する処理温度と同じか又はそれよりも大きくすることが好ましい)。   Further, it is preferable that the temperature for performing the heat treatment on the titanium nitride film 13a used as the lower electrode is 250 ° C. or lower, and the temperature for forming at least the capacitive insulating film formed on the titanium oxide film is 250 ° C. or lower. In addition, it is preferable that the processing temperature for performing the heat treatment on the titanium nitride film is equal to or higher than the processing temperature for forming the capacitive insulating film (preferably equal to or higher than the processing temperature for forming the capacitive insulating film).

(第2実施例)
本実施例は、第1実施例とは、図19の工程における熱処理の条件が異なる。これ以外の点は、第1実施例と同様の工程を実施する。以下では、本実施例の製造方法を説明するが、第1実施例と同様の工程についてはその説明を省略する。
(Second embodiment)
This embodiment differs from the first embodiment in the conditions for heat treatment in the process of FIG. Except for this point, the same steps as in the first embodiment are performed. In the following, the manufacturing method of this example will be described, but the description of the same steps as those of the first example will be omitted.

第1実施例の図1〜18の工程を行った後、図19に示すように、オゾン(O3)の雰囲気下で、熱処理を行うことにより、窒化チタン膜13上に薄い酸化チタン膜35を形成する。この際、本実施例では、第1実施例とは異なり、190℃の熱処理を30分間、行った後、220℃の熱処理を30分間、行う。 After performing the steps of FIGS. 1 to 18 of the first embodiment, as shown in FIG. 19, a thin titanium oxide film 35 is formed on the titanium nitride film 13 by performing a heat treatment in an atmosphere of ozone (O 3 ). Form. In this example, unlike the first example, after heat treatment at 190 ° C. for 30 minutes, heat treatment at 220 ° C. is performed for 30 minutes.

本実施例では、最初の熱処理温度が190℃であり、第1実施例よりも穏かな条件であるため、他の素子への悪影響を低減することができる。   In this embodiment, the initial heat treatment temperature is 190 ° C., which is a milder condition than in the first embodiment, so that adverse effects on other elements can be reduced.

更に、本願発明は、特許請求の範囲に記載の発明に限定されず、本願発明には、下記の半導体装置も含まれる。   Furthermore, the present invention is not limited to the invention described in the claims, and the present invention includes the following semiconductor devices.

1.タングステン膜と、
前記タングステン膜上に、窒化チタン膜からなる下部電極と、
前記下部電極上に第1の酸化チタン膜と、
前記第1の酸化チタン膜上に容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜上に上部電極と、
を有する半導体装置。
1. A tungsten film;
A lower electrode made of a titanium nitride film on the tungsten film;
A first titanium oxide film on the lower electrode;
A capacitive insulating film on the first titanium oxide film;
An upper electrode on the capacitive insulating film;
A semiconductor device.

2.前記タングステン膜は、コンタクトパッド又はコンタクトプラグの一部又は全部を構成する、上記1に記載の半導体装置。   2. 2. The semiconductor device according to 1 above, wherein the tungsten film constitutes part or all of a contact pad or contact plug.

3.更に、
前記コンタクトパッド又はコンタクトプラグに、第1の不純物拡散層が接続されたトランジスタと、
前記トランジスタの第2の不純物拡散層に接続されたビット線と、
を有する、上記2に記載の半導体装置。
3. Furthermore,
A transistor having a first impurity diffusion layer connected to the contact pad or the contact plug;
A bit line connected to a second impurity diffusion layer of the transistor;
3. The semiconductor device according to 2 above, comprising:

4.前記容量絶縁膜は、少なくとも前記下部電極に最も近い側の前記容量絶縁膜として、IV族元素の酸化膜を有する、上記1〜3の何れか1に記載の半導体装置。   4). 4. The semiconductor device according to any one of 1 to 3, wherein the capacitive insulating film includes an oxide film of a group IV element as the capacitive insulating film on the side closest to the lower electrode.

5.前記IV族元素の酸化膜は、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、又は第2の酸化チタン膜である、上記4に記載の半導体装置。   5. 5. The semiconductor device according to 4 above, wherein the Group IV element oxide film is a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, or a second titanium oxide film.

6.前記容量絶縁膜は、前記下部電極に最も近い方から順に、結晶質の酸化ジルコニウム膜、酸化アルミニウム膜、及び非晶質の酸化ジルコニウム膜と酸化アルミニウム膜の積層膜を有する、上記1〜5の何れか1に記載の半導体装置。   6). The capacitor insulating film has a crystalline zirconium oxide film, an aluminum oxide film, and a laminated film of an amorphous zirconium oxide film and an aluminum oxide film in order from the closest to the lower electrode. The semiconductor device according to any one of the above.

7.前記第1の酸化チタン膜の膜厚は0.5〜1.5nmである、上記1〜6の何れか1に記載の半導体装置。   7). 7. The semiconductor device according to any one of 1 to 6, wherein the first titanium oxide film has a thickness of 0.5 to 1.5 nm.

8.前記下部電極の、前記タングステン膜と接する部分の径は、60nm以下である、上記1〜7の何れか1に記載の半導体装置。   8). 8. The semiconductor device according to any one of 1 to 7, wherein a diameter of a portion of the lower electrode that is in contact with the tungsten film is 60 nm or less.

9.前記下部電極の高さは1.6nm以下である、上記1〜8の何れか1に記載の半導体装置。   9. 9. The semiconductor device according to any one of 1 to 8, wherein the lower electrode has a height of 1.6 nm or less.

10.前記下部電極の膜厚は15nm以下である、上記1〜9の何れか1に記載の半導体装置。   10. 10. The semiconductor device according to any one of 1 to 9 above, wherein the thickness of the lower electrode is 15 nm or less.

11.前記容量絶縁膜は、前記第1の酸化チタン膜を介して、前記下部電極の内壁面及び外壁側面上に設けられる、上記1〜10の何れか1に記載の半導体装置。   11. 11. The semiconductor device according to any one of 1 to 10, wherein the capacitive insulating film is provided on an inner wall surface and an outer wall side surface of the lower electrode through the first titanium oxide film.

12.前記下部電極を複数、有し、
更に、前記下部電極の外壁側面の少なくとも一部に接するように設けられたサポート膜を有する、上記1〜11の何れか1に記載の半導体装置。
12 A plurality of the lower electrodes;
The semiconductor device according to any one of 1 to 11, further comprising a support film provided so as to be in contact with at least a part of an outer wall side surface of the lower electrode.

2 素子分離領域
4 ソース及びドレイン領域
4a ドレイン領域
4b ソース領域
5 第1の層間絶縁膜
7 周辺コンタクトプラグ
8a 配線層
8b コンタクトパッド
9 シリコン窒化膜
10a BPSG膜
10b シリコン酸化膜
10c シリコン酸化膜
11 サポート膜
12a キャパシタホール
12b ガードリング用トレンチ
13a 窒化チタン膜
14 容量絶縁膜
15 上部電極
17 コンタクトプラグ
18 配線層
19 ビットコンコンタクト孔
19'ビットコンコンタクトプラグ
20 埋め込みゲート電極
21a シリコン窒化膜
21b SOD膜
22 フォトレジスト
23 キャップ絶縁膜
24 シリコン酸窒化膜
25 ビット線
26 ゲート電極
27 シリコン窒化膜
28 ソース及びドレイン領域
29 ポリシリコン膜
30 開口
31 シリコン窒化膜
32 活性領域(メモリセル領域)
32’ 活性領域(周辺領域)
33 タングステン積層膜
34 容量コンタクトプラグ
35 酸化チタン膜
36 DOPOS膜
37a 容量コンタクトホール
37b 周辺コンタクトホール
38 タングステン積層膜
39 コンタクトホール
40 トレンチ
41 ハードマスク
42 シリコン窒化膜
43 n型不純物含有ポリシリコン膜
44 サイドウォール
45a セルゲート酸化膜
45b バリア膜
45c タングステン膜
50 半導体基板
Tr トランジスタ
X 周辺回路領域
Y メモリセル領域
2 element isolation region 4 source and drain region 4a drain region 4b source region 5 first interlayer insulating film 7 peripheral contact plug 8a wiring layer 8b contact pad 9 silicon nitride film 10a BPSG film 10b silicon oxide film 10c silicon oxide film 11 support film 12a Capacitor hole 12b Guard ring trench 13a Titanium nitride film 14 Capacitance insulating film 15 Upper electrode 17 Contact plug 18 Wiring layer 19 Bit contact hole 19 'Bit contact plug 20 Embedded gate electrode 21a Silicon nitride film 21b SOD film 22 Photoresist 23 Cap insulating film 24 Silicon oxynitride film 25 Bit line 26 Gate electrode 27 Silicon nitride film 28 Source and drain region 29 Polysilicon film 30 Opening 31 Silicon nitride film 32 Active region ( (Memory cell area)
32 'active region (peripheral region)
33 Tungsten laminated film 34 Capacitor contact plug 35 Titanium oxide film 36 DOPOS film 37a Capacitor contact hole 37b Peripheral contact hole 38 Tungsten laminated film 39 Contact hole 40 Trench 41 Hard mask 42 Silicon nitride film 43 N-type impurity-containing polysilicon film 44 Side wall 45a Cell gate oxide film 45b Barrier film 45c Tungsten film 50 Semiconductor substrate Tr Transistor X Peripheral circuit area Y Memory cell area

Claims (16)

タングステン膜を形成する工程と、
前記タングステン膜上に、窒化チタン膜からなる下部電極を形成する工程と、
酸化雰囲気下で前記窒化チタン膜に熱処理を行うことにより、前記窒化チタン膜を酸化する工程と、
前記下部電極上に容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜上に上部電極を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
Forming a tungsten film;
Forming a lower electrode made of a titanium nitride film on the tungsten film;
Oxidizing the titanium nitride film by performing a heat treatment on the titanium nitride film in an oxidizing atmosphere;
Forming a capacitive insulating film on the lower electrode;
Forming an upper electrode on the capacitive insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記タングステン膜を形成する工程では、
前記タングステン膜を有するコンタクトパッド又はコンタクトプラグを形成する、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
In the step of forming the tungsten film,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a contact pad or a contact plug having the tungsten film is formed.
前記タングステン膜を形成する工程の前に更に、
前記コンタクトパッド又はコンタクトプラグに、第1の不純物拡散層が接続されるようにトランジスタを形成する工程と、
前記トランジスタの第2の不純物拡散層に接続されるようにビット線を形成する工程と、
を有する、請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
Before the step of forming the tungsten film,
Forming a transistor such that a first impurity diffusion layer is connected to the contact pad or the contact plug;
Forming a bit line to be connected to the second impurity diffusion layer of the transistor;
The manufacturing method of the semiconductor device of Claim 2 which has these.
前記窒化チタン膜を酸化する工程では、
前記窒化チタン膜を250℃以下に加熱する、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。
In the step of oxidizing the titanium nitride film,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the titanium nitride film is heated to 250 ° C. or lower.
前記窒化チタン膜を酸化する工程では、
互いに温度の異なる複数回の前記熱処理により、前記窒化チタン膜を酸化する、請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
In the step of oxidizing the titanium nitride film,
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the titanium nitride film is oxidized by a plurality of heat treatments at different temperatures. 6.
前記窒化チタン膜を酸化する工程では、
オゾン(O3)の雰囲気下で前記窒化チタン膜を酸化する、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。
In the step of oxidizing the titanium nitride film,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the titanium nitride film is oxidized in an atmosphere of ozone (O 3 ).
前記容量絶縁膜を形成する工程では、
250℃以下の温度で容量絶縁膜を形成する、請求項1〜6の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
In the step of forming the capacitive insulating film,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the capacitor insulating film is formed at a temperature of 250 ° C. or lower.
前記窒化チタン膜を酸化する工程における処理温度は、前記容量絶縁膜を形成する工程における処理温度以上である、請求項1〜7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 a processing temperature in the step of oxidizing the titanium nitride film is equal to or higher than a processing temperature in the step of forming the capacitive insulating film. 前記容量絶縁膜を形成する工程では、
少なくとも前記下部電極に最も近い前記容量絶縁膜として、IV族元素の酸化膜を形成する、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。
In the step of forming the capacitive insulating film,
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an oxide film of a group IV element is formed as at least the capacitive insulating film closest to the lower electrode.
前記IV族元素の酸化膜は、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、又は酸化チタン膜である、請求項9に記載の半導体装置の製造方法。   10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the Group IV element oxide film is a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, or a titanium oxide film. 前記容量絶縁膜を形成する工程では、
前記容量絶縁膜として、前記下部電極に最も近い方から順に、結晶質の酸化ジルコニウム膜、酸化アルミニウム膜、及び非晶質の酸化ジルコニウム膜と酸化アルミニウム膜の積層膜を形成する、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。
In the step of forming the capacitive insulating film,
A crystalline zirconium oxide film, an aluminum oxide film, and a laminated film of an amorphous zirconium oxide film and an aluminum oxide film are formed as the capacitive insulating film in order from the closest to the lower electrode. 11. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 10 above.
前記窒化チタン膜を酸化する工程では、
前記窒化チタン膜の表面上に膜厚が0.5〜1.5nmの酸化チタン膜を形成する、請求項1〜11の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
In the step of oxidizing the titanium nitride film,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a titanium oxide film having a thickness of 0.5 to 1.5 nm is formed on a surface of the titanium nitride film.
前記下部電極を形成する工程では、
前記下部電極の、前記タングステン膜と接する部分の径が60nm以下となるように前記下部電極を形成する、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。
In the step of forming the lower electrode,
13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the lower electrode is formed so that a diameter of a portion of the lower electrode in contact with the tungsten film is 60 nm or less.
前記下部電極を形成する工程では、
前記下部電極の高さが1.6μm以下となるように前記下部電極を形成する、請求項1〜13の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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 that a height of the lower electrode is 1.6 μm or less.
前記下部電極を形成する工程では、
前記下部電極の膜厚が15nm以下となるように、前記下部電極を形成する、請求項1〜14の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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 that a film thickness of the lower electrode is 15 nm or less.
前記タングステン膜を形成する工程と前記下部電極を形成する工程の間に更に、
前記タングステン膜上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上にサポート膜を形成する工程と、
前記サポート膜及び層間絶縁膜内に前記タングステン膜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では、
前記キャパシタホール内に、前記下部電極を形成し、
前記下部電極を形成する工程と、前記容量絶縁膜を形成する工程の間に更に、
前記サポート膜内に開口を設ける工程と、
前記サポート膜をマスクに用いて、前記層間絶縁膜を除去することにより前記下部電極の外壁側面を露出させる工程と、
を有する、請求項1〜15の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
Further, between the step of forming the tungsten film and the step of forming the lower electrode,
Forming an interlayer insulating film on the tungsten film;
Forming a support film on the interlayer insulating film;
Forming a capacitor hole so as to expose the tungsten film in the support film and the interlayer insulating film;
Have
In the step of forming the lower electrode,
Forming the lower electrode in the capacitor hole;
Further, between the step of forming the lower electrode and the step of forming the capacitive insulating film,
Providing an opening in the support film;
Exposing the outer wall side surface of the lower electrode by removing the interlayer insulating film using the support film as a mask; and
The manufacturing method of the semiconductor device of any one of Claims 1-15 which has these.
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