JP2633584B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は半導体装置、特に遷移金属の酸化物を含む高
誘電体層を2枚の電極で挟むことによってキャパシタが
形成されているような半導体装置及びその製造方法に関
する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial application field) The present invention relates to a semiconductor device, in particular, a capacitor formed by sandwiching a high dielectric layer containing an oxide of a transition metal between two electrodes. Semiconductor device and a method of manufacturing the same.
(従来の技術および問題点) DRAMデバイスの微細化、高集積化が進むにつれ、メモ
リセルの面積もスケーリング則に従って縮小されてゆ
く。このメモリセルは、キャパシタによって構成されて
いるが、ソフトエラーの防止やセンスアンプマージンの
確保という要請から、セル面積の縮小にかかわらず、こ
のキャパシタには最低限度の容量が必要とされる。この
最低限度の容量を維持しつつセル面積を縮小するため
に、従来次のような手段が講じられている。(Prior Art and Problems) As DRAM devices become finer and more highly integrated, the area of memory cells is reduced in accordance with the scaling rule. Although this memory cell is composed of a capacitor, a minimum capacity is required for this capacitor regardless of a reduction in cell area due to a demand for prevention of a soft error and securing a sense amplifier margin. In order to reduce the cell area while maintaining the minimum capacity, the following measures have conventionally been taken.
(1) プレーナ型キャパシタにおいて、キャパシタを
構成する誘電体(通常酸化膜)を薄膜化する。(1) In a planar capacitor, a dielectric (usually an oxide film) constituting the capacitor is thinned.
(2) 半導体基板に溝を掘り、トレンチ型キャパシタ
を形成する。(2) A trench is dug in the semiconductor substrate to form a trench capacitor.
(3) ポリ酸化膜を利用して積層型キャパシタを形成
する。(3) A multilayer capacitor is formed using a poly oxide film.
しかしながら、上述の各手段には次のような問題点が
ある。However, each of the above means has the following problems.
(1) 酸化膜の薄膜化技術では、現在60〜70Åの厚み
が限度であるのに対し、たとえば4Mビットの記憶容量を
もったDRAMでは、1セルあたり40fFの容量が必要であ
り、この容量を確保するには、シリコン酸化膜の真性絶
縁破壊限界に相当する20〜30Åの厚みが必要になる。し
たがって、4Mビット以上の記憶容量をもったDRAMの製造
には適用できない。(1) The thickness of the oxide film is currently limited to a thickness of 60 to 70 mm, while a DRAM having a storage capacity of 4 Mbits requires a capacity of 40 fF per cell, for example. Is required to have a thickness of 20 to 30 mm corresponding to the intrinsic breakdown limit of the silicon oxide film. Therefore, it cannot be applied to the manufacture of a DRAM having a storage capacity of 4 Mbits or more.
(2) トレンチ型キャパシタで、40fFの容量を確保す
るには、酸化膜の厚みを100Åとしても、開口部の一辺
の寸法が0.8〜1.0μ、溝の深さが3μ程度必要になり、
アスペクト比で3〜4が必要になる。このようにアスペ
クト比が大きくなると、溝内部の洗浄処理が従来技術で
は困難になり、洗浄不良から信頼性の低下を招くことに
なる。また、溝部周辺の応力も大きくなり、結晶欠陥の
発生により基板にリーク電流が流れることになる。この
問題は集積度が増すにしたがって深刻になる。(2) In order to secure a capacitance of 40 fF in a trench capacitor, even if the thickness of the oxide film is 100 mm, the size of one side of the opening must be 0.8 to 1.0 μm and the depth of the groove is about 3 μm.
An aspect ratio of 3 to 4 is required. When the aspect ratio is increased as described above, the cleaning of the inside of the groove becomes difficult with the conventional technology, and the reliability is reduced due to poor cleaning. In addition, the stress around the groove increases, and a leak current flows through the substrate due to the generation of crystal defects. This problem becomes more severe as the degree of integration increases.
(3) 第6図に積層型キャパシタの構造を示す。半導
体基板1の上に不純物拡散層2が形成されており、この
上に酸化膜3が堆積され、3つのポリシリコン層4,5,6
が埋設されている。また、一方の不純物拡散層2には、
ビットラインコンタクト電極7が接続される。ポリシリ
コン層4は転送ゲートとして用いられ、ポリシリコン層
5と6とがキャパシタの両電極を構成することになる。
ところが、このポリシリコン層5と6との間の酸化膜の
厚みは、現在の技術では200〜300Åが限度である。これ
は単結晶基板上に酸化膜を形成するよりも、ポリシリコ
ン上に酸化膜を形成する方が技術的困難を伴うためであ
る。ところが、4Mビットの容量のDRAMでは、厚み100Å
程度の酸化膜厚が要求されている。また、図でポリシリ
コン層5の厚みhは、1μm程度になるため、ビットラ
インコンタクト電極7のためコンタクトホールのアスペ
クト比は約3にまで達し、高度なコンタクト配線技術が
必要になる。(3) FIG. 6 shows the structure of the multilayer capacitor. An impurity diffusion layer 2 is formed on a semiconductor substrate 1, an oxide film 3 is deposited thereon, and three polysilicon layers 4, 5, 6 are formed.
Is buried. Also, one impurity diffusion layer 2 has
The bit line contact electrode 7 is connected. The polysilicon layer 4 is used as a transfer gate, and the polysilicon layers 5 and 6 constitute both electrodes of the capacitor.
However, the thickness of the oxide film between the polysilicon layers 5 and 6 is limited to 200 to 300 ° in the current technology. This is because forming an oxide film on polysilicon involves more technical difficulties than forming an oxide film on a single crystal substrate. However, a 4 Mbit DRAM has a thickness of 100 mm.
Oxide film thickness of the order is required. In addition, since the thickness h of the polysilicon layer 5 is about 1 μm in the figure, the aspect ratio of the contact hole for the bit line contact electrode 7 reaches about 3, and an advanced contact wiring technique is required.
以上のように、(1)〜(3)のいずれの手段も、4M
ビット以上の容量をもったDRAMの製造には限界がある。
そこで、第4の方法として、キャパシタを構成する誘電
体の誘電率を高めるという手段が注目を集めている。こ
れは、Ta2O5のような遷移金属の酸化物からなる高誘電
体層を2枚の電極で挟んでメモリセルとなるキャパシタ
を構成しようとするものである。As described above, any of the means (1) to (3)
There is a limit to the manufacture of DRAM having a capacity of more than a bit.
Therefore, as a fourth method, a means of increasing the dielectric constant of a dielectric material constituting a capacitor has attracted attention. This is intended to constitute a capacitor to be a memory cell by sandwiching a high dielectric layer made of a transition metal oxide such as Ta 2 O 5 between two electrodes.
第7図に、Ta2O5を利用したキャパシタの一例を示
す。半導体基板1の表面には素子分離用酸化膜8が形成
され、この素子分離用酸化膜8に囲まれた部分にキャパ
シタが形成されている。すなわち、高誘電体層としての
Ta2O5層9が、下部電極となる半導体基板1とポリシリ
コンまたはアルミニウムからなる上部電極10とによって
挟まれ、キャパシタが形成されている。Ta2O5の誘電率
はSiO2の誘電率に比べてかなり大きいので、キャパシタ
面積を縮小しても十分な容量を維持することができる。FIG. 7 shows an example of a capacitor using Ta 2 O 5 . An element isolation oxide film 8 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1, and a capacitor is formed in a portion surrounded by the element isolation oxide film 8. That is, as a high dielectric layer
A Ta 2 O 5 layer 9 is sandwiched between a semiconductor substrate 1 serving as a lower electrode and an upper electrode 10 made of polysilicon or aluminum to form a capacitor. Since the dielectric constant of Ta 2 O 5 is much higher than that of SiO 2 , sufficient capacitance can be maintained even if the capacitor area is reduced.
しかしながら、このような高誘電体層を用いてキャパ
シタを構成する技術には、次のような問題点があるた
め、いまだ実用化に至っていない。まず第1に、Ta2O5
のような遷移金属酸化物をシリコンからなる半導体基板
1の上に直接堆積させると、基板のシリコンとの間の反
応によって、両者の界面にシリコン酸化膜が生成され、
実質的な誘電率の低下を来たしてしまうという点であ
る。そして第2に、上部電極10としては、加工容易性、
耐熱性、耐酸化性、耐薬品性などの面で優れているポリ
シリコンが一般に用いられるが、このポリシリコンが遷
移金属と反応してしまうという問題がある。たとえば、
Ta2O5を高誘電体層として用いた場合、 13Si+2Ta2O5 →4TaSi2+5SiO2 なる反応が起り、TaSi2の生成によってリーク電流が激
増することが確認されている。However, the technology of forming a capacitor using such a high dielectric layer has the following problems, and has not yet been put to practical use. First, Ta 2 O 5
When a transition metal oxide such as that described above is directly deposited on the semiconductor substrate 1 made of silicon, a silicon oxide film is generated at the interface between the two by a reaction with silicon of the substrate,
The point is that the dielectric constant is substantially reduced. Second, the upper electrode 10 is easy to process,
Polysilicon excellent in heat resistance, oxidation resistance, chemical resistance and the like is generally used, but there is a problem that the polysilicon reacts with a transition metal. For example,
If using the Ta 2 O 5 as a high-dielectric layer, 13Si + 2Ta 2 O 5 → 4TaSi 2 + 5SiO 2 made reaction occurs, that the leakage current is increased dramatically has been confirmed by the generation of TaSi 2.
そこで本発明は、遷移金属の酸化物を含む高誘電体層
を用いたキャパシタを有する半導体装置において、誘電
率の低下、リーク電流の発生を招くことのない製造方法
を提供することを目的とする。Therefore, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device having a capacitor using a high-dielectric layer containing an oxide of a transition metal without lowering the dielectric constant and generating a leak current. .
(問題点を解決するための手段) 本発明の半導体装置は、MOSトランジスタと、遷移金
属の酸化物を含む高誘電体層をシリコンからなる上部電
極と下部電極とで挟む構造としたキャパシタを有するメ
モリセルを構成する装置であって、下部電極としてのシ
リコン基板上におけるメモリセルのキャパシタ領域上及
びソース、ドレイン各領域上に設けられ、シリコン基板
と高誘電体層との反応を阻止する第1のバリア層であっ
て、高融点金属の珪化物からなる第1の高融点金属化合
物層と、その上面の高融点金属の窒化物、炭化物又は硼
化物からなる第2の高融点金属化合物層とを含む前記第
1のバリア膜と、上部電極を構成するシリコン電極と高
誘電体層との間に設けられ、かつ高融点金属化合物層に
より形成されてシリコン電極と高誘電体層との反応を阻
止する第2のバリア膜とを備えたことを特徴としてい
る。(Means for Solving the Problems) The semiconductor device of the present invention includes a MOS transistor and a capacitor having a structure in which a high dielectric layer containing a transition metal oxide is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode made of silicon. An apparatus for configuring a memory cell, comprising: a first electrode provided on a capacitor region and a source / drain region of the memory cell on a silicon substrate as a lower electrode, for preventing a reaction between the silicon substrate and the high dielectric layer. A first high melting point metal compound layer made of a high melting point metal silicide, and a second high melting point metal compound layer made of a high melting point metal nitride, carbide or boride on its upper surface. The first barrier film comprising: a silicon electrode and a high dielectric layer, which are provided between a silicon electrode and a high dielectric layer constituting an upper electrode, and are formed by a high melting point metal compound layer; And a second barrier film for preventing the above reaction.
また、本発明の製造方法は上記半導体装置を製造する
方法であって、高融点金属の珪化物からなる第1の高融
点金属化合物層と、その上面の高融点金属の窒化物、炭
化物又は硼化物からなる第2の高融点金属化合物層を含
む第1のバリア膜を、シリコン基板上のメモリセルのキ
ャパシタ形成予定領域上及びソース、ドレインを各形成
予定領域上に形成する工程と、第1のバリア層上に高誘
電体層を形成する工程と、高誘電体層上に高融点金属化
合物層により形成されて、上部電極となるシリコン電極
と高誘電体層との反応を阻止する第2のバリア膜を形成
する工程とを備えている。Further, the manufacturing method of the present invention is a method of manufacturing the above-described semiconductor device, comprising: a first refractory metal compound layer made of a refractory metal silicide; and a refractory metal nitride, carbide or boron on the upper surface thereof. Forming a first barrier film including a second refractory metal compound layer made of a compound on a region where a capacitor is to be formed and a source and a drain of the memory cell on a silicon substrate; Forming a high dielectric layer on the barrier layer, and forming a high melting point metal compound layer on the high dielectric layer to prevent a reaction between the silicon electrode serving as an upper electrode and the high dielectric layer. Forming a barrier film.
(作 用) 本発明によれば、メモリセルのキャパシタ領域上及び
ソース、ドレイン各領域上に第1のバリア層が設けられ
るので、シリコン基板と高誘電体層との間の不要な化学
反応が阻止され、さらにシリコン電極と高誘電体層との
間に第2のバリア層が設けられるのでシリコン電極と高
誘電体層との反応が阻止されて、誘電率の低下やリーク
電流の発生が防止される。さらに、第1のバリア層に含
まれる高融点金属の珪化物から成る第1の高融点金属化
合物層が存在することにより、シリコン基板と第2のバ
リア層との間の抵抗が低減される。(Operation) According to the present invention, since the first barrier layer is provided on the capacitor region and the source and drain regions of the memory cell, unnecessary chemical reaction between the silicon substrate and the high-dielectric layer is prevented. And a second barrier layer is provided between the silicon electrode and the high-dielectric layer, so that the reaction between the silicon electrode and the high-dielectric layer is prevented, thereby preventing a decrease in the dielectric constant and the occurrence of a leak current. Is done. Furthermore, the resistance between the silicon substrate and the second barrier layer is reduced by the presence of the first refractory metal compound layer made of the refractory metal silicide contained in the first barrier layer.
(実施例) 第1の実施例 以下本発明を図示する実施例に基づいて説明する。第
1図は本発明に係る方法によって製造したTEG(Test El
ement Group)キャパシタの一例の構造を示す断面図で
ある。まず、シリコンからなるP型半導体基板1上に、
阻止分離用酸化膜8が形成され、この阻止分離用酸化膜
8で囲まれた部分にキャパシタを構成することになる。
このキャパシタ形成領域のシリコン露出面に、高融点金
属化合物としてのTiSi2合金ターゲットを用いた高速ス
パッタ法により、TiSi2層11を500Åの厚みに堆積させ
る。その後、同じスパッタ装置を用いて、窒素とアルゴ
ンのプラズマを利用した化成スパッタ法によってTiN膜1
2を500Åの厚みで連続的に堆積させる。続いて、酸素と
アルゴンのプラズマを利用した化成スパッタ法によっ
て、Ta2O5膜13を100〜1000Åの厚みで堆積させる。この
とき、ターゲットとしては、たとえば6NのTaターゲット
を用いればよい。その後、TiN膜14を前述と同様の方法
で500Åの厚みで堆積し、更にその上に、LPCVD法によっ
てポリシリコン層15を4000Åの厚みで堆積する。(Example) 1st Example Hereinafter, it demonstrates based on the Example which illustrates this invention. FIG. 1 shows TEG (Test El) manufactured by the method according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of an example of a capacitor. First, on a P-type semiconductor substrate 1 made of silicon,
The blocking isolation oxide film 8 is formed, and a capacitor is formed in a portion surrounded by the blocking isolation oxide film 8.
A TiSi 2 layer 11 is deposited to a thickness of 500 ° on the exposed silicon surface of the capacitor formation region by a high-speed sputtering method using a TiSi 2 alloy target as a refractory metal compound. Then, using the same sputtering apparatus, the TiN film 1 was formed by a chemical sputtering method using plasma of nitrogen and argon.
2 is continuously deposited at a thickness of 500 mm. Subsequently, a Ta 2 O 5 film 13 is deposited to a thickness of 100 to 1000 ° by chemical sputtering using plasma of oxygen and argon. At this time, for example, a 6N Ta target may be used as the target. Thereafter, a TiN film 14 is deposited to a thickness of 500 ° by the same method as described above, and a polysilicon layer 15 is deposited thereon by a LPCVD method to a thickness of 4000 °.
この後、POCl3雰囲気中で、900℃、30分の条件で燐を
ポリシリコン層15内にドープした後、キャパシタ上部電
極を形成するためのレジストパターニングを行い、これ
をマスクにしてBCl3ガスを用いたRIEエッチングを行っ
て、層11〜15を同時にエッチング除去して、第1図に示
すような構造を得る。この実施例では、1つのキャパシ
タの実効面積は1mm3程度である。Thereafter, in a POCl 3 atmosphere, 900 ° C., after doping phosphorus into the polysilicon layer 15 at 30 minutes of conditions, resist patterning for forming the capacitor upper electrode, BCl 3 gas to it to mask The layers 11 to 15 are simultaneously etched and removed by performing RIE etching using, and a structure as shown in FIG. 1 is obtained. In this embodiment, the effective area of one capacitor is about 1 mm 3 .
第1の実施例の効果 第2図は、Ta2O5層の膜厚と誘電率との関係を示すグ
ラフである。ここで、カーブAは第7図に示す構造をも
った従来の方法で製造されたキャパシタについてのデー
タであり、カーブBは第1図に示す構造をもった本発明
に係る方法で製造されたキャパシタについてのデータで
ある。カーブAに示されているように、従来の装置で
は、膜厚を減少させると誘電率が低下する。これは、前
述のように、シリコンからなる半導体基板とTa2O5層と
の間の界面に、SiO2膜が生成されるためである。これに
対し、本発明に係る装置では、カーブBに示されている
ように、膜厚の減少に伴う誘電率の低下はみられず、終
始Ta2O5のバルクとしての誘電率値〜25が得られた。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness of the Ta 2 O 5 layer and the dielectric constant. Here, curve A is data on a capacitor manufactured by the conventional method having the structure shown in FIG. 7, and curve B is manufactured by the method according to the present invention having the structure shown in FIG. It is data about a capacitor. As shown in curve A, in the conventional device, the dielectric constant decreases as the film thickness decreases. This is because, as described above, the SiO 2 film is generated at the interface between the semiconductor substrate made of silicon and the Ta 2 O 5 layer. On the other hand, in the apparatus according to the present invention, as shown by the curve B, no decrease in the dielectric constant with a decrease in the film thickness was observed, and the dielectric constant value of Ta 2 O 5 as a bulk throughout was 2525. was gotten.
第3図は、厚み200ÅのTa2O5層を有するキャパシタに
ついて、印加電圧Vとリーク電流Iとの関係を示すグラ
フである。いずれも上部電極側にマイナス電圧を印加し
て測定したデータである。ここで、カーブAおよびBは
第7図に示す構造をもった従来の方法で製造されたキャ
パシタについてのデータであり、カーブAは上部電極10
がアルミニウム、カーブBはポリシリコンのものを示
す。これに対し、カーブCは第1図に示す構造をもった
本発明に係る方法で製造されたキャパシタについてのデ
ータである。本発明に係る方法によれば、リーク電流も
抑制されることがわかる。これは、Ta2O5と上部電極を
構成するポリシリコンまたはアルミニウムとの間の反応
がバリア膜によって阻止されたためである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the applied voltage V and the leak current I for a capacitor having a Ta 2 O 5 layer having a thickness of 200 °. All are data measured by applying a negative voltage to the upper electrode side. Here, curves A and B are data on capacitors manufactured by the conventional method having the structure shown in FIG.
Represents aluminum, and curve B represents polysilicon. On the other hand, curve C is data for a capacitor having the structure shown in FIG. 1 and manufactured by the method according to the present invention. According to the method according to the present invention, it can be seen that the leak current is also suppressed. This is because the reaction between Ta 2 O 5 and polysilicon or aluminum constituting the upper electrode was prevented by the barrier film.
第2の実施例 続いて、実際のDRAMメモリセルの製造に本発明を適用
した実施例を、第4図の工程図を参照しながら説明す
る。まず、シリコンからなる半導体基板1上に、公知の
プラーナ法を用いて、素子分離用酸化膜8を形成し、続
いて第1の拡散層16、第2の拡散層17、シコン酸化膜1
8、ポリシリコンゲート19をもったLDD構造のMOSトラン
ジスタを形成する。第1の拡散層16は、燐のイオン注入
によって、第2の拡散層17はAsのイオン注入によって、
それぞれ形成される。ここまでの状態を第4図(a)に
示す。Second Embodiment Next, an embodiment in which the present invention is applied to the manufacture of an actual DRAM memory cell will be described with reference to the process chart of FIG. First, an oxide film 8 for element isolation is formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon by a known planar method, and then a first diffusion layer 16, a second diffusion layer 17, and a silicon oxide film 1 are formed.
8. A MOS transistor having an LDD structure having a polysilicon gate 19 is formed. The first diffusion layer 16 is formed by phosphorus ion implantation, and the second diffusion layer 17 is formed by As ion implantation.
Each is formed. The state up to this point is shown in FIG.
続いて自己整合によって、阻止領域にTi膜をスパッタ
法によって800Å程度堆積させ、この後650℃で20秒間、
窒素雰囲気中でアニールを行い、基板のシリコンとTiと
を反応させ、TiSi膜20を形成し、シリコン酸化膜18上の
Tiを、H2O2,NH4OH,H2Oの混合液を用いたボイルによって
除去する。ここまでの状態を第4図(b)に示す。Subsequently, by self-alignment, a Ti film is deposited on the blocking region by sputtering at about 800 ° C, and then at 650 ° C for 20 seconds.
Anneal in a nitrogen atmosphere, react silicon and Ti on the substrate, form a TiSi film 20, and
The Ti, H 2 O 2, NH 4 OH, is removed by boiling with a mixture of H 2 O. FIG. 4B shows the state up to this point.
この後、900℃で20秒間、NH3雰囲気中でのアニールを
行い、TiSi膜20をTiSi2膜21(下層)とTiN膜22(上層)
との2層構造にする。この実施例では、各膜厚をRBS法
で測定したところ、それぞれ700Åと300Åであった。こ
こまでの状態を第4図(c)に示す。Thereafter, annealing is performed in an NH 3 atmosphere at 900 ° C. for 20 seconds, and the TiSi film 20 is converted into a TiSi 2 film 21 (lower layer) and a TiN film 22 (upper layer).
In a two-layer structure. In this example, when each film thickness was measured by the RBS method, it was 700 ° and 300 °, respectively. The state up to this point is shown in FIG.
続いて、第1の実施例と同様に、化成スパッタ法によ
ってTa2O5膜23を200Åの膜厚で堆積させる。この状態を
第4図(d)に示す。Subsequently, similarly to the first embodiment, a Ta 2 O 5 film 23 is deposited to a thickness of 200 ° by chemical conversion sputtering. This state is shown in FIG.
次に、TiN膜24を500Åの厚みに化成スパッタ法によっ
て堆積させ、その上にLPCVD法によってポリシリコン層2
5を4000Åの厚みに堆積させる。ここまの状態を第4図
(e)に示す。Next, a TiN film 24 is deposited to a thickness of 500 mm by chemical conversion sputtering, and a polysilicon layer 2 is formed thereon by LPCVD.
5 is deposited to a thickness of 4000 mm. The state up to this point is shown in FIG.
更に、900℃で30分間、POCl3雰囲気中に置き、燐をポ
リシリコン中にドープした後、キャパシタの上部電極を
形成するためのレジスタパターニングを行い、このレジ
ストをマスクとして、BCl3ガスを用いRIEエッチングに
よって、層24、25を除去する。ここまでの状態を第4図
(f)に示す。Furthermore, after placing in a POCl 3 atmosphere at 900 ° C. for 30 minutes, doping phosphorus into polysilicon, register patterning for forming an upper electrode of the capacitor is performed, and using this resist as a mask, BCl 3 gas is used. The layers 24 and 25 are removed by RIE etching. The state up to this point is shown in FIG.
最後に、Asイオン注入を、イオン加速電圧16keV、イ
オン密度1×1016cm-1の条件で行い、LDD構造をもった
トランジスタの高濃度拡散層26を形成する。ここまでの
状態を第4図(g)に示す。この後は、公知の工程によ
って絶縁膜を被覆し、拡散層26への配線を行う。Finally, As ion implantation is performed under the conditions of an ion acceleration voltage of 16 keV and an ion density of 1 × 10 16 cm −1 to form a high concentration diffusion layer 26 of a transistor having an LDD structure. The state up to this point is shown in FIG. Thereafter, the insulating film is covered by a known process, and wiring to the diffusion layer 26 is performed.
以上のような工程で製造を行えば、Ta2O5膜23がTiN膜
22、23によってサンドイッチされた状態となり、シリコ
ン基板1あるいはポリシリコン層25との反応が阻止され
る。If the manufacturing is performed by the above steps, the Ta 2 O 5 film 23 becomes a TiN film.
A sandwiched state is formed by the layers 22 and 23, and the reaction with the silicon substrate 1 or the polysilicon layer 25 is prevented.
第2の実施例の効果 この第2の実施例でも、前述の第1の実施例と同様
に、膜厚にかかわらずほぼ誘電率が25となり、また、第
3図のカーブCのようなリーク電流特性が得られた。Effects of the Second Embodiment Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the dielectric constant becomes almost 25 regardless of the film thickness, and the leakage as shown by the curve C in FIG. Current characteristics were obtained.
この第2の実施例によって製造したDRAMの1メモリセ
ルの転送ゲート近傍の位置関係を示す上面寸法図を第5
図(a)に示す。ここで、ポリシリコンゲート19は、幅
L1=1.0μm、長さL2=15μmである。第5図(b)
は、この装置の側断面図であり、保護絶縁層27に、コン
タクトホール28が開口され、ここにアルミニウムによる
配線29が施されている。第5図(a)に示すように、ポ
リシリコンゲート19とコンタクトホール28との間の距離
は、ソース側でL3=20μm、ドレイン側でL4=2μm、
また、コンタクトホール28の開口寸法L5=1.2μmであ
った。The top view showing the positional relationship near the transfer gate of one memory cell of the DRAM manufactured by the second embodiment is shown in FIG.
It is shown in FIG. Here, the polysilicon gate 19 has a width of
L 1 = 1.0 μm and length L 2 = 15 μm. Fig. 5 (b)
FIG. 2 is a side sectional view of this device. A contact hole 28 is opened in a protective insulating layer 27, and a wiring 29 made of aluminum is provided here. As shown in FIG. 5 (a), the distance between the polysilicon gate 19 and the contact hole 28 is L 3 = 20 μm on the source side, L 4 = 2 μm on the drain side,
The opening dimension L 5 of the contact hole 28 was 1.2 μm.
この転送ゲートでは、ソース・ドレイン領域に、第5
図(b)に示されているように、TiSi2層21およびTiN層
22が形成されている。これらの層は、ソース・ドレイン
を構成する拡散層の層抵抗の低減に寄与し、また、バリ
アメタル効果による微細コンタクトにおける接触抵抗の
低減にも寄与する。実際、この実施例に係る半導体装置
では、ドレインおよびゲート電圧を5V、基板電圧を−3V
としてドレイン電流値を測定したところ、従来装置に比
べて20〜30%の増加が確認された。これは主として、ソ
ース側拡散層における寄生抵抗が軽減された効果によ
る、拡散層の層抵抗を測定したところ、従来装置では50
Ωであったのに対し、本実施例では3〜5Ωに改善され
ていることが確認できた。また、配線層29との間の接触
抵抗は、従来装置では1×10-6〜5×10-6Ωcm2という
ばらつきがみられたのに対し、本実施例では3×10-7〜
5×10-7Ωcm2と、抵抗値が減少し良好な接触が得られ
るとともにばらつきも小さくなった。In this transfer gate, the fifth
As shown in FIG. (B), the TiSi 2 layer 21 and the TiN layer
22 are formed. These layers contribute to the reduction of the layer resistance of the diffusion layer constituting the source / drain, and also to the reduction of the contact resistance in the fine contact due to the barrier metal effect. In fact, in the semiconductor device according to this embodiment, the drain and gate voltages are 5 V and the substrate voltage is −3 V
When the drain current value was measured, an increase of 20 to 30% as compared with the conventional device was confirmed. This was mainly due to the measurement of the layer resistance of the diffusion layer due to the effect of reducing the parasitic resistance in the source side diffusion layer.
In contrast to Ω, in the present example, it was confirmed to be improved to 3 to 5 Ω. Further, the contact resistance between the wiring layer 29 and the conventional device showed a variation of 1 × 10 −6 to 5 × 10 −6 Ωcm 2 , whereas the contact resistance with the wiring layer 29 in the present embodiment was 3 × 10 −7 to 5 × 10 −6 Ωcm 2.
The resistance value was reduced to 5 × 10 −7 Ωcm 2 , good contact was obtained, and variation was reduced.
その他の実施例 (1) 上記実施例では、高誘電体層としてTa2O5を用
いた例を説明したが、このほかHfO2,ZrO2など、要する
に遷移金属の酸化物であればどのようなものを用いても
かまわない。また、Ta2O5−TiO2などの複合材料を使用
してもよいし、Ta2O5にTi,Siなどの不純物を添加したも
のでもよい(これらの複合材料や添加不純物は、リーク
電流の低減、誘電率の増大の効果がある)。また、生膜
方法として、化成スパッタ法を用いてTa2O5膜を形成し
たが、この他の方法、たとえばTaスパッタ膜の熱酸化
法、Ta2O5ターゲットを使用したRFスパッタ法、CVD法な
どを用いてもかまわない。Other Embodiments (1) In the above embodiment, an example was described in which Ta 2 O 5 was used as the high dielectric layer. However, in addition, any other transition metal oxide such as HfO 2 or ZrO 2 may be used. May be used. Further, a composite material such as Ta 2 O 5 —TiO 2 may be used, or Ta 2 O 5 to which impurities such as Ti and Si are added may be used. And the effect of increasing the dielectric constant). In addition, as a raw film method, a Ta 2 O 5 film was formed by using a chemical sputtering method, but other methods such as a thermal oxidation method of a Ta sputtered film, an RF sputtering method using a Ta 2 O 5 target, and a CVD method were used. A method may be used.
(2) 上記実施例では、単結晶シリコン基板上にプレ
ーナ型キャパシタを形成したが、単結晶シリコン基板上
にトレンチ型キャパシタを形成した場合にも同様に適用
可能である。また、基板としてポリシリコンを用いた積
層型キャパシタを形成した場合も同様である。更に、上
部電極としては、ポリシリコンに限らず、その他の金属
あるいはその珪化物(W,Mo,Ti,WSix,MoSix,TiSixなど)
を用いてもよい。(2) In the above embodiment, a planar capacitor is formed on a single crystal silicon substrate. However, the present invention can be similarly applied to a case where a trench capacitor is formed on a single crystal silicon substrate. The same applies to a case where a multilayer capacitor using polysilicon as a substrate is formed. Further, the upper electrode is not limited to polysilicon, but may be other metals or silicides thereof (W, Mo, Ti, WSix, MoSix, TiSix, etc.).
May be used.
(3) バリア膜となる高融点金属化合物の生膜方法
は、化成スパッタ法に限らず、たとえば高融点金属窒化
物の膜をつくるのであれば、高融点金属またはその珪化
物膜をN2,NF3,NH3などの雰囲気中で高温熱処理し、直接
窒化する方法と採ってもよい。(3) The method of forming a high-melting point metal compound as a barrier film is not limited to the chemical sputtering method. For example, if a high-melting point metal nitride film is to be formed, the high-melting point metal or its silicide film may be formed of N 2 , A method of performing high-temperature heat treatment in an atmosphere such as NF 3 or NH 3 and directly nitriding may be employed.
(4) バリア膜としては、TiN、すなわち金属窒化膜
を用いた例を示したが、TiCなどの炭化膜、TiBなどの硼
化膜を用いてもかまわない。(4) Although an example in which TiN, that is, a metal nitride film is used as the barrier film has been described, a carbide film such as TiC or a boride film such as TiB may be used.
(5) 第2の実施例におけるDRAMメモリセルの製造で
は、TiN/TiSi2膜の形成をサリサイドプロセスを用いた
自己整合法によって行ったが、たとえば、TiSi2膜およ
びTiN膜をスパッタ法によって全面に堆積させた後、PEP
およびドライエッチングによって必要な領域のみを残し
て除去してもよい。この場合、TiN/TiSi2の領域が阻止
分離用酸化膜あるいは転送ゲート上の酸化膜が形成され
た領域にまで伸びてきても問題ない。(5) In the manufacture of the DRAM memory cell in the second embodiment, the TiN / TiSi 2 film is formed by a self-alignment method using a salicide process. For example, the TiSi 2 film and the TiN film are entirely formed by sputtering. After being deposited on the PEP
Alternatively, it may be removed by dry etching while leaving only necessary regions. In this case, there is no problem if the TiN / TiSi 2 region extends to the region where the oxide film for blocking isolation or the oxide film on the transfer gate is formed.
以上のとおり本発明は、MOSトランジスタと遷移金属
の酸化物を含む高誘電体層をシリコンかなる上部電極と
下部電極とで挟む構造としたキャパシタを有するメモリ
セルを構成する装置及びこのような装置を製造する方法
であって、下部電極であるシリコン基板上のキャパシタ
領域及びソース、ドレイン各領域上に第1のバリア層が
設けられ、上部電極であるシリコン電極と高誘電体層と
の間に第2のバリア層が設けられており、高誘電体層と
シリコンとの間の反応が阻止されて誘電率の低下並びに
リーク電流の発生が防止される。さらに、第1のバリア
層に含まれる高融点金属の珪化物からなる第1の高融点
金属化合物層が存在することにより、シリコン基板と第
2のバリア層との間の抵抗が低減される。As described above, the present invention provides an apparatus for forming a memory cell having a capacitor in which a MOS transistor and a high dielectric layer containing a transition metal oxide are sandwiched between an upper electrode and a lower electrode made of silicon, and such an apparatus. Wherein a first barrier layer is provided on each of a capacitor region and a source / drain region on a silicon substrate as a lower electrode, and a first barrier layer is provided between the silicon electrode as an upper electrode and the high dielectric layer. A second barrier layer is provided, which prevents a reaction between the high dielectric layer and silicon, thereby preventing a decrease in dielectric constant and generation of a leak current. Furthermore, the resistance between the silicon substrate and the second barrier layer is reduced by the presence of the first high-melting-point metal compound layer made of silicide of the high-melting-point metal contained in the first barrier layer.
第1図は本発明に係る方法によって製造された半導体装
置の断面図、第2図は本発明に係る方法における誘電率
の低下抑制効果を示すグラフ、第3図は本発明に係る方
法におけるリーク電流抑制効果を示すグラフ、第4図は
本発明に係る半導体装置の製造方法の一実施例の工程
図、第5図は第4図に示す方法で製造されたDRAMの転送
ゲート近傍を示す図、第6図は従来の積層型キャパシタ
の構造断面図、第7図は従来の高誘電体層を用いたキャ
パシタの構造断面図である。 1……シリコン半導体基板、2……不純物拡散層、3…
…酸化膜、4,5,6……ポリシリコン層、7……ビットラ
インコンタクト電極、8……素子分離用酸化膜、9……
Ta2O5層、10……上部電極、11……TiSi2層、12……TiN
膜、13……Ta2O5膜、14……TiN膜、15……ポリシリコン
層、16……第1の拡散層、17……第2の拡散層、18……
シリコン酸化膜、19……ポリシリコンゲート、20……Ti
Si膜、21……TiSi2膜、22……TiN膜、23……Ta2O5膜、2
4……TiN膜、25……ポリシリコン層、26……高濃度拡散
層、27……保護絶縁層、28……コンタクトホール、29…
…アルミニウム配線。FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device manufactured by the method according to the present invention, FIG. 2 is a graph showing the effect of suppressing a decrease in dielectric constant in the method according to the present invention, and FIG. FIG. 4 is a graph showing a current suppressing effect, FIG. 4 is a process diagram of one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, and FIG. 5 is a view showing the vicinity of a transfer gate of a DRAM manufactured by the method shown in FIG. FIG. 6 is a structural sectional view of a conventional multilayer capacitor, and FIG. 7 is a structural sectional view of a conventional capacitor using a high dielectric layer. 1 ... silicon semiconductor substrate, 2 ... impurity diffusion layer, 3 ...
... Oxide film, 4,5,6 ... Polysilicon layer, 7 ... Bit line contact electrode, 8 ... Oxide film for element isolation, 9 ...
Ta 2 O 5 layers, 10 …… Top electrode, 11… TiSi 2 layers, 12… TiN
Film, 13 Ta 2 O 5 film, 14 TiN film, 15 polysilicon layer, 16 first diffusion layer, 17 second diffusion layer, 18
Silicon oxide film, 19 ... Polysilicon gate, 20 ... Ti
Si film, 21 ... TiSi 2 film, 22 ... TiN film, 23 ... Ta 2 O 5 film, 2
4 ... TiN film, 25 ... Polysilicon layer, 26 ... High concentration diffusion layer, 27 ... Protective insulating layer, 28 ... Contact hole, 29 ...
... aluminum wiring.
Claims (7)
含む高誘電体層をシリコンからなる上部電極と下部電極
で挟む構造としたキャパシタを有するメモリセルを構成
する半導体装置であって、 前記MOSトランジスタの構成要素となるソース、ドレイ
ン各領域及びゲート電極が形成され、前記下部電極とし
てのシリコン基板上における前記メモリセルの前記キャ
パシタ領域上及び前記ソース、ドレイン各領域上に設け
られ、前記シリコン基板と前記高誘電体層との反応を阻
止する第1のバリア膜であって、高融点金属の珪化物か
らなる第1の高融点金属化合物層と、その上面の高融点
金属の窒化物、炭化物又は硼化物からなる第2の高融点
金属化合物層とを含む前記第1のバリア膜と、 前記上部電極を構成するシリコン電極と前記高誘電体層
との間に設けられ、かつ前記高融点金属化合物層により
形成されて前記シリコン電極と前記高誘電体層との反応
を阻止する第2のバリア膜と、 を備えたことを特徴とする半導体装置。1. A semiconductor device constituting a memory cell having a MOS transistor and a capacitor having a structure in which a high dielectric layer containing a transition metal oxide is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode made of silicon. A source / drain region and a gate electrode serving as constituent elements of a transistor are formed; and the silicon substrate is provided on the capacitor region and the source / drain region of the memory cell on the silicon substrate as the lower electrode. Barrier film for preventing a reaction between the first refractory metal layer and the high dielectric layer, the first refractory metal compound layer comprising a refractory metal silicide, and a refractory metal nitride or carbide on the upper surface thereof. Or the first barrier film including a second refractory metal compound layer made of boride; a silicon electrode forming the upper electrode; and the high dielectric layer. It provided between, and a semiconductor device characterized by comprising a second barrier film that prevents the reaction between the refractory metal compound layer and the high dielectric layer and the silicon electrode is formed by.
はZrO2なる遷移金属化合物で形成されていることを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said high dielectric layer is formed of a transition metal compound such as Ta 2 O 5 , HfO 2 , or ZrO 2 .
含む高誘電体層をシリコンからなる上部電極と下部電極
で挟む構造としたキャパシタを有するメモリセルを構成
する半導体装置を製造する方法であって、 前記MOSトランジスタの構成要素となるソース、ドレイ
ン各領域及びゲート電極が形成され、前記下部電極とし
てのシリコン基板上における前記メモリセルの前記キャ
パシタ形成予定領域上及び前記ソース、ドレイン各形成
予定領域上に設けられ、前記シリコン基板と前記高誘電
体層との反応を阻止する第1のバリア膜であって、高融
点金属の珪化物からなる第1の高融点金属化合物層と、
その上面の高融点金属の窒化物、炭化物又は硼化物から
なる第2の高融点金属化合物層を含む前記第1のバリア
層を形成する工程と、 前記第1のバリア層上に前記高誘電体層を形成する工程
と、 前記高誘電体層上に前記高融点金属化合物層により形成
されて前記上部電極となるシリコン電極と該高誘電体層
との反応を阻止する第2のバリア膜を形成する工程と、 を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。3. A method for manufacturing a semiconductor device forming a memory cell having a MOS transistor and a capacitor having a structure in which a high dielectric layer containing a transition metal oxide is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode made of silicon. A source / drain region and a gate electrode, which are constituent elements of the MOS transistor, are formed on the capacitor formation region of the memory cell and the source / drain formation region on the silicon substrate as the lower electrode; A first barrier film for preventing a reaction between the silicon substrate and the high dielectric layer, the first barrier film being made of a refractory metal silicide;
Forming the first barrier layer including a second refractory metal compound layer made of nitride, carbide or boride of the refractory metal on the upper surface thereof; and forming the high dielectric substance on the first barrier layer. Forming a layer, and forming a second barrier film on the high dielectric layer, which is formed of the high melting point metal compound layer and which prevents a reaction between the silicon electrode serving as the upper electrode and the high dielectric layer. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
はZrO2なる遷移金属化合物で形成することを特徴とする
特許請求の範囲第3項記載の半導体装置の製造方法。4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein said high dielectric layer is formed of a transition metal compound such as Ta 2 O 5 , HfO 2 , or ZrO 2 .
スパッタ法、RFスパッタ法、CVD法によって形成する
か、あるいは遷移金属の熱酸化法によって形成すること
を特徴とする特許請求の範囲第3項または第4項記載の
半導体装置の製造方法。5. The method according to claim 1, wherein the high dielectric layer is formed by a chemical conversion sputtering method of a transition metal oxide, an RF sputtering method, a CVD method, or a thermal oxidation method of a transition metal. 5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3 or 4.
のバリア膜を、高融点金属窒化物の化成スパッタ法によ
って形成することを特徴とする特許請求の範囲第3項乃
至第5項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。6. The first refractory metal compound layer and the second refractory metal compound layer.
6. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein said barrier film is formed by chemical conversion sputtering of a refractory metal nitride.
のバリア膜を、高融点金属を窒素または窒化物を含む雰
囲気下で高温度熱処理することによって形成することを
特徴とする特許請求の範囲第3項乃至第5項のいずれか
に記載の半導体装置の製造方法。7. The first refractory metal compound layer and the second refractory metal compound layer.
6. The semiconductor device according to claim 3, wherein said barrier film is formed by performing high-temperature heat treatment in an atmosphere containing a high-melting-point metal containing nitrogen or nitride. Manufacturing method.
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