JP3597328B2 - Method for manufacturing semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置およびその製造技術に関し、特に、容量素子(キャパシタ)の容量絶縁膜を高誘電体材料で構成したメモリセルを有する半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の大容量DRAM(Dynamic Random Access Memory)は、メモリセルの微細化に伴う容量素子の蓄積電荷量の減少を補うために、メモリセル選択用MISFETの上部に容量素子を配置するスタックド・キャパシタ(stacked capacitor) 構造を採用している。さらに、この容量素子の下部電極(蓄積電極)をフィン状あるいは円筒状に加工してその表面積を大きくしたり、容量絶縁膜を誘電率の高い材料で構成したりすることも行われている。特に、高誘電体材料の一つである酸化タンタル(Ta)は、誘電率が20〜25と高く、しかも従来のDRAMプロセスとの整合性が高いことから、DRAMの容量素子への適用が進められている。
【0003】
容量素子の容量絶縁膜を上記酸化タンタルで構成する場合には、容量絶縁膜上に形成する上部電極(プレート電極)の材料として、酸化タンタルの膜質を劣化させないものを選択する必要がある。このような上部電極材料としては、W(タングステン)、Pt(プラチナ)、Mo(モリブデン)などの高融点金属や、TiN(窒化チタン)などの高融点金属窒化物が好適と考えられている。
【0004】
上部電極材料がアニールの前後において酸化タンタル膜に及ぼすリーク電流への影響を調べた「応用物理(Jpn.J.Appl.Phys.Vol.33(1994) Pt.1,No.3A) 」は、上部電極材料の仕事関数と上部電極/酸化タンタル界面の安定性とが酸化タンタル膜の電気特性を決定するという実験結果に基づいて、最適な上部電極材料は、アニールが低温(約400℃)で行われる場合にはTiN、高温(約800℃)で行われる場合にはMoまたはMoN(窒化モリブデン)であると報告している。
【0005】
DRAMの容量素子の下部電極は、前記のように表面形状が複雑なため、その上部に酸化タンタル膜を堆積する場合は、スパッタリング法よりもステップカバレージが良好なCVD(Chemical Vapor Deposition) 法を用いることが要求される。しかし、CVD法で堆積した酸化タンタル膜は、そのままでは所望の誘電率が得られないため、成膜後に約700〜800℃の高温でアニールを行って膜を結晶化させる必要がある。ところが、このアニールを行うと、下地の下部電極材料(多結晶シリコン膜)との界面に酸化膜が形成されて容量絶縁膜の実効的な誘電率が低下したり、酸化タンタル膜中の酸素が不足して膜の絶縁耐圧が低下し、リーク電流が増加したりするといった問題が生じる。
【0006】
特開昭61−3548号公報は、半導体基板上にCVD法で堆積した酸化タンタル膜の表面を乾燥酸素雰囲気中でアニールすることによって、膜中の酸素空位に起因する欠陥を回復させ、膜の絶縁耐圧を向上させる技術を開示している。
【0007】
「インターナショナル・コンファレンス・オン・ソリッドステイト・デバイセズ・アンド・マテリアルズ(International Conference on Solidstate Devices and Materials) 1992 」(p521〜p523)は、容量素子の下部電極を構成する多結晶シリコン膜をNH(アンモニア)雰囲気中でアニールしてその表面に窒化膜を形成することによって、酸化タンタル膜を堆積する際に多結晶シリコン膜の表面に酸化膜が形成されるのを防ぐ技術を開示している。
【0008】
特開平7−66300号公報に記載されたDRAMは、容量素子の容量絶縁膜をCVD法で堆積した酸化タンタル、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)またはチタン酸バリウム(BaTiO)のいずれかで構成し、上部電極をCVD法またはスパッタリング法で堆積したW、Pt、TiNなどで構成している。そして、下部電極を酸化亜鉛(ZnO)や酸化錫(SnO)のような、酸化に対する強い抵抗力示す材料で構成することによって、容量絶縁膜のアニール時に下部電極との界面に酸化膜が形成されるのを防いでいる。
【0009】
特開平7−66369号公報に記載されたDRAMは、容量素子の容量絶縁膜をCVD法で堆積した酸化タンタルで構成している。そして、成膜後のアニールを結晶化温度よりも低い温度(約600℃以下)で行い、膜をアモルファス構造に保つことによって、リーク電流のパスとなる結晶粒界や亀裂や微少欠陥の発生を抑え、リーク電流特性を改善させている。
【0010】
特開平1−222469号公報に記載されたDRAMは、容量素子の容量絶縁膜をCVD法で堆積した酸化タンタルまたは酸化ハフニウム(HfO)で構成し、この酸化タンタル(または酸化ハフニウム)と多結晶シリコンの電極(上部電極および下部電極)との間にTiNのバリヤ膜を形成することによって、シリコンと酸化タンタルとの反応を防いでいる。
【0011】
特開平6−232344号公報に記載されたDRAMは、容量素子の容量絶縁膜をCVD法で堆積した酸化タンタルや酸化ハフニウムなどで構成し、上部電極をTiNで構成している。そして、このTiNの上部に多結晶シリコンなどの非金属緩衝膜を形成することによって、容量素子の上部に堆積したBPSG(Boron−doped Phospho Silicate Glass)膜を高温リフロー(約850℃、30分)する際に容量素子が劣化するのを防いでいる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、半導体基板上に多結晶シリコンなどの導電膜を堆積し、その上部に酸化タンタル膜を堆積した後、TiCl(四塩化チタン)、TDMAT(テトラキシジメチルアミノチタン)、TDEAT(テトラキシジエチルアミノチタン)などのチタン含有ソースガスと、NH、MMH(モノメチルヒドラジン)などの窒素含有還元性ガスとを用いたCVD法で酸化タンタル膜上にTiN膜を堆積した。そして、これらの膜をパターニングして容量素子を形成し、容量絶縁膜(酸化タンタル膜)の絶縁耐圧を調べたところ、絶縁耐圧が劣化してリーク電流が増大する現象が観察された。
【0013】
その原因は未だ十分に解明されていないが、酸化タンタル膜の表面が高温で還元性ガスに接触すると、膜中の酸素(O)原子の一部がこの還元性ガスと反応して離脱し、膜中にTaやOのダングリングボンド(未結合手)が増えることが原因の一つであると本発明者は推測している。
【0014】
本発明の目的は、酸化タンタルなどの高誘電体材料で構成された容量絶縁膜の上部に、還元性ガスを含む反応ガスを用いたCVD法で上部電極材料を堆積する際に容量絶縁膜の耐圧が劣化する不具合を防止することのできる技術を提供することにある。
【0015】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0017】
本発明の半導体集積回路装置は、下部電極と、前記下部電極上に形成された高誘電体膜を含む単一または複数の膜からなる容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜上に形成されたチタンナイトライド膜を含む単一または複数の膜からなる上部電極とで構成された容量素子を有し、前記容量素子の上部電極は、還元性ガスを含まない条件下で低温CVD法により形成された保護膜を介在して前記高誘電体膜上に形成されている。
【0018】
本発明の半導体集積回路装置は、前記容量絶縁膜が酸化タンタル膜を含んでいる。
【0019】
本発明の半導体集積回路装置は、前記容量素子がDRAMのメモリセルを構成するメモリセル選択用MISFETの上部に配置されている。
【0020】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、以下の工程を含んでいる。
【0021】
(a)半導体基板の主面上に、容量素子の下部電極を構成する第1導電膜を形成する工程、
(b)前記第1導電膜上に、高誘電体膜を含む単一または複数の膜からなる容量絶縁膜を形成する工程、
(c)前記容量絶縁膜上に、還元性ガスを含まない条件下で低温CVD法により保護膜を形成する工程、
(d)前記保護膜上に、容量素子の上部電極を構成するチタンナイトライド膜を含む単一または複数の膜からなる第2導電膜を形成する工程。
【0022】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記容量絶縁膜が酸化タンタル膜を含んでいる。
【0023】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記保護膜がアモルファスチタン膜または多結晶チタン膜を含んでいる。
【0024】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記容量素子がDRAMのメモリセルを構成するメモリセル選択用MISFETの上部に配置されている。
【0025】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記容量素子の下部電極の少なくとも一部をフィン形または円筒形にパターニングする工程を含んでいる。
【0026】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、以下の工程を含んでいる。
【0027】
(a)半導体基板の主面上に、MISFETを形成する工程、
(b)前記MISFETの上部に、単一または複数の膜からなる第1導電膜を形成する工程、
(c)前記第1導電膜の少なくとも一部をフィン形または円筒形にパターニングして、容量素子の下部電極を形成する工程、
(d)前記下部電極上に、高誘電体膜を含む単一または複数の膜からなる容量絶縁膜を形成する工程、
(e)前記容量絶縁膜上に、チタン含有ソースガスを含み、窒素含有還元性ガスを含まない条件下で低温CVD法により保護膜を形成する工程、
(f)前記保護膜上に、チタン含有ソースガスと窒素含有還元性ガスとを含む条件下で低温CVD法により、チタンナイトライド膜を含む単一または複数の膜からなる第2導電膜を形成する工程、
(g)前記第2導電膜、前記保護膜および前記容量絶縁膜をパターニングして、前記容量素子の上部電極を形成する工程。
【0028】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、CVD装置のチャンバ内に前記チタン含有ソースガスを導入し、次いで前記窒素含有還元性ガスを導入することにより、前記保護膜と前記第2導電膜とを連続して成膜する。
【0029】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記容量絶縁膜が酸化タンタル膜を含んでいる。
【0030】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記保護膜がアモルファスチタン膜または多結晶チタン膜を含んでいる。
【0031】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記チタン含有ソースガスが四塩化チタン、テトラキシジメチルアミノチタン、テトラキシジエチルアミノチタンまたはそれらの混合ガスを含んでいる。
【0032】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、前記窒素含有還元性ガスがアンモニア、モノメチルヒドラジンまたはそれらの混合ガスを含んでいる。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0034】
(実施の形態1)
本実施の形態は、メモリセル選択用MISFETの上部にビット線を配置し、このビット線の上部に情報蓄積用容量素子を配置するキャパシタ・オーバー・ビットライン(Capacitor Over Bitline;COB)構造のメモリセルを備えたDRAMに適用したものである。
【0035】
このメモリセルを形成するには、まず図1に示すように、p型の単結晶シリコンからなる半導体基板1の主面にp型不純物(ホウ素)をイオン打込みしてp型ウエル2を形成した後、周知のLOCOS法でp型ウエル2の表面に素子分離用のフィールド酸化膜3およびゲート酸化膜4を形成する。次に、フィールド酸化膜3の下部を含むp型ウエル2内にp型不純物(ホウ素)をイオン打込みして素子分離用のp型チャネルストッパ層5を形成する。
【0036】
次に、図2に示すように、p型ウエル2上にメモリセル選択用MISFETのゲート電極6(およびこのゲート電極6と一体に構成されるワード線WL)を形成する。ゲート電極6(ワード線WL)は、p型ウエル2上にCVD法で多結晶シリコン膜(または多結晶シリコン膜と高融点金属シリサイド膜とを積層したポリサイド膜)と酸化シリコン膜7とを堆積し、フォトレジストをマスクにしたエッチングでこれらの膜をパターニングして形成する。
【0037】
次に、図3に示すように、p型ウエル2にn型不純物(リン)をイオン打込みしてメモリセル選択用MISFETのn型半導体領域8(ソース領域、ドレイン領域)を形成する。続いて図4に示すように、ゲート電極6(ワード線WL)の側壁にサイドウォールスペーサ9を形成した後、CVD法で酸化シリコン膜10を堆積する。サイドウォールスペーサ9は、CVD法で堆積した酸化シリコン膜を反応性イオンエッチング法でパターニングして形成する。
【0038】
次に、図5に示すように、メモリセル選択用MISFETのソース、ドレイン領域(n型半導体領域8)の一方の上部の酸化シリコン膜10およびゲート酸化膜4を開孔して接続孔11を形成した後、酸化シリコン膜10上にCVD法でn型の多結晶シリコン膜12を堆積し、続いて図6に示すように、この多結晶シリコン膜12をパターニングする。
【0039】
次に、図7に示すように、CVD法で堆積したBPSG膜13をリフローしてその表面を平坦化した後、メモリセル選択用MISFETのソース、ドレイン領域(n型半導体領域8)の他方の上部のBPSG膜13、酸化シリコン膜10およびゲート酸化膜4を開孔して接続孔14を形成する。
【0040】
次に、図8に示すように、BPSG膜13上にCVD法で堆積したn型の多結晶シリコン膜をパターニングして、前記接続孔14を通じてn型半導体領域8に接続されるビット線BLを形成する。ビット線BLは、スパッタリング法で堆積したTiN膜とW膜の積層膜などで構成することもできる。
【0041】
次に、図9に示すように、BPSG膜13上にCVD法で酸化シリコン膜15、窒化シリコン膜16および酸化シリコン膜17を順次堆積した後、図10に示すように、n型半導体領域8の上部の酸化シリコン膜17、窒化シリコン膜16および酸化シリコン膜15を開孔して前記多結晶シリコン膜12に達する接続孔18を形成する。
【0042】
次に、図11に示すように、酸化シリコン膜17上にCVD法でn型の多結晶シリコン膜19を堆積し、続いてこの多結晶シリコン膜19上にCVD法で酸化シリコン膜20を堆積する。続いて図12に示すように、酸化シリコン膜20を円柱状にパターニングして接続孔18の内部と上部のみに残した後、CVD法でn型の多結晶シリコン膜21を堆積する。
【0043】
次に、図13に示すように、多結晶シリコン膜21を反応性イオンエッチング法でパターニングして円柱形の酸化シリコン膜20の側壁のみに残した後、多結晶シリコン膜21の下層の多結晶シリコン膜19をパターニングして、酸化シリコン膜20およびその側壁の多結晶シリコン膜21の下部のみに残す。
【0044】
次に、図14に示すように、フッ酸水溶液などウェットエッチング液を用いて酸化シリコン膜20および下層の酸化シリコン膜17を除去する。このとき、酸化シリコン膜17の下層の窒化シリコン膜16がエッチングストッパとなるので、窒化シリコン膜16よりも下層の酸化シリコン膜15やBPSG膜13などが除去されることはない。これにより、3層の多結晶シリコン膜12、19、20からなる円筒形(クラウン形)の下部電極22が得られる。
【0045】
次に、図15に示すように、下部電極22の表面にCVD法で窒化シリコン膜23を薄く堆積した後、窒化シリコン膜23の表面にCVD法で酸化タンタル膜24を薄く堆積することにより、窒化シリコン膜23と酸化タンタル膜24の積層膜で構成された情報蓄積用容量素子の容量絶縁膜25を形成する。酸化タンタル膜24は、例えばTa(OC)(エトキシタンタル)を反応ガスに用いて400℃程度の温度で堆積し、その後、電気炉またはランプアニール装置を用いて700〜1000℃程度の温度でアニールする。酸化タンタル膜24と蓄積電極との間には窒化シリコン膜が設けられているので、この高温アニール時に酸化タンタル膜24と下部電極22(多結晶シリコン膜)とが反応して両者の界面に酸化物が形成されることはない。
【0046】
次に、上記容量絶縁膜25の上部に情報蓄積用容量素子の上部電極を形成するために、半導体基板1を図18に示すCVD装置40のチャンバ41内に搬入する。
【0047】
同図に示すように、このCVD装置40は、TiCl、TDMAT、TDEATなどのチタン含有ソースガスと、TiN膜中のTiとNの組成比を1:1に近づけるために使用するNH、MMHなどの窒素含有還元性ガスと、He(ヘリウム)、Ar(アルゴン)、N(窒素)などの不活性ガスのそれぞれを個別のガス供給管を通じてチャンバ41内に導入する構造になっている。このような構造にすることにより、ガス供給管の途中でガス同士が反応して管内に反応物が堆積する不具合を防止することができる。
【0048】
また、このCVD装置40は、ガス供給管の途中に設けたバルブ42、43の開閉を調整することによって、チャンバ41内に窒素含有還元性ガスまたは不活性ガスのいずれか一方のみを選択的に導入できる構造になっている。
【0049】
さらに、このCVD装置40は、チャンバ41内に窒素含有還元性ガスを導入するガス供給管の途中に、チャンバ41内の真空度を調整するための真空ポンプ44とは別の真空ポンプ45が接続されている。このような構造にすると、チャンバ41内に窒素含有還元性ガスを導入する初期段階に真空ポンプ45でガス供給管内のガスの一部を排気することにより、チャンバ41内に瞬間的に過剰の窒素含有還元性ガスが導入されてしまう不具合を防止することができる。
【0050】
本実施の形態では、半導体基板1を上記CVD装置40のチャンバ41内に搬入した後、まず真空ポンプ44でチャンバ41内を所定の真空度になるまで排気し、続いてチャンバ41内に所定の流量のチタン含有ソースガスと不活性ガスとを導入し、約300〜600℃、より好ましくは約400〜450℃でチタン含有ソースガスを熱分解させることにより、図16に示すように、酸化タンタル膜24の表面に沿ってアモルファスTi膜26を薄く堆積する。なお、不活性ガスとしてNまたはNと他の不活性ガスとの混合ガスを使用した場合は、アモルファスTiNを一部含んだアモルファスTi膜26が形成されることもあるが支障はない。
【0051】
次に、CVD装置40のチャンバ41内に所定の流量のチタン含有ソースガス、窒素含有還元性ガスおよび不活性ガスを導入し、図17に示すように、チタン含有ソースガスと窒素含有還元性ガスとを反応させてアモルファスTi膜26の上部にTiN膜27を堆積することにより、アモルファスTi膜26とTiN膜27の積層膜で構成された情報蓄積用容量素子の上部電極28を形成する。
【0052】
上記の方法によれば、酸化タンタル膜24の表面はアモルファスTi膜26で覆われているので、窒素含有還元性ガスが酸化タンタル膜24と接触することはない。従って、窒素含有還元性ガスによる酸化タンタル膜の耐圧劣化が確実に防止される。また、チャンバ41内に窒素含有還元性ガスを導入する初期段階に真空ポンプ45でガス供給管内のガスの一部を排気し、チャンバ41内に瞬間的に過剰の窒素含有還元性ガスが導入されないようにすることにより、TiN膜27中のTiとNの組成を最適値(Ti:N=1:1)に近づけることができる。
【0053】
このように、本実施の形態によれば、情報蓄積用容量素子の容量絶縁膜25を構成する酸化タンタル膜24の上部にCVD法でTiN膜27を堆積して上部電極28を形成する際、あらかじめ酸化タンタル膜24の表面に窒素含有還元性ガスを透過しないアモルファスTi膜26を形成しておくことにより、酸化タンタル膜24の耐圧劣化(リーク電流の増大)を確実に防止することができるので、リフレッシュ特性の向上したDRAMを実現することができる。
【0054】
(実施の形態2)
図19は、本実施の形態のDRAMのブロック図、図20は、このDRAMのメモリアレイとセンスアンプの回路図である。
【0055】
本実施の形態のDRAMは、半導体基板の主面の主要部を占めるメモリアレイMARYをその基本構成要素とする。このメモリアレイMARYは、図20に示すように、図の垂直方向に平行して配置されるm+l本のワード線(W0 −Wm )と、水平方向に平行して配置されるn+l組の相補性ビット線(非反転ビット線BOT−BNTおよび反転ビット線BOB−BNB)とを含んでいる。これらのワード線および相補ビット線の交点には、情報蓄積用容量素子(Cs)およびメモリセル選択用MISFETQaからなる(m+1)×(n+l)個のメモリセルが格子状に配置されている。
【0056】
メモリアレイMARYの同一の列に配置されたm+l個のメモリセルのメモリセル選択用MISFETQaのドレイン領域は、対応する相補ビット線の非反転または反転信号線に所定の規則性をもって交互に結合されている。また、メモリアレイMARYの同一の行に配置されたn+l個のメモリセルのメモリセル選択用MISFETQaのゲート電極は、対応するワード線と一体に結合されているる。メモリアレイMARYを構成するすべてのメモリセルの情報蓄積用容量素子(Cs)の他方の電極には、所定のプレート電圧VPが共通に供給される。
【0057】
メモリアレイMARYを構成するワード線(W0 −Wm )は、その下方においてXアドレスデコーダXDに結合され、択一的に選択状態とされる。XアドレスデコーダXDには、XアドレスバッファXBからi+1ビットの内部アドレス信号(X0 −Xi )が供給され、タイミング発生回路TGから内部制御信号XDGが供給される。また、XアドレスバッファXBには、アドレス入力端子(A0 −Ai )を介してXアドレス信号(XA0 −XAi )が時分割的に供給され、タイミング発生回路TGから内部制御信号XLが供給される。
【0058】
XアドレスバッファXBは、アドレス入力端子(A0 −Ai )を介して供給されるXアドレス信号(XA0 −XAi )を内部制御信号XLに従って取り込み、保持すると共に、これらのXアドレス信号を元に内部アドレス信号(X0 −Xi )を形成してXアドレスデコーダXDに供給する。また、XアドレスデコーダXDは、内部制御信号XDGのハイレベルを受けて選択的に動作状態とされ、内部アドレス信号(X0 −Xi )をデコードして、メモリアレイMARYの対応するワード線(W0 −Wm )を択一的にハイレベルの選択状態とする。
【0059】
メモリアレイMARYを構成する相補ビット線(BOT−BNT、BOB−BNB)はセンスアンプSAに結合され、このセンスアンプSAを介して相補共通データ線CDに択一的に接続されている。センスアンプSAには、YアドレスデコーダYDからn+1ビットのビット線選択信号(YS0 −YSn )が供給され、タイミング発生回路TGから内部制御信号PAが供給される。また、YアドレスデコーダYDには、YアドレスバッファYBからi+lビットの内部アドレス信号(Y0 −Yi )が供給され、タイミング発生回路TGから内部制御信号YDGが供給される。さらに、YアドレスバッファYBには、アドレス入力端子(A0 −Ai )を介してYアドレス信号(AY0 −AYi )が時分割的に供給され、タイミング発生回路TGから内部制御信号YLが供給される。
【0060】
YアドレスバッファYBは、アドレス入力端子(A0 −Ai )を介して供給されるYアドレス信号(AY0 −AYi )を内部制御信号YLに従って取り込み、保持するとともに、これらのYアドレス信号を元に内部アドレス信号(Y0 −Yi )を形成して、YアドレスデコーダYDに供給する。また、YアドレスデコーダYDは、内部制御信号YDGがハイレベルとされることで選択的に動作状態とされ、内部アドレス信号(Y0 −Yi )をデコードして、対応するビット線選択信号(YS0 −YSn )を択一的にハイレベルの選択状態とする。
【0061】
センスアンプSAは、メモリアレイMARYの相補ビット線に対応して設けられるn+1個の単位回路を含んでいる。これらの単位回路は、特に制限されないが、図20に例示されるように、相補ビット線の非反転および反転信号線間にそれぞれ設けられた一対のnチャネル型MISFETN、Nからなるビット線プリチャージ回路と、pチャネル型MISFETPおよびnチャネル型MISFETNからなるCMOSインバータならびにpチャネル型MISFETPおよびnチャネル型MISFETNからなるCMOSインバータが交差結合されてなる単位増幅回路とをそれぞれ含んでいる。このうち、各単位回路のビット線プリチャージ回路を構成するnチャネル型MISFETN、Nの共通結合されたソース領域には内部電圧HVが共通に供給され、そのゲート電極には内部制御信号PCが共通に供給される。なお、内部電圧HVは、回路の電源電圧および接地電位間の中間電位とされる。また、内部制御信号PCは、メモリセルが非選択状態とされるときに選択的にハイレベルとされる。これにより、nチャネル型MISFETN、Nは、メモリセルが非選択状態とされ、内部制御信号PCがハイレベルとされることで選択的に、かつ一斉にオン状態となり、メモリアレイMARYの対応する相補ビット線の非反転および反転信号線を内部電圧HVにプリチャージする。
【0062】
一方、各単位回路の単位増幅回路を構成するpチャネル型MISFETP、Pのソース領域は、コモンソース線SPに共通結合されている。コモンソース線SPは、そのゲート電極に内部制御信号PAのインバータVlによる反転信号つまり反転内部制御信号PABを受けるpチャネル型の駆動用MISFETPを介して回路の電源電圧に結合されている。同様に、各単位回路の単位増幅回路を構成するnチャネル型MISFETN、Nのソース領域は、コモンソース線SNに共通結合されている。コモンソース線SNは、そのゲート電極に内部制御信号PAを受けるnチャネル型の駆動用MISFETNを介して回路の接地電位に結合されている。この結果、各単位増幅回路は、内部制御信号PAがハイレベルとされ、反転内部制御信号PABがロウレベルとされることで選択的に、かつ一斉に動作状態とされ、メモリアレイMARYの選択されたワード線に結合されるn+1個のメモリセルから対応する相補ビット線を介して出力される微小読み出し信号を増幅し、ハイレベルまたはロウレベルの2値読み出し信号とする。
【0063】
さらに、センスアンプSAの各単位回路は、単位増幅回路の非反転および反転入出力ノードと相補共通データ線CDとの間に設けられるnチャネル型の一対のスイッチMISFETN、Nをそれぞれ含んでいる。これらのスイッチMISFET対のゲート電極はそれぞれ共通結合され、YアドレスデコーダYDから対応するビット線選択信号(YS0 −YSn )がそれぞれ供給される。これにより、各単位回路のスイッチMISFETN、Nは、対応するビット線選択信号(YS0 −YSn )がハイレベルとされることで選択的にオン状態とされ、センスアンプSAの対応する単位増幅回路つまりメモリアレイMARYの対応するl組の相補ビット線と相補共通データ線CDとを選択的に接続状態とする。
【0064】
メモリアレイMARYの相補ビット線の指定されたl組が択一的に接続状態とされる相補共通データ線CDは、データ入出力回路IOに結合されている。データ入出力回路IOは、図示しないライトアンプおよびメインアンプならびにデータ入力バッファおよびデータ出力バッファを含んでいる。このうち、ライトアンプの出力端子およびメインアンプの入力端子は、相補共通データ線CDに共通結合されている。ライトアンプの入力端子は、データ入力バッファの出力端子に結合され、データ入力バッファの入力端子は、データ入力端子Dinに結合されている。また、メインアンプの出力端子はデータ出力バッファの入力端子に結合され、データ出力バッファの出力端子はデータ出力端子Dout に結合されている。
【0065】
データ入出力回路IOのデータ入力バッファは、メモリセルが書き込みモードで選択状態とされるとき、データ入力端子Dinを介して供給される書き込みデータを取り込み、ライトアンプに伝達する。この書き込みデータは、ライトアンプによって所定の相補書き込み信号とされた後、相補共通データ線CDを介してメモリアレイMARYの選択されたl個のメモリセルに書き込まれる。一方、データ入出力回路IOのメインアンプは、メモリセルが読み出しモードで選択状態とされるとき、メモリアレイMARYの選択されたメモリセルから相補共通データ線CDを介して出力される2値読み出し信号をさらに増幅して、データ出力バッファに伝達する。この読み出しデータは、データ出力バッファからデータ出力端子Dout を介して外部に送出される。
【0066】
タイミング発生回路TGは、外部から起動制御信号として供給されるロウアドレスストロープ信号RASB、カラムアドレスストローブ信号CASBおよびライトイネーブル信号WEBを元に上記各種の内部制御信号を選択的に形成してDRAMの各部に供給する。
【0067】
次に、本実施の形態のDRAMの製造方法を図21〜図47を用いて説明する。
【0068】
このDRAMを製造するには、まず図21に示すように、p型単結晶シリコンからなる半導体基板1の表面を酸化して薄い酸化シリコン膜53を形成した後、CVD法を用いて酸化シリコン膜53上に窒化シリコン膜54を堆積し、次いでフォトレジストをマスクにしてこの窒化シリコン膜54をエッチングすることにより、素子分離領域の窒化シリコン膜54を除去する。
【0069】
次に、図22に示すように、窒化シリコン膜54をマスクにして半導体基板1をアニールすることにより、フィールド酸化膜3を形成する。次に、窒化シリコン膜54を除去した後、図23に示すように、メモリアレイを形成する領域と周辺回路のnチャネル型MISFETを形成する領域の半導体基板1にp型不純物(ホウ素(B))をイオン注入してp型ウエル2を形成する。また、周辺回路のpチャネル型MISFETを形成する領域の半導体基板1にn型不純物(リン(P))をイオン注入してn型ウエル55を形成する。続いて、p型ウエル2にp型不純物(B)をイオン注入してp型チャネルストッパ層5を形成し、n型ウエル55にn型不純物(P)をイオン注入してn型チャネルストッパ層6を形成する。その後、フィールド酸化膜3で囲まれたp型ウエル2、n型ウエル55のそれぞれの活性領域の表面を熱酸化してゲート酸化膜4を形成する。
【0070】
次に、図24に示すように、メモリセル選択用MISFETのゲート電極6A(ワード線WL)、周辺回路のnチャネル型MISFETのゲート電極6Bおよびpチャネル型MISFETのゲート電極6Cを形成する。ゲート電極6A(ワード線WL)とゲート電極6B、6Cは、CVD法を用いて半導体基板1上にタングステン(W)膜を堆積し、続いてこのW膜上にプラズマCVD法を用いて窒化シリコン膜57を堆積した後、フォトレジストをマスクにしたエッチングでこれらの膜をパターニングして同時に形成する。
【0071】
次に、図25に示すように、p型ウエル2にn型不純物(P)をイオン注入し、n型ウエル55にp型不純物(B)をイオン注入する。後の工程で行うアニールにより、このn型不純物(P)でメモリセル選択用MISFETのn型半導体領域8(ソース領域、ドレイン領域)と周辺回路のnチャネル型MISFETのn型半導体領域58とが形成され、p型不純物(B)で周辺回路のpチャネル型MISFETのp型半導体領域59が形成される。
【0072】
次に、図26に示すように、ゲート電極6A(ワード線WL)とゲート電極6B、6Cのそれぞれの側壁にサイドウォールスペーサ9を形成した後、周辺回路のp型ウエル2にn型不純物(P)をイオン注入し、n型ウエル55にp型不純物(B)をイオン注入する。サイドウォールスペーサ9は、プラズマCVD法を用いて半導体基板1上に窒化シリコン膜を堆積した後、この窒化シリコン膜を異方性エッチングで加工して形成する。
【0073】
次に、図27に示すように、半導体基板1を窒素雰囲気中でアニールして前記n型不純物(P)とp型不純物とを拡散させることにより、メモリセル選択用MISFETのn型半導体領域8(ソース領域、ドレイン領域)と、周辺回路のnチャネル型MISFETのn型半導体領域58およびn型半導体領域60と、pチャネル型MISFETのp型半導体領域59およびp型半導体領域61とを形成する。周辺回路のnチャネル型MISFETのソース領域、ドレイン領域のそれぞれは、n型半導体領域58とn型半導体領域60とからなるLDD(Lightly Doped Drain) 構造で構成され、pチャネル型MISFETのソース領域、ドレイン領域のそれぞれは、p型半導体領域59とp型半導体領域61とからなるLDD構造で構成される。
【0074】
次に、図28に示すように、メモリセル選択用MISFET、周辺回路のnチャネル型MISFETおよびpチャネル型MISFETのそれぞれの上部にプラズマCVD法を用いて酸化シリコン膜62を堆積し、続いてこの酸化シリコン膜62を化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing; CMP)法で研磨してその表面を平坦化した後、フォトレジストをマスクにして酸化シリコン膜62およびゲート酸化膜4をエッチングすることにより、メモリセル選択用MISFETのn型半導体領域8(ソース領域、ドレイン領域)の上部に接続孔63、64を形成し、周辺回路のnチャネル型MISFETのn型半導体領域60(ソース領域、ドレイン領域)の上部に接続孔65、66を形成し、pチャネル型MISFETのp型半導体領域61(ソース領域、ドレイン領域)の上部に接続孔67、68を形成する。
【0075】
このとき、メモリセル選択用MISFETのゲート電極6A(ワード線WL)の上部に形成された窒化シリコン膜57と側壁に形成された窒化シリコンのサイドウォールスペーサ9は、僅かにエッチングされるだけなので、接続孔63、64が自己整合(セルフアライン)で形成される。同様に、周辺回路のnチャネル型MISFETのゲート電極6B、pチャネル型MISFETのゲート電極6Cのそれぞれの上部に形成された窒化シリコン膜57と側壁に形成された窒化シリコンのサイドウォールスペーサ9は、僅かにエッチングされるだけなので、接続孔65〜68が自己整合(セルフアライン)で形成される。
【0076】
メモリセル選択用MISFET、周辺回路のnチャネル型MISFETおよびpチャネル型MISFETの上部に堆積する絶縁膜としては、上記酸化シリコン膜62の他にも、例えばCVD法を用いて堆積したオゾン(O)−BPSG膜や、CVD法を用いて堆積したオゾン−TEOS(Tetra Ethoxy Silane) などを使用することができる。これらの絶縁膜は、酸化シリコン膜62と同じく、化学的機械研磨(CMP)法でその表面を平坦化する。
【0077】
次に、図29に示すように、接続孔63〜68の内部にTiNとWの積層膜で構成されたプラグ69を埋め込む。このプラグ69は、酸化シリコン膜62の上部に基板とW膜との接着層となるTiN膜をスパッタリング法を用いて堆積し、続いてCVD法を用いてこのTiN膜の上部にW膜を堆積した後、このW膜とTiN膜とをエッチバックして形成する。
【0078】
このとき、プラグ69と基板のコンタクト抵抗を低減するために、接続孔63〜68の底部にTiシリサイド(TiSi)層を形成してもよい。Tiシリサイド層は、スパッタリング法を用いて酸化シリコン膜62の上部にTi膜を堆積し、800℃程度のアニールでこのTi膜と接続孔63〜68の底部の基板とを反応させた後、酸化シリコン膜62上に残った未反応のTi膜をウェットエッチングで除去して形成する。その後、酸化シリコン膜62の上部に堆積したTiN膜とW膜とをエッチバックしてプラグ69を形成する。
【0079】
次に、図30に示すように、酸化シリコン膜62の上部にビット線BL,BLと周辺回路の配線70A、70Bとを形成する。ビット線BL,BLと配線70A、70Bは、プラズマCVD法を用いて酸化シリコン膜62の上部にW膜を堆積し、続いてこのW膜の上部にCVD法を用いて窒化シリコン膜71を堆積した後、フォトレジストをマスクにしたエッチングでこれらの膜をパターニングして同時に形成する。
【0080】
ビット線BLは、前記接続孔63を通じてメモリセル選択用MISFETのソース領域、ドレイン領域の一方(n型半導体領域8)と電気的に接続される。またビット線BLは、前記接続孔65を通じて周辺回路のnチャネル型MISFETQnのソース領域、ドレイン領域の一方(n型半導体領域60)と電気的に接続される。
【0081】
周辺回路の配線70Aの一端は、接続孔66を通じてnチャネル型MISFETのソース領域、ドレイン領域の他方(n型半導体領域60)と電気的に接続され、他端は接続孔67を通じてpチャネル型MISFETのソース領域、ドレイン領域の一方(p型半導体領域61)と電気的に接続される。また配線70Bは、接続孔68を通じてpチャネル型MISFETのソース領域、ドレイン領域の他方(p型半導体領域61)と電気的に接続される。
【0082】
次に、図31に示すように、ビット線BL,BLと配線70A、70Bのそれぞれの側壁にサイドウォールスペーサ72を形成する。サイドウォールスペーサ72は、プラズマCVD法を用いて酸化シリコン膜62の上部に窒化シリコン膜を堆積した後、この窒化シリコン膜を異方性エッチングで加工して形成する。
【0083】
次に、図32に示すように、ビット線BL,BLと配線70A、70Bのそれぞれの上部にプラズマCVD法を用いて酸化シリコン膜73を堆積し、続いてこの酸化シリコン膜73を化学的機械研磨(CMP)法で研磨してその表面を平坦化した後、フォトレジストをマスクにして酸化シリコン膜73をエッチングすることにより、メモリセル選択用MISFETのn型半導体領域8(ソース領域、ドレイン領域)の一方の上部に形成された前記接続孔64の上部に接続孔74を形成する。このとき、ビット線BLの上部に形成された窒化シリコン膜71と側壁に形成された窒化シリコンのサイドウォールスペーサ72は、僅かにエッチングされるだけなので、接続孔74が自己整合(セルフアライン)で形成される。
【0084】
ビット線BL,BLおよび配線70A、70Bの上部に堆積する絶縁膜としては、上記酸化シリコン膜73の他にも、例えば前記のオゾン−BPSG膜やオゾン−TEOS膜、あるいはスピンオングラス(Spin On Glass; SOG)膜などを使用することができる。オゾン−BPSG膜やオゾン−TEOS膜を使用した場合は、酸化シリコン膜73と同じく化学的機械研磨(CMP)法でその表面を平坦化する。
【0085】
次に、図33に示すように、接続孔74の内部にWのプラグ75を埋め込んだ後、接続孔74の上部に情報蓄積用容量素子の下部電極(蓄積電極)76を形成する。Wのプラグ75は、CVD法を用いて酸化シリコン膜73の上部にW膜を堆積した後、このW膜をエッチバックして形成する。下部電極76は、CVD法を用いて酸化シリコン膜73の上部にW膜を堆積した後、フォトレジストをマスクにしたエッチングでこのW膜をパターニングして形成する。
【0086】
次に、図34に示すように、下部電極22の上部に酸化タンタル膜77を堆積する。酸化タンタル膜77は、ステップカバレージのよいCVD法を用いて堆積する。酸化タンタル膜77は、例えばTa(OC) を反応ガスに用いて400℃程度の温度で堆積した後、電気炉またはランプアニール装置を用いて700〜1000℃程度の温度でアニールする。
【0087】
次に、前記実施の形態1で用いたCVD装置を用いて酸化タンタル膜77の上部に上部電極用の導電膜を堆積する。このとき使用するチタン含有ソースガスはTiCl、TDMATまたはTDEAT、窒素含有還元性ガスはNH、MMHまたはそれらの混合ガス、不活性ガスはHe、Ar、Nまたはそれらの混合ガスである。
【0088】
本実施の形態では、図35に示すステップに従ってCVD装置のチャンバ内にガスを導入する。すなわち、チャンバ内を所定の真空度に排気した後、基板を昇温させながら不活性ガスを導入し、基板温度がほぼ一定になったところでチタン含有ソースガスを導入してこれを熱分解させることにより、図36に示すように、酸化タンタル膜77の表面にTiを主成分とする膜厚30〜50Å程度の薄い保護膜78を形成する。続いて、チャンバ内に窒素含有還元性ガスを導入してチタン含有ソースガスと反応させることにより、図37に示すように、保護膜78の表面にTiN膜79を堆積する。このときの代表的なチタン含有ソースガスと窒素含有還元性ガスとの反応式を図38に示す。
【0089】
チタン含有ソースガスは、図39に示すように、基板の昇温時に不活性ガスとほぼ同時に導入してもよく、あるいは図40に示すように、窒素含有還元性ガスを導入する直前に導入してもよいが、いずれの場合も窒素含有還元性ガスに先だってチタン含有ソースガスを導入する。このようにすると、チタン含有ソースガスの熱分解によって酸化タンタル膜77の表面に保護膜78が形成され、これがその後に導入される窒素含有還元性ガスと酸化タンタル膜77との接触を防ぐので、酸化タンタル膜77の劣化が防止される。
【0090】
また、酸化タンタル膜77の上部に保護膜78とTiN膜79とを堆積する際には、窒素含有還元性ガスの透過に対する保護膜78のバリヤ性が十分高くなるような温度条件で成膜を行う必要がある。具体的には、結晶化温度よりも低い温度で成膜を行い、結晶に比べて膜中にガスの透過するパスが少ないアモルファス状あるいは多結晶状の保護膜78を形成する。
【0091】
保護膜78とTiN膜79の成膜温度は、使用するチタン含有ソースガスや窒素含有還元性ガスの種類およびそれらの組み合わせによって最適値が異なるが、一般に窒素含有還元性ガスとしてNHを使用する場合は550℃以下、より好ましくは500℃以下であり、MMHを使用する場合は500℃以下、より好ましくは450℃以下である。
【0092】
図41および図42は、上記保護膜78およびTiN膜79の成膜温度と、酸化タンタル膜77の電界強度との関係を調べた実験結果を示すグラフである。図41は、TiN膜79で構成された上部電極に正(+)の電圧を印加したときの10−8A/cmでの電界強度を示し、図42は、上記上部電極に負(−)の電圧を印加したときの10−8A/cmでの電界強度を示している。図中の白い丸印(○)は、前記図35に示したステップで成膜を行った場合(不活性ガス=He+Ar、チタン含有ソースガス=TiCl、窒素含有還元性ガス=NH)、黒い丸印(●)は、前記図39に示したステップで成膜を行った場合(不活性ガス=He+Ar、チタン含有ソースガス=TiCl、窒素含有還元性ガス=NH)、白い角印(□)は、前記図40に示したステップで成膜を行った場合(不活性ガス=He+Ar、チタン含有ソースガス=TiCl、窒素含有還元性ガス=NH)、黒い角印(■)は、同じく図40に示したステップで成膜を行った場合(不活性ガス=He+Ar、チタン含有ソースガス=TiCl、窒素含有還元性ガス=NH+MMH)である。
【0093】
上記実験結果から、一般に保護膜78およびTiN膜79の成膜温度が低い方が酸化タンタル膜77の電界強度が増加し、容量絶縁膜のリーク耐圧が向上することが判る。なお、上記の成膜プロセスでは、チタン含有ソースガス(TiCl)の分解によって生じた塩素が膜中に取り込まれる。この塩素濃度は、図43に示すように、成膜温度が低くなるにつれて高くなる。上部電極を構成する導電膜中に高濃度の塩素が取り込まれると、上部電極の上層にAl(アルミニウム)を含む配線を形成した際、上部電極とこの配線とを接続する接続孔を通じて配線中に塩素が取り込まれるため、配線腐蝕を引き起こすポテンシャルが高くなる。従って、保護膜78およびTiN膜79の成膜温度の下限は、この点にも配慮して設定する必要がある。
【0094】
次に、図44に示すように、TiN膜79の上部に高選択比膜80を堆積した後、フォトレジストをマスクにしたドライエッチングで高選択比膜80、TiN膜79、保護膜78および酸化タンタル膜77をパターニングして上部電極(プレート電極)90および容量絶縁膜(酸化タンタル膜77)を形成し、情報蓄積用容量素子Csを完成させる。また同時に周辺回路の配線81、82を形成する。高選択比膜80は、後の工程で酸化シリコン膜や窒化シリコン膜をエッチングする際のエッチングストッパとなる膜であり、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜に対するエッチング選択比が大きい材料であれば絶縁膜であっても導電膜であってもよい。
【0095】
次に、図45に示すように、情報蓄積用容量素子Csおよび配線81、82の上部に酸化シリコン膜83を堆積した後、フォトレジストをマスクにして酸化シリコン膜83をドライエッチングすることにより、情報蓄積用容量素子Csの上部電極90の上部に接続孔84を形成し、配線81の上部に接続孔85を形成する。また同時に、配線82が形成された領域の酸化シリコン膜83、酸化シリコン膜73および窒化シリコン膜71をエッチングして周辺回路の配線70Bの上部に接続孔86を形成する。このとき、上部電極90の上部と配線81、82の上部は高選択比膜80で覆われているので、上部電極90や配線81、82がエッチングされて膜厚が薄くなることはない。
【0096】
次に、図46に示すように、上部電極90および配線81、82を覆っている高選択比膜80をエッチングすることにより、接続孔85の内部に配線81の一部を露出させ、接続孔86の内部に配線82の一端を露出させる。
【0097】
次に、図47に示すように、接続孔84、85、86の内部にTiN(またはW)からなるプラグ87を埋め込んだ後、酸化シリコン膜83の上部にAlとTiNの積層膜からなる配線88A、88B、88Cを形成する。これにより、周辺回路の配線81は、配線88Cおよび配線82を介して下層の配線70Bと接続される。
【0098】
このように、本実施の形態によれば、情報蓄積用容量素子Csの容量絶縁膜を構成する酸化タンタル膜77の上部に低温CVD法でTiN膜79を堆積して上部電極90を形成する際、あらかじめ酸化タンタル膜77の表面に窒素含有還元性ガスを透過しない保護膜78を形成しておくことにより、酸化タンタル膜77の耐圧劣化(リーク電流の増大)を確実に防止することができるので、リフレッシュ特性の向上したDRAMを実現することができる。
【0099】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0100】
前記実施の形態では、容量素子の上部電極をTiNで構成する場合について説明したが、上部電極をTiN以外の材料例えばTaNなどで構成する場合にも本発明を適用することができる。例えば酸化タンタル膜上にCVD法でTaN膜を堆積する場合は、Ta(OC) をNHやMMHなどの窒素含有還元性ガスで還元する方法が用いられる。そこで、TaN膜の形成に先立って酸化タンタル膜の表面に保護膜を形成することにより、窒素含有還元性ガスとの接触による酸化タンタル膜の耐圧劣化を防止することができる。
【0101】
また本発明は、容量素子の容量絶縁膜を酸化タンタル以外の高誘電体膜や強誘電体膜、例えばBaSrTiO、SrTiO、BaTiO、PZT、B(ホウ素)あるいはF(フッ素)をドープしたZnOなどで構成するDRAMや不揮発性メモリなどに適用することもできる。
【0102】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【0103】
本発明によれば、容量素子の容量絶縁膜を構成する酸化タンタル膜の上部にTiN膜を堆積して上部電極を形成する際、あらかじめ酸化タンタル膜の表面に低温CVD法で保護膜を形成しておくことにより、窒素含有還元性ガスと酸化タンタル膜との接触が防止されるので、耐圧特性の向上した容量素子を得ることができる。
【0104】
本発明によれば、容量素子の容量絶縁膜を高誘電率体膜で構成することにより、容量素子の蓄積電荷量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図2】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図3】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図4】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図5】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図6】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図7】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図8】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図9】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図10】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図11】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図12】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図13】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図14】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図15】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図16】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図17】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図18】本発明の一実施の形態であるDRAMの製造に用いるCVD装置の要部構成図である。
【図19】本発明の他の実施の形態であるDRAMのブロック図である。
【図20】本発明の他の実施の形態であるDRAMのメモリアレイとセンスアンプの回路図である。
【図21】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図22】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図23】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図24】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図25】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図26】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図27】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図28】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図29】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図30】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図31】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図32】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図33】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図34】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図35】上部電極用TiN膜の成膜ステップを示すグラフである。
【図36】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図37】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図38】チタン含有ソースガスと窒素含有還元性ガスとの反応式を示す図である。
【図39】上部電極用TiN膜の成膜ステップを示すグラフである。
【図40】上部電極用TiN膜の成膜ステップを示すグラフである。
【図41】保護膜およびTiN膜の成膜温度と、酸化タンタル膜の電界強度との関係を示すグラフである。
【図42】保護膜およびTiN膜の成膜温度と、酸化タンタル膜の電界強度との関係を示すグラフである。
【図43】保護膜およびTiN膜の成膜温度と、膜中に取り込まれる塩素濃度との関係を示すグラフである。
【図44】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図45】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図46】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【図47】本発明の他の実施の形態であるDRAMの製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 p型ウエル
3 フィールド酸化膜
4 ゲート酸化膜
5 p型チャネルストッパ層
6 ゲート電極
6A〜6C ゲート電極
7 酸化シリコン膜
8 n型半導体領域(ソース領域、ドレイン領域)
9 サイドウォールスペーサ
10 酸化シリコン膜
11 接続孔
12 多結晶シリコン膜
13 BPSG膜
14 接続孔
15 酸化シリコン膜
16 窒化シリコン膜
17 酸化シリコン膜
18 接続孔
19 多結晶シリコン膜
20 酸化シリコン膜
21 多結晶シリコン膜
22 下部電極(蓄積電極)
23 窒化シリコン膜
24 酸化タンタル膜
25 容量絶縁膜
26 アモルファスTi膜
27 TiN膜
28 上部電極
40 CVD装置
41 チャンバ
42 バルブ
43 バルブ
44 真空ポンプ
45 真空ポンプ
53 酸化シリコン膜
54 窒化シリコン膜
55 n型ウエル
56 n型チャネルストッパ層
57 窒化シリコン膜
58 n型半導体領域
59 p型半導体領域
60 n型半導体領域
61 p型半導体領域
62 酸化シリコン膜
63〜68 接続孔
69 プラグ
70A 配線
70B 配線
71 窒化シリコン膜
72 サイドウォールスペーサ
73 酸化シリコン膜
74 接続孔
75 プラグ
76 下部電極(蓄積電極)
77 酸化タンタル膜
78 保護膜
79 TiN膜
80 高選択比膜
81 配線
82 配線
83 酸化シリコン膜
84〜86 接続孔
87 プラグ
88A〜88C 配線
90 上部電極(プレート電極)
BL ビット線
BL ビット線
BL ビット線
Cs 情報蓄積用容量素子
CASB カラムアドレスストローブ信号
CD 相補共通データ線
IO データ入出力回路
MARY メモリアレイ
RASB ロウアドレスストローブ信号
SA センスアンプ
SP コモンソース線
TG タイミング発生回路
VP プレート電圧
WEB ライトイネーブル信号
WL ワード線
XB Xアドレスバッファ
XD Xアドレスデコーダ
YB Yアドレスバッファ
YD Yアドレスデコーダ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device and a manufacturing technology thereof, and more particularly to a technology effective when applied to a semiconductor integrated circuit device having a memory cell in which a capacitive insulating film of a capacitive element (capacitor) is made of a high dielectric material. It is.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, a large-capacity dynamic random access memory (DRAM) has a stacked capacitor in which a capacitor is arranged above a memory cell selection MISFET in order to compensate for a decrease in the amount of charge stored in the capacitor due to miniaturization of a memory cell. It employs a stacked capacitor structure. Further, a lower electrode (storage electrode) of the capacitor is processed into a fin or a cylinder to increase its surface area, or a capacitor insulating film is made of a material having a high dielectric constant. In particular, tantalum oxide (Ta) which is one of high dielectric materials 2 O 5 ) Has a high dielectric constant of 20 to 25 and is highly compatible with the conventional DRAM process, and is therefore being applied to a capacitive element of a DRAM.
[0003]
When the capacitor insulating film of the capacitor is formed of the above-described tantalum oxide, it is necessary to select a material that does not deteriorate the film quality of the tantalum oxide as a material of the upper electrode (plate electrode) formed on the capacitor insulating film. As such an upper electrode material, a refractory metal such as W (tungsten), Pt (platinum), and Mo (molybdenum) or a refractory metal nitride such as TiN (titanium nitride) is considered to be suitable.
[0004]
"Applied physics (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 33 (1994) Pt. 1, No. 3A)", which examined the effect of the upper electrode material on the leak current before and after annealing on the tantalum oxide film, Based on the experimental results that the work function of the upper electrode material and the stability of the upper electrode / tantalum oxide interface determine the electrical properties of the tantalum oxide film, the optimum upper electrode material is obtained by annealing at a low temperature (about 400 ° C.). It is reported to be TiN when performed and Mo or MoN (molybdenum nitride) when performed at high temperatures (about 800 ° C.).
[0005]
Since the lower electrode of the capacitor element of the DRAM has a complicated surface shape as described above, when depositing a tantalum oxide film thereon, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method having better step coverage than the sputtering method is used. Is required. However, a tantalum oxide film deposited by the CVD method cannot obtain a desired dielectric constant as it is, and therefore it is necessary to crystallize the film by performing annealing at a high temperature of about 700 to 800 ° C. after film formation. However, when this annealing is performed, an oxide film is formed at the interface with the underlying lower electrode material (polycrystalline silicon film), which lowers the effective dielectric constant of the capacitive insulating film and reduces the oxygen in the tantalum oxide film. Insufficiency causes a problem that the withstand voltage of the film is reduced and the leak current is increased.
[0006]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-3548 discloses that a surface of a tantalum oxide film deposited on a semiconductor substrate by a CVD method is annealed in a dry oxygen atmosphere to recover defects caused by oxygen vacancies in the film. A technique for improving the dielectric strength is disclosed.
[0007]
"International Conference on Solidstate Devices and Materials 1992" (p521 to p523) uses a polycrystalline silicon film constituting a lower electrode of a capacitor element by NH. 3 It discloses a technique for preventing an oxide film from being formed on the surface of a polycrystalline silicon film when a tantalum oxide film is deposited by annealing in an (ammonia) atmosphere to form a nitride film on the surface. .
[0008]
A DRAM described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-66300 discloses a tantalum oxide and a strontium titanate (SrTiO) in which a capacitive insulating film of a capacitive element is deposited by a CVD method. 3 ) Or barium titanate (BaTiO) 3 ), And the upper electrode is made of W, Pt, TiN or the like deposited by the CVD method or the sputtering method. Then, the lower electrode is made of zinc oxide (ZnO) or tin oxide (SnO). 2 By using a material having a strong resistance to oxidation as in (1), formation of an oxide film at the interface with the lower electrode during annealing of the capacitive insulating film is prevented.
[0009]
In the DRAM described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-66369, a capacitive insulating film of a capacitive element is made of tantalum oxide deposited by a CVD method. Then, annealing after film formation is performed at a temperature lower than the crystallization temperature (about 600 ° C. or less), and by maintaining the film in an amorphous structure, generation of crystal grain boundaries, cracks, and micro defects serving as a path of a leak current is performed. This improves the leakage current characteristics.
[0010]
In the DRAM described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-222469, tantalum oxide or hafnium oxide (HfO) in which a capacitive insulating film of a capacitive element is deposited by a CVD method. 2 ), And a barrier film of TiN is formed between the tantalum oxide (or hafnium oxide) and the polycrystalline silicon electrodes (upper and lower electrodes) to prevent the reaction between silicon and tantalum oxide. I have.
[0011]
In the DRAM described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-232344, a capacitive insulating film of a capacitive element is made of tantalum oxide or hafnium oxide deposited by a CVD method, and an upper electrode is made of TiN. Then, by forming a non-metallic buffer film such as polycrystalline silicon on the TiN, the BPSG (Boron-doped Phospho Silicate Glass) film deposited on the capacitor is reflowed at a high temperature (about 850 ° C., 30 minutes). This prevents the capacitive element from deteriorating during the operation.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventors have deposited a conductive film such as polycrystalline silicon on a semiconductor substrate, deposited a tantalum oxide film thereon, 4 (Titanium tetrachloride), TDAT (tetraxydimethylaminotitanium), TDEAT (tetraxydiethylaminotitanium) or other titanium-containing source gas; 3 A TiN film was deposited on the tantalum oxide film by a CVD method using a nitrogen-containing reducing gas such as MMH (monomethylhydrazine). Then, a capacitor was formed by patterning these films, and the withstand voltage of the capacitor insulating film (tantalum oxide film) was examined. As a result, a phenomenon in which the withstand voltage was deteriorated and the leak current increased was observed.
[0013]
Although the cause has not been fully elucidated yet, when the surface of the tantalum oxide film contacts the reducing gas at a high temperature, some of the oxygen (O) atoms in the film react with the reducing gas and are separated. The present inventors speculate that one of the causes is an increase in dangling bonds (unbonded bonds) of Ta and O in the film.
[0014]
An object of the present invention is to provide a method of depositing an upper electrode material by a CVD method using a reactive gas containing a reducing gas on a capacitive insulating film formed of a high dielectric material such as tantalum oxide. It is an object of the present invention to provide a technique capable of preventing a problem that the breakdown voltage is deteriorated.
[0015]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0017]
A semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes a lower electrode, a capacitor insulating film including one or more films including a high dielectric film formed on the lower electrode, and titanium formed on the capacitor insulating film. A capacitor composed of a single electrode or a plurality of films including a nitride film, wherein the upper electrode of the capacitor is formed by a low-temperature CVD method under a condition not containing a reducing gas. It is formed on the high dielectric film with a protective film interposed.
[0018]
In the semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the capacitance insulating film includes a tantalum oxide film.
[0019]
In the semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the capacitance element is disposed above a memory cell selection MISFET constituting a memory cell of the DRAM.
[0020]
A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes the following steps.
[0021]
(A) forming a first conductive film constituting a lower electrode of a capacitor on a main surface of a semiconductor substrate;
(B) forming a capacitance insulating film composed of a single film or a plurality of films including a high dielectric film on the first conductive film;
(C) forming a protective film on the capacitive insulating film by a low-temperature CVD method under a condition not containing a reducing gas;
(D) forming a second conductive film made of a single or plural films including a titanium nitride film constituting an upper electrode of the capacitor on the protective film;
[0022]
In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the capacitance insulating film includes a tantalum oxide film.
[0023]
In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the protective film includes an amorphous titanium film or a polycrystalline titanium film.
[0024]
In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the capacitance element is arranged above a memory cell selecting MISFET constituting a memory cell of a DRAM.
[0025]
The method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes a step of patterning at least a part of a lower electrode of the capacitor into a fin shape or a cylindrical shape.
[0026]
A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes the following steps.
[0027]
(A) forming a MISFET on a main surface of a semiconductor substrate;
(B) forming a first conductive film composed of a single film or a plurality of films on the MISFET;
(C) patterning at least a part of the first conductive film into a fin shape or a cylindrical shape to form a lower electrode of the capacitor;
(D) forming a capacitive insulating film composed of a single or a plurality of films including a high dielectric film on the lower electrode;
(E) forming a protective film on the capacitive insulating film by a low-temperature CVD method under a condition including a titanium-containing source gas and no nitrogen-containing reducing gas;
(F) forming a second conductive film composed of a single film or a plurality of films including a titanium nitride film on the protective film by a low-temperature CVD method under a condition including a titanium-containing source gas and a nitrogen-containing reducing gas; Process,
(G) forming an upper electrode of the capacitive element by patterning the second conductive film, the protective film, and the capacitive insulating film.
[0028]
In the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the protective film and the second conductive film are formed by introducing the titanium-containing source gas into a chamber of a CVD device and then introducing the nitrogen-containing reducing gas. Are continuously formed.
[0029]
In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the capacitance insulating film includes a tantalum oxide film.
[0030]
In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the protective film includes an amorphous titanium film or a polycrystalline titanium film.
[0031]
In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the titanium-containing source gas contains titanium tetrachloride, tetraxydimethylaminotitanium, tetraxydiethylaminotitanium, or a mixed gas thereof.
[0032]
In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, the nitrogen-containing reducing gas contains ammonia, monomethylhydrazine, or a mixed gas thereof.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for describing the embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and the repeated description thereof will be omitted.
[0034]
(Embodiment 1)
In this embodiment, a memory having a capacitor over bitline (COB) structure in which a bit line is arranged above a memory cell selection MISFET and an information storage capacitor is arranged above the bit line. This is applied to a DRAM having cells.
[0035]
In order to form this memory cell, first, as shown in FIG. 1, a p-type impurity (boron) was ion-implanted into a main surface of a semiconductor substrate 1 made of p-type single crystal silicon to form a p-type well 2. Thereafter, a field oxide film 3 for element isolation and a gate oxide film 4 are formed on the surface of the p-type well 2 by a known LOCOS method. Next, a p-type impurity (boron) is ion-implanted into the p-type well 2 including the lower portion of the field oxide film 3 to form a p-type channel stopper layer 5 for element isolation.
[0036]
Next, as shown in FIG. 2, the gate electrode 6 of the memory cell selecting MISFET (and the word line WL integrally formed with the gate electrode 6) is formed on the p-type well 2. As the gate electrode 6 (word line WL), a polycrystalline silicon film (or a polycide film in which a polycrystalline silicon film and a high melting point metal silicide film are laminated) and a silicon oxide film 7 are deposited on the p-type well 2 by the CVD method. Then, these films are patterned and formed by etching using a photoresist as a mask.
[0037]
Next, as shown in FIG. 3, an n-type impurity (phosphorus) is ion-implanted into the p-type well 2 to form an n-type semiconductor region 8 (source region, drain region) of the memory cell selecting MISFET. Subsequently, as shown in FIG. 4, after forming a sidewall spacer 9 on the side wall of the gate electrode 6 (word line WL), a silicon oxide film 10 is deposited by a CVD method. The sidewall spacer 9 is formed by patterning a silicon oxide film deposited by a CVD method by a reactive ion etching method.
[0038]
Next, as shown in FIG. 5, the silicon oxide film 10 and the gate oxide film 4 on one of the source and drain regions (the n-type semiconductor region 8) of the memory cell selecting MISFET are opened to form the connection holes 11. After the formation, an n-type polycrystalline silicon film 12 is deposited on the silicon oxide film 10 by a CVD method, and then, as shown in FIG. 6, the polycrystalline silicon film 12 is patterned.
[0039]
Next, as shown in FIG. 7, after the BPSG film 13 deposited by the CVD method is reflowed to flatten its surface, the other of the source and drain regions (n-type semiconductor regions 8) of the memory cell selecting MISFET is formed. The connection hole 14 is formed by opening the upper BPSG film 13, the silicon oxide film 10, and the gate oxide film 4.
[0040]
Next, as shown in FIG. 8, an n-type polycrystalline silicon film deposited by a CVD method on the BPSG film 13 is patterned to form a bit line BL connected to the n-type semiconductor region 8 through the connection hole 14. Form. The bit line BL may be formed of a laminated film of a TiN film and a W film deposited by a sputtering method.
[0041]
Next, as shown in FIG. 9, after a silicon oxide film 15, a silicon nitride film 16 and a silicon oxide film 17 are sequentially deposited on the BPSG film 13 by the CVD method, as shown in FIG. The silicon oxide film 17, the silicon nitride film 16 and the silicon oxide film 15 on the upper portion of the substrate are opened to form a connection hole 18 reaching the polycrystalline silicon film 12.
[0042]
Next, as shown in FIG. 11, an n-type polycrystalline silicon film 19 is deposited on the silicon oxide film 17 by a CVD method, and then a silicon oxide film 20 is deposited on the polycrystalline silicon film 19 by a CVD method. I do. Subsequently, as shown in FIG. 12, after patterning the silicon oxide film 20 in a columnar shape and leaving it only inside and above the connection hole 18, an n-type polycrystalline silicon film 21 is deposited by a CVD method.
[0043]
Next, as shown in FIG. 13, after the polycrystalline silicon film 21 is patterned by the reactive ion etching method and left only on the side wall of the cylindrical silicon oxide film 20, the lower polycrystalline silicon film 21 is polycrystalline. The silicon film 19 is patterned so as to remain only under the silicon oxide film 20 and the polycrystalline silicon film 21 on the side wall thereof.
[0044]
Next, as shown in FIG. 14, the silicon oxide film 20 and the underlying silicon oxide film 17 are removed using a wet etching solution such as a hydrofluoric acid aqueous solution. At this time, since the silicon nitride film 16 under the silicon oxide film 17 serves as an etching stopper, the silicon oxide film 15 and the BPSG film 13 below the silicon nitride film 16 are not removed. As a result, a cylindrical (crown-shaped) lower electrode 22 composed of three layers of polycrystalline silicon films 12, 19, and 20 is obtained.
[0045]
Next, as shown in FIG. 15, a thin silicon nitride film 23 is deposited on the surface of the lower electrode 22 by the CVD method, and a thin tantalum oxide film 24 is deposited on the surface of the silicon nitride film 23 by the CVD method. A capacitance insulating film 25 of an information storage capacitor composed of a laminated film of a silicon nitride film 23 and a tantalum oxide film 24 is formed. The tantalum oxide film 24 is made of, for example, Ta (OC 2 H 5 ) (Ethoxy tantalum) is deposited as a reaction gas at a temperature of about 400 ° C., and then annealed at a temperature of about 700 to 1000 ° C. using an electric furnace or a lamp annealing apparatus. Since the silicon nitride film is provided between the tantalum oxide film 24 and the storage electrode, the tantalum oxide film 24 and the lower electrode 22 (polycrystalline silicon film) react during this high-temperature annealing to oxidize the interface between them. No objects are formed.
[0046]
Next, the semiconductor substrate 1 is carried into the chamber 41 of the CVD apparatus 40 shown in FIG. 18 in order to form an upper electrode of the information storage capacitor element on the capacitor insulating film 25.
[0047]
As shown in FIG. 4 , TDMAT, TDEAT, etc., and NH used to make the composition ratio of Ti and N in the TiN film close to 1: 1. 3 , MMH or other nitrogen-containing reducing gas, and He (helium), Ar (argon), N 2 Inert gas such as (nitrogen) is introduced into the chamber 41 through individual gas supply pipes. With such a structure, it is possible to prevent a problem that gases react with each other in the middle of the gas supply pipe and a reactant is deposited in the pipe.
[0048]
The CVD apparatus 40 selectively opens or closes only one of the nitrogen-containing reducing gas and the inert gas in the chamber 41 by adjusting the opening and closing of the valves 42 and 43 provided in the middle of the gas supply pipe. It has a structure that can be introduced.
[0049]
Further, in the CVD apparatus 40, a vacuum pump 45 different from the vacuum pump 44 for adjusting the degree of vacuum in the chamber 41 is connected in the middle of a gas supply pipe for introducing a nitrogen-containing reducing gas into the chamber 41. Have been. With such a structure, a part of the gas in the gas supply pipe is evacuated by the vacuum pump 45 in the initial stage of introducing the nitrogen-containing reducing gas into the chamber 41, so that the excess nitrogen is instantaneously introduced into the chamber 41. The disadvantage that the contained reducing gas is introduced can be prevented.
[0050]
In this embodiment, after the semiconductor substrate 1 is carried into the chamber 41 of the CVD apparatus 40, the inside of the chamber 41 is first evacuated to a predetermined degree of vacuum by the vacuum pump 44, and then the predetermined amount is By introducing a flow rate of a titanium-containing source gas and an inert gas and thermally decomposing the titanium-containing source gas at about 300 to 600 ° C., more preferably at about 400 to 450 ° C., as shown in FIG. A thin amorphous Ti film 26 is deposited along the surface of the film 24. Note that N is used as an inert gas. 2 Or N 2 When a mixed gas of TiO 2 and another inert gas is used, the amorphous Ti film 26 partially containing amorphous TiN may be formed, but this does not cause any problem.
[0051]
Next, predetermined flow rates of a titanium-containing source gas, a nitrogen-containing reducing gas, and an inert gas are introduced into the chamber 41 of the CVD apparatus 40, and as shown in FIG. Is deposited to form a TiN film 27 on top of the amorphous Ti film 26, thereby forming an upper electrode 28 of the information storage capacitor composed of a laminated film of the amorphous Ti film 26 and the TiN film 27.
[0052]
According to the above method, since the surface of the tantalum oxide film 24 is covered with the amorphous Ti film 26, the nitrogen-containing reducing gas does not come into contact with the tantalum oxide film 24. Therefore, the deterioration of the pressure resistance of the tantalum oxide film due to the nitrogen-containing reducing gas is reliably prevented. Further, in the initial stage of introducing the nitrogen-containing reducing gas into the chamber 41, a part of the gas in the gas supply pipe is exhausted by the vacuum pump 45, so that the excessive nitrogen-containing reducing gas is not instantaneously introduced into the chamber 41. By doing so, the composition of Ti and N in the TiN film 27 can be made closer to the optimum value (Ti: N = 1: 1).
[0053]
As described above, according to the present embodiment, when the TiN film 27 is deposited by the CVD method on the tantalum oxide film 24 constituting the capacitive insulating film 25 of the information storage capacitor element to form the upper electrode 28, By forming the amorphous Ti film 26 that does not allow the nitrogen-containing reducing gas to pass through the surface of the tantalum oxide film 24 in advance, it is possible to reliably prevent the withstand voltage deterioration (increase in leak current) of the tantalum oxide film 24. A DRAM with improved refresh characteristics can be realized.
[0054]
(Embodiment 2)
FIG. 19 is a block diagram of the DRAM of the present embodiment, and FIG. 20 is a circuit diagram of a memory array and a sense amplifier of the DRAM.
[0055]
In the DRAM of the present embodiment, a memory array MARY occupying a main portion of a main surface of a semiconductor substrate is a basic component. As shown in FIG. 20, the memory array MARY has m + 1 word lines (W0-Wm) arranged in parallel in the vertical direction and n + 1 pairs of complementarity arranged in parallel in the horizontal direction. Bit lines (non-inverted bit lines BOT-BNT and inverted bit lines BOB-BNB). At the intersections of these word lines and complementary bit lines, (m + 1) × (n + 1) memory cells each composed of an information storage capacitance element (Cs) and a memory cell selection MISFET Qa are arranged in a lattice.
[0056]
The drain regions of the memory cell selecting MISFETs Qa of the m + 1 memory cells arranged in the same column of the memory array MARY are alternately connected to the corresponding non-inverted or inverted signal lines of complementary bit lines with a predetermined regularity. I have. Further, the gate electrodes of the memory cell selecting MISFETs Qa of the n + 1 memory cells arranged in the same row of the memory array MARY are integrally coupled to the corresponding word lines. A predetermined plate voltage VP is commonly supplied to the other electrodes of the information storage capacitance elements (Cs) of all the memory cells constituting the memory array MARY.
[0057]
The word lines (W0-Wm) constituting the memory array MARY are coupled to the X address decoder XD below the memory array MARY, and are selectively selected. The X address decoder XD is supplied with an (i + 1) -bit internal address signal (X0-Xi) from the X address buffer XB, and is supplied with an internal control signal XDG from the timing generation circuit TG. The X address buffer (XB) is supplied with an X address signal (XA0-XAi) in a time-division manner via an address input terminal (A0-Ai), and is supplied with an internal control signal XL from a timing generation circuit TG.
[0058]
The X address buffer XB takes in and holds an X address signal (XA0-XAi) supplied via an address input terminal (A0-Ai) in accordance with the internal control signal XL, and based on these X address signals, an internal address. A signal (X0-Xi) is formed and supplied to the X address decoder XD. Further, X address decoder XD is selectively activated in response to the high level of internal control signal XDG, decodes internal address signals (X0-Xi), and responds to corresponding word lines (W0-X) of memory array MARY. Wm) is alternatively set to a high-level selection state.
[0059]
Complementary bit lines (BOT-BNT, BOB-BNB) constituting the memory array MARY are coupled to a sense amplifier SA, and are alternatively connected to a complementary common data line CD via the sense amplifier SA. To the sense amplifier SA, a bit line selection signal (YS0-YSn) of n + 1 bits is supplied from the Y address decoder YD, and an internal control signal PA is supplied from the timing generation circuit TG. The Y address decoder YD is supplied with an (i + 1) -bit internal address signal (Y0-Yi) from the Y address buffer YB, and is supplied with an internal control signal YDG from the timing generation circuit TG. Further, a Y address signal (AY0-AYi) is supplied to the Y address buffer YB via an address input terminal (A0-Ai) in a time-division manner, and an internal control signal YL is supplied from a timing generation circuit TG.
[0060]
The Y address buffer YB captures and holds a Y address signal (AY0-AYi) supplied via an address input terminal (A0-Ai) in accordance with an internal control signal YL, and based on these Y address signals, an internal address. A signal (Y0-Yi) is formed and supplied to the Y address decoder YD. The Y address decoder YD is selectively activated when the internal control signal YDG is set to the high level, decodes the internal address signal (Y0-Yi), and outputs the corresponding bit line select signal (YS0-Yi). YSn) is alternatively set to a high level selection state.
[0061]
The sense amplifier SA includes n + 1 unit circuits provided corresponding to the complementary bit lines of the memory array MARY. Although these unit circuits are not particularly limited, as illustrated in FIG. 20, a pair of n-channel MISFETs N1 provided between the non-inverting and inverting signal lines of the complementary bit lines are provided. 5 , N 6 -Line MISFET P 1 And n-channel MISFETN 1 Inverter and p-channel type MISFETP 2 And n-channel MISFETN 2 And a unit amplifier circuit formed by cross-coupled CMOS inverters. Among them, the n-channel MISFET N constituting the bit line precharge circuit of each unit circuit 5 , N 6 The internal voltage HV is commonly supplied to the source regions which are commonly coupled, and the internal control signal PC is commonly supplied to its gate electrode. The internal voltage HV is an intermediate potential between the power supply voltage of the circuit and the ground potential. Further, the internal control signal PC is selectively set to a high level when the memory cell is set to the non-selected state. Thereby, the n-channel MISFET N 5 , N 6 Are selectively and simultaneously turned on when the memory cell is in the non-selected state and the internal control signal PC is set to the high level, and the non-inverted and inverted signal lines of the corresponding complementary bit lines of the memory array MARY are Is precharged to the internal voltage HV.
[0062]
On the other hand, a p-channel type MISFET P constituting a unit amplifier circuit of each unit circuit 1 , P 2 Are commonly coupled to a common source line SP. The common source line SP is a p-channel type driving MISFET P receiving at its gate electrode an inverted signal of the internal control signal PA by the inverter Vl, that is, an inverted internal control signal PAB. 3 To the power supply voltage of the circuit. Similarly, an n-channel MISFET N constituting a unit amplifier circuit of each unit circuit 1 , N 2 Are commonly coupled to a common source line SN. The common source line SN is an n-channel driving MISFET N receiving an internal control signal PA at its gate electrode. 7 To the ground potential of the circuit. As a result, each unit amplifier circuit is selectively and simultaneously activated by the internal control signal PA being set to the high level and the inverted internal control signal PAB being set to the low level, and the memory array MARY is selected. The small read signal output from the (n + 1) memory cells coupled to the word line via the corresponding complementary bit line is amplified to be a high level or low level binary read signal.
[0063]
Further, each unit circuit of the sense amplifier SA includes a pair of n-channel switches MISFETN provided between the non-inverted and inverted input / output nodes of the unit amplifier circuit and the complementary common data line CD. 3 , N 4 Respectively. The gate electrodes of these switch MISFET pairs are commonly coupled, and corresponding bit line selection signals (YS0-YSn) are supplied from the Y address decoder YD. Thereby, the switch MISFETN of each unit circuit 3 , N 4 Are selectively turned on when the corresponding bit line selection signal (YS0-YSn) is set to the high level, and the corresponding unit amplifier circuit of the sense amplifier SA, that is, the corresponding l sets of complementary bits of the memory array MARY. The line and the complementary common data line CD are selectively connected.
[0064]
A complementary common data line CD to which a designated pair of complementary bit lines of the memory array MARY are alternatively connected is connected to a data input / output circuit IO. The data input / output circuit IO includes a write amplifier and a main amplifier (not shown), a data input buffer, and a data output buffer. Among these, the output terminal of the write amplifier and the input terminal of the main amplifier are commonly connected to a complementary common data line CD. The input terminal of the write amplifier is coupled to the output terminal of the data input buffer, and the input terminal of the data input buffer is coupled to the data input terminal Din. The output terminal of the main amplifier is connected to the input terminal of the data output buffer, and the output terminal of the data output buffer is connected to the data output terminal Dout.
[0065]
When the memory cell is selected in the write mode, the data input buffer of the data input / output circuit IO takes in the write data supplied via the data input terminal Din and transmits it to the write amplifier. This write data is converted into a predetermined complementary write signal by the write amplifier, and then written to the selected one memory cell of the memory array MARY via the complementary common data line CD. On the other hand, when the memory cell is selected in the read mode, the main amplifier of the data input / output circuit IO outputs a binary read signal output from the selected memory cell of the memory array MARY via the complementary common data line CD. Is further amplified and transmitted to the data output buffer. The read data is sent from the data output buffer to the outside via the data output terminal Dout.
[0066]
The timing generation circuit TG selectively forms the above various internal control signals based on a row address strobe signal RASB, a column address strobe signal CASB and a write enable signal WEB supplied from the outside as a start control signal, and Supply to each part.
[0067]
Next, a method of manufacturing the DRAM of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0068]
In order to manufacture this DRAM, first, as shown in FIG. After oxidizing the surface of the semiconductor substrate 1 made of type single crystal silicon to form a thin silicon oxide film 53, a silicon nitride film 54 is deposited on the silicon oxide film 53 using a CVD method, and then using a photoresist as a mask. The silicon nitride film 54 in the element isolation region is removed by etching the lever silicon nitride film 54.
[0069]
Next, as shown in FIG. 22, the field oxide film 3 is formed by annealing the semiconductor substrate 1 using the silicon nitride film 54 as a mask. Next, after removing the silicon nitride film 54, as shown in FIG. 23, a p-type impurity (boron (B)) is added to the semiconductor substrate 1 in the region where the memory array is formed and the region where the n-channel MISFET of the peripheral circuit is formed. ) Is implanted to form a p-type well 2. Further, an n-type well (55) is formed by ion-implanting an n-type impurity (phosphorus (P)) into the semiconductor substrate 1 in a region where a p-channel MISFET of a peripheral circuit is formed. Subsequently, a p-type impurity (B) is ion-implanted into the p-type well 2 to form a p-type channel stopper layer 5, and an n-type impurity (P) is ion-implanted into the n-type well 55 to form an n-type channel stopper layer. 6 is formed. Thereafter, the surfaces of the active regions of the p-type well 2 and the n-type well 55 surrounded by the field oxide film 3 are thermally oxidized to form the gate oxide film 4.
[0070]
Next, as shown in FIG. 24, the gate electrode 6A (word line WL) of the memory cell selecting MISFET, the gate electrode 6B of the n-channel MISFET of the peripheral circuit, and the gate electrode 6C of the p-channel MISFET are formed. The gate electrode 6A (word line WL) and the gate electrodes 6B and 6C are formed by depositing a tungsten (W) film on the semiconductor substrate 1 using a CVD method, and then forming a silicon nitride film on the W film using a plasma CVD method. After the films 57 are deposited, these films are patterned and formed simultaneously by etching using a photoresist as a mask.
[0071]
Next, as shown in FIG. 25, an n-type impurity (P) is ion-implanted into the p-type well 2 and a p-type impurity (B) is ion-implanted into the n-type well 55. By annealing performed in a later step, the n-type impurity (P) causes the n-type semiconductor region 8 (source region and drain region) of the memory cell selecting MISFET and the n-type MISFET n of the peripheral circuit to be formed. Semiconductor region 58 is formed, and p-type impurity (B) is used to form p-type MISFETs of the peripheral circuit. A type semiconductor region 59 is formed.
[0072]
Next, as shown in FIG. 26, after sidewall spacers 9 are formed on the respective side walls of the gate electrode 6A (word line WL) and the gate electrodes 6B and 6C, the n-type impurities ( P) is ion-implanted, and a p-type impurity (B) is ion-implanted into the n-type well 55. The side wall spacer 9 is formed by depositing a silicon nitride film on the semiconductor substrate 1 by using a plasma CVD method and then processing the silicon nitride film by anisotropic etching.
[0073]
Next, as shown in FIG. 27, the semiconductor substrate 1 is annealed in a nitrogen atmosphere to diffuse the n-type impurity (P) and the p-type impurity, thereby forming the n-type semiconductor region 8 of the MISFET for memory cell selection. (Source region, drain region) and n of the n-channel MISFET of the peripheral circuit. Semiconductor region 58 and n + Semiconductor region 60 and p-channel MISFET p Semiconductor region 59 and p + And a mold semiconductor region 61. Each of the source region and the drain region of the n-channel MISFET of the peripheral circuit has n Semiconductor region 58 and n + And a LDD (Lightly Doped Drain) structure composed of a p-type MISFET and a p-type MISFET. Semiconductor region 59 and p + It has an LDD structure composed of the mold semiconductor region 61.
[0074]
Next, as shown in FIG. 28, a silicon oxide film 62 is deposited on each of the memory cell selecting MISFET, the n-channel MISFET of the peripheral circuit, and the p-channel MISFET by using the plasma CVD method. The silicon oxide film 62 is polished by a chemical mechanical polishing (CMP) method to planarize the surface, and then the silicon oxide film 62 and the gate oxide film 4 are etched by using a photoresist as a mask. Connection holes 63 and 64 are formed above the n-type semiconductor region 8 (source region and drain region) of the memory cell selecting MISFET, and n of the n-channel MISFET of the peripheral circuit is formed. + Connection holes 65 and 66 are formed above the type semiconductor region 60 (source region and drain region), and the p-type MISFET p + Connection holes 67 and 68 are formed above the type semiconductor region 61 (source region and drain region).
[0075]
At this time, the silicon nitride film 57 formed on the gate electrode 6A (word line WL) of the memory cell selection MISFET and the silicon nitride sidewall spacer 9 formed on the side wall are only slightly etched. The connection holes 63 and 64 are formed by self-alignment (self-alignment). Similarly, the silicon nitride film 57 formed on each of the gate electrode 6B of the n-channel MISFET and the gate electrode 6C of the p-channel MISFET of the peripheral circuit, and the silicon nitride sidewall spacer 9 formed on the side wall are: The connection holes 65 to 68 are formed by self-alignment (self-alignment) because they are only slightly etched.
[0076]
As an insulating film deposited on the memory cell selecting MISFET, the n-channel MISFET and the p-channel MISFET of the peripheral circuit, in addition to the silicon oxide film 62, ozone (O 3 ) -BPSG film, ozone-TEOS (Tetra Ethoxy Silane) deposited using a CVD method, or the like can be used. Like the silicon oxide film 62, the surfaces of these insulating films are planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) method.
[0077]
Next, as shown in FIG. 29, plugs 69 made of a laminated film of TiN and W are buried in the connection holes 63 to 68. The plug 69 is formed by depositing a TiN film serving as an adhesive layer between the substrate and the W film on the silicon oxide film 62 by a sputtering method, and then depositing a W film on the TiN film by a CVD method. After that, the W film and the TiN film are formed by etching back.
[0078]
At this time, in order to reduce the contact resistance between the plug 69 and the substrate, Ti silicide (TiSi 2 ) A layer may be formed. The Ti silicide layer is formed by depositing a Ti film on the silicon oxide film 62 using a sputtering method, and reacting the Ti film with the substrate at the bottom of the connection holes 63 to 68 by annealing at about 800 ° C. The unreacted Ti film remaining on the silicon film 62 is formed by removing by wet etching. Thereafter, the TiN film and the W film deposited on the silicon oxide film 62 are etched back to form plugs 69.
[0079]
Next, as shown in FIG. 30, the bit line BL is formed on the silicon oxide film 62. 1 , BL 2 And wirings 70A and 70B of the peripheral circuit are formed. Bit line BL 1 , BL 2 The wirings 70A and 70B are formed by depositing a W film on the silicon oxide film 62 by using the plasma CVD method, and then depositing a silicon nitride film 71 on the W film by using the CVD method. These films are patterned at the same time by patterning with etching using as a mask.
[0080]
Bit line BL 1 Is electrically connected to one of the source region and the drain region (the n-type semiconductor region 8) of the memory cell selecting MISFET through the connection hole 63. Also, the bit line BL 2 Is one of the source region and the drain region (n) of the n-channel MISFET Qn of the peripheral circuit through the connection hole 65. + (Type semiconductor region 60).
[0081]
One end of the wiring 70A of the peripheral circuit is connected to the other (n) of the source region and the drain region of the n-channel MISFET through the connection hole 66. + Semiconductor region 60), and the other end is connected to one of the source region and the drain region (p + (Type semiconductor region 61). The wiring 70B is connected to the other of the source region and the drain region of the p-channel MISFET (p + (Type semiconductor region 61).
[0082]
Next, as shown in FIG. 1 , BL 2 And a side wall spacer 72 is formed on each side wall of the wirings 70A and 70B. The side wall spacer 72 is formed by depositing a silicon nitride film on the silicon oxide film 62 by using a plasma CVD method, and then processing the silicon nitride film by anisotropic etching.
[0083]
Next, as shown in FIG. 1 , BL 2 A silicon oxide film 73 is deposited on each of the wirings 70A and 70B using a plasma CVD method, and the silicon oxide film 73 is polished by a chemical mechanical polishing (CMP) method to planarize the surface. Thereafter, the silicon oxide film 73 is etched using a photoresist as a mask, so that the upper portion of the connection hole 64 formed on one upper portion of the n-type semiconductor region 8 (source region, drain region) of the memory cell selecting MISFET. A connection hole 74 is formed in the substrate. At this time, the bit line BL 1 Since the silicon nitride film 71 formed on the upper surface and the silicon nitride sidewall spacers 72 formed on the side walls are only slightly etched, the connection holes 74 are formed by self-alignment (self-alignment).
[0084]
Bit line BL 1 , BL 2 As the insulating film deposited on the wirings 70A and 70B, in addition to the silicon oxide film 73, for example, the above-described ozone-BPSG film, ozone-TEOS film, or spin-on-glass (Spin On Glass; SOG) film Can be used. When an ozone-BPSG film or an ozone-TEOS film is used, the surface is flattened by a chemical mechanical polishing (CMP) method as in the case of the silicon oxide film 73.
[0085]
Next, as shown in FIG. 33, after a W plug 75 is embedded in the connection hole 74, a lower electrode (storage electrode) 76 of the information storage capacitor is formed above the connection hole 74. The W plug 75 is formed by depositing a W film on the silicon oxide film 73 using a CVD method and then etching back the W film. The lower electrode 76 is formed by depositing a W film on the silicon oxide film 73 using a CVD method and then patterning the W film by etching using a photoresist as a mask.
[0086]
Next, as shown in FIG. 34, a tantalum oxide film 77 is deposited on the lower electrode 22. The tantalum oxide film 77 is deposited by using a CVD method having good step coverage. The tantalum oxide film 77 is made of, for example, Ta (OC 2 H 5 ) Is deposited as a reaction gas at a temperature of about 400 ° C., and then annealed at a temperature of about 700 to 1000 ° C. using an electric furnace or a lamp annealing apparatus.
[0087]
Next, a conductive film for an upper electrode is deposited on the tantalum oxide film 77 using the CVD apparatus used in the first embodiment. The titanium-containing source gas used at this time is TiCl 4 , TDAT or TDEAT, nitrogen-containing reducing gas is NH 3 , MMH or their mixed gas, inert gas is He, Ar, N 2 Or a mixed gas thereof.
[0088]
In this embodiment, a gas is introduced into the chamber of the CVD apparatus according to the steps shown in FIG. That is, after evacuating the chamber to a predetermined degree of vacuum, introducing an inert gas while raising the temperature of the substrate, and introducing a titanium-containing source gas when the substrate temperature becomes substantially constant to thermally decompose the same. As a result, as shown in FIG. 36, a thin protective film 78 having a thickness of about 30 to 50 ° and containing Ti as a main component is formed on the surface of the tantalum oxide film 77. Subsequently, a TiN film 79 is deposited on the surface of the protective film 78 as shown in FIG. 37 by introducing a nitrogen-containing reducing gas into the chamber and reacting it with a titanium-containing source gas. FIG. 38 shows a typical reaction equation between the titanium-containing source gas and the nitrogen-containing reducing gas at this time.
[0089]
The titanium-containing source gas may be introduced almost simultaneously with the inert gas when the temperature of the substrate is raised, as shown in FIG. 39, or may be introduced immediately before the introduction of the nitrogen-containing reducing gas, as shown in FIG. In any case, a titanium-containing source gas is introduced prior to the nitrogen-containing reducing gas. By doing so, a protective film 78 is formed on the surface of the tantalum oxide film 77 by the thermal decomposition of the titanium-containing source gas, and this prevents the contact between the nitrogen-containing reducing gas introduced later and the tantalum oxide film 77. Deterioration of the tantalum oxide film 77 is prevented.
[0090]
When depositing the protective film 78 and the TiN film 79 on the tantalum oxide film 77, the film is formed under such temperature conditions that the barrier property of the protective film 78 against permeation of the nitrogen-containing reducing gas becomes sufficiently high. There is a need to do. Specifically, film formation is performed at a temperature lower than the crystallization temperature, and an amorphous or polycrystalline protective film 78 having less gas-permeable paths in the film than the crystal is formed.
[0091]
The optimum values of the film forming temperatures of the protective film 78 and the TiN film 79 differ depending on the type of the titanium-containing source gas and the nitrogen-containing reducing gas used and the combination thereof. 3 Is 550 ° C. or lower, more preferably 500 ° C. or lower, and MMH is 500 ° C. or lower, more preferably 450 ° C. or lower.
[0092]
FIGS. 41 and 42 are graphs showing the results of experiments in which the relationship between the film forming temperature of the protective film 78 and the TiN film 79 and the electric field strength of the tantalum oxide film 77 was examined. FIG. 41 is a diagram showing the case where a positive (+) voltage is applied to the upper electrode composed of the TiN film 79. -8 A / cm 2 FIG. 42 shows the electric field strength at the time of applying a negative (−) voltage to the upper electrode. -8 A / cm 2 5 shows the electric field intensity at. The white circle (○) in the figure indicates that the film was formed in the steps shown in FIG. 35 (inert gas = He + Ar, titanium-containing source gas = TiCl 4 , Nitrogen-containing reducing gas = NH 3 ), Black circles (●) indicate that the film was formed in the steps shown in FIG. 39 (inert gas = He + Ar, titanium-containing source gas = TiCl 4 , Nitrogen-containing reducing gas = NH 3 ), White square marks (□) indicate that the film was formed in the steps shown in FIG. 40 (inert gas = He + Ar, titanium-containing source gas = TiCl). 4 , Nitrogen-containing reducing gas = NH 3 ), Black squares (■) indicate that the film was formed in the steps shown in FIG. 40 (inert gas = He + Ar, titanium-containing source gas = TiCl 4 , Nitrogen-containing reducing gas = NH 3 + MMH).
[0093]
From the above experimental results, it can be seen that, generally, the lower the deposition temperature of the protective film 78 and the TiN film 79, the higher the electric field strength of the tantalum oxide film 77 and the better the leakage withstand voltage of the capacitance insulating film. In the above film forming process, a titanium-containing source gas (TiCl 4 The chlorine generated by the decomposition of ()) is taken into the film. As shown in FIG. 43, the chlorine concentration increases as the film formation temperature decreases. When a high concentration of chlorine is taken into the conductive film constituting the upper electrode, when a wiring containing Al (aluminum) is formed on the upper layer of the upper electrode, the wiring is formed through the connection hole connecting the upper electrode and the wiring. Since chlorine is taken in, the potential for causing wiring corrosion is increased. Therefore, the lower limit of the film forming temperature of the protective film 78 and the TiN film 79 needs to be set in consideration of this point.
[0094]
Next, as shown in FIG. 44, after a high selectivity film 80 is deposited on the TiN film 79, the high selectivity film 80, the TiN film 79, the protective film 78 and the oxide film are formed by dry etching using a photoresist as a mask. The tantalum film 77 is patterned to form an upper electrode (plate electrode) 90 and a capacitor insulating film (tantalum oxide film 77), thereby completing the information storage capacitor Cs. At the same time, wirings 81 and 82 of the peripheral circuit are formed. The high selectivity film 80 is a film that serves as an etching stopper when a silicon oxide film or a silicon nitride film is etched in a later step. If the material has a high etching selectivity to the silicon oxide film or the silicon nitride film, the insulating film is used. Or a conductive film.
[0095]
Next, as shown in FIG. 45, a silicon oxide film 83 is deposited on the information storage capacitor Cs and the wirings 81 and 82, and then the silicon oxide film 83 is dry-etched using a photoresist as a mask. A connection hole 84 is formed above the upper electrode 90 of the information storage capacitor Cs, and a connection hole 85 is formed above the wiring 81. At the same time, the silicon oxide film 83, the silicon oxide film 73, and the silicon nitride film 71 in the region where the wiring 82 is formed are etched to form a connection hole 86 above the wiring 70B of the peripheral circuit. At this time, since the upper part of the upper electrode 90 and the upper parts of the wirings 81 and 82 are covered with the high selectivity film 80, the upper electrode 90 and the wirings 81 and 82 are not etched and the film thickness is not reduced.
[0096]
Next, as shown in FIG. 46, by etching the high selectivity film 80 covering the upper electrode 90 and the wirings 81 and 82, a part of the wiring 81 is exposed inside the connection hole 85, One end of the wiring 82 is exposed inside 86.
[0097]
Next, as shown in FIG. 47, after plugs 87 made of TiN (or W) are embedded in the connection holes 84, 85 and 86, a wiring made of a laminated film of Al and TiN is formed on the silicon oxide film 83. 88A, 88B and 88C are formed. Thus, the wiring 81 of the peripheral circuit is connected to the lower wiring 70B via the wiring 88C and the wiring 82.
[0098]
As described above, according to the present embodiment, when the TiN film 79 is deposited by the low-temperature CVD method on the tantalum oxide film 77 constituting the capacitive insulating film of the information storage capacitive element Cs to form the upper electrode 90 Since the protective film 78 that does not allow the nitrogen-containing reducing gas to pass through is formed on the surface of the tantalum oxide film 77 in advance, the withstand voltage deterioration (increase in leak current) of the tantalum oxide film 77 can be reliably prevented. A DRAM with improved refresh characteristics can be realized.
[0099]
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention. Needless to say.
[0100]
In the above embodiment, the case where the upper electrode of the capacitor is made of TiN has been described. However, the present invention can be applied to a case where the upper electrode is made of a material other than TiN, such as TaN. For example, when a TaN film is deposited on a tantalum oxide film by a CVD method, Ta (OC 2 H 5 ) To NH 3 And a method of reducing with a nitrogen-containing reducing gas such as MMH. Therefore, by forming a protective film on the surface of the tantalum oxide film prior to the formation of the TaN film, it is possible to prevent the withstand voltage of the tantalum oxide film from deteriorating due to contact with the nitrogen-containing reducing gas.
[0101]
Further, according to the present invention, a capacitive insulating film of a capacitive element is formed of a high dielectric film other than tantalum oxide or a ferroelectric film such as 3 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , PZT, B (boron) or F (fluorine) -doped ZnO or the like, or a nonvolatile memory.
[0102]
【The invention's effect】
The effects obtained by typical aspects of the invention disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0103]
According to the present invention, when a TiN film is deposited on a tantalum oxide film constituting a capacitive insulating film of a capacitive element to form an upper electrode, a protective film is previously formed on the surface of the tantalum oxide film by a low-temperature CVD method. By doing so, contact between the nitrogen-containing reducing gas and the tantalum oxide film is prevented, so that a capacitor with improved withstand voltage characteristics can be obtained.
[0104]
According to the present invention, the amount of charge stored in the capacitor can be increased by forming the capacitor insulating film of the capacitor from a high dielectric constant film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor substrate, illustrating a method of manufacturing a DRAM according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method of manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 11 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 13 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 14 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 15 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 16 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 17 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to one embodiment of the present invention;
FIG. 18 is a main part configuration diagram of a CVD apparatus used for manufacturing a DRAM according to an embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a block diagram of a DRAM according to another embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a circuit diagram of a memory array and a sense amplifier of a DRAM according to another embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor substrate, illustrating a method of manufacturing a DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 22 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 23 is a cross-sectional view of a principal part of a semiconductor substrate, illustrating a method of manufacturing a DRAM according to another embodiment of the present invention.
FIG. 24 is an essential part cross sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method of manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 25 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 26 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 27 is a cross-sectional view of a principal part of a semiconductor substrate, illustrating a method of manufacturing a DRAM according to another embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method of manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 29 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 30 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 31 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 32 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 33 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method of manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 34 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 35 is a graph showing a step of forming a TiN film for an upper electrode.
FIG. 36 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 37 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 38 is a diagram showing a reaction formula between a titanium-containing source gas and a nitrogen-containing reducing gas.
FIG. 39 is a graph showing a step of forming a TiN film for an upper electrode.
FIG. 40 is a graph showing a step of forming a TiN film for an upper electrode.
FIG. 41 is a graph showing the relationship between the deposition temperature of the protective film and the TiN film and the electric field strength of the tantalum oxide film.
FIG. 42 is a graph showing the relationship between the deposition temperature of the protective film and the TiN film and the electric field strength of the tantalum oxide film.
FIG. 43 is a graph showing the relationship between the film forming temperature of the protective film and the TiN film and the concentration of chlorine taken in the film.
FIG. 44 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 45 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 46 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
FIG. 47 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor substrate, illustrating the method for manufacturing the DRAM according to another embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate
2 p-type wells
3 Field oxide film
4 Gate oxide film
5 p-type channel stopper layer
6 Gate electrode
6A-6C Gate electrode
7 Silicon oxide film
8 n-type semiconductor region (source region, drain region)
9 Side wall spacer
10 Silicon oxide film
11 Connection hole
12 Polycrystalline silicon film
13 BPSG film
14 Connection hole
15 Silicon oxide film
16 Silicon nitride film
17 Silicon oxide film
18 Connection hole
19 Polycrystalline silicon film
20 Silicon oxide film
21 Polycrystalline silicon film
22 Lower electrode (storage electrode)
23 Silicon nitride film
24 Tantalum oxide film
25 Capacitive insulating film
26 Amorphous Ti film
27 TiN film
28 Upper electrode
40 CVD equipment
41 chamber
42 valve
43 valve
44 vacuum pump
45 vacuum pump
53 silicon oxide film
54 silicon nitride film
55 n-type well
56 n-type channel stopper layer
57 silicon nitride film
58 n Semiconductor region
59p Semiconductor region
60 n + Semiconductor region
61 p + Semiconductor region
62 silicon oxide film
63-68 Connection hole
69 plug
70A wiring
70B wiring
71 Silicon nitride film
72 Sidewall spacer
73 silicon oxide film
74 Connection hole
75 plug
76 Lower electrode (storage electrode)
77 Tantalum oxide film
78 Protective film
79 TiN film
80 High Selectivity Ratio Membrane
81 Wiring
82 Wiring
83 silicon oxide film
84-86 Connection hole
87 plug
88A-88C Wiring
90 Upper electrode (plate electrode)
BL bit line
BL 1 Bit line
BL 2 Bit line
Cs information storage capacitor
CASB column address strobe signal
CD complementary common data line
IO data input / output circuit
MARY memory array
RASB row address strobe signal
SA sense amplifier
SP common source line
TG timing generation circuit
VP plate voltage
WEB write enable signal
WL word line
XB X address buffer
XD X address decoder
YB Y address buffer
YDY address decoder

Claims (11)

以下の工程を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法:
(a)半導体基板の主面上に、容量素子の下部電極を構成する第1導電膜を形成する工程、
(b)前記第1導電膜上に、高誘電体膜を含む単一または複数の膜からなる容量絶縁膜を形成する工程、
(c)前記容量絶縁膜上に、チタン含有ソースガスと還元性ガスを含まない不活性ガスとを用いた低温CVD法により保護膜を形成する工程、
(d)前記保護膜上に、容量素子の上部電極を構成するチタンナイトライド膜を含む単一または複数の膜からなる第2導電膜を、窒素を含む還元性ガスとチタンソースガスにより形成する工程。
A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising the following steps:
(A) forming a first conductive film constituting a lower electrode of a capacitor on a main surface of a semiconductor substrate;
(B) forming a capacitance insulating film composed of a single film or a plurality of films including a high dielectric film on the first conductive film;
(C) forming a protective film on the capacitive insulating film by a low-temperature CVD method using a titanium-containing source gas and an inert gas not containing a reducing gas ;
(D) forming a second conductive film composed of a single or a plurality of films including a titanium nitride film constituting an upper electrode of the capacitive element with a reducing gas containing nitrogen and a titanium source gas on the protective film; Process.
請求項1記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記容量絶縁膜は、酸化タンタル膜を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。2. The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein said capacitive insulating film includes a tantalum oxide film. 請求項1記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記保護膜は、アモルファスチタン膜または多結晶チタン膜を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。2. The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein said protective film includes an amorphous titanium film or a polycrystalline titanium film. 請求項1記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記容量素子は、DRAMのメモリセルを構成するメモリセル選択用MISFETの上部に配置された容量素子であることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein said capacitance element is a capacitance element arranged above a memory cell selection MISFET constituting a memory cell of a DRAM. A method for manufacturing a circuit device. 請求項4記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記容量素子の下部電極の少なくとも一部をフィン形または円筒形にパターニングする工程を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。5. The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 4, further comprising a step of patterning at least a part of a lower electrode of said capacitance element into a fin shape or a cylindrical shape. . 以下の工程を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法:
(a)半導体基板の主面上に、MISFETを形成する工程、
(b)前記MISFETの上部に、単一または複数の膜からなる第1導電膜を形成する工程、
(c)前記第1導電膜の少なくとも一部をフィン形または円筒形にパターニングして、容量素子の下部電極を形成する工程、
(d)前記下部電極上に、高誘電体膜を含む単一または複数の膜からなる容量絶縁膜を形成する工程、
(e)前記容量絶縁膜上に、チタン含有ソースガスを含み、窒素含有還元性ガスを含まない不活性ガスの条件下で低温CVD法により保護膜を形成する工程、
(f)前記保護膜上に、チタン含有ソースガスと窒素含有還元性ガスとを含む条件下で低温CVD法により、チタンナイトライド膜を含む単一または複数の膜からなる第2導電膜を形成する工程、
(g)前記第2導電膜、前記保護膜および前記容量絶縁膜をパターニングして、前記容量素子の上部電極を形成する工程。
A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising the following steps:
(A) forming a MISFET on a main surface of a semiconductor substrate;
(B) forming a first conductive film composed of a single film or a plurality of films on the MISFET;
(C) patterning at least a part of the first conductive film into a fin shape or a cylindrical shape to form a lower electrode of the capacitor;
(D) forming a capacitive insulating film composed of a single or a plurality of films including a high dielectric film on the lower electrode;
(E) forming a protective film on the capacitive insulating film by a low-temperature CVD method under an inert gas condition containing a titanium-containing source gas and no nitrogen-containing reducing gas;
(F) forming a second conductive film composed of a single film or a plurality of films including a titanium nitride film on the protective film by a low-temperature CVD method under a condition including a titanium-containing source gas and a nitrogen-containing reducing gas; Process,
(G) forming an upper electrode of the capacitive element by patterning the second conductive film, the protective film, and the capacitive insulating film.
請求項6記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、CVD装置のチャンバ内に前記チタン含有ソースガスを導入して前記保護膜を形成し、次いで前記窒素含有還元性ガスを導入することにより、前記保護膜の上に前記第2導電膜を連続して成膜することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。7. The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 6, wherein the titanium-containing source gas is introduced into a chamber of a CVD apparatus to form the protective film, and then the nitrogen-containing reducing gas is introduced. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, wherein the second conductive film is continuously formed on the protective film. 請求項6記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記容量絶縁膜は、酸化タンタル膜を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。7. The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 6, wherein said capacitance insulating film includes a tantalum oxide film. 請求項6記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記保護膜は、アモルファスチタン膜または多結晶チタン膜を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。7. The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 6, wherein said protective film includes an amorphous titanium film or a polycrystalline titanium film. 請求項6記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記チタン含有ソースガスは、四塩化チタン、テトラキシジメチルアミノチタン、テトラキシジエチルアミノチタンまたはそれらの混合ガスを含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。7. The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 6, wherein the titanium-containing source gas contains titanium tetrachloride, tetraxydimethylaminotitanium, tetraxydiethylaminotitanium, or a mixed gas thereof. A method for manufacturing an integrated circuit device. 請求項6記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記窒素含有還元性ガスは、アンモニア、モノメチルヒドラジンまたはそれらの混合ガスを含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。7. The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 6, wherein the nitrogen-containing reducing gas includes ammonia, monomethylhydrazine, or a mixed gas thereof.
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