JP4067470B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に強誘電体膜あるいは高誘電体膜を用いた容量絶縁膜を有する半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a capacitive insulating film using a ferroelectric film or a high dielectric film.
近年、強誘電体あるいは高誘電体を容量絶縁膜とするキャパシタを用いた、例えば強誘電体不揮発性メモリに代表される半導体装置が多用されてきている。しかしながら、これらの容量絶縁膜は水素や水分の存在で容易に還元され、その特性が劣化してしまう。 In recent years, for example, a semiconductor device represented by a ferroelectric nonvolatile memory using a capacitor having a ferroelectric or high dielectric as a capacitive insulating film has been widely used. However, these capacitive insulating films are easily reduced in the presence of hydrogen and moisture, and their characteristics deteriorate.
従来、この水素や水分が強誘電体あるいは高誘電体からなる容量絶縁膜へ及ぼす影響(容量絶縁膜の特性劣化)を防止するために、キャパシタ上部に酸化膜を水素フリーの状態で形成することが行われている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, in order to prevent the influence of hydrogen and moisture on a capacitive insulating film made of a ferroelectric or high dielectric material (degradation of characteristics of the capacitive insulating film), an oxide film is formed on the capacitor in a hydrogen-free state. (For example, Patent Document 1).
この特許文献1に記載された従来例は、保護膜を2層膜として、下層にスパッタ成膜またはSOGを成膜した後、上層に基板温度350〜500℃でオゾン酸化のTEOS膜を成膜したものである。以下、図面を用いて詳細に説明する。
In the conventional example described in
図3は特許文献1に記載された製造方法を説明するものであるが、ここで、1はp型Si基板、2はLOCOS分離絶縁膜、3a、3bはn+ソース・ドレイン拡散層、4はゲート酸化Si、5はゲート多結晶Si電極、6は層間絶縁膜、7は容量下部電極(Pt/Ti)、8は強誘電体(SrBi2Ta2O9)、9は容量上部電極(Pt)、10は容量保護膜(下層:スパッタ酸化SiまたはSOG)、11は容量保護膜(上層:オゾン酸化TEOS膜)、12a、12bはトランジスタソース・ドレイン拡散層3a、3bへのコンタクト孔、13a、13bは容量上下電極9、7へのコンタクト孔、14a、14bはトランジスタソース・ドレイン拡散層3a、3bへの金属配線、15a、15bは容量上下電極9、7への金属配線である。
FIG. 3 illustrates the manufacturing method described in
図3に示す特許文献1に記載の従来のものでは、図示のように強誘電体8に接してそれを覆う保護膜10、11を2層構造とし、その下層膜10をCVD法以外のスパッタ法またはSOG(Spin On Glass)成膜により形成し、その上に上層膜11としてTEOSを原料とする酸化Si膜を350〜500℃の基板温度で形成し、その後、その保護膜を高温で熱処理する。
In the prior art described in
このような2層構造とすることにより、CVD中に反応生成物が強誘電体に直接影響を与えることなく、金属配線層の短絡不良を防止することができ、成膜後の膜中水分を減少させかつ成膜レ−トを保持することができ、さらには分極特性の劣化を防ぐことができ、成膜後のさらなる熱処理により漏洩電流特性の改善が図られる。 By adopting such a two-layer structure, it is possible to prevent a short circuit failure of the metal wiring layer without causing the reaction product to directly affect the ferroelectric during CVD, and to reduce moisture in the film after film formation. The film formation rate can be reduced and the polarization characteristic can be prevented from being deteriorated. Further, the leakage current characteristic can be improved by further heat treatment after the film formation.
しかしながら、上記特許文献1に記載の従来のものでは、強誘電体8を結晶化する熱処理時間が長いため、また、強誘電体8の種類によっては熱処理温度が高いため、強誘電体8に水素や水分が侵入し、水分および水素の存在により強誘電体8の容量特性、特に分極特性が劣化する可能性がある。さらに、容量素子の電極に酸化物導電性物が用いられている場合には、高温熱処理を行うことにより、酸化物導電性物が還元される。このため、酸素バリア性がなくなり、下部電極7の剥がれが生じる。
本発明は上記従来技術における問題点を解決するものであって、酸化膜中の水分を取り除くとともに、結晶化した後の強誘電体に大気中の水分が直接付着することを完全に防止し、かつ、下部電極として用いられている導電性酸化物の還元を完全に防止した半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。 The present invention solves the above problems in the prior art, removes moisture in the oxide film and completely prevents moisture in the atmosphere from directly attaching to the ferroelectric after crystallization, It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device in which reduction of a conductive oxide used as a lower electrode is completely prevented.
上記課題を解決するため本発明は、半導体基板上に、下部電極、強誘電体または高誘電体からなる容量絶縁膜、上部電極を順次形成してキャパシタとする工程と、前記キャパシタを被覆するように層間絶縁膜となる酸化膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜となる酸化膜を形成後、酸素雰囲気中で急速熱処理を行い、前記強誘電体または高誘電体からなる容量絶縁膜を結晶化する工程とを備え、前記層間絶縁膜となる酸化膜は、TEOS、O 3 を用いた熱CVD法、またはO 3 とAl(CH 3 ) 3 を用いたALCVD法で形成されるものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a process of forming a capacitor by sequentially forming a lower electrode, a ferroelectric or high-dielectric capacitor insulating film, and an upper electrode on a semiconductor substrate, and covering the capacitor. Forming an oxide film serving as an interlayer insulating film on the substrate, and forming an oxide film serving as the interlayer insulating film, followed by rapid thermal processing in an oxygen atmosphere to crystallize the capacitive insulating film made of the ferroelectric or high dielectric. and a step of reduction, the oxide film serving as the interlayer insulating film is to be formed TEOS, thermal CVD method using O 3, or O 3 and Al (CH 3) ALCVD method using 3 .
本発明によれば、上記において、下部電極を、導電性酸化物を含む電極とすることが好適である。 According to the present invention, in the above, the lower electrode is preferably an electrode containing a conductive oxide.
また本発明によれば、上記において、前記層間絶縁膜となる酸化膜を形成した後に前記層間絶縁膜となる酸化膜上に上層酸化膜を形成する工程を有し、前記急速熱処理を、前記層間絶縁膜となる酸化膜の形成後かつ前記上層酸化膜の形成前に行うことが好適である。
また本発明によれば、上記において、前記層間絶縁膜となる酸化膜の膜厚を200nm以下とすることが好適である。
According to the invention, in the above, the method further includes the step of forming an upper oxide film on the oxide film to be the interlayer insulating film after forming the oxide film to be the interlayer insulating film, It is preferable to carry out after forming the oxide film to be an insulating film and before forming the upper oxide film .
According to the invention, in the above, it is preferable that the thickness of the oxide film serving as the interlayer insulating film is 200 nm or less.
また本発明によれば、上記において、層間絶縁膜となる酸化膜を形成した後、前記急速熱処理を行う前に、前記層間絶縁膜となる酸化膜に対して平坦化処理を行うことが好適である。 According to the present invention, in the above, after forming an oxide film as an interlayer insulating film, before performing the rapid heat treatment it is preferable to perform the planarization process to the oxide film serving as the interlayer insulating film is there.
このように本発明によれば、強誘電体によって強誘電性を発現させるための熱処理を、キャパシタを被覆する酸化膜を形成した後に行うことで、強誘電性を発現させた後に、強誘電体が直接大気中の水分と接触することを防止することができ、このため、酸化膜中の水分を取り除くとともに、結晶化した後の強誘電体に大気中の水分が直接付着することを完全に防止することができる。 As described above, according to the present invention, after the oxide film covering the capacitor is formed, the heat treatment for expressing the ferroelectricity by the ferroelectric is performed, and then the ferroelectric is developed. Therefore, it is possible to prevent moisture in the oxide film from being directly contacted with moisture in the atmosphere and to completely prevent moisture in the atmosphere from directly adhering to the ferroelectric after crystallization. Can be prevented.
また本発明によれば、酸化膜を、下部電極に含まれる導電性酸化物を還元しない絶縁膜とし、また熱処理時の酸化膜厚を制御することで、電極の剥離という不良を防止することができる。 In addition, according to the present invention, the oxide film is an insulating film that does not reduce the conductive oxide contained in the lower electrode, and the oxide film thickness during the heat treatment can be controlled to prevent a defect such as electrode peeling. it can.
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
本発明の実施例について、以下図面を参照しながら説明する。
図1−Aおよび図1−Bを用いて、本発明にもとづく強誘電体および高誘電体を用いた半導体記憶装置の製造方法の実施例を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1A and 1B, an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor memory device using a ferroelectric and a high dielectric according to the present invention will be described.
図1−A(a)に示すように、半導体基板100の上にドライエッチング法を用いて深さ約300nmの溝を形成し、次にCVD法によりシリコン酸化膜を堆積した後、CMP法を用いて平坦化し、素子分離領域101を形成する。次に膜厚約10nmのゲート絶縁膜を形成後、膜厚約200nmのポリシリコン膜を堆積し、ドライエッチング法を用いてゲート電極102を形成する。次に、半導体基板100におけるゲート電極102に隣接した領域およびその周辺の領域に、イオン注入により拡散層103を形成してMOSトランジスタを形成する。
As shown in FIG. 1- (a), a trench having a depth of about 300 nm is formed on a
次に、図1−A(b)に記載するように、上記のように形成されたMOSトランジスタおよびその周辺領域上に第1のシリコン酸化膜104を形成し、ゲート電極102上で膜厚が約200nmになるように平坦化する。次に、第1のシリコン酸化膜104中に、拡散層103に到達するコンタクトホール120を形成した後、チタン約10nm、窒化チタン約20nm、タングステン300nmをCVD法で順次堆積してコンタクトホール120を埋め込み、CMP法で表面を平坦化処理して、タングステンプラグ105を形成する。次に、膜厚約10nmのチタン、膜厚約20nmの窒化チタン、膜厚約100nmのタングステンをスパッタ法により順次堆積し、第1のシリコン104上におけるタングステンプラグ105上を含む所定領域に、ドライエッチング法によりビット線106を形成する。
Next, as shown in FIG. 1-A (b), a first
次に、図1−A(c)に示すように、第1のシリコン酸化膜104上に、ビット線106上を覆うようにCVD方を用いて第2のシリコン酸化膜107を堆積した後、ビット線106上の厚みが100nmになるようにCMP法により平坦化する。次に、第2のシリコン酸化膜107の上に、膜厚約100nmのシリコン窒化膜108からなる絶縁性下部水素バリアを、CVD法で形成する。次に、シリコン窒化膜108、第2のシリコン酸化膜107、第1のシリコン酸化膜104を貫通して、拡散層103に到達するコンタクトホール121をドライエッチング法により形成する。次にチタン約10nm、窒化チタン約20nm、タングステン300nmをCVD法で順次堆積してコンタクトホール121を埋め込んだ後、CMP法で表面を平坦化処理して、タングステンプラグ109を形成する。
Next, after depositing a second
次に、図1−A(d)に示すように、シリコン窒化膜108上およびタングステンプラグ109上に、膜厚約50nmの窒化チタンアルミニウム(TiAlN)、膜厚約50nmのイリジウム(Ir)、導電性酸化膜としての膜厚約50nmの酸化イリジウム(IrOx)、膜厚約100nmの白金(Pt)をスパッタ法により順次堆積し、ドライエッチング法によりタングステンプラグ109の表面を覆うようにパターニングして、導電性酸化物からなる下部電極110を構成する。
Next, as shown in FIG. 1A (d), on the
次に、図1−B(e)に示すように、下部電極110を覆うようにシリコン窒化膜108上にCVD法を用いて第3のシリコン酸化膜111を堆積し、下部電極110の表面が露出するようにCMP法で平坦化を行う。次に、膜厚約100nmで、ストロンチウム、ビスマス、タンタル、ニオブを成分とするビスマス層状ペロブスカイト型酸化物からなる強誘電体を塗布法を用いて堆積する。その後、650℃の酸素雰囲気中で仮焼結を行う。次に、スパッタ法を用いて、膜厚約100nmのPtを堆積する。次にドライエッチングを用いて下部電極110を含む領域で強誘電体およびPtをパターニングし、強誘電体にて形成された容量絶縁膜112とPtにて形成された上部電極113とを形成して、キャパシタ構造とする。
Next, as shown in FIG. 1-B (e), a third
次に、図1−B(f)に示すように、上部電極113上に、例えば、TEOS、O3を原料ガスの主成分とした熱CVD法を用いて、膜厚約150nmの第1の酸化膜114を堆積する。この方法では、公知のプラズマCVD法と異なり、酸化物を還元する水素の発生を抑制することや膜中に含まれる水素濃度を低減することができる。次に、酸素雰囲気中、800℃で、1分間という急速条件により急速熱処理を加え、容量絶縁膜112の強誘電体の結晶化を行う。その後、第1の酸化膜114と同じ手法を用いて第2の酸化膜115を堆積し、平坦化処理を行う。また、第1、第2の酸化膜114、115としてO3とAl(CH3)3を主成分として用いたALCVD(Atomic Layer CVD)法を用いても良い。この手法もプロセスで発生する水素や膜中の水素含有量を低減できる。
Next, as shown in FIG. 1-B (f), the first electrode having a film thickness of about 150 nm is formed on the
このように、第1の酸化膜114を堆積し、急速熱処理により容量絶縁膜112の強誘電体の結晶化を行ったうえで、さらに第2の酸化膜115を堆積し、平坦化処理を行うことで、容量絶縁膜を劣化させることなく、後工程の配線形成で問題となる段差緩和を実現することができる。
As described above, the
なお、図1−B(g)に示すように、第1の酸化膜114を厚めに堆積し、平坦化処理を行ってから、強誘電体を結晶化する急速熱処理工程を行ってもよい。
Note that, as shown in FIG. 1B (g), the
このようにすることにより、第1の酸化膜114中の水分を取り除くとともに、結晶化した後の強誘電体112に大気中の水分が直接付着することを完全に防止することができる。
By doing so, it is possible to remove moisture in the
次に、第1の酸化膜114の膜厚について述べる。Ptにて形成された上部電極113上に第1の酸化膜114を膜厚50nm〜450nmで堆積した後に、RTO処理を施したときの、試料の膜厚と分極量との関係を図2に示す。この図2からわかるように、膜厚が300nm以上では、分極量がほとんど観測されなかった。また、この試料の断面観察を行ったところ、下部電極110のTiAlNとIrとの界面で剥離が観察され、またIrOxの膜厚が薄くなっていた。この結果より、RTO処理時にある程度酸素がIrOxの表面に到達しないと、IrOxの還元反応が起こり、その酸素がTiAlN表面と反応して酸化物層ができ、剥離が起こるものと考えられる。したがって、第1の酸化膜114の膜厚を200nm以下とすることで、下部電極110の剥がれといった不良を生じさせず、かつ大気中の水分の付着等による強誘電体容量の劣化が抑えられると推測される。
Next, the thickness of the
本発明の半導体装置の製造方法は、強誘電体膜あるいは高誘電体膜を用いた容量絶縁膜を有する半導体装置の製造のために利用することができる。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention can be used for manufacturing a semiconductor device having a capacitive insulating film using a ferroelectric film or a high dielectric film.
100 半導体基板
110 下部電極(Pt/IrOx/Ir/TiAlN)
112 容量絶縁膜(強誘電体)
113 上部電極(Pt)
114 第1の酸化膜
115 第2の酸化膜
100
112 Capacitance insulation film (ferroelectric)
113 Upper electrode (Pt)
114
Claims (5)
前記キャパシタを被覆するように層間絶縁膜となる酸化膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜となる酸化膜を形成後、酸素雰囲気中で急速熱処理を行い、前記強誘電体または高誘電体からなる容量絶縁膜を結晶化する工程とを備え、
前記層間絶縁膜となる酸化膜は、TEOS、O3を用いた熱CVD法、またはO3とAl(CH3)3を用いたALCVD法で形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a capacitor by sequentially forming a lower electrode, a capacitor dielectric film made of a ferroelectric or a high dielectric, and an upper electrode on a semiconductor substrate; and
Forming an oxide film to be an interlayer insulating film so as to cover the capacitor;
A step of performing a rapid heat treatment in an oxygen atmosphere after forming the oxide film to be the interlayer insulating film, and crystallizing the capacitive insulating film made of the ferroelectric or high dielectric,
The oxide film to be the interlayer insulating film is formed by a thermal CVD method using TEOS, O 3 or an ALCVD method using O 3 and Al (CH 3 ) 3. .
前記急速熱処理を、前記層間絶縁膜となる酸化膜の形成後かつ前記上層酸化膜の形成前に行うことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 A step of forming an upper oxide film on the oxide film to be the interlayer insulating film after forming the oxide film to be the interlayer insulating film;
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the rapid thermal processing is performed after forming an oxide film to be the interlayer insulating film and before forming the upper oxide film .
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