JP4080624B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に係わり、特に下部キャパシタ電極およびキャパシタ絶縁膜がペロブスカイト構造を有し、下部キャパシタ電極がプラグ電極を介して半導体基板と接続したキャパシタを備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、素子の微細化は進む一方であり、例えばキャパシタのセル面積は非常に小さくなっている。セル面積が小さくなるとキャパシタ容量も小さくなってしまうが、キャパシタの容量は感度やソフトエラー等の点からそれほど小さくできないという要請がある。
【0003】
容量を確保する方法としては、キャパシタを3次元的に形成してセル面積をできるだけ大きくする方法と、キャパシタ絶縁膜に誘電率の高い絶縁膜を用いる方法が検討されている。
【0004】
誘電率の高い絶縁膜として代表的なものに、(Ba,Sr)TiO3 膜等の酸化物誘電体膜が知られている。この種の酸化物誘電体膜をキャパシタ絶縁膜として用いる場合は、キャパシタ電極とキャパシタ絶縁膜との界面に低誘電率層が形成されるのを防止するために、酸化されないかまたは酸化されても金属導電性を示す材料でキャパシタ電極を形成する必要がある。
【0005】
最近、このような電極材料として、(Ba,Sr)TiO3 と同じ結晶構造(ペロブスカイト構造)を有するSrRuO3 を用いることが検討されている。図10に、キャパシタの電極材料としてSrRuO3 を用いたDRAMメモリセルの工程断面図を示す。
【0006】
これを説明すると、まず、図8(a)に示すように、pタイプSi基板71の表面にSTI(Shallow Trench Isolation)による素子分離領域72を形成する。
【0007】
次に同図(a)に示すように、ゲート絶縁膜73、ゲート電極(ワード線)74、n+ 型ドレイン拡散層75、n+ 型ソース拡散層76を形成し、続いて第1層間絶縁膜77を堆積して表面を平坦化した後、第1層間絶縁膜(SiO2 膜)77にコンタクトホールを開孔してビット線78を形成する。
【0008】
次に同図(a)に示すように、第2層間絶縁膜(SiO2 膜)79を堆積して表面を平坦化した後、第1および第2層間絶縁膜77,79にコンタクトホールを開孔して、その内部をTi膜80およびTiN膜81を介してプラグ電極82で埋め込む。
【0009】
次に図8(b)に示すように、SiN膜83、第3層間絶縁膜(SiO2 膜)84を堆積して表面を平坦化した後、これらの絶縁膜83,84にプラグ電極82に対してのヴィアホールを開孔する。
【0010】
次に図8(c)に示すように、ヴィアホールの内部を充填するように下部キャパシタ電極85となるSrRuO3 膜をスパッタ法またはCVD法で全面に堆積した後、ヴィアホール外部の余剰なSrRuO3 膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法で除去して、下部キャパシタ電極85を形成する。この後、第3層間絶縁膜84を選択的にエッチング除去する。
【0011】
最後に、図8(d)に示すように、(Ba,Sr)TiO3 からなるキャパシタ絶縁膜86をCVD法で全面に堆積し、続いて上部キャパシタ電極87となるSrRuO3 膜をCVD法で全面に堆積した後、このSrRuO3 膜を加工して上部キャパシタ電極87を形成して、DRAMメモリセルが完成する。
【0012】
ここで、キャパシタ容量を稼ぎ、リーク電流を抑制するためには、下部キャパシタ電極85、キャパシタ絶縁膜86および上部キャパシタ電極87がエピタキシャル成長していることが望ましい。
【0013】
そのためには、下部キャパシタ電極85であるSrRuO3 膜を単結晶化する必要がある。報告されているSrRuO3 膜を単結晶化する方法について説明すると以下のようになる。
【0014】
まず、図9(a)に示すように、単結晶Si基板91上にAlTiN膜92をスパッタ法で堆積する。ここで、AlTiN膜92は単結晶Si基板91上にエピタキシャル成長し、全面に渡って単結晶となる。
【0015】
次に図9(b)に示すように、AlTiN膜92上にPt膜93をスパッタ法で堆積する。このPt膜93も同様に全面に渡って単結晶となる。
【0016】
最後に、図9(c)に示すように、Pt膜93上にSrRuO3 膜94をスパッタ法で堆積させる。このSrRuO3 膜94も同様に全面に渡って単結晶となる。
【0017】
このような方法で下部キャパシタ電極85である単結晶のSrRuO3 膜を形成すれば、キャパシタ絶縁膜86である(Ba,Sr)TiO3 膜もキャパシタ部で単結晶化することができ、さらに上部キャパシタ電極87であるSrRuO3 膜も同じペロブスカイト構造であるため、キャパシタ部で単結晶化することができ、良好な特性を有するキャパシタを実現することができる。
【0018】
しかしながら、実際のDRAMでは、Si基板71と下部キャパシタ電極85との間にはトランジスタを動作させるためのゲート電極(ワード線)74やビット線78が配線されており、下部キャパシタ電極85はn+ 型ソース拡散層76とサブミクロンサイズのプラグ電極82を介して接続しなければならず、しかもLSIの世代が進むにつれて、プラグ電極82を埋め込むためのコンタクトホールのアスペクト比は大きくなる。
【0019】
このようにプラグ電極82のサイズが小さくなり、アスペクト比が大きくなると、従来プラグ電極材として用いられたSi系の材料では抵抗が高くなるために用いることができず、その代わりにRuやW等の低抵抗の金属を用いる必要があるが、この種の金属の単結晶化は非常に困難である。
【0020】
また、図10に示すように、上面がコンタクトホールの開孔面よりも低いプラグ電極82を形成し、プラグ電極82の表面だけに単結晶のSrRuO3 /Pt積層膜88を形成すれば、その上に形成する上部キャパシタ電極87としてのSrRuO3 膜を単結晶化することは可能である。
【0021】
単結晶のSrRuO3 /Pt積層膜88の形成工程は、プラグ電極82上のコンタクトホールの未重点部分にアモルファスのSrRuO3 /Pt積層膜を埋め込み形成する工程と、これをレーザーアニール等を用いて単結晶化する工程とからなる。
【0022】
しかしながら、プラグ電極82のサイズがサブミクロン程度の場合、レーザーアニール等を用いてもプラグ電極82上のアモルファスのSrRuO3 /Pt積層膜を単結晶化することは難しく、双晶や多結晶が形成されてしまい、その結果として下部キャパシタ電極85であるSrRuO3 膜も双晶や多結晶になってしまう問題がある。なお、図中、89は粒界を示している。
【0023】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、微細化の進んだDRAMセルにおいて、必要な容量を確保するために、キャパシタ絶縁膜として誘電率の高い単結晶(BaSrTiO3 膜、下部および上部キャパシタ電極として単結晶SrRuO3 膜を使用することが提案されていた。
【0024】
このようなキャパシタ絶縁膜、ならびに下部および上部キャパシタ電極を形成するためには、下部キャパシタ電極とSi基板とを接続するプラグ電極は単結晶である必要があった。
【0025】
しかしながら、微細化の進んだDRAMセルにおいては、プラグ電極の材料として抵抗は低いが結晶化が困難であるRu等の金属を使用する必要があったので、プラグ電極の単結晶化は困難であるという問題があった。
【0026】
また、他の方法として、プラグ電極が途中まで埋め込まれたコンタクトホールの未充填部分にアモルファスのSrRuO3 膜を埋め込み形成し、それをレーザアニールにより単結晶化したものを結晶核に使用する方法も提案されていた。
【0027】
しかしながら、微細の進んだDRAMセルにおいては、コンタクトホールも微細化し、このような微細なコンタクトホールの上部に埋め込まれたアモルファスのSrRuO3 膜をレーザアニールで単結晶化することは困難であるという問題があった。
【0028】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、プラグ電極を介して半導体基板に接続し、かつペロブスカイト構造を有する導電膜からなる下部キャパシタ電極上に、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物誘電体膜からなるキャパシタ絶縁膜が形成されてなるキャパシタを容易に実現できる構造を有する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【0029】
【課題を解決するための手段】
[構成]
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成され、ペロブスカイト構造を有する単結晶SrRuO 3 からなる下部キャパシタ電極と、この下部キャパシタ電極上に形成され、ペロブスカイト構造を有する単結晶金属酸化物誘電体膜からなるキャパシタ絶縁膜と、このキャパシタ絶縁膜上に形成された上部キャパシタ電極と、前記下部キャパシタ電極と前記半導体基板とを接続し、前記下部キャパシタ電極と接触する部分に窪みを有し、この窪みの内部がSrRuO 3 で埋め込まれたプラグ電極であって、前記SrRuO 3 膜の少なくとも最表面が単結晶である前記プラグ電極とを備え、前記下部キャパシタ電極は、前記窪み内に埋め込まれた前記SrRuO 3 膜を結晶核に用い、前記SrRuO 3 膜と接触するアモルファスSrRuO 3 膜を熱処理により結晶化したものであり、前記窪みの大きさは、前記窪み内に埋め込まれたアモルファスSrRuO 3 膜の少なくとも最表面を熱処理により単結晶にできる大きさであることを特徴とする。
【0031】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、該半導体基板と後工程で形成する下部キャパシタ電極とを接続する、表面に窪みを有するプラグ電極を形成する工程と、前記窪みの内部を少なくとも最表面が単結晶であるSrRuO 3 で埋め込む工程と、結晶化時にペロブスカイト構造を取るアモルファスSrRuO 3 を前記少なくとも最表面が単結晶であるSrRuO 3 と接触するように形成する工程と、前記少なくとも最表面が単結晶であるSrRuO 3 を結晶核に用い、前記アモルファスSrRuO 3 を熱処理により結晶化することによって、下部キャパシタ電極としてのペロブスカイト構造を有する単結晶SrRuO 3 を形成する工程と、この単結晶SrRuO 3 上にペロブスカイト構造を有する単結晶金属酸化物誘電体膜からなるキャパシタ絶縁膜を形成する工程と、このキャパシタ絶縁膜上に上部キャパシタ電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【0032】
本発明のより具体的な形態は以下の通りである。
【0033】
(1)少なくとも最表面が単結晶であるSrRuO 3 は、ペロブスカイト構造を有する導電物である。
【0034】
(2)上部キャパシタ電極は、ペロブスカイト構造を有する導電膜で構成されている。
【0035】
(3)窪みの開孔径は、50nm以下である。
【0038】
)下部キャパシタ電極は、ARuO3 (AはSr,Ba,Ca,LaおよびNdから選ばれる少なくとも1種の元素を示す)、ならびに(Sr,RE)CoO3 (REはLa,Pr,SmおよびNdから選ばれる少なくとも1種の元素を示す)から選ばれる1種からなる材料で構成されている。
【0039】
)キャパシタ絶縁膜は、(Ba,Sr)TiO3 、SrTiO3 、BaTiO3 、PbTiO3 、Bi4 Ti312、SrBi2 Ta29 、Pb(Zr,Ti)O3 、または(Pb,La)(Zr,Ti)O3 で構成されている。
【0040】
)窪みの内部を少なくとも最表面が単結晶であるSrRuO 3 で埋め込む工程は、窪みの内部を充填するように該窪みの開孔径の2分の1よりも厚いアモルファスSrRuO 3 を全面に堆積する工程と、窪みの外部のアモルファスSrRuO 3 を除去する工程と、窪みの内部に残ったアモルファスSrRuO 3 を結晶化する工程とを有する。
【0041】
(9)アモルファス導電膜として白金膜またはABO3 (A、Bは金属元素)膜を形成し、その成膜方法としてスパッタ法またはCVD法を用いる。
【0042】
[作用]
本発明(請求項1〜)によれば、プラグ電極の表面の窪みの内部に少なくとも最表面が単結晶であるSrRuO 3 が埋め込まれているので、プラグ電極がRu膜等の単結晶化が困難な金属膜であっても、上記SrRuO 3 を結晶核に用いることによって、ペロブスカイト構造を有する単結晶SrRuO 3 (下部キャパシタ電極)を容易に形成することができる。
【0043】
また、プラグ電極が埋め込まれるコンタクトホールの開孔径が小さくても、本発明(請求項)の方法により上記少なくとも最表面が単結晶であるSrRuO 3 を容易に形成することができる。その理由は、プラグ電極の表面の窪みの大きさが開孔径50nm以下であれば、その内部に埋め込まれたアモルファスSrRuO 3 は熱処理によって確実に単結晶になるからである。
【0044】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。
【0045】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るDRAMセルを示す断面図である。
【0046】
図中、1はpタイプSi基板を示しており、このpタイプSi基板1の表面にはSTI構造の素子分離領域2が形成されている。
【0047】
この素子分離領域2で分離されたトランジスタ領域内には、ゲート絶縁膜3、ゲート電極(ワード線)4、n+ 型ドレイン拡散層5およびn+ 型ソース拡散層6からなるMOSトランジスタが形成されている。
【0048】
pタイプSi基板1上には、表面が平坦な第1層間絶縁膜(SiO2 膜)7が形成され、この第1層間絶縁膜7に開孔されたコンタクトホールを介してビット線8がn+ 型ドレイン拡散層5に接続している。
【0049】
第1層間絶縁膜7上には、表面が平坦な第2層間絶縁膜(SiO2 膜)9が形成され、第1および第2層間絶縁膜7,9に開口されたコンタクトホールを介して、単結晶のRuからなるプラグ電極10がn+ 型ソース拡散層6に接続している。
【0050】
このプラグ電極10の表面の中央部には窪みが形成され、この窪みの内部は単結晶のSrRuO3 膜11で埋め込まれている。SrRuO3 膜11の代わりにそれに近い格子定数を有する結晶性の物質でも良い。
【0051】
第2層間絶縁膜9上にはSiN膜12が形成されている。このSiN膜12はプラグ電極10を含む領域に開口部を有し、この開口部を介してプラグ電極10とコンタクトする、単結晶のSrRuO3 からなる下部キャパシタ電極14が形成されている。下部キャパシタ電極14はSiN膜12よりも厚い。
【0052】
下部キャパシタ電極14上には、単結晶の(Ba,Sr)TiO3 からなるキャパシタ絶縁膜15が形成されている。そして、下部キャパシタ電極14上にはキャパシタ絶縁膜15を介して単結晶のSrRuO3 からなる上部キャパシタ電極16が形成されている。
【0053】
なお、下部キャパシタ電極14の近傍以外のSiN膜12上のキャパシタ絶縁膜15は単結晶にはならず、アモルファスまたは多結晶になる。キャパシタ絶縁膜15の形成時の温度(単結晶化温度)が低い場合にはアモルファス、単結晶化温度が低くい場合でも、後工程(例えば上部キャパシタ電極16の形成時)や結晶性向上のために単結晶化温度よりも高い温度にさらされた場合には多結晶となる。上記アモルファスまたは多結晶の部分はキャパシタ絶縁膜としての役割は無いので問題はない。
【0054】
このような構成によれば、キャパシタ絶縁膜15として誘電率の高い(Ba,Sr)TiO3 膜が用いられ、かつキャパシタを構成する部分の各膜の全てが単結晶膜(ペロブスカイト構造)であるので、必要なキャパシタ容量を容易に確保できるとともに、リーク電流の増加を効果的に抑制できるようになる。
【0055】
図2および図3は、図1のDRAMメモリセルの製造方法を示す工程断面図である。
【0056】
まず、図2(a)に示すように、pタイプSi基板1の表面にSTIによる素子分離領域2を形成し、続いてゲート絶縁膜3、ゲート電極(ワード線)4、n+ 型ドレイン拡散層5、n+ 型ソース拡散層6を形成する。
【0057】
次に同図(a)に示すように、第1層間絶縁膜7を堆積して表面を平坦化した後、第1層間絶縁膜7にコンタクトホールを開孔してビット線8を形成し、続いて第2層間絶縁膜9を堆積して表面を平坦化した後、第1および第2層間絶縁膜7,9にコンタクトホールを開孔する。
【0058】
次に図2(b)に示すように、基板温度200〜450℃、成膜圧力1〜100Pa、Ru(Cp)2 (Arキャリア)とO2 (雰囲気中O2 濃度40%以下)を用いたCVD法で、プラグ電極10となるRu膜を全面に堆積した後、コンタクトホール外部の余剰なRu膜をCMP法または反応性イオンエッチングを用いたエッチバック法により除去することによって、コンタクトホールの内部にプラグ電極10を埋込み形成する。
【0059】
このとき、余剰なRu膜をCMP法で除去する場合には、全面に堆積するRu膜の膜厚をコンタクトホールの開孔径の半分程度にすることによって、プラグ電極10の中央部に窪みを形成する。また、反応性イオンエッチングの場合にはRu膜(プラグ電極10)の膜厚に特に制限はなく、厚すぎなければ(開孔径程度まで)良い。図11に、余剰なRu膜をCMP法または反応性イオンエッチング(RIE)法により除去する工程の断面図を示す。
【0060】
次に図2(c)に示すように、基板温度200〜400℃、成膜圧力1〜1000Pa、Ru(THD)3 とSr(THD)2 とO2 の混合ガスを用いたCVD法で、単結晶のSrRuO3 膜11となるアモルファスのSrRuO3 膜を全面に堆積し、続いてCMP法で窪み外部の余剰なSrRuO3 膜を除去した後、600℃以上の熱処理を行うことにより、プラグ電極10の中央部の窪みを単結晶のSrRuO3 膜11で埋め込む。
【0061】
次に図3(d)に示すように、SiN膜12、第3層間絶縁膜(SiO2 膜)13を順次堆積し、続いてこれらの絶縁膜12,13にプラグ電極10に繋がるコンタクトホールを開孔した後、このコンタクトホールを充填するように下部キャパシタ電極となるアモルファスのSrRuO3 膜14をCVD法で全面に堆積する。第3層間絶縁膜13上におけるSrRuO3 膜14の膜厚は、SiN膜12よりも厚くある必要はない。
【0062】
SiN膜12は、コンタクトホールの形成位置がずれても、キャパシタ絶縁膜15がプラグ電極10に直接接しないようにするためのものである。これにより位置ずれによるリーク電流の増加を防止できる。
【0063】
次に図3(e)に示すように、コンタクトホール外部の余剰なSrRuO3 膜14をCMP法により除去し、コンタクトホール内部のみにSrRuO3 膜14を選択的に残置させる。
【0064】
この後、400〜500℃、2〜10時間の熱処理によって、コンタクトホール内部のSrRuO3 膜14を結晶化することによって、単結晶のSrRuO3 からなる下部キャパシタ電極14が完成する。
【0065】
次に図3(f)に示すように、第3層間絶縁膜13をエッチング除去し、続いて単結晶のキャパシタ絶縁膜15となるアモルファスの(Ba,Sr)TiO3 膜をCVD法で全面に堆積した後、これを熱処理して結晶化することによって、下部キャパシタ電極14と接する部分に単結晶の(Ba,Sr)TiO3 からなるキャパシタ絶縁膜15を形成する。
【0066】
次に同図(f)に示すように、上部キャパシタ電極となるアモルファスのSrRuO3 膜16をCVD法で全面に堆積した後、これを熱処理して結晶化することによって、単結晶のSrRuO3 膜16を形成する。
【0067】
最後に、単結晶のSrRuO3 膜12を電極状にパターニングして、図1に示したDRAMメモリセルが完成する。
【0068】
なお、本実施形態では、下部キャパシタ電極14を形成する際に、余剰なアモルファスのSrRuO3 膜をCMP法で除去した後に、熱処理によってアモルファスのSrRuO3 膜を結晶化したが、その逆に熱処理によってアモルファスのSrRuO3 膜を結晶化した後に、余剰な単結晶のSrRuO3 膜をCMP法で除去しても良い。
【0069】
以下、プラグ電極10としてRu膜を用いたことの利点について説明する。
【0070】
コンタクトホール内にRu膜を埋め込み形成するには、まず、Ru(C6 5 2 、Ru(CH3 5 4 2 、またはRu(C2 5 5 4 2 とO2 との混合ガスを用いて、300℃以下の成膜温度でCVD法により全面に堆積した後、コンタクトホール外部のRu膜をCMP法で除去する。なお、O2 の代わりに、O3 、Oラジカル、N2 O等の酸化性雰囲気となる物質を用いても良い。
【0071】
Ru膜を上記条件で成膜すると非常に良いカバレッジでRu膜を成膜することができ、またRu膜の表面モフォロジーも良好となる。したがって、上記Ru膜の埋め込み方法を用いることによって、開孔径の小さいコンタクトホール内に巣(ボイド)を生じることなく、Ruからなるプラグ電極10を容易に実現できるようになる。
【0072】
なお、RuはIr等と同様に酸化されても金属導電性を示すため、下部キャパシタ電極14の材料にSrRuO3 等の金属酸化物を用いても、プラグ電極10と下部キャパシタ電極14との間のコンタクト抵抗が増大するという問題は生じない。
【0073】
Si基板1とプラグ電極10との接触面は、成膜雰囲気中にO2 を用いているために、Ru、Si、Oを含む非常に薄い層が形成される。この層は、RuのSi基板1中への拡散を防止するとともに、Si基板1とプラグ電極10との間のコンタクト抵抗を下げるという利点を持っている。また、Si基板1とプラグ電極10との接触面にTiN膜等のバリアメタル膜を形成しても何ら問題はない。
【0074】
また、本実施形態のように、下部キャパシタ電極14の材料にSrRuO3 を用いる場合は、Ru元素はプラグ電極10および下部キャパシタ電極14の両方に含まれるので、プラグ電極10と下部キャパシタ電極14との電気的接合性は非常に良くなる。
【0075】
また、本実施形態では、プラグ電極10の表面の窪みを単結晶のSrRuO3 膜14で埋め込んだが、図4に示すように、最表面のSrRuO3 膜11が単結晶であれば、窪みの中に複数個の結晶粒があっても差し支えない。図には、結晶粒が2個のSrRuO3 膜11が示されている。
【0076】
また、プラグ電極10の表面の窪みの開孔径が大きい方が、窪み中の結晶核となるSrRuO3 膜11の結晶の情報を、下部キャパシタ電極14に伝達しやすいが、あまり大きいと窪み中の最表面のSrRuO3 膜11が多結晶または双晶となってしまうため、確実に単結晶のSrRuO3 膜11を得るためには、プラグ電極10の表面の窪みの開孔径を50nm以下にする必要がある。
【0077】
また、本実施形態では、プラグ電極10として表面に窪みを有するRu膜を使用したが、上述したRu膜の利点は表面に窪みが無くても得られるので、表面に窪みのないRu膜をプラグ電極に用いても従来よりも優れたDRAMセルを実現することができる(他の実施形態についても同様)。
【0078】
(第2の実施形態)
図5は、本発明の第2の実施形態に係るDRAMメモリセルの製造方法を示す工程断面図である。なお、図1〜図3と対応する部分には図1〜図3と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する(他の実施形態についても同様)。
【0079】
本実施形態の製造方法が第1の実施形態のそれと異なるのは、図2(c)の工程よりも後の工程である。
【0080】
すなわち、図2(c)の工程に続いて、図5(a)に示すように、下部キャパシタ電極となるアモルファスのSrRuO3 膜14をスパッタ法で全面に堆積する。その後、400〜500℃、2〜10時間の熱処理によって、SrRuO3 膜14を結晶化する。
【0081】
次に図5(b)に示すように、単結晶のSrRuO3 膜14をパターニングして、下部キャパシタ電極14を形成する。なお、パターニングの後に結晶化を行っても良い。
【0082】
次に図5(c)に示すように、キャパシタ絶縁膜15となるアモルファスの(Ba,Sr)TiO3 膜をCVD法で全面に堆積した後、これを熱処理することによって単結晶の(Ba,Sr)TiO3 からなるキャパシタ絶縁膜15を形成する。
【0083】
最後に、同図(c)に示すように、上部キャパシタ電極16となるアモルファスのSrRuO3 膜をCVD法で全面に堆積し、続いてこのアモルファスのSrRuO3 膜を熱処理して結晶化した後、これをパターニングすることによって単結晶のSrRuO3 からなる上部キャパシタ電極16を形成して、DRAMメモリが完成する。
【0084】
本実施形態でも第1の実施形態と同様な効果が得られ、さらに本実施形態によれば、SiN膜12、第3層間絶縁膜13を形成しないので、第1の実施形態に比べて、プロセスの簡略化を図れるようになる。
【0085】
(第3の実施形態)
図6は、本発明の第3の実施形態に係るDRAMメモリセルの製造方法を示す工程断面図である。
【0086】
本実施形態の製造方法が第1の実施形態のそれと異なるのは、図2(c)の工程よりも後工程である。本実施形態でも、SiN膜12、第3層間絶縁膜13は形成しない
すなわち、図2(c)の工程に続いて、図6(a)に示すように、下部キャパシタ電極となるアモルファスのSrRuO3 膜14を、基板温度400〜500℃、成膜圧力1Pa以下、Ru(THD)3 とSr(THD)2 とO2 を用いたCVD法により形成する。
【0087】
このとき、成膜圧力が1Pa以下という十分に低い圧力であることから、SrRuO3 膜14はSrRuO3 膜11から成長するので、同図(a)に示すように、SrRuO3 膜14はプラグ電極10およびその周囲上のみに選択的に形成される。この後、400〜500℃、2〜10時間の熱処理によって、アモルファスのSrRuO3 14を結晶化する。
【0088】
次に図6(b)に示すように、キャパシタ絶縁膜15となるアモルファスの(Ba,Sr)TiO3 膜をCVD法で全面に堆積した後、これを熱処理することによって単結晶の(Ba,Sr)TiO3 からなるキャパシタ絶縁膜15を形成する。
【0089】
最後に、同図(b)に示すように、上部キャパシタ電極16となるアモルファスのSrRuO3 膜をCVD法で全面に堆積し、続いてアモルファスのSrRuO3 膜を熱処理して結晶化した後、これをパターニングすることによって単結晶のSrRuO3 からなる上部キャパシタ電極16を形成して、DRAMメモリが完成する。
【0090】
本実施形態でも第1の実施形態と同様な効果が得られ、さらに本実施形態によれば、SiN膜12、第3層間絶縁膜13を形成しないので、第1の実施形態に比べて、プロセスの簡略化を図れるようになる。
【0091】
また、本実施形態のように、SrRuO3 膜を選択的に成長させることによって下部キャパシタ電極14を形成する場合には、キャパシタの配置を図7に示すような1/4ピッチにすることで、キャパシタの配列を細密にすることができるようになる。
【0092】
(第4の実施形態)
本実施形態のDRAMセルが第1の実施形態のそれと構造上異なる点は、プラグ電極10の表面中央部の窪み内部をSrRuO3 膜11で埋め込む代わりに、SrRuO3 と格子定数の近い単結晶のPt膜で埋め込んだことにある。
【0093】
また、プロセス的に異なる点は、図2(c)の工程で窪み内部に単結晶のSrRuO3 膜11を形成する代わりに、スパッタ法またはCVD法でアモルファスPt膜を全面に堆積し、続いて窪み外部の余剰なアモルファスPt膜をCMP法で除去した後、700℃以上の熱処理によって窪み内部のPt膜のPt粒成長を促進させ、単結晶Pt膜を形成することである。
【0094】
本実施形態でも第1の実施形態と同様な効果が得られ、またCMP工程と熱処理工程の順序や、窪み中の結晶粒の数、その他の種々の変形が第1の実施形態と同様に可能である。
【0095】
また、第2および第3の実施形態のDRAMセルにおいて、SrRuO3 膜11を単結晶Pt膜に置き換えても同様な効果が得られる。
【0096】
(第5の実施形態)
本実施形態のDRAMセルが第1の実施形態のそれと構造上異なる点は、プラグ電極10の表面中央部の窪み内部をSrRuO3 膜11で埋め込む代わりに、SrRuO3 と同じペロブスカイト構造を有する単結晶SrTiO3 膜で埋め込んだことにある。
【0097】
また、プロセス的に異なる点は、図2(c)の工程で窪み内部に単結晶のSrRuO3 膜11を形成する代わりに、基板温度300〜400℃、Ti(t−OBu)2 (THD)2 とSr(THD)2 とO2 との混合ガスを用いたCVD法でアモルファスSrTiO3 膜を全面に堆積し、続いて窪み外部の余剰なアモルファスSrTiO3 膜をCMP法で除去した後、600℃以上の熱処理によって窪み内部のアモルファスSrTiO3 膜を結晶化することである。
【0098】
本実施形態では、単結晶化の核として絶縁膜である単結晶SrTiO3 膜を用いているが、単結晶SrTiO3 膜はプラグ電極10の中央部にのみしか存在しないので、下部キャパシタ電極14とプラグ電極10とを電気的に接続することができる。
【0099】
また、単結晶化の核はSrTiO3 膜に限定されず、BaTiO3 膜や(Ba,Sr)TiO3 膜等の他のペロブスカイト構造を有する絶縁膜も結晶化の核として用いることができる。
【0100】
また、単結晶化されたSrTiO3 膜の最表面はエネルギー的に最も安定な表面であることから、その上の単結晶SrRuO3 からなる下部キャパシタ電極14の基板方位に対する配向性が揃い、その結果としてキャパシタ特性のセル依存性をなくすことができる。
【0101】
本実施形態でも第1の実施形態と同様な効果が得られ、またCMP工程と熱処理工程の順序や、窪み中の結晶粒の数、その他の種々の変形が第1の実施形態と同様に可能である。
【0102】
また、第2および第3の実施形態のDRAMセルにおいて、SrRuO3 膜11を単結晶SrTiO3 膜等のペロブスカイト構造を有する絶縁膜に置き換えても同様な効果が得られる。
【0103】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、キャパシタ絶縁膜の材料として(Ba,Sr)TiO3 を用いた場合について説明したが、SrTiO3 、BaTiO3 、PbTiO3 、Bi4 Ti312、SrBi2 Ta29 、Pb(Zr,Ti)O3 、(Pb,La)(Zr,Ti)O3 等の他の絶縁材料を用いても同様な効果が得られる。
【0104】
また、上記実施形態では、DRAMメモリセルのキャパシタの場合について説明したが、本発明はFRAMメモリセルのキャパシタ等の他のキャパシタにも適用できる。
【0105】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【0106】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、表面に窪みを有し、この窪みの内部が結晶性物質で埋め込まれたプラグ電極を用いることにより、ペロブスカイト構造を有する導電膜からなる下部キャパシタ電極上に、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物誘電体膜からなるキャパシタ絶縁膜が形成されてなるキャパシタを有する半導体装置およびその製造方法を容易に実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るDRAMセルを示す断面図
【図2】図1のDRAMメモリセルの製造方法を示す工程断面図
【図3】図2に続く同DRAMメモリセルの製造方法を示す工程断面図
【図4】図1のDRAMメモリセルの変形例を示す断面図
【図5】本発明の第2の実施形態に係るDRAMメモリセルの製造方法を示す工程断面図
【図6】本発明の第3の実施形態に係るDRAMメモリセルの製造方法を示す工程断面図
【図7】同DRAMメモリセルのキャパシタの配置を示す平面図
【図8】従来のキャパシタの電極材料としてSrRuO3 を用いたDRAMメモリセルの製造方法を示す工程断面図
【図9】従来のSrRuO3 膜を単結晶化の方法を示す工程断面図
【図10】従来の上部キャパシタ電極としてのSrRuO3 膜の単結晶化の方法の問題点を説明するための断面図
【図11】余剰なRu膜をCMP法またはRIE法により除去する工程を示す断面図
【符号の説明】
1,71…pタイプSi基板
2,72…素子分離領域
3,73…ゲート絶縁膜
4,74…ゲート電極(ワード線)
5,75…n+ 型ドレイン拡散層
6,76…n+ 型ソース拡散層
7,77…第1層間絶縁膜
8,78…ビット線
9,79…第2層間絶縁膜
10,82…プラグ電極
11…SrRuO3
12,83…SiN膜
13…第3層間絶縁膜
14,85…SrRuO3 膜(下部キャパシタ電極)
15,86…(Ba,Sr)TiO3 膜(キャパシタ絶縁膜)
16,87…SrRuO3 膜(上部キャパシタ電極)
80…Ti膜
81…TiN膜
84…第3層間絶縁膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, a semiconductor device including a capacitor in which a lower capacitor electrode and a capacitor insulating film have a perovskite structure, and the lower capacitor electrode is connected to a semiconductor substrate through a plug electrode, and the same It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, along with the high integration of semiconductor integrated circuits, the miniaturization of elements continues to progress, and for example, the cell area of capacitors has become very small. When the cell area is reduced, the capacitance of the capacitor is also reduced. However, there is a demand that the capacitance of the capacitor cannot be reduced so much in terms of sensitivity and soft error.
[0003]
As a method for securing the capacitance, a method of forming a capacitor three-dimensionally to increase the cell area as much as possible and a method of using an insulating film having a high dielectric constant for the capacitor insulating film are being studied.
[0004]
A typical example of an insulating film having a high dielectric constant is (Ba, Sr) TiO.Three Oxide dielectric films such as films are known. When this kind of oxide dielectric film is used as a capacitor insulating film, it is not oxidized or oxidized in order to prevent a low dielectric constant layer from being formed at the interface between the capacitor electrode and the capacitor insulating film. It is necessary to form the capacitor electrode with a material exhibiting metal conductivity.
[0005]
Recently, as such an electrode material, (Ba, Sr) TiO is used.Three Has the same crystal structure (perovskite structure) as SrRuOThree The use of is being considered. FIG. 10 shows SrRuO as a capacitor electrode material.ThreeFIG. 6 shows a cross-sectional process diagram of a DRAM memory cell using
[0006]
To explain this, first, as shown in FIG. 8A, an element isolation region 72 is formed on the surface of a p-type Si substrate 71 by STI (Shallow Trench Isolation).
[0007]
Next, as shown in FIG. 5A, a gate insulating film 73, a gate electrode (word line) 74, n+ Type drain diffusion layer 75, n+After forming the type source diffusion layer 76 and subsequently depositing a first interlayer insulating film 77 to planarize the surface, the first interlayer insulating film (SiO 2)2A bit hole 78 is formed by opening a contact hole in the film 77.
[0008]
Next, as shown in FIG. 5A, the second interlayer insulating film (SiO2(Film) 79 is deposited to flatten the surface, and then a contact hole is formed in the first and second interlayer insulating films 77 and 79, and the inside thereof is plug electrode 82 via Ti film 80 and TiN film 81. Embed with
[0009]
Next, as shown in FIG. 8B, the SiN film 83, the third interlayer insulating film (SiO2(Film) 84 is deposited and the surface is flattened, and then a via hole for the plug electrode 82 is formed in these insulating films 83 and 84.
[0010]
Next, as shown in FIG. 8C, SrRuO which becomes the lower capacitor electrode 85 so as to fill the inside of the via hole.Three After depositing the film on the entire surface by sputtering or CVD, excess SrRuO outside the via holeThree The film is removed by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method to form the lower capacitor electrode 85. Thereafter, the third interlayer insulating film 84 is selectively removed by etching.
[0011]
Finally, as shown in FIG. 8D, (Ba, Sr) TiO.Three A capacitor insulating film 86 made of is deposited on the entire surface by the CVD method, and then SrRuO which becomes the upper capacitor electrode 87Three After the film is deposited on the entire surface by the CVD method, this SrRuOThreeThe film is processed to form the upper capacitor electrode 87, thereby completing the DRAM memory cell.
[0012]
Here, in order to increase the capacitor capacity and suppress the leakage current, it is desirable that the lower capacitor electrode 85, the capacitor insulating film 86, and the upper capacitor electrode 87 are epitaxially grown.
[0013]
For this purpose, SrRuO which is the lower capacitor electrode 85 is used.Three The film needs to be single crystallized. Reported SrRuOThree The method for single crystallization of the film will be described as follows.
[0014]
First, as shown in FIG. 9A, an AlTiN film 92 is deposited on a single crystal Si substrate 91 by a sputtering method. Here, the AlTiN film 92 is epitaxially grown on the single crystal Si substrate 91 and becomes a single crystal over the entire surface.
[0015]
Next, as shown in FIG. 9B, a Pt film 93 is deposited on the AlTiN film 92 by sputtering. Similarly, this Pt film 93 also becomes a single crystal over the entire surface.
[0016]
Finally, as shown in FIG. 9C, the SrRuO film is formed on the Pt film 93.Three A film 94 is deposited by sputtering. This SrRuOThree Similarly, the film 94 becomes a single crystal over the entire surface.
[0017]
In this way, the single crystal SrRuO that is the lower capacitor electrode 85 is formed.Three If the film is formed, the capacitor insulating film 86 (Ba, Sr) TiO is used.Three The film can also be single-crystallized in the capacitor part, and SrRuO which is the upper capacitor electrode 87Three Since the film also has the same perovskite structure, it can be single-crystallized in the capacitor portion, and a capacitor having good characteristics can be realized.
[0018]
However, in an actual DRAM, a gate electrode (word line) 74 and a bit line 78 for operating a transistor are wired between the Si substrate 71 and the lower capacitor electrode 85, and the lower capacitor electrode 85 is n+It must be connected to the type source diffusion layer 76 via a submicron-sized plug electrode 82, and the aspect ratio of the contact hole for embedding the plug electrode 82 increases as the generation of LSI advances.
[0019]
Thus, when the size of the plug electrode 82 is reduced and the aspect ratio is increased, the Si-based material conventionally used as the plug electrode material cannot be used because of its high resistance. Instead, Ru, W, etc. Although it is necessary to use a low-resistance metal, it is very difficult to make a single crystal of this kind of metal.
[0020]
Further, as shown in FIG. 10, a plug electrode 82 whose upper surface is lower than the opening surface of the contact hole is formed, and single crystal SrRuO is formed only on the surface of the plug electrode 82.Three When the / Pt laminated film 88 is formed, SrRuO as the upper capacitor electrode 87 formed thereon is formed.Three It is possible to monocrystallize the film.
[0021]
Single crystal SrRuOThree / Pt laminated film 88 is formed by applying amorphous SrRuO to the unfocused portion of the contact hole on plug electrode 82.Three / Pt multilayer film is embedded and formed, and this is formed into a single crystal using laser annealing or the like.
[0022]
However, when the size of the plug electrode 82 is about submicron, amorphous SrRuO on the plug electrode 82 is used even if laser annealing or the like is used.Three It is difficult to make a single crystal of the / Pt laminated film, and twins and polycrystals are formed. As a result, SrRuO which is the lower capacitor electrode 85 is formed.Three There is a problem that the film also becomes twinned or polycrystalline. In the figure, 89 indicates a grain boundary.
[0023]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, a single crystal (Ba) having a high dielectric constant is used as a capacitor insulating film in order to secure a necessary capacity in a DRAM cell which has been miniaturized.,Sr)TiOThreeSingle crystal SrRuO as film, lower and upper capacitor electrodesThreeIt has been proposed to use a membrane.
[0024]
In order to form such a capacitor insulating film and the lower and upper capacitor electrodes, the plug electrode connecting the lower capacitor electrode and the Si substrate had to be a single crystal.
[0025]
However, in a highly miniaturized DRAM cell, it is necessary to use a metal such as Ru, which has a low resistance but is difficult to crystallize, as a material for the plug electrode. There was a problem.
[0026]
As another method, amorphous SrRuO is formed in the unfilled portion of the contact hole in which the plug electrode is partially embedded.ThreeThere has also been proposed a method in which a film is embedded and formed into a single crystal by laser annealing and used as a crystal nucleus.
[0027]
However, in the advanced DRAM cell, the contact hole is also miniaturized, and amorphous SrRuO embedded in the upper part of such a fine contact hole.ThreeThere is a problem that it is difficult to single crystallize the film by laser annealing.
[0028]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to connect a perovskite structure on a lower capacitor electrode made of a conductive film having a perovskite structure and connected to a semiconductor substrate through a plug electrode. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a structure capable of easily realizing a capacitor formed with a capacitor insulating film made of a metal oxide dielectric film having a structure and a method for manufacturing the same.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
[Constitution]
  In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention is formed on a semiconductor substrate and has a perovskite structure.Single crystal SrRuO Three filmA lower capacitor electrode, and a perovskite structure formed on the lower capacitor electrodeSingle crystalA capacitor insulating film made of a metal oxide dielectric film, an upper capacitor electrode formed on the capacitor insulating film, the lower capacitor electrode and the semiconductor substrate are connected, and a depression is formed in a portion in contact with the lower capacitor electrode The inside of this dent isSrRuO Three filmPlug electrode embedded inAnd said SrRuO Three The plug electrode, wherein at least the outermost surface of the film is a single crystalAnd withThe lower capacitor electrode is formed of the SrRuO embedded in the recess. Three Using the film as a crystal nucleus, the SrRuO Three Amorphous SrRuO in contact with the film Three The film is crystallized by heat treatment, and the size of the recess is amorphous SrRuO embedded in the recess. Three The size is such that at least the outermost surface of the film can be converted into a single crystal by heat treatmentIt is characterized by that.
[0031]
  In addition, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a plug electrode having a depression on a surface for connecting the semiconductor substrate and a lower capacitor electrode to be formed in a later step on the semiconductor substrate, and the depression. InsideSrRuO whose at least outermost surface is a single crystal Three filmThe process of embedding with, and amorphous with perovskite structure during crystallizationSrRuO Three filmThe aboveSrRuO whose at least outermost surface is a single crystal Three filmForming to contact with the said,SrRuO whose at least outermost surface is a single crystal Three filmFor the crystal nucleusSrRuO Three filmHas a perovskite structure as a lower capacitor electrode by crystallizing by heat treatmentSingle crystal SrRuO Three filmAnd the process of forming thisSingle crystal SrRuO Three filmHas a perovskite structure on topSingle crystalThe method includes a step of forming a capacitor insulating film made of a metal oxide dielectric film, and a step of forming an upper capacitor electrode on the capacitor insulating film.
[0032]
More specific embodiments of the present invention are as follows.
[0033]
(1)SrRuO whose at least outermost surface is a single crystal Three filmIs a conductive material having a perovskite structure.
[0034]
(2) The upper capacitor electrode is composed of a conductive film having a perovskite structure.
[0035]
(3) The hole diameter of the recess is 50 nm or less.
[0038]
(4) Lower capacitor electrode is ARuOThree (A represents at least one element selected from Sr, Ba, Ca, La and Nd), and (Sr, RE) CoOThree (RE represents at least one element selected from La, Pr, Sm, and Nd), and is made of one material selected from the group consisting of:
[0039]
(5) Capacitor insulation film is (Ba, Sr) TiOThree , SrTiOThree , BaTiOThree , PbTiOThree , BiFour TiThree O12, SrBi2 Ta2 O9 , Pb (Zr, Ti) OThree Or (Pb, La) (Zr, Ti) OThree It consists of
[0040]
(6) Inside the depressionSrRuO whose at least outermost surface is a single crystal Three filmThe step of embedding in the amorphous is thicker than half of the hole diameter of the depression so as to fill the inside of the depression.SrRuO Three filmOn the entire surface and amorphous outside the depressionSrRuO Three filmAnd the amorphous material remaining inside the depressionSrRuO Three filmCrystallizing.
[0041]
(9) Platinum film or ABO as amorphous conductive filmThree(A and B are metal elements) A film is formed, and a sputtering method or a CVD method is used as the film formation method.
[0042]
    [Action]
  The present invention (Claims 1 to5) According to the inside of the depression on the surface of the plug electrodeSrRuO whose at least outermost surface is a single crystal Three filmEven if the plug electrode is a metal film that is difficult to be single-crystallized, such as a Ru film,SrRuO Three filmHas a perovskite structure by usingSingle crystal SrRuO Three filmThe (lower capacitor electrode) can be easily formed.
[0043]
  Further, even if the contact hole in which the plug electrode is embedded has a small opening diameter, the present invention (claims)6)SrRuO whose at least outermost surface is a single crystal Three filmCan be easily formed. The reason is that if the size of the recess on the surface of the plug electrode is 50 nm or less, the amorphous material embedded in the plug electrodeSrRuO Three filmThis is because a single crystal is surely formed by heat treatment.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
[0045]
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a DRAM cell according to a first embodiment of the present invention.
[0046]
In the figure, reference numeral 1 denotes a p-type Si substrate, and an element isolation region 2 having an STI structure is formed on the surface of the p-type Si substrate 1.
[0047]
In the transistor region isolated by the element isolation region 2, a gate insulating film 3, a gate electrode (word line) 4, n+Type drain diffusion layer 5 and n+A MOS transistor composed of the type source diffusion layer 6 is formed.
[0048]
On the p-type Si substrate 1, a first interlayer insulating film (SiO 2 having a flat surface is formed.2 Film) 7 is formed, and the bit line 8 is n through the contact hole opened in the first interlayer insulating film 7.+It is connected to the type drain diffusion layer 5.
[0049]
On the first interlayer insulating film 7, a second interlayer insulating film (SiO 2 having a flat surface is formed.2 Film) 9 is formed, and the plug electrode 10 made of single crystal Ru is n through the contact hole opened in the first and second interlayer insulating films 7 and 9.+It is connected to the type source diffusion layer 6.
[0050]
A recess is formed at the center of the surface of the plug electrode 10, and the interior of the recess is a single crystal SrRuO.Three It is embedded with a film 11. SrRuOThree Instead of the film 11, a crystalline substance having a lattice constant close to that may be used.
[0051]
A SiN film 12 is formed on the second interlayer insulating film 9. The SiN film 12 has an opening in a region including the plug electrode 10 and is in contact with the plug electrode 10 through the opening.ThreeA lower capacitor electrode 14 is formed. The lower capacitor electrode 14 is thicker than the SiN film 12.
[0052]
On the lower capacitor electrode 14, a single crystal (Ba, Sr) TiO 2 is formed.Three A capacitor insulating film 15 made of is formed. A single-crystal SrRuO film is formed on the lower capacitor electrode 14 via a capacitor insulating film 15.ThreeAn upper capacitor electrode 16 is formed.
[0053]
Note that the capacitor insulating film 15 on the SiN film 12 other than the vicinity of the lower capacitor electrode 14 is not single crystal but amorphous or polycrystalline. When the temperature (single crystallization temperature) at the time of forming the capacitor insulating film 15 is low, it is amorphous, and even when the single crystallization temperature is low, the subsequent process (for example, at the time of forming the upper capacitor electrode 16) or crystallinity improvement When exposed to a temperature higher than the single crystallization temperature, it becomes polycrystalline. The amorphous or polycrystalline portion has no problem because it does not serve as a capacitor insulating film.
[0054]
According to such a configuration, (Ba, Sr) TiO having a high dielectric constant is used as the capacitor insulating film 15.ThreeSince the film is used and all of the parts constituting the capacitor are single crystal films (perovskite structure), the required capacitor capacity can be easily secured and the increase in leakage current can be effectively suppressed. become.
[0055]
2 and 3 are process sectional views showing a method of manufacturing the DRAM memory cell of FIG.
[0056]
First, as shown in FIG. 2A, an element isolation region 2 by STI is formed on the surface of a p-type Si substrate 1, followed by a gate insulating film 3, a gate electrode (word line) 4, n+ Type drain diffusion layer 5, n+A type source diffusion layer 6 is formed.
[0057]
Next, as shown in FIG. 5A, after depositing a first interlayer insulating film 7 and planarizing the surface, a contact hole is formed in the first interlayer insulating film 7 to form a bit line 8; Subsequently, after the second interlayer insulating film 9 is deposited and the surface is flattened, contact holes are opened in the first and second interlayer insulating films 7 and 9.
[0058]
Next, as shown in FIG. 2B, the substrate temperature is 200 to 450 ° C., the film forming pressure is 1 to 100 Pa, and Ru (Cp).2 (Ar carrier) and O2 (Atmosphere O2 After depositing a Ru film to be the plug electrode 10 on the entire surface by a CVD method using a concentration of 40% or less), the excess Ru film outside the contact hole is removed by a CMP method or an etch-back method using reactive ion etching By doing so, the plug electrode 10 is embedded in the contact hole.
[0059]
At this time, when the excess Ru film is removed by the CMP method, a recess is formed in the central portion of the plug electrode 10 by reducing the film thickness of the Ru film deposited on the entire surface to about half of the diameter of the contact hole. To do. In the case of reactive ion etching, the film thickness of the Ru film (plug electrode 10) is not particularly limited, and it is sufficient if it is not too thick (up to the aperture diameter). FIG. 11 shows a cross-sectional view of a process of removing an excess Ru film by a CMP method or a reactive ion etching (RIE) method.
[0060]
Next, as shown in FIG. 2C, the substrate temperature is 200 to 400 ° C., the film forming pressure is 1 to 1000 Pa, and Ru (THD)Three And Sr (THD)2 And O2Single crystal SrRuO by CVD using a mixed gas ofThree Amorphous SrRuO to be the film 11Three A film is deposited on the entire surface, and then the excess SrRuO outside the depression is formed by CMP.Three After removing the film, heat treatment at 600 ° C. or higher is performed, so that the depression at the center of the plug electrode 10 is made of single crystal SrRuO.Three The film 11 is embedded.
[0061]
Next, as shown in FIG. 3D, the SiN film 12, the third interlayer insulating film (SiO2 Film) 13 is sequentially deposited, and then a contact hole connected to plug electrode 10 is opened in these insulating films 12 and 13, and then amorphous SrRuO serving as a lower capacitor electrode is filled to fill the contact hole.Three A film 14 is deposited on the entire surface by CVD. SrRuO on the third interlayer insulating film 13Three The film 14 need not be thicker than the SiN film 12.
[0062]
The SiN film 12 is for preventing the capacitor insulating film 15 from coming into direct contact with the plug electrode 10 even if the contact hole formation position is shifted. This prevents an increase in leakage current due to misalignment.
[0063]
Next, as shown in FIG. 3E, excess SrRuO outside the contact hole.ThreeThe film 14 is removed by the CMP method, and SrRuO is formed only inside the contact hole.ThreeThe membrane 14 is selectively left behind.
[0064]
Thereafter, SrRuO inside the contact hole is obtained by heat treatment at 400 to 500 ° C. for 2 to 10 hours.Three By crystallizing the film 14, single crystal SrRuOThree The lower capacitor electrode 14 made of is completed.
[0065]
Next, as shown in FIG. 3 (f), the third interlayer insulating film 13 is removed by etching, and then amorphous (Ba, Sr) TiO 3 which becomes the single crystal capacitor insulating film 15.ThreeAfter the film is deposited on the entire surface by the CVD method, this is heat-treated and crystallized to form a single crystal (Ba, Sr) TiO 2 in a portion in contact with the lower capacitor electrode 14.ThreeA capacitor insulating film 15 made of is formed.
[0066]
Next, as shown in FIG. 5 (f), amorphous SrRuO serving as the upper capacitor electrode is formed.Three After the film 16 is deposited on the entire surface by the CVD method, this is heat-treated and crystallized to obtain a single crystal SrRuO.ThreeA film 16 is formed.
[0067]
Finally, single crystal SrRuOThreeThe film 12 is patterned into an electrode shape to complete the DRAM memory cell shown in FIG.
[0068]
In the present embodiment, when the lower capacitor electrode 14 is formed, excess amorphous SrRuO.Three After removing the film by the CMP method, amorphous SrRuO is formed by heat treatment.ThreeThe film was crystallized, but conversely, amorphous SrRuO was obtained by heat treatment.ThreeAfter crystallizing the film, excess single crystal SrRuOThreeThe film may be removed by a CMP method.
[0069]
Hereinafter, advantages of using the Ru film as the plug electrode 10 will be described.
[0070]
To embed and form a Ru film in a contact hole, first, Ru (C6HFive)2, Ru (CHThreeCFiveHFour)2Or Ru (C2HFiveCFiveHFour)2And O2Then, the Ru film outside the contact hole is removed by the CMP method after being deposited on the entire surface by the CVD method at a film forming temperature of 300 ° C. or lower. O2Instead of OThree, O radical, N2A substance that becomes an oxidizing atmosphere such as O may be used.
[0071]
If the Ru film is formed under the above conditions, the Ru film can be formed with very good coverage, and the surface morphology of the Ru film is also good. Therefore, by using the Ru film embedding method, it becomes possible to easily realize the plug electrode 10 made of Ru without forming a void in a contact hole having a small opening diameter.
[0072]
Since Ru exhibits metal conductivity even when oxidized like Ir or the like, the material of the lower capacitor electrode 14 is SrRuO.ThreeEven when a metal oxide such as this is used, the problem that the contact resistance between the plug electrode 10 and the lower capacitor electrode 14 increases does not occur.
[0073]
The contact surface between the Si substrate 1 and the plug electrode 10 is O in the film forming atmosphere.2Therefore, a very thin layer containing Ru, Si, and O is formed. This layer has the advantage of preventing the diffusion of Ru into the Si substrate 1 and lowering the contact resistance between the Si substrate 1 and the plug electrode 10. Moreover, there is no problem even if a barrier metal film such as a TiN film is formed on the contact surface between the Si substrate 1 and the plug electrode 10.
[0074]
Further, as in the present embodiment, the material of the lower capacitor electrode 14 is SrRuO.ThreeWhen Ru is used, the Ru element is included in both the plug electrode 10 and the lower capacitor electrode 14, so that the electrical connection between the plug electrode 10 and the lower capacitor electrode 14 is very good.
[0075]
In the present embodiment, the depression on the surface of the plug electrode 10 is made of single crystal SrRuO.Three Although embedded in the film 14, as shown in FIG. 4, the outermost SrRuOThree If the film 11 is a single crystal, there may be a plurality of crystal grains in the recess. The figure shows SrRuO with two crystal grains.ThreeThe membrane 11 is shown.
[0076]
The larger the hole diameter of the recess on the surface of the plug electrode 10 is, the SrRuO that becomes the crystal nucleus in the recess.Three Information on the crystal of the film 11 is easily transmitted to the lower capacitor electrode 14, but if it is too large, SrRuO on the outermost surface in the depressionThree Since the film 11 becomes polycrystalline or twinned, it is ensured that the single crystal SrRuOThree In order to obtain the film 11, it is necessary to set the diameter of the recess in the surface of the plug electrode 10 to 50 nm or less.
[0077]
In this embodiment, the Ru film having a depression on the surface is used as the plug electrode 10. However, since the above-described advantage of the Ru film can be obtained even without a depression on the surface, a Ru film having no depression on the surface is plugged. Even when used as an electrode, a DRAM cell superior to the conventional one can be realized (the same applies to other embodiments).
[0078]
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a process sectional view showing a method of manufacturing a DRAM memory cell according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol as FIGS. 1-3 is attached | subjected to the part corresponding to FIGS.
[0079]
The manufacturing method of the present embodiment is different from that of the first embodiment in a step after the step of FIG.
[0080]
That is, following the step of FIG. 2C, as shown in FIG. 5A, amorphous SrRuO serving as a lower capacitor electrode is formed.Three A film 14 is deposited on the entire surface by sputtering. Then, SrRuO is obtained by heat treatment at 400 to 500 ° C. for 2 to 10 hours.Three The film 14 is crystallized.
[0081]
Next, as shown in FIG. 5B, single-crystal SrRuOThreeThe film 14 is patterned to form the lower capacitor electrode 14. Note that crystallization may be performed after patterning.
[0082]
Next, as shown in FIG. 5C, amorphous (Ba, Sr) TiO that becomes the capacitor insulating film 15 is formed.Three After the film is deposited on the entire surface by the CVD method, this is heat-treated to thereby form a single crystal (Ba, Sr) TiO.Three A capacitor insulating film 15 made of is formed.
[0083]
Finally, as shown in FIG. 5C, amorphous SrRuO serving as the upper capacitor electrode 16 is formed.ThreeA film is deposited on the entire surface by CVD, and then this amorphous SrRuOThreeAfter the film is crystallized by heat treatment, it is patterned to form a single crystal SrRuO.ThreeThe upper capacitor electrode 16 is formed to complete the DRAM memory.
[0084]
In the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, according to the present embodiment, the SiN film 12 and the third interlayer insulating film 13 are not formed, so that the process is compared with the first embodiment. Can be simplified.
[0085]
(Third embodiment)
FIG. 6 is a process sectional view showing a method of manufacturing a DRAM memory cell according to the third embodiment of the present invention.
[0086]
The manufacturing method of this embodiment is different from that of the first embodiment in a post-process than the process of FIG. Also in this embodiment, the SiN film 12 and the third interlayer insulating film 13 are not formed.
That is, following the step of FIG. 2C, as shown in FIG. 6A, amorphous SrRuO serving as a lower capacitor electrode is formed.Three The film 14 has a substrate temperature of 400 to 500 ° C., a film forming pressure of 1 Pa or less, Ru (THD)Three And Sr (THD)2 And O2 It is formed by the CVD method using
[0087]
At this time, since the film formation pressure is a sufficiently low pressure of 1 Pa or less, SrRuOThree The film 14 is SrRuO.ThreeSince it grows from the film 11, as shown in FIG.Three The film 14 is selectively formed only on the plug electrode 10 and its periphery. Thereafter, amorphous SrRuO is obtained by heat treatment at 400 to 500 ° C. for 2 to 10 hours.Three 14 is crystallized.
[0088]
Next, as shown in FIG. 6B, amorphous (Ba, Sr) TiO that becomes the capacitor insulating film 15 is formed.Three After the film is deposited on the entire surface by the CVD method, this is heat-treated to thereby form a single crystal (Ba, Sr) TiO.Three A capacitor insulating film 15 made of is formed.
[0089]
Finally, as shown in FIG. 5B, amorphous SrRuO serving as the upper capacitor electrode 16 is formed.ThreeA film is deposited on the entire surface by CVD, followed by amorphous SrRuO.ThreeAfter the film is crystallized by heat treatment, it is patterned to form a single crystal SrRuO.ThreeThe upper capacitor electrode 16 is formed to complete the DRAM memory.
[0090]
In the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, according to the present embodiment, the SiN film 12 and the third interlayer insulating film 13 are not formed, so that the process is compared with the first embodiment. Can be simplified.
[0091]
Also, as in this embodiment, SrRuOThree In the case where the lower capacitor electrode 14 is formed by selectively growing a film, the capacitor arrangement can be made fine by arranging the capacitors at a quarter pitch as shown in FIG. become.
[0092]
(Fourth embodiment)
The DRAM cell of this embodiment is structurally different from that of the first embodiment in that the inside of the recess at the center of the surface of the plug electrode 10 is formed in SrRuO.ThreeInstead of embedding with film 11, SrRuOThree And embedded with a single crystal Pt film having a lattice constant close to that of the film.
[0093]
In addition, the difference in process is that single crystal SrRuO is formed inside the recess in the step of FIG.ThreeInstead of forming the film 11, an amorphous Pt film is deposited on the entire surface by sputtering or CVD, and then the excess amorphous Pt film outside the depression is removed by the CMP method, and then heat treatment at 700 ° C. or higher is performed on the inside of the depression. It is to promote the Pt grain growth of the Pt film and form a single crystal Pt film.
[0094]
In this embodiment, the same effects as those in the first embodiment can be obtained, and the order of the CMP process and the heat treatment process, the number of crystal grains in the depression, and other various modifications can be performed in the same manner as in the first embodiment. It is.
[0095]
In the DRAM cells of the second and third embodiments, SrRuOThreeThe same effect can be obtained even if the film 11 is replaced with a single crystal Pt film.
[0096]
(Fifth embodiment)
The DRAM cell of this embodiment is structurally different from that of the first embodiment in that the inside of the recess at the center of the surface of the plug electrode 10 is formed in SrRuO.ThreeInstead of embedding with film 11, SrRuOThree Single crystal SrTiO having the same perovskite structureThree It is embedded in a film.
[0097]
In addition, the difference in process is that single crystal SrRuO is formed inside the recess in the step of FIG.ThreeInstead of forming the film 11, the substrate temperature is 300 to 400 ° C., Ti (t-OBu)2 (THD)2 And Sr (THD)2 And O2 Amorphous SrTiO by CVD using a mixed gas withThree A film is deposited on the entire surface, followed by excess amorphous SrTiO outside the depression.Three After the film is removed by CMP, the amorphous SrTiO inside the depression is subjected to heat treatment at 600 ° C. or higher.Three It is to crystallize the film.
[0098]
In this embodiment, single crystal SrTiO which is an insulating film as a nucleus of single crystallizationThree A film is used, but single crystal SrTiOThree Since the film exists only at the center of the plug electrode 10, the lower capacitor electrode 14 and the plug electrode 10 can be electrically connected.
[0099]
The single crystallization nucleus is SrTiO.Three BaTiO is not limited to the filmThree Film and (Ba, Sr) TiOThree Other insulating films having a perovskite structure such as a film can also be used as crystallization nuclei.
[0100]
Single crystallized SrTiOThree Since the outermost surface of the film is the most stable surface in terms of energy, the single crystal SrRuO on itThreeAs a result, the cell dependence of the capacitor characteristics can be eliminated.
[0101]
In this embodiment, the same effects as those in the first embodiment can be obtained, and the order of the CMP process and the heat treatment process, the number of crystal grains in the depression, and other various modifications can be performed in the same manner as in the first embodiment. It is.
[0102]
In the DRAM cells of the second and third embodiments, SrRuOThreeThe film 11 is made of single crystal SrTiO.Three Similar effects can be obtained by replacing the insulating film having a perovskite structure such as a film.
[0103]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, (Ba, Sr) TiO 2 is used as the material of the capacitor insulating film.Three In the case of using SrTiO,Three , BaTiOThree , PbTiOThree , BiFour TiThree O12, SrBi2 Ta2 O9 , Pb (Zr, Ti) OThree , (Pb, La) (Zr, Ti) OThree Similar effects can be obtained even when other insulating materials such as the above are used.
[0104]
In the above embodiment, the case of a capacitor of a DRAM memory cell has been described. However, the present invention can also be applied to other capacitors such as a capacitor of an FRAM memory cell.
[0105]
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0106]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a plug electrode having a depression on the surface and embedded in a crystalline substance is used on the lower capacitor electrode made of a conductive film having a perovskite structure. A semiconductor device having a capacitor in which a capacitor insulating film made of a metal oxide dielectric film having a perovskite structure is formed and a method for manufacturing the same can be easily realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a DRAM cell according to a first embodiment of the present invention.
2 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the DRAM memory cell of FIG. 1;
3 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the DRAM memory cell subsequent to FIG. 2; FIG.
4 is a cross-sectional view showing a modification of the DRAM memory cell of FIG. 1;
FIG. 5 is a process sectional view showing a method for manufacturing a DRAM memory cell according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a process sectional view showing a method of manufacturing a DRAM memory cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view showing the arrangement of capacitors of the DRAM memory cell;
FIG. 8 shows SrRuO as an electrode material of a conventional capacitor.ThreeSectional view showing a method of manufacturing a DRAM memory cell using
FIG. 9 shows conventional SrRuO.Three Process cross-sectional view showing the method of single crystallization of the film
FIG. 10 shows SrRuO as a conventional upper capacitor electrode.Three Cross-sectional view for explaining the problems of the single crystallization method of the film
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a process of removing excess Ru film by CMP or RIE
[Explanation of symbols]
1,71 ... p-type Si substrate
2, 72 ... element isolation region
3, 73 ... Gate insulating film
4, 74 ... Gate electrode (word line)
5,75 ... n+ Type drain diffusion layer
6,76 ... n+Type source diffusion layer
7, 77 ... first interlayer insulating film
8, 78 ... bit line
9, 79 ... second interlayer insulating film
10, 82 ... plug electrode
11 ... SrRuOThree film
12, 83 ... SiN film
13 ... Third interlayer insulating film
14, 85 ... SrRuOThree Film (lower capacitor electrode)
15, 86 ... (Ba, Sr) TiOThreeFilm (capacitor insulation film)
16, 87 ... SrRuOThree Membrane (upper capacitor electrode)
80 ... Ti film
81 ... TiN film
84 ... Third interlayer insulating film

Claims (8)

半導体基板上に形成され、ペロブスカイト構造を有する単結晶SrRuO3 膜からなる下部キャパシタ電極と、
この下部キャパシタ電極上に形成され、ペロブスカイト構造を有する単結晶金属酸化物誘電体膜からなるキャパシタ絶縁膜と、
このキャパシタ絶縁膜上に形成された上部キャパシタ電極と、
前記下部キャパシタ電極と前記半導体基板とを接続し、前記下部キャパシタ電極と接触する部分に窪みを有し、この窪みの内部がSrRuO3 膜で埋め込まれたプラグ電極であって、前記SrRuO3 膜の少なくとも最表面が単結晶である前記プラグ電極と
を具備してなり、
前記下部キャパシタ電極は、前記窪み内に埋め込まれた前記SrRuO3 膜を結晶核に用い、前記SrRuO3 膜と接触するアモルファスSrRuO3 膜を熱処理により結晶化したものであり、
前記窪みの大きさは、前記窪み内に埋め込まれたアモルファスSrRuO3 膜の少なくとも最表面を熱処理により単結晶にできる大きさであることを特徴とする半導体装置。
A lower capacitor electrode formed on a semiconductor substrate and made of a single crystal SrRuO 3 film having a perovskite structure;
A capacitor insulating film formed on the lower capacitor electrode and made of a single crystal metal oxide dielectric film having a perovskite structure;
An upper capacitor electrode formed on the capacitor insulating film;
And connecting the semiconductor substrate and the lower capacitor electrode has a recess in a portion in contact with the lower capacitor electrode, the interior of the recess is a plug electrodes embedded in SrRuO 3 film, the SrRuO 3 film The plug electrode having at least an outermost surface of a single crystal, and
The lower capacitor electrode is used the SrRuO 3 film buried in said recess crystal nucleus, by heat treatment amorphous SrRuO 3 film in contact with the SrRuO 3 film is obtained by crystallization,
The size of the recess is a size capable of forming a single crystal by heat treatment at least the outermost surface of the amorphous SrRuO 3 film embedded in the recess.
前記上部キャパシタ電極は、ペロブスカイト構造を有する導電膜からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 1, wherein the upper capacitor electrode is made of a conductive film having a perovskite structure. 前記窪みの開孔径は、50nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 1, wherein an opening diameter of the recess is 50 nm or less. 前記プラグ電極は、Ruからなることを特徴する請求項1に記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 1, wherein the plug electrode is made of Ru. 前記上部キャパシタ電極はペロブスカイト構造を有する導電膜、前記窪みの開孔径は50nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 1, wherein the upper capacitor electrode is a conductive film having a perovskite structure, and a hole diameter of the recess is 50 nm or less. 半導体基板上に、該半導体基板と後工程で形成する下部キャパシタ電極とを接続する、表面に窪みを有するプラグ電極を形成する工程と、
前記窪みの内部を少なくとも最表面が単結晶であるSrRuO3 膜で埋め込む工程と、
結晶化時にペロブスカイト構造を取るアモルファスSrRuO3 膜を前記少なくとも最表面が単結晶であるSrRuO3 膜と接触するように形成する工程と、
前記少なくとも最表面が単結晶であるSrRuO3 膜を結晶核に用い、前記アモルファスSrRuO3 膜を熱処理により結晶化することによって、下部キャパシタ電極としてのペロブスカイト構造を有する単結晶SrRuO3 膜を形成する工程と、
この単結晶SrRuO3 膜上にペロブスカイト構造を有する単結晶金属酸化物誘電体膜からなるキャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
このキャパシタ絶縁膜上に上部キャパシタ電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a plug electrode having a depression on the surface, connecting the semiconductor substrate and a lower capacitor electrode formed in a later step on the semiconductor substrate;
Filling the inside of the depression with a SrRuO 3 film having at least an outermost surface of a single crystal;
Forming an amorphous SrRuO 3 film having a perovskite structure at the time of crystallization so as to be in contact with the SrRuO 3 film whose outermost surface is a single crystal;
A step of forming a single crystal SrRuO 3 film having a perovskite structure as a lower capacitor electrode by crystallizing the amorphous SrRuO 3 film by heat treatment using the SrRuO 3 film having at least the outermost surface as a single crystal. When,
Forming a capacitor insulating film made of a single crystal metal oxide dielectric film having a perovskite structure on the single crystal SrRuO 3 film;
And a step of forming an upper capacitor electrode on the capacitor insulating film.
前記窪みの内部を前記少なくとも最表面が単結晶であるSrRuO3 膜で埋め込む工程は、前記窪みの内部を充填するように該窪みの開孔径の2分の1よりも厚いアモルファスSrRuO3 膜を全面に堆積する工程と、前記窪みの外部の前記アモルファスSrRuO3 膜を除去する工程と、前記窪みの内部に残った前記アモルファスSrRuO3 膜を結晶化する工程とを有することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。The step of embedding the inside of the recess with the SrRuO 3 film having at least the outermost surface of the single crystal is performed by filling the entire surface of the amorphous SrRuO 3 film thicker than one half of the opening diameter of the recess so as to fill the inside of the recess. 7. A step of depositing the amorphous SrRuO 3 film outside the depression, a step of removing the amorphous SrRuO 3 film outside the depression, and a step of crystallizing the amorphous SrRuO 3 film remaining inside the depression. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 1-3. 前記プラグ電極は、Ruからなることを特徴する請求項6に記載の半導体装置の製造方法The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the plug electrode is made of Ru.
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