JP4971740B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、強誘電体メモリに好適な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 suitable for a ferroelectric memory.

近年、デジタル技術の進展に伴い、大容量のデータを高速に処理又は保存する傾向が高まっている。このため、電子機器に使用される半導体装置の高集積化及び高性能化が要求されている。   In recent years, with the progress of digital technology, there is an increasing tendency to process or store a large amount of data at high speed. For this reason, high integration and high performance of semiconductor devices used in electronic devices are required.

そこで、半導体記憶装置に関しては、例えばDRAMの高集積化を実現するため、DRAMを構成する容量素子の容量絶縁膜として、従来の珪素酸化物又は珪素窒化物に代えて、強誘電体材料又は高誘電率材料を用いる技術が広く研究開発され始めている。   Therefore, with respect to semiconductor memory devices, for example, in order to realize high integration of DRAM, as a capacitor insulating film of a capacitor element constituting the DRAM, a ferroelectric material or a high material is used instead of conventional silicon oxide or silicon nitride. Technologies using dielectric materials have been widely researched and developed.

また、より低電圧で且つ高速での書き込み動作及び読み出し動作が可能な不揮発性RAMを実現するため、容量絶縁膜として、自発分極特性を有する強誘電体膜を用いる技術も盛んに研究開発されている。このような半導体記憶装置は、強誘電体メモリ(FeRAM)とよばれる。   In addition, in order to realize a nonvolatile RAM that can perform a write operation and a read operation at a lower voltage and at a higher speed, a technique using a ferroelectric film having spontaneous polarization characteristics as a capacitor insulating film has been actively researched and developed. Yes. Such a semiconductor memory device is called a ferroelectric memory (FeRAM).

強誘電体メモリは、強誘電体のヒステリシス特性を利用して情報を記憶する。強誘電体メモリには強誘電体キャパシタが備えられており、強誘電体キャパシタは、強誘電体膜が1対の電極間に容量誘電体膜として挟み込まれて構成されている。強誘電体膜は電極間の印加電圧に応じて分極を生じ、印加電圧が取り去されても自発分極を有する。また、印加電圧の極性を反転すれば、自発分極の極性も反転する。従って、この自発分極を検出すれば、情報を読み出すことができる。強誘電体メモリは、フラッシュメモリに比べて低電圧で動作し、省電力で高速の書き込みが可能である。そして、強誘電体メモリを備えたロジック混載チップ(SoC:System on Chip)のICカード等への使用が検討されている。   A ferroelectric memory stores information using the hysteresis characteristics of a ferroelectric. A ferroelectric memory is provided with a ferroelectric capacitor, and the ferroelectric capacitor is configured such that a ferroelectric film is sandwiched between a pair of electrodes as a capacitive dielectric film. The ferroelectric film generates polarization according to the applied voltage between the electrodes, and has spontaneous polarization even when the applied voltage is removed. Further, if the polarity of the applied voltage is reversed, the polarity of the spontaneous polarization is also reversed. Therefore, information can be read by detecting this spontaneous polarization. A ferroelectric memory operates at a lower voltage than a flash memory, and can be written at high speed with low power consumption. Then, use of a logic embedded chip (SoC: System on Chip) having a ferroelectric memory for an IC card or the like is being studied.

なお、強誘電体膜としては、PZT系材料の膜及びBi層状構造化合物の膜等が用いられる。PZT系の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)そのもの、並びにPZT膜にLa、Ca、Sr及び/又はSiがドープされたもの等が挙げられる。Bi層状構造化合物としては、SrBi2Ta29(SBT、Y1)、及びSrBi2(Ta、Nb)29(SBTN、YZ)等が挙げられる。強誘電体膜は、下部電極膜上に、ゾルゲル法又はスパッタ法等によってアモルファス状態又は微結晶の状態で形成された後、熱処理によって結晶化されている。また、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により下部電極上に、結晶化した状態で形成されることもある。 As the ferroelectric film, a PZT-based material film, a Bi layered structure compound film, or the like is used. Examples of the PZT-based material include lead zirconate titanate (PZT) itself and those obtained by doping a PZT film with La, Ca, Sr and / or Si. Examples of the Bi layer structure compound include SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT, Y1), SrBi 2 (Ta, Nb) 2 O 9 (SBTN, YZ), and the like. The ferroelectric film is formed on the lower electrode film in an amorphous state or a microcrystalline state by a sol-gel method or a sputtering method, and then crystallized by heat treatment. Further, it may be formed in a crystallized state on the lower electrode by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

電気的特性がよく、製品歩留まりの高い強誘電体メモリを作製するためには、強誘電体膜を構成する結晶の配向性を高めることが重要である。強誘電体膜の配向は下部電極膜の配向に大きく影響される。換言すれば、下部電極膜の配向を調整することにより、強誘電体膜の配向性を向上することができるのである。   In order to fabricate a ferroelectric memory with good electrical characteristics and high product yield, it is important to improve the orientation of the crystals constituting the ferroelectric film. The orientation of the ferroelectric film is greatly influenced by the orientation of the lower electrode film. In other words, the orientation of the ferroelectric film can be improved by adjusting the orientation of the lower electrode film.

ここで、下部電極膜は、主に、TiN膜、TiAlN膜、Ir膜、IrO2膜、Pt膜及びSRO(SrRuO3)膜のうちの2以上を組み合わせて構成されている。なお、MOCVD法を採用して強誘電体膜を形成する場合には、Ir膜又はTi膜を最表面に位置させている。また、スタック構造の強誘電体キャパシタでは、下部電極の下方に位置する膜は、バリアメタル膜とよばれることもある。 Here, the lower electrode film is mainly configured by combining two or more of a TiN film, a TiAlN film, an Ir film, an IrO 2 film, a Pt film, and an SRO (SrRuO 3 ) film. Note that when the ferroelectric film is formed by employing the MOCVD method, the Ir film or the Ti film is positioned on the outermost surface. In a ferroelectric capacitor having a stack structure, the film located below the lower electrode may be called a barrier metal film.

上述のように強誘電体膜の形成方法には種々のものがあるが、近年の集積度の向上にはMOCVD法が好ましい。MOCVD法により強誘電体膜を形成する場合には、下部電極膜が形成された半導体基板をMOCVDチャンバ内に挿入し、アルゴン雰囲気中で600℃以上まで加熱する。   As described above, there are various methods for forming a ferroelectric film, but the MOCVD method is preferable for improving the degree of integration in recent years. When the ferroelectric film is formed by MOCVD, the semiconductor substrate on which the lower electrode film is formed is inserted into the MOCVD chamber and heated to 600 ° C. or higher in an argon atmosphere.

しかしながら、このような方法でPZT膜を形成した場合、その表面は(100)面又は(101)面に強く配向しており、好ましい(111)面への配向が弱い。このため、強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量が十分とはいえない。   However, when a PZT film is formed by such a method, the surface is strongly oriented to the (100) plane or the (101) plane, and the preferred orientation to the (111) plane is weak. For this reason, it cannot be said that the switching charge amount of the ferroelectric capacitor is sufficient.

特開2005−159165号公報JP 2005-159165 A 特開2003−197874号公報JP 2003-197874 A 特開2001−237392号公報JP 2001-237392 A 特開2002−151656号公報JP 2002-151656 A

本発明は、強誘電体膜の配向を好ましい方向に制御することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the manufacturing method of the semiconductor device which can control the orientation of a ferroelectric film to a preferable direction.

単にPZT膜の配向を制御するだけであれば、アルゴン雰囲気中での昇温を酸素雰囲気中での昇温に変えればよい。しかしながら、酸素雰囲気中で昇温すると、PZT膜の表面の(111)面への配向が大きくばらつくと共に、表面が荒れやすくなる。特に、半導体基板の周辺部に非常に大きな凸部が発生したり、表面荒れが発生しやすくなる。この理由は、昇温の際に、下部電極膜の最表面、例えばIr膜の表面が異常酸化しているからであると考えられる。Irが異常酸化するとIrOXが生成され、MOCVDの溶媒であるTHF(Tetra Hydro Furan:C48O)又は酢酸ブチルがIrOXを還元することとなる。そして、この還元の際に異相が生成されて、その直後に形成されるPZT膜の結晶性が低下するのである。 If the orientation of the PZT film is merely controlled, the temperature rise in the argon atmosphere may be changed to the temperature rise in the oxygen atmosphere. However, when the temperature is raised in an oxygen atmosphere, the orientation of the surface of the PZT film to the (111) plane varies greatly and the surface tends to be rough. In particular, very large convex portions are generated around the periphery of the semiconductor substrate, and surface roughness is likely to occur. The reason for this is considered that the outermost surface of the lower electrode film, for example, the surface of the Ir film is abnormally oxidized during the temperature rise. When Ir is abnormally oxidized, IrO x is produced, and the MOCVD solvent THF (Tetra Hydro Furan: C 4 H 8 O) or butyl acetate reduces IrO x . Then, a heterogeneous phase is generated during the reduction, and the crystallinity of the PZT film formed immediately after that is reduced.

そこで、本願発明では、強誘電体膜自体の形成を工夫するのではなく、以下のように、その直下に位置する下部電極膜の形成に趣向を凝らすこととする。   Therefore, in the present invention, the formation of the ferroelectric film itself is not devised, but the intention is to concentrate on the formation of the lower electrode film positioned immediately below as follows.

本願発明に係る半導体装置の製造方法では、半導体基板の上方に貴金属膜を形成した後、前記貴金属膜上に、結晶化した貴金属酸化膜をスパッタ法により形成する。次に、前記貴金属酸化膜を還元する。そして、前記貴金属酸化膜を還元したまま、その上に強誘電体膜を形成する。その後、前記強誘電体膜上に電極を形成する。前記貴金属酸化膜として、Ir酸化膜、Rh酸化膜、Pd酸化膜及びRu酸化膜からなる群から選択された一つの膜を形成し、前記貴金属膜として、Ir膜、Rh膜、Pd膜及びRu膜からなる群から選択された一つの膜を形成する。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after a noble metal film is formed above a semiconductor substrate, a crystallized noble metal oxide film is formed on the noble metal film by a sputtering method. Next, the noble metal oxide film is reduced. Then, a ferroelectric film is formed on the noble metal oxide film while being reduced. Thereafter, an electrode is formed on the ferroelectric film. One film selected from the group consisting of an Ir oxide film, a Rh oxide film, a Pd oxide film and a Ru oxide film is formed as the noble metal oxide film, and an Ir film, a Rh film, a Pd film and a Ru film are formed as the noble metal film. One film selected from the group consisting of films is formed.

本発明によれば、下部電極膜を構成する結晶化した貴金属酸化膜を還元し、そのまま強誘電体膜を形成しているので、下部電極膜の異常酸化を回避することができる。このため、結晶性の優れた強誘電体膜を得ることができる。   According to the present invention, since the crystallized noble metal oxide film constituting the lower electrode film is reduced and the ferroelectric film is formed as it is, abnormal oxidation of the lower electrode film can be avoided. Therefore, a ferroelectric film having excellent crystallinity can be obtained.

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。但し、ここでは、便宜上、強誘電体メモリの各メモリセルの断面構造については、その製造方法と共に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. However, here, for convenience, the cross-sectional structure of each memory cell of the ferroelectric memory will be described together with its manufacturing method.

(第1の実施形態)
先ず、本発明の第1の実施形態について説明する。図1A乃至図1Qは、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described. 1A to 1Q are cross-sectional views showing a method of manufacturing a ferroelectric memory (semiconductor device) according to the first embodiment of the present invention in the order of steps.

第1の実施形態では、先ず、図1Aに示すように、n型又はp型のシリコン基板1の表面に、トランジスタの活性領域を画定するSTI(Shallow Trench Isolation)用の溝を形成し、その中に酸化シリコン等の絶縁膜を埋め込むことにより、素子分離絶縁膜2を形成する。なお、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法により素子分離絶縁膜を形成してもよい。   In the first embodiment, first, as shown in FIG. 1A, a trench for STI (Shallow Trench Isolation) that defines an active region of a transistor is formed on the surface of an n-type or p-type silicon substrate 1. An element isolation insulating film 2 is formed by embedding an insulating film such as silicon oxide therein. Note that an element isolation insulating film may be formed by a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method.

次いで、活性領域にp型不純物を導入することにより、pウェル3を形成する。次に、活性領域の表面を熱酸化することにより、ゲート絶縁膜4を形成する。続いて、シリコン基板1の上側全面に、非晶質又は多結晶のシリコン膜を形成し、これをフォトリソグラフィ技術によりパターニングすることにより、ゲート電極5を形成する。このとき、pウェル3上に、2つのゲート電極5を互いに平行に配置する。これらのゲート電極5は、メモリのワード線の一部として機能する。   Next, a p-type impurity is introduced into the active region to form a p-well 3. Next, the gate insulating film 4 is formed by thermally oxidizing the surface of the active region. Subsequently, an amorphous or polycrystalline silicon film is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 1 and patterned by a photolithography technique to form the gate electrode 5. At this time, two gate electrodes 5 are arranged in parallel with each other on the p-well 3. These gate electrodes 5 function as part of the word lines of the memory.

次いで、ゲート電極5をマスクとして用いて、n型不純物の導入(イオン注入)を行うことにより、エクステンション層6をゲート電極5の両脇に形成する。その後、シリコン基板1の上側全面に絶縁膜を形成し、これをエッチバックすることにより、ゲート電極5の横に絶縁性のサイドウォール8を形成する。絶縁膜としては、例えばシリコン酸化膜をCVD法により形成する。   Next, the extension layer 6 is formed on both sides of the gate electrode 5 by introducing n-type impurities (ion implantation) using the gate electrode 5 as a mask. Thereafter, an insulating film is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 1 and etched back to form insulating sidewalls 8 beside the gate electrode 5. As the insulating film, for example, a silicon oxide film is formed by a CVD method.

続いて、サイドウォール8及びゲート電極5をマスクとして用いて、n型不純物の導入(イオン注入)を行うことにより、不純物拡散層7をゲート電極5の両脇に形成する。2組のエクステンション層6及び不純物拡散層7から、MOSトランジスタのソース及びドレインが構成される。   Subsequently, impurity diffusion layers 7 are formed on both sides of the gate electrode 5 by introducing n-type impurities (ion implantation) using the sidewall 8 and the gate electrode 5 as a mask. The two sets of extension layer 6 and impurity diffusion layer 7 constitute the source and drain of the MOS transistor.

次に、シリコン基板1の上側全面に、スパッタ法によりコバルト層等の高融点金属層を形成し、この高融点金属層を加熱してシリコンと反応させる。この結果、ゲート電極5上に高融点金属のシリサイド層9が形成され、不純物拡散層7上に高融点金属のシリサイド層10が形成される。そして、素子分離絶縁膜2上等にある未反応のる高融点金属層をウェットエッチングにより除去する。   Next, a refractory metal layer such as a cobalt layer is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 1 by sputtering, and the refractory metal layer is heated to react with silicon. As a result, a refractory metal silicide layer 9 is formed on the gate electrode 5, and a refractory metal silicide layer 10 is formed on the impurity diffusion layer 7. Then, the unreacted refractory metal layer on the element isolation insulating film 2 and the like is removed by wet etching.

次に、例えば、プラズマCVD法により厚さが約200nmのシリコン酸窒化膜11をシリコン基板1の上側全面に形成する。次いで、シリコン酸窒化膜11上に、例えば、原料ガスとしてTEOSガスを用いたプラズマCVD法により、厚さが約1000nmのシリコン酸化膜12を形成する。その後、シリコン酸化膜12の上面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により研磨して平坦化する。この平坦化では、シリコン酸化膜12の厚さを、シリコン基板1の上面上から約700nmとする。   Next, for example, a silicon oxynitride film 11 having a thickness of about 200 nm is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 1 by plasma CVD. Next, a silicon oxide film 12 having a thickness of about 1000 nm is formed on the silicon oxynitride film 11 by, for example, a plasma CVD method using TEOS gas as a source gas. Thereafter, the upper surface of the silicon oxide film 12 is polished and planarized by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method. In this planarization, the thickness of the silicon oxide film 12 is set to about 700 nm from the upper surface of the silicon substrate 1.

次に、フォトリソグラフィ技術によりシリコン酸化膜12及びシリコン酸窒化膜11をパターニングすることにより、シリサイド層10を露出するコンタクトホールを形成する。コンタクトホールの直径は、例えば0.25μmとする。次いで、コンタクトホールの底部及び側部に、厚さが約30nmのTi膜及び厚さが約20nmのTiN膜を順次形成することにより、グルー膜(密着膜)13を形成する。その後、コンタクトホール内及びシリコン酸化膜12上にタングステン膜(W膜)14を形成する。W膜14の厚さは、シリコン酸化膜12の上面から約300nmとする。続いて、CMPを行うことにより、コンタクトホール内のみにグルー膜13及びW膜14を残す。これらからコンタクトプラグが構成される。このCMPでは、オーバー研磨を行うことにより、シリコン酸化膜12上のグルー膜13及びW膜14を完全に除去する。   Next, a contact hole exposing the silicide layer 10 is formed by patterning the silicon oxide film 12 and the silicon oxynitride film 11 by photolithography. The diameter of the contact hole is, for example, 0.25 μm. Next, a glue film (adhesion film) 13 is formed by sequentially forming a Ti film having a thickness of about 30 nm and a TiN film having a thickness of about 20 nm on the bottom and sides of the contact hole. Thereafter, a tungsten film (W film) 14 is formed in the contact hole and on the silicon oxide film 12. The thickness of the W film 14 is about 300 nm from the upper surface of the silicon oxide film 12. Subsequently, by performing CMP, the glue film 13 and the W film 14 are left only in the contact holes. From these, a contact plug is formed. In this CMP, by performing over polishing, the glue film 13 and the W film 14 on the silicon oxide film 12 are completely removed.

次に、例えば、プラズマCVD法により厚さが約130nmのシリコン酸窒化膜15を酸化防止膜としてシリコン酸化膜12及びコンタクトプラグ上に形成する。更に、シリコン酸窒化膜15上に、例えば、原料ガスとしてTEOSガスを用いたたプラズマCVD法により、厚さが約300nmのシリコン酸化膜16を形成する。なお、酸化防止膜として、シリコン酸窒化膜15の代わりに、シリコン窒化膜又はアルミニウム酸化膜を形成してもよい。   Next, for example, a silicon oxynitride film 15 having a thickness of about 130 nm is formed as an antioxidant film on the silicon oxide film 12 and the contact plug by plasma CVD. Further, a silicon oxide film 16 having a thickness of about 300 nm is formed on the silicon oxynitride film 15 by, for example, a plasma CVD method using TEOS gas as a source gas. A silicon nitride film or an aluminum oxide film may be formed as an antioxidant film instead of the silicon oxynitride film 15.

次いで、図1Bに示すように、フォトリソグラフィ技術によりシリコン酸化膜16及びシリコン酸窒化膜15をパターニングすることにより、シリサイド層10を露出するコンタクトホールを形成する。コンタクトホールの直径は、例えば0.25μmとする。次いで、コンタクトホールの底部及び側部に、厚さが約30nmのTi膜及び厚さが約20nmのTiN膜を順次形成することにより、グルー膜(密着膜)17を形成する。その後、コンタクトホール内及びシリコン酸化膜16上にタングステン膜(W膜)18を形成する。W膜18の厚さは、シリコン酸化膜16の上面から約300nmとする。続いて、CMPを行うことにより、コンタクトホール内のみにグルー膜17及びW膜18を残す。これらからコンタクトプラグが構成される。なお、このCMPでは、オーバー研磨を行うことにより、シリコン酸化膜16上のグルー膜17及びW膜18を完全に除去する。   Next, as shown in FIG. 1B, a contact hole exposing the silicide layer 10 is formed by patterning the silicon oxide film 16 and the silicon oxynitride film 15 by photolithography. The diameter of the contact hole is, for example, 0.25 μm. Next, a glue film 17 is formed by sequentially forming a Ti film having a thickness of about 30 nm and a TiN film having a thickness of about 20 nm on the bottom and sides of the contact hole. Thereafter, a tungsten film (W film) 18 is formed in the contact hole and on the silicon oxide film 16. The thickness of the W film 18 is about 300 nm from the upper surface of the silicon oxide film 16. Subsequently, by performing CMP, the glue film 17 and the W film 18 are left only in the contact holes. From these, a contact plug is formed. In this CMP, the glue film 17 and the W film 18 on the silicon oxide film 16 are completely removed by overpolishing.

次に、シリコン酸化膜16の表面に対してNH3プラズマ処理を行うことにより、シリコン酸化膜16の表面の酸素原子にNH基を結合させる。このプラズマ処理では、例えば、シリコン基板1から約9mm(350mils)離間した位置に対向電極が設けられた平行平板型のプラズマ処理装置を使用する。そして、シリコン基板1の設定温度を400℃とし、チャンバ内圧力を266Pa(2Torr)とした状態で、チャンバ内にアンモニアガスを350sccmの流量で供給する。また、シリコン基板1側に13.56MHzの高周波を100Wのパワで供給すると共に、対向電極に350kHzの高周波を55Wのパワで供給し、これらを60秒間継続する。 Next, NH 3 plasma treatment is performed on the surface of the silicon oxide film 16 to bond NH groups to oxygen atoms on the surface of the silicon oxide film 16. In this plasma processing, for example, a parallel plate type plasma processing apparatus in which a counter electrode is provided at a position separated from the silicon substrate 1 by about 9 mm (350 mils) is used. Then, ammonia gas is supplied into the chamber at a flow rate of 350 sccm while the set temperature of the silicon substrate 1 is 400 ° C. and the pressure in the chamber is 266 Pa (2 Torr). Further, a high frequency of 13.56 MHz is supplied to the silicon substrate 1 side with 100 W power, and a high frequency of 350 kHz is supplied to the counter electrode with 55 W power, and these are continued for 60 seconds.

次いで、シリコン酸化膜16及びコンタクトプラグ上に厚さが約20nmのTi膜を形成する。このTi膜の形成では、例えば、シリコン基板1から約60mm離間した位置にターゲットが設けられたスパッタリング装置を使用する。そして、シリコン基板1の設定温度を20℃とし、チャンバ内圧力を0.15Paとし、チャンバ内の雰囲気をAr雰囲気とした状態で、2.6kWのスパッタDCパワを5秒間供給する。本実施形態では、Ti膜の形成前に、シリコン酸化膜16の表面にNH3プラズマ処理を行っているので、その上に堆積したTi原子は酸素原子に捕獲されることなく、シリコン酸化膜16の表面を自在に移動することができる。この結果、Ti膜は自己組織化され、その表面が(002)面に強く配向したものとなる。その後、窒素雰囲気中で650℃、60秒間のRTA(Rapid Thermal Annealing)を行うことにより、図1Cに示すように、Ti膜を、その表面が(111)面に強く配向したTiN膜21とする。 Next, a Ti film having a thickness of about 20 nm is formed on the silicon oxide film 16 and the contact plug. In the formation of the Ti film, for example, a sputtering apparatus in which a target is provided at a position separated from the silicon substrate 1 by about 60 mm is used. Then, 2.6 kW of sputtered DC power is supplied for 5 seconds in a state where the set temperature of the silicon substrate 1 is 20 ° C., the pressure in the chamber is 0.15 Pa, and the atmosphere in the chamber is an Ar atmosphere. In the present embodiment, since the surface of the silicon oxide film 16 is subjected to NH 3 plasma treatment before the Ti film is formed, Ti atoms deposited thereon are not captured by oxygen atoms, and the silicon oxide film 16 The surface of the can be moved freely. As a result, the Ti film is self-organized and its surface is strongly oriented in the (002) plane. Thereafter, by performing RTA (Rapid Thermal Annealing) at 650 ° C. for 60 seconds in a nitrogen atmosphere, the Ti film is changed to a TiN film 21 whose surface is strongly oriented to the (111) plane as shown in FIG. 1C. .

続いて、TiN膜21上に、例えば反応性スパッタ法により厚さが約100nmのTiAlN膜22を酸素拡散バリア膜として形成する。このとき、例えば、Ti及びAlを合金化したターゲットを使用する。また、シリコン基板1の設定温度を400℃とし、チャンバ内圧力を253.3Paとし、チャンバ内に、Arを40sccmの流量で供給すると共に、N2を10sccmの流量で供給する。また、スパッタパワは、例えば1.0kWとする。 Subsequently, a TiAlN film 22 having a thickness of about 100 nm is formed as an oxygen diffusion barrier film on the TiN film 21 by, for example, reactive sputtering. At this time, for example, a target obtained by alloying Ti and Al is used. The set temperature of the silicon substrate 1 is 400 ° C., the pressure in the chamber is 253.3 Pa, Ar is supplied at a flow rate of 40 sccm, and N 2 is supplied at a flow rate of 10 sccm. The sputter power is, for example, 1.0 kW.

次に、TiAlN22上に、例えばスパッタ法により厚さが60nm〜100nmのIr膜23を貴金属導電膜として形成する。このとき、シリコン基板1の設定温度を500℃とし、チャンバ内圧力を0.2Paとし、チャンバ内雰囲気をAr雰囲気とする。また、スパッタパワは、例えば0.3kWとする。なお、貴金属導電膜として、Ir膜23の代わりに、ルテニウム膜、ロジウム膜又はパラジウム膜を形成してもよい。   Next, an Ir film 23 having a thickness of 60 nm to 100 nm is formed as a noble metal conductive film on the TiAlN 22 by sputtering, for example. At this time, the set temperature of the silicon substrate 1 is 500 ° C., the pressure in the chamber is 0.2 Pa, and the atmosphere in the chamber is an Ar atmosphere. The sputter power is, for example, 0.3 kW. As the noble metal conductive film, a ruthenium film, a rhodium film, or a palladium film may be formed instead of the Ir film 23.

次に、図1Dに示すように、Ir膜23上に、例えばスパッタ法により厚さが5nm〜50nmのIrOX膜24を貴金属酸化膜として形成する。このとき、シリコン基板1の設定温度を100℃〜400℃とし、チャンバ内圧力を0.11Paとし、チャンバ内雰囲気をAr及びO2の混合雰囲気とする。また、スパッタパワは、例えば1kWとする。 Next, as shown in FIG. 1D, an IrO x film 24 having a thickness of 5 nm to 50 nm is formed as a noble metal oxide film on the Ir film 23 by, eg, sputtering. At this time, the set temperature of the silicon substrate 1 is set to 100 ° C. to 400 ° C., the pressure in the chamber is set to 0.11 Pa, and the atmosphere in the chamber is a mixed atmosphere of Ar and O 2 . The sputter power is, for example, 1 kW.

なお、本実施形態では、IrOX膜24として、結晶化したものを形成する。また、IrOX膜24を構成する結晶は、等軸晶(チル晶)であることが好ましい。 In the present embodiment, a crystallized film is formed as the IrO x film 24. Further, it is preferable that the crystals constituting the IrO x film 24 are equiaxed crystals (chill crystals).

次に、図1Eに示すように、IrOX膜24上に、例えば2層構造のPZT膜25を形成する。 Next, as shown in FIG. 1E, a two-layer PZT film 25 is formed on the IrO x film 24, for example.

第1層目の形成では、例えばMOCVD法を採用し、その厚さを約100nmとする。このとき、Pbの原料としてPb(C111922を用いる。Pb(C111922はPb(DPM)2と表記されることがある。また、Zrの原料としてZr(C91524を用いる。Zr(C91524はZr(DMHD)4と表記されることがある。また、Tiの原料としてTi(C37O)2(C111922を用いる。Ti(C37O)2(C111922はTi(O−iOr)2(DPM)2と表記されることがある。そして、これらをTHF溶媒中にいずれも0.3mol/リットルの濃度で溶解し、3種類の液体原料とする。そして、これらの液体原料を、MOCVD装置の気化器に、流量が0.474ml/分のTHF溶媒と共に、それぞれ0.326ml/分、0.200ml/分、0.200ml/分の流量で供給し、気化させる。このようにして、Pb、Zr及びTiの原料ガスが得られる。 In the formation of the first layer, for example, the MOCVD method is employed, and the thickness is set to about 100 nm. At this time, Pb (C 11 H 19 O 2 ) 2 is used as a raw material for Pb. Pb (C 11 H 19 O 2 ) 2 may be expressed as Pb (DPM) 2 . Further, Zr (C 9 H 15 O 2 ) 4 is used as a Zr raw material. Zr (C 9 H 15 O 2 ) 4 may be expressed as Zr (DMHD) 4 . Further, Ti (C 3 H 7 O) 2 (C 11 H 19 O 2 ) 2 is used as a Ti raw material. Ti (C 3 H 7 O) 2 (C 11 H 19 O 2 ) 2 may be expressed as Ti (O—iOr) 2 (DPM) 2 . These are all dissolved in a THF solvent at a concentration of 0.3 mol / liter to obtain three types of liquid raw materials. Then, these liquid raw materials are supplied to the vaporizer of the MOCVD apparatus together with THF solvent at a flow rate of 0.474 ml / min at flow rates of 0.326 ml / min, 0.200 ml / min, and 0.200 ml / min, respectively. Vaporize. In this way, source gases of Pb, Zr and Ti are obtained.

更に、MOCVDチャンバ内の圧力を665Pa(5Torr)とし、シリコン基板1の設定温度を620℃とし、Pb、Zr及びTiの原料ガスを、MOCVDチャンバ内に、例えば620秒間供給する。   Further, the pressure in the MOCVD chamber is set to 665 Pa (5 Torr), the set temperature of the silicon substrate 1 is set to 620 ° C., and source gases of Pb, Zr and Ti are supplied into the MOCVD chamber for 620 seconds, for example.

なお、第1層目の形成の際に、IrOX膜24は、THF溶媒によってMOCVDチャンバ内で還元され、図1Eに示すように、Ir膜24aに変化する。 During the formation of the first layer, the IrO x film 24 is reduced in the MOCVD chamber by the THF solvent and changed to an Ir film 24a as shown in FIG. 1E.

第2層目の形成では、例えばスパッタ法を採用し、その厚さを1nm〜30nm(例えば20nm)とする。この場合、第2層目のPZT膜はアモルファス状態となる。MOCVD法を採用してもよく、その場合には、第1層目と同様に、Pbの原料としてPb(DPM)2を用い、Zrの原料としてZr(DMHD)4を用い、Tiの原料としてTi(O−iPr)2(DPM)2を用いる。 In the formation of the second layer, for example, a sputtering method is employed, and the thickness is set to 1 nm to 30 nm (for example, 20 nm). In this case, the second-layer PZT film is in an amorphous state. The MOCVD method may be adopted. In this case, as in the first layer, Pb (DPM) 2 is used as the Pb raw material, Zr (DMHD) 4 is used as the Zr raw material, and Ti raw material is used. Ti (O—iPr) 2 (DPM) 2 is used.

次いで、図1Fに示すように、PZT膜25上に、例えばスパッタ法により厚さが50nmのIrOY膜26を形成する。IrOY膜26として、結晶化したものを形成する。このとき、シリコン基板1の設定温度を300℃とし、チャンバ内に、Ar及びO2をいずれも100sccmの流量で供給する。また、スパッタパワは、例えば1kW〜2kW程度とする。次に、チャンバ内に、O2を20sccmの流量で供給すると共に、Arを2000scmの流量で供給しながら、725℃、60秒間のRTAを行うことにより、PZT膜25を完全に結晶化させる。また、このRTAにより、IrOY膜26のプラズマダメージが回復され、PZT膜25中の酸素欠損が補償される。 Next, as shown in FIG. 1F, an IrO Y film 26 having a thickness of 50 nm is formed on the PZT film 25 by, eg, sputtering. A crystallized film is formed as the IrO Y film 26. At this time, the set temperature of the silicon substrate 1 is set to 300 ° C., and both Ar and O 2 are supplied into the chamber at a flow rate of 100 sccm. Further, the sputter power is, for example, about 1 kW to 2 kW. Next, while supplying O 2 at a flow rate of 20 sccm into the chamber and performing RTA at 725 ° C. for 60 seconds while supplying Ar at a flow rate of 2000 sccm, the PZT film 25 is completely crystallized. In addition, the plasma damage of the IrO Y film 26 is recovered by this RTA, and oxygen vacancies in the PZT film 25 are compensated.

その後、IrOY膜26上に、例えばスパッタ法により厚さが100nm〜200nmのIrOZ膜27を形成する。チャンバ内雰囲気をAr雰囲気とし、チャンバ内圧力を0.8Paとし、スパッタパワを1.0kWとした場合、79秒間程度で、IrOZ膜27の厚さは200nm程度となる。なお、IrOZの組成はIrOYの組成よりもIrO2の化学量論組成に近い組成(Y<Z<2)とすることが好ましい。これは、このような組成とすることにより、水素に対する触媒作用が抑えられ、PZT膜25が水素ラジカルにより還元されるという問題が抑制され、強誘電体キャパシタの水素耐性が向上するからである。なお、IrOY膜26及び/又はIrOZ膜27の代わりに、Ir、Ru、Rh、Re、Os又はPdからなる膜、又はこれらの酸化物膜を形成してもよい。また、SrRuO3等の導電性酸化物を形成してもよい。更に、これらの膜を積層したものを用いてもよい。 Thereafter, an IrO Z film 27 having a thickness of 100 nm to 200 nm is formed on the IrO Y film 26 by, eg, sputtering. When the chamber atmosphere is an Ar atmosphere, the chamber pressure is 0.8 Pa, and the sputtering power is 1.0 kW, the IrO Z film 27 has a thickness of about 200 nm in about 79 seconds. The composition of IrO Z is preferably a composition close to the stoichiometric composition of IrO 2 than the composition of IrO Y (Y <Z <2 ). This is because such a composition suppresses the catalytic action against hydrogen, suppresses the problem that the PZT film 25 is reduced by hydrogen radicals, and improves the hydrogen resistance of the ferroelectric capacitor. Instead of the IrO Y film 26 and / or the IrO Z film 27, a film made of Ir, Ru, Rh, Re, Os, or Pd, or an oxide film thereof may be formed. Further, a conductive oxide such as SrRuO 3 may be formed. Further, a laminate of these films may be used.

次に、IrOZ膜27上に、例えばスパッタ法により厚さが50nm〜100nmのIr膜28を水素バリア膜及び導電性向上膜として形成する。このとき、チャンバ内雰囲気をAr雰囲気とし、チャンバ内圧力を1Paとし、スパッタパワを1.0kWとする。なお、Ir膜27の代わりに、ルテニウム膜、ロジウム膜又はパラジウム膜を形成してもよい。 Next, an Ir film 28 having a thickness of 50 nm to 100 nm is formed as a hydrogen barrier film and a conductivity improving film on the IrO Z film 27 by sputtering, for example. At this time, the atmosphere in the chamber is an Ar atmosphere, the pressure in the chamber is 1 Pa, and the sputtering power is 1.0 kW. Instead of the Ir film 27, a ruthenium film, a rhodium film, or a palladium film may be formed.

その後、背面洗浄を行う。続いて、図1Gに示すように、Ir膜28上に窒化チタン膜(TiN膜)31及びシリコン酸化膜32を順次形成する。TiN膜31は、例えばスパッタ法により形成する。シリコン酸化膜32は、例えばTEOSガスを用いたCVD法により形成する。   Then, back surface cleaning is performed. Subsequently, as shown in FIG. 1G, a titanium nitride film (TiN film) 31 and a silicon oxide film 32 are sequentially formed on the Ir film 28. The TiN film 31 is formed by sputtering, for example. The silicon oxide film 32 is formed by, for example, a CVD method using TEOS gas.

次いで、図1Hに示すように、シリコン酸化膜32を島状にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 1H, the silicon oxide film 32 is patterned into an island shape.

次に、図1Iに示すように、シリコン酸化膜32をマスクとして用いて、TiN膜31をエッチングする。この結果、島状のTiN膜31及びシリコン酸化膜32からなるハードマスクが形成される。   Next, as shown in FIG. 1I, the TiN film 31 is etched using the silicon oxide film 32 as a mask. As a result, a hard mask composed of the island-like TiN film 31 and the silicon oxide film 32 is formed.

次に、TiN膜31及びシリコン酸化膜32をマスクとして用いて、HBr、O2、Ar、及びC48の混合ガスをエッチングガスとするプラズマエッチングを、Ir膜28、IrOZ膜27、IrOY膜26、PZT膜25、Ir膜24a及びIr膜23に対して行う。この結果、上部電極33及び下部電極34が形成される。即ち、強誘電体キャパシタが形成される。 Next, using the TiN film 31 and the silicon oxide film 32 as a mask, plasma etching using a mixed gas of HBr, O 2 , Ar, and C 4 F 8 as an etching gas is performed using an Ir film 28, an IrO Z film 27, The process is performed on the IrO Y film 26, the PZT film 25, the Ir film 24a, and the Ir film 23. As a result, the upper electrode 33 and the lower electrode 34 are formed. That is, a ferroelectric capacitor is formed.

続いて、図1Jに示すように、ドライエッチング又はウェットエッチによりシリコン酸化膜32を除去する。   Subsequently, as shown in FIG. 1J, the silicon oxide film 32 is removed by dry etching or wet etching.

次に、図1Kに示すように、Ir膜28等をマスクとして用いて、ドライエッチングを行うことにより、TiAlN膜22及びTiN膜21をパターニングする。   Next, as shown in FIG. 1K, the TiAlN film 22 and the TiN film 21 are patterned by performing dry etching using the Ir film 28 or the like as a mask.

次いで、図1Lに示すように、強誘電体キャパシタを覆う保護膜35をシリコン酸化膜16上に形成する。保護膜35としては、例えばスパッタ法により厚さが約20nmのアルミニウム酸化膜を形成する。   Next, as shown in FIG. 1L, a protective film 35 covering the ferroelectric capacitor is formed on the silicon oxide film 16. As the protective film 35, an aluminum oxide film having a thickness of about 20 nm is formed by sputtering, for example.

その後、図1Mに示すように、誘電体膜キャパシタのダメージを回復させるために、酸素含有雰囲気中で回復アニールを行う。この回復アニールの条件は特に限定されないが、例えばシリコン基板1の設定温度を550℃〜700℃とする。特に、本実施形態のように、強誘電体膜としてPZT膜25が形成されている場合には、酸素雰囲気中で650℃、60分間の回復アニールを行う。   Thereafter, as shown in FIG. 1M, recovery annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere in order to recover the damage of the dielectric film capacitor. The conditions for this recovery annealing are not particularly limited. For example, the set temperature of the silicon substrate 1 is set to 550 ° C. to 700 ° C. In particular, when the PZT film 25 is formed as a ferroelectric film as in this embodiment, recovery annealing is performed in an oxygen atmosphere at 650 ° C. for 60 minutes.

その後、図1Nに示すように、保護膜35上に新たな保護膜36を形成する。保護膜36としては、例えばCVD法により厚さが約20nmのアルミニウム酸化膜を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 1N, a new protective film 36 is formed on the protective film 35. As the protective film 36, an aluminum oxide film having a thickness of about 20 nm is formed by, for example, a CVD method.

次に、図1Oに示すように、保護膜36上に、例えばプラズマTEOSCVD法により厚さが約1500nmのシリコン酸化物37を層間絶縁膜として形成する。このとき、原料ガスとして、例えば、TEOSガス、酸素ガス及びヘリウムガスからなる混合ガスを用いる。その後、シリコン酸化物37の表面を、例えばCMP法により平坦化する。なお、層間絶縁膜として、例えば、絶縁性を有する無機膜等を形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 1O, a silicon oxide 37 having a thickness of about 1500 nm is formed as an interlayer insulating film on the protective film 36 by, for example, plasma TEOSCVD. At this time, for example, a mixed gas composed of TEOS gas, oxygen gas, and helium gas is used as the source gas. Thereafter, the surface of the silicon oxide 37 is planarized by, for example, a CMP method. Note that as the interlayer insulating film, for example, an insulating inorganic film or the like may be formed.

続いて、N2Oガス又はN2ガス等を用いて発生させたプラズマ雰囲気中で、熱処理を行う。この結果、シリコン酸化物37中の水分が除去されると共に、シリコン酸化物37の膜質が変化し、シリコン酸化物37中に水分が入りにくくなる。 Subsequently, heat treatment is performed in a plasma atmosphere generated using N 2 O gas or N 2 gas. As a result, the moisture in the silicon oxide 37 is removed, the film quality of the silicon oxide 37 is changed, and the moisture is less likely to enter the silicon oxide 37.

その後、シリコン酸化物37上に、例えばスパッタ法又はCVD法により、保護膜(バリア膜)38を形成する。保護膜38としては、例えば厚さが20nm〜100nmのアルミニウム酸化膜を形成する。平坦化されたシリコン酸化物37上に保護膜38が形成されるため、保護膜38も平坦となる。   Thereafter, a protective film (barrier film) 38 is formed on the silicon oxide 37 by, for example, sputtering or CVD. As the protective film 38, for example, an aluminum oxide film having a thickness of 20 nm to 100 nm is formed. Since the protective film 38 is formed on the planarized silicon oxide 37, the protective film 38 also becomes flat.

次に、保護膜38上に、例えばプラズマTEOSCVD法により厚さが300nm〜500nmのシリコン酸化物39を層間絶縁膜として形成する。その後、シリコン酸化物39の表面を、例えばCMP法により平坦化する。なお、層間絶縁膜として、シリコン酸窒化膜又はシリコン窒化膜等を形成してもよい。   Next, a silicon oxide 39 having a thickness of 300 nm to 500 nm is formed as an interlayer insulating film on the protective film 38 by, for example, plasma TEOSCVD. Thereafter, the surface of the silicon oxide 39 is planarized by, for example, a CMP method. Note that a silicon oxynitride film, a silicon nitride film, or the like may be formed as the interlayer insulating film.

次いで、図1Pに示すように、フォトリソグラフィ技術により、シリコン酸化膜39、保護膜38及びシリコン酸化膜37をパターニングすることにより、上部電極33を露出するコンタクトホールを形成する。また、フォトリソグラフィ技術により、シリコン酸化膜39、保護膜38、シリコン酸化膜37、保護膜36、保護膜35、シリコン酸化膜16及びシリコン酸窒化膜15をパターニングすることにより、グルー膜13及びW膜14からなるコンタクトプラグを露出するコンタクトホールを形成する。コンタクトホールの直径は、例えば0.25μmとする。その後、550℃の酸素雰囲気中で熱処理を行うことにより、コンタクトホールの形成の際にPZT膜25に生じた酸素欠損を回復させる。   Next, as shown in FIG. 1P, the silicon oxide film 39, the protective film 38, and the silicon oxide film 37 are patterned by photolithography to form a contact hole that exposes the upper electrode 33. Further, by patterning the silicon oxide film 39, the protective film 38, the silicon oxide film 37, the protective film 36, the protective film 35, the silicon oxide film 16 and the silicon oxynitride film 15 by photolithography, the glue film 13 and the W film are formed. A contact hole for exposing the contact plug made of the film 14 is formed. The diameter of the contact hole is, for example, 0.25 μm. Thereafter, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 550 ° C. to recover oxygen vacancies generated in the PZT film 25 during contact hole formation.

次いで、コンタクトホールの底部及び側部に、厚さが約30nmのTi膜及び厚さが約20nmのTiN膜を順次形成することにより、グルー膜(密着膜)40を形成する。このとき、例えば、Ti膜をスパッタ法により形成し、その上にTiN膜をMOCVD法により形成する。但し、TiN膜をMOCVD法により形成する場合には、TiN膜から炭素を除去するために、窒素及び水素の混合ガスのプラズマ中での処理が必要とされる。本実施形態では、上部電極33の最表面がIr膜28となっているため、このプラズマ処理が行われても、上部電極33は還元されない。また、グルー膜40として、TiN膜のみを形成してもよい。   Next, a glue film (adhesion film) 40 is formed by sequentially forming a Ti film having a thickness of about 30 nm and a TiN film having a thickness of about 20 nm on the bottom and sides of the contact hole. At this time, for example, a Ti film is formed by sputtering, and a TiN film is formed thereon by MOCVD. However, when the TiN film is formed by the MOCVD method, a treatment in a plasma of a mixed gas of nitrogen and hydrogen is required to remove carbon from the TiN film. In the present embodiment, since the outermost surface of the upper electrode 33 is the Ir film 28, the upper electrode 33 is not reduced even if this plasma treatment is performed. Further, only the TiN film may be formed as the glue film 40.

その後、コンタクトホール内及びシリコン酸化膜39上にタングステン膜(W膜)41を形成する。W膜41の厚さは、シリコン酸化膜39の上面から約300nmとする。続いて、CMPを行うことにより、コンタクトホール内のみにグルー膜40及びW膜41を残す。これらからコンタクトプラグが構成される。なお、このCMPでは、オーバー研磨を行うことにより、シリコン酸化膜39上のグルー膜40及びW膜41を完全に除去する。   Thereafter, a tungsten film (W film) 41 is formed in the contact hole and on the silicon oxide film 39. The thickness of the W film 41 is about 300 nm from the upper surface of the silicon oxide film 39. Subsequently, by performing CMP, the glue film 40 and the W film 41 are left only in the contact holes. From these, a contact plug is formed. In this CMP, by performing over polishing, the glue film 40 and the W film 41 on the silicon oxide film 39 are completely removed.

続いて、シリコン酸化膜39及びコンタクトプラグ上に、Ti膜42、TiN膜43、AlCu膜44、TiN膜45及びTi膜46からなる配線を形成する。配線の形成に当たっては、例えばスパッタ法により、厚さが60nmのTi膜、厚さが30nmのTiN膜、厚さが360nmのAlCu膜、厚さが5nmのTi膜、及び厚さが70nmのTiN膜を順次形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、これらをパターニングする。   Subsequently, a wiring composed of a Ti film 42, a TiN film 43, an AlCu film 44, a TiN film 45, and a Ti film 46 is formed on the silicon oxide film 39 and the contact plug. In forming the wiring, for example, by sputtering, a Ti film having a thickness of 60 nm, a TiN film having a thickness of 30 nm, an AlCu film having a thickness of 360 nm, a Ti film having a thickness of 5 nm, and a TiN film having a thickness of 70 nm are used. Films are sequentially formed, and these are patterned using a photolithography technique.

その後、更に、層間絶縁膜の形成、コンタクトプラグの形成及び下から第2層目以降の配線の形成等を行う。そして、例えばTEOS酸化膜及びSiN膜からなるカバー膜を形成して強誘電体キャパシタを有する強誘電体メモリを完成させる。   Thereafter, further formation of an interlayer insulating film, formation of contact plugs, formation of wiring from the second layer onward, and the like are performed. Then, for example, a cover film made of a TEOS oxide film and a SiN film is formed to complete a ferroelectric memory having a ferroelectric capacitor.

このような第1の実施形態では、PZT膜25を形成するためにシリコン基板1をMOCVDチャンバ内に挿入する際には、最表面に、結晶化したIrOX膜24が形成されている。従って、IrOX膜24に異常酸化が生じることはなく、その後に、IrOX膜24から変化したIr膜24a上に形成されるPZT膜25の結晶性は極めて良好なものとなる。つまり、PZT膜25の形成に使用するTHF溶媒による還元の結果、得られるIr膜24aの結晶性は良好なままであり、その上に形成されるPZT膜25の結晶性も良好なものとなる。従って、同一のウェハ内でも、互いに異なるウェハ間でも、安定した特性を得ることが可能となる。特に、低電圧動作時の特性が良好なものとなる。 In such a first embodiment, when the silicon substrate 1 is inserted into the MOCVD chamber in order to form the PZT film 25, the crystallized IrO x film 24 is formed on the outermost surface. Therefore, not to cause abnormal oxidation IrO X film 24, then, the crystallinity of the PZT film 25 formed on the Ir film 24a having changed from IrO X film 24 is extremely good. That is, as a result of reduction with the THF solvent used for forming the PZT film 25, the crystallinity of the resulting Ir film 24a remains good, and the crystallinity of the PZT film 25 formed thereon is also good. . Accordingly, stable characteristics can be obtained even within the same wafer or between different wafers. In particular, the characteristics during low-voltage operation are good.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図2A乃至図2Cは、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 2A to 2C are cross-sectional views showing a method of manufacturing a ferroelectric memory (semiconductor device) according to the second embodiment of the present invention in the order of steps.

第2の実施形態では、先ず、第1の実施形態と同様に、シリコン酸化膜16の表面に対するNH3プラズマ処理までの処理を行う。但し、グルー膜17及びW膜18からなるコンタクトプラグの形成に当たっては、図2Aに示すように、コンタクトプラグの表面にリセス50が形成されることがある。リセス50の深さは、例えば20nm〜50nm程度である。 In the second embodiment, first, similarly to the first embodiment, the process up to the NH 3 plasma process is performed on the surface of the silicon oxide film 16. However, in forming a contact plug composed of the glue film 17 and the W film 18, a recess 50 may be formed on the surface of the contact plug as shown in FIG. 2A. The depth of the recess 50 is, for example, about 20 nm to 50 nm.

このようなリセス50が存在したままで第1の実施形態と同様の処理を行うと、TiN膜21等の表面に、リセス50を反映した凹部が形成され、PZT膜25の配向が低下してしまう。そこで、第2の実施形態では、図2Bに示すように、シリコン酸化膜16及びコンタクトプラグ上に厚さが約100nmのTi膜51を形成する。このTi膜51の形成では、例えば、シリコン基板1から約60mm離間した位置にターゲットが設けられたスパッタリング装置を使用する。そして、シリコン基板1の設定温度を20℃とし、チャンバ内圧力を0.15Paとし、チャンバ内の雰囲気をAr雰囲気とした状態で、2.6kWのスパッタDCパワを35秒間供給する。本実施形態でも、Ti膜51の形成前に、シリコン酸化膜16の表面にNH3プラズマ処理を行っているので、その上に堆積したTi原子は酸素原子に捕獲されることなく、シリコン酸化膜16の表面を自在に移動することができる。この結果、Ti膜51は自己組織化され、その表面が(002)面に強く配向したものとなる。 When the same processing as in the first embodiment is performed with such a recess 50 present, a recess reflecting the recess 50 is formed on the surface of the TiN film 21 and the like, and the orientation of the PZT film 25 is lowered. End up. Therefore, in the second embodiment, as shown in FIG. 2B, a Ti film 51 having a thickness of about 100 nm is formed on the silicon oxide film 16 and the contact plug. In forming the Ti film 51, for example, a sputtering apparatus in which a target is provided at a position separated from the silicon substrate 1 by about 60 mm is used. Then, 2.6 kW of sputtered DC power is supplied for 35 seconds in a state where the set temperature of the silicon substrate 1 is 20 ° C., the pressure in the chamber is 0.15 Pa, and the atmosphere in the chamber is an Ar atmosphere. Also in this embodiment, since the surface of the silicon oxide film 16 is subjected to NH 3 plasma treatment before the Ti film 51 is formed, Ti atoms deposited thereon are not captured by oxygen atoms, and the silicon oxide film The surface of 16 can be moved freely. As a result, the Ti film 51 is self-organized and its surface is strongly oriented in the (002) plane.

その後、例えばCMP法によりTi膜51の表面を平坦化する。平坦化後のTi膜51の厚さは、例えばシリコン酸化膜16の表面から50nm〜100nmとする。この厚さの制御は、例えば時間制御により行う。   Thereafter, the surface of the Ti film 51 is planarized by, eg, CMP. The thickness of the planarized Ti film 51 is, for example, 50 nm to 100 nm from the surface of the silicon oxide film 16. This thickness control is performed by time control, for example.

続いて、Ti膜51の表面をNH3プラズマにさらす。Ti膜51の表面の結晶には、平坦化処理によって歪が生じているが、このプラズマ処理により、歪が緩和される。このため、その上に形成される膜の結晶性の低下を未然に回避することができる。 Subsequently, the surface of the Ti film 51 is exposed to NH 3 plasma. The crystal on the surface of the Ti film 51 is distorted by the planarization process, but the distortion is alleviated by this plasma process. For this reason, it is possible to avoid a decrease in crystallinity of the film formed thereon.

次に、Ti膜51上に、厚さが約20nmのTi膜を形成する。次いで、第1の実施形態と同様に、窒素雰囲気中で650℃、60秒間のRTAを行うことにより、図2Cに示すように、Ti膜を、その表面が(111)面に強く配向したTiN膜21とする。   Next, a Ti film having a thickness of about 20 nm is formed on the Ti film 51. Next, as in the first embodiment, by performing RTA at 650 ° C. for 60 seconds in a nitrogen atmosphere, as shown in FIG. 2C, the Ti film is TiN whose surface is strongly oriented to the (111) plane. The film 21 is used.

その後、第1の実施形態と同様に、TiAlN膜22の形成以降の処理を行う。   Thereafter, similarly to the first embodiment, processing after the formation of the TiAlN film 22 is performed.

このような第2の実施形態によれば、リセス50が形成された場合であっても、良好な特性の強誘電体キャパシタを得ることができる。   According to such a second embodiment, a ferroelectric capacitor having good characteristics can be obtained even when the recess 50 is formed.

(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図3A及び図3Bは、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. 3A and 3B are cross-sectional views showing a method of manufacturing a ferroelectric memory (semiconductor device) according to the third embodiment of the present invention in the order of steps.

第3の実施形態では、先ず、第2の実施形態と同様に、Ti膜51の形成までの処理を行う。その後、図3Aに示すように、例えばCMP法により、シリコン酸化膜16の表面が露出するまでTi膜51の表面を平坦化する。つまり、第2の実施形態とは異なり、シリコン酸化膜16上のTi膜51を完全に除去する。   In the third embodiment, first, similarly to the second embodiment, processing up to the formation of the Ti film 51 is performed. Thereafter, as shown in FIG. 3A, the surface of the Ti film 51 is flattened by, for example, a CMP method until the surface of the silicon oxide film 16 is exposed. That is, unlike the second embodiment, the Ti film 51 on the silicon oxide film 16 is completely removed.

続いて、第2の実施形態と同様に、Ti膜51の表面をNH3プラズマにさらす。Ti膜51の表面の結晶には、平坦化処理によって歪が生じているが、このプラズマ処理により、歪が緩和される。このため、その上に形成される膜の結晶性の低下を未然に回避することができる。 Subsequently, similarly to the second embodiment, the surface of the Ti film 51 is exposed to NH 3 plasma. The crystal on the surface of the Ti film 51 is distorted by the planarization process, but the distortion is alleviated by this plasma process. For this reason, it is possible to avoid a decrease in crystallinity of the film formed thereon.

次に、Ti膜51上に、厚さが約20nmのTi膜を形成する。次いで、第1及び第2の実施形態と同様に、窒素雰囲気中で650℃、60秒間のRTAを行うことにより、図3Bに示すように、Ti膜を、その表面が(111)面に強く配向したTiN膜21とする。   Next, a Ti film having a thickness of about 20 nm is formed on the Ti film 51. Next, as in the first and second embodiments, by performing RTA at 650 ° C. for 60 seconds in a nitrogen atmosphere, the Ti film has a strong (111) surface as shown in FIG. 3B. The TiN film 21 is oriented.

その後、第1及び第2の実施形態と同様に、TiAlN膜22の形成以降の処理を行う。   Thereafter, similarly to the first and second embodiments, the processing after the formation of the TiAlN film 22 is performed.

このような第3の実施形態によっても、第2の実施形態と同様の効果が得られる。   According to the third embodiment, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.

(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。図4A乃至図4Cは、本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. 4A to 4C are cross-sectional views showing a method of manufacturing a ferroelectric memory (semiconductor device) according to the fourth embodiment of the present invention in the order of steps.

第4の実施形態では、先ず、図4Aに示すように、第1の実施形態と同様に、グルー膜13及びW膜14からなるコンタクトプラグの形成までの処理を行う。   In the fourth embodiment, first, as shown in FIG. 4A, similarly to the first embodiment, the processes up to the formation of the contact plug composed of the glue film 13 and the W film 14 are performed.

次に、シリコン酸化膜12の表面に対してNH3プラズマ処理を行うことにより、シリコン酸化膜12の表面の酸素原子にNH基を結合させる。このプラズマ処理では、例えば、シリコン基板1から約9mm(350mils)離間した位置に対向電極が設けられた平行平板型のプラズマ処理装置を使用する。そして、シリコン基板1の設定温度を400℃とし、チャンバ内圧力を266Pa(2Torr)とした状態で、チャンバ内にアンモニアガスを350sccmの流量で供給する。また、シリコン基板1側に13.56MHzの高周波を100Wのパワで供給すると共に、対向電極に350kHzの高周波を55Wのパワで供給し、これらを60秒間継続する。 Next, NH 3 plasma treatment is performed on the surface of the silicon oxide film 12 to bond NH groups to oxygen atoms on the surface of the silicon oxide film 12. In this plasma processing, for example, a parallel plate type plasma processing apparatus in which a counter electrode is provided at a position separated from the silicon substrate 1 by about 9 mm (350 mils) is used. Then, ammonia gas is supplied into the chamber at a flow rate of 350 sccm while the set temperature of the silicon substrate 1 is 400 ° C. and the pressure in the chamber is 266 Pa (2 Torr). Further, a high frequency of 13.56 MHz is supplied to the silicon substrate 1 side with 100 W power, and a high frequency of 350 kHz is supplied to the counter electrode with 55 W power, and these are continued for 60 seconds.

次いで、図4Bに示すように、TiN膜21をシリコン酸化膜12及びコンタクトプラグ上に形成する。TiN膜21の形成方法は、第1の実施形態と同様である。その後、TiAlN膜22の形成から保護膜36の形成までの処理を行う。   Next, as shown in FIG. 4B, a TiN film 21 is formed on the silicon oxide film 12 and the contact plug. The method for forming the TiN film 21 is the same as that in the first embodiment. Thereafter, processing from the formation of the TiAlN film 22 to the formation of the protective film 36 is performed.

その後、図4Cに示すように、第1の実施形態と同様にして、シリコン酸化膜37の形成及び平坦化を行う。次に、2つのMOSトランジスタに共有されているシリサイド層10まで到達するコンタクトホールを、シリコン酸化膜37、保護膜36、保護膜35、シリコン酸化膜12及びシリコン酸窒化膜11に形成する。そして、このコンタクトホール内に、グルー膜40及びW膜41からなるコンタクトプラグを形成する。更に、コンタクトプラグを酸化防止膜(図示せず)等により覆った状態で、上部電極33を露出する孔を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 4C, the silicon oxide film 37 is formed and planarized in the same manner as in the first embodiment. Next, contact holes reaching the silicide layer 10 shared by the two MOS transistors are formed in the silicon oxide film 37, the protective film 36, the protective film 35, the silicon oxide film 12, and the silicon oxynitride film 11. Then, a contact plug composed of the glue film 40 and the W film 41 is formed in the contact hole. Further, a hole exposing the upper electrode 33 is formed in a state where the contact plug is covered with an antioxidant film (not shown) or the like.

続いて、シリコン酸化膜37上、コンタクトプラグ上及び孔内に、Ti膜42、TiN膜43、AlCu膜44、TiN膜45及びTi膜46からなる配線及びパッドを形成する。配線及びパッドの形成に当たっては、例えばスパッタ法により、厚さが60nmのTi膜、厚さが30nmのTiN膜、厚さが360nmのAlCu膜、厚さが5nmのTi膜、及び厚さが70nmのTiN膜を順次形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、これらをパターニングする。   Subsequently, wirings and pads made of the Ti film 42, the TiN film 43, the AlCu film 44, the TiN film 45, and the Ti film 46 are formed on the silicon oxide film 37, on the contact plug, and in the hole. In forming the wiring and pads, for example, a sputtering method is used to form a Ti film having a thickness of 60 nm, a TiN film having a thickness of 30 nm, an AlCu film having a thickness of 360 nm, a Ti film having a thickness of 5 nm, and a thickness of 70 nm. TiN films are sequentially formed, and these are patterned using a photolithography technique.

その後、更に、層間絶縁膜の形成、コンタクトプラグの形成及び下から第2層目以降の配線の形成等を行う。そして、例えばTEOS酸化膜及びSiN膜からなるカバー膜を形成して強誘電体キャパシタを有する強誘電体メモリを完成させる。   Thereafter, further formation of an interlayer insulating film, formation of contact plugs, formation of wiring from the second layer onward, and the like are performed. Then, for example, a cover film made of a TEOS oxide film and a SiN film is formed to complete a ferroelectric memory having a ferroelectric capacitor.

このような第4の実施形態によれば、第1の実施形態よりも少ない工程で強誘電体キャパシタを完成させることができる。   According to the fourth embodiment, the ferroelectric capacitor can be completed with fewer steps than the first embodiment.

なお、強誘電体キャパシタの構造をスタック構造ではなく、プレーナ構造としてもよい。   Note that the structure of the ferroelectric capacitor may be a planar structure instead of a stack structure.

また、強誘電体膜の形成方法としては、MOCVD法の他に、スパッタ法、ゾル−ゲル法、有機金属分解(MOD)法、CSD(Chemical Solution Deposition)法、化学気相蒸着(CVD)法及びエピタキシャル成長法等が挙げられる。また、強誘電体膜としては、例えば、結晶構造がBi層状構造又はペロブスカイト構造の膜を形成することができる。このような膜としては、PZT膜の他、La、Ca、Sr及び/又はSi等を微量ドープしたPZT、SBT、BLT並びにBi系層状化合物などの一般式ABO3で表される膜が挙げられる。 In addition to the MOCVD method, the ferroelectric film is formed by sputtering, sol-gel method, organometallic decomposition (MOD) method, CSD (Chemical Solution Deposition) method, chemical vapor deposition (CVD) method. And an epitaxial growth method. As the ferroelectric film, for example, a film having a Bi layer structure or a perovskite structure can be formed. Examples of such a film include a film represented by the general formula ABO 3 such as PZT, SBT, BLT, and Bi-based layered compound doped with a small amount of La, Ca, Sr, and / or Si, in addition to the PZT film. .

また、密着膜として、TiN膜21に代えて、Ti膜、Al酸化膜、Al窒化膜、TiAlN膜、Ta酸化膜、Ti酸化膜又はZr酸化膜等を用いてもよい。但し、絶縁膜を用いる場合には、強誘電体キャパシタの構造は、プレーナ構造とする。また、酸素バリア膜として、TiAlN膜22に代えて、Ir膜又はRu膜等を用いてもよい。また、Ir膜23に代えて、ロジウム膜、パラジウム膜又はルテニウム膜等を用いてもよい。また、IrOX膜24に代えて、ロジウム酸化膜、パラジウム酸化膜又はルテニウム酸化膜等を用いてもよい。また、結晶性向上膜として、Ti膜51に代えて、Pt膜、Ir膜、Re膜、Ru膜、Pd膜又はOs膜等を用いてもよく、これらの酸化膜を用いてもよい。 Further, instead of the TiN film 21, a Ti film, an Al oxide film, an Al nitride film, a TiAlN film, a Ta oxide film, a Ti oxide film, a Zr oxide film, or the like may be used as the adhesion film. However, when an insulating film is used, the ferroelectric capacitor has a planar structure. Further, instead of the TiAlN film 22, an Ir film, a Ru film, or the like may be used as the oxygen barrier film. Further, instead of the Ir film 23, a rhodium film, a palladium film, a ruthenium film, or the like may be used. In place of the IrO x film 24, a rhodium oxide film, a palladium oxide film, a ruthenium oxide film, or the like may be used. As the crystallinity improving film, a Pt film, an Ir film, a Re film, a Ru film, a Pd film, an Os film, or the like may be used instead of the Ti film 51, or these oxide films may be used.

次に、本願発明者が行った実験の結果について説明する。   Next, the results of experiments conducted by the inventor will be described.

(第1の実験)
第1の実験では、PZT膜の表面を観察した。図5A及び図5Bは、第1の実施形態に倣って形成したPZT膜の表面の顕微鏡写真である。ここで、図5Aは、ウェハの中心部における顕微鏡写真であり、図5Bは、ウェハの周辺部における顕微鏡写真である。また、図6A及び図6Bは、IrOX膜を形成せずにIr膜上に形成したPZT膜の表面の顕微鏡写真である。ここで、図6Aは、ウェハの中心部における顕微鏡写真であり、図6Bは、ウェハの周辺部における顕微鏡写真である。
(First experiment)
In the first experiment, the surface of the PZT film was observed. 5A and 5B are micrographs of the surface of the PZT film formed in accordance with the first embodiment. Here, FIG. 5A is a photomicrograph at the center of the wafer, and FIG. 5B is a photomicrograph at the periphery of the wafer. 6A and 6B are photomicrographs of the surface of the PZT film formed on the Ir film without forming the IrO x film. Here, FIG. 6A is a photomicrograph at the center of the wafer, and FIG. 6B is a photomicrograph at the periphery of the wafer.

図6A及び図6Bに示す試料の作製に際しては、Ir膜を形成した後、その上に、酸素雰囲気のMOCVDチャンバ内で昇温し、PZT膜を形成した。このため、昇温中に、制御不能なIr膜に異常酸化が発生し、その後に還元されているものの、結晶性が低下すると共に、図6A及び図6Bに示すように、凹凸が生じた。特に、周辺部において顕著だった。これに対し、第1の実施形態に倣った場合には、図5A及び図5Bに示すように、中心部及び周辺部のいずれにおいても、凹凸が発生しなかった。このことから、結晶性の低下もほとんどないと考えられる。   6A and 6B, after forming an Ir film, the temperature was raised in an MOCVD chamber in an oxygen atmosphere to form a PZT film. For this reason, abnormal oxidation occurred in the uncontrollable Ir film during the temperature rise, and after that, although it was reduced, the crystallinity was lowered and unevenness was generated as shown in FIGS. 6A and 6B. This was particularly noticeable in the periphery. On the other hand, in the case of following the first embodiment, as shown in FIG. 5A and FIG. 5B, no unevenness occurred in either the central portion or the peripheral portion. From this, it is considered that there is almost no decrease in crystallinity.

(第2の実験)
第2の実験では、IrOX膜を形成する際の酸素分圧とPZT膜の配向との関係について調査した。ここでは、IrOX膜を形成する際の基板の温度を300℃に設定し、IrOX膜の厚さを20nmとした。この結果を図7に示す。なお、図7の縦軸は、PZT膜の表面における(111)面の積分強度を示している。また、IrOX膜を形成する際に用いたガスはAr及びO2のみである。
(Second experiment)
In the second experiment, the relationship between the oxygen partial pressure when forming the IrO x film and the orientation of the PZT film was investigated. Here, the temperature of the substrate when forming the IrO x film was set to 300 ° C., and the thickness of the IrO x film was set to 20 nm. The result is shown in FIG. In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 7 has shown the integrated intensity | strength of the (111) plane in the surface of a PZT film | membrane. The gases used for forming the IrO x film are only Ar and O 2 .

図7に示すように、酸素分圧が60%の場合には、(111)面の積分強度が低かった。これは、IrOX膜中の酸素の量が多く、MOCVDチャンバ内でのIrOX膜の還元が不足したためであると考えられる。 As shown in FIG. 7, when the oxygen partial pressure was 60%, the integrated intensity of the (111) plane was low. This is presumably because the amount of oxygen in the IrO x film was large and the reduction of the IrO x film in the MOCVD chamber was insufficient.

(第3の実験)
第3の実験では、IrOX膜を形成する際の酸素分圧とIrOX膜の結晶性との関係について調査した。ここでも、IrOX膜を形成する際の基板の温度を300℃に設定し、IrOX膜の厚さを20nmとした。これらの結果を図8A乃至図8Cに示す。
(Third experiment)
In a third experiment, it was investigated the relationship between the crystallinity of the oxygen partial pressure and the IrO X film for forming the IrO X film. Again, the substrate temperature when forming the IrO x film was set to 300 ° C., and the thickness of the IrO x film was set to 20 nm. These results are shown in FIGS. 8A to 8C.

図8A乃至図8Cに示すように、酸素分圧が50%以下の場合、IrOX膜の表面は、(200)面及び(110)面の双方に配向した。また、酸素分圧が低くなるほど、(110)面への配向が強くなり、(200)面への配向が弱くなった。但し、酸素分圧が低過ぎると、IrOXの結晶が不安定になって、MOCVDチャンバ内で異常酸化が発生する虞がある。第2及び第3の実験の結果から、IrOX膜を形成する際の酸素分圧は、20%乃至50%にすることが望ましい。この範囲内であれば、図8A乃至図8Cに示すように、(200)面への配向強度は、(110)面への配向強度の10倍以下となり、これらの相違が小さくなる。 As shown in FIGS. 8A to 8C, when the oxygen partial pressure was 50% or less, the surface of the IrO x film was oriented in both the (200) plane and the (110) plane. Moreover, the lower the oxygen partial pressure, the stronger the orientation to the (110) plane and the weaker the orientation to the (200) plane. However, if the oxygen partial pressure is too low, the IrO x crystal becomes unstable, and abnormal oxidation may occur in the MOCVD chamber. From the results of the second and third experiments, the oxygen partial pressure when forming the IrO x film is desirably 20% to 50%. Within this range, as shown in FIGS. 8A to 8C, the orientation strength to the (200) plane is not more than 10 times the orientation strength to the (110) plane, and these differences are reduced.

なお、図示しないが、酸素分圧を60%とした場合には、(200)面への配向のみが確認され、(110)面への配向は確認できなかった。   Although not shown, when the oxygen partial pressure was 60%, only the orientation to the (200) plane was confirmed, and the orientation to the (110) plane could not be confirmed.

(第4の実験)
第4の実験では、IrOX膜を形成する際の基板温度とPZT膜の配向との関係について調査した。ここでは、IrOX膜を形成する際の酸素分圧を30%とし、IrOX膜の厚さを20nmとした。この結果を図9に示す。
(Fourth experiment)
In the fourth experiment, the relationship between the substrate temperature when forming the IrO x film and the orientation of the PZT film was investigated. Here, the oxygen partial pressure when forming the IrO x film was 30%, and the thickness of the IrO x film was 20 nm. The result is shown in FIG.

図9に示すように、基板温度を300℃とした場合に、(111)面への配向強度が最も強くなった。一方、基板温度を400℃とした場合には、若干配向強度が低下した。これは、IrOX膜に既に若干の異常成長があるためであると考えられる。また、基板温度を50℃以下とした場合には、結晶化したIrOX膜を形成することができず、MOCVDチャンバ内で結晶化することとなる。このため、図9に示すように、異常酸化が生じて、PZT膜の(111)面への配向が弱くなった。この結果より、IrOX膜を形成する際の基板温度は300℃とすることが最も望ましい。 As shown in FIG. 9, when the substrate temperature was 300 ° C., the orientation strength toward the (111) plane was the strongest. On the other hand, when the substrate temperature was 400 ° C., the orientation strength slightly decreased. This is presumably because the IrO x film already has some abnormal growth. When the substrate temperature is 50 ° C. or lower, the crystallized IrO x film cannot be formed and is crystallized in the MOCVD chamber. For this reason, as shown in FIG. 9, abnormal oxidation occurred and the orientation of the PZT film toward the (111) plane was weakened. From this result, it is most desirable that the substrate temperature when forming the IrO x film is 300 ° C.

(第5の実験)
第5の実験では、IrOX膜の厚さとPZT膜の配向との関係について調査した。ここでは、IrOX膜を形成する際の酸素分圧を30%とし、基板温度を300℃とした。この結果を図10に示す。なお、図10中の中央部は、ウェハの中央部で測定した結果を示し、上端部は、オリエンテーションフラットを基準とした上端部で測定した結果を示し、右端部は、オリエンテーションフラットを基準とした右端部で測定した結果を示している。
(Fifth experiment)
In the fifth experiment, the relationship between the thickness of the IrO x film and the orientation of the PZT film was investigated. Here, the oxygen partial pressure when forming the IrO x film was 30%, and the substrate temperature was 300 ° C. The result is shown in FIG. In addition, the center part in FIG. 10 shows the result measured at the center part of the wafer, the upper end part shows the result measured at the upper end part based on the orientation flat, and the right end part is based on the orientation flat. The measurement result at the right end is shown.

図10に示すように、IrOX膜が厚くなるほど、PZT膜の(111)面への配向が弱くなった。これは、IrOX膜の全体が還元されないことがあるためであると考えられる。このため、IrOX膜の厚さは、40nm以下とすることが望ましい。但し、5nm以下の非常に薄いIrOX膜を再現性良く形成することも困難である。 As shown in FIG. 10, the thicker the IrO x film, the weaker the orientation of the PZT film toward the (111) plane. This is presumably because the entire IrO x film may not be reduced. For this reason, the thickness of the IrO x film is desirably 40 nm or less. However, it is difficult to form a very thin IrO x film of 5 nm or less with good reproducibility.

(第6の実験)
第6の実験では、第1の実施形態に倣って形成したPZT膜の配向の再現性について調査した。ここでは、IrOX膜を形成する際の酸素分圧を30%とし、基板温度を300℃とし、IrOX膜の厚さを20nmとした。そして、PZT膜の形成を25枚のウェハに対して行った。この結果を図11Aに示す。また、図11Bは、IrOX膜を形成せずにIr膜上に形成したPZT膜の配向の再現性を示すグラフである。
(Sixth experiment)
In the sixth experiment, the reproducibility of the orientation of the PZT film formed according to the first embodiment was investigated. Here, the oxygen partial pressure when forming the IrO x film was 30%, the substrate temperature was 300 ° C., and the thickness of the IrO x film was 20 nm. Then, PZT films were formed on 25 wafers. The result is shown in FIG. 11A. FIG. 11B is a graph showing the reproducibility of the orientation of the PZT film formed on the Ir film without forming the IrO x film.

図11Aに示すように、第1の実施形態に倣った場合には、再現性が極めて高くなった。一方、IrOX膜を形成しなかった場合には、図11Bに示すように、(111)面への配向のばらつきが大きくなった。 As shown in FIG. 11A, when the first embodiment was followed, reproducibility was extremely high. On the other hand, when the IrO x film was not formed, as shown in FIG. 11B, the variation in orientation to the (111) plane became large.

なお、下部電極膜に関し、特許文献1には、TiN膜上にTi膜及びPt膜が順次形成された構造、TiN膜上にTi膜、Pt膜及びSRO膜が順次形成された構造、TiN膜上にTi膜、Ir膜及びIrO2膜が順次形成された構造、TiN膜上にTiAlN膜、Ir膜及びIrO2が順次形成された構造が記載されている。また、特許文献2には、Ir上にIrOX膜、PtOX膜及びPt膜が順次形成された構造が記載されている。また、特許文献3には、Ir膜及び/又は酸化イリジウム膜からなる下部電極が記載されている。また、特許文献4には、Ir膜上にIrO2膜が形成された構造が記載されている。しかしながら、いずれの文献にも、最上部に位置する膜が結晶化していることは開示されていない。 Regarding the lower electrode film, Patent Document 1 discloses a structure in which a Ti film and a Pt film are sequentially formed on a TiN film, a structure in which a Ti film, a Pt film, and an SRO film are sequentially formed on a TiN film, and a TiN film. A structure in which a Ti film, an Ir film, and an IrO 2 film are sequentially formed thereon is described, and a structure in which a TiAlN film, an Ir film, and IrO 2 are sequentially formed on the TiN film is described. Patent Document 2 describes a structure in which an IrO x film, a PtO x film, and a Pt film are sequentially formed on Ir. Patent Document 3 describes a lower electrode made of an Ir film and / or an iridium oxide film. Patent Document 4 describes a structure in which an IrO 2 film is formed on an Ir film. However, none of the documents discloses that the uppermost film is crystallized.

また、特許文献1に記載の方法では、IrOX膜及びIr膜の厚さを30nmとすることが記載されているが、この場合、IrOX膜が薄すぎて、剥離が生じる虞がある。また、PZT膜の(111)面への配向は非常に弱くなり、スイッチング電荷量も低くなる。特許文献2に記載の方法では、強誘電体膜の直下がPt膜となっているため、異常酸化の問題が残ったままである。更に、強誘電体膜としてMOCVD法によってPZT膜を形成する場合には、PtとPbとが反応してPbPtが生成され、強誘電体キャパシタの電気特性が大きく低下する。また、特許文献3又は4に記載の方法では、強誘電体膜の直下の膜が結晶化しておらず、PZT膜が(111)面に配向しにくい。このことは、特許文献4の図3からも明らかである。 Further, in the method described in Patent Document 1, it is described that the thickness of the IrO x film and the Ir film is set to 30 nm. In this case, however, the IrO x film is too thin and there is a possibility that peeling occurs. Further, the orientation of the PZT film to the (111) plane is very weak, and the switching charge amount is also low. In the method described in Patent Document 2, the problem of abnormal oxidation remains because the Pt film is directly under the ferroelectric film. Further, when a PZT film is formed as a ferroelectric film by MOCVD, Pt and Pb react to generate PbPt, and the electrical characteristics of the ferroelectric capacitor are greatly deteriorated. In the method described in Patent Document 3 or 4, the film immediately below the ferroelectric film is not crystallized, and the PZT film is difficult to be oriented in the (111) plane. This is also apparent from FIG.

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。   Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.

(付記1)
半導体基板の上方に貴金属膜を形成する工程と、
前記貴金属膜上に、結晶化した貴金属酸化膜を形成する工程と、
前記貴金属酸化膜を還元する工程と、
前記貴金属酸化膜を還元したまま、その上に強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に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。
(Appendix 1)
Forming a noble metal film above the semiconductor substrate;
Forming a crystallized noble metal oxide film on the noble metal film;
Reducing the noble metal oxide film;
Forming a ferroelectric film thereon while reducing the noble metal oxide film;
Forming an electrode on the ferroelectric film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:

(付記2)
前記貴金属酸化膜の厚さを40nm以下とすることを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 2)
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 1, wherein the noble metal oxide film has a thickness of 40 nm or less.

(付記3)
前記貴金属酸化膜として、Ir酸化膜、Rh酸化膜、Pd酸化膜及びRu酸化膜からなる群から選択された膜を形成することを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 3)
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 1 or 2, wherein a film selected from the group consisting of an Ir oxide film, an Rh oxide film, a Pd oxide film, and a Ru oxide film is formed as the noble metal oxide film.

(付記4)
前記貴金属膜として、Ir膜、Rh膜、Pd膜及びRu膜からなる群から選択された膜を形成することを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 4)
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 3, wherein a film selected from the group consisting of an Ir film, an Rh film, a Pd film, and a Ru film is formed as the noble metal film.

(付記5)
前記貴金属酸化膜として、前記貴金属膜を構成する元素の酸化膜を形成することを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 5)
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an oxide film of an element constituting the noble metal film is formed as the noble metal oxide film.

(付記6)
前記貴金属酸化膜の厚さを、前記貴金属膜の厚さよりも薄くすることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 6)
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 5, wherein a thickness of the noble metal oxide film is made thinner than a thickness of the noble metal film.

(付記7)
前記貴金属膜を形成する工程の前に、
前記半導体基板上にトランジスタを形成する工程と、
前記半導体基板の上方に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜内に前記トランジスタに接続される導電プラグを形成する工程と、
を有し、
前記貴金属膜を前記導電プラグに電気的に接続することを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 7)
Before the step of forming the noble metal film,
Forming a transistor on the semiconductor substrate;
Forming an interlayer insulating film above the semiconductor substrate;
Forming a conductive plug connected to the transistor in the interlayer insulating film;
Have
7. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 6, wherein the noble metal film is electrically connected to the conductive plug.

(付記8)
前記強誘電体膜をMOCVD法により形成することを特徴とする付記1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 8)
8. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 7, wherein the ferroelectric film is formed by MOCVD.

(付記9)
前記貴金属酸化膜を形成する際に、チャンバ内の酸素分圧を20%乃至50%とすることを特徴とする付記1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 9)
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an oxygen partial pressure in the chamber is set to 20% to 50% when the noble metal oxide film is formed.

(付記10)
前記強誘電体膜を形成する際に、前記強誘電体膜の原料を還元性の溶媒に溶かして用いることを特徴とする付記1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記貴金属酸化膜の還元を前記還元性の溶媒を用いて実行し、そのまま前記還元性の溶媒の供給を継続しながら前記強誘電体膜を形成することを特徴とする付記10に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 10)
10. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 9, wherein when forming the ferroelectric film, the raw material of the ferroelectric film is used by dissolving in a reducing solvent.
(Appendix 11)
11. The semiconductor device according to appendix 10, wherein the noble metal oxide film is reduced using the reducing solvent, and the ferroelectric film is formed while continuing to supply the reducing solvent as it is. Manufacturing method.

(付記12)
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に、形成された貴金属膜と、
前記貴金属膜上に形成され、結晶化した貴金属酸化膜を還元することにより得られた導電膜と、
前記導電膜上に形成された強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成された電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
(Appendix 12)
A semiconductor substrate;
A noble metal film formed above the semiconductor substrate;
A conductive film formed on the noble metal film and obtained by reducing the crystallized noble metal oxide film;
A ferroelectric film formed on the conductive film;
An electrode formed on the ferroelectric film;
A semiconductor device comprising:

本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the ferroelectric memory which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1Aに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 1B is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1A. 図1Bに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1B. 図1Cに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2C is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1C. 図1Dに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2D is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1D. 図1Eに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2E is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1E. 図1Fに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2D is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1F. 図1Gに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1G. 図1Hに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。1H is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the ferroelectric memory, following FIG. 1H. 図1Iに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the ferroelectric memory, following FIG. 1I; 図1Jに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2D is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1J. 図1Kに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2C is a cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1K. 図1Lに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1L. 図1Mに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2C is a cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1M. 図1Nに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。1N is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the ferroelectric memory, following FIG. 1N; 図1Oに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the ferroelectric memory, following FIG. 10. 図1Pに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2D is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 1P. 本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the ferroelectric memory which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図2Aに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 2A. 図2Bに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the ferroelectric memory, following FIG. 2B. 本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the ferroelectric memory based on the 3rd Embodiment of this invention. 図3Aに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 3B is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the ferroelectric memory based on the 4th Embodiment of this invention. 図4Aに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 4B is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the ferroelectric memory, following FIG. 4A. 図4Bに引き続き、強誘電体メモリの製造方法を示す断面図である。FIG. 4B is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the ferroelectric memory, following FIG. 4B. ウェハの中心部におけるPZT膜の表面を示す顕微鏡写真である(IrOX膜あり)。Is a micrograph showing the surface of the PZT film at the center portion of the wafer (with IrO X film). ウェハの周辺部におけるPZT膜の表面を示す顕微鏡写真である(IrOX膜あり)。Is a micrograph showing the surface of the PZT film in the peripheral portion of the wafer (with IrO X film). ウェハの中心部におけるPZT膜の表面を示す顕微鏡写真である(IrOX膜なし)。Is a micrograph showing the surface of the PZT film at the center portion of the wafer (without IrO X film). ウェハの周辺部におけるPZT膜の表面を示す顕微鏡写真である(IrOX膜なし)。Is a micrograph showing the surface of the PZT film in the peripheral portion of the wafer (without IrO X film). IrOX膜を形成する際の酸素分圧とPZT膜の配向との関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the orientation of the oxygen partial pressure and the PZT film when forming the IrO X film. 酸素分圧が50%のときのIrOX膜の結晶性を示すグラフである。The oxygen partial pressure is a graph showing the crystallinity of IrO X film when 50%. 酸素分圧が30%のときのIrOX膜の結晶性を示すグラフである。The oxygen partial pressure is a graph showing the crystallinity of IrO X film when 30%. 酸素分圧が20%のときのIrOX膜の結晶性を示すグラフである。The oxygen partial pressure is a graph showing the crystallinity of IrO X film at 20%. IrOX膜を形成する際の基板温度とPZT膜の配向との関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the orientation of the substrate temperature and the PZT film when forming the IrO X film. IrOX膜の厚さとPZT膜の配向との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the orientation of the thickness and the PZT film of IrO X film. PZT膜の配向の再現性を示すグラフである(IrOX膜あり)。It is a graph showing the repeatability of the orientation of the PZT film (with IrO X film). PZT膜の配向の再現性を示すグラフである(IrOX膜なし)。It is a graph showing the repeatability of the orientation of the PZT film (without IrO X film).

符号の説明Explanation of symbols

23:Ir膜
24:IrOX
24a:Ir膜
25:PZT膜
33:上部電極
34:下部電極
23: Ir film 24: IrO x film 24a: Ir film 25: PZT film 33: Upper electrode 34: Lower electrode

Claims (10)

半導体基板の上方に貴金属膜を形成する工程と、
前記貴金属膜上に、結晶化した貴金属酸化膜をスパッタ法により形成する工程と、
前記貴金属酸化膜を還元する工程と、
前記貴金属酸化膜を還元したまま、その上に強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に電極を形成する工程と、
を有し、
前記貴金属酸化膜として、Ir酸化膜、Rh酸化膜、Pd酸化膜及びRu酸化膜からなる群から選択された一つの膜を形成し、
前記貴金属膜として、Ir膜、Rh膜、Pd膜及びRu膜からなる群から選択された一つの膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a noble metal film above the semiconductor substrate;
Forming a crystallized noble metal oxide film on the noble metal film by sputtering;
Reducing the noble metal oxide film;
Forming a ferroelectric film thereon while reducing the noble metal oxide film;
Forming an electrode on the ferroelectric film;
I have a,
Forming one film selected from the group consisting of an Ir oxide film, an Rh oxide film, a Pd oxide film, and a Ru oxide film as the noble metal oxide film;
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein one film selected from the group consisting of an Ir film, an Rh film, a Pd film, and a Ru film is formed as the noble metal film .
前記貴金属酸化膜の厚さを40nm以下とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the noble metal oxide film has a thickness of 40 nm or less. 前記貴金属酸化膜として、前記貴金属膜を構成する元素の酸化膜を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an oxide film of an element constituting the noble metal film is formed as the noble metal oxide film. 前記貴金属酸化膜の厚さを、前記貴金属膜の厚さよりも薄くすることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 Manufacturing method of the thickness of the noble metal oxide film, a semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that thinner than the thickness of the noble metal film. 前記貴金属膜を形成する工程の前に、
前記半導体基板上にトランジスタを形成する工程と、
前記半導体基板の上方に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜内に前記トランジスタに接続される導電プラグを形成する工程と、
を有し、
前記貴金属膜を前記導電プラグに電気的に接続することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
Before the step of forming the noble metal film,
Forming a transistor on the semiconductor substrate;
Forming an interlayer insulating film above the semiconductor substrate;
Forming a conductive plug connected to the transistor in the interlayer insulating film;
Have
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that connecting the noble metal film electrically to the conductive plug.
前記強誘電体膜をMOCVD法により形成することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that formed by the MOCVD method the ferroelectric film. 前記貴金属酸化膜を形成する際に、チャンバ内の酸素分圧を20%乃至50%とすることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 Wherein in forming the noble metal oxide layer, a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the oxygen partial pressure in the chamber and 20% to 50%. 前記強誘電体膜を形成する際に、前記強誘電体膜の原料を還元性の溶媒に溶かして用いることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 When forming the ferroelectric film, a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, characterized by using melt the material of the ferroelectric film in a reducing solvent . 前記貴金属酸化膜の還元を前記還元性の溶媒を用いて実行し、そのまま前記還元性の溶媒の供給を継続しながら前記強誘電体膜を形成することを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。 9. The semiconductor according to claim 8 , wherein the noble metal oxide film is reduced by using the reducing solvent, and the ferroelectric film is formed while continuing to supply the reducing solvent as it is. Device manufacturing method. 前記貴金属酸化膜の厚さを5nm〜50nmとすることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the 5nm~50nm the thickness of the noble metal oxide layer.
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