JP5549219B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、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.

電源を切っても情報を記憶することができる不揮発性メモリとして、フラッシュメモリや強誘電体メモリが知られている。   Flash memories and ferroelectric memories are known as nonvolatile memories that can store information even when the power is turned off.

このうち、フラッシュメモリは、絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜中に埋め込んだフローティングゲートを有しており、記憶情報を表す電荷をこのフローティングゲートに蓄積することによって情報を記憶する。しかし、このようなフラッシュメモリでは、情報の書き込みや消去の際に、ゲート絶縁膜にトンネル電流を流す必要があり、比較的高い電圧が必要であるという欠点がある。   Among these, the flash memory has a floating gate embedded in a gate insulating film of an insulated gate field effect transistor, and stores information by accumulating charges representing stored information in the floating gate. However, such a flash memory has a drawback that a tunnel current needs to flow through the gate insulating film when writing or erasing information, and a relatively high voltage is required.

これに対し、強誘電体メモリは、FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)とも呼ばれ、強誘電体材料からなるキャパシタ誘電体膜のヒステリシス特性を利用して情報を記憶する。そのキャパシタ誘電体膜は、キャパシタの上部電極と下部電極との間に印加される電圧に応じて分極を生じ、その電圧を取り去っても自発分極が残留する。印加電圧の極性を反転すると、この自発分極も反転し、その自発分極の向きを「1」、「0」に対応させることで、キャパシタ誘電体膜に情報が書き込まれる。この書き込みに必要な電圧はフラッシュメモリにおけるよりも低く、また、フラッシュメモリよりも高速で書き込みができるという利点がFeRAMにはある。   On the other hand, the ferroelectric memory is also called FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory), and stores information using the hysteresis characteristic of a capacitor dielectric film made of a ferroelectric material. The capacitor dielectric film is polarized in accordance with the voltage applied between the upper electrode and the lower electrode of the capacitor, and the spontaneous polarization remains even if the voltage is removed. When the polarity of the applied voltage is reversed, this spontaneous polarization is also reversed, and information is written to the capacitor dielectric film by making the direction of the spontaneous polarization correspond to “1” and “0”. FeRAM has the advantage that the voltage required for the writing is lower than that in the flash memory and that writing can be performed at a higher speed than the flash memory.

特開2006−5152号公報JP 2006-5152 A 特開平10−247724号公報JP-A-10-247724 特開平9−260614号公報JP-A-9-260614

半導体装置の製造方法において、強誘電体キャパシタのキャパシタ誘電体膜がダメージを受けるのを抑制することを目的とする。   An object of the manufacturing method of a semiconductor device is to suppress damage to a capacitor dielectric film of a ferroelectric capacitor.

以下の開示の一観点によれば、半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上に、第1の導電膜、強誘電体膜、及び第2の導電膜をこの順に形成する工程と、前記第2の導電膜をエッチングして強誘電体キャパシタの上部電極にする工程と、前記強誘電体膜をパターニングして前記強誘電体キャパシタのキャパシタ誘電体膜にする工程と、前記第1の導電膜をエッチングして前記強誘電体キャパシタの下部電極にする工程とを有し、前記第2の導電膜をエッチングする工程は、ハロゲンガスを含む第1のエッチングガスにより前記第2の導電膜を途中の深さまでエッチングする第1の工程と、前記第1の工程の後、酸素ガスを含み且つハロゲンを含まない第2のエッチングガスを用いて、前記第2の導電膜の残りをエッチングする第2の工程とを有し、前記第2の導電膜をエッチングする工程において、前記上部電極の横に前記強誘電体膜が露出したときに、エッチング雰囲気が、酸素ガスを含み且つハロゲンを含まない雰囲気となっている半導体装置の製造方法が提供される。また、以下の開示の他の観点によれば、半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上に、第1の導電膜、強誘電体膜、及び第2の導電膜をこの順に形成する工程と、前記第2の導電膜をエッチングして強誘電体キャパシタの上部電極にする工程と、前記強誘電体膜をパターニングして前記強誘電体キャパシタのキャパシタ誘電体膜にする工程と、前記第1の導電膜をエッチングして前記強誘電体キャパシタの下部電極にする工程とを有し、前記第2の導電膜をエッチングする工程は、酸素ガスを含み且つハロゲンを含まないエッチングガスにより前記第2の導電膜を途中の深さまでエッチングする第1の工程と、前記第1の工程の後、前記エッチングガスにおける前記酸素ガスの流量比を前記第1の工程における前記酸素ガスの流量比よりも高めて、前記第2の導電膜の残りをエッチングする第2の工程とを有し、前記第2の導電膜をエッチングする工程において、前記上部電極の横に前記強誘電体膜が露出したときに、エッチング雰囲気が、酸素ガスを含み且つハロゲンを含まない雰囲気となっている半導体装置の製造方法が提供される。 According to one aspect of the disclosure below, a step of forming an insulating film over a semiconductor substrate, and a first conductive film, a ferroelectric film, and a second conductive film are formed in this order on the insulating film. forming a step of the upper electrode of the ferroelectric capacitor of the previous SL second conductive film is etched by patterning the previous SL ferroelectric film to the capacitor dielectric film of the ferroelectric capacitor And a step of etching the first conductive film to form a lower electrode of the ferroelectric capacitor. The step of etching the second conductive film includes a first etching gas containing a halogen gas. The first step of etching the second conductive film to a halfway depth by the second step, and after the first step, using the second etching gas containing oxygen gas and not containing halogen, Etching the rest of the conductive film And a second step that, in the step of etching the second conductive film, when the ferroelectric film next to the upper electrode is exposed, the etching atmosphere, an and halogen containing oxygen gas Provided is a method for manufacturing a semiconductor device which does not include an atmosphere. According to another aspect of the disclosure below, a step of forming an insulating film above a semiconductor substrate, and a first conductive film, a ferroelectric film, and a second conductive film on the insulating film Are formed in this order, the second conductive film is etched to form an upper electrode of a ferroelectric capacitor, and the ferroelectric film is patterned to form a capacitor dielectric film of the ferroelectric capacitor. And a step of etching the first conductive film to form a lower electrode of the ferroelectric capacitor, and the step of etching the second conductive film contains oxygen gas and contains halogen A first step of etching the second conductive film to an intermediate depth with a non-etching gas, and after the first step, the flow rate ratio of the oxygen gas in the etching gas is set to the oxygen in the first step. Ga And a second step of etching the remaining portion of the second conductive film, and in the step of etching the second conductive film, the ferroelectric material beside the upper electrode. Provided is a method for manufacturing a semiconductor device in which an etching atmosphere is an atmosphere containing oxygen gas and not containing halogen when the film is exposed.

以下の開示によれば、上部電極の横に強誘電体膜が露出したとき、該強誘電体膜がハロゲンに曝されないので、ハロゲンが原因でキャパシタ誘電体膜が劣化するのを抑制することが可能となる。   According to the following disclosure, when the ferroelectric film is exposed beside the upper electrode, the ferroelectric film is not exposed to the halogen, so that the deterioration of the capacitor dielectric film due to the halogen can be suppressed. It becomes possible.

図1は、調査に使用したFeRAMの平面図である。FIG. 1 is a plan view of the FeRAM used for the investigation. 図2(a)〜(c)は、調査に使用したFeRAMの製造途中の断面図(その1)である。2A to 2C are cross-sectional views (part 1) in the middle of manufacturing the FeRAM used for the investigation. 図3は、調査に使用したFeRAMの製造途中の断面図(その2)である。FIG. 3 is a cross-sectional view (part 2) in the middle of manufacturing the FeRAM used for the investigation. 図4は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その1)である。FIG. 4 is a cross-sectional view (part 1) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing. 図5は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その2)である。FIG. 5 is a cross-sectional view (part 2) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacture. 図6は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その3)である。FIG. 6 is a cross-sectional view (part 3) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacture. 図7は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その4)である。FIG. 7 is a cross-sectional view (part 4) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacture. 図8は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その5)である。FIG. 8 is a cross-sectional view (part 5) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacture. 図9は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その6)である。FIG. 9 is a cross-sectional view (No. 6) of the semiconductor device according to the present embodiment in the middle of manufacture. 図10は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その7)である。FIG. 10 is a cross-sectional view (No. 7) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing. 図11は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その8)である。FIG. 11 is a cross-sectional view (No. 8) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment. 図12は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その9)である。FIG. 12 is a sectional view (No. 9) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to this embodiment. 図13は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その10)である。FIG. 13 is a cross-sectional view (part 10) of the semiconductor device according to the present embodiment in the middle of manufacture. 図14は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その11)である。FIG. 14 is a cross-sectional view (No. 11) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment. 図15は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その12)である。FIG. 15 is a cross-sectional view (No. 12) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing. 図16は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その13)である。FIG. 16 is a cross-sectional view (No. 13) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing. 図17は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その14)である。FIG. 17 is a cross-sectional view (No. 14) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing. 図18は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その15)である。FIG. 18 is a cross-sectional view (No. 15) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing. 図19は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の平面図(その1)である。FIG. 19 is a plan view (part 1) of the semiconductor device according to the present embodiment in the middle of manufacture. 図20は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の平面図(その2)である。FIG. 20 is a plan view (part 2) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacture. 図21は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の平面図(その3)である。FIG. 21 is a plan view (part 3) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing. 図22は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の平面図(その4)である。FIG. 22 is a plan view (part 4) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacture. 図23は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の平面図(その5)である。FIG. 23 is a plan view (part 5) of the semiconductor device according to this embodiment in the middle of manufacture. 図24は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の平面図(その6)である。FIG. 24 is a plan view (part 6) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing. 図25は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の平面図(その7)である。FIG. 25 is a plan view (No. 7) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing. 図26は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の平面図(その8)である。FIG. 26 is a plan view (No. 8) of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing.

本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が行った調査について説明する。   Prior to the description of the present embodiment, an investigation conducted by the present inventor will be described.

図1は、この調査で使用したFeRAMの平面図である。   FIG. 1 is a plan view of the FeRAM used in this investigation.

このFeRAMは、シリコン基板100と、その上方に形成されたストライプ状の下部電極101a、強誘電体膜102a、及び上部電極103aとを有する。   This FeRAM has a silicon substrate 100 and a striped lower electrode 101a, a ferroelectric film 102a, and an upper electrode 103a formed thereabove.

このうち、上部電極103aは、島状の平面形状を有しており、ストライプ状のキャパシタ誘電体膜102aの上に複数形成される。これらの上部電極103aに対応して各強誘電体キャパシタQが形成され、各キャパシタQにおいては下部電極101aが共有される。このような構造のFeRAMはプレーナ型のFeRAMとも呼ばれる。   Among these, the upper electrode 103a has an island-like planar shape, and a plurality of upper electrodes 103a are formed on the striped capacitor dielectric film 102a. Each ferroelectric capacitor Q is formed corresponding to the upper electrode 103a, and the lower electrode 101a is shared by each capacitor Q. The FeRAM having such a structure is also called a planar type FeRAM.

図2〜図3は、プレーナ型のFeRAMの製造途中の断面図であって、図1のA−A線に沿う断面図に相当する。   2 to 3 are cross-sectional views in the course of manufacturing a planar type FeRAM and correspond to a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

このFeRAMを製造するには、まず、図2(a)に示すように、シリコン基板100の上方に、プラチナ膜等の第1の導電膜101と、PZT膜等の強誘電体膜102と、酸化イリジウム等の第2の導電膜103とをこの順に形成する。   To manufacture this FeRAM, first, as shown in FIG. 2A, a first conductive film 101 such as a platinum film, a ferroelectric film 102 such as a PZT film, A second conductive film 103 such as iridium oxide is formed in this order.

次いで、図2(b)に示すように、ハードマスク104として窒化チタン膜を形成すると共に、その上にレジストパターン105を形成する。   Next, as shown in FIG. 2B, a titanium nitride film is formed as the hard mask 104, and a resist pattern 105 is formed thereon.

このうち、ハードマスク104は、第2の導電膜103の全面にスパッタ法で窒化チタン膜を形成した後、それをレジストパターン105をマスクにしてドライエッチングすることで形成され得る。   Among these, the hard mask 104 can be formed by forming a titanium nitride film on the entire surface of the second conductive film 103 by sputtering and then dry etching the resist pattern 105 as a mask.

次いで、図2(c)に示すように、ハードマスク104とレジストパターン105とをマスクにしながら、RIE(Reactive Ion Etching)により第2導電膜103をドライエッチングし、上部電極103aを形成する。   Next, as shown in FIG. 2C, the second conductive film 103 is dry-etched by RIE (Reactive Ion Etching) using the hard mask 104 and the resist pattern 105 as a mask to form the upper electrode 103a.

本調査では、このエッチングのエッチングガスとして、塩素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを使用した。   In this study, a mixed gas of chlorine gas and argon gas was used as the etching gas for this etching.

そのエッチングガスのスパッタ作用等により、エッチングの最中にレジストパターン105は膜減りし、エッチングが終了した時点ではレジストパターン105は略消失する。   Due to the sputtering action of the etching gas or the like, the resist pattern 105 is reduced during the etching, and the resist pattern 105 substantially disappears when the etching is completed.

また、エッチングの終期においては、隣接する上部電極103aの間に強誘電体膜102が露出し、その強誘電体膜102が塩素を含んだエッチング雰囲気に曝されることになる。そして、その塩素の作用によって、エッチング雰囲気に曝された部分の強誘電体膜102にはダメージ層102xが形成される。   At the end of etching, the ferroelectric film 102 is exposed between the adjacent upper electrodes 103a, and the ferroelectric film 102 is exposed to an etching atmosphere containing chlorine. The damaged layer 102x is formed on the ferroelectric film 102 in the portion exposed to the etching atmosphere by the action of chlorine.

更に、第2の導電膜103のエッチング残渣を残さないように、本工程では第2の導電膜103の膜厚の数10%程度のオーバーエッチングが行われるが、このオーバーエッチングによってもダメージ層102xが形成される。   Further, in this step, overetching of about several tens of percent of the film thickness of the second conductive film 103 is performed so as not to leave an etching residue of the second conductive film 103, but the damage layer 102x is also affected by this overetching. Is formed.

このエッチングが終了後、ウエットエッチングによりハードマスク104を除去する。   After this etching is completed, the hard mask 104 is removed by wet etching.

この後は、図3に示すように、強誘電体膜102と第1の導電膜101をそれぞれ個別にパターニングしてキャパシタ誘電体膜102aと下部電極101aを形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 3, the ferroelectric film 102 and the first conductive film 101 are individually patterned to form a capacitor dielectric film 102a and a lower electrode 101a.

以上により、このFeRAMの基本構造が完成する。   Thus, the basic structure of this FeRAM is completed.

このようなFeRAMの製造方法では、図2(c)に示したように、第2の導電膜103をエッチングする際の塩素ガスやオーバーエッチングが原因で、隣接する上部電極103aの間のキャパシタ誘電体膜102aにダメージ層102xが形成される。   In such a FeRAM manufacturing method, as shown in FIG. 2C, the capacitor dielectric between the adjacent upper electrodes 103a is caused by chlorine gas or over-etching when the second conductive film 103 is etched. A damage layer 102x is formed on the body film 102a.

そのダメージ層102xは、キャパシタ誘電体膜102aの強誘電体特性、例えば残留分極電荷量等を低下させたり、キャパシタ誘電体膜102aのリーク電流を増大させたりするので、高品位な強誘電体キャパシタQを提供する妨げとなる。   The damaged layer 102x reduces the ferroelectric characteristics of the capacitor dielectric film 102a, such as the residual polarization charge amount, and increases the leakage current of the capacitor dielectric film 102a. This hinders the provision of Q.

ここで、オーバーエッチングによるダメージ層102xの形成を防止するため、図2(c)の工程でエッチングガス中における塩素ガスの流量比を高め、強誘電体膜102と第2の導電膜103とのエッチング選択比を高めることも考えられる。   Here, in order to prevent formation of the damaged layer 102x due to overetching, the flow rate ratio of chlorine gas in the etching gas is increased in the step of FIG. 2C, and the ferroelectric film 102 and the second conductive film 103 are separated. It is also conceivable to increase the etching selectivity.

しかし、このように塩素ガスの流量比を高めると、ハードマスク104のエッチング速度が速まるので、エッチングの最中にハードマスク104の外形が不安定となり、上部電極103aの加工精度が低下してしまう。   However, when the flow rate ratio of chlorine gas is increased in this way, the etching rate of the hard mask 104 is increased, so that the outer shape of the hard mask 104 becomes unstable during the etching, and the processing accuracy of the upper electrode 103a is lowered. .

また、塩素ガスによるダメージ層102xの形成を防止するため、図2(c)の工程において、塩素ガスに代えてフッ素化合物ガスを使用することも考えられる。   In order to prevent the formation of the damaged layer 102x by chlorine gas, it is also conceivable to use a fluorine compound gas in place of the chlorine gas in the process of FIG.

しかしながら、フッ素化合物ガスを含むエッチングガスでは、第2の導電膜103と強誘電体膜102とのエッチング選択比が低下するので、強誘電体膜102の上面でエッチングを自動停止させるのが難しくなる。よって、強誘電体膜102の上に第2の導電膜103のエッチング残渣を残さないようにオーバーエッチングをしなければならず、このオーバーエッチングによりやはりダメージ層102xが形成されてしまう。   However, with an etching gas containing a fluorine compound gas, the etching selectivity between the second conductive film 103 and the ferroelectric film 102 is lowered, so that it is difficult to automatically stop the etching on the upper surface of the ferroelectric film 102. . Therefore, overetching must be performed so as not to leave an etching residue of the second conductive film 103 on the ferroelectric film 102, and the damage layer 102x is also formed by this overetching.

このように、本願発明者の調査によって、第2の導電膜103用のエッチングガスに塩素やフッ素化合物等のハロゲンを添加すると、キャパシタ誘電体膜102aの強誘電体特性が劣化することが明らかとなった。このような調査結果に基づき、本願発明者は、以下に説明するような本実施形態に想到した。   As described above, the inventors' investigation reveals that the ferroelectric characteristics of the capacitor dielectric film 102a are deteriorated when halogen such as chlorine or fluorine compound is added to the etching gas for the second conductive film 103. became. Based on such investigation results, the inventor of the present application has arrived at the present embodiment as described below.

(本実施形態)
図4〜図18は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図であり、図19〜図26はその平面図である。
(This embodiment)
4 to 18 are cross-sectional views of the semiconductor device according to the present embodiment during manufacture, and FIGS. 19 to 26 are plan views thereof.

図4〜図18における第1断面は、図19〜図26におけるI−I線に沿う断面に相当する。また、図4〜図18における第2断面は、図19〜図26におけるII−II線に沿う断面に相当する。   The first cross section in FIGS. 4 to 18 corresponds to a cross section taken along line I-I in FIGS. Moreover, the 2nd cross section in FIGS. 4-18 corresponds to the cross section which follows the II-II line in FIGS.

この半導体装置は、いわゆるプレーナ型のFeRAMであって、以下のように作製される。   This semiconductor device is a so-called planar type FeRAM and is manufactured as follows.

まず、図4及び図19に示すように、シリコン(半導体)基板1に素子分離用の溝を形成し、その溝に活性領域を画定する素子分離絶縁膜2として酸化シリコン膜を埋め込む。このような素子分離構造はSTI(Shallow Trench Isolation)と呼ばれるが、これに代えてLOCOS(Local Oxidation of Silicon)により素子分離を行ってもよい。   First, as shown in FIGS. 4 and 19, a trench for element isolation is formed in a silicon (semiconductor) substrate 1, and a silicon oxide film is buried in the trench as an element isolation insulating film 2 that defines an active region. Such an element isolation structure is called STI (Shallow Trench Isolation). Alternatively, element isolation may be performed by LOCOS (Local Oxidation of Silicon).

次いで、活性領域にp型不純物をイオン注入してpウェル3を形成する。   Next, p-type impurities are ion-implanted into the active region to form a p-well 3.

更に、活性領域におけるシリコン基板1を熱酸化することにより、ゲート絶縁膜4となる熱酸化膜を6nm〜7nmの厚さに形成する。   Further, the silicon substrate 1 in the active region is thermally oxidized to form a thermal oxide film to be the gate insulating film 4 with a thickness of 6 nm to 7 nm.

そして、その熱酸化膜の上にCVD法により厚さが約50nmのアモルファスシリコン膜と厚さが約150nmのタングステンシリサイド膜とをこの順に形成し、これらの膜をパターニングしてゲート電極5を形成する。   Then, an amorphous silicon film having a thickness of about 50 nm and a tungsten silicide film having a thickness of about 150 nm are formed in this order on the thermal oxide film by CVD, and the gate electrode 5 is formed by patterning these films. To do.

そのゲート電極5は、pウェル3の上に2つ形成され、その各々はワード線の一部を構成する。   Two gate electrodes 5 are formed on the p-well 3, each of which constitutes a part of a word line.

続いて、ゲート電極5をマスクにし、シリコン基板1にn型不純物をイオン注入して、低濃度の第1及び第2のn型ソース/ドレインエクステンション6a、6bを形成する。   Subsequently, n-type impurities are ion-implanted into the silicon substrate 1 using the gate electrode 5 as a mask to form low-concentration first and second n-type source / drain extensions 6a and 6b.

次いで、シリコン基板1の上側全面に絶縁膜を形成し、その絶縁膜をエッチバックしてゲート電極5の横に絶縁性サイドウォール9を形成する。その絶縁膜として、例えば、CVD法により酸化シリコン膜を約45nmの厚さに形成する。   Next, an insulating film is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 1, and the insulating film is etched back to form an insulating sidewall 9 next to the gate electrode 5. As the insulating film, for example, a silicon oxide film is formed to a thickness of about 45 nm by a CVD method.

そして、この絶縁性サイドウォール9とゲート電極5とをマスクにしてシリコン基板1にn型不純物をイオン注入することにより、高濃度の第1及び第2のn型ソース/ドレイン領域7a、7bを形成する。   Then, by using this insulating sidewall 9 and the gate electrode 5 as a mask, n-type impurities are ion-implanted into the silicon substrate 1 to thereby form the first and second n-type source / drain regions 7a and 7b having a high concentration. Form.

以上により、ゲート電極5、ゲート絶縁膜4、及びn型ソース/ドレイン領域7a、7b等を備えたMOSトランジスタTRが形成されたことになる。   Thus, the MOS transistor TR including the gate electrode 5, the gate insulating film 4, the n-type source / drain regions 7a and 7b, and the like is formed.

その後、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を形成し、それを加熱してシリコンと反応させ、コバルトシリサイド層等の高融点金属シリサイド層8を形成する。   Thereafter, a cobalt layer is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 1 by sputtering, and heated to react with silicon to form a refractory metal silicide layer 8 such as a cobalt silicide layer.

次いで、シリコン基板1の上側全面に、CVD法によりカバー絶縁膜10と第1の絶縁膜11とをこの順に形成する。このうち、カバー絶縁膜10としては、厚さ約200nmの酸窒化シリコン(SiON)膜が形成される。また、第1の絶縁膜11としては、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により酸化シリコン膜が約600nmの厚さに形成される。   Next, the cover insulating film 10 and the first insulating film 11 are formed in this order on the entire upper surface of the silicon substrate 1 by the CVD method. Among these, as the cover insulating film 10, a silicon oxynitride (SiON) film having a thickness of about 200 nm is formed. As the first insulating film 11, a silicon oxide film is formed to a thickness of about 600 nm by a plasma CVD method using TEOS gas.

その後に、第1の絶縁膜11の上面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により約200nmの厚さだけ研磨して平坦化する。   Thereafter, the upper surface of the first insulating film 11 is polished and planarized by a thickness of about 200 nm by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.

次いで、図5に示すように、第1の絶縁膜11の上にキャップ絶縁膜13として酸化シリコン膜を100nm程度の厚さに形成し、上記のCMPの際に第1の絶縁膜11の表面に付いた微細な傷をキャップ絶縁膜13で埋め込む。   Next, as shown in FIG. 5, a silicon oxide film is formed as a cap insulating film 13 on the first insulating film 11 to a thickness of about 100 nm, and the surface of the first insulating film 11 is subjected to the CMP. The fine scratches attached to are buried with the cap insulating film 13.

このキャップ絶縁膜13は、例えばTEOSガスを使用するプラズマCVD法により形成される。   The cap insulating film 13 is formed by, for example, a plasma CVD method using TEOS gas.

そして、このキャップ絶縁膜13に含まれる水分を脱水するために、基板温度約650℃、処理時間約30分の条件で、窒素雰囲気中においてキャップ絶縁膜13に対してアニールを行う。   Then, in order to dehydrate moisture contained in the cap insulating film 13, the cap insulating film 13 is annealed in a nitrogen atmosphere under conditions of a substrate temperature of about 650 ° C. and a processing time of about 30 minutes.

更に、このキャップ絶縁膜13の上に密着層14としてアルミナ(Al2O3)膜をスパッタ法で厚さ約20nmに形成する。 Further, an alumina (Al 2 O 3 ) film is formed on the cap insulating film 13 as an adhesion layer 14 to a thickness of about 20 nm by sputtering.

この密着層14の形成後に酸素雰囲気中においてアニールを行ってもよい。そのアニールは、例えばRTA装置において基板温度約650℃、処理時間約60分の条件で行われる。   Annealing may be performed in an oxygen atmosphere after the formation of the adhesion layer 14. The annealing is performed, for example, under conditions of a substrate temperature of about 650 ° C. and a processing time of about 60 minutes in an RTA apparatus.

次に、図6と図20に示す構造を得るまでの工程について説明する。   Next, steps required until a structure shown in FIGS.

まず、密着層14の上に、スパッタ法でプラチナ膜を厚さ約155nmに形成し、そのプラチナ膜を第1の導電膜20とする。なお、プラチナ膜に代えて、イリジウム膜を第1の導電膜20として形成してもよい。   First, a platinum film having a thickness of about 155 nm is formed on the adhesion layer 14 by sputtering, and the platinum film is used as the first conductive film 20. Note that an iridium film may be formed as the first conductive film 20 instead of the platinum film.

続いて、第1の導電膜20の上にPZT膜をスパッタ法で150nm〜200nmの厚さに形成し、そのPZT膜を強誘電体膜21とする。なお、必要に応じてPZT膜にカルシウムやストロンチウムを添加してもよい。   Subsequently, a PZT film is formed on the first conductive film 20 to a thickness of 150 nm to 200 nm by sputtering, and the PZT film is used as the ferroelectric film 21. If necessary, calcium or strontium may be added to the PZT film.

このようにスパッタ法で形成された強誘電体膜21はアモルファス状態であり、強誘電体特性に乏しい。   Thus, the ferroelectric film 21 formed by the sputtering method is in an amorphous state and has poor ferroelectric characteristics.

そこで、酸素とアルゴンとの混合雰囲気中において、基板温度約585℃、処理時間90秒の条件で強誘電体膜21に対してRTA(Rapid Thermal Annealing)を行い、強誘電体膜21を結晶化して(111)方向に配向させる。このときの酸素の流量は、例えば0.025リットル/分とされる。このような、アニールは結晶化アニールとも呼ばれる。   Therefore, in a mixed atmosphere of oxygen and argon, RTA (Rapid Thermal Annealing) is performed on the ferroelectric film 21 under conditions of a substrate temperature of about 585 ° C. and a processing time of 90 seconds to crystallize the ferroelectric film 21. To be oriented in the (111) direction. The flow rate of oxygen at this time is, for example, 0.025 liter / min. Such annealing is also called crystallization annealing.

なお、強誘電体膜21はPZT膜に限定されない。PZTに代えて、PLZT、SrBi2Ta2O9、Bi4Ti3O9、Bi0.25La0.75Ti3O12、及びBaBi2Ta2O9のいずれかの強誘電体材料を強誘電体膜21の材料として使用してもよい。 The ferroelectric film 21 is not limited to the PZT film. Instead of PZT, any ferroelectric material of PLZT, SrBi 2 Ta 2 O 9 , Bi 4 Ti 3 O 9 , Bi 0.25 La 0.75 Ti 3 O 12 , and BaBi 2 Ta 2 O 9 is used as a ferroelectric film. 21 materials may be used.

更に、強誘電体膜21の成膜方法もスパッタ法に限定されず、有機金属化学気相堆積法(MOCVD: Metal Organic CVD)やゾル・ゲル法で強誘電体膜21を形成してもよい。   Further, the method of forming the ferroelectric film 21 is not limited to the sputtering method, and the ferroelectric film 21 may be formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or sol-gel method. .

続いて、強誘電体膜21の上に、第2の導電膜22として酸化イリジウム(IrO2)膜をスパッタ法で形成する。 Subsequently, an iridium oxide (IrO 2 ) film is formed as a second conductive film 22 on the ferroelectric film 21 by a sputtering method.

その第2の導電膜22は2ステップで形成され、第1のステップではスパッタ法により第1の酸化イリジウム膜が約50nmの厚さに形成される。そして、この第1の酸化イリジウム膜に対し、酸素流量約0.025リットル/分、基板温度約725℃、処理時間20秒の条件でアニールを行う。その後に、第1の酸化イリジウム膜の上にスパッタ法で第2の酸化イリジウム膜を約200nmの厚さに形成する。   The second conductive film 22 is formed in two steps. In the first step, a first iridium oxide film is formed to a thickness of about 50 nm by sputtering. Then, the first iridium oxide film is annealed under the conditions of an oxygen flow rate of about 0.025 l / min, a substrate temperature of about 725 ° C., and a processing time of 20 seconds. Thereafter, a second iridium oxide film is formed on the first iridium oxide film by sputtering to a thickness of about 200 nm.

なお、酸化イリジウムに代えて、プラチナ、ルテニウム、ロジウム、レニウム、オスミウム、パラジウム、及びSrRuO3のいずれかを第2の導電膜22の材料として使用してもよい。 Note that any one of platinum, ruthenium, rhodium, rhenium, osmium, palladium, and SrRuO 3 may be used as the material of the second conductive film 22 instead of iridium oxide.

その後に、図7に示すように、第2の導電膜22の上にマスク材料膜23としてスパッタ法により窒化チタン(TiN)膜を20nm〜40nm程度の厚さに形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 7, a titanium nitride (TiN) film is formed as a mask material film 23 on the second conductive film 22 by a sputtering method to a thickness of about 20 nm to 40 nm.

そして、図8に示すように、このマスク材料膜23の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第1のレジストパターン25を形成する。   Then, as shown in FIG. 8, a photoresist is applied on the mask material film 23, and it is exposed and developed to form a first resist pattern 25.

続いて、図9と図21に示すように、第1のレジストパターン25をマスクにしながら、RIEによりマスク材料膜23をドライエッチングすることにより、平面形状が島状の複数のハードマスク23aを形成する。   Subsequently, as shown in FIGS. 9 and 21, by using the first resist pattern 25 as a mask, the mask material film 23 is dry-etched by RIE, thereby forming a plurality of hard masks 23a having planar island shapes. To do.

このエッチングにおけるエッチングガスは特に限定されないが、本実施形態ではエッチングガスとして塩素ガスを使用する。   Although the etching gas in this etching is not particularly limited, in this embodiment, chlorine gas is used as the etching gas.

なお、後述のように、ハードマスク23aを形成せずに、第2の導電膜22上に第1のレジストパターン25を直接形成してよい場合もある。   As will be described later, the first resist pattern 25 may be formed directly on the second conductive film 22 without forming the hard mask 23a.

次に、図10に示すように、ハードマスク23aと第1のレジストパターン25とをマスクに用いるRIEにより、第2の導電膜22をドライエッチングする。   Next, as shown in FIG. 10, the second conductive film 22 is dry-etched by RIE using the hard mask 23a and the first resist pattern 25 as a mask.

そのドライエッチングはICP(Inductive Coupled Plasma)型エッチングチャンバ内において2ステップで行われ、最初の第1のステップでは、図10のように第2の導電膜22を途中の深さまでエッチングする。   The dry etching is performed in two steps in an ICP (Inductive Coupled Plasma) type etching chamber, and in the first first step, the second conductive film 22 is etched to an intermediate depth as shown in FIG.

この第1のステップにおけるエッチングガスは特に限定されないが、例えば、酸素ガスと不活性ガスからなるガスをエッチングガスとして使用し得る。このうち、酸素ガスの流量は、例えば0sccm〜10sccmとされる。また、不活性ガスとしては、流量が40sccm〜50sccmのアルゴンガスを使用し得る。   Although the etching gas in this 1st step is not specifically limited, For example, the gas which consists of oxygen gas and an inert gas can be used as etching gas. Of these, the flow rate of the oxygen gas is, for example, 0 sccm to 10 sccm. As the inert gas, argon gas having a flow rate of 40 sccm to 50 sccm can be used.

そのエッチングガスは、チャンバに設けられたコイルに高周波電力を供給することでプラズマ化される。その高周波電力は、例えばパワーが1400W、周波数が13.56MHzである。   The etching gas is turned into plasma by supplying high-frequency power to a coil provided in the chamber. The high-frequency power has, for example, a power of 1400 W and a frequency of 13.56 MHz.

また、チャンバ内においてシリコン基板1が載置されるステージには、パワーが800Wで周波数が400kHzの高周波電力が印加され、これによりプラズマ化したエッチングガスがシリコン基板1側に引き込まれる。   In addition, high-frequency power having a power of 800 W and a frequency of 400 kHz is applied to the stage on which the silicon substrate 1 is placed in the chamber, whereby plasmaized etching gas is drawn into the silicon substrate 1 side.

なお、エッチング中のチャンバ内の圧力は0.5Pa〜1.0Pa程度であり、基板温度は約20℃程度である。   The pressure in the chamber during etching is about 0.5 Pa to 1.0 Pa, and the substrate temperature is about 20 ° C.

次に、図11と図22に示すように、第1のステップで使用したICP型エッチングチャンバを引き続き用いて、酸素ガスとアルゴンガスからなるガスをエッチングガスに使用しながら、第2の導電膜22に対するドライエッチングの第2のステップを行う。   Next, as shown in FIGS. 11 and 22, the ICP type etching chamber used in the first step is continuously used, and a gas composed of oxygen gas and argon gas is used as an etching gas while the second conductive film is used. A second step of dry etching for 22 is performed.

本ステップでは、第1のステップにおけるよりもエッチングガス中における酸素の流量比を高め、ハードマスク23aで覆われていない部分の第2の導電膜22の残りをRIEによりエッチングし、複数の上部電極22aを間隔をおいて形成する。   In this step, the flow rate ratio of oxygen in the etching gas is higher than in the first step, and the remainder of the second conductive film 22 that is not covered with the hard mask 23a is etched by RIE, so that the plurality of upper electrodes 22a is formed at intervals.

エッチングガスの流量は特に限定されないが、本実施形態では酸素ガスの流量を25sccm〜40sccm、アルゴンガスの流量を10sccm〜25sccmとする。   The flow rate of the etching gas is not particularly limited, but in this embodiment, the flow rate of oxygen gas is 25 sccm to 40 sccm, and the flow rate of argon gas is 10 sccm to 25 sccm.

なお、そのエッチングガスには、塩素やフッ素等のハロゲンは添加しない。   Note that halogen such as chlorine and fluorine is not added to the etching gas.

また、これ以外のエッチング条件は、第1のステップにおけるのと同一である。   The other etching conditions are the same as those in the first step.

このように第1のステップにおけるよりもエッチングガス中の酸素の流量比を高めることで、本ステップでは強誘電体膜21のエッチング速度が第2の導電膜22のそれよりも遅くなる。これにより、エッチングが強誘電体膜21上で自動的に停止し、オーバーエッチングが原因で強誘電体膜21にダメージ層が形成されるのを抑制することが可能となる。   Thus, by increasing the flow rate ratio of oxygen in the etching gas as compared with the first step, the etching rate of the ferroelectric film 21 is slower than that of the second conductive film 22 in this step. As a result, the etching is automatically stopped on the ferroelectric film 21, and it is possible to suppress the formation of a damaged layer on the ferroelectric film 21 due to over-etching.

更に、エッチングガス中の酸素がハードマスク23aに取り込まれることで、ハードマスク23aのエッチング耐性が向上し、エッチングの途中でハードマスク23aの外形が崩れ難くなり、上部電極22aの加工精度が向上する。   Furthermore, since oxygen in the etching gas is taken into the hard mask 23a, the etching resistance of the hard mask 23a is improved, and the outer shape of the hard mask 23a is not easily broken during the etching, and the processing accuracy of the upper electrode 22a is improved. .

しかも、エッチングガス中にハロゲンが含まれていないので、隣接する上部電極22aの横に露出した強誘電体膜21にハロゲンが原因のダメージ層が形成されることもない。   In addition, since the etching gas contains no halogen, a damage layer caused by halogen is not formed on the ferroelectric film 21 exposed beside the adjacent upper electrode 22a.

なお、第1のレジストパターン25は、エッチングガスのスパッタ作用等により膜減りし、本ステップが終了した時点では略消失する。   Note that the first resist pattern 25 is thinned by the sputtering action of the etching gas or the like, and substantially disappears when this step is completed.

ここで、上記のように強誘電体膜21のダメージを抑制するには、エッチング後に強誘電体膜21が露出する第2のステップにおいてエッチングガスからハロゲンが排除されていればよく、第1のステップではエッチングガス中にハロゲンが添加されていてもよい。   Here, in order to suppress damage to the ferroelectric film 21 as described above, it is sufficient that halogen is excluded from the etching gas in the second step in which the ferroelectric film 21 is exposed after etching. In the step, halogen may be added to the etching gas.

例えば、第1のステップにおいて、流量が約10sccmの塩素ガスと流量が40sccm〜50sccmのアルゴンガスとの混合ガスをエッチングガスに使用してもよい。この場合、第2のステップでは、エッチングガスを酸素ガスとアルゴンガスからなるガスに切り替えることになる。このように切り替えた後の酸素ガスの流量は、例えば25sccm〜40sccmであり、アルゴンガスの流量は例えば10sccm〜25sccmである。   For example, in the first step, a mixed gas of chlorine gas having a flow rate of about 10 sccm and argon gas having a flow rate of 40 sccm to 50 sccm may be used as the etching gas. In this case, in the second step, the etching gas is switched to a gas composed of oxygen gas and argon gas. The flow rate of oxygen gas after such switching is, for example, 25 sccm to 40 sccm, and the flow rate of argon gas is, for example, 10 sccm to 25 sccm.

このように第1のステップで塩素ガスを使用すると、エッチングガスのスパッタ作用に加え、塩素ガスとの化学反応により第2の導電膜22がエッチングされる。そのため、第1のステップで塩素ガスを使用しない場合と比較して、エッチングガスのスパッタ作用を相対的に低減でき、スパッタ作用によって第1のレジストパターン25が膜減りするのを抑制できる。よって、この場合は、ハードマスク23aを省略して第2の導電膜22の上に第1のレジストパターン25を直接形成し、その第1のレジストパターン25のみで第2の導電膜22をパターニングすることが可能となる。   When chlorine gas is used in the first step as described above, the second conductive film 22 is etched by a chemical reaction with chlorine gas in addition to the sputtering action of the etching gas. Therefore, compared with the case where chlorine gas is not used in the first step, the sputtering effect of the etching gas can be relatively reduced, and the first resist pattern 25 can be prevented from being reduced by the sputtering effect. Therefore, in this case, the hard mask 23 a is omitted and the first resist pattern 25 is directly formed on the second conductive film 22, and the second conductive film 22 is patterned only by the first resist pattern 25. It becomes possible to do.

なお、このように第1のステップと第2のステップとに分けずに、第2の導電膜22を一括してエッチングするようにしてもよい。この場合も、エッチングガスとしては酸素ガスとアルゴンガスとを含み、かつハロゲンを含まないガスを使用することで、ハロゲンが原因で強誘電体膜21がダメージを受けるのを防止できる。   Note that the second conductive film 22 may be etched in a lump without dividing into the first step and the second step. Also in this case, it is possible to prevent the ferroelectric film 21 from being damaged due to the halogen by using a gas containing oxygen gas and argon gas and not containing halogen as the etching gas.

その後に、ウエットエッチング等によりハードマスク23aを除去する。そのウエットエッチングでは、例えば、濃度が30w%の過酸化水素水(H2O2)と濃度が30w%の水酸化アンモニウム(NH4OH)溶液との混合溶液よりなるエッチング液が使用される。 Thereafter, the hard mask 23a is removed by wet etching or the like. In the wet etching, for example, an etching solution made of a mixed solution of a hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 ) having a concentration of 30 w% and an ammonium hydroxide (NH 4 OH) solution having a concentration of 30 w% is used.

なお、ハードマスク23aを除去した後に、ここまでの工程で強誘電体膜21が受けたダメージを回復させるために、酸素雰囲気となっている縦型炉中において強誘電体膜21に対してアニールを行ってもよい。   After the hard mask 23a is removed, the ferroelectric film 21 is annealed in a vertical furnace in an oxygen atmosphere in order to recover the damage received by the ferroelectric film 21 in the steps so far. May be performed.

そのアニールは回復アニールと呼ばれ、例えば、基板温度約650℃、酸素流量約20リットル/、処理時間約60分の条件で行われる。   The annealing is called recovery annealing and is performed, for example, under conditions of a substrate temperature of about 650 ° C., an oxygen flow rate of about 20 liters / hour, and a processing time of about 60 minutes.

次に、図12と図23に示すように、強誘電体膜21の上に、複数の上部電極22aの各々を覆うストライプ状の第2のレジストパターン27を形成する。   Next, as shown in FIGS. 12 and 23, a stripe-shaped second resist pattern 27 is formed on the ferroelectric film 21 so as to cover each of the plurality of upper electrodes 22a.

そして、この第1のレジストパターン27をマスクにしながら、RIEにより強誘電体膜21をエッチングして、平面形状がストライプ状のキャパシタ誘電体膜21aを形成する。   Then, while using the first resist pattern 27 as a mask, the ferroelectric film 21 is etched by RIE to form a capacitor dielectric film 21a having a stripe shape in plan view.

このエッチングを終了後、第2のレジストパターン27は除去される。   After the etching is finished, the second resist pattern 27 is removed.

その後に、キャパシタ誘電体膜21aに対する回復アニールとして、縦型炉内において酸素流量約20リットル/分、基板温度約350℃、処理時間約60分の条件でアニールを行う。   Thereafter, as the recovery annealing for the capacitor dielectric film 21a, annealing is performed in a vertical furnace under conditions of an oxygen flow rate of about 20 liters / minute, a substrate temperature of about 350 ° C., and a processing time of about 60 minutes.

なお、回復アニールを行った後、水素等の還元性物質からキャパシタ誘電体膜21aを保護するためのアルミナ膜をシリコン基板1の上側全面に形成してもよい。   After the recovery annealing, an alumina film for protecting the capacitor dielectric film 21a from a reducing substance such as hydrogen may be formed on the entire upper surface of the silicon substrate 1.

続いて、図13と図24に示すように、シリコン基板1の上側全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、ストライプ状の平面形状を有する第3のレジストパターン28を形成する。   Subsequently, as shown in FIGS. 13 and 24, a photoresist is applied to the entire upper surface of the silicon substrate 1, and exposed and developed to form a third resist pattern 28 having a striped planar shape. To do.

更に、この第3のレジストパターン28をマスクにしながら、RIEにより第1の導電膜20をドライエッチングして、平面形状がストライプ状の下部電極20aを形成する。   Further, using the third resist pattern 28 as a mask, the first conductive film 20 is dry-etched by RIE to form a lower electrode 20a having a stripe shape in plan view.

なお、このエッチングでは、第3のレジストパターン28で覆われていない部分の密着層14もエッチングされて除去される。   In this etching, the portion of the adhesion layer 14 not covered with the third resist pattern 28 is also etched away.

その後、第3のレジストパターン28は除去される。   Thereafter, the third resist pattern 28 is removed.

そして、エッチング等によってキャパシタ誘電体膜21aが受けたダメージを回復させるため、酸素含有雰囲気となっている縦型炉において回復アニールを行う。その回復アニールの条件は特に限定されないが、本実施形態では、酸素流量を約20リットル/分、基板温度を約650℃、処理時間を約60分とする。   Then, in order to recover the damage received by the capacitor dielectric film 21a due to etching or the like, recovery annealing is performed in a vertical furnace having an oxygen-containing atmosphere. The conditions for the recovery annealing are not particularly limited, but in this embodiment, the oxygen flow rate is about 20 liters / minute, the substrate temperature is about 650 ° C., and the processing time is about 60 minutes.

ここまでの工程により、下部電極20a、キャパシタ誘電体膜21a、上部電極22aをこの順に積層してなる強誘電体キャパシタQが形成されたことになる。   Through the steps so far, the ferroelectric capacitor Q is formed by laminating the lower electrode 20a, the capacitor dielectric film 21a, and the upper electrode 22a in this order.

その強誘電体キャパシタQは、下部電極20aとキャパシタ誘電体膜21aを共通にして上部電極22a毎に複数形成される。   A plurality of ferroelectric capacitors Q are formed for each upper electrode 22a with the lower electrode 20a and the capacitor dielectric film 21a in common.

次に、図14に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。   Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.

まず、キャパシタQとキャップ絶縁膜13の上に、絶縁性水素バリア膜31としてスパッタ法によりアルミナ膜を厚さ約20nmに形成する。   First, an alumina film having a thickness of about 20 nm is formed on the capacitor Q and the cap insulating film 13 as an insulating hydrogen barrier film 31 by sputtering.

絶縁性酸素バリア膜31の形成後に、縦型炉内でキャパシタQに対して回復アニールを行ってもよい。その回復アニールの条件は、例えば、酸素流量が約20リットル/分、基板温度が約550℃、処理時間が60分である。   After the formation of the insulating oxygen barrier film 31, recovery annealing may be performed on the capacitor Q in a vertical furnace. The conditions for the recovery annealing are, for example, an oxygen flow rate of about 20 liters / minute, a substrate temperature of about 550 ° C., and a processing time of 60 minutes.

次いで、この絶縁性水素バリア膜31の上に、酸素とTEOSガスを反応ガスとして使用するCVD法により酸化シリコン膜を厚さ約1500nmに形成し、その酸化シリコン膜を第2の絶縁膜32とする。   Next, a silicon oxide film having a thickness of about 1500 nm is formed on the insulating hydrogen barrier film 31 by a CVD method using oxygen and TEOS gas as a reaction gas. The silicon oxide film is formed with the second insulating film 32. To do.

TEOSガスには水素が含まれているが、絶縁性水素バリア膜31により水素がキャパシタQに侵入するのが防止され、水素によってキャパシタ誘電体膜21aが還元されてその強誘電体特性が劣化するのを抑制できる。   Although the TEOS gas contains hydrogen, the insulative hydrogen barrier film 31 prevents hydrogen from entering the capacitor Q, and the capacitor dielectric film 21a is reduced by hydrogen and its ferroelectric characteristics deteriorate. Can be suppressed.

その後に、第2の絶縁膜32の上面をCMP法により研磨して平坦化する。   Thereafter, the upper surface of the second insulating film 32 is polished and planarized by the CMP method.

このCMPの後、第2の絶縁膜32の脱水処理と水分の再吸着を防止するために、第2の絶縁膜32に対して基板温度約350℃、処理時間2分の条件でN2Oプラズマ処理を行い、第2の絶縁膜32の表面を窒化する。そのようなN2Oプラズマ処理は、例えばCVD装置を利用して行うことができる。 After this CMP, in order to prevent dehydration and moisture re-adsorption of the second insulating film 32, the second insulating film 32 substrate temperature of about 350 ° C. relative to, N 2 O under the condition of 2 minutes process time Plasma treatment is performed to nitride the surface of the second insulating film 32. Such N 2 O plasma treatment can be performed using, for example, a CVD apparatus.

続いて、図15に示すように、第2の絶縁膜32の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第4のレジストパターン33を形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 15, a photoresist is applied on the second insulating film 32, and it is exposed and developed to form a fourth resist pattern 33.

次いで、第4のレジストパターン33の窓33aを通じて、第1及び第2のn型ソース/ドレイン領域7a、7b上の各絶縁膜10、11、13、14、32をドライエッチングすることにより、これらの絶縁膜に第1及び第2のコンタクトホール32a、32bを形成する。   Next, the insulating films 10, 11, 13, 14, and 32 on the first and second n-type source / drain regions 7 a and 7 b are dry-etched through the window 33 a of the fourth resist pattern 33. First and second contact holes 32a and 32b are formed in the insulating film.

この後に、第4のレジストパターン33は除去される。   Thereafter, the fourth resist pattern 33 is removed.

次に、図16と図25に示す構造を得るまでの工程について説明する。   Next, steps required until a structure shown in FIGS.

まず、第2の絶縁膜32の上面と各コンタクトホール32a、32bの内面に、バリアメタル膜として厚さが約20nmのチタン(Ti)膜と厚さが約50nmの窒化チタン(TiN)膜とをこの順にスパッタ法で形成する。そして、このバリアメタル膜の上にCVD法によりタングステン膜を約500nmの厚さに形成し、このタングステン膜で各コンタクトホール32a、32bを完全に埋め込む。その後に、第2の絶縁膜32上の余分なタングステン膜とバリアメタル膜とをCMP法により研磨して除去し、これらの膜を各コンタクトホール32a、32b内にのみ導電性プラグ35として残す。   First, a titanium (Ti) film having a thickness of about 20 nm and a titanium nitride (TiN) film having a thickness of about 50 nm are formed as barrier metal films on the upper surface of the second insulating film 32 and the inner surfaces of the contact holes 32a and 32b. Are formed in this order by sputtering. Then, a tungsten film is formed to a thickness of about 500 nm on the barrier metal film by a CVD method, and the contact holes 32a and 32b are completely filled with the tungsten film. Thereafter, the excess tungsten film and the barrier metal film on the second insulating film 32 are polished and removed by the CMP method, and these films are left as the conductive plugs 35 only in the contact holes 32a and 32b.

このようにして形成された導電性プラグ35は、酸化され易いタングステンを含むため、酸素含有雰囲気中で容易に酸化してコンタクト不良を起こし易い。   Since the conductive plug 35 formed in this manner contains tungsten that is easily oxidized, it easily oxidizes in an oxygen-containing atmosphere and easily causes contact failure.

そこで、導電性プラグ35の酸化を防止するために、該導電性プラグ35と第2の絶縁膜32のそれぞれの上にCVD法により厚さが約100nmの酸窒化シリコン膜を形成し、その窒化シリコン膜を酸化防止絶縁膜36とする。   Therefore, in order to prevent oxidation of the conductive plug 35, a silicon oxynitride film having a thickness of about 100 nm is formed on each of the conductive plug 35 and the second insulating film 32 by the CVD method. The silicon film is used as an oxidation preventing insulating film 36.

なお、酸化防止絶縁膜36を形成する前に、第2の絶縁膜32の脱水処理と水分の再吸着を防止するため、CVD装置内において第2の絶縁膜32に対してN2Oプラズマ処理を行ってもよい。そのN2Oプラズマ処理は、例えば、基板温度約350℃、処理時間2分の条件で行われる。 Before forming the oxidation-preventing insulating film 36, N 2 O plasma treatment is performed on the second insulating film 32 in the CVD apparatus in order to prevent dehydration of the second insulating film 32 and re-adsorption of moisture. May be performed. The N 2 O plasma treatment is performed, for example, under conditions of a substrate temperature of about 350 ° C. and a treatment time of 2 minutes.

次に、図17に示すように、酸化防止絶縁膜36の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第5のレジストパターン40を形成する。   Next, as shown in FIG. 17, a photoresist is applied on the antioxidant insulating film 36, and is exposed and developed to form a fifth resist pattern 40.

そして、第5のレジストパターン40の窓40aを通じて絶縁膜14、32、36をドライエッチングすることで、上部電極22a上のこれらの絶縁膜に第1のホール32cを形成すると共に、下部電極20a上のこれらの絶縁膜に第2のホール32dを形成する。   Then, by dry-etching the insulating films 14, 32, and 36 through the window 40a of the fifth resist pattern 40, the first holes 32c are formed in these insulating films on the upper electrode 22a and on the lower electrode 20a. A second hole 32d is formed in these insulating films.

このエッチングを終了後、第5のレジストパターン40と酸化防止絶縁膜36は除去される。   After this etching is finished, the fifth resist pattern 40 and the antioxidant insulating film 36 are removed.

そして、このエッチングによってキャパシタ誘電体膜27aが受けたダメージを低減するために、酸素含有雰囲気中においてキャパシタ誘電体膜21aに対して回復アニールを行う。この回復アニールは、例えば基板温度500℃〜600℃、処理時間60分間の条件で行われる。   Then, recovery annealing is performed on the capacitor dielectric film 21a in an oxygen-containing atmosphere in order to reduce damage to the capacitor dielectric film 27a due to this etching. This recovery annealing is performed, for example, under conditions of a substrate temperature of 500 ° C. to 600 ° C. and a processing time of 60 minutes.

次に、図18と図26に示すように、第2の絶縁膜32上と各ホール32c、32d内にスパッタ法により金属積層膜を形成した後、それをパターニングして金属配線41を形成する。その金属積層膜は、下から順に、厚さ約150nmの窒化チタン膜、厚さ約550nmの銅含有アルミニウム膜、厚さ約5nmのチタン膜、及び厚さ約150nmの窒化チタン膜である。   Next, as shown in FIGS. 18 and 26, a metal laminated film is formed on the second insulating film 32 and in the holes 32c and 32d by sputtering, and then patterned to form a metal wiring 41. . The metal laminated film is, in order from the bottom, a titanium nitride film having a thickness of about 150 nm, a copper-containing aluminum film having a thickness of about 550 nm, a titanium film having a thickness of about 5 nm, and a titanium nitride film having a thickness of about 150 nm.

その金属配線41のうち、第1のホール32c内に形成された部分は上部電極22aと電気的に接続され、第2のホール32d内に形成された部分は下部電極20aと電気的に接続される。   Of the metal wiring 41, a portion formed in the first hole 32c is electrically connected to the upper electrode 22a, and a portion formed in the second hole 32d is electrically connected to the lower electrode 20a. The

以上により、本実施形態に係る半導体装置の基本構造が完成した。   Thus, the basic structure of the semiconductor device according to this embodiment is completed.

上記した半導体装置の製造方法によれば、図11の工程で上部電極22aを形成するとき、上部電極22aの横に強誘電体膜21が露出した時点において、酸素ガスを含み且つハロゲンを含まないガスに第2の導電膜22用のエッチングガスを切り替えた。   According to the manufacturing method of the semiconductor device described above, when the upper electrode 22a is formed in the step of FIG. 11, the ferroelectric film 21 is exposed beside the upper electrode 22a and contains oxygen gas and does not contain halogen. The etching gas for the second conductive film 22 was switched to the gas.

このようにハロゲンを含まないエッチングガスを使用することで、隣接する上部電極22aの間に露出した強誘電体膜21にハロゲンが原因のダメージ層が形成されるのを防止できる。   By using an etching gas containing no halogen in this way, it is possible to prevent a damage layer caused by halogen from being formed in the ferroelectric film 21 exposed between the adjacent upper electrodes 22a.

よって、強誘電体膜21をパターニングしてなるキャパシタ誘電体膜21aの強誘電体特性を高い状態に維持することができると共に、キャパシタ誘電体膜21aのリーク電流を抑制でき、高品位な強誘電体キャパシタQを備えた半導体装置を提供することができる。   Therefore, the ferroelectric characteristics of the capacitor dielectric film 21a formed by patterning the ferroelectric film 21 can be maintained in a high state, and the leakage current of the capacitor dielectric film 21a can be suppressed, so that high-grade ferroelectrics can be obtained. A semiconductor device including the body capacitor Q can be provided.

しかも、上記のエッチングガス中に含まれる酸素は、強誘電体膜21と第2の導電膜22とのエッチング選択比を高める機能を有するので、第2の導電膜22に対するエッチングを強誘電体膜21上で自動停止させることができる。これにより、強誘電体膜21がオーバーエッチングされるのを抑制でき、オーバーエッチングが原因で強誘電体膜21にダメージ層が形成される可能性を低減できる。   In addition, the oxygen contained in the etching gas has a function of increasing the etching selectivity between the ferroelectric film 21 and the second conductive film 22, so that the etching of the second conductive film 22 is performed in the ferroelectric film. 21 can be automatically stopped. As a result, the ferroelectric film 21 can be prevented from being overetched, and the possibility that a damage layer is formed on the ferroelectric film 21 due to overetching can be reduced.

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。   The following additional notes are disclosed for each embodiment described above.

(付記1) 半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、第1の導電膜、強誘電体膜、及び第2の導電膜をこの順に形成する工程と、
前記第2の導電膜の上にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをマスクにしながら、前記第2の導電膜をエッチングして強誘電体キャパシタの上部電極にする工程と、
前記マスクパターンを除去する工程と、
前記強誘電体膜をパターニングして前記強誘電体キャパシタのキャパシタ誘電体膜にする工程と、
前記第1の導電膜をエッチングして前記強誘電体キャパシタの下部電極にする工程とを有し、
前記第2の導電膜をエッチングする工程において、前記上部電極の横に前記強誘電体膜が露出したときに、エッチング雰囲気が、酸素ガスを含み且つハロゲンを含まない雰囲気となっていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Additional remark 1) The process of forming an insulating film above a semiconductor substrate,
Forming a first conductive film, a ferroelectric film, and a second conductive film in this order on the insulating film;
Forming a mask pattern on the second conductive film;
Etching the second conductive film into the upper electrode of the ferroelectric capacitor while using the mask pattern as a mask;
Removing the mask pattern;
Patterning the ferroelectric film to form a capacitor dielectric film of the ferroelectric capacitor;
Etching the first conductive film to form a lower electrode of the ferroelectric capacitor;
In the step of etching the second conductive film, when the ferroelectric film is exposed beside the upper electrode, the etching atmosphere is an atmosphere containing oxygen gas and not containing halogen. A method for manufacturing a semiconductor device.

(付記2) 前記第2の導電膜をエッチングする工程は、
ハロゲンガスを含む第1のエッチングガスにより前記第2の導電膜を途中の深さまでエッチングする第1のステップと、
前記第1のステップの後、酸素ガスを含み且つハロゲンを含まない第2のエッチングガスを用いて、前記第2の導電膜の残りをエッチングする第2のステップとを有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。
(Supplementary Note 2) The step of etching the second conductive film includes:
A first step of etching the second conductive film to a halfway depth with a first etching gas containing a halogen gas;
And a second step of etching the remainder of the second conductive film using a second etching gas containing oxygen gas and not containing halogen after the first step. 2. A method for manufacturing a semiconductor device according to 1.

(付記3) 前記マスクパターンとして、前記第2の導電膜の上にレジストパターンを直接形成することを特徴とする付記2に記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary note 3) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 2, wherein a resist pattern is directly formed on the second conductive film as the mask pattern.

(付記4) 前記ハロゲンガスとして塩素ガスを使用することを特徴とする付記2又は付記3に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 4) Chlorine gas is used as said halogen gas, The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 2 or Additional remark 3 characterized by the above-mentioned.

(付記5) 前記第2の導電膜をエッチングする工程は、
酸素ガスを含み且つハロゲンを含まないエッチングガスにより前記第2の導電膜を途中の深さまでエッチングする第1のステップと、
前記第1のステップの後、前記エッチングガスにおける前記酸素ガスの流量比を前記第1のステップにおけるよりも高めて、前記第2の導電膜の残りをエッチングする第2のステップとを有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。
(Supplementary Note 5) The step of etching the second conductive film includes:
A first step of etching the second conductive film to an intermediate depth with an etching gas containing oxygen gas and not containing halogen;
After the first step, there is provided a second step of etching the remainder of the second conductive film by increasing the flow rate ratio of the oxygen gas in the etching gas as compared with that in the first step. The manufacturing method of the semiconductor device according to appendix 1, which is characterized in that.

(付記6) 前記エッチングガスは、不活性ガスと酸素ガスとからなることを特徴とする付記5に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 6) The said etching gas consists of inert gas and oxygen gas, The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 5 characterized by the above-mentioned.

(付記7) 前記第2の導電膜をエッチングするステップは、酸素ガスを含み且つハロゲンを含まないエッチングガスにより、前記第2の導電膜を一括してエッチングすることにより行われ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。   (Supplementary Note 7) The step of etching the second conductive film is performed by collectively etching the second conductive film with an etching gas containing oxygen gas and not containing halogen. A method for manufacturing a semiconductor device according to attachment 1.

(付記8) 前記マスクパターンとしてハードマスクを形成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。   (Additional remark 8) The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 1 characterized by forming a hard mask as said mask pattern.

(付記9) 前記ハードマスクは、窒化チタンを含むことを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 9) The said hard mask contains titanium nitride, The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 8 characterized by the above-mentioned.

(付記10) 前記第2の導電膜をエッチングする工程において、前記上部電極を間隔をおいて複数形成し、
前記強誘電体膜をエッチングする工程において、前記キャパシタ誘電体膜を、前記複数の上部電極のそれぞれに共通のストライプ状に形成することを特徴とする付記1〜9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 10) In the step of etching the second conductive film, a plurality of the upper electrodes are formed at intervals,
10. The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 9, wherein, in the step of etching the ferroelectric film, the capacitor dielectric film is formed in a stripe shape common to each of the plurality of upper electrodes. Manufacturing method.

1、100…シリコン基板、2…素子分離絶縁膜、3…pウェル、4…ゲート絶縁膜、5…ゲート電極、6a、6b…第1及び第2のn型ソース/ドレインエクステンション、7a、7b…第1及び第2のn型ソース/ドレイン領域、8…高融点金属シリサイド層、9…絶縁性サイドウォール、10…カバー絶縁膜、11…第1の絶縁膜、13…キャップ絶縁膜、14…密着層、20、101…第1の導電膜、20a、103a…下部電極、21、102…強誘電体膜、21a、102a…キャパシタ誘電体膜、22、103…第2の導電膜、22a、103a…上部電極、23…マスク材料膜、23a、104…マスクパターン、25…第1のレジストパターン、27…第2のレジストパターン、28…第3のレジストパターン、31…絶縁性水素バリア膜、32…第2の絶縁膜、32a、32b…第1及び第2のコンタクトホール、32c、32d…第1及び第2のホール、33…第4のレジストパターン、33a…窓、35…導電性プラグ、36…酸化防止絶縁膜、40…第5のレジストパターン、40a…窓、41…金属配線、105…レジストパターン、Q…強誘電体キャパシタ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100 ... Silicon substrate, 2 ... Element isolation insulating film, 3 ... p well, 4 ... gate insulating film, 5 ... gate electrode, 6a, 6b ... 1st and 2nd n-type source / drain extension, 7a, 7b 1st and 2nd n-type source / drain regions, 8 ... refractory metal silicide layer, 9 ... insulating sidewall, 10 ... cover insulating film, 11 ... first insulating film, 13 ... cap insulating film, 14 ... Adhesion layer, 20, 101 ... First conductive film, 20a, 103a ... Lower electrode, 21, 102 ... Ferroelectric film, 21a, 102a ... Capacitor dielectric film, 22, 103 ... Second conductive film, 22a 103a ... upper electrode, 23 ... mask material film, 23a, 104 ... mask pattern, 25 ... first resist pattern, 27 ... second resist pattern, 28 ... third resist pattern, 31 ... insulating property Elementary barrier film, 32 ... second insulating film, 32a, 32b ... first and second contact holes, 32c, 32d ... first and second holes, 33 ... fourth resist pattern, 33a ... window, 35 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Conductive plug, 36 ... Antioxidation insulating film, 40 ... 5th resist pattern, 40a ... Window, 41 ... Metal wiring, 105 ... Resist pattern, Q ... Ferroelectric capacitor.

Claims (3)

半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、第1の導電膜、強誘電体膜、及び第2の導電膜をこの順に形成する工程と、
前記第2の導電膜をエッチングして強誘電体キャパシタの上部電極にする工程と、
前記強誘電体膜をパターニングして前記強誘電体キャパシタのキャパシタ誘電体膜にする工程と、
前記第1の導電膜をエッチングして前記強誘電体キャパシタの下部電極にする工程とを有し、
前記第2の導電膜をエッチングする工程は、
ハロゲンガスを含む第1のエッチングガスにより前記第2の導電膜を途中の深さまでエッチングする第1の工程と、
前記第1の工程の後、酸素ガスを含み且つハロゲンを含まない第2のエッチングガスを用いて、前記第2の導電膜の残りをエッチングする第2の工程とを有し、
前記第2の導電膜をエッチングする工程において、前記上部電極の横に前記強誘電体膜が露出したときに、エッチング雰囲気が、酸素ガスを含み且つハロゲンを含まない雰囲気となっていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film above the semiconductor substrate;
Forming a first conductive film, a ferroelectric film, and a second conductive film in this order on the insulating film;
Etching the second conductive film to form an upper electrode of a ferroelectric capacitor;
Patterning the ferroelectric film to form a capacitor dielectric film of the ferroelectric capacitor;
Etching the first conductive film to form a lower electrode of the ferroelectric capacitor;
The step of etching the second conductive film includes:
A first step of etching halfway depth the second conductive film by a first etching gas containing a halogen gas,
After the first step, using a second etching gas not containing and halogen-containing oxygen gas, the remainder of the second conductive film have a second step of etching,
In the step of etching the second conductive film, when the ferroelectric film is exposed beside the upper electrode, the etching atmosphere is an atmosphere containing oxygen gas and not containing halogen. method of manufacturing a semi-conductor device shall be the.
半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、第1の導電膜、強誘電体膜、及び第2の導電膜をこの順に形成する工程と、
前記第2の導電膜をエッチングして強誘電体キャパシタの上部電極にする工程と、
前記強誘電体膜をパターニングして前記強誘電体キャパシタのキャパシタ誘電体膜にする工程と、
前記第1の導電膜をエッチングして前記強誘電体キャパシタの下部電極にする工程とを有し、
前記第2の導電膜をエッチングする工程は、
酸素ガスを含み且つハロゲンを含まないエッチングガスにより前記第2の導電膜を途中の深さまでエッチングする第1の工程と、
前記第1の工程の後、前記エッチングガスにおける前記酸素ガスの流量比を前記第1の工程における前記酸素ガスの流量比よりも高めて、前記第2の導電膜の残りをエッチングする第2の工程とを有し、
前記第2の導電膜をエッチングする工程において、前記上部電極の横に前記強誘電体膜が露出したときに、エッチング雰囲気が、酸素ガスを含み且つハロゲンを含まない雰囲気となっていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film above the semiconductor substrate;
Forming a first conductive film, a ferroelectric film, and a second conductive film in this order on the insulating film;
Etching the second conductive film to form an upper electrode of a ferroelectric capacitor;
Patterning the ferroelectric film to form a capacitor dielectric film of the ferroelectric capacitor;
Etching the first conductive film to form a lower electrode of the ferroelectric capacitor;
The step of etching the second conductive film includes:
A first step of etching the second conductive film to an intermediate depth with an etching gas containing oxygen gas and not containing halogen;
After the first step , a flow rate ratio of the oxygen gas in the etching gas is set higher than a flow rate ratio of the oxygen gas in the first step , and a second portion of the second conductive film is etched. It possesses a step,
In the step of etching the second conductive film, when the ferroelectric film is exposed beside the upper electrode, the etching atmosphere is an atmosphere containing oxygen gas and not containing halogen. method of manufacturing a semi-conductor device shall be the.
前記第2の導電膜をエッチングする工程において、前記上部電極を間隔をおいて複数形成し、
前記強誘電体膜をエッチングする工程において、前記キャパシタ誘電体膜を、前記複数の上部電極のそれぞれに共通のストライプ状に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。
In the step of etching the second conductive film, a plurality of the upper electrodes are formed at intervals,
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein in the step of etching the ferroelectric film, the capacitor dielectric film is formed in a stripe shape common to each of the plurality of upper electrodes. Method.
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