JP6439284B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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本発明は、強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法と構成に関する。   The present invention relates to a manufacturing method and a configuration of a semiconductor device having a ferroelectric capacitor.

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。より低電圧で高速の書き込み及び読み出し動作が可能な不揮発性ランダムアクセスメモリ(RAM:Random Access Memory)を実現するために、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が開発されている。このような記憶装置は、強誘電体メモリあるいは「FeRAM」と呼ばれている。   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. In order to realize a nonvolatile random access memory (RAM) capable of high-speed write and read operations at a lower voltage, a technology using a ferroelectric film having spontaneous polarization characteristics as a capacitive insulating film has been developed. ing. Such a storage device is called a ferroelectric memory or “FeRAM”.

強誘電体メモリでは、キャパシタに用いられる強誘電体膜が半導体プロセスで一般に使われる還元雰囲気中で還元されやすく、強誘電性が劣化するという問題が生じる。図1に示すように、下部電極1014、強誘電体膜1013、上部電極1012で構成される強誘電体キャパシタ1015を水素バリア膜1016で保護する場合でも、コンタクトプラグ1033、1037を形成する際に、タングステン(W)の成膜過程で発生する水素(H)やフッ素(F)が強誘電体キャパシタ1015に侵入する。侵入した水素やフッ素は強誘電体膜1013の結晶に欠損やボイドを生じさせる。上部電極1012が酸化イリジウム(IrO)などの金属酸化物で形成されている場合は、上部電極1012も水素やフッ素により侵食されダメージ層Dが生じる。   In a ferroelectric memory, a ferroelectric film used for a capacitor is easily reduced in a reducing atmosphere generally used in a semiconductor process, resulting in a problem that the ferroelectricity deteriorates. As shown in FIG. 1, even when the ferroelectric capacitor 1015 including the lower electrode 1014, the ferroelectric film 1013, and the upper electrode 1012 is protected by the hydrogen barrier film 1016, the contact plugs 1033 and 1037 are formed. Then, hydrogen (H) and fluorine (F) generated in the process of forming tungsten (W) enter the ferroelectric capacitor 1015. The invading hydrogen and fluorine cause defects and voids in the crystal of the ferroelectric film 1013. When the upper electrode 1012 is formed of a metal oxide such as iridium oxide (IrO), the upper electrode 1012 is also eroded by hydrogen or fluorine and a damage layer D is generated.

強誘電体膜1013の還元を抑制するために様々な提案がなされている。キャパシタを覆う層間絶縁膜を一定の厚さまで研磨した後にキャパシタ上面の水素バリア膜までエッチバックし、その後、上部電極上の水素バリア膜の一部をエッチングして開口を形成し、開口内に露出する上部電極上に直接チタン(Ti),チタンナイトライド(TiN),アルミニウム(Al),TiNをこの順で積層して4層の配線を形成する方法が知られている(たとえば、特許文献1参照)。   Various proposals have been made to suppress the reduction of the ferroelectric film 1013. After polishing the interlayer insulating film covering the capacitor to a certain thickness, etch back to the hydrogen barrier film on the upper surface of the capacitor, and then etch a part of the hydrogen barrier film on the upper electrode to form an opening, which is exposed in the opening A method is known in which titanium (Ti), titanium nitride (TiN), aluminum (Al), and TiN are laminated in this order directly on the upper electrode to form a four-layer wiring (for example, Patent Document 1). reference).

別の方法として、キャパシタの側面を水素バリア膜で覆い、キャパシタの上面には水素バリア膜を配置せずに、上部電極の上面全体を覆って、TiN、アルミ銅(AlCu)、及びTiNの三層の配線を形成する方法が知られている(たとえば、特許文献2参照)。   As another method, the side surface of the capacitor is covered with a hydrogen barrier film, and the entire upper surface of the upper electrode is covered with no hydrogen barrier film disposed on the upper surface of the capacitor, and three layers of TiN, aluminum copper (AlCu), and TiN are covered. A method of forming a layer wiring is known (see, for example, Patent Document 2).

特開2004−335536号公報JP 2004-335536 A 特開2010−157560号公報JP 2010-157560 A

図1の従来構成では、強誘電体キャパシタ1015の上方に層間絶縁膜1011を300〜500nm程度の厚さで残し、層間絶縁膜1011に上部電極1012に到達するコンタクトホール1017と、下部電極1014に到達するコンタクトホール1018が形成される。コンタクトホール1017、1018を形成するときに、水素バリア膜1016の一部を除去して上部電極1012と下部電極1014の一部を露出し、コンタクトホール1017、1018の底部と側壁にグルー膜1031、1037を形成する。このグルー膜1031、1037は、タングステン膜1032、1037の成膜時に発生する水素やフッ素をブロックしきれない。アスペクト比の大きいコンタクトホール1017,1018内に形成されるグルー膜1031、1037は不均一となり、コンタクトホール1017、1018の内壁、特に底面を完全に覆うことができず、水素、フッ素等が突き抜けるからである。また、コンタクトホール1017、1018内に成膜されるタングステン膜1032,1036も不均一になり、成膜時に発生する水素やフッ素が強誘電体キャパシタ1015の上部電極1012に侵入する。さらに、層間絶縁膜1011のエッチングの際に、コンタクトホール1017、1018内で露出する水素バリア膜1016に塩素(Cl)や下部電極1014のプラチナ(Pt)が残留し、水分を吸着して水素を発生し、強誘電性を劣化させる。   In the conventional configuration of FIG. 1, the interlayer insulating film 1011 is left above the ferroelectric capacitor 1015 with a thickness of about 300 to 500 nm, and the contact hole 1017 reaching the upper electrode 1012 in the interlayer insulating film 1011 and the lower electrode 1014 A reaching contact hole 1018 is formed. When the contact holes 1017 and 1018 are formed, a part of the hydrogen barrier film 1016 is removed to expose a part of the upper electrode 1012 and the lower electrode 1014, and the glue film 1031 is formed on the bottom and side walls of the contact holes 1017 and 1018. 1037 is formed. The glue films 1031 and 1037 cannot completely block hydrogen and fluorine generated when the tungsten films 1032 and 1037 are formed. The glue films 1031 and 1037 formed in the contact holes 1017 and 1018 having a large aspect ratio are not uniform, and the inner walls, particularly the bottom surfaces of the contact holes 1017 and 1018 cannot be completely covered, and hydrogen, fluorine, and the like penetrate through. It is. Further, the tungsten films 1032 and 1036 formed in the contact holes 1017 and 1018 are also non-uniform, and hydrogen and fluorine generated during the film formation enter the upper electrode 1012 of the ferroelectric capacitor 1015. Further, during the etching of the interlayer insulating film 1011, chlorine (Cl) and platinum (Pt) of the lower electrode 1014 remain in the hydrogen barrier film 1016 exposed in the contact holes 1017 and 1018, adsorb moisture and absorb hydrogen. Occurs and degrades the ferroelectricity.

特許文献1の方法は、研磨の後にエッチバックを行い工程が多くなる。また、層間絶縁膜から水素や水が強誘電体膜に侵入するのを完全に防止できない、基板上のトランジスタへのコンタクトホールが深すぎて完全に埋め込むことができないという問題がある。   In the method of Patent Document 1, the number of steps is increased by performing etch back after polishing. In addition, there is a problem that hydrogen or water cannot be completely prevented from entering the ferroelectric film from the interlayer insulating film, and the contact hole to the transistor on the substrate is too deep to be completely buried.

特許文献2の方法は、キャパシタの上部電極の表面を研磨して凹凸を低減するが、上部電極自体にダメージを与えてしまう。また、キャパシタが配置される層以降の層間絶縁膜の水分や水素が上部電極に侵入し、強誘電体膜にダメージを与える。   The method of Patent Document 2 polishes the surface of the upper electrode of the capacitor to reduce the unevenness, but damages the upper electrode itself. In addition, moisture and hydrogen in the interlayer insulating film after the layer in which the capacitor is disposed enter the upper electrode and damage the ferroelectric film.

そこで、半導体プロセスで発生する水素、フッ素等の強誘電体キャパシタへの侵入を防止し、メモリの強誘電性を維持することのできる半導体装置の製造方法と構成を提供することを課題とする。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method and a structure for manufacturing a semiconductor device that can prevent the entry of hydrogen, fluorine, or the like generated in a semiconductor process into a ferroelectric capacitor and maintain the ferroelectricity of a memory.

ひとつの態様では、半導体装置の製造方法は、
半導体基板上に、下部電極と強誘電体膜と上部電極を有するキャパシタを形成し、
前記キャパシタの側面と上面を覆う絶縁性保護膜を形成し、
前記絶縁性保護膜上に層間絶縁膜を形成し、
前記層間絶縁膜を、前記キャパシタの前記上面を覆う前記絶縁性保護膜の位置まで研磨し、
前記研磨の後に、前記キャパシタの前記上部電極の一部を露出する開口と、前記下部電極または前記半導体基板上のトランジスタ上方にコンタクトホールとを形成し、
前記開口内と前記コンタクトホール内に、前記下部電極または前記トランジスタと電気的に接続する第1導体膜と第2導体膜を順次形成し、
前記第1導体膜と前記第2導体膜を、前記上部電極上に残る前記絶縁性保護膜の位置まで研磨して、前記開口内を埋める導電性保護膜と、前記コンタクトホールを埋めるコンタクトプラグとを形成し、
前記導電性保護膜上と前記コンタクトプラグ上に配線を形成する、
ことを特徴とする。
In one aspect, a method for manufacturing a semiconductor device includes:
A capacitor having a lower electrode, a ferroelectric film, and an upper electrode is formed on a semiconductor substrate,
Forming an insulating protective film covering the side surface and the upper surface of the capacitor;
Forming an interlayer insulating film on the insulating protective film;
Polishing the interlayer insulating film to the position of the insulating protective film covering the upper surface of the capacitor,
After the polishing, an opening exposing a part of the upper electrode of the capacitor and a contact hole above the transistor on the lower electrode or the semiconductor substrate are formed,
A first conductor film and a second conductor film electrically connected to the lower electrode or the transistor are sequentially formed in the opening and the contact hole,
Polishing the first conductor film and the second conductor film to the position of the insulating protective film remaining on the upper electrode to fill the opening; and a contact plug filling the contact hole; Form the
Forming wiring on the conductive protective film and on the contact plug;
It is characterized by that.

半導体プロセスで発生する水素、フッ素等の強誘電体キャパシタへの侵入を防止し、メモリの強誘電性を維持することができる。   It is possible to prevent the intrusion of ferroelectric capacitors such as hydrogen and fluorine generated in the semiconductor process, and maintain the ferroelectricity of the memory.

従来の問題点を示す図である。It is a figure which shows the conventional problem. 実施形態で用いる強誘電体キャパシタの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ferroelectric capacitor used by embodiment. 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device of Example 1; 実施例2の半導体装置の概略図である。6 is a schematic diagram of a semiconductor device of Example 2. FIG. 実施例3の半導体装置の概略図である。6 is a schematic diagram of a semiconductor device of Example 3. FIG. 実施例4の半導体装置の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of a semiconductor device of Example 4. 実施例5の半導体装置の概略図である。6 is a schematic diagram of a semiconductor device of Example 5. FIG.

以下の実施形態では、半導体装置の一例として、半導体基板上に記憶保持用の強誘電体キャパシタとメモリセルトランジスタを備えた強誘電体メモリの構成と製造方法を説明する。   In the following embodiments, as an example of a semiconductor device, a configuration and a manufacturing method of a ferroelectric memory including a memory holding ferroelectric capacitor and a memory cell transistor on a semiconductor substrate will be described.

実施形態の手法と構成に至る過程で、図1の従来構成を維持したまま、強誘電体キャパシタの上部電極や下部電極に接続されるコンタクトホール内に均一なグルー膜とプラグ用の導電膜を形成する試みを行った。たとえば、バイアスをかけながらグルー膜とプラグ用の導電膜を形成することで、コンタクトホールの底部に厚く成膜する試みを行った。しかし、実際に作製されたコンタクトプラグでは、コンタクトホールの底部と側壁で均一な膜厚を得ることができなかった。   In the process leading to the method and configuration of the embodiment, while maintaining the conventional configuration of FIG. 1, a uniform glue film and a plug conductive film are formed in the contact holes connected to the upper electrode and the lower electrode of the ferroelectric capacitor. An attempt was made to form. For example, an attempt was made to form a thick film on the bottom of the contact hole by forming a glue film and a conductive film for plug while applying a bias. However, in the actually produced contact plug, a uniform film thickness cannot be obtained at the bottom and side walls of the contact hole.

そこで、実施形態では、強誘電体キャパシタの上部電極と上層の配線の間を電気的に接続するコンタクトプラグを排除し、かつ強誘電体キャパシタへの水素やフッ素の侵入を防止する構成及び手法を提供する。   Therefore, in the embodiment, there is provided a configuration and method for eliminating the contact plug that electrically connects the upper electrode of the ferroelectric capacitor and the upper layer wiring, and preventing the penetration of hydrogen and fluorine into the ferroelectric capacitor. provide.

簡潔に説明すると、強誘電体キャパシタの全体を絶縁性保護膜で保護し、強誘電体キャパシタの上面を覆う絶縁性保護膜を研磨のストッパとして用いて、層間絶縁膜を強誘電体キャパシタとほぼ同じ高さまで研磨する。研磨により露出した上部電極上の絶縁性保護膜に開口を形成して上部電極の一部を露出し、膜厚が低減された層間絶縁膜に下部電極または下層のプラグに到達するコンタクトホールを形成する。開口とコンタクトホールを導電性保護膜とプラグ用導体膜で埋め込んだ後に、上部電極上に残る絶縁性保護膜の位置まで導電性保護膜とプラグ用導体膜を研磨して、開口内を埋める導電性保護膜とコンタクトプラグを形成する。導電性保護膜とコンタクトプラグ上に直接配線を形成する。   Briefly, the entire ferroelectric capacitor is protected with an insulating protective film, and the insulating protective film covering the upper surface of the ferroelectric capacitor is used as a polishing stopper, and the interlayer insulating film is almost the same as the ferroelectric capacitor. Polish to the same height. An opening is formed in the insulating protective film on the upper electrode exposed by polishing to expose a part of the upper electrode, and a contact hole reaching the lower electrode or the lower plug is formed in the interlayer insulating film whose film thickness is reduced. To do. After the opening and contact hole are filled with the conductive protective film and the conductive film for plug, the conductive protective film and the conductive film for plug are polished up to the position of the insulating protective film remaining on the upper electrode to fill the opening. A protective protective film and a contact plug are formed. A wiring is formed directly on the conductive protective film and the contact plug.

上部電極上の絶縁性保護膜に形成される開口の深さは開口の径以下であり、アスペクト比は1以下である。また、層間絶縁膜を強誘電体キャパシタの高さに対応する位置まで研磨することで、デバイスの厚さ方向のサイズが小さくなり、層間絶縁膜に形成されるコンタクトホールのアスペクト比を1以下とすることができる。アスペクト比が小さな開口内とコンタクトホール内に、均一な膜厚と膜質の導電性保護膜が形成され、プラグ形成過程で生じる水素やフッ素をブロックすることができる。   The depth of the opening formed in the insulating protective film on the upper electrode is not more than the diameter of the opening, and the aspect ratio is not more than 1. Further, by polishing the interlayer insulating film to a position corresponding to the height of the ferroelectric capacitor, the size in the thickness direction of the device is reduced, and the aspect ratio of the contact hole formed in the interlayer insulating film is 1 or less. can do. A conductive protective film having a uniform film thickness and film quality is formed in the opening and contact hole with a small aspect ratio, and hydrogen and fluorine generated in the plug formation process can be blocked.

図2は、半導体装置1の強誘電体キャパシタ15とその近傍の構成を示す図である。強誘電体キャパシタ15は、下部電極14と、強誘電体膜13と、上部電極12を有する。強誘電体キャパシタ15の側面と上部電極12の一部は、絶縁性保護膜16で覆われている。   FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the ferroelectric capacitor 15 of the semiconductor device 1 and the vicinity thereof. The ferroelectric capacitor 15 has a lower electrode 14, a ferroelectric film 13, and an upper electrode 12. A side surface of the ferroelectric capacitor 15 and a part of the upper electrode 12 are covered with an insulating protective film 16.

上部電極12の外周部分は、絶縁性保護膜16で覆われ、外周以外の中央部分は、導電性保護膜19に覆われている。導電性保護膜19は、後述するように、上部電極12上の絶縁性保護膜16に形成された開口17内に配置されている。導電性保護膜19に、配線25が直接接続される。配線25はたとえば3層の積層配線であり、チタン(Ti)膜21と、アルミニウム(Al)膜22と、Ti膜23の積層である。あるいは、後述するように、Ti/TiN膜21と、AlCu膜22とTiN/Ti膜23の積層であってもよい。   An outer peripheral portion of the upper electrode 12 is covered with an insulating protective film 16, and a central portion other than the outer periphery is covered with a conductive protective film 19. As will be described later, the conductive protective film 19 is disposed in an opening 17 formed in the insulating protective film 16 on the upper electrode 12. The wiring 25 is directly connected to the conductive protective film 19. The wiring 25 is, for example, a three-layer laminated wiring, and is a lamination of a titanium (Ti) film 21, an aluminum (Al) film 22, and a Ti film 23. Alternatively, as will be described later, a Ti / TiN film 21, an AlCu film 22, and a TiN / Ti film 23 may be laminated.

上部電極12上にコンタクトプラグを設置せずに、絶縁性保護膜16の開口17内を埋める均一で十分な厚さの導電性保護膜19を介して配線25を接続するので、強誘電体キャパシタ15への水素やフッ素の侵入を防止し、上層の配線との確実なコンタクトをとることができる。   Since the wiring 25 is connected through the conductive protective film 19 having a uniform and sufficient thickness that fills the opening 17 of the insulating protective film 16 without installing a contact plug on the upper electrode 12, the ferroelectric capacitor It is possible to prevent hydrogen and fluorine from entering 15 and to make reliable contact with the upper wiring.

図1との比較の観点から、図2ではプレーナ型の強誘電体キャパシタ15を用いている。下部電極14と上層の配線25は、コンタクトプラグ37によって電気的に接続されている。図1の構成と比較して、層間絶縁膜11の膜厚が小さく、コンタクトプラグ37のアスペクト比は1以下である。図示の都合上、コンタクトプラグ37のアスペクト比が1よりも大きく見えるが、実際は、強誘電体膜13と上部電極12のトータルの厚さは180〜280nm程度、プラグ径は300〜400nmであり、アスペクト比は1以下となる。アスペクト比が1以下のコンタクトホール内に、グルー膜35とW膜36が均一な膜厚、膜質で形成され、層間絶縁膜11から水素やフッ素が強誘電体膜13に侵入するのを防止することができる。   From the viewpoint of comparison with FIG. 1, a planar type ferroelectric capacitor 15 is used in FIG. The lower electrode 14 and the upper layer wiring 25 are electrically connected by a contact plug 37. Compared with the configuration of FIG. 1, the thickness of the interlayer insulating film 11 is small, and the aspect ratio of the contact plug 37 is 1 or less. For the convenience of illustration, the aspect ratio of the contact plug 37 seems to be larger than 1, but actually, the total thickness of the ferroelectric film 13 and the upper electrode 12 is about 180 to 280 nm, and the plug diameter is 300 to 400 nm. The aspect ratio is 1 or less. In the contact hole having an aspect ratio of 1 or less, the glue film 35 and the W film 36 are formed with a uniform film thickness and film quality to prevent hydrogen and fluorine from entering the ferroelectric film 13 from the interlayer insulating film 11. be able to.

図3A〜図3Lは、実施例1の半導体装置100Aの製造工程図である。   3A to 3L are manufacturing process diagrams of the semiconductor device 100A according to the first embodiment.

図3Aで、n型又はp型の半導体基板(たとえばシリコン基板)111の素子分離領域112によって区画される領域にウェル114を形成する。ウェル114の表面の活性領域に、ゲート絶縁膜115、ゲート電極116、ソース/ドレイン領域117、ソース・ドレインエクステンション118を有するMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタTrを形成する。シリコン基板111の表面の必要な個所に図示しない高融点金属シリサイド層を形成し、カバー絶縁膜106を形成する。カバー絶縁膜106は、たとえばプラズマCVD法により約200nmの厚さに形成されたシリコン酸窒化膜(SiON)116である。   In FIG. 3A, a well 114 is formed in a region partitioned by an element isolation region 112 of an n-type or p-type semiconductor substrate (for example, a silicon substrate) 111. In the active region on the surface of the well 114, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor Tr having a gate insulating film 115, a gate electrode 116, a source / drain region 117, and a source / drain extension 118 is formed. A refractory metal silicide layer (not shown) is formed on a necessary portion of the surface of the silicon substrate 111, and a cover insulating film 106 is formed. The cover insulating film 106 is a silicon oxynitride film (SiON) 116 formed to a thickness of about 200 nm by, for example, plasma CVD.

カバー絶縁膜106の上に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により第1層間絶縁膜107として酸化シリコン膜107を厚さ約1000nmに形成し、第1層間絶縁膜107の上面を化学機械研磨(CMP)法により研磨して平坦化する。CMPの結果、第1層間絶縁膜107の厚さは、シリコン基板111の平坦面上で約700nmとなる。   A silicon oxide film 107 having a thickness of about 1000 nm is formed as a first interlayer insulating film 107 on the cover insulating film 106 by plasma CVD using TEOS gas, and the upper surface of the first interlayer insulating film 107 is chemically mechanically polished ( Polishing and flattening by a CMP method. As a result of CMP, the thickness of the first interlayer insulating film 107 is about 700 nm on the flat surface of the silicon substrate 111.

フォトリソグラフィによりカバー絶縁膜106と第1層間絶縁膜107とをパターニングして、ソース/ドレイン領域117に接続する第1コンタクトホールを、たとえば0.25μmの径で形成する。コンタクトホール内に、厚さが30nmのTi膜上に厚さが20nmのTiN膜を積層したTiN/Ti密着膜(グルー膜)108を形成し、CVD法によりホール内にタングステン(W)膜119を充填して表面を平坦化して、コンタクトプラグ120a〜120cを形成する。さらに、平坦化された基板全面に、SiONの第1酸化防止膜121をプラズマCVD法により、例えば130nmの膜厚に形成する。第1酸化防止膜121上に、TEOSを原料としたプラズマCVD法により、例えば300nmの膜厚の第2層間絶縁膜122を形成する。第1酸化防止膜121はSiONに限らず、シリコン窒化(SiN)膜や酸化アルミニウム(AlO)膜であってもよい。   The cover insulating film 106 and the first interlayer insulating film 107 are patterned by photolithography to form a first contact hole connected to the source / drain region 117 with a diameter of, for example, 0.25 μm. A TiN / Ti adhesion film (glue film) 108 in which a TiN film with a thickness of 20 nm is stacked on a Ti film with a thickness of 30 nm is formed in the contact hole, and a tungsten (W) film 119 is formed in the hole by a CVD method. To flatten the surface to form contact plugs 120a to 120c. Furthermore, a first anti-oxidation film 121 made of SiON is formed to a thickness of, for example, 130 nm on the entire surface of the planarized substrate by plasma CVD. A second interlayer insulating film 122 having a thickness of, for example, 300 nm is formed on the first antioxidant film 121 by plasma CVD using TEOS as a raw material. The first antioxidant film 121 is not limited to SiON, but may be a silicon nitride (SiN) film or an aluminum oxide (AlO) film.

図3Bで、第2層間絶縁膜122と第1酸化防止膜(SiON、AlOなど)121を貫通して、第1コンタクトプラグ120a、120bと電気的に接続される第2コンタクトプラグ125を形成する。第2コンタクトプラグ125は、第1コンタクトプラグ120a〜120cと同様に、グルー膜123とプラグ用導電膜124を有する。第2層間絶縁膜122の上の余分なグルー膜123とプラグ用導電膜124をCMPで研磨する際に、研磨対象であるグルー膜123とプラグ用導電膜124の研磨速度が、下地の第2層間絶縁膜122よりも速くなるようなスラリ、例えばCabot Microelectronics Corporation製のSSW2000を使用する。第2層間絶縁膜122上に研磨残を残さないために、CMPの研磨量はグルー膜122とW膜124の合計膜厚よりも厚く設定され、オーバー研磨される結果、図示はしないが、コンタクトプラグ125の表面にリセスが発生する。   In FIG. 3B, a second contact plug 125 is formed through the second interlayer insulating film 122 and the first antioxidant film (SiON, AlO, etc.) 121 to be electrically connected to the first contact plugs 120a and 120b. . Similar to the first contact plugs 120a to 120c, the second contact plug 125 includes a glue film 123 and a plug conductive film 124. When the excess glue film 123 and the plug conductive film 124 on the second interlayer insulating film 122 are polished by CMP, the polishing rate of the glue film 123 and the plug conductive film 124 to be polished is the second speed of the base. A slurry that is faster than the interlayer insulating film 122, for example, SSW2000 manufactured by Cabot Microelectronics Corporation is used. In order not to leave a polishing residue on the second interlayer insulating film 122, the polishing amount of CMP is set to be thicker than the total film thickness of the glue film 122 and the W film 124, and as a result of overpolishing, the contact is not shown. A recess is generated on the surface of the plug 125.

図3Cで、全面に、結晶性向上のためのグルー膜127を形成する。グルー膜127として、たとえばTiN膜127を形成する。まず、スパッタ法により厚さ10nm以下のチタン(Ti)膜を形成し、ラピッドサーマルアニール(RTA)により窒素雰囲気中で650℃、60秒の熱処理を行って、結晶面が(111)配向のTiN膜127とする。TiN膜127の上に、酸素拡散バリア膜128を形成する。酸素拡散バリア膜128として、たとえば厚さ40nmのチタンアルミニウムナイトライド(TiAlN)膜128を形成する。酸素拡散バリア膜128は、TiAlNに限らず、研磨できる酸窒化チタンアルミニウム(TiAlON)、窒化タンタルアルミニウム(TaAlN)、酸窒化タンタルアルミニウム(TaAlON)、窒化ハフニウムアルミニウム(HfAlN)、酸窒化ハフニウムアルミニウム(HfAlON)、窒化イリジウムシリコン(IrSiN)、酸窒化イリジウムシリコン(IrSiON)、窒化イリジウムアルミニウム(IrAlN)、酸窒化イリジウムアルミニウム(IrAlON)、窒化ルテニウムシリコン(RuSiN)、酸窒化ルテニウムシリコン(RuSiON)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)、窒化ハフニウム(HfN)の中のいずれかの単層膜或いは積層膜でもよい。   In FIG. 3C, a glue film 127 for improving crystallinity is formed on the entire surface. As the glue film 127, for example, a TiN film 127 is formed. First, a titanium (Ti) film having a thickness of 10 nm or less is formed by sputtering, and heat treatment is performed at 650 ° C. for 60 seconds in a nitrogen atmosphere by rapid thermal annealing (RTA). The film 127 is used. An oxygen diffusion barrier film 128 is formed on the TiN film 127. As the oxygen diffusion barrier film 128, for example, a titanium aluminum nitride (TiAlN) film 128 having a thickness of 40 nm is formed. The oxygen diffusion barrier film 128 is not limited to TiAlN, and can be polished titanium aluminum oxynitride (TiAlON), tantalum aluminum nitride (TaAlN), tantalum aluminum oxynitride (TaAlON), hafnium aluminum nitride (HfAlN), hafnium aluminum oxynitride (HfAlON) ), Iridium silicon nitride (IrSiN), iridium silicon oxynitride (IrSiON), iridium aluminum nitride (IrAlN), iridium aluminum oxynitride (IrAlON), ruthenium silicon nitride (RuSiN), ruthenium silicon oxynitride (RuSiON), iridium (Ir) ), Ruthenium (Ru), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), or hafnium nitride (HfN). There.

酸素拡散バリア膜128の上に下部電極膜129mとしてイリジウム(Ir)膜を、30〜50nmの厚さに形成する。Ir膜上に導電性の貴金属酸化膜を積層して下部電極膜129mを二層構造としてもよい。下部電極膜129m上に、強誘電体膜131mとしてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜131mを80nmの厚さに形成する。PZTは、ゾル−ゲル法、CSD法、スパッタ法又はMOCVD法により形成する。強誘電体膜131mは単層でも積層膜でもよく、一例として、70nmと10nmの積層強誘電体膜131mを使用する。強誘電体膜131m上に、上部電極膜132mを形成する。たとえば、第1上部電極膜として成膜の時点で結晶化したIrO膜をスパッタ法により厚さ25nmで形成し、RTAにより、酸素20sccmとアルゴン(Ar)2000sccmの雰囲気中で725℃、120秒の熱処理を行う。この熱処理は強誘電体膜131mを完全に結晶化させる同時に、IrO膜のプラズマダメージも回復でき、PZT中の酸素欠損を補償する。図示はしないが、上部電極膜132m上に、膜厚が100nm〜200nmの第2上部電極膜としてIrO膜を形成してもよい。この場合、工程劣化を抑えるために、IrO膜はIrO2の化学量論組成に近い組成を有するのが望ましい。IrO2の化学量論組成に近い組成とすることで、水素に対する触媒作用を抑制し、水素ラジカルによる強誘電体膜131mの還元を防止して、強誘電体キャパシタの水素耐性を向上することができる。上部電極膜132mの材料として、IrOの代わりにIr、Ru、Rh、Re、Os、Pd、これらの酸化物、及びSrRuO3などの導電性酸化物やこれらの積層構造としてもよい。また第2上部電極膜としてIrO膜を形成する場合は、IrO膜上に水素バリア膜及び導電性向上膜としてスパッタ法によりIr膜を形成してもよい。成膜条件は、たとえば、Ar雰囲気中、1Paの圧力下、1.0kWのスパッタパワーで50nmの厚さに堆積する。水素バリア膜としては、他にRu膜やSrRuO3膜を使うことも可能である。 An iridium (Ir) film is formed as a lower electrode film 129m on the oxygen diffusion barrier film 128 to a thickness of 30 to 50 nm. The lower electrode film 129m may have a two-layer structure by laminating a conductive noble metal oxide film on the Ir film. On the lower electrode film 129m, a lead zirconate titanate (PZT) film 131m having a thickness of 80 nm is formed as the ferroelectric film 131m. PZT is formed by a sol-gel method, a CSD method, a sputtering method, or an MOCVD method. The ferroelectric film 131m may be a single layer or a laminated film. For example, a laminated ferroelectric film 131m of 70 nm and 10 nm is used. An upper electrode film 132m is formed on the ferroelectric film 131m. For example, an IrO x film crystallized at the time of film formation as the first upper electrode film is formed by sputtering to a thickness of 25 nm, and by RTA, in an atmosphere of oxygen 20 sccm and argon (Ar) 2000 sccm, 725 ° C., 120 seconds. The heat treatment is performed. This heat treatment completely crystallizes the ferroelectric film 131m, and at the same time, can recover the plasma damage of the IrO x film, and compensates for oxygen deficiency in PZT. Although not shown, an IrO Y film may be formed on the upper electrode film 132m as a second upper electrode film having a thickness of 100 nm to 200 nm. In this case, it is desirable that the IrO Y film has a composition close to the stoichiometric composition of IrO 2 in order to suppress process deterioration. By setting the composition close to the stoichiometric composition of IrO2, it is possible to suppress the catalytic action against hydrogen, prevent the ferroelectric film 131m from being reduced by hydrogen radicals, and improve the hydrogen resistance of the ferroelectric capacitor. . As the material of the upper electrode film 132m, Ir instead of IrO 2, Ru, Rh, Re , Os, Pd, oxides thereof, and may be a conductive oxide or a stacked structure thereof, such as SrRuO3. When an IrO Y film is formed as the second upper electrode film, an Ir film may be formed on the IrO Y film by sputtering as a hydrogen barrier film and a conductivity improving film. For example, the film is deposited in an Ar atmosphere at a pressure of 1 Pa and a sputtering power of 1.0 kW to a thickness of 50 nm. In addition, a Ru film or a SrRuO3 film can be used as the hydrogen barrier film.

図3Dで、図示しないハードマスクを形成して、結晶性向上のためのグルー膜127から上部電極膜132mまでの積層を所定の形状に加工する。たとえば、金属とシリコン酸化膜の2層ハードマスクを用いて、上部電極膜132m、強誘電体膜131m、及び下部電極膜129mをプラズマエッチングで加工して強誘電体キャパシタ135を形成し、上層のシリコン酸化膜マスクをドライエッチング又はウエットエッチングで除去する。続いて、強誘電体キャパシタ135で覆われていない部分の酸素拡散バリア膜128、結晶性向上のためのグルー膜127、及び上層の金属マスクをエッチバックで除去する。エッチバックは、例えば、ダウンフロー型プラズマエッチングチャンバ内に流量比で5%のCF4ガスと95%O2ガスとの混合ガスをエッチングガスとして供給し、チャンバの上部電極に周波数が2.45GHzでパワーが1400Wの高周波電力を供給して、基板温度200℃の条件で行う。   In FIG. 3D, a hard mask (not shown) is formed, and the stack from the glue film 127 to the upper electrode film 132m for improving crystallinity is processed into a predetermined shape. For example, using a two-layer hard mask of metal and silicon oxide film, the upper electrode film 132m, the ferroelectric film 131m, and the lower electrode film 129m are processed by plasma etching to form the ferroelectric capacitor 135. The silicon oxide mask is removed by dry etching or wet etching. Subsequently, the portion of the oxygen diffusion barrier film 128 not covered with the ferroelectric capacitor 135, the glue film 127 for improving crystallinity, and the upper metal mask are removed by etch back. For example, the etch back is performed by supplying a mixed gas of 5% CF4 gas and 95% O2 gas as an etching gas into a down flow type plasma etching chamber and supplying a power of 2.45 GHz to the upper electrode of the chamber. Is performed at a substrate temperature of 200 ° C. by supplying high-frequency power of 1400 W.

キャパシタ形状に加工された積層構造及び基板の全面を覆って、絶縁性保護膜138を形成する。この例では、絶縁性保護膜138は第1のアルミナ(Al2O3)膜136と第2のAl2O3膜137の積層となっている。第1のAl2O3膜136は、スパッタ法、有機金属気相成長(MOCVD)法、原子層堆積(ALD)法などにより、10〜20nmの膜厚で形成する。絶縁性保護膜138はアルミナに限らず、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコンからなる群から選択された単層または積層膜でもよい。次に、強誘電体膜131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施す。この回復アニールの条件は特に限定されないが、実施形態では、炉内において基板温度550℃〜700℃として行われる。強誘電体膜131がPZTの場合、610℃酸素の雰囲気中60分間のアニールを行うことが望ましい。   An insulating protective film 138 is formed to cover the multilayer structure processed into the capacitor shape and the entire surface of the substrate. In this example, the insulating protective film 138 is a laminate of a first alumina (Al 2 O 3) film 136 and a second Al 2 O 3 film 137. The first Al 2 O 3 film 136 is formed with a thickness of 10 to 20 nm by sputtering, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), atomic layer deposition (ALD), or the like. The insulating protective film 138 is not limited to alumina, but may be a single layer or a laminated film selected from the group consisting of titanium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, and silicon nitride. Next, in order to recover the damage of the ferroelectric film 131, recovery annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere. The conditions for this recovery annealing are not particularly limited, but in the embodiment, the recovery annealing is performed at a substrate temperature of 550 ° C. to 700 ° C. in the furnace. When the ferroelectric film 131 is PZT, it is desirable to perform annealing for 60 minutes in an atmosphere of 610 ° C. oxygen.

図3Eで、全面に、例えばプラズマTEOSCVD法により、例えば膜厚が1300nmの第3層間絶縁膜139を形成する。第3層間絶縁膜139としてシリコン酸化膜139を形成する場合には、原料ガスとして、例えば、TEOSガスと酸素ガスとヘリウムガスとの混合ガスを用いる。TEOS膜に替えて、無機絶縁膜を形成してもよい。   In FIG. 3E, a third interlayer insulating film 139 having a thickness of, for example, 1300 nm is formed on the entire surface by, eg, plasma TEOSCVD. When the silicon oxide film 139 is formed as the third interlayer insulating film 139, for example, a mixed gas of TEOS gas, oxygen gas, and helium gas is used as the source gas. An inorganic insulating film may be formed instead of the TEOS film.

図3Fで、例えばCMP法により、第3層間絶縁膜139の表面を平坦化する。このCMP工程で、絶縁性保護膜138(あるいは第2Al2O3膜137)をCMPのストッパ膜として用いる。平坦化により、強誘電体キャパシタ135の上部電極132の表面を覆う絶縁性保護膜138が露出し、第3層間絶縁膜139の厚さは、第2層間絶縁膜122に対する強誘電体キャパシタ135の高さとほぼ同じになる。この構成は、図1の従来構成と異なる点である。   In FIG. 3F, the surface of the third interlayer insulating film 139 is planarized by, eg, CMP. In this CMP process, the insulating protective film 138 (or the second Al 2 O 3 film 137) is used as a CMP stopper film. By the planarization, the insulating protective film 138 covering the surface of the upper electrode 132 of the ferroelectric capacitor 135 is exposed, and the thickness of the third interlayer insulating film 139 is such that the thickness of the ferroelectric capacitor 135 with respect to the second interlayer insulating film 122 is increased. It becomes almost the same as the height. This configuration is different from the conventional configuration of FIG.

図3Gで、フォトリソグラフィとエッチングにより絶縁性保護膜138(第1のAl2O3膜136と第2のAl2O3膜137を含む)をパターニングし、上部電極132上の絶縁性保護膜138に第1の開口141を形成する。上部電極132の端部は絶縁性保護膜138に覆われている。上部電極132の端部を除く領域が、開口141内に露出する。   In FIG. 3G, the insulating protective film 138 (including the first Al 2 O 3 film 136 and the second Al 2 O 3 film 137) is patterned by photolithography and etching, and a first opening is formed in the insulating protective film 138 on the upper electrode 132. 141 is formed. An end portion of the upper electrode 132 is covered with an insulating protective film 138. A region excluding the end portion of the upper electrode 132 is exposed in the opening 141.

図3Hで、従前の工程で強誘電体膜131が受けたダメージを回復するために、酸素含有雰囲気中で基板温度を約400〜500℃(例えば450℃)として回復アニールを行う。   In FIG. 3H, recovery annealing is performed at a substrate temperature of about 400 to 500 ° C. (eg, 450 ° C.) in an oxygen-containing atmosphere in order to recover the damage received by the ferroelectric film 131 in the previous step.

図3Iで、第3層間絶縁膜139と第2層間絶縁膜122に、コンタクトプラグ120bに接続するコンタクトホール143を形成する。   In FIG. 3I, a contact hole 143 connected to the contact plug 120b is formed in the third interlayer insulating film 139 and the second interlayer insulating film 122.

図3Jで、アルゴンプラズマを用いるRFエッチングにより、開口141内で露出している上部電極132や、コンタクトホール143内で露出するタングステン膜119の表面の自然酸化膜を除去する。次に、開口141内及びコンタクトホール143内を含む基板全面に、導電性保護膜144を形成する。導電性保護膜144として、たとえばTiN膜144をスパッタ法により100nm程度の厚さに形成する。開口141の深さは、絶縁性保護膜138の厚さに対応し、浅い開口141内に導電性保護膜144が均一な膜厚及び膜質で形成される。開口141内を埋める導電性保護膜144は、上部電極132をカバーして強誘電体キャパシタ135への水素やフッ素等の侵入を防止する。これにより水素やフッ素等の元素によって強誘電体キャパシタ135に欠損やボイドが形成されるのを防止できる。なお、下層のコンタクトプラグ120bに接続するコンタクトホール143のアスペクト比は1を超えて比較的高いので、導電性保護膜144の形成時には、SIP(Self-Ionized Plasma)技術を用いたスパッタ法のように、良好なカバレッジで成膜可能なスパッタ法を用いるのが望ましい。導電性保護膜144は、TiNに限らず、窒化タンタル(TaN)、窒化ハフニウム(HfN)、窒化クロム(CrN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化チタンアルミニウム(TiAlN)、酸窒化チタンアルミニウム(TiAlON)、窒化タンタルアルミニウム(TaAlN)、酸窒化タンタルアルミニウム(TaAlON)、窒化ハフニウムアルミニウム(HfAlN)、酸窒化ハフニウムアルミニウム(HfAlON)、窒化クロムアルミニウム(CrAlN)、酸窒化クロムアルミニウム(CrAlON)、窒化ジルコニウムアルミニウム(ZrAlN)、酸窒化ジルコニウムアルミニウム(ZeAlON)、窒化イリジウムシリコン(IrSiN)、酸窒化イリジウムシリコン(IrSiON)、窒化イリジウムアルミニウム(IrAlN)、酸窒化イリジウムアルミニウム(IrAlON)、窒化ルテニウムシリコン(RuSiN)、酸窒化ルテニウムシリコン(RuSiON)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)からなる群から選択された単層または積層膜でもよい。導電性保護膜144は、スパッタ法の他、めっき法、有機金属分解法、CSD(Chemical Solution Deposition)法、化学気相蒸着法、エピタキシャル成長法、及びMOCVD法のいずれかを用いて形成してもよい。   In FIG. 3J, the natural oxide film on the surface of the upper electrode 132 exposed in the opening 141 and the surface of the tungsten film 119 exposed in the contact hole 143 is removed by RF etching using argon plasma. Next, a conductive protective film 144 is formed on the entire surface of the substrate including the opening 141 and the contact hole 143. As the conductive protective film 144, for example, a TiN film 144 is formed with a thickness of about 100 nm by sputtering. The depth of the opening 141 corresponds to the thickness of the insulating protective film 138, and the conductive protective film 144 is formed in the shallow opening 141 with a uniform film thickness and film quality. The conductive protection film 144 filling the opening 141 covers the upper electrode 132 and prevents entry of hydrogen, fluorine, or the like into the ferroelectric capacitor 135. As a result, it is possible to prevent defects and voids from being formed in the ferroelectric capacitor 135 by elements such as hydrogen and fluorine. The contact hole 143 connected to the lower contact plug 120b has a relatively high aspect ratio exceeding 1, so that the conductive protective film 144 is formed by a sputtering method using SIP (Self-Ionized Plasma) technology. In addition, it is desirable to use a sputtering method capable of forming a film with good coverage. The conductive protective film 144 is not limited to TiN, but tantalum nitride (TaN), hafnium nitride (HfN), chromium nitride (CrN), zirconium nitride (ZrN), titanium aluminum nitride (TiAlN), titanium aluminum oxynitride (TiAlON) Tantalum aluminum nitride (TaAlN), tantalum aluminum oxynitride (TaAlON), hafnium aluminum nitride (HfAlN), hafnium aluminum oxynitride (HfAlON), chromium aluminum nitride (CrAlN), chromium aluminum oxynitride (CrAlON), zirconium aluminum nitride ( ZrAlN), zirconium aluminum oxynitride (ZeAlON), iridium silicon nitride (IrSiN), iridium silicon oxynitride (IrSiON), iridium aluminum nitride (IrAlN), iridium aluminum oxynitride (IrAlON), ruthenium silicon nitride (RuSiN), oxynitride Ruthenium silicon (RuSiON), titanium (Ti), tantalum (Ta), iri It may be a single layer or a laminated film selected from the group consisting of palladium (Ir) and ruthenium (Ru). The conductive protective film 144 may be formed using any one of a plating method, an organic metal decomposition method, a CSD (Chemical Solution Deposition) method, a chemical vapor deposition method, an epitaxial growth method, and an MOCVD method in addition to the sputtering method. Good.

図3Kで、導電性保護膜144上にプラグ用の導電膜として、スパッタ法によりタングステン(W)膜145を300nm程度の厚さに形成して、コンタクトホール143内を埋め込む。CVD法では、たとえば六フッ化タングステンガスと水素ガスの混合ガスを使用する。前工程の図3Jで、上部電極132上の浅い開口141内に、空洞のない均一な導電性保護膜144が形成されている。また、コンタクトホール143の側壁で露出する絶縁性保護膜138も、均一な導電性保護膜144で覆われているので、タングステン膜145の成膜時に発生する水素やフッ素から強誘電体キャパシタ135を保護することができる。プラグ用の導電膜145はタングステン膜145に限定されず、銅膜やポリシリコン膜であってもよい。銅膜については、成膜雰囲気に水素が含まれるCVD法で成膜する場合に、上部電極132上の導電性保護膜144による水素バリアの実益が大きい。また、ポリシリコン膜の成膜雰囲気にも水素が含まれるので、水素バリア性の高い導電性保護膜144を形成することにより水素から強誘電体キャパシタ135を保護することができる。基板上の余分な導電膜保護膜144とプラグ用の導電膜145をCMP法により研磨することで、図3Kのようなコンタクトプラグ146と、上部電極132上の浅い開口141内に、上部電極132上の絶縁性保護膜138とほぼ同じ厚さの導電性保護膜144が得られる。   In FIG. 3K, a tungsten (W) film 145 having a thickness of about 300 nm is formed as a plug conductive film on the conductive protective film 144 by sputtering, and the contact hole 143 is buried. In the CVD method, for example, a mixed gas of tungsten hexafluoride gas and hydrogen gas is used. In FIG. 3J of the previous step, a uniform conductive protective film 144 without a cavity is formed in the shallow opening 141 on the upper electrode 132. Further, since the insulating protective film 138 exposed at the side wall of the contact hole 143 is also covered with the uniform conductive protective film 144, the ferroelectric capacitor 135 is made of hydrogen or fluorine generated when the tungsten film 145 is formed. Can be protected. The plug conductive film 145 is not limited to the tungsten film 145, and may be a copper film or a polysilicon film. As for the copper film, when the film is formed by the CVD method in which hydrogen is included in the film formation atmosphere, the practical benefit of the hydrogen barrier by the conductive protective film 144 on the upper electrode 132 is great. Further, since the polysilicon film formation atmosphere also contains hydrogen, the ferroelectric capacitor 135 can be protected from hydrogen by forming the conductive protective film 144 having a high hydrogen barrier property. By polishing the excess conductive film protective film 144 and the plug conductive film 145 on the substrate by CMP, the upper electrode 132 is placed in the contact plug 146 and the shallow opening 141 on the upper electrode 132 as shown in FIG. A conductive protective film 144 having the same thickness as that of the upper insulating protective film 138 is obtained.

図3Lで、アルゴンプラズマを用いたエッチングによりコンタクトプラグ146の上面の自然酸化膜を除去し、コンタクトプラグ146と、導電性保護膜144に対応して、配線パターン151を形成する。たとえば、スパッタ法により膜厚が60nmのTi膜と膜厚が30nmのTiN膜の積層147、膜厚が360nmのAlCu合金膜148、膜厚が70nmのTiN膜と膜厚が5nmのTi膜の積層149を順次形成する。フォトリソグラフィ技術を用いて積層膜をパターニングすることで、TiN/Ti膜147、AlCu合金膜148、Ti/TiN膜149の三層の配線パターン151が形成される。配線パターン151を第1メタル配線層とする。その後、図示はしないが、層間絶縁膜の形成、コンタクトプラグの形成及び第2メタル配線以降の配線の形成を行い、たとえばTEOS酸化膜とSiN膜からなるカバー膜を形成して強誘電体キャパシタ135を有する強誘電体メモリ100Aを完成させる。   In FIG. 3L, the natural oxide film on the upper surface of the contact plug 146 is removed by etching using argon plasma, and a wiring pattern 151 is formed corresponding to the contact plug 146 and the conductive protection film 144. For example, by sputtering, a Ti film having a thickness of 60 nm and a TiN film having a thickness of 30 nm are laminated 147, an AlCu alloy film 148 having a thickness of 360 nm, a TiN film having a thickness of 70 nm, and a Ti film having a thickness of 5 nm. Stacks 149 are formed sequentially. By patterning the laminated film using a photolithography technique, a three-layer wiring pattern 151 of a TiN / Ti film 147, an AlCu alloy film 148, and a Ti / TiN film 149 is formed. The wiring pattern 151 is a first metal wiring layer. Thereafter, although not shown, an interlayer insulating film, a contact plug, and a second metal wiring are formed, and a cover film made of, for example, a TEOS oxide film and a SiN film is formed to form a ferroelectric capacitor 135. The ferroelectric memory 100A having the above is completed.

上述のように、強誘電体キャパシタ135の側面と上部電極132の一部(端部)を絶縁性保護膜138で覆い、絶縁性保護膜138の浅い開口141内に露出する上部電極132上に、均一な導電性保護膜を形成して強誘電体キャパシタ135を保護する。これにより、タングステンや銅などのコンタクトプラグを形成する際に、水素やフッ素が強誘電体キャパシタ135の上部電極132や強誘電体膜131へ浸入することを防ぐことができる。また、配線151からの水分や水素も導電性保護膜144と絶縁性保護膜138によってバリアされるので、強誘電体キャパシタ135の強誘電性の低下を抑制することができる。この構成と手法により、デバイスの歩留まりが向上する。   As described above, the side surface of the ferroelectric capacitor 135 and a part (end portion) of the upper electrode 132 are covered with the insulating protective film 138, and the upper electrode 132 is exposed in the shallow opening 141 of the insulating protective film 138. A uniform conductive protective film is formed to protect the ferroelectric capacitor 135. Thereby, it is possible to prevent hydrogen and fluorine from entering the upper electrode 132 and the ferroelectric film 131 of the ferroelectric capacitor 135 when forming a contact plug such as tungsten or copper. In addition, since moisture and hydrogen from the wiring 151 are also barriered by the conductive protective film 144 and the insulating protective film 138, a decrease in ferroelectricity of the ferroelectric capacitor 135 can be suppressed. With this configuration and method, device yield is improved.

図4は、実施例2の強誘電体メモリ100Bの概略断面図である。実施例2について、実施例1と異なる部分を説明する。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the ferroelectric memory 100B according to the second embodiment. In the second embodiment, parts different from the first embodiment will be described.

実施例2では、絶縁性保護膜138をストッパとして用いて第3層間絶縁膜139を強誘電体キャパシタ135の高さまでCMPで研磨した後に、フラットな第2の絶縁性保護膜153を形成する。第2の絶縁性保護膜153は、たとえば20〜50nmの膜厚を有し、スパッタ法、MOCVD法、ALD法などにより形成される。第2の絶縁性保護膜153は、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコンからなる群から選択される1以上の材料を用いた単層または積層の膜である。   In Example 2, the third interlayer insulating film 139 is polished to the height of the ferroelectric capacitor 135 by CMP using the insulating protective film 138 as a stopper, and then a flat second insulating protective film 153 is formed. The second insulating protective film 153 has a thickness of 20 to 50 nm, for example, and is formed by sputtering, MOCVD, ALD, or the like. The second insulating protective film 153 uses one or more materials selected from the group consisting of aluminum oxide, titanium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, and silicon nitride. It is a single layer or laminated film.

その後、実施例1の図3Iと同じ方法で、コンタクトホール143を開口し、導電性保護膜144及びプラグ用の導電膜145、上層の金属配線151を形成する。コンタクトホール143の形成前に、回復アニールを行ってもよい。   Thereafter, the contact hole 143 is opened by the same method as FIG. 3I of the first embodiment, and the conductive protective film 144, the plug conductive film 145, and the upper metal wiring 151 are formed. Recovery annealing may be performed before the contact hole 143 is formed.

実施例2では、絶縁性保護膜138をストッパとして第3層間絶縁膜139をCMP研磨するときに、ある程度オーバー研磨が発生しても、その後、第2の絶縁性保護膜153を形成するので、コンタクトプラグ146の形成およびそれ以降の配線形成工程で発生する水素や水はキャパシタへ浸入しない。実施例1より、効果的にキャパシタの強誘電性を保つことができる。   In Example 2, when the third interlayer insulating film 139 is subjected to CMP polishing using the insulating protective film 138 as a stopper, the second insulating protective film 153 is formed even after over-polishing to some extent. Hydrogen and water generated in the formation of the contact plug 146 and the subsequent wiring formation process do not enter the capacitor. From Example 1, the ferroelectricity of the capacitor can be effectively maintained.

図5は、実施例3の強誘電体メモリ100Cの概略断面図である。実施例3について、実施例1と異なる部分を説明する。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the ferroelectric memory 100C according to the third embodiment. A difference between the third embodiment and the first embodiment will be described.

実施例3では、トランジスタTrを覆う第1層間絶縁膜107に、トランジスタTrのソース又はドレインの一方に接続されるコンタクトプラグ120a及び120cを形成した後、酸化防止膜121と第2層間絶縁膜122を形成せずに、そのままキャパシタ用の積層を形成する。すなわち、第1層間絶縁膜107上に、結晶性向上のためのグルー膜127、酸素拡散バリア膜128、下部電極膜129m、強誘電体膜131m、及び上部電極膜132mを順次積層して(図3C参照)所定の形状に加工し、強誘電体キャパシタ135を形成する。強誘電体キャパシタとウェハ全面に絶縁性保護膜138を形成した後、全面を覆う第3層間絶縁膜139を形成し、上部電極132上に位置する絶縁性保護膜138をストッパとして第3層間絶縁膜139を平坦化する。その後、上部電極132上に位置する絶縁性保護膜138に開口141を形成して回復アニールを行う。   In Example 3, after forming contact plugs 120a and 120c connected to one of the source or drain of the transistor Tr in the first interlayer insulating film 107 covering the transistor Tr, the antioxidant film 121 and the second interlayer insulating film 122 are formed. The capacitor stack is formed as it is. That is, a glue film 127 for improving crystallinity, an oxygen diffusion barrier film 128, a lower electrode film 129m, a ferroelectric film 131m, and an upper electrode film 132m are sequentially stacked on the first interlayer insulating film 107 (FIG. 3C) The ferroelectric capacitor 135 is formed by processing into a predetermined shape. After forming an insulating protective film 138 on the entire surface of the ferroelectric capacitor and the wafer, a third interlayer insulating film 139 is formed to cover the entire surface, and the third interlayer insulating film is formed using the insulating protective film 138 located on the upper electrode 132 as a stopper. The film 139 is planarized. Thereafter, an opening 141 is formed in the insulating protective film 138 located on the upper electrode 132, and recovery annealing is performed.

実施例3では、第2層間絶縁膜を排除しているので、回復アニールの後、第3層間絶縁膜139と第1層間絶縁膜107を貫通してトランジスタTrのソース又はドレインの他方と接続されるコンタクトホールを形成する。開口141内の上部電極132上と、コンタクトホール内壁に導電性保護膜144を形成し、コンタクトホール内を導電膜154で埋め込んでコンタクトプラグ156を形成する。その後のプロセスは実施例1と同じである。   In the third embodiment, since the second interlayer insulating film is excluded, after the recovery annealing, the third interlayer insulating film 139 and the first interlayer insulating film 107 are penetrated and connected to the other of the source or the drain of the transistor Tr. A contact hole is formed. A conductive protection film 144 is formed on the upper electrode 132 in the opening 141 and on the inner wall of the contact hole, and the contact hole is filled with the conductive film 154 to form a contact plug 156. The subsequent process is the same as in Example 1.

実施例3では、トランジスタTrのソース又はドレインの他方に接続されるコンタクトプラグ156を一度の処理で形成することができる。強誘電体キャパシタ135への水素やフッ素の侵入防止効果は、実施例1及び2と同じである。   In the third embodiment, the contact plug 156 connected to the other of the source and the drain of the transistor Tr can be formed by a single process. The effect of preventing hydrogen and fluorine from entering the ferroelectric capacitor 135 is the same as in the first and second embodiments.

図6は、実施例4の強誘電体メモリ100Dの概略断面図である。実施例4は、絶縁性保護膜138に形成された開口141を導電性保護膜144で埋めて上部電極132を保護する構成を、プレーナ型のキャパシタに適用する。また、実施例3と同様に、第2層間絶縁膜122を省略して、CMOSバルク上にそのまま結晶性向上のためのグルー膜127、酸素拡散バリア膜128、下部電極膜169、強誘電体膜171、及び上部電極膜172を順次形成して、キャパシタ用の積層を形成する。   FIG. 6 is a schematic sectional view of a ferroelectric memory 100D according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment, the configuration in which the opening 141 formed in the insulating protective film 138 is filled with the conductive protective film 144 to protect the upper electrode 132 is applied to a planar capacitor. Similarly to the third embodiment, the second interlayer insulating film 122 is omitted, and the glue film 127 for improving the crystallinity, the oxygen diffusion barrier film 128, the lower electrode film 169, and the ferroelectric film are directly formed on the CMOS bulk. 171 and the upper electrode film 172 are sequentially formed to form a capacitor stack.

キャパシタ用の積層を、プレーナ型の強誘電体キャパシタ175の形状に加工した後、強誘電体キャパシタ175とウェハ全面を覆う絶縁性保護膜138を形成する。全面に第3層間絶縁膜139を形成し、上部電極172上に位置する絶縁性保護膜138をストッパとして第3層間絶縁膜139を研磨して平坦化する。その後、上部電極132上に位置する絶縁性保護膜138の開口141と、下部電極169接続用のコンタクトホールを形成して回復アニールを行う。さらに、下層のコンタクトプラグ120に接続するプラグ125用のトランジスタ接続用のコンタクトホールを形成し、実施例1と同じ方法で、開口141を埋める導電性保護膜144と、下部電極169接続用のコンタクトホール内壁のグルー膜161と、トランジスタ接続用のコンタクトホール内壁のグルー膜123を形成する。続いてコントタクトホールを埋めるプラグ用導電膜124、162を形成し、全体を平坦化する。これにより、上部電極172を覆う導電性保護膜144と、コンタクトプラグ163、125が形成される。その後、実施例1と同様に、配線151を形成する。   After the capacitor stack is processed into the shape of a planar ferroelectric capacitor 175, an insulating protective film 138 that covers the ferroelectric capacitor 175 and the entire wafer surface is formed. A third interlayer insulating film 139 is formed on the entire surface, and the third interlayer insulating film 139 is polished and planarized using the insulating protective film 138 positioned on the upper electrode 172 as a stopper. Thereafter, an opening 141 of the insulating protective film 138 located on the upper electrode 132 and a contact hole for connecting the lower electrode 169 are formed, and recovery annealing is performed. Further, a transistor connection contact hole for the plug 125 connected to the lower contact plug 120 is formed, and the conductive protective film 144 filling the opening 141 and the contact for connecting the lower electrode 169 are formed in the same manner as in the first embodiment. A glue film 161 on the inner wall of the hole and a glue film 123 on the inner wall of the contact hole for transistor connection are formed. Subsequently, plug conductive films 124 and 162 for filling the contact holes are formed, and the whole is planarized. Thereby, the conductive protective film 144 and the contact plugs 163 and 125 covering the upper electrode 172 are formed. Thereafter, the wiring 151 is formed as in the first embodiment.

下部電極接続用のコンタクトプラグ163は、強誘電体キャパシタ173の高さに揃う厚さの第3層間絶縁膜139に形成され、そのアスペクト比は1より小さい。また、トランジスタ接続用のコンタクトプラグ125のアスペクト比も1程度である。したがって、均一な膜厚と膜質の導電性保護膜144、及びグルー膜123,161を形成することができ、タングステンや銅などのプラグ用導電膜124、161を成膜する際の還元雰囲気から強誘電体キャパシタ175を保護することができる。   The contact plug 163 for connecting the lower electrode is formed on the third interlayer insulating film 139 having a thickness aligned with the height of the ferroelectric capacitor 173 and its aspect ratio is smaller than 1. The aspect ratio of the contact plug 125 for connecting transistors is about 1. Therefore, it is possible to form the conductive protective film 144 and the glue films 123 and 161 having a uniform film thickness and quality, and strong from the reducing atmosphere when the plug conductive films 124 and 161 such as tungsten and copper are formed. The dielectric capacitor 175 can be protected.

図7は、実施例5の強誘電体メモリ100Eの概略断面図である。実施例5は、実施例4と同様にプレーナ型の強誘電体キャパシタ175を用いるとともに、実施例2と同様に上部電極172上の絶縁性保護膜138と第3層間絶縁膜139を覆うフラットな第2の絶縁性保護膜153を形成する。この構成も、実施例1−4と同様に強誘電体キャパシタ175への水素やフッ素の侵入を防止して、強誘電性を維持することができる。   FIG. 7 is a schematic sectional view of a ferroelectric memory 100E according to the fifth embodiment. In the fifth embodiment, a planar ferroelectric capacitor 175 is used as in the fourth embodiment, and a flat covering the insulating protective film 138 and the third interlayer insulating film 139 on the upper electrode 172 is performed as in the second embodiment. A second insulating protective film 153 is formed. This configuration can also maintain the ferroelectricity by preventing the entry of hydrogen and fluorine into the ferroelectric capacitor 175 as in the case of Example 1-4.

実施例1〜5を通して、開口141内で上部電極132、172を保護する導電性保護膜144として、2層以上の積層膜を形成してもよい。下部電極129,169として、Ir、Ru、Pt、Pd、Os、Rh、IrOx、RuOx、PtOx、PdOx、OsOx、RhOx、SrRuO3からなる群から選択される材料の単層または積層膜を用いることができる。   Through Examples 1 to 5, two or more laminated films may be formed as the conductive protective film 144 that protects the upper electrodes 132 and 172 in the opening 141. As the lower electrodes 129 and 169, a single layer or a stacked film of a material selected from the group consisting of Ir, Ru, Pt, Pd, Os, Rh, IrOx, RuOx, PtOx, PdOx, OsOx, RhOx, and SrRuO3 may be used. it can.

強誘電体131、171の形成方法としては、スパッタ法やMOCVD法の他に、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を用いることができる。強誘電体131、171としては、例えば、熱処理により結晶構造がBi層状構造又はペロブスカイト構造となる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ABOで表される膜が挙げられる。 Ferroelectrics 131 and 171 may be formed by sputtering, MOCVD, sol-gel, organometallic decomposition (MOD), CSD (Chemical Solution Deposition), or chemical vapor deposition (CVD). In addition, an epitaxial growth method or the like can be used. As the ferroelectrics 131 and 171, for example, a film whose crystal structure becomes a Bi layer structure or a perovskite structure can be formed by heat treatment. 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. .

上部電極132、172を形成する際には、例えば、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、レニウム、オスミウム及び/又はパラジウム等の貴金属元素を含むターゲットを用いたスパッタリングを、これらの貴金属元素の酸化が生じる条件下で行うことができる。   When the upper electrodes 132 and 172 are formed, for example, sputtering using a target containing a noble metal element such as platinum, iridium, ruthenium, rhodium, rhenium, osmium and / or palladium causes oxidation of these noble metal elements. Under the conditions.

いずれの場合も、強誘電体キャパシタ135、175の側面と上面の一部を保護する絶縁性保護膜に形成された開口141は非常に浅く、均一な膜厚、膜質の導電性保護膜144で上部電極132、172を保護することができる。また、プレーナ型の強誘電体キャパシタを形成する場合も、下部電極169に接続するコンタクトプラグのアスペクト比が1より小さくなり、還元雰囲気中での成膜処理で、水素やフッ素がコンタクトプラグ163か層間絶縁膜139から強誘電体キャパシタ175に侵入するのを防止できる。   In any case, the opening 141 formed in the insulating protective film that protects part of the side surfaces and the upper surface of the ferroelectric capacitors 135 and 175 is very shallow, and the conductive protective film 144 has a uniform film thickness and quality. The upper electrodes 132 and 172 can be protected. Also, in the case of forming a planar type ferroelectric capacitor, the aspect ratio of the contact plug connected to the lower electrode 169 is smaller than 1, and hydrogen or fluorine is removed from the contact plug 163 in the film forming process in a reducing atmosphere. Intrusion into the ferroelectric capacitor 175 from the interlayer insulating film 139 can be prevented.

製造過程では、強誘電体キャパシタ135,175の上部電極132,172上の絶縁性保護膜138をストッパとして層間絶縁膜139を研磨し、その上に配線151を形成することで、簡単なプロセスでデバイスの縦方向(基板面に対して垂直な方向)のサイズを小さくできる。同時に、層間絶縁膜139から水分、水素、フッ素等が強誘電体膜131、171へ浸入することを防げ、上部電極132,172へのダメージも抑制される。強誘電体キャパシタ135,175のスイッチング特性が良好に維持され、デバイスの歩留まりが向上する。   In the manufacturing process, the interlayer insulating film 139 is polished by using the insulating protective film 138 on the upper electrodes 132 and 172 of the ferroelectric capacitors 135 and 175 as a stopper, and the wiring 151 is formed thereon. The size of the device in the vertical direction (direction perpendicular to the substrate surface) can be reduced. At the same time, moisture, hydrogen, fluorine and the like are prevented from entering the ferroelectric films 131 and 171 from the interlayer insulating film 139, and damage to the upper electrodes 132 and 172 is also suppressed. The switching characteristics of the ferroelectric capacitors 135 and 175 are maintained well, and the device yield is improved.

以下の説明に対し、以下の付記を提示する。
(付記1)
半導体基板上に、下部電極と強誘電体膜と上部電極を有するキャパシタを形成し、
前記キャパシタの側面と上面を覆う絶縁性保護膜を形成し、
前記絶縁性保護膜上に層間絶縁膜を形成し、
前記層間絶縁膜を、前記キャパシタの前記上面を覆う前記絶縁性保護膜の位置まで研磨し、
前記研磨の後に、前記キャパシタの前記上部電極の一部を露出する開口と、前記下部電極または前記半導体基板上のトランジスタ上方にコンタクトホールを形成し、
前記開口内と前記コンタクトホール内に、前記下部電極または前記トランジスタと電気的に接続する第1導体膜と第2導体膜を順次形成し、
前記第1導体膜と前記第2導体膜を、前記上部電極上に残る前記絶縁性保護膜の位置まで研磨して、前記開口内を埋める導電性保護膜と、前記コンタクトホールを埋めるコンタクトプラグとを形成し、
前記導電性保護膜上と前記コンタクトプラグ上に配線を形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記2)
前記開口と、前記コンタクトホールのアスペクト比を1以下に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。
(付記3)
前記第1導体膜と前記第2導体膜の前記研磨により、前記開口内に、前記絶縁性保護膜の厚さと揃う前記導電性保護膜が形成さ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。
(付記4)
前記開口は、前記第1導体膜で完全に埋め込まれ、前記第1導体膜と前記第2導体膜の前記研磨により、前記導電性保護膜が前記第1導体膜で形成されることを特徴とする付記3に記載の半導体装置の製造方法。
(付記5)
前記絶縁性保護膜に前記開口を形成した後に、前記強誘電体キャパシタに対して酸素含有雰囲気中で熱処理を施す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。
(付記6)
前記層間絶縁膜の前記研磨の後に、前記強誘電体キャパシタの前記上面を覆う部分の前記絶縁性保護膜上と前記層間絶縁膜上に平坦な第2の絶縁性保護膜を形成することを特徴とする付記1〜5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記7)
前記絶縁性保護膜は、アルミナ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコンからなる群から選択される単層または積層の膜であることを特徴とする付記1〜6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記8)
前記導電性保護膜は、窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)、窒化ハフニウム(HfN)、窒化クロム(CrN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化チタンアルミニウム(TiAlN)、酸窒化チタンアルミニウム(TiAlON)、窒化タンタルアルミニウム(TaAlN)、酸窒化タンタルアルミニウム(TaAlON)、窒化ハフニウムアルミニウム(HfAlN)、酸窒化ハフニウムアルミニウム(HfAlON)、窒化クロムアルミニウム(CrAlN)、酸窒化クロムアルミニウム(CrAlON)、窒化ジルコニウムアルミニウム(ZrAlN)、酸窒化ジルコニウムアルミニウム(ZeAlON)、窒化イリジウムシリコン(IrSiN)、酸窒化イリジウムシリコン(IrSiON)、窒化イリジウムアルミニウム(IrAlN)、酸窒化イリジウムアルミニウム(IrAlON)、窒化ルテニウムシリコン(RuSiN)、酸窒化ルテニウムシリコン(RuSiON)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)からなる群から選択される単層または積層の膜で形成することを特徴とする付記1〜7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記9)
前記下部電極は、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、ロジウム(Rh)、酸化イリジウム(IrOx)、酸化ルテニウム(RuOx)、酸化白金(PtOx)、酸化パラジウム(PdOx)、酸化オスミウム(OsOx)、酸化ロジウム(RhOx)膜、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO3)からなる群から選択される単層または積層の膜で形成されることを特徴とする付記1〜8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記強誘電体膜は、ペロブスカイト構造の化合物膜又はビスマス層状系構造の化合物膜であ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。
(付記11)
上部電極は、貴金属の酸化物を含有する導電膜で形成されることを特徴とする付記1〜10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
前記貴金属の酸化物は、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、オスミウム(Os)、ロジウム(Rh)、及びパラジウム(Pd)からなる群から選択される一の元素の酸化物であることを特徴とする付記11に記載の半導体装置の製造方法。
(付記13)
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、下部電極と強誘電体膜と上部電極とを有するキャパシタと、
前記上部電極の上面の一部と前記キャパシタの側面とを覆う絶縁性保護膜と、
前記上部電極の前記絶縁性保護膜に覆われていない領域を覆う導電性保護膜であって、前記絶縁性保護膜と表面位置が揃う導電性保護膜と、
前記導電性保護膜に接続される配線と、
を有することを特徴とする半導体装置。
(付記14)
前記キャパシタを、前記キャパシタの前記上面に位置する前記絶縁性保護膜の位置まで埋める層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成され、前記キャパシタの前記下部電極または前記層間絶縁膜の直下のプラグ電極に接続されるコンタクトプラグと、
をさらに有し、前記コンタクトプラグのアスペクト比は1以下であることを特徴とする付記13に記載の半導体装置。
(付記15)
前記導電性保護膜の底面は前記上部電極と接し、前記導電性保護膜の上面は前記配線に接していることを特徴とする付記13に記載の半導体装置。
(付記16)
前記配線層は、前記導電性保護膜に接する第1金属膜と、前記第1金属膜上の第2金属膜と、前記第2金属膜上の第3金属膜が積層された配線であることを特徴とする付記13に記載の半導体装置。
The following notes are presented for the following explanation.
(Appendix 1)
A capacitor having a lower electrode, a ferroelectric film, and an upper electrode is formed on a semiconductor substrate,
Forming an insulating protective film covering the side surface and the upper surface of the capacitor;
Forming an interlayer insulating film on the insulating protective film;
Polishing the interlayer insulating film to the position of the insulating protective film covering the upper surface of the capacitor,
After the polishing, an opening exposing a part of the upper electrode of the capacitor and a contact hole above the transistor on the lower electrode or the semiconductor substrate,
A first conductor film and a second conductor film electrically connected to the lower electrode or the transistor are sequentially formed in the opening and the contact hole,
Polishing the first conductor film and the second conductor film to the position of the insulating protective film remaining on the upper electrode to fill the opening; and a contact plug filling the contact hole; Form the
Forming wiring on the conductive protective film and on the contact plug;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: manufacturing a semiconductor device.
(Appendix 2)
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 1, wherein an aspect ratio of the opening and the contact hole is 1 or less.
(Appendix 3)
2. The semiconductor according to claim 1, wherein the conductive protective film having the same thickness as the insulating protective film is formed in the opening by the polishing of the first conductive film and the second conductive film. Device manufacturing method.
(Appendix 4)
The opening is completely filled with the first conductor film, and the conductive protective film is formed of the first conductor film by the polishing of the first conductor film and the second conductor film. A manufacturing method of a semiconductor device according to attachment 3.
(Appendix 5)
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein after the opening is formed in the insulating protective film, the ferroelectric capacitor is heat-treated in an oxygen-containing atmosphere.
(Appendix 6)
After the polishing of the interlayer insulating film, a flat second insulating protective film is formed on the insulating protective film and on the interlayer insulating film in a portion covering the upper surface of the ferroelectric capacitor. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 5.
(Appendix 7)
The insulating protective film is a single layer or a laminated film selected from the group consisting of alumina, titanium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, and silicon nitride. A manufacturing method of a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 6,
(Appendix 8)
The conductive protective film includes titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), hafnium nitride (HfN), chromium nitride (CrN), zirconium nitride (ZrN), titanium aluminum nitride (TiAlN), and titanium aluminum oxynitride (TiAlON). ), Tantalum aluminum nitride (TaAlN), tantalum aluminum oxynitride (TaAlON), hafnium aluminum nitride (HfAlN), hafnium aluminum oxynitride (HfAlON), chromium aluminum nitride (CrAlN), chromium aluminum oxynitride (CrAlON), zirconium aluminum nitride (ZrAlN), zirconium aluminum oxynitride (ZeAlON), iridium silicon nitride (IrSiN), iridium silicon oxynitride (IrSiON), iridium aluminum nitride (IrAlN), iridium aluminum oxynitride (IrAlON), ruthenium silicon nitride (RuSiN), acid Ruthenium silicon nitride (RuSiON), titanium (Ti), tantalum (Ta), iridium Beam (Ir), the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendixes 1 to 7, characterized by forming a single layer or a laminated film selected from the group consisting of ruthenium (Ru).
(Appendix 9)
The lower electrode includes iridium (Ir), ruthenium (Ru), platinum (Pt), palladium (Pd), osmium (Os), rhodium (Rh), iridium oxide (IrOx), ruthenium oxide (RuOx), platinum oxide ( PtOx), palladium oxide (PdOx), osmium oxide (OsOx), rhodium oxide (RhOx) film, and a single layer or laminated film selected from the group consisting of strontium ruthenate (SrRuO3) A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 8.
(Appendix 10)
10. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 9, wherein the ferroelectric film is a compound film having a perovskite structure or a compound film having a bismuth layer structure.
(Appendix 11)
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 10, wherein the upper electrode is formed of a conductive film containing a noble metal oxide.
(Appendix 12)
The noble metal oxide is an oxide of one element selected from the group consisting of iridium (Ir), ruthenium (Ru), platinum (Pt), osmium (Os), rhodium (Rh), and palladium (Pd). The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 11, wherein:
(Appendix 13)
A semiconductor substrate;
A capacitor formed on the semiconductor substrate and having a lower electrode, a ferroelectric film, and an upper electrode;
An insulating protective film covering a part of the upper surface of the upper electrode and a side surface of the capacitor;
A conductive protective film covering a region of the upper electrode that is not covered by the insulating protective film, the conductive protective film having a surface position aligned with the insulating protective film;
Wiring connected to the conductive protective film;
A semiconductor device comprising:
(Appendix 14)
An interlayer insulating film that fills the capacitor up to the position of the insulating protective film located on the upper surface of the capacitor;
A contact plug formed on the interlayer insulating film and connected to the lower electrode of the capacitor or a plug electrode directly below the interlayer insulating film;
14. The semiconductor device according to appendix 13, wherein the contact plug has an aspect ratio of 1 or less.
(Appendix 15)
14. The semiconductor device according to appendix 13, wherein a bottom surface of the conductive protective film is in contact with the upper electrode, and an upper surface of the conductive protective film is in contact with the wiring.
(Appendix 16)
The wiring layer is a wiring in which a first metal film in contact with the conductive protective film, a second metal film on the first metal film, and a third metal film on the second metal film are laminated. 14. The semiconductor device according to appendix 13, characterized by:

1,100A〜100E 強誘電体メモリ(半導体装置)
12、132、172 上部電極
13、131、171 強誘電体膜
14、129、169 下部電極
15,135,175 強誘電体キャパシタ
138 絶縁性保護膜
141 開口
144 導電性保護膜
151 配線
1,100A-100E Ferroelectric memory (semiconductor device)
12, 132, 172 Upper electrode 13, 131, 171 Ferroelectric film 14, 129, 169 Lower electrode 15, 135, 175 Ferroelectric capacitor 138 Insulating protective film 141 Opening 144 Conductive protective film 151 Wiring

Claims (5)

半導体基板上に、下部電極と強誘電体膜と上部電極を有するキャパシタを形成し、
前記キャパシタの側面と上面を覆う絶縁性保護膜を形成し、
前記絶縁性保護膜上に層間絶縁膜を形成し、
前記層間絶縁膜を、前記キャパシタの前記上面を覆う前記絶縁性保護膜の位置まで研磨し、
前記研磨の後に、前記キャパシタの前記上部電極の一部を露出する開口と、前記下部電極または前記半導体基板上のトランジスタ上方にコンタクトホールを形成し、
前記開口内と前記コンタクトホール内に、前記下部電極または前記トランジスタと電気的に接続する第1導体膜と第2導体膜を順次形成し、
前記第1導体膜と前記第2導体膜を、前記上部電極上に残る前記絶縁性保護膜の位置まで研磨して、前記開口内を埋める導電性保護膜と、前記コンタクトホールを埋めるコンタクトプラグとを形成し、
前記導電性保護膜上と前記コンタクトプラグ上に配線を形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A capacitor having a lower electrode, a ferroelectric film, and an upper electrode is formed on a semiconductor substrate,
Forming an insulating protective film covering the side surface and the upper surface of the capacitor;
Forming an interlayer insulating film on the insulating protective film;
Polishing the interlayer insulating film to the position of the insulating protective film covering the upper surface of the capacitor,
After the polishing, an opening exposing a part of the upper electrode of the capacitor and a contact hole above the transistor on the lower electrode or the semiconductor substrate,
A first conductor film and a second conductor film electrically connected to the lower electrode or the transistor are sequentially formed in the opening and the contact hole,
Polishing the first conductor film and the second conductor film to the position of the insulating protective film remaining on the upper electrode to fill the opening; and a contact plug filling the contact hole; Form the
Forming wiring on the conductive protective film and on the contact plug;
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記開口と、前記コンタクトホールのアスペクト比を1以下に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。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an aspect ratio of the opening and the contact hole is set to 1 or less. 前記第1導体膜と前記第2導体膜の前記研磨により、前記開口内に、前記絶縁性保護膜の厚さと揃う前記導電性保護膜が形成され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 conductive protective film according to claim 1, wherein the conductive protective film having the same thickness as the insulating protective film is formed in the opening by the polishing of the first conductive film and the second conductive film. A method for manufacturing a semiconductor device. 前記開口は、前記第1導体膜で完全に埋め込まれ、前記第1導体膜と前記第2導体膜の前記研磨により、前記導電性保護膜が前記第1導体膜で形成されることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   The opening is completely filled with the first conductor film, and the conductive protective film is formed of the first conductor film by the polishing of the first conductor film and the second conductor film. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3. 前記絶縁性保護膜に前記開口を形成した後に、前記強誘電体キャパシタに対して酸素含有雰囲気中で熱処理を施す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 after the opening is formed in the insulating protective film, the ferroelectric capacitor is subjected to a heat treatment in an oxygen-containing atmosphere.
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