JPH0982915A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device

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Publication number
JPH0982915A
JPH0982915A JP7238330A JP23833095A JPH0982915A JP H0982915 A JPH0982915 A JP H0982915A JP 7238330 A JP7238330 A JP 7238330A JP 23833095 A JP23833095 A JP 23833095A JP H0982915 A JPH0982915 A JP H0982915A
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JP
Japan
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film
dielectric film
ruthenium
bst
capacitor
Prior art date
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Pending
Application number
JP7238330A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masahiro Kiyotoshi
正弘 清利
Tomonori Aoyama
知憲 青山
Kazuhiro Eguchi
和弘 江口
Keitarou Imai
馨太郎 今井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP7238330A priority Critical patent/JPH0982915A/en
Publication of JPH0982915A publication Critical patent/JPH0982915A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a semiconductor device wherein a leak current is small, permittivity is high, and a very thin film of high permittivity is used as a capacitor insulating film. SOLUTION: A barium strontium titanate film 12 as a dielectric film is formed on an Ru film 11 as a first conductor electrode. After heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at a temperature higher than or equal to the crystallization temperature of the barium strontium titanate film 12, a titanium nitride film 14 as a second conductor electrode is formed on the barium strontium titanate film 12.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、DRAM(Dynami
c Random Access read write Memory )等のキャパシタ
構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a DRAM (Dynami
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a capacitor structure such as c Random Access read write memory).

【0002】[0002]

【従来の技術】DRAM(Dynamic Random Access read
write Memory )、FRAM(Ferroelectric Random A
ccess read write Memory )等、キャパシタ電極に電荷
を蓄積することによりデ−タの記憶を行う半導体記憶装
置において、記憶の大容量化と素子の高集積化に伴い、
メモリ−セルは微細化される一方である。しかし、メモ
リ−セルの微細化とともにキャパシタの面積が縮小さ
れ、キャパシタ容量が低減すると、雑音によりデ−タの
読みだしに誤動作が生じたり、蓄積電荷のリ−クにより
デ−タが変化してしまうという問題が生じる。
2. Description of the Related Art DRAM (Dynamic Random Access read)
write Memory), FRAM (Ferroelectric Random A)
In a semiconductor memory device such as a ccess read write memory) that stores data by accumulating charges in a capacitor electrode, with the increase in storage capacity and high integration of elements,
Memory cells are becoming smaller and smaller. However, when the area of the capacitor is reduced with the miniaturization of the memory cell and the capacitance of the capacitor is reduced, the noise may cause a malfunction in reading the data, or the leak of the accumulated charge may change the data. There is a problem that it will end up.

【0003】このため、ゲ−ト電極上にキャパシタを形
成するスタック型キャパシタ構造が実用化されている。
しかし、記憶の大容量化によるさらなるセルの微細化に
より、キャパシタをゲ−ト電極上に単純に形成しただけ
では、充分なキャパシタ容量を確保することが困難にな
ってきている。このため、スタック型キャパシタ構造を
さらに3次元化することによりキャパシタの面積を増加
させる方法が提案されている。しかし、3次元のキャパ
シタ構造は製造方法が複雑であるため、制御が難しく、
再現性良く製造することが非常に困難である。
Therefore, a stack type capacitor structure in which a capacitor is formed on a gate electrode has been put into practical use.
However, due to further miniaturization of the cell due to the increase in storage capacity, it is becoming difficult to secure a sufficient capacitor capacity by simply forming the capacitor on the gate electrode. Therefore, a method has been proposed in which the area of the capacitor is increased by further making the stacked capacitor structure three-dimensional. However, since the manufacturing method of the three-dimensional capacitor structure is complicated, it is difficult to control,
It is very difficult to manufacture with good reproducibility.

【0004】これらの問題点を解決する方法として、キ
ャパシタ絶縁膜に誘電率の高い絶縁膜を使用する試みが
なされている。例えば、 BaXSr1-X TiO3 (BST:チ
タン酸バリウムストロンチウム)、 PbZrXTi1-X3
(PZT:チタンジルコン酸鉛)等のペロブスカイト結
晶構造を有する結晶は、誘電率が400程度であり、従
来絶縁膜として最も多く使用されている SiO2 の3.9
に比べて非常に高い誘電率を有する。
As a method for solving these problems, attempts have been made to use an insulating film having a high dielectric constant as the capacitor insulating film. For example, BaXSr 1-X TiO 3 (BST: barium strontium titanate), PbZrXTi 1-X O 3
A crystal having a perovskite crystal structure such as (PZT: lead titanium zirconate) has a dielectric constant of about 400, and 3.9 of SiO 2 which has been used most as a conventional insulating film.
It has a much higher dielectric constant than

【0005】このような高誘電体膜を使用した従来のD
RAMの製造方法を図7に示す。例えばp型単結晶シリ
コン基板1上に素子分離領域2を形成する。続いて単結
晶シリコン基板1上に熱酸化膜と多結晶シリコン膜を形
成し、通常のフォトリソグラフィ−法とRIE(反応性
イオンエッチング)法等のエッチング技術によりゲ−ト
電極3を形成する。さらに、イオン注入法によりn型拡
散層領域4、5を形成する。
A conventional D using such a high dielectric film
A method for manufacturing the RAM is shown in FIG. For example, the element isolation region 2 is formed on the p-type single crystal silicon substrate 1. Subsequently, a thermal oxide film and a polycrystalline silicon film are formed on the single crystal silicon substrate 1, and a gate electrode 3 is formed by an etching technique such as a usual photolithography method and RIE (reactive ion etching) method. Further, the n-type diffusion layer regions 4 and 5 are formed by the ion implantation method.

【0006】この後、例えばCVD(化学気相成長)法
を用いて酸化膜を堆積し、層間絶縁膜6を形成する。次
に、n型拡散層領域4に貫通するコンタクトホ−ルを層
間絶縁膜6に形成する。続けて、このコンタクトホ−ル
内に多結晶シリコン膜7を形成し、この多結晶シリコン
膜7にリンを添加する。さらに、タングステンシリサイ
ド膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィ−法とRIE
法等のエッチング技術を用いてビット線8を形成する
(図7の(a))。
After that, an oxide film is deposited by using, for example, a CVD (chemical vapor deposition) method to form an interlayer insulating film 6. Next, a contact hole penetrating the n-type diffusion layer region 4 is formed in the interlayer insulating film 6. Subsequently, a polycrystalline silicon film 7 is formed in this contact hole, and phosphorus is added to this polycrystalline silicon film 7. Further, a tungsten silicide film is deposited, and the ordinary photolithography method and RIE are used.
The bit line 8 is formed by using an etching technique such as the etching method (FIG. 7A).

【0007】次に、例えばCVD法を用いて酸化膜を堆
積し、層間絶縁膜9を形成する。続けて通常のフォトリ
ソグラフィ−法とRIE法等のエッチング技術を用いて
層間絶縁膜9および6をエッチングして、n型拡散層5
に貫通するコンタクトホ−ルを形成する。次に、CVD
法を用いてヒ素を含有する多結晶シリコン膜10をコン
タクトホ−ル内に形成する。この後、スパッタ法により
白金膜を堆積する。さらに、通常のフォトリソグラフィ
−法とエッチング技術を用いてキャパシタ下部電極51
を形成する(図7の(b))。
Next, an interlayer insulating film 9 is formed by depositing an oxide film using, for example, the CVD method. Subsequently, the interlayer insulating films 9 and 6 are etched by using an ordinary photolithography method and an etching technique such as an RIE method, so that the n-type diffusion layer 5 is formed.
A contact hole is formed so as to penetrate through. Next, CVD
Using the method, a polycrystalline silicon film 10 containing arsenic is formed in the contact hole. Then, a platinum film is deposited by the sputtering method. Furthermore, the capacitor lower electrode 51 is formed by using the ordinary photolithography method and etching technique.
Are formed ((b) of FIG. 7).

【0008】次に、例えばSr(THD)2 、Ba(THD)2 、T
i(THD)2 、N2 Oを原料ガスとするCVD法により温度
430℃、圧力3kPaで非晶質BST膜52を15nm
形成する(図7の(c))。ここで、THD は、2,2,6,6
Tetramethyl 1,3,5 heptanedionate の略称である。
Next, for example, Sr (THD) 2 , Ba (THD) 2 , T
Amorphous BST film 52 of 15 nm is formed at a temperature of 430 ° C. and a pressure of 3 kPa by a CVD method using i (THD) 2 and N 2 O as raw material gases.
It is formed ((c) of FIG. 7). Where THD is 2,2,6,6
Abbreviation for Tetramethyl 1,3,5 heptanedionate.

【0009】さらに、スパッタ法により白金膜53を堆
積してキャパシタの上部電極を形成し、DRAMのメモ
リ−セルが完成する(図7の(d))。この後、通常の
LSIの製造プロセスに従って、配線、パッシベ−ショ
ン膜等を形成して、DRAMが完成する。
Further, a platinum film 53 is deposited by a sputtering method to form an upper electrode of the capacitor, and a DRAM memory cell is completed (FIG. 7 (d)). After that, a wiring, a passivation film, and the like are formed according to a normal LSI manufacturing process, and the DRAM is completed.

【0010】このように従来のDRAMの製造方法で
は、高誘電体膜をキャパシタ絶縁膜として使用すること
により、小さいキャパシタ面積で十分な容量を確保する
ことができる。例えば200fF/μm2 以上の電荷密
度を確保した場合には、平面構造のスタック型キャパシ
タ構造を有するメモリ−セルを採用した1ギガDRAM
を実現することが可能である。このようにして、複雑な
3次元構造のスタック型キャパシタ構造のメモリ−セル
に比べて製造方法を非常に簡略化することにより、再現
性が良く製造コストの小さいDRAMの製造方法を実現
することができる。
As described above, in the conventional DRAM manufacturing method, by using the high dielectric film as the capacitor insulating film, a sufficient capacitance can be secured with a small capacitor area. For example, when a charge density of 200 fF / μm 2 or more is secured, a 1 Giga DRAM adopting a memory cell having a planar stack type capacitor structure.
Can be realized. In this way, by significantly simplifying the manufacturing method as compared with the memory cell of the stack type capacitor structure having a complicated three-dimensional structure, it is possible to realize a DRAM manufacturing method with good reproducibility and low manufacturing cost. it can.

【0011】しかし、従来の方法により製造された高誘
電体膜では、その膜厚が薄くなると誘電率が減少すると
いう問題がある。図3の(b)に、従来の方法により製
造されたBST膜の誘電率の膜厚依存性を示す。この図
に示すように、BST膜の膜厚が約30nmよりも薄く
なると、誘電率が急激に低下してしまう。このため、高
電荷密度を得るためにBST膜の膜厚を薄くしても、誘
電率が低下してしまうために、十分な電荷密度が実現で
きない。例えば、前述のような平面構造のスタック型キ
ャパシタ構造を有するメモリ−セルを採用した1ギガD
RAMを実現するための200fF/μm2 を達成する
ことは不可能となってしまう。
However, the high dielectric film manufactured by the conventional method has a problem that the dielectric constant decreases as the film thickness decreases. FIG. 3B shows the film thickness dependence of the dielectric constant of the BST film manufactured by the conventional method. As shown in this figure, when the thickness of the BST film becomes thinner than about 30 nm, the dielectric constant sharply decreases. Therefore, even if the thickness of the BST film is reduced to obtain a high charge density, the permittivity is lowered, and a sufficient charge density cannot be realized. For example, a 1 G D using a memory cell having a planar stack type capacitor structure as described above.
It becomes impossible to achieve 200 fF / μm 2 for realizing a RAM.

【0012】このような誘電率低下の原因は、以下のよ
うに説明される。そもそも、BST等のペロブスカイト
結晶構造を有する酸化物高誘電体における高誘電率は、
結晶格子の中心に位置する元素が、印加された電界によ
り変位することにより発現するが、高い電界では、この
ような変位の電界依存性が飽和してしまう。従来の高誘
電体膜を用いたキャパシタ構造では、リ−ク電流を抑制
するために高誘電体膜との仕事関数差の大きい電極材料
を用いる必要があること、高誘電体膜が完全な絶縁物で
はなく半導体の性質を有すること、の2点により高誘電
体膜と電極との界面に高電界が生じる。そして、この高
電界により、前述のように元素の変位が飽和し、誘電率
が低下してしまう。
The cause of such a decrease in the dielectric constant is explained as follows. In the first place, the high dielectric constant of an oxide high dielectric having a perovskite crystal structure such as BST is
The element located at the center of the crystal lattice is developed by being displaced by the applied electric field, but at a high electric field, the electric field dependency of such displacement is saturated. In a conventional capacitor structure using a high dielectric film, it is necessary to use an electrode material having a large work function difference with the high dielectric film in order to suppress the leak current. A high electric field is generated at the interface between the high dielectric film and the electrode due to the fact that it has the property of a semiconductor, not an object. Then, due to this high electric field, the displacement of the element is saturated and the dielectric constant is lowered as described above.

【0013】以下、この原因について、さらに詳しく説
明する。まず、BST等のペロブスカイト結晶構造を有
する酸化物高誘電体は、一般にバンドギャップが小さい
ため、ホッピング伝導等によりリ−ク電流が流れやす
い。このため、例えばDRAM等に適用できる程度にリ
−ク電流を抑制するために、高誘電体膜との間の仕事関
数差が大きい電極材料を用いて、電極と高誘電体膜との
界面にエネルギ−バリアを形成する必要がある。
The cause will be described in more detail below. First, since an oxide high dielectric material having a perovskite crystal structure such as BST generally has a small band gap, a leak current easily flows due to hopping conduction or the like. Therefore, in order to suppress the leak current to the extent that it can be applied to, for example, a DRAM, an electrode material having a large work function difference with the high dielectric film is used, and the interface between the electrode and the high dielectric film is used. An energy barrier needs to be formed.

【0014】例えば、上記従来の製造方法においては、
キャパシタの上下電極51および53として白金膜が使
用されているが、白金とBSTとの仕事関数差は1.7 eV
である。その他、BSTとの仕事関数差が 0.9 ev であ
る酸化ルテニウム(RuO2 )を使用することもできる。
For example, in the above conventional manufacturing method,
Platinum films are used as the upper and lower electrodes 51 and 53 of the capacitor, but the work function difference between platinum and BST is 1.7 eV.
It is. Besides, ruthenium oxide (RuO 2 ) having a work function difference from BST of 0.9 ev can also be used.

【0015】さらに、BST等の高誘電体をキャパシタ
絶縁膜に用いた場合、白金等の結晶構造が全く異なる電
極材料と接するため、界面における不連続性に起因し
て、結晶中に酸素空孔を生じやすい。このような酸素空
孔は2価のドナ−として働くため、特に電極界面近傍の
高誘電体膜は、絶縁膜ではなく高濃度のドナ−を含有す
る半導体としてふるまう。
Furthermore, when a high dielectric constant such as BST is used for the capacitor insulating film, it contacts with an electrode material having a completely different crystal structure such as platinum, so that oxygen vacancies are present in the crystal due to discontinuity at the interface. Prone to Since such oxygen vacancies act as a divalent donor, the high dielectric film particularly near the electrode interface behaves not as an insulating film but as a semiconductor containing a high concentration of donors.

【0016】このため、前述のように高誘電体膜と電極
の界面に高いエネルギ−バリアが形成されると、界面近
傍の半導体としての性質を有する高誘電体膜が空乏化し
て、界面近傍に強い電界が生じる。図2の(b)に、下
部電極材料として白金を、キャパシタ絶縁膜としてBS
T膜を、上部電極材料として白金を用いた場合のエネル
ギ−バンド構造を示す。また、図2の(c)は、下部電
極材料として酸化ルテニウムを用いた場合のエネルギ−
バンド構造である。上下ともに電極界面において高誘電
体膜のバンドが湾曲し、界面近傍領域に強く電界が集中
していることがわかる。
Therefore, when a high energy barrier is formed at the interface between the high dielectric film and the electrode as described above, the high dielectric film having the property of a semiconductor near the interface is depleted, and the high dielectric film near the interface is depleted. A strong electric field is generated. In FIG. 2B, platinum is used as the lower electrode material and BS is used as the capacitor insulating film.
The energy band structure when platinum is used for the T film as the upper electrode material is shown. Further, FIG. 2C shows the energy when ruthenium oxide is used as the lower electrode material.
It is a band structure. It can be seen that the band of the high-dielectric film is curved at the electrode interface both above and below, and the electric field is strongly concentrated in the region near the interface.

【0017】一方、ペロブスカイト結晶構造を有する高
誘電体は、一般に図8に示すようなTi−O八面体構造
の中心に位置するTiが、図中に矢印で示す電界の方向
に変位することにより、高い誘電率を発現する。
On the other hand, in a high dielectric having a perovskite crystal structure, Ti, which is generally located at the center of the Ti—O octahedron structure as shown in FIG. 8, is displaced in the direction of the electric field indicated by the arrow in the figure. , Develops a high dielectric constant.

【0018】しかし、非常に高い電圧が印加された場合
には、Tiの格子変位が飽和し、高い誘電率を発現する
ことができなくなる。このような、誘電率の電界依存性
は、ペロブスカイト結晶構造を有する高誘電体の一般的
性質である。
However, when a very high voltage is applied, the lattice displacement of Ti is saturated and it becomes impossible to develop a high dielectric constant. Such electric field dependence of the permittivity is a general property of high dielectric materials having a perovskite crystal structure.

【0019】このようにして、高誘電体膜と電極との界
面近傍における高電界領域は、低誘電率層としてふるま
い、特に高誘電体膜の膜厚を薄くした場合、全膜厚に対
するこの低誘電率層の割合が上昇するため、図3の
(b)に示すように、誘電率が急激に低下する。
In this way, the high electric field region in the vicinity of the interface between the high dielectric film and the electrode behaves as a low dielectric constant layer, and particularly when the film thickness of the high dielectric film is reduced, this low electric field is reduced. Since the ratio of the dielectric constant layer increases, the dielectric constant sharply decreases as shown in FIG.

【0020】[0020]

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
半導体装置の製造方法では、高誘電体膜の薄膜化に伴
い、誘電率が低下するため、十分に高い電荷密度を確保
することが困難であるという問題があった。本発明の目
的は、リ−ク電流が小さく、誘電率が高い、極薄の高誘
電体膜をキャパシタ絶縁膜として使用した半導体装置の
製造方法を提供することである。
As described above, in the conventional method for manufacturing a semiconductor device, the permittivity decreases as the high-dielectric film becomes thinner, so that a sufficiently high charge density can be secured. There was a problem that it was difficult. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device using an extremely thin high dielectric film having a small leak current and a high dielectric constant as a capacitor insulating film.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明による半導体装置の製造方法
は、少なくとも表面がルテニウムを主成分とする第1の
導電体電極上に誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体
膜の結晶化温度以上の温度の酸化性雰囲気中で熱処理を
行う工程と、前記誘電体膜上に第2の導電体電極を形成
する工程とを具備することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems and to achieve the object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention has a dielectric on at least a surface of a first conductor electrode containing ruthenium as a main component. The method comprises the steps of forming a film, performing heat treatment in an oxidizing atmosphere at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the dielectric film, and forming a second conductor electrode on the dielectric film. It is characterized by

【0022】また、本発明による半導体装置の製造方法
は、少なくとも表面がルテニウムを主成分とする第1の
導電体電極上に誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体
膜上に第2の導電体電極を形成する工程と、前記誘電体
膜の結晶化温度以上の温度で熱処理を行う工程とを具備
することを特徴とする。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming a dielectric film on the first conductor electrode having at least a surface containing ruthenium as a main component, and a second step on the dielectric film. The method is characterized by comprising a step of forming a conductor electrode and a step of performing heat treatment at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the dielectric film.

【0023】さらに、本発明による半導体装置の製造方
法は、第1の導電体電極上に誘電体膜を形成する工程
と、前記誘電体膜上に少なくとも前記誘電体膜との界面
がルテニウムを主成分とする第2の導電体電極を形成す
る工程と、前記誘電体膜の結晶化温度以上の温度で熱処
理を行う工程とを具備することを特徴とする。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the step of forming a dielectric film on the first conductor electrode and at least the interface between the dielectric film and the dielectric film are mainly made of ruthenium. The method is characterized by including a step of forming a second conductor electrode as a component and a step of performing heat treatment at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the dielectric film.

【0024】このように、本発明によれば、下部電極と
して、少なくとも表面がルテニウムを主成分とする第1
の導電体膜を形成し、この第1の導電膜上に誘電体膜を
形成した後に酸化性雰囲気中で熱処理を行うことによ
り、下部電極の表面が誘電体膜を介して酸化されて、酸
化ルテニウム膜を形成するため、ルテニウム膜と誘電体
膜との界面の状態を良好にすることができる。
As described above, according to the present invention, as the lower electrode, at least the surface is composed of the first ruthenium-based first component.
Is formed on the first conductive film, and then heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere to oxidize the surface of the lower electrode through the dielectric film. Since the ruthenium film is formed, the state of the interface between the ruthenium film and the dielectric film can be improved.

【0025】また、本発明の第2の製造方法によれば、
下部電極として少なくとも表面がルテニウムを主成分と
する第1の導電体膜を形成し、この第1の導電体膜上に
誘電体膜を形成し、さらに上部電極として第2の導電体
膜を形成した後に熱処理を行うことにより、ルテニウム
膜と誘電体膜との界面の状態を良好にすることができ
る。
According to the second manufacturing method of the present invention,
A first conductor film having at least a surface containing ruthenium as a main component is formed as a lower electrode, a dielectric film is formed on the first conductor film, and a second conductor film is formed as an upper electrode. Then, heat treatment is performed to improve the state of the interface between the ruthenium film and the dielectric film.

【0026】さらに、本発明の第3の製造方法によれ
ば、下部電極として第1の導電体膜を形成し、この第1
の導電膜上に誘電体膜を形成し、さらに誘電体膜上に上
部電極として少なくとも前記誘電体膜との界面がルテニ
ウムを主成分とする第2の導電体膜を形成した後に熱処
理を行うことにより、ルテニウム膜と誘電体膜との界面
の状態を良好にすることができる。
Furthermore, according to the third manufacturing method of the present invention, the first conductor film is formed as the lower electrode, and the first conductor film is formed.
Forming a dielectric film on the conductive film and further forming a second conductive film whose upper surface is at least an interface with the dielectric film as an upper electrode on the dielectric film, and then heat treatment is performed. Thereby, the state of the interface between the ruthenium film and the dielectric film can be improved.

【0027】このような良好な界面の状態により、誘電
体膜中の酸素空孔の発生を抑制することができるため、
高いエネルギ−バリアを形成する電極材料を用いた場合
にも、界面近傍の誘電体膜中における空乏層の形成を防
止できる。このため、誘電体膜中の界面近傍における電
界の集中を抑制し、高電界による誘電率の飽和を回避す
ることができる。以上のようにして、リ−ク電流が小さ
く、誘電率が高い、極薄の高誘電体膜をキャパシタ絶縁
膜として使用する半導体装置を製造することができる。
Due to such a favorable interface state, generation of oxygen vacancies in the dielectric film can be suppressed,
Even when an electrode material that forms a high energy barrier is used, formation of a depletion layer in the dielectric film near the interface can be prevented. Therefore, it is possible to suppress the concentration of the electric field in the vicinity of the interface in the dielectric film and avoid the saturation of the dielectric constant due to the high electric field. As described above, it is possible to manufacture a semiconductor device which uses an extremely thin high-dielectric film having a small leak current and a high dielectric constant as a capacitor insulating film.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】以下、本発明をDRAMに適用し
た場合の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明による第1の実施の形態を示す工程断面
図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention applied to a DRAM will be described below with reference to the drawings.
1A to 1D are process sectional views showing a first embodiment according to the present invention.

【0029】従来と同様に、例えばp型の単結晶シリコ
ン(Si)基板1上に、素子分離領域2を形成する。続
いて単結晶シリコン基板1上に熱酸化膜と多結晶シリコ
ン膜を形成し、通常のフォトリソグラフィ−法と例えば
RIE(反応性イオンエッチング)法等のエッチング技
術により、ゲ−ト電極3を形成する。さらに、例えばイ
オン注入法によりn型拡散層領域4、5を形成する。
As in the conventional case, the element isolation region 2 is formed on the p-type single crystal silicon (Si) substrate 1, for example. Subsequently, a thermal oxide film and a polycrystalline silicon film are formed on the single crystal silicon substrate 1, and a gate electrode 3 is formed by a usual photolithography method and an etching technique such as RIE (reactive ion etching). To do. Further, the n-type diffusion layer regions 4 and 5 are formed by, for example, the ion implantation method.

【0030】この後、例えばCVD(化学気相成長)法
を用いて酸化膜を堆積し、層間絶縁膜6を形成する。次
に、通常のフォトリソグラフィ−法と例えばRIE法等
のエッチング技術により、n型拡散層領域4に貫通する
コンタクトホ−ルを層間絶縁膜6に形成する。続いて、
このコンタクトホ−ル内に多結晶シリコン膜7を形成
し、この多結晶シリコン膜7に例えばリン等の不純物を
添加する。さらに、タングステンシリサイド膜を堆積
し、通常のフォトリソグラフィ−法と例えばRIE法等
のエッチング技術を用いてビット線8を形成する。
Thereafter, an oxide film is deposited by using, for example, a CVD (chemical vapor deposition) method to form an interlayer insulating film 6. Next, a contact hole penetrating the n-type diffusion layer region 4 is formed in the interlayer insulating film 6 by a normal photolithography method and an etching technique such as an RIE method. continue,
A polycrystalline silicon film 7 is formed in this contact hole, and impurities such as phosphorus are added to this polycrystalline silicon film 7. Further, a tungsten silicide film is deposited, and the bit line 8 is formed by using an ordinary photolithography method and an etching technique such as the RIE method.

【0031】次に、例えばCVD法を用いて酸化膜を堆
積し、層間絶縁膜9を形成する。続いて、通常のフォト
リソグラフィ−法と例えばRIE法等のエッチング技術
を用いて層間絶縁膜9および6をエッチングして、n型
拡散層5に貫通するコンタクトホ−ルを形成する。次
に、例えばCVD法を用いて、例えばヒ素を含有する多
結晶シリコン膜10をコンタクトホ−ル内および層間絶
縁膜9上に形成し、例えばエッチバック等の方法によ
り、この多結晶シリコン膜10をコンタクトホ−ル内に
埋め込む(図1の(a))。ここまでは、従来の方法と
同様である。
Next, an interlayer insulating film 9 is formed by depositing an oxide film by using, for example, the CVD method. Subsequently, the interlayer insulating films 9 and 6 are etched by using a normal photolithography method and an etching technique such as an RIE method to form a contact hole penetrating the n-type diffusion layer 5. Next, a polycrystalline silicon film 10 containing, for example, arsenic is formed in the contact hole and on the interlayer insulating film 9 by using, for example, the CVD method, and the polycrystalline silicon film 10 is etched by, for example, a method such as etch back. Is embedded in the contact hole ((a) of FIG. 1). Up to this point, it is the same as the conventional method.

【0032】この後、従来と異なり、例えばスパッタ法
により例えばルテニウム膜を堆積する。さらに、通常の
フォトリソグラフィ−法とエッチング技術を用いてキャ
パシタの下部電極11を形成する(図1の(b))。
After this, unlike the conventional method, for example, a ruthenium film is deposited by, for example, the sputtering method. Further, the lower electrode 11 of the capacitor is formed by using the usual photolithography method and etching technique ((b) of FIG. 1).

【0033】次に、従来と同様に、例えばSr(THD)2
Ba(THD)2 、Ti(THD)2 、N2 Oを原料ガスとするCV
D法により温度430℃、圧力3kPaで非晶質BST膜
12を15nm形成する(図1の(c))。上記の成膜
条件により、段差部分における被覆性に優れたBST膜
を形成することができる。
Next, as in the conventional case, for example, Sr (THD) 2 ,
CV using Ba (THD) 2 , Ti (THD) 2 and N 2 O as source gases
An amorphous BST film 12 having a thickness of 15 nm is formed by the D method at a temperature of 430 ° C. and a pressure of 3 kPa (FIG. 1C). Under the above film forming conditions, it is possible to form a BST film having excellent coverage in the step portion.

【0034】次に、従来と異なり、例えば温度700℃
の酸素雰囲気中で1分間のRTA(Rapid Thermal Anne
al)処理を行う。この熱処理により、ルテニウム膜11
の表面に約10nmの酸化ルテニウム膜13が形成さ
れ、ルテニウム膜11とBST膜12との間に良好な界
面が形成されるとともにBST膜12が結晶化する(図
1の(d))。
Next, unlike the conventional method, for example, the temperature is 700 ° C.
RTA (Rapid Thermal Anneal) for 1 minute in the oxygen atmosphere of
al) Perform processing. By this heat treatment, the ruthenium film 11
A ruthenium oxide film 13 of about 10 nm is formed on the surface of the BST film, a good interface is formed between the ruthenium film 11 and the BST film 12, and the BST film 12 is crystallized ((d) of FIG. 1).

【0035】さらに、スパッタ法により窒化チタン膜1
4を堆積してキャパシタの上部電極を形成し、DRAM
のメモリ−セルが完成する(図1の(e))。この後、
通常のLSIの製造プロセスに従って、配線、パッシベ
−ション膜等を形成して、DRAMが完成する。
Further, the titanium nitride film 1 is formed by the sputtering method.
4 is deposited to form the upper electrode of the capacitor,
The memory cell is completed ((e) in FIG. 1). After this,
According to a normal LSI manufacturing process, wiring, passivation film, etc. are formed to complete the DRAM.

【0036】このように、本実施の形態では、キャパシ
タの下部電極を形成するルテウム膜11をBST膜12
を介して酸化するため、BST膜12中の酸素空孔の生
成が抑制され、非常に良好な界面を形成することができ
る。従来は、BST膜12を例えば白金のような全く異
なる結晶構造を有する下部電極51上に形成し、さらに
熱処理を行わなかっために、下部電極51とBST膜1
2との不連続性が原因となり、BST膜12中に酸素空
孔が生成されていた。しかし、本実施の形態によれば、
下部電極であるルテニウム膜11を酸化し、酸化ルテニ
ウム膜13を形成することにより、このような不連続性
を緩和し、酸素空孔の生成を抑制することができる。
As described above, in the present embodiment, the ruthenium film 11 forming the lower electrode of the capacitor is replaced with the BST film 12.
Oxidation via oxygen suppresses the generation of oxygen vacancies in the BST film 12, and a very good interface can be formed. Conventionally, since the BST film 12 is formed on the lower electrode 51 having a completely different crystal structure such as platinum and no heat treatment is performed, the lower electrode 51 and the BST film 1 are not formed.
Due to the discontinuity with No. 2, oxygen vacancies were generated in the BST film 12. However, according to the present embodiment,
By oxidizing the ruthenium film 11 which is the lower electrode and forming the ruthenium oxide film 13, such discontinuity can be alleviated and the generation of oxygen vacancies can be suppressed.

【0037】さらに、本実施の形態のように高誘電体膜
がBST膜である場合には、より効果が大きい。一般
に、 BaTiO3 と SrTiO3 の任意の組成比で生成される固
溶体であるBSTは、同時に導電体である BaRuO3 と S
rRuO3 とも任意の組成比で固溶体を生成する(S.L.Cuff
ini,V.A.Macagno,R.E.Carbonio,A.Melo,E.Trollund and
J.L.Gautier:Journal of Solid State Chemistry 105,1
61-170(1993))。このため、ルテニウム膜11をBST
膜12を介して酸化することにより、BST膜12と酸
化ルテニウム(RuO2 )膜13の間に遷移層であるBa
x Sry Ruz Tiw3 (x+y=1、z+w=1)を形成
することができ、不連続性をほぼ完全に緩和することが
できる。
Further, when the high dielectric film is the BST film as in the present embodiment, the effect is more significant. In general, BST, which is a solid solution formed with an arbitrary composition ratio of BaTiO 3 and SrTiO 3 , is at the same time BaRuO 3 and S which are conductors.
rRuO 3 also forms a solid solution with an arbitrary composition ratio (SLCuff
ini, VAMacagno, RECarbonio, A.Melo, E.Trollund and
JLGautier: Journal of Solid State Chemistry 105,1
61-170 (1993)). Therefore, ruthenium film 11 is
Oxidation through the film 12 results in a transition layer Ba between the BST film 12 and the ruthenium oxide (RuO 2 ) film 13.
x Sr y Ru z Ti w O 3 (x + y = 1, z + w = 1) can be formed, and the discontinuity can be almost completely relaxed.

【0038】堆積時のBST膜12が非晶質である場合
には、熱処理による結晶化工程において、このような遷
移層がさらに容易に形成される。このため、BST膜1
2は非晶質BST膜を堆積することが望ましい。
When the BST film 12 at the time of deposition is amorphous, such a transition layer is more easily formed in the crystallization process by heat treatment. Therefore, the BST film 1
For 2, it is desirable to deposit an amorphous BST film.

【0039】また、このような遷移層を形成するために
は、下部電極が未酸化のルテニウムを含むことが必要で
あり、下部電極として使用されるルテニウムは酸素含有
量が例えば2/3未満である必要がある。
Further, in order to form such a transition layer, it is necessary that the lower electrode contains unoxidized ruthenium, and the ruthenium used as the lower electrode has an oxygen content of, for example, less than 2/3. Need to be

【0040】図2の(a)に、本実施の形態による方法
でキャパシタを形成した場合の、バンド構造を示す。図
2には、従来の方法、すなわちPt(図2の(b))ま
たはRuO2 (図2の(c))により下部電極を形成し
た後に、BST膜を形成し、さらに上部電極としてPt
を形成することにより製造されたキャパシタのバンド構
造を示す。特に、図2の(a)と(c)は、RuO2
下部電極とする同様のキャパシタ構造であるが、図2の
(c)ではRuO2 膜を直接堆積するのに対して、本発
明の方法では、Ru膜11上にBST膜12を形成し、
このRu膜11をBST膜12を介して酸化することに
よりRuO2 膜13を形成している。この熱処理によ
り、本発明の方法によれば、図中Aで示すように、BS
T膜12と下部電極(RuO2 膜)13との界面におけ
る電界が緩和される。
FIG. 2A shows a band structure when a capacitor is formed by the method according to this embodiment. In FIG. 2, a lower electrode is formed by a conventional method, that is, Pt ((b) of FIG. 2) or RuO 2 ((c) of FIG. 2), and then a BST film is formed.
3 shows a band structure of a capacitor manufactured by forming a. In particular, FIGS. 2A and 2C show a similar capacitor structure in which RuO 2 is used as the lower electrode, but in FIG. 2C, the RuO 2 film is directly deposited. In the above method, the BST film 12 is formed on the Ru film 11,
The RuO 2 film 13 is formed by oxidizing the Ru film 11 via the BST film 12. By this heat treatment, according to the method of the present invention, as shown by A in the figure, BS
The electric field at the interface between the T film 12 and the lower electrode (RuO 2 film) 13 is relaxed.

【0041】さらに、図3の(a)に本実施の形態によ
る方法でキャパシタを形成した場合の、高誘電体膜の誘
電率の膜厚依存性を示す。図3の(b)は、従来の白金
を用いた場合を示しているが、この図より、従来に比べ
てより薄膜まで高誘電率が得られることがわかる。
Further, FIG. 3A shows the film thickness dependence of the dielectric constant of the high dielectric film when the capacitor is formed by the method according to the present embodiment. FIG. 3B shows the case where the conventional platinum is used. From this figure, it can be seen that a high dielectric constant can be obtained even in a thin film as compared with the conventional case.

【0042】本発明による第2の実施の形態として、キ
ャパシタの下部電極に酸化ルテニウムを使用した場合に
ついて説明する。図4は、本発明の第2の実施の形態に
よるDRAMの製造方法を示す工程断面図である。
As a second embodiment of the present invention, a case where ruthenium oxide is used for the lower electrode of the capacitor will be described. 4A to 4D are process cross-sectional views showing a method of manufacturing a DRAM according to the second embodiment of the present invention.

【0043】n型拡散層5に貫通するコンタクトホ−ル
に多結晶シリコン膜10を埋め込む工程までは、本発明
による第1の実施の形態と同様に行う。図4の(a)
は、図1の(a)と同様の状態を示す。
The steps up to the step of burying the polycrystalline silicon film 10 in the contact hole penetrating the n-type diffusion layer 5 are the same as those in the first embodiment of the present invention. Figure 4 (a)
Shows a state similar to that of FIG.

【0044】この後、第1の実施の形態と異なり、例え
ばスパッタ法により、酸化ルテニウム膜22を堆積す
る。さらに、通常のフォトリソグラフィ−法とエッチン
グ技術を用いてキャパシタの下部電極を形成する(図4
の(b))。
Then, unlike the first embodiment, the ruthenium oxide film 22 is deposited by, eg, sputtering. Further, the lower electrode of the capacitor is formed by using the usual photolithography method and etching technique (see FIG. 4).
(B)).

【0045】次に、例えば温度430℃、圧力3kPaの
一酸化二窒素雰囲気中で15分間の熱処理を行い、酸化
ルテニウム膜22の表面を還元してRuOx (x<2)膜
23を形成する(図4の(c))。
Next, for example, heat treatment is performed in a nitrous oxide atmosphere at a temperature of 430 ° C. and a pressure of 3 kPa for 15 minutes to reduce the surface of the ruthenium oxide film 22 to form a RuO x (x <2) film 23. ((C) of FIG. 4).

【0046】この後は、本発明の第1の実施の形態と同
様に、例えばCVD法により非晶質BST膜12を15
nm形成する(図4の(d))。さらに、例えば温度7
00℃の酸素雰囲気中で1分間のRTA処理を行う。こ
の熱処理により、RuOx (x<2)膜23が酸化されて
酸化ルテニウム(RuO2)膜13が形成されて、下部電
極22とBST膜12の間の良好な界面が形成されると
ともに、BST膜が結晶化する(図4の(e))。
After that, as in the first embodiment of the present invention, the amorphous BST film 12 is formed by the CVD method, for example, 15 times.
nm (FIG. 4 (d)). Furthermore, for example, a temperature of 7
RTA treatment is performed for 1 minute in an oxygen atmosphere at 00 ° C. By this heat treatment, the RuO x (x <2) film 23 is oxidized to form the ruthenium oxide (RuO 2 ) film 13, which forms a good interface between the lower electrode 22 and the BST film 12, and The film crystallizes ((e) of FIG. 4).

【0047】さらに、例えばスパッタ法により窒化チタ
ン膜14を堆積して、キャパシタの上部電極を形成し、
DRAMのメモリ−セルが完成する(図4の(f))。
この後、通常のLSIの製造プロセスに従って、配線、
パッシベ−ション膜等を形成して、DRAMが完成す
る。
Further, a titanium nitride film 14 is deposited by, for example, a sputtering method to form an upper electrode of the capacitor,
A DRAM memory cell is completed (FIG. 4 (f)).
After that, according to the normal LSI manufacturing process, wiring,
A DRAM is completed by forming a passivation film and the like.

【0048】このように、本実施の形態では、下部電極
を形成する第1の導電膜として酸化ルテニウム膜22を
堆積し、その表面を還元した後にBST膜12を形成す
るため、その後のRTA処理により、還元されたRuOx
(x<2)膜23をBST膜12を介して再び酸化する
ことにより酸化ルテニウム(RuO2 )膜13を形成し、
RuOx (x<2)膜23とBST膜12との良好な界面
を形成することができる。このように、本発明では、電
極をBST膜12等の誘電体膜を介して酸化することが
重要である。酸化ルテニウム膜上に単にBST膜12を
形成した場合、完成した構造はみかけ上同様であるが、
電極と誘電体膜との間に良好な界面を形成することがで
きないため、本発明の効果を得ることはできない。
As described above, in the present embodiment, the ruthenium oxide film 22 is deposited as the first conductive film forming the lower electrode, and the BST film 12 is formed after reducing the surface thereof. Therefore, the subsequent RTA treatment is performed. RuO x reduced by
The (x <2) film 23 is oxidized again through the BST film 12 to form a ruthenium oxide (RuO 2 ) film 13,
A good interface between the RuO x (x <2) film 23 and the BST film 12 can be formed. As described above, in the present invention, it is important to oxidize the electrode via the dielectric film such as the BST film 12. When the BST film 12 is simply formed on the ruthenium oxide film, the completed structure is apparently the same,
Since a good interface cannot be formed between the electrode and the dielectric film, the effect of the present invention cannot be obtained.

【0049】なお、本実施の形態では、還元により形成
されたRuOx (x<2)膜23を完全に酸化したが、Ru
x (x<2)膜23の表面部分のみを酸化しRuOx
(x<2)膜23を残存させることも可能である。この
場合でも、下部電極22および23とBST膜12との
間に酸化ルテニウム膜13を形成することにより、良好
な界面を形成することができる。
In the present embodiment, the RuO x (x <2) film 23 formed by reduction is completely oxidized.
Only the surface of the O x (x <2) film 23 is oxidized to form RuO x.
It is also possible to leave the (x <2) film 23. Even in this case, a good interface can be formed by forming the ruthenium oxide film 13 between the lower electrodes 22 and 23 and the BST film 12.

【0050】本発明による第3の実施の形態として、ル
テニウム膜上に形成されたBST膜上に、さらにキャパ
シタの上部電極をルテニウムにより形成した後にRTA
処理を行い、BST膜と上下電極のいずれもが良好な界
面を有するキャパシタの形成方法について説明する。図
5は、本発明の第3の実施の形態によるDRAMの製造
方法を示す工程断面図である。
As a third embodiment of the present invention, the RTA is formed after the upper electrode of the capacitor is further formed of ruthenium on the BST film formed on the ruthenium film.
A method of forming a capacitor having a BST film and upper and lower electrodes having favorable interfaces after the treatment is described. 5A to 5D are process sectional views showing a method of manufacturing a DRAM according to the third embodiment of the present invention.

【0051】本発明による第1の実施の形態と同様に、
n型拡散層5に貫通するコンタクトホ−ルに多結晶シリ
コン膜10を埋め込む。図5の(a)は、図1の(a)
と同様の状態を示す。
Similar to the first embodiment according to the present invention,
A polycrystalline silicon film 10 is embedded in a contact hole penetrating the n-type diffusion layer 5. (A) of FIG. 5 is (a) of FIG.
Shows the same state as.

【0052】この後、例えばスパッタ法により、例えば
膜厚100nmのルテニウム膜11を堆積する。さら
に、通常のフォトリソグラフィ−法とエッチング技術を
用いてキャパシタの下部電極を形成する(図5の
(b))。
Thereafter, a ruthenium film 11 having a film thickness of 100 nm, for example, is deposited by, eg, sputtering method. Further, the lower electrode of the capacitor is formed by using the usual photolithography method and etching technique ((b) of FIG. 5).

【0053】次に、例えばSr(THD)2 、Ba(THD)2 、T
i(THD)2 、N2 Oを原料ガスとするCVD法により温度
430℃、圧力3kPaで非晶質BST膜12を15nm
形成する(図5の(c))。上記の成膜条件により、段
差部分における被覆性に優れたBST膜を形成すること
ができる。ここまでは、本発明の第1の実施の形態と同
様である。
Next, for example, Sr (THD) 2 , Ba (THD) 2 , T
Amorphous BST film 12 having a thickness of 15 nm is formed at a temperature of 430 ° C. and a pressure of 3 kPa by the CVD method using i (THD) 2 and N 2 O as raw material gases.
It is formed ((c) of FIG. 5). Under the above film forming conditions, it is possible to form a BST film having excellent coverage in the step portion. Up to this point, the process is the same as in the first embodiment of the present invention.

【0054】さらに、第1の実施の形態と異なり、例え
ばスパッタ法により、例えば膜厚5nmのルテニウム膜
34を堆積する。このようにして、非晶質のBST膜の
上下をルテニウム膜11および34ではさんだ層状構造
を形成する(図5の(d))。
Further, unlike the first embodiment, a ruthenium film 34 of, eg, a 5 nm-thickness is deposited by, eg, sputtering method. In this way, a layered structure sandwiching the ruthenium films 11 and 34 above and below the amorphous BST film is formed ((d) of FIG. 5).

【0055】次に、例えば温度800℃の酸素雰囲気中
で2分間のRTA処理を行う。この熱処理により、ルテ
ニウム膜34を完全に酸化して酸化ルテニウム膜35を
形成し、ルテニウム膜11の表面を酸化して約10nm
の酸化ルテニウム膜13を形成し、さらにBST膜を結
晶化する(図5の(e))。このようにして、BST膜
12と上下電極の間にいずれも良好な界面を形成するこ
とにより、電荷蓄積能力の非常に高いキャパシタを実現
することができる。
Next, RTA treatment is performed for 2 minutes in an oxygen atmosphere at a temperature of 800 ° C., for example. By this heat treatment, the ruthenium film 34 is completely oxidized to form the ruthenium oxide film 35, and the surface of the ruthenium film 11 is oxidized to about 10 nm.
The ruthenium oxide film 13 is formed, and the BST film is crystallized ((e) in FIG. 5). In this way, by forming a good interface between the BST film 12 and the upper and lower electrodes, a capacitor having a very high charge storage capacity can be realized.

【0056】さらに、酸化ルテニウム膜35上に、例え
ばスパッタ法により窒化チタン膜37を堆積して、上部
電極のシ−ト抵抗を低減し、DRAMのメモリ−セルが
完成する(図5の(f))。
Further, a titanium nitride film 37 is deposited on the ruthenium oxide film 35 by, for example, a sputtering method to reduce the sheet resistance of the upper electrode, and the DRAM memory cell is completed ((f in FIG. 5). )).

【0057】この後、通常のLSIの製造プロセスに従
って、配線、パッシベ−ション膜等を形成して、DRA
Mが完成する。このように本実施の形態によれば、非晶
質のBST膜の上下をルテニウム膜11および34では
さんだ層状構造を形成した後に、RTA処理を行うこと
により、BST膜12と上下電極の間のいずれにも良好
な界面を形成することができる。このため、BST膜1
2中の電界を、下部電極の近傍のみでなく、上部電極の
近傍においても緩和することができるため、特にBST
膜12が薄膜化した場合の誘電率の低下を防止すること
ができる。
Thereafter, the wiring, the passivation film, etc. are formed in accordance with the usual LSI manufacturing process, and the DRA is formed.
M is completed. As described above, according to the present embodiment, the RTA process is performed after forming the layered structure sandwiching the ruthenium films 11 and 34 on the upper and lower sides of the amorphous BST film, and thereby, between the BST film 12 and the upper and lower electrodes. A good interface can be formed in any of them. Therefore, the BST film 1
The electric field in 2 can be relaxed not only in the vicinity of the lower electrode but also in the vicinity of the upper electrode.
It is possible to prevent a decrease in the dielectric constant when the film 12 is thinned.

【0058】このようにして、本実施の形態によればB
ST膜と下部電極の間にのみ良好な界面を形成する第1
および第2の実施の形態に比べて、電荷蓄積能力をより
向上させ、特にBST膜を薄膜化した場合に、容量の非
常に高いキャパシタを実現することができる。
Thus, according to the present embodiment, B
First to form a good interface only between the ST film and the lower electrode
As compared with the second embodiment, the charge storage ability is further improved, and particularly when the BST film is made thin, a capacitor having a very high capacitance can be realized.

【0059】ここで、BST膜12と上部電極の間のみ
でなく、下部電極との間にも良好な界面を形成するため
には、酸素がBST膜12と下部電極11の界面にまで
到達して酸化ルテニウム膜13を形成する必要がある。
このため、上部電極34が完全に酸化されるように、酸
化工程の温度、時間等を適宜設定する必要がある。
Here, in order to form a good interface not only between the BST film 12 and the upper electrode but also between the lower electrode, oxygen reaches the interface between the BST film 12 and the lower electrode 11. Therefore, it is necessary to form the ruthenium oxide film 13.
Therefore, it is necessary to appropriately set the temperature, time, etc. of the oxidation step so that the upper electrode 34 is completely oxidized.

【0060】また、上下電極に印加される電圧等の関係
により、上部電極側の高電界を緩和することがより重要
である場合には、上部電極のみにルテニウム膜を用い
て、下部電極には従来の白金を用いることも可能であ
る。
When it is more important to alleviate the high electric field on the upper electrode side due to the relationship between the voltages applied to the upper and lower electrodes, the ruthenium film is used only for the upper electrode and the lower electrode is used for the lower electrode. It is also possible to use conventional platinum.

【0061】次に、第4の実施の形態として、BST膜
形成後に低温で酸化を行うことにより、下部電極に形成
される酸化膜厚を低減し、さらに高温の非酸化性雰囲気
中で熱処理を行うことにより、BST膜の結晶化をより
完全にする方法を説明する。
Next, as a fourth embodiment, after the BST film is formed, oxidation is performed at a low temperature to reduce the thickness of the oxide film formed on the lower electrode, and further heat treatment is performed in a high-temperature non-oxidizing atmosphere. A method of making the crystallization of the BST film more complete by performing the method will be described.

【0062】ルテニウムを用いて形成されたキャパシタ
の下部電極11上に、例えばCVD法により非晶質BS
T膜12を15nm形成するまでは、第1の実施の形態
と同様に行う。
Amorphous BS is formed on the lower electrode 11 of the capacitor formed of ruthenium by, for example, the CVD method.
The same process as in the first embodiment is performed until the T film 12 having a thickness of 15 nm is formed.

【0063】次に、第1の実施の形態と異なり、例えば
温度600℃の酸素雰囲気中で1分間のRTA処理を行
う。この熱処理により、ルテニウム膜11の表面に約5
nmの酸化ルテニウム膜13が形成され、BST膜の結
晶化が進み始める。また、ルテニウム膜11とBST膜
12との界面には良好な界面が形成されるようになる。
さらに、温度850℃の窒素雰囲気中で1分間のRTA
処理を行う。この熱処理により、ルテニウム膜11とB
ST膜12との間に十分良好な界面が形成されるととも
に、BST膜12が十分結晶化する。この時、ルテニウ
ム膜11の膜厚の増加はほとんどない。
Next, unlike the first embodiment, RTA treatment is performed for 1 minute in an oxygen atmosphere at a temperature of 600 ° C., for example. By this heat treatment, the surface of the ruthenium film 11 has about 5
The ruthenium oxide film 13 having a thickness of nm is formed, and the crystallization of the BST film begins to proceed. Further, a good interface is formed at the interface between the ruthenium film 11 and the BST film 12.
Furthermore, RTA for 1 minute in a nitrogen atmosphere at a temperature of 850 ° C.
Perform processing. By this heat treatment, ruthenium film 11 and B
A sufficiently good interface is formed with the ST film 12, and the BST film 12 is sufficiently crystallized. At this time, the thickness of the ruthenium film 11 hardly increases.

【0064】この後は、第1の実施の形態と同様に、例
えばスパッタ法により窒化チタン膜14を堆積してキャ
パシタの上部電極を形成し、DRAMのメモリ−セルが
完成する。
Thereafter, similarly to the first embodiment, the titanium nitride film 14 is deposited by, for example, the sputtering method to form the upper electrode of the capacitor, and the DRAM memory cell is completed.

【0065】この後、通常のLSIの製造プロセスに従
って、配線、パッシベ−ション膜等を形成して、DRA
Mが完成する。このように、本実施の形態では、酸化性
雰囲気の熱処理温度を例えば600℃に下げることによ
り、下部電極11上に形成される酸化ルテニウム膜13
の膜厚を低減し、酸化による電極の体積膨脹を防止する
ことができる。さらに非酸化性雰囲気中でより高温の熱
処理を行うことにより、BST膜12の結晶化を十分に
進め、ルテニウム膜11とBST膜12との間に十分良
好な界面を形成することができる。
Thereafter, the wiring, the passivation film, etc. are formed in accordance with the usual LSI manufacturing process, and the DRA is formed.
M is completed. As described above, in the present embodiment, the ruthenium oxide film 13 formed on the lower electrode 11 is formed by lowering the heat treatment temperature of the oxidizing atmosphere to, for example, 600 ° C.
It is possible to reduce the film thickness and prevent the electrode from expanding in volume due to oxidation. Further, by performing heat treatment at a higher temperature in a non-oxidizing atmosphere, crystallization of the BST film 12 can be sufficiently promoted, and a sufficiently good interface can be formed between the ruthenium film 11 and the BST film 12.

【0066】このように、本発明における熱処理の温
度、雰囲気、時間等は、電極と高誘電体膜の界面特性、
電極上に形成される酸化膜厚、BST膜の結晶化の状態
等により、適宜設定することができる。また、本発明の
第4の実施の形態のように数種類の熱処理を組み合わせ
ることも可能である。
As described above, the temperature, atmosphere, time, etc. of the heat treatment in the present invention depend on the interface characteristics between the electrode and the high dielectric film,
It can be appropriately set depending on the oxide film thickness formed on the electrode, the crystallization state of the BST film, and the like. Further, it is possible to combine several kinds of heat treatments as in the fourth embodiment of the present invention.

【0067】特に、酸化による電極の体積膨脹を防止す
るために、RTA等の短時間の熱処理を用いることが望
ましく、さらに、第4の実施の形態のように低温化する
ことも可能である。
Particularly, in order to prevent the volume expansion of the electrode due to the oxidation, it is desirable to use a short-time heat treatment such as RTA, and further, it is possible to lower the temperature as in the fourth embodiment.

【0068】また、非酸化性雰囲気中での熱処理のみを
行った場合にも、酸化性雰囲気中における処理には及ば
ないが、BST膜の結晶化とともに良好な界面を形成す
ることができる。
Further, even when only the heat treatment is performed in the non-oxidizing atmosphere, it is possible to form a good interface with the crystallization of the BST film, though it is not as good as the treatment in the oxidizing atmosphere.

【0069】一般に、熱処理の温度は高温の方が、高誘
電体膜と電極との間により良好な界面を形成することが
できる。なお、前述の本発明による実施の形態は、適宜
組み合わせることが可能である。例えば、第3の実施の
形態において、上部電極まで形成した後に酸化性雰囲気
による熱処理を行う方法について述べたが、これと第4
の実施の形態を組み合わせて、例えば上部電極まで形成
した後に、酸化性雰囲気と非酸化性雰囲気による熱処理
を行うことも可能である。また、第3の実施の形態と第
2の実施の形態を組み合わせて、酸化ルテニウム膜によ
り形成された下部電極の表面を還元し、高誘電体膜と上
部電極を形成した後に、熱処理を行うこともできる。
In general, the higher the heat treatment temperature is, the better interface can be formed between the high dielectric film and the electrode. The above-described embodiments according to the present invention can be combined appropriately. For example, in the third embodiment, the method of performing the heat treatment in the oxidizing atmosphere after forming the upper electrode has been described.
It is also possible to combine the above embodiments and perform heat treatment in an oxidizing atmosphere and a non-oxidizing atmosphere after forming, for example, the upper electrode. Further, by combining the third embodiment and the second embodiment, heat treatment is performed after reducing the surface of the lower electrode formed of the ruthenium oxide film and forming the high dielectric film and the upper electrode. You can also

【0070】さらに、前述のいずれの実施の形態におい
ても、Sr(THD)2 、Ba(THD)2 、Ti(THD)2 、N2 Oを
原料ガスとするCVD法により温度430℃、圧力3k
Paで非晶質BST膜を形成したが、例えばSr(THD)2
TiO(THD)2 、N2 Oを原料ガスとするCVD法により例
えば温度430℃、圧力3kPaで非晶質STO膜を形成
することも可能である。また、CVD法によりPZT膜
を形成することも可能である。さらに温度、圧力等の形
成条件は、段差被覆率の良い非結晶膜が形成されるよう
に適宜設定することができる。
Further, in any of the above-mentioned embodiments, the temperature is 430 ° C. and the pressure is 3 k by the CVD method using Sr (THD) 2 , Ba (THD) 2 , Ti (THD) 2 and N 2 O as source gases.
An amorphous BST film was formed with Pa. For example, Sr (THD) 2 ,
It is also possible to form an amorphous STO film at a temperature of 430 ° C. and a pressure of 3 kPa by a CVD method using TiO (THD) 2 and N 2 O as source gases. It is also possible to form the PZT film by the CVD method. Furthermore, the forming conditions such as temperature and pressure can be appropriately set so that an amorphous film having a good step coverage is formed.

【0071】また、キャパシタ絶縁膜としてBST、S
TOのみでなく、例えばSrBi2 Ta29 等のアルカリ土
類金属を主成分として含むペロブスカイト構造を有する
強誘電体を用いた場合にも、本発明によれば同様の効果
を得ることが可能である。
Further, as the capacitor insulating film, BST, S
According to the present invention, the same effect can be obtained not only when using TO but also when using a ferroelectric having a perovskite structure containing an alkaline earth metal such as SrBi 2 Ta 2 O 9 as a main component. Is.

【0072】さらに、Pbx La1-x Zry Ti1-y3 等の強
誘電体を用いることも可能である。また、ペロブスカイ
ト構造を有する誘電体のみでなく、例えばTa25 等の
高誘電体膜を用いることも可能である。
Further, it is also possible to use a ferroelectric substance such as Pb x La 1-x Zr y Ti 1-y O 3 . Further, not only a dielectric having a perovskite structure but also a high dielectric film such as Ta 2 O 5 can be used.

【0073】また、上記実施の形態では、CVD法を用
いて高誘電体膜を形成しているが、高誘電体膜の製造方
法として、スパッタ法、蒸着法、MBE(分子線成長)
法、ゾルゲル法、レ−ザ−アブレ−ション法などを用い
ることが可能である。
Further, in the above-mentioned embodiment, the high dielectric film is formed by using the CVD method. However, as the method of manufacturing the high dielectric film, sputtering method, vapor deposition method, MBE (molecular beam growth) is used.
Method, sol-gel method, laser ablation method or the like can be used.

【0074】さらに、上記第1、第2および第4の実施
の形態において、キャパシタの上部電極を窒化チタン膜
14を用いて形成したが、例えば窒化タングステン等の
他の導電膜を用いることが可能である。同様に、上記第
3の実施の形態において、上部電極のシ−ト抵抗を低減
するために、酸化ルテニウム膜35上に窒化チタン膜3
7を蒸着したが、例えば窒化タングステン等のシ−ト抵
抗の小さい他の金属を酸化ルテニウム上に形成すること
も可能である。
Furthermore, in the above first, second and fourth embodiments, the upper electrode of the capacitor is formed using the titanium nitride film 14, but other conductive films such as tungsten nitride can be used. Is. Similarly, in the third embodiment, in order to reduce the sheet resistance of the upper electrode, the titanium nitride film 3 is formed on the ruthenium oxide film 35.
Although 7 is deposited, another metal having a low sheet resistance, such as tungsten nitride, may be formed on ruthenium oxide.

【0075】本発明では、高誘電体膜と電極膜とを形成
した後に熱処理を行うことにより、両者に同時に熱処理
を施し、例えば遷移層を形成することにより、両者の間
に良好な界面を形成するものである。従って、上下電極
のうち少なくともいずれか一方の電極にルテニウム膜を
使用し、このルテニウム膜と高誘電体膜とに同時に熱処
理を施す方法であれば、本発明の効果は得られる。
In the present invention, the high-dielectric film and the electrode film are formed and then heat-treated, so that both are heat-treated at the same time. For example, a transition layer is formed to form a good interface between them. To do. Therefore, if the ruthenium film is used for at least one of the upper and lower electrodes and the heat treatment is performed on the ruthenium film and the high dielectric film at the same time, the effect of the present invention can be obtained.

【0076】また、ルテニウム膜に限らず、例えば、白
金(Pt)、イリジウム(Ir)、レニウム(Re)等
の貴金属膜等の、熱処理により高誘電体膜との間に良好
な界面を形成する他の導電膜を組み合わせて用いること
も可能である。
Further, not only the ruthenium film but also a noble metal film such as platinum (Pt), iridium (Ir), rhenium (Re), etc. is formed with a good interface with the high dielectric film by heat treatment. It is also possible to use other conductive films in combination.

【0077】また、上記いずれの実施の形態において
も、n型拡散層5に貫通するコンタクトホ−ルにヒ素を
含有する多結晶シリコン膜10を埋め込むことにより、
n型拡散層5とキャパシタの下部電極11を導通させて
いるが、図6に示すように、多結晶シリコン膜10と下
部電極11との間に例えば窒化チタン膜を形成すること
も可能である。
In any of the above embodiments, the contact hole penetrating the n-type diffusion layer 5 is filled with the polycrystalline silicon film 10 containing arsenic.
Although the n-type diffusion layer 5 and the lower electrode 11 of the capacitor are electrically connected, a titanium nitride film, for example, may be formed between the polycrystalline silicon film 10 and the lower electrode 11 as shown in FIG. .

【0078】この方法を図6を用いて説明する。第1の
実施の形態と同様に、n型拡散層5に貫通するコンタク
トホ−ルを層間絶縁膜9および6に形成した後、例えば
CVD法によりヒ素を含有する多結晶シリコン膜10を
堆積して、例えばエッチバック等の方法により多結晶シ
リコン膜10をコンタクトホ−ル内に埋め込む。この
時、第1の実施の形態と異なり、エッチバックの時間等
を制御することにより、多結晶シリコン膜10の表面を
層間絶縁膜9の表面よりも後退させる(図6の
(a))。
This method will be described with reference to FIG. Similar to the first embodiment, after the contact holes penetrating the n-type diffusion layer 5 are formed in the interlayer insulating films 9 and 6, the polycrystalline silicon film 10 containing arsenic is deposited by, for example, the CVD method. Then, the polycrystalline silicon film 10 is embedded in the contact hole by a method such as etch back. At this time, unlike the first embodiment, the surface of the polycrystalline silicon film 10 is made to recede from the surface of the interlayer insulating film 9 by controlling the time of the etch back and the like ((a) of FIG. 6).

【0079】さらに、例えばスパッタ法等により窒化チ
タン膜21を堆積し、例えば機械的研磨法を用いてエッ
チバックを行い、コンタクトホ−ル内にのみ窒化チタン
膜21を残存させる(図6の(b))。この後は、例え
ば第1の実施の形態と同様に下部電極11を形成し、さ
らに前述の工程を経てDRAMが完成する。
Further, a titanium nitride film 21 is deposited by, for example, a sputtering method and etched back by, for example, a mechanical polishing method to leave the titanium nitride film 21 only in the contact hole (((6 in FIG. 6)). b)). After that, the lower electrode 11 is formed, for example, as in the first embodiment, and the DRAM is completed through the steps described above.

【0080】このように、多結晶シリコン膜10と下部
電極11との間に、例えば窒化チタン膜21をバリアメ
タルとして形成することにより、多結晶シリコン膜10
と下部電極11とのコンタクト抵抗を低減することがで
きる。
As described above, by forming, for example, the titanium nitride film 21 as a barrier metal between the polycrystalline silicon film 10 and the lower electrode 11, the polycrystalline silicon film 10 is formed.
The contact resistance between the lower electrode 11 and the lower electrode 11 can be reduced.

【0081】また、埋め込み電極材料は多結晶シリコン
膜に限らず、タングステン等の高融点金属膜、または、
その他の金属膜等の導電膜を用いることが可能である。
さらに、埋め込み電極10は、エッチバック法に限ら
ず、例えば選択成長法により形成することも可能であ
る。
The material of the buried electrode is not limited to the polycrystalline silicon film, but a refractory metal film such as tungsten, or
It is possible to use a conductive film such as another metal film.
Further, the embedded electrode 10 can be formed not only by the etch-back method but also by a selective growth method, for example.

【0082】以上、本発明をスタック型キャパシタ構造
を有するDRAMのメモリ−セルに適用した場合を説明
したが、トレンチ型キャパシタ構造等の他のキャパシタ
構造を有するメモリ−セル、またはDRAMに限らず、
FRAM等の、高誘電体膜を絶縁膜として使用するキャ
パシタ構造を有するあらゆる半導体装置に、本発明を適
用することが可能である。
The case where the present invention is applied to the memory cell of the DRAM having the stack type capacitor structure has been described above, but the present invention is not limited to the memory cell having another capacitor structure such as the trench type capacitor structure or the DRAM.
The present invention can be applied to any semiconductor device such as FRAM having a capacitor structure using a high dielectric film as an insulating film.

【0083】[0083]

【発明の効果】以上のように、本発明による半導体装置
の製造方法を用いれば、リ−ク電流が小さく、誘電率が
高い、極薄の高誘電体膜をキャパシタ絶縁膜として使用
することができる。
As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, an extremely thin high dielectric film having a small leak current and a high dielectric constant can be used as a capacitor insulating film. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による半導体装置の製造方法の第1の実
施の形態を示す工程断面図。
FIG. 1 is a process sectional view showing a first embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.

【図2】本発明の第1の実施の形態により製造されたキ
ャパシタのバンド構造図。
FIG. 2 is a band structure diagram of a capacitor manufactured according to the first embodiment of the present invention.

【図3】比誘電率の膜厚依存性を示す図。FIG. 3 is a diagram showing the film thickness dependence of the relative dielectric constant.

【図4】本発明による半導体装置の製造方法の第2の実
施の形態を示す工程断面図。
FIG. 4 is a process sectional view showing a second embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.

【図5】本発明による半導体装置の製造方法の第3の実
施の形態を示す工程断面図。
FIG. 5 is a process sectional view showing a third embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.

【図6】本発明による半導体装置の製造方法の第5の実
施の形態を示す工程断面図。
FIG. 6 is a process sectional view showing a fifth embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.

【図7】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面
図。
7A to 7C are process cross-sectional views showing a conventional method for manufacturing a semiconductor device.

【図8】ペロブスカイト結晶構造を有する高誘電体の誘
電率発現機構を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing a dielectric constant developing mechanism of a high dielectric material having a perovskite crystal structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…単結晶シリコン基板、2…素子分離領域、3…ゲ−
ト電極、4、5…n型拡散層領域、6、9…層間絶縁
膜、7…多結晶シリコン膜、8…ビット線、10…ヒ素
ド−プ多結晶シリコン膜、11、34…ルテニウム膜、
12、52…BST膜、13、22、35…酸化ルテニ
ウム膜、14、21、37…窒化チタン膜、23…RuO
x (x<2)、51、53…白金
1 ... Single crystal silicon substrate, 2 ... Element isolation region, 3 ... Gate
N electrodes, 4, 5 ... N-type diffusion layer regions, 6, 9 ... Interlayer insulating film, 7 ... Polycrystalline silicon film, 8 ... Bit line, 10 ... Arsenic doped polycrystalline silicon film, 11, 34 ... Ruthenium film ,
12, 52 ... BST film, 13, 22, 35 ... Ruthenium oxide film, 14, 21, 37 ... Titanium nitride film, 23 ... RuO
x (x <2), 51, 53 ... Platinum

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今井 馨太郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kataro Imai 1 Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Incorporated Toshiba Research and Development Center

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも表面がルテニウムを主成分と
する第1の導電体電極上に誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜の結晶化温度以上の温度の酸化性雰囲気中
で熱処理を行う工程と、前記誘電体膜上に第2の導電体
電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導
体装置の製造方法。
1. A step of forming a dielectric film on at least a surface of a first conductor electrode containing ruthenium as a main component,
A semiconductor device comprising: a step of performing heat treatment in an oxidizing atmosphere at a temperature equal to or higher than a crystallization temperature of the dielectric film; and a step of forming a second conductor electrode on the dielectric film. Manufacturing method.
【請求項2】 少なくとも表面がルテニウムを主成分と
する第1の導電体電極上に誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜上に第2の導電体電極を形成する工程と、
前記誘電体膜の結晶化温度以上の温度で熱処理を行う工
程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
2. A step of forming a dielectric film on at least a surface of a first conductor electrode containing ruthenium as a main component,
Forming a second conductor electrode on the dielectric film;
And a step of performing a heat treatment at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the dielectric film.
【請求項3】 第1の導電体電極上に誘電体膜を形成す
る工程と、前記誘電体膜上に少なくとも前記誘電体膜と
の界面がルテニウムを主成分とする第2の導電体電極を
形成する工程と、前記誘電体膜の結晶化温度以上の温度
で熱処理を行う工程とを具備することを特徴とする半導
体装置の製造方法。
3. A step of forming a dielectric film on a first conductor electrode, and a step of forming a second conductor electrode having ruthenium as a main component on at least the interface with the dielectric film on the dielectric film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a forming step; and a heat treatment step at a temperature equal to or higher than a crystallization temperature of the dielectric film.
【請求項4】 少なくとも表面がルテニウムを主成分と
する第1の導電体電極上に誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜上に少なくとも前記誘電体膜との界面がル
テニウムを主成分とする第2の導電体電極を形成する工
程と、前記誘電体膜の結晶化温度以上の温度で熱処理を
行う工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製
造方法。
4. A step of forming a dielectric film on at least a surface of a first conductor electrode containing ruthenium as a main component,
Forming a second conductor electrode having ruthenium as a main component at least on an interface with the dielectric film on the dielectric film; and performing a heat treatment at a temperature equal to or higher than a crystallization temperature of the dielectric film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項5】 前記熱処理は、酸化性雰囲気中で行う請
求項2乃至4記載の半導体装置の製造方法。
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere.
【請求項6】 前記誘電体膜は、バリウム、ストロンチ
ウム、チタンよりなるグル−プから選択された1つ以上
の元素を含む金属酸化膜である請求項1乃至5記載の半
導体装置の製造方法。
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the dielectric film is a metal oxide film containing one or more elements selected from a group consisting of barium, strontium and titanium.
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