JP2006203252A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、より詳しくは、キャパシタの誘電体膜に強誘電体材料を用いた不揮発性メモリ(FeRAM:Ferroelectric Random Access Memory)を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a nonvolatile memory (FeRAM: Ferroelectric Random Access Memory) using a ferroelectric material for a dielectric film of a capacitor.
FeRAMにおいては、高集積化の要請から、今後セル面積がますます縮小されると考えられる。そのように縮小されると、隣接するキャパシタ間の間隔も縮まり、それに併せて配線間隔も狭くなる。キャパシタ間や配線間は絶縁膜で埋め込まれるのが一般的である。しかし、上記のように高集積化が進むと、その絶縁膜としては、キャパシタ間に空洞(す、ボイドともいう)が形成されない埋め込み性の良いものを使用しなければならない。 In FeRAM, the cell area is expected to be further reduced in the future due to the demand for higher integration. When such reduction is performed, the interval between adjacent capacitors is also reduced, and the wiring interval is also reduced accordingly. In general, an insulating film is embedded between capacitors and wirings. However, as the degree of integration increases as described above, as the insulating film, a film with good embedding property in which a cavity (also referred to as a void) is not formed between capacitors must be used.
そのような埋め込み性の良い絶縁膜としては、従来、高密度プラズマCVD(HDPCVD:High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)法で成膜された膜が知られている。 As such an insulating film having good embedding properties, a film formed by a high density plasma chemical vapor deposition (HDPCVD) method is conventionally known.
HDPCVD法で成膜された絶縁膜については、例えば特開2001−210798号公報の図1に見ることができる。その公報においては、図1のキャパシタを覆う絶縁膜134として、HDP酸化物が使用され得ることがその段落番号0042に開示されている。 An insulating film formed by the HDPCVD method can be seen, for example, in FIG. 1 of JP-A-2001-210798. In that publication, it is disclosed in paragraph number 0042 that HDP oxide can be used as the insulating film 134 covering the capacitor of FIG.
同様に、特開2001−230382号公報においても、その図4aのキャパシタを覆う絶縁膜408として、HDP酸化物が使用され得ることがその段落番号0084に開示されている。 Similarly, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-230382 discloses that HDP oxide can be used as the insulating film 408 covering the capacitor of FIG.
ところで、HDPCVD法の成膜ガスとしては通常SiH4が使用され、成膜中にそのSiH4が分解されて水素が発生し、キャパシタの強誘電体膜がその水素に曝される機会が生じる。 By the way, SiH 4 is usually used as a film forming gas in the HDPCVD method, and during the film formation, the SiH 4 is decomposed to generate hydrogen, and the ferroelectric film of the capacitor is exposed to the hydrogen.
しかしながら、強誘電体膜が水素等の還元性物質に曝されるとその強誘電体特性が劣化してしまうので、それを防ぐための何らかの対策が必要である。 However, if the ferroelectric film is exposed to a reducing substance such as hydrogen, its ferroelectric characteristics are deteriorated. Therefore, some measures are required to prevent it.
HDPCVD法ではない通常のプラズマCVD法においては、強誘電体膜を水素から隔離する方法として、キャパシタを金属酸化物よりなる絶縁膜、例えばアルミナ(Al2O3)膜、で覆う構造が知られている。そのような構造については、特願平11−215600、特開2001−44375、特開平6−290984、及び特許3056973に開示されている。 In a normal plasma CVD method other than the HDPCVD method, a structure in which a capacitor is covered with an insulating film made of a metal oxide, for example, an alumina (Al 2 O 3 ) film is known as a method for isolating a ferroelectric film from hydrogen. ing. Such a structure is disclosed in Japanese Patent Application No. 11-215600, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-44375, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-290984, and Japanese Patent No. 3056773.
しかしながら、HDPCVD法においては、このアルミナ膜は水素をブロックするのに十分ではなく、強誘電体膜が水素により劣化し得ることが本発明者によって明らかとなった。 However, in the HDPCVD method, this alumina film is not sufficient to block hydrogen, and it has been made clear by the present inventor that the ferroelectric film can be deteriorated by hydrogen.
本発明の目的は、キャパシタを覆う絶縁膜を形成する際、キャパシタ中の強誘電体膜の劣化を防ぐことができる半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of preventing deterioration of a ferroelectric film in a capacitor when an insulating film covering the capacitor is formed.
上記した課題は、半導体基板の上方に形成された第1絶縁膜と、下部電極、誘電体膜、及び上部電極を前記第1絶縁膜上に順に形成してなるキャパシタと、前記誘電体膜と前記上部電極とを覆う第1キャパシタ保護絶縁膜と、前記第1キャパシタ保護絶縁膜上に形成された第2キャパシタ保護絶縁膜と、前記第2キャパシタ保護絶縁膜上に形成された第2絶縁膜とを備え、前記第2キャパシタ保護絶縁膜の炭素含有量が、前記第2絶縁膜の炭素含有量よりも多いことを特徴とする半導体装置によって解決する。 The above-described problems include a first insulating film formed above a semiconductor substrate, a capacitor formed by sequentially forming a lower electrode, a dielectric film, and an upper electrode on the first insulating film, the dielectric film, A first capacitor protective insulating film covering the upper electrode; a second capacitor protective insulating film formed on the first capacitor protective insulating film; and a second insulating film formed on the second capacitor protective insulating film. The semiconductor device is characterized in that the carbon content of the second capacitor protective insulating film is higher than the carbon content of the second insulating film.
次に、本発明の作用について説明する。 Next, the operation of the present invention will be described.
本発明によれば、キャパシタ誘電体膜と上部電極とを覆う第1キャパシタ保護絶縁膜を形成する。そして、その第1キャパシタ保護絶縁膜上に、バイアス電圧が半導体基板に印加されない状態で第2キャパシタ保護絶縁膜を形成したうえで、バイアス電圧が印加された状態で第2絶縁膜を形成する。 According to the present invention, the first capacitor protection insulating film covering the capacitor dielectric film and the upper electrode is formed. Then, a second capacitor protective insulating film is formed on the first capacitor protective insulating film without applying a bias voltage to the semiconductor substrate, and then a second insulating film is formed with a bias voltage applied.
バイアス電圧を印加した状態で第2絶縁膜を形成することで、例えばキャパシタの肩部に電界が集中し、その電界によってスパッタ性のイオンが肩部に引き込まれる。これにより、肩部では膜の堆積とスパッタとが同時に行われ、該肩部に膜が厚く形成されるのが防がれる。これにより、キャパシタの側面の膜厚が均一にならされて、高アスペクトレシオのキャパシタ間に埋め込み性の良い第2絶縁膜が形成される。埋め込み性が良いので、高集積化が進んでキャパシタ間の間隔が狭くなっても、その間の第2絶縁膜に空洞が形成されることがない。 By forming the second insulating film in a state where a bias voltage is applied, for example, an electric field is concentrated on the shoulder portion of the capacitor, and sputtered ions are attracted to the shoulder portion by the electric field. As a result, film deposition and sputtering are simultaneously performed on the shoulder portion, thereby preventing the film from being thickly formed on the shoulder portion. As a result, the film thickness on the side surfaces of the capacitors is made uniform, and a second insulating film with good embedding property is formed between the capacitors having a high aspect ratio. Since the embedding property is good, even if the integration is advanced and the interval between the capacitors is narrowed, a cavity is not formed in the second insulating film therebetween.
しかも、たとえバイアス電圧が印加された状態で第2絶縁膜を形成しても、スパッタ性のイオンやその他のイオンは第2キャパシタ保護絶縁膜によってその衝突エネルギが吸収され、その運動速度が遅くなる。これにより、下層の第1キャパシタ保護絶縁膜でイオンをブロックすることができるようになり、キャパシタ誘電体膜がそのイオンによって劣化するのが防がれる。 Moreover, even if the second insulating film is formed in a state where a bias voltage is applied, the collision energy is absorbed by the second capacitor protective insulating film, and the movement speed of the sputtered ions and other ions is reduced. . As a result, ions can be blocked by the lower first capacitor protection insulating film, and the capacitor dielectric film is prevented from being deteriorated by the ions.
更に、その第2キャパシタ保護絶縁膜は、半導体基板にバイアス電圧が印加されない状態で成膜されるので、その成膜時にキャパシタ誘電体膜が劣化するのが防がれる。 Furthermore, since the second capacitor protective insulating film is formed without applying a bias voltage to the semiconductor substrate, it is possible to prevent the capacitor dielectric film from being deteriorated during the film formation.
同様に、上記第1キャパシタ保護絶縁膜を、半導体基板にバイアス電圧が印加されない状態で形成することで、成膜時にキャパシタ誘電体膜が劣化するのが防がれる。 Similarly, by forming the first capacitor protective insulating film without applying a bias voltage to the semiconductor substrate, it is possible to prevent the capacitor dielectric film from being deteriorated during the film formation.
また、TEOSを含む反応ガスを使用する化学的気相成長法により上記第2キャパシタ保護絶縁膜を形成することで、その第2のキャパシタ保護絶縁膜のカバレッジが良くなるので、衝突するイオンがキャパシタの上部と側部とで均等に吸収される。しかも、TEOSはSiH4と比較して還元性の水素を発生し難いので、水素によりキャパシタを劣化させる恐れが無い。 Further, by forming the second capacitor protective insulating film by chemical vapor deposition using a reactive gas containing TEOS, the coverage of the second capacitor protective insulating film is improved. It is absorbed evenly at the top and side of the. Moreover, since TEOS is less likely to generate reducing hydrogen than SiH 4 , there is no possibility of degrading the capacitor due to hydrogen.
この場合、SiH4、Si2H6、Si3H8及びSiCl4のいずれかを含む反応ガスを使用する化学的気相成長法により上記第2絶縁膜を形成すると、第2キャパシタ保護絶縁膜の炭素含有量は上記第2絶縁膜のそれよりも多くなる。 In this case, when the second insulating film is formed by chemical vapor deposition using a reaction gas containing any of SiH 4 , Si 2 H 6 , Si 3 H 8 and SiCl 4 , the second capacitor protective insulating film is formed. The carbon content of is greater than that of the second insulating film.
また、上記の第1キャパシタ保護絶縁膜は、キャパシタ誘電体膜と上部電極とを覆う下層保護絶縁膜と、この下層保護絶縁膜上及び第1絶縁膜上に形成される上層保護絶縁膜の2層構造にするのが好適である。これによれば、キャパシタと第1絶縁膜とが上層保護絶縁膜によって連続的に覆われるので、水素等の還元性物質が第1絶縁膜を経由してキャパシタ誘電体膜に浸入するのが防がれる。 The first capacitor protective insulating film includes two layers: a lower protective insulating film that covers the capacitor dielectric film and the upper electrode, and an upper protective insulating film formed on the lower protective insulating film and the first insulating film. A layer structure is preferable. According to this, since the capacitor and the first insulating film are continuously covered with the upper protective insulating film, a reducing substance such as hydrogen is prevented from entering the capacitor dielectric film through the first insulating film. Can be removed.
更に、キャパシタが複数形成される場合は、第1キャパシタ保護絶縁膜と第2キャパシタ保護絶縁膜との合計膜厚を、複数の上部電極の最小間隔の半分以下に設定することで、キャパシタ間に空洞が形成されず、そのキャパシタ間が第2絶縁膜で所望に埋め込まれる。 Furthermore, when a plurality of capacitors are formed, the total film thickness of the first capacitor protective insulating film and the second capacitor protective insulating film is set to be equal to or less than half of the minimum interval between the plurality of upper electrodes. A cavity is not formed, and the space between the capacitors is filled with a second insulating film as desired.
また、第2絶縁膜の膜厚を、下部電極とキャパシタ誘電体膜とキャパシタ上部電極との合計膜厚よりも厚く、且つ、その合計膜厚に1μmを加算した膜厚よりも薄く設定するのが好適である。これによれば、第2絶縁膜の成膜時に発生するイオンによってキャパシタ誘電体膜が劣化するのを最大限抑えながら、キャパシタ間が第2絶縁膜で埋め込まれる。 Further, the thickness of the second insulating film is set to be thicker than the total thickness of the lower electrode, the capacitor dielectric film, and the capacitor upper electrode, and smaller than the total thickness obtained by adding 1 μm. Is preferred. According to this, the gap between the capacitors is filled with the second insulating film while suppressing the deterioration of the capacitor dielectric film due to the ions generated when the second insulating film is formed.
なお、第2絶縁膜の表面を研磨して平坦化する場合は、研磨する前にその上に第3絶縁膜を形成し、その第2、第3絶縁膜を研磨することで研磨膜厚が増大し、研磨後の膜厚分布が一様になる。 When the surface of the second insulating film is polished and flattened, a third insulating film is formed on the surface before polishing, and the second and third insulating films are polished so that the polishing film thickness is increased. The film thickness distribution after polishing becomes uniform.
本発明によれは、キャパシタ誘電体膜と上部電極とを覆う第1キャパシタ保護絶縁膜を形成する。そして、その第1キャパシタ保護絶縁膜上に、バイアス電圧が半導体基板に印加されない状態で第2キャパシタ保護絶縁膜を形成したうえで、バイアス電圧が印加された状態で第2絶縁膜を形成する。 According to the present invention, the first capacitor protection insulating film is formed to cover the capacitor dielectric film and the upper electrode. Then, a second capacitor protective insulating film is formed on the first capacitor protective insulating film without applying a bias voltage to the semiconductor substrate, and then a second insulating film is formed with a bias voltage applied.
これによれば、埋め込み性の良い第2絶縁膜を形成することができると共に、その第2絶縁膜の成膜時に生成されるイオンによってキャパシタ誘電体膜が受けるダメージを第2キャパシタ保護絶縁膜により低減することができる。 According to this, the second insulating film with good embedding can be formed, and damage to the capacitor dielectric film due to the ions generated when the second insulating film is formed is caused by the second capacitor protective insulating film. Can be reduced.
また、半導体基板にバイアス電圧が印加されない状態で第1キャパシタ保護絶縁膜を形成することで、その成膜時にキャパシタ誘電体膜が劣化するのを防ぐことができる。 In addition, by forming the first capacitor protection insulating film without applying a bias voltage to the semiconductor substrate, it is possible to prevent the capacitor dielectric film from being deteriorated during the film formation.
更に、TEOSを含む反応ガスを使用する化学的気相成長法により第2キャパシタ保護絶縁膜を形成することで、第2キャパシタ保護絶縁膜のカバレッジを良くすることができ、衝突するイオンをキャパシタの上部と側部とで均等に吸収させることができる。しかも、TEOSはSiH4と比較して還元性の水素を発生し難いので、水素によりキャパシタを劣化させる恐れが無い。 Furthermore, by forming the second capacitor protective insulating film by a chemical vapor deposition method using a reaction gas containing TEOS, the coverage of the second capacitor protective insulating film can be improved, and the ions that collide are The upper part and the side part can absorb evenly. Moreover, since TEOS is less likely to generate reducing hydrogen than SiH 4 , there is no possibility of degrading the capacitor due to hydrogen.
また、第1キャパシタ保護絶縁膜を下層保護絶縁膜と上層保護絶縁膜との2層構造にすることで、水素等の還元性物質がキャパシタ誘電体膜に浸入し難くなる。 In addition, when the first capacitor protective insulating film has a two-layer structure of the lower protective insulating film and the upper protective insulating film, it is difficult for a reducing substance such as hydrogen to enter the capacitor dielectric film.
更に、キャパシタが複数形成される場合は、第1キャパシタ保護絶縁膜と第2キャパシタ保護絶縁膜との合計膜厚を、複数の上部電極の最小間隔の半分以下に設定することで、キャパシタ間に空洞が形成されること無しに、そのキャパシタ間を第2絶縁膜で所望に埋め込むことができる。 Furthermore, when a plurality of capacitors are formed, the total film thickness of the first capacitor protective insulating film and the second capacitor protective insulating film is set to be equal to or less than half of the minimum interval between the plurality of upper electrodes. The space between the capacitors can be filled with the second insulating film as desired without forming a cavity.
また、第2絶縁膜の膜厚を、下部電極とキャパシタ誘電体膜とキャパシタ上部電極との合計膜厚よりも厚く、且つ、その合計膜厚に1μmを加算した膜厚よりも薄く設定することで、キャパシタ誘電体膜が受けるダメージを最大限抑えながら、キャパシタ間を第2絶縁膜で埋め込むことができる。 Further, the film thickness of the second insulating film is set to be thicker than the total film thickness of the lower electrode, the capacitor dielectric film, and the capacitor upper electrode, and to a film thickness obtained by adding 1 μm to the total film thickness. Thus, the gap between the capacitors can be filled with the second insulating film while minimizing damage to the capacitor dielectric film.
更に、第2絶縁膜の表面を研磨して平坦化する場合は、研磨する前にその上に第3絶縁膜を形成し、その第2、第3絶縁膜を研磨することで研磨膜厚を増大させることができ、研磨後の膜厚分布を一様にすることができる。 Further, when the surface of the second insulating film is polished and flattened, a third insulating film is formed on the surface before polishing, and the second and third insulating films are polished to increase the polishing film thickness. The film thickness distribution after polishing can be made uniform.
次に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施の形態)
図1〜図10は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
(First embodiment)
1 to 10 are sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention in the order of steps.
まず、図1に示す断面構造を得るまでの工程を説明する。 First, steps required until a sectional structure shown in FIG.
図1に示すように、n型又はp型のシリコン(半導体)基板1表面に、素子分離絶縁膜2をLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法により形成する。素子分離絶縁膜2としては、LOCOS法の他、STI(Shallow Trench Isolation)法を採用しても良い。
As shown in FIG. 1, an element
そのような素子分離絶縁膜2を形成した後に、シリコン基板1の所定の活性領域(トランジスタ形成領域)にp型不純物及びn型不純物を選択的に導入して、pウェル3a及びnウェル3bを形成する。
After such an element
その後、シリコン基板1の活性領域表面を熱酸化して、ゲート絶縁膜5としてシリコン酸化膜を形成する。
Thereafter, the active region surface of the
次に、シリコン基板1の上側全面に非晶質又は多結晶のシリコン膜を形成し、pウェル3a上ではn型不純物、nウェル3b上ではp型不純物をシリコン膜内にイオン注入してシリコン膜を低抵抗化する。その後に、シリコン膜をフォトリソグラフィー法により所定の形状にパターニングして、ゲート電極6a、6bを形成する。そのゲート電極6a、6bは、互いにほぼ平行に配置され、ワード線WLの一部を構成している。
Next, an amorphous or polycrystalline silicon film is formed on the entire upper surface of the
次に、ゲート電極6a、6bの両側のpウェル3a内にn型不純物をイオン注入して、nチャネルMOSトランジスタのソース/ドレインとなるn型不純物拡散領域4aを形成する。続いて、nウェル3bにp型不純物をイオン注入して、不図示のpチャネルMOSトランジスタのソース/ドレインとなるp型不純物拡散領域4bを形成する。
Next, an n-type impurity is ion-implanted into the p-
続いて、シリコン基板1の全面に絶縁膜を形成した後、その絶縁膜をエッチバックしてゲート電極6a、6bの両側部分にのみ側壁絶縁膜10として残す。その絶縁膜として、例えばCVD法(化学的気相成長法)により酸化シリコン(SiO2)を形成する。
Subsequently, after an insulating film is formed on the entire surface of the
さらに、ゲート電極6a、6bと側壁絶縁膜10とをマスクに使用して、pウェル3a内に再びn型不純物イオンを注入することによりn型不純物拡散領域4aをLDD(Lightly Doped Drain)構造にし、さらに、nウェル3b内に再びp型不純物イオンを注入することによりp型不純物拡散領域4bもLDD構造とする。
Further, by using the
なお、n型不純物とp型不純物の打ち分けは、不図示のレジストパターンを使用して行われる。 Note that n-type impurities and p-type impurities are separated using a resist pattern (not shown).
以上のように、pウェル3aとゲート電極6a、6bとその両側のn型不純物領域4a等によってn型MOSFETが構成される。そして、nウェル3bとp型不純物拡散領域4bとゲート電極(不図示)等により、不図示のp型MOSFETが構成される。
As described above, an n-type MOSFET is formed by the p-
次に、全面に高融点金属膜、例えば、Ti(チタン)、Co(コバルト)の膜を形成した後に、この高融点金属膜を加熱してn型不純物拡散領域4a、p型不純物拡散領域4bの表面にそれぞれ高融点金属シリサイド層8a、8bを形成する。その後、ウエットエッチングにより未反応の高融点金属膜を除去する。
Next, after forming a refractory metal film such as Ti (titanium) or Co (cobalt) film on the entire surface, the refractory metal film is heated to form an n-type
次に、プラズマCVD法により、シリコン基板1の全面にカバー絶縁膜7として酸窒化シリコン(SiON)膜を約200nmの厚さに形成する。更に、TEOS(tetraethoxy silane)ガスを用いるプラズマCVD法により、第1層間絶縁膜(第1絶縁膜)9として酸化シリコン(SiO2)をカバー絶縁膜7上に約1.0μmの厚さに成長する。
Next, a silicon oxynitride (SiON) film having a thickness of about 200 nm is formed as a
続いて、第1層間絶縁膜9を化学的機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法により研磨してその表面を平坦化する。
Subsequently, the first
次に、図2(a)に示す構造を形成するまでの工程を説明する。 Next, steps required until a structure shown in FIG.
まず、DCスパッタリング法によって、チタン(Ti)膜とプラチナ(Pt)膜を第1層間絶縁膜9上に順に形成し、これらの膜を第1導電膜11とする。この場合、Ti膜の厚さを10〜30nm程度、例えば20nmとし、Pt膜の厚さを100〜300nm程度、例えば175nmとする。そのTi膜は、Pt膜と第1層間絶縁膜9との密着性を改善する役割と、Pt膜の結晶性を向上させる役割とを果たす。
First, a titanium (Ti) film and a platinum (Pt) film are sequentially formed on the first
なお、第1導電膜11として、イリジウム、ルテニウム、酸化ルテニウム、酸化ルテニウムストロンチウム(SrRuO3)等の膜を形成してもよい。
Note that a film of iridium, ruthenium, ruthenium oxide, ruthenium oxide strontium (SrRuO 3 ), or the like may be formed as the first
次に、スパッタリング法により、PZT(Pb(Zr1-xTix)O3)膜を第1導電膜11の上に100〜300nmの厚さ、例えば240nmに形成し、これを強誘電体膜12として使用する。
Then, by sputtering, PZT (Pb (Zr 1- x Ti x) O 3) film thickness of 100~300nm on the first
続いて、酸素雰囲気中にシリコン基板1を置き、例えば725℃、20秒間、昇温速度125℃/secの条件で、強誘電体膜12を構成するPZT膜を急速熱処理(RTA:Rapid Thermal Annealing)処理することにより、PZT膜の結晶化処理を行う。
Subsequently, the
強誘電体膜12の形成方法としては、上記のスパッタリング法の他に、スピンオン法、ゾル−ゲル法、MOD(Metal Organi Deposition)法、MOCVD法がある。また、強誘電体膜12を構成する材料としては、PZTの他に、PZTにランタン(La)を添加したPLZT(Lead Lanthanum Zirconate Titanate :(Pb1-3x/2Lax)(Zr1-yTiy)O3)、及びPZTにランタン(La)とカルシウム(Ca)とストロンチウム(Sr)とを添加したPLCSZTのようなPZT系材料や、ビスマス(Bi)系材料のSrBi2(TaxNb1-x)2O9(但し、0<x≦1)、Bi4Ti2O12等がある。
As a method for forming the
上記のような強誘電体膜12を形成した後、その上に第2導電膜13として酸化イリジウム(IrOx)膜をスパッタリング法により100〜300nmの厚さ、例えば200nmの厚さに形成する。なお、第2導電膜13として、プラチナ(Pt)膜又は酸化ルテニウムストロンチウム(SRO)膜をスパッタリングにより形成しても良い。
After the
次に、図2(b)に示す構造を得るまでの工程を説明する。 Next, steps required until a structure shown in FIG.
まず、キャパシタ上部電極形状のレジストパターン(不図示)を第2導電膜13上に形成した後に、そのレジストパターンをエッチングマスクに使用して第2導電膜13をパターニングし、これにより残った第2導電膜13をキャパシタ上部電極13aとして使用する。
First, a capacitor upper electrode-shaped resist pattern (not shown) is formed on the second
そして、そのレジストパターンを除去した後に、温度650℃、60分間の条件で、強誘電体膜12を酸素雰囲気中でアニールする。このアニールは、スパッタリング及びエッチングの際に強誘電体膜12に入ったダメージを回復させるために行われる。
Then, after removing the resist pattern, the
なお、この場合の平面図は 図11の通りであり、上の図2(b)は図11のI−I断面図に相当する。 In addition, the top view in this case is as FIG. 11, and FIG.2 (b) above is equivalent to II sectional drawing of FIG.
続いて、図3(a)に示すように、キャパシタ上部電極13a上にレジストパターン(不図示)を形成し、そのレジストパターンをエッチングマスクに使用して強誘電体膜12をパターニングして、これにより残った強誘電体膜12をキャパシタ誘電体膜12aとして使用する。そして、そのレジストパターンを除去した後に、温度650℃、60分間でキャパシタ誘電体膜12aを酸素雰囲気中でアニールする。
Subsequently, as shown in FIG. 3A, a resist pattern (not shown) is formed on the capacitor
なお、この場合の平面図は図12の通りであり、上の図3(a)は図12のI−I断面図に相当する。 In addition, the top view in this case is as FIG. 12, and FIG. 3A above corresponds to the II cross-sectional view of FIG.
次に、図3(b)に示すように、キャパシタ誘電体膜12aとキャパシタ上部電極13aとを覆う下層保護絶縁膜14aとして、アルミナ(Al2O3)をスパッタリング法により50nmの厚さに常温下で形成する。この下層保護絶縁膜14aは、還元され易いキャパシタ誘電体膜12aを水素等の還元性物質から保護して、水素がその内部に入るのをブロックするために形成される。
Next, as shown in FIG. 3B, alumina (Al 2 O 3 ) is formed at a room temperature to a thickness of 50 nm by sputtering as a lower protective
ところで、この下層保護絶縁膜14aを成膜する際、シリコン基板1にバイアス電圧を印加してしまうと、そのバイアスによってターゲット原子がシリコン基板1に高速で引き込まれ、それによりキャパシタ誘電体膜12aが劣化する恐れがある。従って、下層保護絶縁膜14aを形成する際には、シリコン基板1にバイアス電圧を印加しないのが好ましい。本発明ではバイアス電圧を印加しないので、上記のような不都合は生じない。
By the way, when the lower protective
なお、下層保護絶縁膜14aとして、PLZT膜、PZT膜、酸化チタン膜、窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、又は窒化酸化シリコン膜を形成しても良い。
Note that as the lower protective
次に、図4(a)に示す構造を得るまでの工程を説明する。 Next, steps required until a structure shown in FIG.
まず、酸素雰囲気中で、700℃、60秒間、昇温速度125℃/secの条件で、下層保護絶縁膜14aの下のキャパシタ誘電体膜12aを急速熱処理(RTA)してその膜質を改善する。
First, the
次に、下層保護絶縁膜14aの上にレジスト(不図示)を塗布し、それを露光、現像して、キャパシタ上部電極13aとキャパシタ誘電体膜12aを覆うように残す。そして、そのレジストをエッチングマスクに使用して、下層保護絶縁膜14aと第1導電膜11とをパターニングする。これにより、下層保護絶縁膜14aは、キャパシタ上部電極13a上とキャパシタ誘電体膜12a上とに残る。そして、このパターニングにより残った第1導電膜11をキャパシタ下部電極11aとして使用する。なお、下層保護絶縁膜14aと第1導電膜11とのエッチングは、塩素をエッチングガスに使用するドライエッチングにより行われる。
Next, a resist (not shown) is applied on the lower protective
これにより、第1層間絶縁膜9の上には、下部電極11a、キャパシタ誘電体膜12a、及び上部電極13aを順に積層してなるキャパシタQが形成されることになる。
As a result, the capacitor Q formed by sequentially laminating the
なお、この場合の平面図は図13の通りであり、上の 図4(a)は図13のI−I断面図に相当する。但し、図13では下層保護絶縁膜14aを省略してある。
Note that the plan view in this case is as shown in FIG. 13, and FIG. 4A corresponds to the II cross-sectional view of FIG. However, in FIG. 13, the lower protective
次に、 図4(b)に示すように、第1層間絶縁膜9上と下層保護絶縁膜14a上とに、上層保護絶縁膜14bとしてアルミナ(Al2O3)をスパッタリング法により20nmの厚さに常温下で形成する。
Next, as shown in FIG. 4 (b), alumina (Al 2 O 3 ) is deposited to a thickness of 20 nm on the first
この上層保護絶縁膜14bは、下層保護絶縁膜14aと共に第1キャパシタ保護絶縁膜14を構成する。第1キャパシタ保護絶縁膜14をこのような2層構造とすることでその膜厚が稼がれ、誘電体膜12aに水素がより一層浸入し難くなる。また、上層保護絶縁膜14bがキャパシタQと第1層間絶縁膜9とを連続的に覆うことによって、水素等の還元性物質が外部から第1層間絶縁膜9を経由してキャパシタQに浸入するのが防がれる。
The upper protective
上層保護絶縁膜14aの場合と同様に、この下層保護絶縁膜14bを形成する際にシリコン基板1にバイアス電圧を印加しないことで、キャパシタ誘電体膜12aがターゲット原子によって劣化するのを防ぐことができる。
Similarly to the case of the upper protective
次に、図5(a)に示す構造を得るまでの工程を説明する。 Next, steps required until a structure shown in FIG.
まず、図17に示すプラズマCVD装置のチャンバ50内にシリコン基板1を載置する。そのシリコン基板1が載置される基板載置台51は接地されており、一方、ガス分散板53は高周波電源54に接続されて高周波電力が印加される。
First, the
次いで、次の条件下で成膜を行う。
・TEOSガス流量・・・460sccm
・He(TEOSのキャリアガス)流量・・・480sccm
・O2流量・・・700sccm
・圧力・・・9.0Torr
・高周波電源54の周波数・・・13.56MHz
・高周波電源54のパワー・・・400W
・成膜温度・・・390℃
これにより、図5(a)に示すように、第2キャパシタ保護絶縁膜16として厚さが100nmの酸化シリコン(SiO2)が第1キャパシタ保護絶縁膜14上に形成される。
Next, film formation is performed under the following conditions.
・ TEOS gas flow rate: 460sccm
・ He (TEOS carrier gas) flow rate ・ ・ ・ 480sccm
・ O 2 flow rate: 700sccm
・ Pressure: 9.0 Torr
・ Frequency of the high
・ Power of high
・ Deposition temperature: 390 ℃
As a result, as shown in FIG. 5A, silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of 100 nm is formed on the first capacitor
この第2キャパシタ保護絶縁膜16を形成する際、基板載置台51(図17参照)が接地されているため、シリコン基板1にはバイアス電圧が印加されていない。従って、プラズマ化した反応ガスがバイアス電圧によってシリコン基板1に引き込まれることが無いので、その反応ガスによってキャパシタ誘電体膜12aが劣化する恐れが無い。
When the second capacitor
その後、真空チャンバ(不図示)中で温度350℃で第2キャパシタ保護絶縁膜16を加熱することにより、その表面及び内部の水を外部に放出させる。このような脱水処理の後に、第2キャパシタ保護絶縁膜16をN2Oプラズマに曝して脱水とともに膜質を改善する。これにより、後の工程での加熱と水によるキャパシタの劣化が防止される。
Thereafter, the second capacitor
そのような脱水処理とプラズマ処理は同じチャンバ(不図示)内において行ってもよい。そのチャンバ内には、シリコン基板1を載せる支持電極とこれに対向する対向電極が配置され、対向電極には高周波電源が接続可能な状態となっている。そして、チャンバ内にN2Oガスを導入した状態で、まず、対向電極には高周波電源を印加しない状態で絶縁膜の脱水処理を行い、次に、対向電極に高周波電源を印加した状態で電極間にN2Oプラズマを発生させて絶縁膜のN2Oプラズマ処理を行う。この場合、高周波電源の周波数は13.56MHzであり、そのパワーは300Wである。また、N2Oの流量は700sccmである。
Such dehydration treatment and plasma treatment may be performed in the same chamber (not shown). In the chamber, a support electrode on which the
なお、脱水処理に続くプラズマ処理の際にはN2Oプラズマを使用することが好ましいが、NOプラズマ、N2プラズマ等を使用してもよく、このことについては後述する工程でも同様である。 Note that N 2 O plasma is preferably used in the plasma treatment subsequent to the dehydration treatment, but NO plasma, N 2 plasma, or the like may be used, and this is the same in the steps described later.
ところで、この第2キャパシタ保護絶縁膜16の膜厚は、任意ではなく 図19(a)に示すように設定するのが好ましい。
Incidentally, the film thickness of the second capacitor
図19(a)、(b)では、キャパシタQが複数形成される場合に、上部電極13a同士の間隔の中で最小の間隔をBとし、第1キャパシタ保護絶縁膜14と第2キャパシタ保護絶縁膜16との合計膜厚をAとしている。
19A and 19B, when a plurality of capacitors Q are formed, the minimum interval among the intervals between the
このとき、もしA、Bが関係A<(B/2)を満たさないと( 図19(b))、キャパシタQ間に空洞が形成され、その空洞を後の工程で絶縁膜により埋め込むことができないので好ましくない。 At this time, if A and B do not satisfy the relationship A <(B / 2) (FIG. 19B), a cavity is formed between the capacitors Q, and the cavity is filled with an insulating film in a later step. It is not preferable because it cannot be done.
一方、本発明では、図19(a)のように上の関係A<(B/2)を満たすようにしているので、キャパシタQ間に空洞が形成されず、後の工程でキャパシタQ間を絶縁膜で所望に埋め込むことができる。この利点は、後述の第2実施形態でも得られる。 On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 19 (a), the above relation A <(B / 2) is satisfied, so that no cavity is formed between the capacitors Q. An insulating film can be embedded as desired. This advantage can also be obtained in a second embodiment described later.
次に、図5(b)に示す構造を得るまでの工程を説明する。 Next, steps required until a structure shown in FIG.
まず、図18に示すHDPCVD(High Density Plasma CVD)装置のチャンバ60内にシリコン基板1を載置する。一般に、HDPCVD法とは、プラズマ密度が約1×1011〜1×1013cm-3程度のプラズマ雰囲気中で行われるCVD法を言う。このプラズマ密度は、第2キャパシタ保護絶縁膜16を成膜するような通常のプラズマCVD法におけるプラズマ密度(約1×109〜1×1010cm-3程度)よりも高い。更に、そのHDPCVD法においては、イオンの平均自由工程を長くするため、約1mTorr〜7mTorr程度の低圧力下で成膜が行われる。この圧力は、上記の通常のプラズマCVD法の圧力(約2〜10Torr程度)よりも低い。
First, the
そして、そのHDPCVD法では、チャンバ60の上方に設けられたコイル63に第1高周波電源64が接続され、更に、基板載置台61に第2高周波電源62が接続される。なお、コイル63は、シリコン基板1の主面と平行な面内において巻かれており、図ではその断面が示されている。
In the HDPCVD method, a first high
上記のように基板載置台61に高周波電源を印加することで、シリコン基板1にバイアス電圧が印加されるので、プラズマ化した反応ガスがシリコン基板1に引き込まれる。そのような反応ガスの中には、膜の堆積に寄与するものの他に、堆積した膜をスパッタするものもある。このスパッタ作用により、キャパシタの肩部では膜の堆積とスパッタとが同時に行われ、該肩部に膜が厚く形成されるのが防がれる。これにより、キャパシタの側面の膜厚が均一にならされて、高アスペクトレシオのキャパシタ間に埋め込み性の良い第2絶縁膜を形成することができる。
By applying a high frequency power source to the substrate mounting table 61 as described above, a bias voltage is applied to the
そのようなHDPCVD法を用いて、以下の条件下で成膜を行う。
・SiH4流量・・・69sccm
・O2流量・・・300sccm
・Ar流量・・・300sccm
・圧力・・・6.2mTorr
・第1高周波電源64の周波数・・・13.56MHz
・第1高周波電源64のパワー・・・3000W
・第2高周波電源62の周波数・・・2MHz
・第2高周波電源62のパワー・・・1200W
・成膜温度・・・250℃
これにより、図5(b)に示すように、第2層間絶縁膜17として、厚さが800nm程度の酸化シリコン(SiO2)が第2キャパシタ保護絶縁膜16上に埋め込み性良く形成される。埋め込み性が良いので、高集積化が進んでキャパシタQ間の間隔が狭くなっても、その間の第2層間絶縁膜17に空洞が形成されることがない。
Using such an HDPCVD method, film formation is performed under the following conditions.
・ SiH 4 flow rate: 69sccm
・ O 2 flow rate: 300sccm
・ Ar flow rate: 300sccm
・ Pressure: 6.2 mTorr
・ Frequency of the first high-
・ Power of first high
・ Frequency of the second high-
-Power of the second high
・ Film formation temperature: 250 ℃
As a result, as shown in FIG. 5B, silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of about 800 nm is formed as the second
なお、上記のSiH4に代えて、Si2H6又はSi3H8等のシラン系ガス、又はSiCl4等の塩素含有ガス使用しても良い。 Instead of SiH 4 described above, a silane-based gas such as Si 2 H 6 or Si 3 H 8 or a chlorine-containing gas such as SiCl 4 may be used.
更に、必要なら、第2層間絶縁膜17にFフッ素、P(リン)、又はB(ボロン)等を含有させてもよい。その場合は、上記のシラン系ガスに加え、更にC2F6、B2H6、B(OCH3)3、B(OC2H5)3、又はPH3等を反応ガスに添加すればよい。
Further, if necessary, the second
これらのことは、後述の第2実施形態でも同様である。 The same applies to the second embodiment described later.
上記のように、HDPCVD法では基板にバイアス電圧が印加されているので、SiH4から解離した水素イオンH+がシリコン基板1に引き込まれると考えられる。そのため、基板にバイアス電圧を印加しないプラズマCVD法と比較して、水素イオンH+によってキャパシタ誘電体膜12aが劣化し易いと考えられる。
As described above, since a bias voltage is applied to the substrate in the HDPCVD method, it is considered that hydrogen ions H + dissociated from SiH 4 are drawn into the
そして、そのキャパシタ誘電体膜12aの劣化によって、キャパシタのインプリント特性が劣化すると考えられる。インプリント特性の劣化とは、キャパシタにある信号(例えば「1」)を書いた後、そのままの状態である時間放置した後に、逆の信号(例えば「0」)をそのキャパシタに書いた場合にその逆信号を読み出すことができなくなる、という問題である。すなわち、逆方向の信号がキャパシタに刷り込まれて、逆信号が書き込みにくくなっている状態である。
And it is thought that the imprint characteristic of a capacitor deteriorates by the deterioration of the
そのようなバイアス電圧の影響を確かめるため、本願発明者は、次のような実験を行った。この実験では、第2層間絶縁膜17をHDPCVD法で形成する場合と、それをバイアス電圧を印加しないプラズマCVD法で形成する場合とにおいて、各々のインプリント特性の劣化が比較された。なお、プラズマCVD法においては、TEOSを含む反応ガスが用いられた。また、第2キャパシタ保護絶縁膜16は形成せず、第2層間絶縁膜17を第1キャパシタ保護絶縁膜14上に直に形成した。
In order to confirm the influence of such a bias voltage, the inventor of the present application conducted the following experiment. In this experiment, the deterioration of each imprint characteristic was compared between when the second
その結果を 図20に示す。 図20において、左側の縦軸のQ3(88)(μC/cm2)とは、2トランジスタ/2キャパシタタイプの2対のキャパシタに逆信号を書き込み、それを150℃、88時間ベークした後の分極電荷量の差を表す。また、右側のQ3レートとは、e時間(e=自然対数)後のキャパシタの劣化率を表す。即ち、Q3(88)の値が大きいほど、またQ3レートの絶対値が小さいほど、インプリント特性が優れていることになる。 The result is shown in FIG. In FIG. 20, Q3 (88) (μC / cm 2 ) on the left vertical axis indicates that a reverse signal is written in two pairs of capacitors of a two-transistor / 2-capacitor type and then baked at 150 ° C. for 88 hours. It represents the difference in polarization charge amount. The Q3 rate on the right side represents the deterioration rate of the capacitor after e time (e = natural logarithm). That is, the larger the value of Q3 (88) and the smaller the absolute value of the Q3 rate, the better the imprint characteristics.
図20に示されるように、バイアス電圧を印加しない場合(プラズマTEOS)にインプリント特性が最も良い。そして、HDPCVDを用いるとインプリント特性が悪くなり、特に、バイアス電圧(基板載置台61( 図18参照)に印加する高周波電圧)が大きくなるにつれて、そのインプリント特性が悪くなる。 As shown in FIG. 20, the imprint characteristic is the best when no bias voltage is applied (plasma TEOS). When HDPCVD is used, the imprint characteristics are deteriorated. In particular, as the bias voltage (the high frequency voltage applied to the substrate mounting table 61 (see FIG. 18)) is increased, the imprint characteristics are deteriorated.
これにより、バイアス電圧を印加して第2層間絶縁膜17を形成すると、バイアス電圧を印加しない場合と比べてキャパシタQが劣化するのが明らかとなった。しかも、同図に示されるように、キャパシタQの劣化は、バイアス電圧が大きいほど甚だしいことが明らかとなった。
As a result, it is clear that when the bias voltage is applied and the second
ところで、アルミナよりなる第1キャパシタ保護絶縁膜14( 図5(b)参照)だけでは、その水素イオンH+を十分にブロックすることができず、キャパシタ誘電体膜12aを劣化させると考えられる。
By the way, it is considered that the first capacitor
これに対し、本発明では、第1キャパシタ保護絶縁膜14の上に更に第2キャパシタ保護絶縁膜16を形成したので、その第2キャパシタ保護絶縁膜16によって水素イオンH+の衝突エネルギが吸収され、その運動速度が遅くなる。これにより、下層の第1キャパシタ保護絶縁膜14で水素イオンH+をブロックすることができるようになり、キャパシタ誘電体膜12aが水素イオンH+によって劣化するのを防ぐことができる。
On the other hand, in the present invention, since the second capacitor protective insulating
しかも、TEOSを使用して成膜された第2キャパシタ保護絶縁膜16はカバレッジが良いため、衝突する水素イオンH+をキャパシタQの上部と側部とで均等に吸収することができる。
In addition, since the second capacitor protective insulating
更に、TEOSはSiH4と比較して還元性の水素を発生し難いので、水素によりキャパシタQを劣化させる恐れが無い。 Furthermore, since TEOS is less likely to generate reducing hydrogen than SiH 4 , there is no risk of degrading capacitor Q due to hydrogen.
なお、必要なら、第2層間絶縁膜17に対してプラズマ処理を行ってもよい。その条件は、第2キャパシタ保護絶縁膜16のそれと同様なので省略する。
If necessary, the second
ところで、第2層間絶縁膜17は、キャパシタQ間を埋め込む目的で形成されるので、それを不必要に厚く形成する必要はない。もし、それをあまり厚く形成し過ぎると、その成膜時間が長くなるので、たとえ第2キャパシタ保護絶縁膜16を形成しても、キャパシタ誘電体膜12aが水素イオンH+やスパッタ性のイオンに長時間曝されてダメージを受けてしまう恐れがある。そこで、第2層間絶縁膜17の膜厚は、キャパシタQの高さ約600nm(≒下部電極11a、キャパシタ誘電体膜12a、及び上部電極13aの合計膜厚)よりも厚く、且つ、その高さに1μmを加算した膜厚(=1600nm)よりも薄く設定されるのが好ましい。そのような膜厚によれば、キャパシタ誘電体膜12aがダメージを受けるのを最大限抑えながら、キャパシタQ間を第2層間絶縁膜17で埋め込むことができる。
Incidentally, since the second
次に、図6(a)に示すように、第3絶縁膜18として厚さ700nm程度の酸化シリコン(SiO2)を第2層間絶縁膜17上に形成する。この第3絶縁膜18は、図17に示したプラズマCVD装置で形成され、その成膜条件は次の通りである。
・TEOSガス流量・・・460sccm
・He(TEOSのキャリアガス)流量・・・480sccm
・O2流量・・・700sccm
・圧力・・・9.0Torr
・高周波電源54の周波数・・・13.56MHz
・高周波電源54のパワー・・・400W
・成膜温度・・・390℃
次いで、図6(b)に示すように、第2層間絶縁膜17と第3絶縁膜18とをCMP法により研磨し、その表面を平坦化する。その平坦化は、上部電極13a上での第2層間絶縁膜17の厚さが200nmになるまで行われる。
Next, as shown in FIG. 6A, silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of about 700 nm is formed on the second
・ TEOS gas flow rate: 460sccm
・ He (TEOS carrier gas) flow rate 480sccm
・ O 2 flow rate: 700sccm
・ Pressure: 9.0 Torr
・ Frequency of the high
・ Power of high
・ Deposition temperature: 390 ℃
Next, as shown in FIG. 6B, the second
このとき、第3絶縁膜18を形成したことで、研磨膜厚を増大させることができ、それにより研磨後の膜厚分布を一様にすることができる。 At this time, since the third insulating film 18 is formed, the polishing film thickness can be increased, and thereby the film thickness distribution after polishing can be made uniform.
このCMP法による平坦化の際に使用されるスラリー中の水分や、その後の洗浄時に使用される洗浄液中の水分は、第2層間絶縁膜17表面に付着したりその内部に吸収される。そこで、第2層間絶縁膜17をN2Oプラズマに曝して脱水とともに膜質を改善する。これにより、後の工程での加熱と水によるキャパシタの劣化が防止される。
Moisture in the slurry used for planarization by this CMP method and moisture in the cleaning liquid used for subsequent cleaning adhere to the surface of the second
次に、図7(a)に示すように、第2層間絶縁膜17の上にレジスト19を塗布し、これを露光、現像して、不純物拡散領域4a、4bの上にそれぞれホール形成用窓19a〜19dを形成する。
Next, as shown in FIG. 7A, a resist 19 is applied on the second
続いて、第2層間絶縁膜17、第2キャパシタ保護絶縁膜16、上層保護絶縁膜14b、第1層間絶縁膜9、及びカバー絶縁膜7をドライエッチングして、不純物拡散領域4a、4bの上にコンタクトホール17a〜17dを形成する。このとき、第2層間絶縁膜17、第2キャパシタ保護絶縁膜16、上層保護絶縁膜14b、及び第1層間絶縁膜9をエッチングする場合には、例えばAr、C4F8、O2の混合ガスがエッチングガスとして使用される。そして、酸窒化シリコンよりなるカバー絶縁膜7をエッチングする場合には、上記の混合ガスにCF4を添加したものをエッチングガスとして使用する。
Subsequently, the second
なお、コンタクトホール17a〜17dは、上が広くて下が狭いテーパ状となり、深さ方向中央での直径は約0.5μmとなる。 The contact holes 17a to 17d have a tapered shape with a wide top and a narrow bottom, and the diameter at the center in the depth direction is about 0.5 μm.
この場合の平面図は 図14の通りであり、上の図7(a)は 図14のI−I断面図に相当する。 The plan view in this case is as shown in FIG. 14, and FIG. 7A corresponds to the II cross-sectional view of FIG.
次に、レジスト19を除去した後に、 図7(b)に示すように、第2層間絶縁膜17の上とコンタクトホール17a〜17dの内面にスパッタリング法によりチタン(Ti)膜を20nm、窒化チタン(TiN)膜を50nmの厚さに形成し、これらの膜をグルー膜20とする。さらに、フッ化タングステンガス(WF6)、アルゴン、水素の混合ガスを使用するCVD法により、グルー膜20の上にタングステン膜21を形成する。なお、タングステン膜21の成長初期にはシラン(SiH4)ガスも使用する。タングステン膜21は、各コンタクトホール17a〜17dを完全に埋め込む厚さ、例えば第2層間絶縁膜17上で500nm程度とする。
Next, after removing the resist 19, as shown in FIG. 7B, a titanium (Ti) film is formed on the second
なお、コンタクトホール17a〜17dはそれぞれテーパ形状となっているので、それらの中に埋め込まれたタングステン膜21には空洞が形成され難い。
Since the contact holes 17a to 17d each have a tapered shape, it is difficult for a cavity to be formed in the
次に、図8(a)に示すように、第2層間絶縁膜17上のタングステン膜21とグルー膜20とをCMP法により除去し、各コンタクトホール17a〜17d内にのみ残す。これにより、コンタクトホール17a〜17d内のタングステン膜21とグルー膜20をプラグ21a〜21dとして使用する。ここで、CMP法の代わりにエッチングバックを用いると、タングステン膜21のエッチングとグルー膜20のエッチングでそれぞれ異なるエッチングガスが必要となるので、エッチング管理に手間がかかる。
Next, as shown in FIG. 8A, the
その後に、コンタクトホール17a〜17d形成後の洗浄処理、CMP後の洗浄処理等の工程で第2層間絶縁膜17表面に付着したり内部に浸透した水分を除去するために、真空チャンバ(不図示)中で390℃の温度で第2層間絶縁膜17を加熱して水を外部に放出させる。このような脱水処理の後に、第2層間絶縁膜17をN2プラズマに曝して膜質を改善するアニールを例えば2分間行う。ここで、N2Oプラズマではなく、N2プラズマを使用したのは、コンタクトホール17a〜17d内のタングステン膜21のエッチングを防止するためと、脱水してキャパシタの劣化を防止するためだけでなく、キャパシタQを構成する膜が熱ストレスによって剥がれることを防止するためである。膜の剥がれは、その周辺の膜との熱ストレスの違い等によって発生する。
Thereafter, a vacuum chamber (not shown) is used to remove moisture adhering to the surface of the second
続いて、図8(b)に示すように、第2層間絶縁膜17とプラグ21a〜21dの上に、プラズマCVD法によりSiON膜を例えば100nmの厚さに形成する。このSiON膜は、シラン(SiH4)とN2Oの混合ガスを用いて形成され、プラグ21a〜21dの酸化を防止するための酸化防止絶縁膜22として使用される。
Subsequently, as shown in FIG. 8B, a SiON film having a thickness of, for example, 100 nm is formed on the second
次に、 図9(a)に示すように、フォトリソグラフィー法により酸化防止絶縁膜22、第2層間絶縁膜17、第2キャパシタ保護絶縁膜16、第1キャパシタ保護絶縁膜14をパターニングして、キャパシタQの上部電極13aに至るコンタクトホール17e〜17gを形成する。
Next, as shown in FIG. 9A, the
この後に、550℃、60分間の条件で、キャパシタ誘電体膜12aを酸素雰囲気中でアニールして、誘電体膜12aの膜質を改善する。この場合、プラグ21a〜21dは酸化防止絶縁膜22によって酸化が防止される。
Thereafter, the
この場合の平面図は図15の通りであり、上の図9(a)は図15のI−I断面図に相当する。図15に示すように、下部電極11aの上には、コンタクトホール17e〜17gと同時に下部電極用コンタクトホール17h〜17jが形成される。
The plan view in this case is as shown in FIG. 15, and FIG. 9A corresponds to the II cross-sectional view of FIG. As shown in FIG. 15, on the
その後に、図9(b)に示すように、CF系のガスを用いてSiON酸化防止絶縁膜22をドライエッチングする。
Thereafter, as shown in FIG. 9B, the SiON
次に、RFエッチング法によりプラグ21a〜21d、上部電極13aの各表面を約10nmエッチングして清浄面を露出させる。その後に、図10に示すように、第2層間絶縁膜17、プラグ21a〜21d、キャパシタQのコンタクトホール17e〜17gの上に、アルミニウムを含む4層構造の導電膜をスパッタ法により形成する。その導電膜は、下から順に、膜厚50nmの窒化チタン膜、膜厚500nmの銅含有(0.5%)アルミニウム膜、膜厚5nmのチタン膜、膜厚100nmの窒化チタン膜である。
Next, the surfaces of the
そして、その導電膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、図10に示すように、導電性コンタクトパッド23bと一層目金属配線23a、23c〜23dを形成する。このうち、一層目金属配線23a、23c〜23dは、コンタクトホール17e〜17gを介して上部電極13aと電気的に接続される。
Then, the conductive film is patterned by photolithography to form
この場合の平面図は図16の通りであり、上の図10は図16のI−I断面図に相当する。 The plan view in this case is as shown in FIG. 16, and the above FIG. 10 corresponds to the II cross-sectional view of FIG.
図16に示すように、上記の導電膜は下部電極用コンタクトホール17h〜17j内にも形成されて、そこで下部電極11aと電気的に接続された一層目金属配線23e〜23gとなっている。
As shown in FIG. 16, the conductive film is also formed in the lower
この後は、導電性コンタクトパッド23bと一層目金属配線23a、23c〜20d、及び第2層間絶縁膜17を覆う絶縁膜(不図示)を形成する。そして、フォトリソグラフィー法によりその絶縁膜をパターニングして、導電性コンタクトパッド23b上にコンタクトホールを形成し、その中にTiN膜とタングステン膜との2層構造のプラグを形成する。その後、そのプラグと電気的に接続される二層目金属配線を絶縁膜上に形成する。
Thereafter, an insulating film (not shown) is formed to cover the
上記した実施形態では、図5(b)に示したように、キャパシタQを覆う第1キャパシタ保護絶縁膜14を形成した後、更にその上に第2キャパシタ保護絶縁膜16を形成したうえで、その上にHDPCVD法で第2層間絶縁膜17を形成するようにした。
In the above embodiment, as shown in FIG. 5B, after forming the first capacitor
このようにすると、HDPCVD法で生成される水素イオンH+やスパッタ性のイオンは、第2キャパシタ保護絶縁膜16によりその衝突エネルギが吸収されて運動速度が遅くなるので、その下の第1キャパシタ保護絶縁膜14が上記のイオンをブロックすることができ、キャパシタ誘電体膜12aが上記のイオンによって劣化するのを防ぐことができる。
In this way, hydrogen ions H + and sputtered ions generated by the HDPCVD method are absorbed by the second capacitor protective insulating
図21は、第2キャパシタ保護絶縁膜16の効果を確かめるために行った実験の結果について示すグラフである。
FIG. 21 is a graph showing the results of an experiment conducted to confirm the effect of the second capacitor
この実験は、上記の諸工程を行ってウエハにチップを集積形成し、その工程中に不良の発生しなかったn個のチップに対して行われた。そして、そのチップ中のキャパシタにデータ(「0」、「1」等)を書き込み、その後ウエハに150℃のベークをかけた。次いで、FeRAM動作保証のワースト条件(例えば最低電源電圧4.5V、温度85℃)でキャパシタからデータを読み出して、それが最初に書き込んだデータと同じものか否かをチェックした。更にその後、今読み出したデータと逆のデータ(即ち「0」、「1」を逆にする)を書き込み、それが正しく読めるか否かをチェックした。そして、このフローにおいて、上記2回の読み出しのうちいずれかでエラーが出た場合にそのチップは「不良」であるとし、「不良」のチップ数をmとした。 This experiment was performed on n chips in which the above-described steps were performed to integrate chips on a wafer and no defects occurred during the steps. Then, data (“0”, “1”, etc.) was written into the capacitor in the chip, and then the wafer was baked at 150 ° C. Next, data was read from the capacitor under the worst conditions for guaranteeing FeRAM operation (for example, minimum power supply voltage 4.5 V, temperature 85 ° C.), and it was checked whether it was the same as the data written first. After that, data opposite to the data just read (that is, “0” and “1” are reversed) is written, and it is checked whether or not the data can be read correctly. In this flow, if an error occurs in any of the two readings, the chip is determined to be “defective”, and the number of “defective” chips is set to m.
図21の縦軸は、(m/n)×100で定義されるウエハリテンション歩留まりを表す。リテンションとは、データが壊れることなく長時間にわったって保持される能力を言う。そして、図21の横軸は、ベークの累積時間を表す。 The vertical axis in FIG. 21 represents the wafer retention yield defined by (m / n) × 100. Retention refers to the ability to keep data for a long time without breaking it. The horizontal axis in FIG. 21 represents the accumulated time of baking.
なお、この実験では、第2キャパシタ保護絶縁膜16の厚さを100nmとした。また、比較のために、第2キャパシタ保護絶縁膜16を形成せず、アルミナよりなる第1キャパシタ保護絶縁膜14の上に直にHDPCVD法で第2層間絶縁膜17を形成した場合も調査した。
In this experiment, the thickness of the second capacitor
図21に示されるように、第2キャパシタ絶縁膜16が無い場合は、ベークをかけた直後から歩留まりが悪化している。
As shown in FIG. 21, in the absence of the second
これに対し、第2キャパシタ絶縁膜16を形成した場合は、ベークを1000時間かけても歩留まりが悪化せず、略100%に近い値を保持している。
On the other hand, when the second
この結果より、HDPCVD法で第2層間絶縁膜17を形成する場合には、単層の第1キャパシタ保護絶縁膜14だけではキャパシタQへのプロセスダメージを防ぎきれず、その上に更に第2キャパシタ絶縁膜16を形成することで、キャパシタQへのダメージが効果的に低減されるのがわかる。
From this result, when the second
(第2の実施の形態)
以下に本発明の第2の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図22〜図27は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 22 to 27 are cross-sectional views showing manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
第2の実施の形態は、第1の実施の形態をスタック型のFeRAMに適用したものである。 In the second embodiment, the first embodiment is applied to a stack type FeRAM.
まず、図22(a)に示す断面構造を形成するまでの工程を説明する。 First, steps required until a sectional structure shown in FIG.
図22(a)に示すように、n型又はp型のシリコン(半導体)基板71のトランジスタ形成領域の周囲にフォトリソグラフィー法により素子分離用溝を形成した後に、素子分離用溝の中に酸化シリコン(SiO2)を埋め込み、STI構造の素子分離絶縁膜72を形成する。なお、LOCOS法により形成した絶縁膜を素子分離絶縁膜として採用してもよい。
As shown in FIG. 22A, after an element isolation trench is formed around the transistor formation region of the n-type or p-type silicon (semiconductor)
続いて、シリコン基板71のトランジスタ形成領域にp型不純物を導入してpウェル71aを形成する。さらに、シリコン基板71のトランジスタ形成領域表面を熱酸化して、ゲート絶縁膜73となるシリコン酸化膜を形成する。
Subsequently, a p-type impurity is introduced into the transistor formation region of the
次に、シリコン基板71の上側全面に非晶質又は多結晶のシリコン膜及びタングステンシリサイド膜を順次形成し、これらのシリコン膜及びタングステンシリサイド膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、ゲート電極74a,74bを形成する。
Next, an amorphous or polycrystalline silicon film and a tungsten silicide film are sequentially formed on the entire upper surface of the
なお、1つのpウェル71a上には2つのゲート電極74a,74bが並列に形成され、それらのゲート電極4a,4bはワード線WLの一部を構成する。
Two
次に、pウェル71aのうちゲート電極74a,74bの両側にn型不純物をイオン注入してソース/ドレインとなる第1〜第3のn型不純物拡散領域75a〜75cを形成する。
Next, n-type impurities are ion-implanted on both sides of the
さらに、CVD法により絶縁膜、例えば酸化シリコン(SiO2)膜をシリコン基板71の全面に形成した後に、その絶縁膜をエッチバックしてゲート電極74a,74bの両側部分に側壁絶縁膜76として残す。
Further, after an insulating film, for example, a silicon oxide (SiO 2 ) film is formed on the entire surface of the
続いて、ゲート電極74a,74bと側壁絶縁膜76をマスクに使用して、第1〜第3のn型不純物拡散領域75a〜75cに再びn型不純物をイオン注入することにより、第1〜第3のn型不純物拡散領域75a〜75cをLDD構造にする。
Subsequently, n-type impurities are ion-implanted again into the first to third n-type
なお、1つのトランジスタ形成領域における2つのゲート電極74a,74bの間の第1のn型不純物拡散領域75aはビット線に電気的に接続され、トランジスタ形成領域の両端側の第2、第3のn型不純物拡散領域75b,75cはキャパシタの下部電極に電気的に接続される。
Note that the first n-type
以上の工程により、pウェル71aにはゲート電極74a,74bとLDD構造のn型不純物拡散領域75a〜75cを有する2つのMOSトランジスタT1,T2が形成される。
Through the above steps, two MOS transistors T 1 and T 2 having
次に、MOSトランジスタT1,T2を覆うカバー絶縁膜77として約200nmの厚さの酸窒化シリコン(SiON)膜をプラズマCVD法によりシリコン基板71の全面に形成する。その後、TEOSガスを用いるプラズマCVD法により、膜厚1.0μm程度の酸化シリコン(SiO2)を第1層間絶縁膜78としてカバー絶縁膜77の上に形成する。
Next, a silicon oxynitride (SiON) film having a thickness of about 200 nm is formed on the entire surface of the
続いて、第1層間絶縁膜78の緻密化処理として、例えば常圧の窒素雰囲気中で第1層間絶縁膜78を700℃の温度で30分間熱処理する。その後に、第1層間絶縁膜78の上面を化学機械研磨(CMP)法により平坦化する。
Subsequently, as a densification process of the first
次に、図22(b)に示す構造を形成するまでの工程を説明する。 Next, steps required until a structure shown in FIG.
まず、フォトリソグラフィー法によりカバー絶縁膜77と第1層間絶縁膜78をパターニングして、第1の不純物拡散領域75aに到達する深さの第1のコンタクトホール78aを形成する。その後、第1層間絶縁膜78上面とコンタクトホール78a内面に、グルー膜として膜厚30nmのチタン(Ti)膜と膜厚50nmの窒化チタン(TiN)膜をスパッタ法により順に形成する。さらに、WF6を用いるCVD法によってタングステン(W)膜をTiN膜上に成長して第1のコンタクトホール78a内を完全に埋め込む。
First, the
続いて、W膜、TiN膜及びTi膜をCMP法により研磨して第1層間絶縁膜78の上面上から除去する。第1のコンタクトホール78a内に残されたタングステン膜、TiN膜及びTi膜は第1プラグ79として使用される。
Subsequently, the W film, the TiN film, and the Ti film are polished by a CMP method and removed from the upper surface of the first
その後に、図22(c)に示すように、第1層間絶縁膜78上と第1プラグ79上に、膜厚100nmの窒化シリコン(Si3N4)よりなる酸化防止絶縁膜80aと膜厚100nmのSiO2よりなる下地絶縁膜80bをプラズマCVD法により順に形成する。そのSiO2膜はTEOSを用いてプラズマCVDにより成長される。酸化防止絶縁膜80aは、後のアニール等による熱処理の際にプラグ79が異常酸化してコンタクト不良を起こさないようにするために形成され、その膜厚を例えば70nm以上にすることが望ましい。
Thereafter, as shown in FIG. 22 (c), an
上記第1層間絶縁膜78、酸化防止絶縁膜80a、及び下地絶縁膜80bにより、第1絶縁膜94が構成される。
The first insulating
次に、レジストパターン(不図示)を用いて、 図23(a)に示すように第1絶縁膜94をエッチングすることにより、第2及び第3の不純物拡散領域75b,75cの上に第2及び第3のコンタクトホール78b,78cを形成する。
Next, by using the resist pattern (not shown), the first insulating
さらに、下地絶縁膜80b上面と第2、第3のコンタクトホール78b,78c内面に、グルー膜として膜厚30nmのTi膜と膜厚50nmのTiN膜をスパッタ法により順に形成する。さらに、CVD法によりW膜をTiN膜上に成長して第2、第3のコンタクトホール78b,78c内を完全に埋め込む。
Further, a Ti film having a thickness of 30 nm and a TiN film having a thickness of 50 nm are sequentially formed as a glue film on the upper surface of the
続いて、 図23(b)に示すように、W膜、TiN膜及びTi膜をCMP法により研磨して下地絶縁膜80bの上面上から除去する。これにより第2、第3のコンタクトホール78b,78c内に残されたタングステン膜、TiN膜及びTi膜をそれぞれ第2、第3プラグ81a,81bとする。
Subsequently, as shown in FIG. 23B, the W film, the TiN film, and the Ti film are polished by the CMP method and removed from the upper surface of the
次に、図23(c)に示す構造を形成するまでの工程を説明する。 Next, steps required until a structure shown in FIG.
まず、第2、第3プラグ81a,81b上と下地絶縁膜80b上に、例えば膜厚200nmのイリジウム(Ir)膜82をスパッタ法により形成する。さらに、イリジウム膜82の上に、例えば膜厚23nmの酸化プラチナ(PtO)膜83をスパッタ法により形成する。続いて、酸化プラチナ膜83上に、例えば膜厚50nmのプラチナ(Pt)膜84をスパッタ法により形成する。
First, an iridium (Ir)
それらのIr膜82、PtO膜83及びPt膜84を多層構造の第1導電膜85とする。なお、第1導電膜85を形成する前又は後に例えば膜剥がれ防止のために下地絶縁膜80bをアニールする。アニール方法として、例えば、アルゴン雰囲気中において600〜750℃で加熱するRTAを採用する。
The
次に、第1導電膜85上に、強誘電体膜86として例えば膜厚100nmのPZT膜をスパッタ法により形成する。強誘電体膜86の形成方法は、その他に、MOD法、MOCVD(有機金属CVD)法、ゾル・ゲル法などがある。また、強誘電体膜86の材料としては、PZTの他に、PLCSZT、PLZTのような他のPZT系材料や、ビスマス(Bi)系材料のSrBi2(TaxNb1-x)2O9(但し、0<x≦1)、Bi4Ti2O12等を使用してもよい。 Next, a PZT film of, eg, a 100 nm-thickness is formed as a ferroelectric film 86 on the first conductive film 85 by sputtering. Other methods for forming the ferroelectric film 86 include the MOD method, the MOCVD (organometallic CVD) method, and the sol-gel method. As the material of the ferroelectric film 86, in addition to PZT, other PZT-based materials such as PLCSZT and PLZT, and bismuth (Bi) -based material SrBi 2 (Ta x Nb 1-x ) 2 O 9 (However, 0 <x ≦ 1), Bi 4 Ti 2 O 12 or the like may be used.
続いて、酸素雰囲気中で強誘電体膜86をアニールにより結晶化する。アニールとして、例えばアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中で基板温度600℃、時間90秒の条件を第1ステップ、酸素雰囲気中で基板温度750℃、時間60秒の条件を第2ステップとする2ステップのRTA処理を採用する。 Subsequently, the ferroelectric film 86 is crystallized by annealing in an oxygen atmosphere. As the annealing, for example, the first step is a substrate temperature of 600 ° C. for 90 seconds in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen, and the second step is a substrate temperature of 750 ° C. for 60 seconds in an oxygen atmosphere. RTA processing is adopted.
さらに、強誘電体膜86の上に、第2導電膜87として例えば膜厚200nmの酸化イリジウム(IrO2)をスパッタ法により形成する。酸化イリジウム膜の成長条件は、スパッタパワーを1kWとし、成長雰囲気中にアルゴンと酸素をそれぞれ流す。 Further, on the ferroelectric film 86, for example, iridium oxide (IrO 2 ) having a film thickness of 200 nm is formed as the second conductive film 87 by sputtering. The growth condition of the iridium oxide film is that the sputtering power is 1 kW, and argon and oxygen are allowed to flow in the growth atmosphere.
この後に、第2導電膜87上に、ハードマスク88としてTiN膜88aとSiO2膜88bを順に形成する。SiO2膜88bはシリコンソースとしてTEOSガスを用いるプラズマCVDにより形成される。そのハードマスク88は、フォトリソグラフィー法により第2及び第3プラグ81a,81bの上方にキャパシタ平面形状となるようにパターニングされる。
Thereafter, a
次に、図24(a)に示すように、ハードマスク88に覆われない領域の第2導電膜87、強誘電体膜86、第1導電膜85を順次エッチングしてパターニングする。この場合、強誘電体膜86は、塩素とアルゴンを含む雰囲気中でスパッタ反応によりエッチングされる。また、第2導電膜87と第1導電膜85は、臭素(Br2)導入雰囲気中でスパッタ反応によりエッチングされる。
Next, as shown in FIG. 24A, the second conductive film 87, the ferroelectric film 86, and the first conductive film 85 in a region not covered with the
以上により、酸化防止絶縁膜80bの上には、第1導電膜85よりなるキャパシタQの下部電極85aと、強誘電体膜86よりなるキャパシタQの誘電体膜86aと、第2導電膜87よりなるキャパシタQの上部電極87aが形成される。そして、1つのトランジスタ形成領域において、1つの下部電極85aは第2プラグ81aを介して第2不純物拡散領域75bに電気的に接続され、また、別の下部電極85aは第3プラグ81bを介して第3不純物拡散領域75cに電気的に接続される。その後に、ハードマスク88を除去する。
As described above, the
続いて、エッチングによる強誘電体膜86のダメージを回復するために、回復アニールを行う。この場合の回復アニールは、例えば、基板温度650℃、60分間の条件で酸素雰囲気中で行われる。 Subsequently, recovery annealing is performed to recover damage to the ferroelectric film 86 due to etching. In this case, the recovery annealing is performed, for example, in an oxygen atmosphere at a substrate temperature of 650 ° C. for 60 minutes.
次に、図24(b)に示すように、キャパシタQを覆う第1キャパシタ保護絶縁膜89として膜厚50nmのアルミナ(Al2O3)をスパッタにより下地絶縁膜80b上に形成した後に、酸素雰囲気中で650℃で60分間の条件でキャパシタQをアニールする。この第1キャパシタ保護絶縁膜89は、プロセスダメージからキャパシタQを保護するものである。
Next, as shown in FIG. 24B, after a 50 nm-thickness alumina (Al 2 O 3 ) is formed on the
次に、シリコン基板1を既述のプラズマCVD装置内( 図17参照)に入れ、次の条件で成膜を行う。
・TEOSガス流量・・・460sccm
・He(TEOSのキャリアガス)流量・・・480sccm
・O2流量・・・700sccm
・圧力・・・9.0Torr
・高周波電源54の周波数・・・13.56MHz
・高周波電源54のパワー・・・400W
・成膜温度・・・390℃
これにより、図25(a)に示すように、第2キャパシタ保護絶縁膜95として、厚さが100nmの酸化シリコン(SiO2)が第1キャパシタ保護絶縁膜89上に形成される。
Next, the
・ TEOS gas flow rate: 460sccm
・ He (TEOS carrier gas) flow rate 480sccm
・ O 2 flow rate: 700sccm
・ Pressure: 9.0 Torr
・ Frequency of the high
・ Power of high
・ Deposition temperature: 390 ℃
As a result, as shown in FIG. 25A, silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of 100 nm is formed on the first capacitor protective insulating
なお、必要なら、第2キャパシタ保護絶縁膜95に対して脱水処理とプラズマ処理とを行っても良い。その条件は第1実施形態と同様なので省略する。
If necessary, dehydration treatment and plasma treatment may be performed on the second capacitor
次いで、図25(b)に示すように、既述のHDPCVD法により、第2層間絶縁膜(第2絶縁膜)90として厚さ800nm程度の酸化シリコン(SiO2)を第2キャパシタ保護絶縁膜95上に形成する。その第2層間絶縁膜90は、第1実施形態で説明した図18のHDPCVD装置内で形成され、その成膜条件は次の通りである。
・SiH4流量・・・69sccm
・O2流量・・・300sccm
・Ar流量・・・300sccm
・圧力・・・6.2Torr
・第1高周波電源64の周波数・・・13.56MHz
・第1高周波電源64のパワー・・・3000W
・第2高周波電源62の周波数・・・2MHz
・第2高周波電源62のパワー・・・1200W
・成膜温度・・・250℃
この第2層間絶縁膜90をHDPCVD法で成膜する際、その下に第2キャパシタ保護絶縁膜95を形成したことで、成膜時に生成される水素イオンH+やスパッタ性のイオンの衝突エネルギがそこで吸収される。従って、下層の第1キャパシタ保護絶縁膜89で上記のイオンをブロックすることができるようになり、キャパシタ誘電体膜86aが上記のイオンによって劣化するのを防ぐことができる。
Next, as shown in FIG. 25B, silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of about 800 nm is formed as the second interlayer insulating film (second insulating film) 90 by the above-described HDPCVD method. 95. The second
・ SiH 4 flow rate: 69sccm
・ O 2 flow rate: 300sccm
・ Ar flow rate: 300sccm
・ Pressure: 6.2 Torr
・ Frequency of the first high-
・ Power of first high
・ Frequency of the second high-
-Power of the second high
・ Film formation temperature: 250 ℃
When the second
しかも、TEOSを使用して成膜された第2キャパシタ保護絶縁膜95はカバレッジが良いため、衝突する水素イオンH+をキャパシタの上部と側部とで均等に吸収することができる。
In addition, since the second capacitor protective insulating
更に、TEOSはSiH4と比較して還元性の水素を発生し難いので、水素によりキャパシタQを劣化させる恐れが無い。 Furthermore, since TEOS is less likely to generate reducing hydrogen than SiH 4 , there is no risk of degrading capacitor Q due to hydrogen.
なお、必要なら、第2層間絶縁膜90に対してプラズマ処理を行ってもよい。その条件は第1実施形態と同様なので省略する。
If necessary, the second
その後、第3絶縁膜96として厚さ700nm程度の酸化シリコン(SiO2)を第2層間絶縁膜90上に形成する。その成膜条件は第1実施形態ど同じなので省略する。
Thereafter, silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of about 700 nm is formed on the second
次いで、 図26(a)に示すように、第2層間絶縁膜90と第3絶縁膜96とをCMP法により研磨し、その表面を平坦化する。その平坦化は、上部電極87a上での第2層間絶縁膜90の厚さが300nmになるまで行われる。
Next, as shown in FIG. 26A, the second
このとき、第3絶縁膜95を形成したことで、研磨膜厚を増大させることができ、それにより研磨後の膜厚分布を一様にすることができる。
At this time, by forming the third insulating
次に、レジストマスク(不図示)を用いて、 図26(b)に示すように、第2層間絶縁膜90、第2キャパシタ保護絶縁膜95、第1キャパシタ保護絶縁膜89、酸化防止絶縁膜80a及び下地絶縁膜80bをエッチングすることにより第1プラグ79の上にホール90aを形成する。
Next, using a resist mask (not shown), as shown in FIG. 26B, the second
次いで、ホール90a内と第2層間絶縁膜90上に、グルー膜として膜厚30nmのTi膜と膜厚50nmのTiN膜をスパッタ法により順に形成する。さらに、CVD法によりW膜をグルー膜上に成長するとともにホール90a内を完全に埋め込む。
Next, a Ti film having a thickness of 30 nm and a TiN film having a thickness of 50 nm are sequentially formed as a glue film in the
続いて、W膜、TiN膜及びTi膜をCMP法により研磨して第2層間絶縁膜90の上面上から除去する。そして、 図27(a)に示すように、ホール90a内に残されたタングステン膜及びグルー膜を第4プラグ91とする。この第4プラグ91は、第1プラグ79を介して第1不純物拡散領域75aに電気的に接続される。
Subsequently, the W film, the TiN film, and the Ti film are polished by a CMP method and removed from the upper surface of the second
次に、 図27(b)に示す構造を形成するまでの工程を説明する。 Next, steps required until a structure shown in FIG.
まず、第4プラグ91上と第2層間絶縁膜90上に、第2の酸化防止絶縁膜(不図示)としてSiON膜をCVD法により形成する。さらに、第2の酸化防止絶縁膜(不図示)、第2層間絶縁膜90、第2キャパシタ保護絶縁膜95、及び第1キャパシタ保護絶縁膜89をフォトリソグラフィー法によりパターニングしてキャパシタQの上部電極87aに至るコンタクトホール90bを形成する。
First, a SiON film is formed as a second antioxidant insulating film (not shown) on the fourth plug 91 and the second
コンタクトホール90bを形成することによりダメージを受けたキャパシタQはアニールによって回復される。そのアニールは、例えば酸素雰囲気中で基板温度550℃として60分間行われる。
Capacitor Q damaged by forming
その後に、第2層間絶縁膜90上に形成された酸化防止絶縁膜をエッチバックによって除去するとともに、第4プラグ91の表面を露出させる。
Thereafter, the antioxidant insulating film formed on the second
次に、キャパシタQの上部電極87a上のコンタクトホール90b内と第2層間絶縁膜90の上に多層金属膜を形成する。その後に、多層金属膜をパターニングすることにより、コンタクトホール90bを介して上部電極87aと電気的に接続される一層目金属配線91aと第4プラグ91に接続される導電性コンタクトパッド91bを形成する。
Next, a multilayer metal film is formed in the
さらに、第2層間絶縁膜90、一層目金属配線91a及び導電性コンタクトパッド91bの上に第3層間絶縁膜92を形成する。続いて、第3層間絶縁膜92をパターニングして導電性コンタクトパッド91bの上にホール92aを形成し、そのホール92a内に下から順にTiN膜及びW膜からなる第5プラグ93を形成する。
Further, a third
その後に、特に図示しないが、ビット線を含む二層目配線を第3層間絶縁膜92上に形成する。そのビット線は、第5プラグ93、導電性コンタクトパッド91b、第4プラグ91及び第1プラグ79を介して第1不純物拡散領域75aに電気的に接続される。それに続いて、二層目配線層を覆う絶縁膜等が形成されるが、その詳細は省略する。
Thereafter, although not particularly shown, a second layer wiring including a bit line is formed on the third
なお、この場合の平面図は 図28の通りであり、上の 図27(b)は 図28のI−I線断面図に相当する。また、 図29は図28のII−II線断面図である。 In addition, the top view in this case is as FIG. 28, FIG.27 (b) above is equivalent to the II sectional view taken on the line of FIG. FIG. 29 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
以上説明したように、本実施形態においても、第2キャパシタ保護絶縁膜95を形成したことで、HDPCVD法で第2層間絶縁膜90を形成する際に、キャパシタの誘電体膜86aがダメージを受けるのを防ぐことができる。
As described above, also in this embodiment, since the second capacitor protective insulating
以下に、本発明の特徴を付記する。 The features of the present invention are added below.
(付記1) 半導体基板の上方に形成された第1絶縁膜と、
下部電極、誘電体膜、及び上部電極を前記第1絶縁膜上に順に形成してなるキャパシタと、
前記誘電体膜と前記上部電極とを覆う第1キャパシタ保護絶縁膜と、
前記第1キャパシタ保護絶縁膜上に形成された第2キャパシタ保護絶縁膜と、
前記第2キャパシタ保護絶縁膜上に形成された第2絶縁膜とを備え、
前記第2キャパシタ保護絶縁膜の炭素含有量が、前記第2絶縁膜の炭素含有量よりも多いことを特徴とする半導体装置。
(Additional remark 1) The 1st insulating film formed above the semiconductor substrate,
A capacitor formed by sequentially forming a lower electrode, a dielectric film, and an upper electrode on the first insulating film;
A first capacitor protective insulating film covering the dielectric film and the upper electrode;
A second capacitor protective insulating film formed on the first capacitor protective insulating film;
A second insulating film formed on the second capacitor protective insulating film,
The semiconductor device according to
(付記2) 前記第2キャパシタ保護絶縁膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Supplementary note 2) The semiconductor device according to
(付記3) 前記第2絶縁膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする付記1又は付記2に記載の半導体装置。
(Supplementary Note 3) The semiconductor device according to
(付記4) 前記第1キャパシタ保護絶縁膜は、アルミナ、PLZT、PZT、酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化酸化シリコンのいずれかからなることを特徴とする付記1乃至付記3のいずれかに記載の半導体装置。 (Additional remark 4) The said 1st capacitor protective insulating film consists of any one of an alumina, PLZT, PZT, a titanium oxide, an aluminum nitride, a silicon nitride, and a silicon nitride oxide. The semiconductor device described.
(付記5) 前記誘電体膜は、PZT系材料、ビスマス系材料のいずれかからなることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれかに記載の半導体装置。
(Supplementary note 5) The semiconductor device according to any one of
(付記6) 前記上部電極に至るホールが前記第1キャパシタ保護絶縁膜、前記第2キャパシタ保護絶縁膜、及び前記第2絶縁膜に形成され、
前記ホールを介して前記上部電極と電気的に接続された配線が前記第2絶縁膜上に形成されたことを特徴とする付記1乃至付記5のいずれかに記載の半導体装置。
(Appendix 6) A hole reaching the upper electrode is formed in the first capacitor protective insulating film, the second capacitor protective insulating film, and the second insulating film,
6. The semiconductor device according to any one of
(付記7) 半導体基板の上方に第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜上に、順に、第1導電膜、強誘電体膜、及び第2導電膜を形成する工程と、
前記第2導電膜をパターニングしてキャパシタの上部電極を形成する工程と、
前記強誘電体膜をパターニングしてキャパシタの誘電体膜を形成する工程と、
前記第1導電膜をパターニングしてキャパシタの下部電極を形成する工程と、
前記誘電体膜と前記上部電極とを覆う第1キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程と、
前記第1キャパシタ保護絶縁膜を覆う第2キャパシタ保護絶縁膜を、前記半導体基板にバイアス電圧を印加しない状態で化学的気相成長法により形成する工程と、
前記第2キャパシタ保護絶縁膜上に、前記半導体基板にバイアス電圧を印加した状態で、化学的気相成長法により第2絶縁膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 7) A step of forming a first insulating film above the semiconductor substrate;
Forming a first conductive film, a ferroelectric film, and a second conductive film in order on the first insulating film;
Patterning the second conductive film to form an upper electrode of a capacitor;
Patterning the ferroelectric film to form a capacitor dielectric film;
Patterning the first conductive film to form a lower electrode of a capacitor;
Forming a first capacitor protective insulating film covering the dielectric film and the upper electrode;
Forming a second capacitor protective insulating film covering the first capacitor protective insulating film by chemical vapor deposition without applying a bias voltage to the semiconductor substrate;
Forming a second insulating film on the second capacitor protective insulating film by a chemical vapor deposition method in a state where a bias voltage is applied to the semiconductor substrate. .
(付記8) 前記第1キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程は、前記半導体基板にバイアス電圧が印加されない状態で行われることを特徴とする付記7に記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary note 8) The method of manufacturing a semiconductor device according to
(付記9) 前記第2キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程は、前記第2絶縁膜を形成する工程よりも高い圧力中で行われることを特徴とする付記7又は付記8に記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 9) The process of forming the said 2nd capacitor protective insulating film is performed in the pressure higher than the process of forming a said 2nd insulating film, The semiconductor device of
(付記10) 前記第2キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程におけるプラズマ密度は、前記第2絶縁膜を形成する工程におけるプラズマ密度よりも低いことを特徴とする付記7乃至付記9いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary note 10) The plasma density in the step of forming the second capacitor protective insulating film is lower than the plasma density in the step of forming the second insulating film, according to any one of
(付記11) 前記第2キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程は、TEOSを含む反応ガスを使用する化学的気相成長法により行われることを特徴とする付記7乃至付記10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 11) The process of forming the said 2nd capacitor protective insulating film is performed by the chemical vapor deposition method using the reactive gas containing TEOS, The
(付記12) 前記第2絶縁膜を形成する工程は、SiH4、Si2H6、Si3H8及びSiCl4のいずれかを含む反応ガスを使用する化学的気相成長法により行われることを特徴とする付記7乃至付記11のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 12) forming said second insulating film is performed by SiH 4, Si 2 H 6, Si 3
(付記13) 前記第2絶縁膜を形成する工程は、フッ素、リン、及びボロンのいずれかを含むガスを前記反応ガスに添加することを特徴とする付記12に記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 13) The process of forming the said 2nd insulating film adds the gas containing any of a fluorine, phosphorus, and boron to the said reaction gas, The manufacturing method of the semiconductor device of
(付記14) 前記第2キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程は、前記第2キャパシタ保護絶縁膜を加熱して脱水処理する工程を有することを特徴とする付記7乃至付記13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 14) The process of forming the said 2nd capacitor protective insulating film has the process of heating and dehydrating the said 2nd capacitor protective insulating film, The
(付記15) 前記第2キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程は、前記第2キャパシタ保護絶縁膜をN(窒素)含有のプラズマ雰囲気に曝して膜質を改善する工程を有することを特徴とする付記7乃至付記14のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 15) The step of forming the second capacitor protective insulating film includes a step of improving the film quality by exposing the second capacitor protective insulating film to a plasma atmosphere containing N (nitrogen). The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of thru | or
(付記16) 前記第2絶縁膜を形成する工程は、前記第2絶縁膜をN(窒素)含有のプラズマ雰囲気に曝して膜質を改善する工程を有することを特徴とする付記7乃至付記15のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。 (Additional remark 16) The process of forming the said 2nd insulating film has the process of exposing a said 2nd insulating film to the plasma atmosphere containing N (nitrogen), and improving the film quality The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one.
(付記17) 前記第1キャパシタ保護絶縁膜を形成する工程は、
前記誘電体膜と前記上部電極とを覆う下層保護絶縁膜を前記第1導電膜上に形成する工程と、
前記下層保護絶縁膜をパターニングして少なくとも前記誘電体膜上と前記上部電極上に残す工程と、
前記第1絶縁膜上と前記下層保護絶縁膜上とに上層保護絶縁膜を形成して、前記上層保護膜と前記下層保護膜とを前記第1キャパシタ保護絶縁膜として適用する工程とを有することを特徴とする特徴とする付記7乃至付記16のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 17) The step of forming the first capacitor protective insulating film includes:
Forming a lower protective insulating film covering the dielectric film and the upper electrode on the first conductive film;
Patterning the lower protective insulating film to leave at least on the dielectric film and the upper electrode;
Forming an upper protective insulating film on the first insulating film and the lower protective insulating film, and applying the upper protective film and the lower protective film as the first capacitor protective insulating film. A method of manufacturing a semiconductor device according to any one of
(付記18) 前記キャパシタが複数形成され、前記第1キャパシタ保護絶縁膜と第2キャパシタ保護絶縁膜との合計膜厚は、複数の前記上部電極の最小間隔の半分以下であることを特徴とする付記7乃至付記17のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 18) A plurality of the capacitors are formed, and a total film thickness of the first capacitor protective insulating film and the second capacitor protective insulating film is not more than half of a minimum interval between the plurality of upper electrodes. 18. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of
(付記19) 前記第2絶縁膜の膜厚は、前記下部電極と前記誘電体膜と前記キャパシタ上部電極との合計膜厚よりも厚く、且つ、前記合計膜厚に1μmを加算した膜厚よりも薄いことを特徴とする付記7乃至付記18のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 19) The film thickness of the said 2nd insulating film is thicker than the total film thickness of the said lower electrode, the said dielectric material film, and the said capacitor upper electrode, and from the film thickness which added 1 micrometer to the said total film thickness 19. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of
(付記20) 前記第2絶縁膜を形成する工程は、
前記第2絶縁膜上に第3絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜とを研磨して表面を平坦化する工程とを有することを特徴とする付記7乃至付記19のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 20) The step of forming the second insulating film includes:
Forming a third insulating film on the second insulating film;
20. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of
1、71・・・シリコン基板(半導体基板)、2、72・・・素子分離絶縁膜、3a、3b、71a・・・ウエル、4a、4b、75a〜75c・・・不純物拡散領域、5、73・・・ゲート絶縁膜、6a、6b、74a、74b・・・ゲート電極、7、77・・・カバー絶縁膜、8a、8b・・・高融点金属シリサイド層、9・・・第1層間絶縁膜(第1絶縁膜)、10、76・・・側壁絶縁膜、11、85・・・第1導電膜、11a、85a・・・下部電極、12、86・・・強誘電体膜、12a、86a・・・キャパシタ誘電体膜、13、87・・・第2導電膜、13a、87a・・・上部電極、14、89・・・第1キャパシタ保護絶縁膜、14a・・・下層保護絶縁膜、14b・・・上層保護絶縁膜、16、95・・・第2キャパシタ保護絶縁膜、17、90・・・第2層間絶縁膜(第2絶縁膜)、17a〜17g、78a〜78c、90b・・・コンタクトホール、17h〜17j・・・下部電極用コンタクトホール、18、96・・・第3絶縁膜、19・・・レジスト、19a〜19d・・・ホール形成用窓、20・・・グルー膜、21・・・タングステン膜、21a〜21d、79、81a、81b、91、93・・・プラグ、22、80a・・・酸化防止絶縁膜、23a、23c〜23g、91a・・・一層目金属配線、23b・・・導電性コンタクトパッド、50、60・・・チャンバ、51、61・・・基板載置台、53、63・・・ガス分散板、54、64・・・高周波電源、62・・・低周波電源、78・・・第1層間絶縁膜、90a、92a・・・、ホール、92・・・第3層間絶縁膜、94・・・第1絶縁膜。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
下部電極、誘電体膜、及び上部電極を前記第1絶縁膜上に順に形成してなるキャパシタと、
前記誘電体膜と前記上部電極とを覆う第1キャパシタ保護絶縁膜と、
前記第1キャパシタ保護絶縁膜上に形成された第2キャパシタ保護絶縁膜と、
前記第2キャパシタ保護絶縁膜上に形成された第2絶縁膜とを備え、
前記第2キャパシタ保護絶縁膜の炭素含有量が、前記第2絶縁膜の炭素含有量よりも多いことを特徴とする半導体装置。 A first insulating film formed above the semiconductor substrate;
A capacitor formed by sequentially forming a lower electrode, a dielectric film, and an upper electrode on the first insulating film;
A first capacitor protective insulating film covering the dielectric film and the upper electrode;
A second capacitor protective insulating film formed on the first capacitor protective insulating film;
A second insulating film formed on the second capacitor protective insulating film,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a carbon content of the second capacitor protection insulating film is larger than a carbon content of the second insulating film.
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