JP3196700B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】本発明は、半導体装置の製造方法に関し、
特にメモリセルの上部電極の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device,
In particular, it relates to a method for forming an upper electrode of a memory cell.
【0002】[0002]
【従来の技術】256MビットDRAM以降の超LSI
メモリデバイスの容量素子部においては、単位面積当た
りの容量値を大きくできる高誘電率を有する容量絶縁膜
の採用が検討されている。このような容量絶縁膜の中
で、化学気相成長(CVD)法による酸化タンタル膜
は、優れたステップカバレッジ性を有していることか
ら、多くの研究がなされている。2. Description of the Related Art Super LSI after 256 Mbit DRAM
In a capacitor element portion of a memory device, the use of a capacitor insulating film having a high dielectric constant capable of increasing a capacitance value per unit area has been studied. Among such capacitive insulating films, many studies have been made on tantalum oxide films formed by chemical vapor deposition (CVD) because of their excellent step coverage.
【0003】DRAMのセルの容量素子の製造工程の断
面図である図9を参照すると、容量絶縁膜として酸化タ
ンタル膜を用いた従来のDRAMのスタック型の容量素
子の製造方法は、以下のようになっている。Referring to FIG. 9, which is a cross-sectional view of a manufacturing process of a capacitive element of a DRAM cell, a conventional method of manufacturing a stacked type capacitive element of a DRAM using a tantalum oxide film as a capacitive insulating film is as follows. It has become.
【0004】まず、図9(a)に示すように、P型シリ
コン基板の表面にトランジスタを形成し、このトランジ
スタを層間絶縁膜47により被覆する。層間絶縁膜47
にトランジスタのN型のソース、ドレイン領域の一方に
達するコンタクト孔58を形成する。コンタクト孔58
を介して前記N型のソース、ドレイン領域に接続される
ビット線56を、層間絶縁膜47の表面上に形成する。
層間絶縁膜48を形成して、ビット線56を含めて層間
絶縁膜47の表面上を覆う。First, as shown in FIG. 9A, a transistor is formed on the surface of a P-type silicon substrate, and this transistor is covered with an interlayer insulating film 47. Interlayer insulating film 47
Then, a contact hole 58 reaching one of the N-type source and drain regions of the transistor is formed. Contact hole 58
Then, a bit line 56 connected to the N-type source / drain region via the gate insulating film 47 is formed on the surface of the interlayer insulating film 47.
An interlayer insulating film 48 is formed to cover the surface of the interlayer insulating film 47 including the bit lines 56.
【0005】このような構造のもとで、まず、層間絶縁
膜47、48を貫通して前記トランジスタのソース、ド
レイン領域の他方に達するコンタクト孔57が形成され
る。基板全面にリンドープされた多結晶シリコン膜が形
成され、この多結晶シリコン膜がパターニングされてス
トレージノード電極2が形成される。Under such a structure, first, a contact hole 57 penetrating through the interlayer insulating films 47 and 48 and reaching the other of the source and drain regions of the transistor is formed. A phosphorus-doped polycrystalline silicon film is formed on the entire surface of the substrate, and the polycrystalline silicon film is patterned to form a storage node electrode 2.
【0006】次に、有機原料であるペンタエトキシタン
タル(Ta(OC2H5)5)ガスと酸素とを用いた減圧
気相成長法により、ストレージノード電極2の表面上を
含めた層間絶縁膜48表面上に酸化タンタル膜11が形
成される。Next, an interlayer insulating film including the surface of the storage node electrode 2 is formed by a low-pressure vapor deposition method using pentaethoxy tantalum (Ta (OC 2 H 5 ) 5 ) gas, which is an organic material, and oxygen. 48, a tantalum oxide film 11 is formed.
【0007】次に図9(b)に示すように、酸化タンタ
ル膜11のリーク電流特性を改善するために酸素雰囲気
中での高温熱処理が行われ、酸化タンタル膜11が酸化
タンタル膜11Bになる。続いて図9(c)に示すよう
に、容量上部電極3が形成される。この容量上部電極3
として良好なステップカバレッジ性を得るため、プラズ
マ化学気相成長法による窒化チタン(TiN)膜あるい
は窒化タングステン(WN)膜+リンドープ多結晶シリ
コン膜などの積層膜が用いられている。Next, as shown in FIG. 9B, a high-temperature heat treatment is performed in an oxygen atmosphere to improve the leak current characteristics of the tantalum oxide film 11, and the tantalum oxide film 11 becomes the tantalum oxide film 11B. . Subsequently, as shown in FIG. 9C, the capacitor upper electrode 3 is formed. This capacitor upper electrode 3
In order to obtain good step coverage, a laminated film of a titanium nitride (TiN) film or a tungsten nitride (WN) film + phosphorus-doped polycrystalline silicon film by a plasma chemical vapor deposition method is used.
【0008】このプラズマ化学気相成長法による窒化チ
タン膜の形成方法においては、四塩化チタン(TiCl
4)、アルゴン、水素および窒素ガスとを、あるいは四
塩化チタンおよびアンモニアガスとを用いている。ま
た、プラズマ化学気相成長法による窒化タングステン膜
の形成方法においては、六フッ化タングステン(W
F6)、水素および窒素ガスとを、あるいは六フッ化タ
ングステンおよびアンモニアガスとを用いている。In this method of forming a titanium nitride film by plasma enhanced chemical vapor deposition, titanium tetrachloride (TiCl
4 ), using argon, hydrogen and nitrogen gas, or titanium tetrachloride and ammonia gas. In a method of forming a tungsten nitride film by plasma enhanced chemical vapor deposition, tungsten hexafluoride (W
F 6 ), hydrogen and nitrogen gas, or tungsten hexafluoride and ammonia gas.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】まず、上述したプラズ
マ化学気相成長法により形成した窒化チタン膜あるいは
窒化タングステン膜を容量絶縁膜である酸化タンタル膜
あるいはチタン酸バリウムストロンチウム膜上に形成し
た場合、四塩化チタン(TiCl4)ガス中の塩素ある
いは六フッ化タングステン(WF6)ガス中のフッ素な
どのハロゲンガスにより、容量絶縁膜がエッチングさ
れ、リーク電流特性が著しく劣化するという問題があ
る。First, when a titanium nitride film or a tungsten nitride film formed by the plasma chemical vapor deposition method described above is formed on a tantalum oxide film or a barium strontium titanate film which is a capacitance insulating film, There is a problem that the capacitance insulating film is etched by a halogen gas such as chlorine in titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas or fluorine in tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas, and the leak current characteristic is significantly deteriorated.
【0010】[0010]
【0011】本発明の目的は、反応性のガスを用いて窒
化チタンあるいは窒化タングステン薄膜をメモリセルの
上部電極に形成する場合に、ハロゲンガスなどによって
容量膜がエッチングされるという問題を解消し、リーク
電流の特性を改善した半導体装置の製造方法を提供する
ことにある。 It is an object of the present invention to use a reactive gas
Titanium nitride or tungsten nitride thin film
When forming on the upper electrode,
Eliminates the problem that the capacitance film is etched and leaks
Provided is a method for manufacturing a semiconductor device with improved current characteristics.
It is in.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による半導体装置の製造方法においては、平
行平板からなるプラズマ化学気相成長装置を用いて成膜
する半導体装置の製造方法において、 チタンあるいはタ
ングステン金属からなるシャワー電極を有する反応室内
に、アンモニアガスまたは窒素ガスの何れかのガスのみ
を導入すると共に、反応室内に発生させたプラズマによ
り前記ガスを分解してラジカルを発生させ、発生したラ
ジカルにより前記シャワー電極をスパッタし、プラズマ
中に生成したチタンあるいはタングステン金属をプラズ
マ中の窒素と反応させて窒化チタンあるいは窒化タング
ステン薄膜を形成するものである。 To achieve the above object, according to an aspect of, Oite method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, flat
Film formation using a plasma-enhanced chemical vapor deposition system consisting of horizontal plates
The method of manufacturing a semiconductor device, titanium or data
Reaction chamber with shower electrode made of tungsten metal
Only ammonia gas or nitrogen gas
Along with the plasma generated in the reaction chamber.
Decomposes the gas to generate radicals,
Sputter the shower electrode with Zical
Titanium or tungsten metal generated in the plasma
Titanium nitride or tongue nitride
This is to form a stainless thin film.
【0013】また、半導体装置の容量素子部を形成する
にあたって、酸化タンタル(Ta2O5)膜あるいはチタ
ン酸バリウムストロンチウム(BST)膜などの高誘電
率膜を形成後、プレート電極を形成する工程で、前記窒
化金属薄膜を用いるものである。In forming a capacitive element portion of a semiconductor device, a step of forming a plate electrode after forming a high dielectric constant film such as a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) film or a barium strontium titanate (BST) film. Then, the metal nitride thin film is used.
【0014】[0014]
【0015】本発明の半導体装置の製造方法は、酸化タ
ンタル膜あるいはチタン酸バリウムストロンチウム膜な
どの高誘電率容量絶縁膜を形成後、プレート電極を形成
する工程において、平行平板からなるプラズマ化学気相
成長装置のシャワー電極板が目的とされる高純度金属を
窒素、アンモニアなどを用いた窒化プラズマ処理により
窒化金属薄膜を形成する工程とを行う。In a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming a high dielectric constant capacity insulating film such as a tantalum oxide film or a barium strontium titanate film, and then forming a plate electrode in the plasma chemical vapor A step of forming a metal nitride thin film by nitridation plasma treatment of high-purity metal intended for a shower electrode plate of a growth apparatus using nitrogen, ammonia, or the like.
【0016】さらには、半導体装置のコンタクト部の形
成において、少なくともコンタクト系が0.5μm以
下、アスペクト比が2以上からなる超微細コンタクト部
を形成する工程で、シャワー電極版が目的とされる高純
度金属を不活性ガスを用いたプラズマ処理により形成す
る工程と、窒素、アンモニアなどを用いた窒化プラズマ
処理により窒化金属薄膜を形成する工程とを行う。Further, in forming a contact portion of the semiconductor device, at least a step of forming an ultra-fine contact portion having a contact system of 0.5 μm or less and an aspect ratio of 2 or more, the step of forming a high-level electrode intended for a shower electrode plate. A step of forming a pure metal by a plasma treatment using an inert gas and a step of forming a metal nitride thin film by a nitridation plasma treatment using nitrogen, ammonia, or the like are performed.
【0017】[0017]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0018】(実施形態1)本発明の実施形態を説明す
るに先立だって、まず、本発明の実施形態が適用される
半導体装置について説明する。(Embodiment 1) Prior to describing an embodiment of the present invention, first, a semiconductor device to which the embodiment of the present invention is applied will be described.
【0019】図1に示すように、本発明の一実施形態が
適用されるDRAMは、以下のような構造になってい
る。As shown in FIG. 1, a DRAM to which an embodiment of the present invention is applied has the following structure.
【0020】P型シリコン基板41の表面にはNウエル
42が形成され、Nウエル42の表面には第1のPウエ
ル43aが形成され、Nウエル42の周辺表面にはN型
分離領域45が形成されている。Nウエル42を除いた
P型シリコン基板41の表面には、第2のPウエル43
bが形成されている。Pウエル43aとPウエル43b
とは、N型分離領域45とフィールド酸化膜46とによ
り、素子分離されている。An N well 42 is formed on the surface of the P type silicon substrate 41, a first P well 43a is formed on the surface of the N well 42, and an N type isolation region 45 is formed on the peripheral surface of the N well 42. Is formed. A second P-well 43 is provided on the surface of the P-type silicon substrate 41 excluding the N-well 42.
b is formed. P well 43a and P well 43b
Is element-isolated by the N-type isolation region 45 and the field oxide film 46.
【0021】第1のPウエル43aの表面上には、フィ
ールド酸化膜46により素子分離された活性領域にメモ
リセルを構成するそれぞれのトランジスタ50が形成さ
れている。図4では、一対のメモリセルのみを図示して
ある。それぞれのトランジスタ50は、Pウエル43a
の表面に設けられたN型のソース・ドレイン領域51
a、51bと、Pウエル43aの表面上に設けられたゲ
ート絶縁膜52と、ゲート絶縁膜52を介してPウエル
43aの表面上に設けられた多結晶シリコン膜53およ
びシリサイド膜54が積層してなるゲート電極55とか
ら構成されている。これらのトランジスタ50は、第1
の層間絶縁膜47により覆われている。層間絶縁膜47
には、一対のトランジスタ50が共用する(一方の)ソ
ース・ドレイン領域51aに達するコンタクト孔58が
設けられている。層間絶縁膜47の表面上に設けられた
ビット線56は、コンタクト孔58を介してソース・ド
レイン領域51aに接続されている。On the surface of the first P-well 43a, respective transistors 50 forming memory cells are formed in active regions separated by a field oxide film 46. FIG. 4 shows only a pair of memory cells. Each transistor 50 has a P-well 43a
N-type source / drain region 51 provided on the surface of
a, 51b, a gate insulating film 52 provided on the surface of the P well 43a, a polycrystalline silicon film 53 and a silicide film 54 provided on the surface of the P well 43a with the gate insulating film 52 interposed therebetween. And a gate electrode 55 composed of These transistors 50 have a first
Is covered with an interlayer insulating film 47. Interlayer insulating film 47
Is provided with a contact hole 58 reaching the (one) source / drain region 51a shared by a pair of transistors 50. The bit line 56 provided on the surface of the interlayer insulating film 47 is connected to the source / drain region 51a via the contact hole 58.
【0022】ビット線56は、第2の層間絶縁膜48に
より覆われている。層間絶縁膜48上には、点線で囲ん
だ容量素子部70が設けられている。すなわち、本実施
形態によるスタック型の容量素子は、ストレージノード
電極(容量下部電極)2Aと容量絶縁膜としての酸化タ
ンタル膜11Aとプレート電極(容量上部電極)3Aと
から構成されている。層間絶縁膜47、48を貫通して
一対のトランジスタ50のそれぞれの(他方の)N型の
ソース・ドレイン領域51bに達するコンタクト孔57
に接続されている。また、プレート電極3Aは、一対の
メモリセルのそれぞれの容量素子に共通して連続的に形
成されている。プレート電極3Aは、第2の層間絶縁膜
48の表面上に延在し、上層配線と接続するための取り
出し部分となるプレート電極3Aが設けられている。The bit line 56 is covered with a second interlayer insulating film 48. On the interlayer insulating film 48, a capacitance element portion 70 surrounded by a dotted line is provided. That is, the stack-type capacitance element according to the present embodiment includes the storage node electrode (capacitance lower electrode) 2A, the tantalum oxide film 11A as a capacitance insulating film, and the plate electrode (capacitor upper electrode) 3A. A contact hole 57 penetrating through the interlayer insulating films 47 and 48 and reaching the respective (other) N-type source / drain regions 51b of the pair of transistors 50
It is connected to the. Further, the plate electrode 3A is continuously formed in common with the respective capacitance elements of the pair of memory cells. The plate electrode 3A extends on the surface of the second interlayer insulating film 48 and is provided with a plate electrode 3A serving as an extraction portion for connecting to an upper layer wiring.
【0023】容量素子部70は、第3の層間絶縁膜49
により覆われている。層間絶縁膜49に設けられたコン
タクト孔67を介して、層間絶縁膜49の表面上に設け
られた複数のアルミ電極71のうちの1つのアルミ電極
71aは、プレート電極3Aに接続されている。アルミ
電極71aは接地電位等の固定電位になっている。The capacitance element section 70 is formed of a third interlayer insulating film 49.
Covered by One aluminum electrode 71a of the plurality of aluminum electrodes 71 provided on the surface of interlayer insulating film 49 is connected to plate electrode 3A via contact hole 67 provided in interlayer insulating film 49. The aluminum electrode 71a is at a fixed potential such as a ground potential.
【0024】一方、記憶装置の周辺回路を構成するトラ
ンジスタ60は、Pウエル43bの表面に設けられたN
型のソース・ドレイン領域51と、Pウエル43bの表
面上に設けられたゲート絶縁膜52と、ゲート絶縁膜5
2を介してPウエル43bの表面上に設けられた多結晶
シリコン膜53およびシリサイド膜54が積層してなる
ゲート電極55とから構成されている。ソース・ドレイ
ン領域51の一方に、層間絶縁膜47、48、49を通
して設けられたコンタクト孔68を介して、アルミ電極
71bが接続されている。コンタクト孔68も、コンタ
クト孔67よ同様に側面および底面は窒化チタン膜72
に覆われ、タングステン膜73により充填されている。
同様に、周辺回路の他のトランジスタ60のゲート電極
55は、コンタクト孔を介してアルミ電極71cに接地
されている。On the other hand, a transistor 60 constituting a peripheral circuit of the storage device is formed by an N-type transistor provided on the surface of the P-well 43b.
Source / drain regions 51, a gate insulating film 52 provided on the surface of the P well 43b, and a gate insulating film 5
2 and a gate electrode 55 formed by laminating a polycrystalline silicon film 53 and a silicide film 54 provided on the surface of the P well 43b. An aluminum electrode 71b is connected to one of the source / drain regions 51 via a contact hole 68 provided through interlayer insulating films 47, 48, and 49. Similarly to the contact hole 67, the side and bottom surfaces of the contact hole 68 are made of a titanium nitride film 72.
And is filled with a tungsten film 73.
Similarly, the gate electrode 55 of another transistor 60 in the peripheral circuit is grounded to the aluminum electrode 71c via a contact hole.
【0025】次に、本発明の実施形態1について説明す
る。Next, Embodiment 1 of the present invention will be described.
【0026】図2は、酸化タンタル膜形成の化学気相成
長装置を示す構成図、図3は、プレート電極形成のプラ
ズマ化学気相成長装置を示す構成図、図4は、本発明の
実施形態1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。図2において、12は酸素ガスの導入
管、13がアルゴンガスの導入管、14はヒータ、15
は気化室、16はヒータ、17は基板ホルダ、18は基
板ウエハ、19は反応炉、20は真空ポンプ、21は排
気口、22a,22b,22cはバルブ、23はキャリ
アガスアルゴンの導入管である。図3において、30
1,302,303,304,305,306,30
7,308はバルブ、310,310Bはシャワー電
極、311,311Bは反応室、312,312Bは高
周波電源、313は半導体ウエハ、314はヒータであ
る。FIG. 2 is a block diagram showing a chemical vapor deposition apparatus for forming a tantalum oxide film, FIG. 3 is a block diagram showing a plasma chemical vapor deposition apparatus for forming a plate electrode, and FIG. 4 is an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device according to Step 1 in the order of steps; In FIG. 2, 12 is an oxygen gas introduction pipe, 13 is an argon gas introduction pipe, 14 is a heater, 15
Is a vaporization chamber, 16 is a heater, 17 is a substrate holder, 18 is a substrate wafer, 19 is a reaction furnace, 20 is a vacuum pump, 21 is an exhaust port, 22a, 22b, and 22c are valves, and 23 is a carrier gas argon introduction pipe. is there. In FIG. 3, 30
1,302,303,304,305,306,30
7, 308 are valves, 310 and 310B are shower electrodes, 311 and 311B are reaction chambers, 312 and 312B are high frequency power supplies, 313 is a semiconductor wafer, and 314 is a heater.
【0027】まず図4(a)に示すように、第2の層間
絶縁膜48を形成し、層間絶縁膜47、48を貫通する
コンタクト孔57を形成する。その後、化学気相成長法
により多結晶シリコン膜を堆積し、この多結晶シリコン
膜にリンをドープした後、パターニングを行い、多結晶
シリコン膜を形成する。なお、コンタクト孔57内を充
填する材料としては、リンがドープされた多結晶シリコ
ン膜、予め別途形成するN型の多結晶シリコン膜、もし
くはタングステン膜などでもよい。First, as shown in FIG. 4A, a second interlayer insulating film 48 is formed, and a contact hole 57 penetrating through the interlayer insulating films 47, 48 is formed. Thereafter, a polycrystalline silicon film is deposited by a chemical vapor deposition method, and after the polycrystalline silicon film is doped with phosphorus, patterning is performed to form a polycrystalline silicon film. Note that a material for filling the inside of the contact hole 57 may be a polycrystalline silicon film doped with phosphorus, an N-type polycrystalline silicon film separately formed in advance, a tungsten film, or the like.
【0028】次に図4(b)に示すように、多結晶シリ
コン膜の表面に形成される自然酸化膜を希釈フッ酸によ
り除去した後、ランプアニールを用いた急速熱窒化(R
TN)処理を行い、ストレージノード電極である多結晶
シリコン表面を窒化してその表面に窒化シリコン膜(S
iNx)(図示せず)を形成し、ストレージノード電極
2をストレージノード(容量下部)電極2Aに変換す
る。前記RTN処理としては、アンモニア(NH3)ガ
ス中での処理が好ましく、RTN処理温度としては、8
00〜1100℃で行うのが適している。また、自然酸
化膜の除去には、無水フッ酸を用いても良い。Next, as shown in FIG. 4B, after the natural oxide film formed on the surface of the polycrystalline silicon film is removed by dilute hydrofluoric acid, rapid thermal nitridation (R) using lamp annealing is performed.
TN) treatment to nitride the surface of polycrystalline silicon, which is a storage node electrode, and to form a silicon nitride film (S
iNx) (not shown) is formed, and the storage node electrode 2 is converted to a storage node (lower capacitor) electrode 2A. As the RTN treatment, treatment in an ammonia (NH 3 ) gas is preferable.
Suitably, it is carried out at 00 to 1100 ° C. Further, hydrofluoric anhydride may be used for removing the natural oxide film.
【0029】次に図4(c)に示すように、ストレージ
ノード電極(容量下部電極)2Aの表面上を含めた層間
絶縁膜48の表面上に、酸化タンタル膜(図示せず)を
CVD法により堆積する。この形成には、図2に示す減
圧化学気相成長法装置を使用する。原料ガスとしては、
ペンタエトキシタンタル(Ta(OC2H5)5)ガスな
ど有機系からなるタンタル原料と酸素とを用いる。ペン
タエトキシタンタルガスは、ペンタエトキシタンタルが
ヒータ14により気化室15内で気化され、キャリアガ
スアルゴンの導入管23によりバルブ22cを通して送
られてきたキャリアガスであるアルゴンガスにより、バ
ルブ22dを通して反応炉19内に導入される。反応炉
19内には、半導体ウエハ18が基板ホルダ17に搭載
されて設置されている。Next, as shown in FIG. 4C, a tantalum oxide film (not shown) is formed on the surface of the interlayer insulating film 48 including the surface of the storage node electrode (capacitor lower electrode) 2A by the CVD method. Is deposited. For this formation, a reduced pressure chemical vapor deposition apparatus shown in FIG. 2 is used. As raw material gas,
An organic tantalum raw material such as pentaethoxy tantalum (Ta (OC 2 H 5 ) 5 ) gas and oxygen are used. The pentaethoxy tantalum gas is vaporized in the vaporization chamber 15 by the heater 14 in the vaporization chamber 15, and is supplied to the reaction furnace 19 through the valve 22 d by the argon gas as the carrier gas sent through the valve 22 c by the carrier gas argon introduction pipe 23. Introduced within. In the reaction furnace 19, a semiconductor wafer 18 is mounted on a substrate holder 17.
【0030】前記ガスの導入と同時に、酸素ガスが、酸
素ガス導入管12からバルブ22dを通して反応炉19
内に導入される。反応炉19は、ヒータ16により熱せ
られており、導入されたペンタエトキシタンタルガスと
酸素ガスとが化学気相反応を起こし、半導体ウエハ18
の表面上に酸化タンタル膜が堆積する。成長条件として
は、気化室15の加熱温度が30〜220℃、キャリア
ガスであるアルゴンガスの流量が10〜5000scc
m、酸素ガスの流量が0.1〜20SLM、圧力が1×
102〜1×104Paで行うのが適している。反応炉1
9には、導入管12、23の他にアルゴンガスもしくは
窒素ガスなどの導入管13が接続され、バルブ22aを
介してアルゴンガス、もしくは窒素ガスが導入される。
また、キャリアガスとして、実施形態1ではアルゴンガ
スを用いているが、アルゴンガス以外にHeなどの不活
性ガス、もしくは窒素ガスなどを用いても、同様な効果
が得られる。Simultaneously with the introduction of the gas, oxygen gas is supplied from the oxygen gas introduction pipe 12 to the reaction furnace 19 through the valve 22d.
Introduced within. The reaction furnace 19 is heated by the heater 16, and a chemical vapor reaction occurs between the introduced pentaethoxy tantalum gas and oxygen gas, and the semiconductor wafer 18 is heated.
A tantalum oxide film is deposited on the surface of the substrate. As growth conditions, the heating temperature of the vaporization chamber 15 is 30 to 220 ° C., and the flow rate of argon gas as a carrier gas is 10 to 5000 scc.
m, flow rate of oxygen gas is 0.1-20 SLM, pressure is 1 ×
It is suitable to carry out at 10 2 to 1 × 10 4 Pa. Reactor 1
In addition to the introduction pipes 12 and 23, an introduction pipe 13 such as an argon gas or a nitrogen gas is connected to 9, and an argon gas or a nitrogen gas is introduced through a valve 22a.
Further, although the argon gas is used in the first embodiment as the carrier gas, a similar effect can be obtained by using an inert gas such as He or a nitrogen gas in addition to the argon gas.
【0031】次に図4(c)に示すように、前記酸化タ
ンタル膜が堆積された後、この酸化タンタル膜の緻密化
処理が行われ、酸化タンタル膜11Aが形成される。こ
の処理は、電気炉による加熱、ランプアニールを用いた
急速加熱、プラズマ処理による加熱、もしくは紫外線照
射による加熱の少なくとも1つを用いた酸素雰囲気もし
くは亜酸化窒素(N2O)雰囲気での処理である。Next, as shown in FIG. 4C, after the tantalum oxide film is deposited, the tantalum oxide film is densified to form a tantalum oxide film 11A. This treatment is performed in an oxygen atmosphere or a nitrous oxide (N 2 O) atmosphere using at least one of heating by an electric furnace, rapid heating using lamp annealing, heating by plasma treatment, or heating by ultraviolet irradiation. is there.
【0032】続いて図4(d)に示すように、酸化タン
タル膜11A上に、プレート電極(容量上部電極)3A
である窒化チタン膜あるいは窒化タングステン膜を、高
純度チタンあるいは高純度タングステン金属であるシャ
ワー電極310から構成されているプラズマ化学気相成
長装置を用いて形成する。この形成には、図3に示すプ
ラズマ化学気相成長法装置を使用する。形成方法とし
て、アンモニアガスをバルブ306を通して反応室31
1へ導入し、反応室311の圧力が安定した後、高周波
電源312により反応室311にプラズマを発生させ
る。反応ガスとしては、アンモニアガスをバルブ306
を通して反応室311へ導入し、高周波電源312を印
加することにより、プラズマを発生させ、窒化チタン膜
あるいは窒化タングステン膜を形成する。形成条件とし
ては、反応室の加熱温度が室温〜300℃、アンモニア
ガスの流量が10〜5000sccm、圧力が1×10
2〜1×104Paで行うのが適している。実施形態1で
は、アンモニアガスを用いているが、アンモニアガス以
外に窒素ガスを用いても同様な効果がある。Subsequently, as shown in FIG. 4D, a plate electrode (capacitor upper electrode) 3A is formed on the tantalum oxide film 11A.
Is formed using a plasma chemical vapor deposition apparatus including a shower electrode 310 made of high-purity titanium or high-purity tungsten metal. The plasma chemical vapor deposition apparatus shown in FIG. 3 is used for this formation. As a forming method, ammonia gas is supplied through the valve 306 to the reaction chamber 31.
After the pressure is stabilized in the reaction chamber 311, plasma is generated in the reaction chamber 311 by the high frequency power supply 312. As a reaction gas, an ammonia gas is supplied to the valve 306.
To the reaction chamber 311 and apply a high frequency power supply 312 to generate plasma to form a titanium nitride film or a tungsten nitride film. As the formation conditions, the heating temperature of the reaction chamber is from room temperature to 300 ° C., the flow rate of ammonia gas is from 10 to 5000 sccm, and the pressure is 1 × 10 5
It is suitable to carry out at 2 to 1 × 10 4 Pa. In the first embodiment, ammonia gas is used, but the same effect can be obtained by using nitrogen gas in addition to ammonia gas.
【0033】本発明の実施形態1では、窒化チタンある
いは窒化タングステン膜が形成される過程として、プラ
ズマの発生によりアンモニアガスが分解され、ラジカル
なNH+基が発生され、さらに、このラジカルなNH+基
によりシャワー電極である高純度チタンあるいは高純度
タングステン金属がスパッタリングされ、プラズマ中に
高純度のチタンあるいはタングステンが生成し、アンモ
ニアガスとの反応により窒化チタン膜あるいは窒化タン
グステン膜が形成される。本発明の実施形態1による窒
素金属薄膜のステップカバレッジ性は、従来技術である
四塩化チタンガスあるいは六フッ化タングステンガスを
用いた化学気相成長による窒化金属薄膜の場合と同等で
あり、また反応性スパッタにより形成される窒化金属薄
膜の場合と比べ、著しく良好になる結果が得られてい
る。In the first embodiment of the present invention, as a process of forming a titanium nitride or tungsten nitride film, ammonia gas is decomposed by the generation of plasma to generate a radical NH + group, and this radical NH + The high-purity titanium or high-purity tungsten metal as a shower electrode is sputtered by the base, high-purity titanium or tungsten is generated in the plasma, and a titanium nitride film or a tungsten nitride film is formed by a reaction with ammonia gas. The step coverage of the nitrogen metal thin film according to the first embodiment of the present invention is equivalent to that of the conventional metal nitride thin film formed by chemical vapor deposition using titanium tetrachloride gas or tungsten hexafluoride gas. Remarkably good results are obtained as compared with the case of a metal nitride thin film formed by reactive sputtering.
【0034】その後、第3の層間絶縁膜49の堆積およ
びリフロー、コンタクト孔67、68等の形成およびコ
ンタクトリン拡散層の形成、アルミ電極71、71a、
71b、71c等の形成が行われ、DRAMが完成す
る。容量素子部70が形成された後の高温熱処理として
は、層間絶縁膜49のリフロー、コンタクト孔68底面
へのコンタクトリン拡散層の形成のための活性化熱処理
があり、400〜850℃で行われる。After that, the third interlayer insulating film 49 is deposited and reflowed, the contact holes 67 and 68 are formed, the contact phosphorus diffusion layer is formed, and the aluminum electrodes 71 and 71a are formed.
The formation of 71b, 71c and the like is performed, and the DRAM is completed. The high-temperature heat treatment after the formation of the capacitance element portion 70 includes reflow of the interlayer insulating film 49 and activation heat treatment for forming a contact phosphorus diffusion layer on the bottom surface of the contact hole 68, and is performed at 400 to 850 ° C. .
【0035】前記実施形態1により得られた容量素子の
容量値は、酸化シリコン膜換算膜厚にして約2.5nm
程度(Cs=14fF/μm2)が得られ、酸化タンタ
ル膜を用いることにより、高い容量値が得られる絶縁膜
を形成できる。The capacitance value of the capacitor obtained in the first embodiment is about 2.5 nm in terms of a silicon oxide film equivalent film thickness.
(Cs = 14 fF / μm 2 ), and by using a tantalum oxide film, an insulating film having a high capacitance value can be formed.
【0036】リーク電流特性を示す図6を参照すると、
前記実施形態1により得られた容量素子のリーク電流特
性は、従来技術である四塩化チタンガスを用いてプラズ
マ化学気相法により形成した窒化チタン膜あるいは六フ
ッ化タングステンガスを用いてプラズマ化学気相法によ
り形成した窒化タングステン膜を用いた場合と比較し
て、著しく良好な結果が得られている。これは、従来技
術であるプラズマ化学気相成長法により形成した窒化チ
タン膜あるいは窒化タングステン膜を容量絶縁膜である
酸化タンタル膜上に形成した場合、四塩化チタンガス中
の塩素あるいは六フッ化タングステンガス中のフッ素な
どハロゲンガスにより、酸化タンタル膜がエッチングさ
れ、リーク電流特性が著しく劣化するが、本発明を用い
た場合、塩素系などハロゲンガスによる酸化タンタル膜
をエッチングすることなく、さらには3Nより純度の優
れたシャワー電極を用いているため、良質のプレート電
極である窒化チタン膜、もしくは窒化タングステン膜を
ステップカバレッジ性良く形成できるためである。Referring to FIG. 6 showing the leakage current characteristics,
The leakage current characteristic of the capacitor obtained according to the first embodiment is as follows: a titanium nitride film formed by a plasma chemical vapor deposition method using titanium tetrachloride gas or a plasma chemical gas Significantly better results are obtained compared to the case where a tungsten nitride film formed by the phase method is used. This is because, when a titanium nitride film or a tungsten nitride film formed by a conventional plasma chemical vapor deposition method is formed on a tantalum oxide film as a capacitive insulating film, chlorine or tungsten hexafluoride in titanium tetrachloride gas is used. The tantalum oxide film is etched by the halogen gas such as fluorine in the gas, and the leak current characteristic is remarkably deteriorated. This is because a shower electrode having higher purity is used, so that a titanium nitride film or a tungsten nitride film, which is a high quality plate electrode, can be formed with good step coverage.
【0037】なお、本実施形態では、容量絶縁膜として
酸化タンタル膜を用いたが、本発明は、これに限定され
るものでなく、チタン酸バリウムストロンチウム膜など
他の高誘電率絶縁膜を用いた場合においても同様な効果
がある。In the present embodiment, a tantalum oxide film is used as the capacitor insulating film. However, the present invention is not limited to this, and other high dielectric constant insulating films such as a barium strontium titanate film may be used. The same effect can be obtained in the case where there is.
【0038】(実施形態2)次に、本発明の実施形態2
について説明する。(Embodiment 2) Next, Embodiment 2 of the present invention
Will be described.
【0039】まず図5(a)に示すように、前記実施形
態1と同様に、第二の層間絶縁膜48を形成し、層間絶
縁膜47、48を貫通するコンタクト孔57を形成す
る。その後、CVD法によりリンがドープされた非晶質
シリコン膜112を形成する。なお、コンタクト孔57
内を充填する材料としては、非晶質シリコン膜112を
形成するために形成されたリンがドープされた非晶質シ
リコン膜でもよいが、予め別途形成するN型の多結晶シ
リコン膜、もしくはタングステン膜などを用いてもよ
い。First, as shown in FIG. 5A, similarly to the first embodiment, a second interlayer insulating film 48 is formed, and a contact hole 57 penetrating through the interlayer insulating films 47, 48 is formed. Thereafter, an amorphous silicon film 112 doped with phosphorus is formed by a CVD method. The contact hole 57
As a material for filling the inside, an amorphous silicon film doped with phosphorus formed for forming the amorphous silicon film 112 may be used, but an N-type polycrystalline silicon film or a tungsten A film or the like may be used.
【0040】次に図5(b)に示すように、非晶質シリ
コン膜112表面の自然酸化膜を希釈フッ酸により除去
した後、シラン(SiH4)ガスを用いた分子線照射に
より、非晶質シリコン膜112の表面を粗面シリコン
(半球形状シリコン結晶粒(HSG)を有した表面)に
変換させる。さらに、アンモニアガスを用いたランプア
ニールによるRTN処理により、表面窒化された多結晶
シリコン膜113を形成する。Next, as shown in FIG. 5B, after the native oxide film on the surface of the amorphous silicon film 112 is removed with diluted hydrofluoric acid, the non-oxide film is irradiated with a molecular beam using silane (SiH 4 ) gas. The surface of the crystalline silicon film 112 is converted into rough silicon (a surface having hemispherical silicon crystal grains (HSG)). Further, a polycrystalline silicon film 113 whose surface is nitrided is formed by RTN treatment by lamp annealing using ammonia gas.
【0041】次に図5(c)に示すように、実施形態1
と同様に、緻密化された酸化タンタク膜11Aを形成
し、プレート電極3を形成する。以降の工程も、実施形
態1と同様である。Next, as shown in FIG.
Similarly to the above, the densified protein oxide film 11A is formed, and the plate electrode 3 is formed. The subsequent steps are the same as in the first embodiment.
【0042】実施形態2による1セル当たりの容量値
は、実施形態1の場合と比較して、約2倍以上の高容量
値を得ることができる。これは、粗面シリコンの採用に
より、容量下部電極2Aの実効表面積が増大したためで
ある。The capacitance per cell according to the second embodiment can be about twice or more as high as that of the first embodiment. This is because the effective surface area of the capacitor lower electrode 2A was increased by adopting the rough silicon.
【0043】実施形態2により得られた容量素子のリー
ク電流特性は、実施形態1で述べた図6とほぼ同等な結
果が得られる。これは、従来技術であるプラズマ化学気
相成長法により形成した窒化チタン膜あるいは窒化タン
グステン膜を容量絶縁膜である酸化タンタル膜上へ形成
した場合、四塩化チタンガス中の塩素あるいは六フッ化
タングステンガス中のフッ素などハロゲンガスにより、
酸化タンタル膜がエッチングされ、リーク電流特性が著
しく劣化するが、本発明を用いた場合、塩素系などハロ
ゲンガスによる酸化タンタル膜をエッチングすることな
く、さらには3Nより純度の優れたシャワー電極を用い
ているため良質のプレート電極である窒化チタン膜、も
しくは窒化タングステン膜をステップカバレッジ性良く
形成できるためである。With regard to the leakage current characteristic of the capacitor obtained in the second embodiment, a result substantially equivalent to that in FIG. 6 described in the first embodiment is obtained. This is because when a titanium nitride film or a tungsten nitride film formed by a conventional plasma chemical vapor deposition method is formed on a tantalum oxide film which is a capacitive insulating film, chlorine or tungsten hexafluoride in titanium tetrachloride gas is used. By halogen gas such as fluorine in gas,
Although the tantalum oxide film is etched and the leak current characteristic is significantly deteriorated, in the case of using the present invention, a shower electrode having a purity higher than 3N is used without etching the tantalum oxide film by a halogen gas such as a chlorine-based gas. Therefore, a titanium nitride film or a tungsten nitride film, which is a high quality plate electrode, can be formed with good step coverage.
【0044】なお、本実施形態では、容量絶縁膜として
酸化タンタル膜を用いたが、本発明は、これに限定され
るものでなく、チタン酸バリウムストロンチウム膜など
他の高誘電率絶縁膜を用いた場合においても、同様な効
果がある。また、本実施形態2と実施形態1では、スト
レージノードとしてシリコンを用いた例を示したが、こ
のストレージノードは、シリコンに限らず、WSi2な
ど金属シリサイド、Wなど高融点金属、白金など貴金属
や酸化物導電体など容量膜形成の際に変質することのな
い導電性材料を用いた場合においても、同様な効果が得
られる。In the present embodiment, a tantalum oxide film is used as the capacitor insulating film. However, the present invention is not limited to this, and another high dielectric constant insulating film such as a barium strontium titanate film may be used. The same effect can be obtained even when there is. In the second embodiment and the first embodiment, an example in which silicon is used as the storage node has been described. However, the storage node is not limited to silicon, but may be a metal silicide such as WSi 2 , a high melting point metal such as W, or a noble metal such as platinum. The same effect can be obtained even when a conductive material that does not deteriorate during the formation of the capacitor film, such as a metal or an oxide conductor, is used.
【0045】[0045]
【実施形態3】次に、本発明の実施形態3について説明
する。Third Embodiment Next, a third embodiment of the present invention will be described.
【0046】まず図7(a)に示すように、アスペクト
比が大きいコンタクト孔68の低いコンタクト抵抗を持
つバリアメタル層を形成し、次に図7(b)に示すよう
に、高純度チタン金属からなるシャワー電極を用いた不
活性ガス中でのプラズマ処理により薄膜チタンシリサイ
ド膜72Aを形成し、さらに図7(c)に示すように、
窒素、アンモニアなどを用いた窒化プラズマ処理により
薄膜窒化チタン膜72Bを形成する。さらに、コンタク
ト孔68は、タングステン膜73により充填させる。First, as shown in FIG. 7A, a barrier metal layer having a low contact resistance of a contact hole 68 having a large aspect ratio is formed, and then, as shown in FIG. A thin titanium silicide film 72A is formed by plasma treatment in an inert gas using a shower electrode made of, as shown in FIG. 7 (c).
A thin titanium nitride film 72B is formed by nitridation plasma treatment using nitrogen, ammonia, or the like. Further, the contact hole 68 is filled with a tungsten film 73.
【0047】本発明により得られるp型およびn型によ
るコンタクト抵抗のコンタクトサイズ依存性を図8に示
す。ここで、適用したコンタクト深さは1μmの場合を
表している。図8より、0.5μm径以下のコンタクト
において、本発明の適用によりコンタクト抵抗の低い結
果が得られ、少なくともコンタクト径が0.5μm以
下、アスペクト比2以上である超微細コンタクト部を形
成する工程において効果があることが確認された。これ
は、従来技術であるプラズマ化学気相成長法によるチタ
ン/窒化チタン膜の形成においては、四塩化チタンガス
中の塩素ガスが、チタン膜中に多量に残留するため、コ
ンタクト抵抗は高くなるが、本発明を用いることによ
り、残留塩素のない良質のチタン/窒化チタン膜をステ
ップカバレッジ性良く形成できるためである。FIG. 8 shows the contact size dependence of the contact resistance of the p-type and n-type obtained by the present invention. Here, the applied contact depth is 1 μm. As shown in FIG. 8, in a contact having a diameter of 0.5 μm or less, a result of low contact resistance is obtained by applying the present invention, and a step of forming an ultrafine contact portion having a contact diameter of 0.5 μm or less and an aspect ratio of 2 or more Was confirmed to be effective. This is because, in the conventional technique of forming a titanium / titanium nitride film by plasma enhanced chemical vapor deposition, a large amount of chlorine gas in titanium tetrachloride gas remains in the titanium film, so that the contact resistance increases. This is because, by using the present invention, a high-quality titanium / titanium nitride film having no residual chlorine can be formed with good step coverage.
【0048】[0048]
【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体装置
の製造方法によれば、DRAMにおいて、反応性のガス
を用いて窒化チタンあるいは窒化タングステン薄膜をメ
モリセルの上部電極に形成する場合に、ハロゲンガスな
どによって容量膜がエッチングされるという問題を解消
し、リーク電流の特性を改善し、良好なリーク電流で十
分な容量値を有した容量素子部を形成できる効果を有す
る。 As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a reactive gas is produced in a DRAM.
A titanium nitride or tungsten nitride thin film
When forming on the upper electrode of the molycell, a halogen gas
Eliminates the problem that the capacitive film is etched by
And to improve the properties of the leakage current, it has a effect that can be formed the capacitor element portion having a sufficient capacitance with good leakage current
You.
【図1】本発明を適用するDRAM素子構造を示す断面
模式図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a DRAM device structure to which the present invention is applied.
【図2】本発明の実施形態1に使用する酸化タンタル膜
のCVD形成装置である。FIG. 2 is a CVD apparatus for forming a tantalum oxide film used in Embodiment 1 of the present invention.
【図3】本発明の実施形態1に使用する金属薄膜あるい
は窒化金属薄膜を形成するプラズマ化学気相成長装置で
ある。FIG. 3 is a plasma chemical vapor deposition apparatus for forming a metal thin film or a metal nitride thin film used in Embodiment 1 of the present invention.
【図4】本発明の実施形態1における製造工程を示す断
面図であり、図1における容量素子部70の部分を拡大
した断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process according to the first embodiment of the present invention, and is an enlarged cross-sectional view of a portion of the capacitive element unit 70 in FIG.
【図5】本発明の実施形態2に係る容量素子部の製造工
程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a step of manufacturing the capacitor element portion according to Embodiment 2 of the present invention.
【図6】本発明の実施形態1及び2に係る容量素子部の
リーク電流特性図である。FIG. 6 is a graph showing leakage current characteristics of a capacitor element according to the first and second embodiments of the present invention.
【図7】本発明の実施形態3に係るコンタクト部の製造
工程を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing step of a contact portion according to Embodiment 3 of the present invention.
【図8】本発明の実施形態3におけるコンタクト抵抗の
コンタクトサイズ依存性の結果を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a result of contact size dependence of a contact resistance according to the third embodiment of the present invention.
【図9】従来の容量素子部の製造工程を示す断面図であ
る。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a process for manufacturing a conventional capacitor element.
2A 容量下部電極 3A 容量上部電極 11A 酸化タンタル膜 2A capacitance lower electrode 3A capacitance upper electrode 11A tantalum oxide film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 21/8242 H01L 27/04 C 27/04 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/108 C23C 16/50 H01L 21/205 H01L 21/285 H01L 21/31 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/04 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 identification code FI H01L 21/8242 H01L 27/04 C 27/04 (58) Investigated field (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 27/108 C23C 16/50 H01L 21/205 H01L 21/285 H01L 21/31 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/04
Claims (2)
装置を用いて成膜する半導体装置の製造方法において、 チタンあるいはタングステン金属からなるシャワー電極
を有する反応室内に、アンモニアガスまたは窒素ガスの
何れかのガスのみを導入すると共に、反応室内に発生さ
せたプラズマにより前記ガスを分解してラジカルを発生
させ、発生したラジカルにより前記シャワー電極をスパ
ッタし、プラズマ中に生成したチタンあるいはタングス
テン金属をプラズマ中の窒素と反応させて窒化チタンあ
るいは窒化タングステン薄膜を形成することを 特徴とす
る半導体装置の製造方法。1. Plasma chemical vapor deposition comprising parallel plates
In the method of manufacturing a semiconductor device for forming a film using the apparatus, a shower electrode made of titanium or tungsten metal is used.
Ammonia gas or nitrogen gas in a reaction chamber having
While introducing only one of the gases,
Generates radicals by decomposing the gas with the plasma
The shower electrode by the generated radicals.
Titanium or tangs generated in the plasma
Ten metal reacts with nitrogen in the plasma to form titanium nitride
Or a method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a tungsten nitride thin film .
にあたって、酸化タンタル(Ta2O5)膜あるいはチ
タン酸バリウムストロンチウム(BST)膜などの高誘
電率膜を形成後、プレート電極を形成する工程で、前記
窒化金属薄膜を用いることを特徴とする請求項1に記載
の半導体装置の製造方法。2. A method for forming a capacitor element portion of a semiconductor memory device, comprising forming a high dielectric constant film such as a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) film or a barium strontium titanate (BST) film, and then forming a plate electrode. 2. The method according to claim 1, wherein the metal nitride thin film is used in the step.
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