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JP3715551B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP3715551B2
JP3715551B2 JP2001188538A JP2001188538A JP3715551B2 JP 3715551 B2 JP3715551 B2 JP 3715551B2 JP 2001188538 A JP2001188538 A JP 2001188538A JP 2001188538 A JP2001188538 A JP 2001188538A JP 3715551 B2 JP3715551 B2 JP 3715551B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報記憶用キャパシタの絶縁膜に複合酸化物膜を用いたメモリセルのアレイを有する半導体装置の製造方法に係り、特にキャパシタ絶縁膜に強誘電体を用いた強誘電体メモリセルのアレイを有する強誘電体メモリ(FRAM)におけるセルトランジスタ・セルキャパシタ間接続配線部、ビット線コンタクト部およびメモリセルの形成方法とその構造、ならびにキャパシタ絶縁膜に高誘電率誘電体を用いたダイナミック型メモリセルのアレイを有するダイナミック型ランダムアクセスメモリ(DRAM)におけるメモリセルの形成方法に関するもので、FRAMあるいはDRAMを含む半導体集積回路に適用されるものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報記憶用キャパシタの電極間絶縁膜としてペロブスカイト構造あるいは層状ペロブスカイト構造の物質からなる強誘電体薄膜を用いた不揮発性強誘電体メモリセル(FRAMセル)およびそのアレイを有するFRAMが注目を集めている。
【0003】
強誘電体膜は、電界が印加された時に一旦発生した電気分極が上記電界が印加されなくなっても残留し、上記電界とは反対方向の向きにある程度以上の強さの電界が印加された時に分極の向きが反転する特性を有している。
【0004】
この誘電体の分極の向きが反転する分極特性に着目し、メモリセルの情報記憶用のキャパシタの絶縁膜に強誘電体を用いてFRAMセルを実現する技術が開発されている。
【0005】
このFRAMセルは、DRAMセルのキャパシタを強誘電体キャパシタに置き換えた構成になっており、スイッチ用のMOSトランジスタを介して強誘電体キャパシタから分極反転あるいは非反転の際の電荷を取りだす方式(データ破壊読み出し)を用いており、動作電源をオフ状態にしてもメモリセルに書かれている記憶データは失われない特徴がある。
【0006】
FRAMは、大容量メモリの代表であるDRAMと比較すると、不揮発性であるためにデータ保持にリフレッシュ動作が不要であって待機時の消費電力が不要であるという特徴を持つ。また、他の不揮発性メモリであるフラッシュメモリと比較すると、データ書換え回数が多く、かつデータ書き換え速度が著しく速いという特徴を持つ。また、メモリーカード等に使用される電池バックアップが必要なSRAMと比較しても、消費電力が小さく、セル面積を大幅に小さくできるという特徴を持つ。
【0007】
上記のような特徴を持つFRAMは、既存のDRAM、フラッシュメモリ、SRAMとの置き換え、ロジック混載デバイスへの適用等、その期待は大変大きい。また、FRAMは、バッテリーレスで高速動作が可能であるので、非接触カード(RF−ID:Radio Frequency-Identification Data )への展開が始まりつつある。なお、FRAMのメモリセルの構造は、DRAMと同じように情報としての電荷容量を蓄積する蓄積容量において常誘電体膜でなく強誘電体膜を用いる構造と、MOSFETのゲート絶縁膜においてシリコン酸化膜を強誘電体膜に置き換える構造との2種類に大別される。後者はSi界面に直接形成できる適当な強誘電体膜が存在しないために実現性に乏しく、現在までは提案が行なわれているのみであることから、通常はFRAMというと前者の構造を指す。
【0008】
また、FRAMセルには、図22に示すように、1つのトランジスタと1つの強誘電体キャパシタにより構成される1トランジスタ・1キャパシタ(1T/1Cと略す)型のものと、図24に示すように、2つのトランジスタと2つの強誘電体キャパシタにより構成される2トランジスタ・2キャパシタ(2T/2Cと略す)型のものがある。
【0009】
1T/1C構造は、DRAMと同等の高集積化が可能という長所を持つが、各メモリセルの強誘電体特性のばらつきおよび劣化のばらつきを抑えなければならず、歩留りおよび素子信頼性を上げることが難しいという短所を持つ。
【0010】
2T/2C構造は、1T/1C構造の2倍の面積を必要とする欠点があるが、特性マージンを大きくとれるので、歩留りおよび素子信頼性を向上させることが容易である。
【0011】
いずれの構造においても、下地絶縁膜上に電極/強誘電体/電極のスタック構造を形成し、その上層の酸化膜に開けたコンタクトホールを介してAlまたはCu配線を施し、パッシベーション膜で保護する。
【0012】
ところで、前記したようにFRAMセルは高速・低消費電力動作が可能であり、高集積化の実現が期待されており、メモリセル面積の縮小や強誘電体の劣化の少ない製造プロセスの検討が必要となっている。また、既存のFRAMデバイスを他のデバイスと混載する場合や高集積化に不可欠となる多層配線技術は未だ確立していない状況である。
【0013】
FRAMデバイスを搭載した半導体集積回路の多層配線化が難しい原因は、強誘電体材料が還元雰囲気(特に水素雰囲気)に大変弱いことにある。既存のLSI工程では、水素が混入するプロセスが殆んどであり、FRAMの製造上大きな問題となる。
【0014】
水素が混入する工程の一例として、多層配線構造におけるビアホールを埋める工程が挙げられる。特に、アスペクト比が大きなビアホールを埋める方法としては、CVD法によるW埋め込みが主に用いられるが、このWを埋め込む工程では水素基が多く発生するので、強誘電体に大きなダメージを与える。
【0015】
以下、上記の問題について具体的に詳細に説明する。
【0016】
従来、強誘電体メモリセルの構造として、(1)ビット線の下層に強誘電体キャパシタを配置したビット線後作り構造、(2)強誘電体キャパシタの下層にビット線を配置したビット線先作り構造がある。
【0017】
前記ビット線後作り構造の強誘電体メモリセルを製造する場合には、パストランジスタ(スイッチ用のMOSトランジスタ)の上層に強誘電体キャパシタを配置し、その下部電極とパストランジスタとをポリシリコンプラグで接続した後、強誘電体キャパシタ上にビット線を形成する。
【0018】
前記強誘電体キャパシタを形成する際、ポリシリコンプラグ上に通常はPt (プラチナ)を用いて強誘電体キャパシタの下部電極を形成した後に強誘電体薄膜を成膜するが、上記強誘電体薄膜を成膜して結晶化を行う際、高温の酸素アニールが必要となる。
【0019】
ここで、強誘電体材料としてPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を使用する場合、酸化が不十分な場合にPZT中のPbが拡散することに起因する欠陥の発生によってキャパシタ特性の劣化が起きる。これを避けるために十分な酸化を行うために必要な酸素アニール温度は通常は600℃〜700℃である。
【0020】
また、強誘電体材料としてSBT(ストロンチウム・ビスマス・タンタレイト)等のビスマス層状化合物を使用する場合には、必要な酸素アニール温度は通常は〜800℃の高温である。
【0021】
しかし、上記したような高温の酸素アニール時に、前記Ptを用いた下部電極がポリシリコンプラグと反応してシリサイド化する、あるいは、ポリシリコンプラグが酸化するといった問題が生じる。
【0022】
一方、前記ビット線先作り構造の強誘電体メモリセルを製造する場合には、パストランジスタの上層にビット線を形成し、ビット線の上層に強誘電体キャパシタを形成する。
【0023】
この際、強誘電体キャパシタの下部電極(例えばPt)とパストランジスタとをポリシリコンプラグで接続する場合には前記したビット線後作り構造と同様の問題が生じる。
【0024】
これに対して、強誘電体キャパシタの上部電極とパストランジスタを埋め込み配線からなる局所電極配線で直接に接続する上部電極接続構造が提案されている。この構造は、強誘電体キャパシタのパターンレイアウトの自由度が比較的高いという特長があり、強誘電体キャパシタをパストランジスタ領域上および素子分離領域上の両方に配置することにより細密構造を実現することが可能である。
【0025】
上記ビット線先作り・上部電極接続構造を実現する際、強誘電体キャパシタの下部電極(プレート電極)から上部電極までを形成した後、キャパシタ保護膜を堆積する。この後、上部電極とパストランジスタとを直接に接続するための局所電極配線を形成するために、キャパシタ保護膜に上部電極とのコンタクト部およびパストランジスタの活性層とのコンタクト部を開口し、配線膜を堆積した後にパターニングする。
【0026】
上記ビット線先作り・上部電極接続構造を実現する場合には、前記したように強誘電体キャパシタの下部電極(例えばPt)とパストランジスタとをポリシリコンプラグで接続する場合に下部電極がポリシリコンプラグと反応してシリサイド化するといった問題は生じない。
【0027】
しかし、微細化に伴うアスペクト比やステップカバレージの点で、前記したように上部電極とパストランジスタとを直接に接続するための局所電極配線を形成することは困難になる。
【0028】
また、強誘電体材料としてPZTやBSTを用いた場合、強誘電体薄膜成膜後における電極配線形成の際に行う諸々のCVD(化学気相成長)工程での還元性雰囲気が問題となり、強誘電体材料が還元反応によって特性劣化を生じるという問題がある。
【0029】
つまり、上部電極とパストランジスタとを接続するための局所電極配線を形成する際に、DRAMで用いられているようなメタルCVD装置を用いた強い還元性雰囲気(水素系のガス)中でのW(タングステン)成膜によるWプラグの埋め込みを行おうとすると、強誘電体キャパシタの特性(残留分極量等の電気的特性)の劣化を引き起こすので、使用できない。
【0030】
これに対して、上部電極とパストランジスタとを接続するための局所電極配線を形成する際に、MO(Metal Organic)CVDを用いてアルミ配線膜の成膜を行うとしても、還元性雰囲気が皆無とはいえない(ソース物質を含め水素基成分を完全には除去できない)ので、やはり強誘電体キャパシタの特性劣化を引き起こす。
【0031】
さらに、前記強誘電体材料としてPZTやBSTを用いた場合、強誘電体キャパシタの電極材料としてPt、Ir、Ir酸化物(IrO )、Ru、Ru酸化物(RuO )、LSCO、SROなどの貴金属あるいは導電性酸化物が用いられる。
【0032】
しかし、これらの材料を、RIE(反応性イオンエッチング)、イオンミリング、ECR等によって0.5μm程度のサブミクロンレベルで微細加工することはかなり難しく、特にPtは非常に難しく、強誘電体キャパシタの微細化が容易ではない。然るに、高集積の強誘電体メモリの設計に際して、強誘電体メモリセルの微細化は不可欠であり、メモリセルの微細化のためには強誘電体キャパシタの上部電極の微細化が重要課題である。
【0033】
一方、メモリの集積度は年々向上しているが、寸法は小さくなっても電荷を蓄積する誘電体キャパシタの電気容量は約30fF以上に保たなければならない。そのためには、キャパシタの有効面積を大きくするか、誘電体膜の厚さを薄くするか、誘電体材料の誘電率を大きくするかしなければならない。これまでのDRAM技術では、主に前二者の改良により、キャパシタの立体化と薄膜化が検討されてきた。しかし、従来からのSiO 系の誘電体膜では、その立体化と薄膜化が限界に達しつつあり、比誘電率の大きな誘電体の薄膜を堆積させる技術が必要になってきた。
【0034】
ところで、前記したようなFRAMに使われようとしている電極/強誘電体/電極のスタック構造あるいはDRAMに使われようとしている電極/高誘電率誘電体/電極のスタック構造のキャパシタを製造する際、電極材料としては、前記したようにPt、Ir、Ru、IrO 、RuO 、LSCO、SROなどの貴金属あるいは導電性酸化物が用いられる。
【0035】
FRAMセルキャパシタの強誘電体としては、前記したようにPZT(Pb (Zr,Ti)O )、SBT(SrBi Ta )、BIT(BiTi12)等のペロブスカイト構造を含む酸化物あるいはそれらの一部を置換元素に置換した酸化物が用いられる。DRAMセルキャパシタの高誘電率誘電体としてはBST((Ba,Sr)TiO )等が用いられる。
【0036】
これらの強誘電体あるいは高誘電率誘電体の成膜方法としては、スパッタ、レーザアブレーション、CVD(Chemical Vapor Deposition)、MOD(Metallo-Organic Decomposition)またはゾルゲル(Sol-gel)法などのスピンコート、さらには、霧状のMOD原料をキャリアガスによってウエハ上へ導き堆積させるLSMCD(Liquid Source Misted Chemical Deposition)法などが知られている。
【0037】
スパッタ法は、膜形成技術として量産性に優れ、また、誘電体を挟む2つの電極(金属あるいは導電性酸化物)が同じスパッタ技術で形成されることからスループットの点で有利な技術である。
【0038】
しかし、スパッタやレーザアブレーションは、N 、Ar、Ar/O 等の雰囲気ガス中で成膜を行なう技術であるので、ガス成分が膜中に取り込まれて形成されることは避けられず、複合酸化物膜(少なくとも2種以上の金属元素を含有する酸化物膜)中に残存ガスのもたらす空隙が生じ、高密度の酸化物膜が形成できないという問題がある。
【0039】
実際に、デポジション直後の膜からはAr等のスパッタガスが検出される。これは、ターゲット近傍にあるガス分子が、プラズマの高エネルギーによって導かれて膜中に入射するものであって、拡散のような機構ではないので、低圧スパッタほど高いエネルギーが保存されて膜中に打ち込まれやすい。堆積直後の膜はアモルファスや低密度の結晶膜であるので、この残存ガスは分散していて目立たないが、膜に結晶化の熱処理が施されると、残存ガスは結晶の粒界や界面に取り残されてはっきりとした空隙になる。
【0040】
また、この熱処理が短時間であると、粒界や界面のみならず、粒内でも大きな空隙が生じる。CVDあるいはLSMCDによる成膜においても、原料をチャンバーへ導入するためのキャリアガスを用いるため、膜中にキャリアガスの取り込みが起こり、スパッタの場合と同様、結果的に複合酸化物膜中に残存ガスのもたらす空隙が生じる。
【0041】
このような空隙は、成膜に引き続いてアニール処理により膜の結晶化や高密度化を行なう際にその大きさが決まるが、アニールが昇温速度の速い急熱処理である場合に特に顕著である。即ち、複合酸化物膜の結晶化アニールでは、拡散や蒸発を最低限に抑えるために急熱処理が必須であるが、上記の問題点のために高密度の膜が形成できないという問題がある。
【0042】
然るに、膜密度が低い強誘電体膜では、分極量が低下して動作マージンがとれないばかりか、低電圧側で駆動できず、また、薄膜化する場合に短絡し易くなる。さらに、後工程での雰囲気で特性変化が大きくなる問題点も生じる。同様の理由で、電極膜にも空隙が生じて低密度化すると、膜抵抗が高くなり、動作速度が遅くなるという問題点も生じる。
【0043】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来の強誘電体メモリは、強誘電体キャパシタの特性劣化を防止し、かつ、プロセスをインテグレーションすることが困難であった。
【0044】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、強誘電体メモリセルを製造する際に、強誘電体キャパシタの特性劣化を防止し、かつ、プロセスインテグレーションを可能とする半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0045】
また、本発明の別の目的は、情報記憶用キャパシタの絶縁膜に強誘電体を用いたFRAMセルあるいは高誘電率誘電体を用いたDRAMセルを製造する際に、緻密で信頼性が高い強誘電体膜や高誘電率誘電体膜を形成し得る半導体装置の製造方法を提供する。
【0046】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、一対の電極間に少なくとも2種以上の金属元素を含有する複合酸化物膜からなる誘電体膜を用いたキャパシタを形成し、前記キャパシタ上にさらに絶縁性酸化膜と配線層を積層してなる半導体装置を製造する際、前記キャパシタの形成工程は、第1の電極を形成する第1電極形成工程と、前記第1の電極上に前記誘電体膜を形成する誘電体膜形成工程と、前記誘電体膜上に第2の電極を形成する第2電極形成工程と、前記第1電極形成工程と誘電体膜形成工程との間と前記第2電極形成工程の後のいずれかで0.5×133.322Pa以上500×133.322Pa以下の減圧下で昇温速度10℃/秒以上の急熱処理を行なう工程とを具備することを特徴とする。
【0047】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を示す。
【0048】
まず、ここで、本発明を適用しようとする半導体装置の一例に係るFRAMについて簡単に説明しておく。
【0049】
図22は、1トランジスタ・1キャパシタ型の強誘電体メモリセルの等価回路を示している。図22において、Cは強誘電体キャパシタ、Qは電荷転送用のMOSトランジスタ、WLは上記MOSトランジスタのゲートに接続されているワード線、BLは上記MOSトランジスタの一端に接続されているビット線、PLは上記キャパシタの一端(プレート)に接続されているプレート線、VPLはプレート線電圧である。
【0050】
図23は、例えばビット線折り返し構成の強誘電体メモリセルアレイを有する強誘電体メモリの一部の等価回路を示している。
【0051】
図23において、MCはそれぞれ電極間絶縁膜に強誘電体を用いた情報記憶用の強誘電体キャパシタCと電荷転送用のMOSトランジスタ(パストランジスタ)Qとが直列に接続されてなる単位セルであり、この単位セルMCは行列状に配列されてメモリセルアレイ90を構成している。
【0052】
WLi(i=1、2、3…)は、セルアレイ90における同一行の単位セルのトランジスタQのゲートに共通に接続された複数本のワード線である。
【0053】
PLi(i=1、2、3…)は、セルアレイ90における同一行の単位セルのキャパシタCのプレートに共通に接続された複数本のプレート線である。
【0054】
BLi(i=1、2、3、4…)は、セルアレイ90における同一列の単位セルのトランジスタの一端に共通に接続されたビット線である。
【0055】
ワード線選択回路81は、アドレス信号に基づいて前記複数本のワード線WLiのうちの一部を選択してワード線電圧を供給するものである。
【0056】
キャパシタプレート線選択回路82は、前記アドレス信号に基づいて前記複数本のプレート線PLiのうちの一部を選択し、このプレート線PLiの電圧を制御するものである。
【0057】
一方、図22のメモリセルを2個用いた2トランジスタ・2キャパシタ型の強誘電体メモリセルは、図24あるいは図25に示すように、第1のトランジスタQ1および第2のトランジスタQ2と、前記第1のトランジスタQ1および第2のトランジスタQ2にそれぞれ対応して直列に接続された第1のキャパシタC1および第2のキャパシタC2とからなる。
【0058】
そして、前記第1のトランジスタQ1および第2のトランジスタQ2の各一端(ドレイン)に対応して第1のビット線BL1および第2のビット線/BL1が接続されており、各ゲートに共通にワード線WLが接続されており、前記第1のキャパシタC1および第2のキャパシタC2の各プレートに共通にプレート線PLが接続されている。
【0059】
前記ワード線WLおよびプレート線PLは平行に設けられており、ワード線用のロウデコーダ(図示せず)により選択されたワード線WLにワード線信号が供給され、プレート線用のロウデコーダ(図示せず)により選択されたプレート線PLにプレート線電圧VPLが供給される。
【0060】
また、上記2本のビット線BL1、/BL1には、ビット線電位センス増幅用のセンスアンプ(図示せず)、書き込み回路(図示せず)およびプリチャージ回路(図示せず)が接続されている。
【0061】
次に、前記2トランジスタ・2キャパシタ構成の強誘電体メモリセルのデータ書き込み動作の原理およびデータ読み出し動作の原理について、図24乃至図26を参照しながら説明する。
【0062】
図24(a)乃至(c)は書き込み動作時における強誘電体キャパシタの印加電界、電気分極の状態を示しており、図25(a)乃至(c)は読み出し動作時における強誘電体キャパシタの印加電界、電気分極の状態を示している。
【0063】
また、図26はデータの書き込み動作時および読み出し動作時におけるプレート線の印加電位を示している。上記強誘電体メモリセルに対するデータの書き込み、読み出しに際して、選択されたメモリセルのプレート線PLの電位を例えば0V→5V→0Vと変化させることにより、誘電分極の向きを制御する。
【0064】
(A)データの書き込み動作に際しては、初期状態では、プレート線PLを接地電位Vss(0V)に設定し、2本のビット線BL1、/BL1をそれぞれ0Vにプリチャージしておく。
【0065】
まず、図24(a)に示すように2本のビット線BL1、/BL1のうちの一方(例えば第2のビット線/BL1)を例えば5Vに設定し、ワード線WLに5Vを印加して2個のトランジスタQ1、Q2をオン状態にすると、第2のキャパシタC2の両端間に電位差が生じて例えば図中下向きの分極が発生するが、第1のキャパシタC1の分極は発生しない。
【0066】
次に、図24(b)に示すように、プレート線PLを5Vに設定にすると、第1のキャパシタC1の両端間に電位差が生じ、図中上向きの分極が発生するが、第2のキャパシタC2の分極は反転しない。これにより、2個のキャパシタC1、C2に図示したように互いに逆向きの分極が発生した状態になり、この状態はデータ“1”または“0”の書き込み状態に対応する。
【0067】
次に、図24(c)に示すように、プレート線PLを0Vに設定し、ワード線WLを0Vにして2個のトランジスタQ1、Q2をオフ状態にする。
【0068】
(B)データの読み出し動作に際しては、初期状態では、プレート線PLを0Vに設定し、2本のビット線BL1、/BL1をそれぞれ0Vにプリチャージしておく。ここで、2個のキャパシタC1、C2には例えば図25(a)に示すように互いに逆向きの分極が発生した状態のデータが書き込まれている場合を想定する。
【0069】
まず、図25(b)に示すように、プレート線PLを5Vに設定し、ワード線WLに例えば5Vを印加して2個のトランジスタQ1、Q2をオン状態にすると、第2のキャパシタC2の両端間に電位差が生じてその分極の向きが反転するが、第1のキャパシタC1の分極の向きは反転しない。この2個のキャパシタC1、C2からの読み出し電位はセンスアンプによりセンス増幅され、このセンスアンプの出力により2本のビット線BL1、/BL1は対応して0V、5Vに設定され、上記センスアンプの出力に基づいて読み出しデータの“1”、“0”を判別する。
【0070】
続いて、図25(c)に示すように、プレート線PLを0Vに設定すると、第2のキャパシタC2の両端間に電位差が生じてその分極の向きが反転し、第1のキャパシタC1の分極の向きは、反転せず初期状態に戻る。
【0071】
次に、本発明を前記したようなFRAMに適用した実施例を詳細に説明する。図1乃至図3は、本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリセルを採用した大容量の強誘電体メモリについてセルアレイの製造工程順におけるセルアレイの一部の平面パターンの一例を概略的に示している。
【0072】
図4乃至図7は、前記セルアレイの製造工程順における断面構造の一部を概略的に示しており、具体的には、図3中のA−A線に沿うSDG領域およびセルキャパシタを含む断面構造を示している。
【0073】
まず、セルアレイの構造について説明する。図7に示す構造においては、前述した従来例のビット線先作り・上部電極接続構造と比べて、パストランジスタと強誘電体キャパシタの上部電極19との接続構造および上部電極19の構造が異なる。
【0074】
なお、ここでは、電荷転送用の1個のMOSトランジスタ(パストランジスタ)と情報記憶用の1個の強誘電体キャパシタとが直列接続された構成を単位セルとし、単位セルが行列状に配列されてメモリセルアレイを構成してなる1トランジスタ・1キャパシタ型の強誘電体メモリセルを備えたFRAMを例にとり説明する。また、説明の簡単化のため、各ワード線をWL、各ビット線をBL、各プレート線をPLで表示する。
【0075】
図7において、1は第1導電型(例えばp型)の半導体基板(例えばシリコン基板)であり、その表層部には、図1に示すように複数個の素子領域(活性化領域)SDGがそれぞれワード線WL形成方向に直交する方向(ビット線BL形成方向に平行な方向)にほぼ直線状に形成されるとともに平面的にみて行列状の配置で形成されており、各素子領域SDG間には素子間分離領域用の酸化膜2が形成されている。
【0076】
ここで、各列の素子領域SDGは、1列毎に素子領域SDGの1つ分の長さ (1ピッチ)ずつ位置が偏移しており、各素子領域SDGは全体として市松状の配置(正格子に対してジグザグ状の配置)で形成されている。
【0077】
上記各素子領域SDGは、中央部から一端側の領域に第1のMOSトランジスタを構成する第1のドレイン・チャネル・ソース領域が直線状に形成されており、上記中央部から他端側の領域に第2のMOSトランジスタを構成する第2のドレイン・チャネル・ソース領域が直線状に形成されており、上記中央部は上記第1、第2のMOSトランジスタに共通のドレイン領域Dとなっている。
【0078】
上記MOSトランジスタのチャネル領域上にゲート酸化膜3を介してゲート電極部Gが形成され、同一行の複数個のMOSトランジスタのゲート電極部Gは連続的に連なってワード線WLとして形成され、ワード線WL群は互いに平行に形成されている。
【0079】
この場合、各ワード線WL(ゲート電極部G)は、例えばPドープ・ポリシリコン4およびWSi(タングステンシリサイド)5の2層構造になっており、表面絶縁膜6および側壁絶縁膜7により保護されている。
【0080】
さらに、上記表面絶縁膜6、側壁絶縁膜7上に層間絶縁膜9および表面平坦化用の層間絶縁膜10が形成されており、この層間絶縁膜10上にワード線WL群の形成方向とそれぞれ直交する方向にビット線BL群が形成されている。
【0081】
この場合、層間絶縁膜10には、素子領域SDGの各中央部の第2導電型(本例ではn型)の不純物拡散領域(ドレイン領域)D上に対応してコンタクトホールが開口されており、前記層間絶縁膜10上で上記コンタクトホールから少しずれた位置にバリアメタル膜11および導電膜12からなるビット線BLが形成されており、各ビット線BLは上記コンタクトホール内でそれぞれ同一列の複数個の素子領域SDGの各ドレイン領域Dにコンタクトしている。
【0082】
なお、図4〜図7では、ビット線BLは上記コンタクトホール内のみ実線で示され、図示される断面の後方に位置している層間絶縁膜10上については点線にて示されている。
【0083】
さらに、前記ビット線BL群上には表面平坦化用の層間絶縁膜13およびキャップ用絶縁膜16が形成されており、キャップ用絶縁膜16上には単位セル毎にスタック構造の強誘電体キャパシタ(下部電極17、強誘電体絶縁膜18、上部電極19)が形成され、さらに、キャパシタ保護用の絶縁膜20およびパッシベーション膜23が形成されている。
【0084】
この場合、同一行の複数個の強誘電体キャパシタの各下部電極17は、対応するMOSトランジスタを含むSDG領域の中央部あるいは隣接する素子間分離酸化膜2の上方を覆うように、かつ、前記ワード線WL群の形成方向と平行な方向に(つまり、ビット線BLに直交する方向に)連続的に形成され、キャパシタプレート線PLとなっている。
【0085】
また、単位セル毎の強誘電体キャパシタの上部電極19は、対応する下部電極17領域上に強誘電体絶縁膜18を介して例えば方形状に形成されている。
【0086】
そして、強誘電体キャパシタの上部電極19は、対応するMOSトランジスタの一端部の第2導電型(本例ではn型)の不純物拡散領域(ソース領域)Sに局所接続用の電極配線22を介して接続されている。
【0087】
この場合、前記表面平坦化用の層間絶縁膜13、表面平坦化用の層間絶縁膜10および層間絶縁膜9等には、素子領域SDGの両端部のソース領域S上に対応してコンタクトホールが開口されており、このコンタクトホール内に導電性のプラグ(キャパシタコンタクトプラグ)15が埋め込まれている。そして、前記キャップ用絶縁膜16には、前記キャパシタコンタクトプラグ15上に対応してコンタクトホールが開口されており、このコンタクトホール内部および前記キャパシタ保護膜用の絶縁膜20上および前記上部電極19上に局所接続用の電極配線22として例えばアルミ系配線が形成されている。
【0088】
なお、本例においては、キャパシタコンタクトプラグ15および電極配線22についても、前記ビット線BLと同様にそれぞれその下地側にバリアメタル膜14、21を有する構造となっている。
【0089】
このとき、本例では、前記キャパシタコンタクトプラグ15および前記電極配線22はそれぞれの材料が異なる。具体的には、前記キャパシタコンタクトプラグ15の材料は、高融点金属が望ましく、前記電極配線22の材料はアルミニウム系配線材料あるいは銅系配線材料あるいは導電性ポリシリコン系配線材料が望ましい。
【0090】
そして、前記電極配線22の下端面は、前記キャパシタコンタクトプラグ15の上端面よりも面積が大きく、前記キャパシタコンタクトプラグ15の上端面およびその周辺の層間絶縁膜(本例では層間絶縁膜13)にコンタクトしている。これにより、電極配線22とキャパシタコンタクトプラグ15とのコンタクト抵抗の低下と、前記キャパシタコンタクトプラグ15上に対応してコンタクトホールを開口する時のマスク位置合わせのマージンの確保を図ることが可能になる。次に、前記セルアレイの製造方法について、図1乃至図3に示した平面パターンおよび図4乃至図7に示した断面図を参照しながら工程順に説明する。
【0091】
まず、図1および図4に示すように、通常のCMOS型DRAMセルの形成工程と同様な工程により、シリコン基板1上にセルのMOSトランジスタのアレイを形成する。
【0092】
ここで、2は基板表層部に選択的に形成された素子分離領域をなす酸化膜、D、Sは基板表層部の素子形成領域に選択的に形成された基板とは逆導電型の不純物拡散層からなるドレイン・ソース領域、3は基板表面に形成されたMOSトランジスタ用のゲート酸化膜、Gはゲート酸化膜3上に形成されたMOSトランジスタ用のゲート電極部(ワード線WLの一部)である。
【0093】
次に、ゲート電極部G上を含む基板上に層間絶縁膜10を形成し、層間絶縁膜10のドレイン領域D上に対応する部分にコンタクトホールを形成する。さらに、上記コンタクトホールの内部および層間絶縁膜10上にバリアメタル膜11および導電膜12を順次形成し、層間絶縁膜10上の導電膜12およびバリアメタル膜11をパターニングしてビット線BLを形成する。
【0094】
次に、ビット線上を含む基板上に平坦化用の層間絶縁膜(例えばBPSG膜)13を800nm程度堆積した後、化学機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing;CMP)により200nm程度研磨して平坦化する。
【0095】
次に、図5に示すように、リソグラフィ工程とエッチング工程により、層間絶縁膜13および層間絶縁膜10の前記ソース領域S上に対応する部分に例えば0.8×0.8μm□の開口面積のキャパシタプラグ用のコンタクトホールを選択的に形成する。この場合、層間絶縁膜13および層間絶縁膜10のトータル絶縁膜厚は1500nm、開口部のアスペクト比は1.9である。
【0096】
さらに、前記コンタクトホールの内面にバリアメタル膜(例えばTiN膜)14を20nm堆積させた後、例えばメタルCVD装置によりタングステンを前記トータル絶縁膜厚以上の1700nm程度堆積して前記コンタクトホールの内部に全面的に埋め込む。
【0097】
この後、平坦化用の層間絶縁膜13上のタングステン膜およびバリアメタル膜をエッチバックにより除去することにより、図1中に示すようにキャパシタコンタクトプラグ15が得られる。
【0098】
なお、前記キャパシタコンタクトプラグ15を埋め込む際、コンタクトホール内壁にバリアメタル膜14を形成しているので、コンタクトプラグ15からソース領域S用の不純物拡散層への拡散を防止することが可能である。
【0099】
さらに、図5に示すように、CMPにより層間絶縁膜13の表面を十分に平坦化した後、キャップ用絶縁膜16を150nm堆積する。
【0100】
次に、図2および図6に示すように、前記キャップ用絶縁膜16上に、キャパシタ下部電極17(キャパシタプレート線PL)用の導電膜、キャパシタ絶縁膜用の強誘電体膜18を順次形成し、さらに、キャパシタ上部電極19を形成し、強誘電体膜18および下部電極17用の導電膜のパターニングを行って強誘電体キャパシタを形成した後、キャパシタ保護用絶縁膜20を形成する。
【0101】
この際、前記強誘電体膜18としてPZT(PbZr Ti1−x )、PLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O )の他、SBT(SrBi Ta )等を用いることができる。また、キャパシタ下部電極17やキャパシタ上部電極19としてPt等(PtあるいはIrあるいはIrOx、IrO 、RuO 、あるいはそれらを組み合わせたもの)を用いることができる。
【0102】
次に、前記キャパシタ保護用絶縁膜20およびキャップ用絶縁膜16のキャパシタコンタクトプラグ15上に対応する部分を開口するとともに、キャパシタ保護用絶縁膜20のキャパシタ上部電極19上に対応する部分を開口する。この場合、キャパシタコンタクトプラグ15の上端面積より大きい開口部(図2中、16a)と、キャパシタ上部電極19の面積より小さい開口部(図2中、19a)を形成する。
【0103】
そして、図3および図7に示すように、キャパシタコンタクトプラグ15とキャパシタ上部電極19とを接続するための電極配線材料として、例えばバリアメタル膜用のTiN膜21およびSi・Cu(シリコン・銅)成分を含むAl(アルミ)配線のような導電膜を、キャパシタ保護用絶縁膜20を覆うように例えば高周波スパッタ法、メタルCVD法あるいはMOCVD法により順に堆積し、それをパターニングして電極配線22を形成し、その上にパッシベーション膜23を堆積する。
【0104】
なお、前記強誘電体膜18の形成に際して、強誘電体材料の堆積後、強誘電体材料を結晶化し、強誘電体特性を高めるために、通常は750℃程度の高温酸素雰囲気で10秒間程度、高速熱処理する。
【0105】
また、強誘電体材料の堆積後の工程でキャパシタパターニングを行う時に生じる強誘電体特性の低下を回復させるために、600℃の高温酸素雰囲気で30分程度のアニールを行う。
【0106】
なお、これらの高温酸素雰囲気での処理に際して、前記キャップ用絶縁膜16は、強誘電体膜18を形成する際の強誘電体物質の熱的処理工程が終了するまでは電極配線形成用のコンタクトホールが開口されていないので、前記キャパシタコンタクトプラグ材の酸化を防止する働きを有する。
【0107】
ただし、キャップ用絶縁膜16でキャパシタコンタクトプラグ15を覆っていても、高温酸素雰囲気でのアニールなどによりキャパシタコンタクトプラグ材の表面の軽度の部分的酸化は避けられない。
【0108】
そこで、好ましくは、前記キャパシタコンタクトプラグ15上に電極配線材料を堆積する際、その前にキャパシタコンタクトプラグ15の表面酸化膜をエッチングする工程を付加することにより、キャパシタコンタクトプラグ15と電極配線材料との安定な接続が可能になる。この際のエッチングは、通常のメタルスパッターの電極を入れ替えて逆スパッターにすることで可能である。
【0109】
また、一般にMOSFET活性層とコンタクトプラグとのコンタクト抵抗を下げるために行う水素、窒素の混合ガスを用いた450℃のシンター工程は、従来の工程例では強誘電体キャパシタの特性を劣化させる理由から使用することは不可能であった。これに対して、上記実施例の製造方法によれば、強誘電体キャパシタの形成よりも前にキャパシタコンタクトプラグ15を作り込むことにより、強誘電体キャパシタの形成前に通常のMOS型LSIと同一のシンター工程を採用することができ、具体的には、水素もしくは窒素またはこれらの混合ガスを用いた400〜500℃程度のシンタリングを行うことが可能となる。これにより、MOSFETのゲート閾値Vth、基板電位等諸々のデバイスパラメーターを共通に制御できる利点が生ずる。
【0110】
また、上記実施例の製造方法において、キャパシタコンタクトプラグ15の材料として、電極配線と同じ材料は用いず、耐酸化性、耐熱性、低コンタクト抵抗性を有し、高アスペクト比のコンタクトホールへの埋め込みが可能な材料の使用が望ましく、例えばタングステン、モリブデン、チタン、パラジウム等の高融点金属の使用が望ましい。
【0111】
これは、前記キャパシタコンタクトプラグ15としてポリシリコン材やアルミ系材などの酸化されやすい材料を使用した場合には、キャパシタコンタクトプラグ15を埋め込み形成した後で強誘電体キャパシタを作り込む際に、酸素雰囲気での高温熱処理がキャパシタコンタクトプラグ15にも施され、キャパシタコンタクトプラグ15が酸化されてその寄生抵抗が増加するという問題が生じるからである。
【0112】
なお、本例ではAlSiCu電極配線材料とタングステンコンタクトプラグ材とのインターレーヤーとしてTiNを用いたが、Ti/TiNの積層膜を用いてもよい。また、電極配線材料としては、AlSiCu配線に限らず、アルミ系、銅系の配線材料や導電性ポリシリコン系配線材料を用いることが可能である。
【0113】
また、上記実施例の製造方法においては、キャパシタ用のコンタクトプラグと電極配線材料との接触抵抗を少なくするために、それらのコンタクト面で電極配線がキャパシタ用のコンタクトプラグの上端面の面積より大きい配線面積を持つ接続構造を採用している。
【0114】
即ち、本例では、キャパシタ用のコンタクトプラグ上の電極配線(AlSiCu/TiN)は、コンタクトプラグ(W)の上端面と周辺絶縁膜(本例では層間絶縁膜13)の両方に接触する構造を採用している。
【0115】
なお、電荷転送用のパストランジスタとしては、ゲート絶縁膜が酸化物からなるMOSトランジスタに限定されず、ゲート絶縁膜が窒化物や、窒酸化物、あるいは酸化物と窒化物との積層構造等からなるMISトランジスタを形成することもできる。
【0116】
次に、前記したようなPZT材料またはSBT材料を用いた強誘電体キャパシタの上部電極材料としてPtまたはその他の電極材料(Ir、Ir酸化物、Ru酸化物等)を使用し、強誘電体キャパシタの上部電極を0.1ミクロンレベルまで微細に形成する方法について、図8(a)乃至(f)を参照しながら説明する。なお、この工程は、強誘電体キャパシタ用電極以外の形成に際しても適用可能である。
【0117】
まず、図8(a)に示すように、前記キャップ用絶縁膜16上に強誘電体キャパシタの下部電極膜17a、強誘電体薄膜18aを順次堆積する。この場合、下部電極膜17aとしてPtを175nm、強誘電体薄膜18aとしてPZT膜を300nm形成する。
【0118】
次に、図8(b)に示すように、強誘電体薄膜18a上に300nmのTEOS(テトラエトキシシラン)酸化膜20aを堆積する。
【0119】
次に、図8(c)に示すように、PEP(写真蝕刻工程)を用いてTEOS酸化膜20aに所望の上部電極面積に対応する開口部を選択的に形成する。
【0120】
次に、図8(d)に示すように、上部電極形成用のPt膜19aをTEOS酸化膜20aの膜厚以上に堆積する。
【0121】
次に、図8(e)に示すように、エッチバックあるいはCMPによりTEOS酸化膜20a上のPt膜19aを除去する。そして、通常のフォト・リソグラフィ技術を使用し、帯状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとする異方性エッチングにより、前記TEOS酸化膜20a/強誘電体薄膜18a/下部電極膜17aを順次パターニングする。
【0122】
これにより、所望の帯状の強誘電体薄膜18および下部電極17を得る。この際、同一マスクパターンを用いてTEOS酸化膜20a、強誘電体薄膜18aおよび下部電極膜17aを順次エッチング加工することにより、セルフアラインによりTEOS酸化膜20aと強誘電体薄膜18と下部電極膜17とはほぼ同じ平面形状に形成される。
【0123】
次に、図8(f)に示すように、上記強誘電体薄膜18、下部電極17のパターンエッジにおける異方性エッチングによる加工ダメージを緩和するとともに、強誘電体薄膜18の電気的絶縁耐圧の低下などを抑制するために、TEOS酸化膜20a、上部電極19、強誘電体薄膜18、下部電極17の表面を覆うようにキャパシタ保護用絶縁膜20を形成する。上記キャパシタ保護用絶縁膜20としては、例えばプラズマCVD法によるTEOSの分解により得られるSiO 膜、あるいは、熱酸化法によるSiO 膜を形成する。
【0124】
そして、キャパシタ保護用絶縁膜20の上部電極19上に対応する部分に上部電極19の面積より小さい開口部を設けた後、前記したような電極配線22および最終保護用のパッシベーション膜23を形成する。
【0125】
上述したように上記実施例の製造方法においては、強誘電体メモリセルを形成する際、パストランジスタの一端側領域上にコンタクトプラグ層を埋め込んだ後に強誘電体キャパシタを形成し、キャパシタ上部電極とコンタクトプラグの上端部とを接続するための電極配線を例えばスパッタ法により形成することが可能になる。
【0126】
これにより、強誘電体メモリセルの形成後におけるメタルCVD装置やMOCVD装置を用いた還元性雰囲気中での配線膜堆積工程を避けることができ、キャパシタの残留分極量等の電気的特性の劣化を防止することができる。
【0127】
また、キャパシタ上部電極19を絶縁膜20aの開口部に埋め込む構造としたので、キャパシタ上部電極19の面積を縮小し、単位セルの面積の縮小化が可能になり、FRAMの高集積化が可能になる。
【0128】
なお、上記第1の実施の形態では、キャパシタコンタクトプラグを1回の工程で形成したが、キャパシタコンタクトプラグを2段階に分けて形成してもよく、このような変形例の製造方法の断面図を図9および図10に示す。
【0129】
即ち、図9および図10に示すように、ビット線BL(11、12)の形成と同時に第1のキャパシタコンタクトプラグ11a、12aを形成しておき、その上に形成される絶縁層13に前記第1のキャパシタコンタクトプラグ11a、12aの上端面に接続するように第2のキャパシタコンタクトプラグ14、15を形成する。
【0130】
このような構造を採用することにより、コンタクトプラグ層を埋め込む際における各コンタクトホールのアスペクト比を低下させることができるので、コンタクトホール内への埋め込みを容易に行うことが可能になる。
【0131】
このように形成された半導体装置は、半導体基板の表層部に形成された不純物拡散領域からなるドレイン領域・ソース領域を有するMISトランジスタと、前記MISトランジスタを含む半導体基板上に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜内に埋め込み形成されたビット線コンタクトプラグを介して前記ドレイン領域・ソース領域のうちの一方の領域に接続され、前記第1の絶縁膜上に形成されたビット線と、前記第1の絶縁膜内に埋め込み形成され、前記ドレイン領域・ソース領域のうちの他方の領域に下端部がコンタクトした第1のキャパシタコンタクトプラグと、前記ビット線を含む半導体基板上に形成された第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜内に埋め込み形成され、前記第1のキャパシタコンタクトプラグの上端に下端部がコンタクトした第2のキャパシタコンタクトプラグと、前記第2の絶縁膜上に形成され、下部電極、強誘電体物質を用いた電極間絶縁膜および上部電極を有する強誘電体キャパシタと、前記第2のキャパシタコンタクトプラグの上端と前記強誘電体キャパシタとの間を接続する電極配線とを具備することを特徴とする。
【0132】
また、上記第1の実施の形態において、前記ビット線BL(11、12)のコンタクトプラグ部およびキャパシタコンタクトプラグ14、15(第1のキャパシタコンタクトプラグ11a、12a、第2のキャパシタコンタクトプラグ14、15からなる場合も含む)を、図9および図10に示すように、それぞれ上部の開口幅が底面の開口幅よりも広い逆テーパ状の側面を有するように形成してもよい。
【0133】
これにより、セルサイズの縮小化に伴ってワード線間隔が狭くなっても、ワード線とコンタクトプラグ下部との間隔を所望通り確保するとともにコンタクトホールの開口面積(電極配線とのコンタクト面積)を所望通り確保することが容易になり、プロセスマージンが増大するという利点が得られる。
【0134】
次に、図11および図12は、本発明の第2の実施の形態に係るFRAMセルのアレイを有する大容量のFRAMにおけるFRAMセルおよび他の素子の製造工程順における断面構造の一部を概略的に示している。
【0135】
図13は、第2の実施の形態に係るFRAMセルのアレイの一部の平面パターンの一例を概略的に示している。
【0136】
図11および図12に示す製造工程は、二層配線構造における第2層配線(ビット線あるいは他の配線)の接続を行うためのビアホールを埋めるために、Al、AlCu、AlCuSi、Cuの少なくとも一つの材料(本例ではアルミニウム)がリフローされている点が特徴的である。なお、ここで、図4乃至図7に示した製造工程と同一部分には同一符号を付している。
【0137】
図11および図12において、半導体基板1上にはメモリセルのスイッチ用MOSトランジスタ31およびメモリセル以外の混載デバイス用の他のMOSトランジスタ32が形成されている。
【0138】
前記各トランジスタ上を覆い、表面が平坦化された(つまり、下地段差を平坦化した)第1の絶縁層10内には、前記スイッチ用トランジスタ31のドレイン領域D、ソース領域Sに接続されたビット線コンタクトプラグ33およびキャパシタコンタクトプラグ34、混載デバイス用の他のMOSトランジスタ32のゲートに接続されたコンタクトプラグ35が埋め込み形成されている。
【0139】
前記第1の絶縁層10の表面上に順に形成されている下部電極17、強誘電体膜18および上部電極19を含む基板を覆う第2の絶縁層20には、ビット線コンタクトプラグ33、キャパシタコンタクトプラグ34、混載デバイス用のコンタクトプラグ35および上部電極19の上方に対応して選択的にホールが形成されている。そして、上記ホール部を介して前記ビット線コンタクトプラグ33に接続されたビット線埋め込みプラグ接続配線(ビット線接続用コンタクトパターン)36、キャパシタコンタクトプラグ34および上部電極19に接続された上部電極取り出し配線(キャパシタ電極配線)22、混載デバイス用のコンタクトプラグ35に接続された第1層配線37が形成されている。
【0140】
なお、前記上部電極取り出し配線22およびビット線埋め込みプラグ接続配線36は、Al、AlCuSi、AlCu、Wメタル、TiNメタル、Tiメタルの少なくとも一つの材料を有するものであり、前記第1層配線37と同一配線層で形成されている。また、上部電極取り出し配線22、ビット線埋め込みプラグ接続配線36および第1層配線37の上面側には、選択的にWメタル、TiNメタル、Tiメタルのいずれかからなるメタル層11´が形成されており、これらは前記強誘電体膜18にダメージを与えないスパッタ法あるいはCVD法によって形成され得る。
【0141】
前記各配線を含む基板上面を覆い、表面が平坦化された第3の絶縁層30には、前記ビット線埋め込みプラグ接続配線36および第1層配線37の上方に対応して選択的にビアホールが形成されている。そして、上記ビアホール内を埋めるようにAl、AlCu、AlCuSi、Cuの少なくとも一つの材料(本例ではアルミニウム)がリフローされてなり、前記ビアホール部を介して前記ビット線埋め込みプラグ接続配線36に接続されたビット線BLおよび前記ビアホール部を介して前記第1層配線37に接続された第2層配線38が形成されている。さらに、パッシベーション膜39が形成され、パッド部にホールが開口されている。
【0142】
上記したようなペロブスカイトないしは層状ペロブスカイト構造の物質からなる強誘電体膜を用いた情報記憶用のキャパシタとスイッチ用トランジスタとを有するメモリセルおよび少なくとも二層以上の多層配線構造を有する強誘電体メモリの製造に際しては、ビット線形成工程で前記多層配線構造におけるビアホールを埋めるためにAl、AlCu、AlCuSi、Cuの少なくとも一つの材料(本例ではアルミニウム)をリフローする工程を用いる。
【0143】
この際、Alリフローに際して、下地配線がAl系の場合には、スパッタ堆積時の温度によりAl系配線の溶融、ボイドの発生が生ずるおそれがある。このため、ビアメタルと直接接触する下地としては、Wメタル、TiNメタル、Tiメタル層のいずれかをスパッタあるいはCVD法により堆積した後、多層配線のビア部となる領域の直下に選択的に上記メタル層11´を形成し、溶融ボイド防止膜として用いる。
【0144】
次に、図11乃至図13に示す断面図および平面パターンを参照しながら工程順に詳細に説明する。
【0145】
まず、図11に示すように、通常のCMOS型DRAMセルの形成工程と同様な工程により、シリコン基板1上にメモリセルトランジスタ31および他のデバイス用のトランジスタ32を形成する。
【0146】
ここで、2は基板表層部に選択的に形成された素子分離領域、D、Sは基板表層部の素子形成領域に選択的に形成された基板とは逆導電型の不純物拡散層からなるドレイン・ソース領域、3は基板表面に形成されたMOSトランジスタ用のゲート酸化膜、Gはゲート酸化膜3上に形成されたMOSトランジスタ用のゲート電極部(ワード線WLの一部)である。
【0147】
なお、素子分離領域2は、LOCOS膜(選択酸化膜)、STI(Shallow Trench Isolation)など、任意の構造を採用してよい。
【0148】
次に、ゲート電極部G上を含む基板上に平坦化用の第1の層間絶縁膜(例えばBPSG膜)10を堆積した後、CMPにより表面を平坦化する。
【0149】
次に、第1の層間絶縁膜10に選択的にコンタクトホールを形成する。具体的には、ドレイン領域D上に対応する部分にビット線コンタクトホール、ソース領域S上に対応する部分にキャパシタプラグ用のコンタクトホールおよびその他の配線用のコンタクトホールを形成する。
【0150】
さらに、スパッタ法を用いてバリアメタル膜(Ti、TiN)11を前記コンタクトホールの内部および第1の層間絶縁膜10上に蒸着した後、CVD法を用いてW膜を堆積し、前記コンタクトホールの内部にコンタクトプラグ33、34および35を形成する。
【0151】
次に、エッチバックあるいはCMPを行い、第1の層間絶縁膜10の表面を露出させる。なおここで、第1の実施例と同様に、コンタクトプラグを逆テーパ状に形成すれば、プロセスマージンを増大させることができる。
【0152】
次に、図12に示すように、前記各コンタクトプラグを含む第1の層間絶縁膜10上に、キャパシタ下部電極17(キャパシタプレート線PL)用の導電膜として、Pt/Ti/TiNをスパッタ蒸着する。さらに、キャパシタ絶縁膜用の強誘電体膜18としてPZT膜を形成する。さらに、キャパシタ上部電極19としてPtを形成する。そして、RIEを用いて、前記キャパシタ上部電極19、強誘電体膜18および下部電極17の順にパターニング加工を行って強誘電体キャパシタを形成する。この際、強誘電体膜18にダメージが入った場合は、500〜600℃の酸素雰囲気での熱処理により回復させることができる。
【0153】
次に、プラズマCVDにより第2の層間絶縁膜20を形成し、化学ドライエッチング(CDE)およびRIEを用いて前記各コンタクトプラグ33、34、35および上部電極19との接続用のコンタクトホールを形成する。
【0154】
そして、スパッタ法を用いてAl、Wを順に堆積し、キャパシタコンタクトプラグ34とキャパシタ上部電極19との接続を行うためのキャパシタ電極配線22を形成すると同時に、ビット線接続用コンタクトパターン36およびメモリセル以外の混載デバイス用の第1層配線37を形成する。
【0155】
さらに、第3の層間絶縁膜30を形成し、その表面をCMPにより平坦化した後、前記ビット線接続用コンタクトパターン36との接続を行うためのビアホールおよびメモリセル以外の混載デバイスの第1層配線37との接続を行うためのビアホールを形成し、Ar雰囲気で基板温度400〜470℃とした高周波マグネトロンスパッタ法(Alを高温で溶解し泳動的にビアホールを埋め込むAlリフロー法)により前記ビアホール内を埋め込むように第2配線層を堆積した後、第2配線層をパターニングしてビット線BLおよび混載デバイス用の第2層配線38を形成する。
【0156】
これにより、ビット線BLは、ビアホール部・ビット線接続用コンタクトパターン36およびビット線コンタクトプラグ33を介してメモリセルのスイッチ用MOSトランジスタ31のドレイン領域Dに接続されることになり、混載デバイス用の第2層配線38は第1層配線37を介してメモリセル以外の混載デバイス用MOSトランジスタ32に接続される。
【0157】
なお、第2層配線38は、Alリフロ−で堆積された膜をそのまま用いてパターニングしてもよいが、ビア部以外のAl系メタルをメタルCMPにて研磨、除去、平坦化し、再び第2層配線38となるメタルを堆積し、パターニングしてもよい。
【0158】
この後、二層配線構造の半導体集積回路の場合は、トップパッシベーション絶縁膜39を堆積し、パッド部を開口する。三層、四層配線以上の配線構造の半導体集積回路の場合は、前記したような層間絶縁膜30を形成した後にAlリフロー法による配線層を堆積し、パターニングを行う工程を必要回数繰り返し、この後にトップパッシベーション絶縁膜39を堆積し、パッド部を開口する。
【0159】
なお、本実施の形態においては、前記第1層配線37を形成した際の第1配線層の一部をパッド部として用いてもよい。
【0160】
さらに、図12には、第3の層間絶縁膜30におけるビット線コンタクトプラグ33の上方に対応して選択的にホールを開口し、ビット線をビット線接続用コンタクトパターン36とコンタクトさせた場合を示したが、ビット線接続用コンタクトパターン36を第1の絶縁層10上で適宜引き回すことにより、これとは異なる位置でビット線をコンタクトさせることも可能である。従って、プロセスマージンを増大させることができ、特にセルアレイの設計の自由度を向上させる上で有利である。全く同様に、メモリセル以外の混載デバイスの第1層配線37についても、第1の絶縁層10上で引き回すことが可能である。
【0161】
また、図7に示したような強誘電体キャパシタより下方にビット線BLを配置した構造(FCOB;Ferro Capacitor On Bit-line)を有するセルアレイは、メモリセル部の設計の自由度が向上するが、ビット線上に形成される層間絶縁膜13の分だけ絶縁膜厚が増大することになり、メモリ以外の混載デバイスにとっては不利な構造を強いられることになる。
【0162】
これに対して、図11および図12に示したように強誘電体キャパシタの上層側にビット線BLを配置した構造とし、ビット線BLを第2配線層で形成した場合には、メモリセル部の設計の自由度が大幅に増大し、これによりセル面積の縮小化が可能になる。
【0163】
ここで、図13に示した平面パターンを参照して説明する。
【0164】
図13に示した構造は、前述した図1乃至図3の構造と比べて、ビット線BLがワード線WLの上方でワード線WLに直交する方向に一定幅で形成されており、ビット線BLの配置、幅、コンタクト部などが異なり、その他は同じであるので図1乃至図3中と同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
【0165】
即ち、図13において、41はビット線BLがその下層部のビット線接続用コンタクトパターン(図12中の36)に接続されているコンタクト部、42は単位セル毎に形成されたスタック構造のキャパシタの上部電極(図12中の19)およびキャパシタコンタクトプラグ(図12中の34)に対して、ワード線WLとビット線BLとの間の中間層に形成された局所接続用の電極配線(図12中の22)が接続されているコンタクト部である。PLはキャパシタの下部電極(図12中の17)が連続するように形成されたキャパシタプレート線である。
【0166】
つまり、図11および図12に示したような強誘電体キャパシタの上層側にビット線を配置した構造を採用すれば、図13に示すようにセルアレイを形成することが可能になり、前記FCOB構造に比べてビット線BLの幅を広くとることができ、ビット線抵抗を低くできるので、メモリ動作上、極めて有利となる。
【0167】
従って、FRAMメモリと他のLSIを混載する場合には、ビット線BLを強誘電体キャパシタより下方または第1層に配線するFCOB構造よりも第2配線層以降に形成する方が有利である。
【0168】
さらに、本発明との比較のため、本発明の第2の実施の形態におけるAlリフローによるビア埋め込みの代わりに、Ti(スパッタ)/TiN(スパッタ)/W(CVD)によるビア埋め込みを用いた場合(比較例)について、プロセスの違いによる強誘電体キャパシタの強誘電体膜の分極量に及ぼす影響を調べた。
【0169】
結果として、第2の実施の形態により得られた強誘電体キャパシタの強誘電体膜の分極量が30μC/cm であるのに対して、比較例では、分極量が〜3μC/cm と激しく劣化した。
【0170】
FRAMデバイスにおいては、強誘電体の分極量はセンスマージンに直接有効であり、その値が大きい方が信頼性の向上につながるので、第2の実施の形態の優位性は明らかである。
【0171】
さらに、図14は、本発明の第3の実施の形態に係るFRAMセルのアレイを有する大容量のFRAMにおける断面構造の一部(SDG領域およびセルキャパシタを含む)を概略的に示している。
【0172】
図14に示すFRAMセルの構造は、図12を参照して前述したFRAMセルの構造と比べて、基本的にはほぼ同様であるが、第1の層間絶縁膜10上に第1のSiO 膜51を介して強誘電体キャパシタが形成されている点、強誘電体キャパシタ上に第2のSiO 膜52が形成されている点が異なる。
【0173】
図14に示したFRAMセルの製造工程は、図11および図12を参照して前述した製造工程と比べて、(1)エッチバックにより第1の層間絶縁膜10の表面を露出させた後に、スパッタ法により全面に第1のSiO 膜51を堆積させる工程、(2)前記したように強誘電体キャパシタを形成した後に、スパッタ法により全面に第2のSiO 膜52を100nm程度堆積させる工程が追加されている点、(3)第2のSiO 膜52上に第2の層間絶縁膜13を堆積し、それに選択的にホールを開口する際に、下層の第2のSiO 膜52または第2のSiO 膜52/第1のSiO 膜51にもホールを開口する点が異なる。
【0174】
上記したようにスパッタ法により形成されたSiO 膜51、52は、水素基を含まず、また、水素基を通し難い。即ち、この後の工程で、仮に水素基が強誘電体キャパシタ付近まで到達したとしても直接には強誘電体キャパシタには到達しないので、強誘電体特性(分極量)の劣化を最小限に抑制することができる。
【0175】
図15は、本発明の第4の実施形態に関わる半導体装置の断面図である。本実施形態は、FRAMセルアレイとロジック回路等が混載された半導体装置に好適な製造方法を提供する。
【0176】
本実施形態の製造方法は、2層配線構造における第1層配線から半導体基板あるいはトランジスタのゲート電極へのコンタクトプラグが2度に分けて形成されている点に特徴を有する。すなわち本実施形態のコンタクトプラグは、まずFRAMセルの強誘電体キャパシタが形成される前に下層部分が形成され、次に強誘電体キャパシタが形成された後に、残りの上層部分が形成される。
【0177】
このようなコンタクトプラグの形成方法を採ることにより、コンタクトホールの開口径に対する深さの比(アスペクト比)を小さくすることができ、コンタクトホールの加工と埋め込みが容易になる。この利点は、加工上非常に厳しいルールを用いてパターン配置を行っているロジック製品との混載を行う場合に有利となる。
【0178】
本実施例の前半のプロセスは、第2の実施形態で説明した図11と同じである。すなわち、半導体基板1上にはメモリセルのスイッチ用MOSトランジスタ31およびメモリセル以外の、混載デバイス用の他のMOSトランジスタ32が形成されている。
【0179】
これらのトランジスタを覆い、平坦化された第1の層間絶縁膜10内には、スイッチ用トランジスタ31のドレイン・ソース領域に接続された第1のビット線コンタクトプラグ33および第1のキャパシタコンタクトプラグ34、混載デバイス用の他のトランジスタ32のソースあるいはドレイン領域あるいはゲート電極に接続される第1のコンタクトプラグ35が埋め込み形成されている。
【0180】
また、第1の層間絶縁膜10の表面には、図15に示すように、薄いシリコン窒化膜層121と薄いシリコン酸化膜層122が形成され、さらにその上に下部電極17、強誘電体膜18および上部電極19が順に形成されて強誘電体キャパシタを形成している。このキャパシタは表面が平坦化された第2の層間絶縁膜13で覆われており、さらに第2の層間絶縁膜13の内部には、第2のビット線コンタクトプラグ133、第2のキャパシタコンタクトプラグ134および混載デバイス用の他のトランジスタ32に接続された第2のコンタクトプラグ135が埋め込み形成されている。
【0181】
また、第2の層間絶縁膜13の表面には、上部電極取り出し配線、ビット線埋め込みプラグ接続配線、および混載デバイス用の第1層配線22、36、37の第1配線層が形成されている。
【0182】
この第1配線層を覆うように第2の層間絶縁膜13上に形成され、表面が平坦化された第3の層間絶縁膜30には、ビット線埋め込みプラグ接続配線36および第1層配線37の直上にヴィアホールが形成されている。このヴィアホールは、Al,AlCu,AlSiCu,Cuの内の少なくとも1つの材料により埋め込まれている。さらに、第3の層間絶縁膜30の表面には、第2配線層38、BLが形成され、その上にはパッシベーション膜39が形成されている。
【0183】
次に本実施形態の製造方法を、工程順に説明する。前述のようにプロセスの前半は第2の実施形態(図11)と同じである。まず、通常のCMOS型DRAMと同様に、シリコン基板1上にメモリセルトランジスタ31および他のデバイス用のトランジスタ32が形成される。すなわち、トランジスタのゲートおよび拡散層領域が形成され、第1の層間絶縁膜10およびコンタクトホールが形成される。
【0184】
続いて、このコンタクトホールにコンタクトプラグが埋め込まれる。前述のように、本実施形態では第1配線層から基板面へのコンタクトプラグが2度に分けて形成されるが、図11に示す段階までで、第1段階(下層部分)のコンタクトプラグが完成する。
【0185】
次に、図15に示すように、LPCVD法により第1の層間絶縁膜10の上に薄いシリコン窒化膜層121が形成される。このシリコン窒化膜層121は、後に強誘電体キャパシタの形成工程で行われる酸素雰囲気中でのアニールによるコンタクトプラグ材料(例えばW)の酸化を防ぐとともに、アニールによるトランジスタの特性変動を防ぐ役割がある。続いて、シリコン窒化膜層121上に、LPCVD法、プラズマCVD法、あるいは常圧CVD法により薄いシリコン酸化膜層122が形成される。
【0186】
次に、シリコン酸化膜層122上にキャパシタ下部電極17用の導電膜としてTiN、Ti、Ptが順にスパッタされる。その上に、キャパシタ絶縁膜用の強誘電体膜18として、PZT膜が形成される。さらにその上に、キャパシタ上部電極19としてPtがスパッタされる。
【0187】
続いて、RIEにより上部電極19、キャパシタ絶縁膜18、下部電極17の順でパターニングされ、強誘電体キャパシタが形成される。このとき、強誘電体膜18にダメージが入り本来の特性と変わってしまった場合には、500℃程度の酸素雰囲気中でのアニールで回復させることが可能である。
【0188】
次にプラズマCVDにより第2の層間絶縁膜13が形成され、CMP等によりその表面が平坦化される。続いてコンタクトプラグ33、34、35と後に形成される第1配線層との接続を行うためのコンタクトホールが形成される。このとき、キャパシタ下部電極17と第1配線層との接続を行うためのコンタクトホール(不図示)も同時に形成される。
【0189】
次に、スパッタ法によりバリア層としてTiN膜111を全面に形成した後、前記コンタクトホールを埋め込むように、スパッタ法によりAlを堆積し、400℃程度の温度でリフローする。続いて、CMPあるいはエッチバック法により、コンタクトホール内部以外のTiN膜、Alが除去される。ここまでで、コンタクトプラグの下層部分と上層部分の両方が形成され、本実施形態の特徴的な構造が出来上がる。
【0190】
次に、キャパシタ上部電極19上に、RIEによりコンタクトホールが形成される。このコンタクトホールも前述のコンタクトホールと同時に形成し、Al等により埋め込むことも可能であるが、本実施形態では同時形成を行わず、先のコンタクトホール形成後に別に形成している。この理由は、上部電極19へのコンタクトホールのアスペクト比は、他のコンタクトホールのそれに比べて小さいので、埋め込む必要性が少ないこと、アスペクト比の大きく異なるコンタクトホールでは、埋め込みの条件が大きく異なるため同時埋め込みが困難であると予想されること、さらに埋め込み時のダメージが強誘電体キャパシタに及ぶのを極力さけたいこと、等である。
【0191】
次に、Ti,TiN,AlCu,TiNを順にスパッタ法により全面に堆積させ、第1配線層を形成する。これをRIEにより加工することにより、キャパシタコンタクトプラグ134と上部電極19とを接続するキャパシタ配線22と、ビット線埋め込みプラグ接続配線36、混載デバイス用の第1層接続配線37が形成される。ここで、第1配線層の最上層のTiNは、リソグラフィのためのレジストパターン形成時に、Alからの光の反射を防止する反射防止膜として働く。
【0192】
続いて第3の層間絶縁膜30を形成し、その表面をCMPにより平坦化した後、前述の第1配線層と後述の第2配線層を接続するためのヴィアホールを開口する。さらに、第2の層間絶縁膜13に形成したコンタクトホールの場合と同様なAlリフロー技術等を用いて、このヴィアホールをAlで埋め込んだ後、Ti,TiN,Alを順にスパッタし、第2配線層を形成する。この第2配線層がRIEにより加工されて、第2層配線38、ビット線BL等が形成される。
【0193】
この後2層配線構造のデバイスの場合には、トップパッシベーション膜39が堆積され、選択的にパッド部が開口される。より多層の配線構造のデバイスの場合には、前述の方法の繰り返しで配線層と絶縁層を形成し、最後にトップパッシベーション膜39を堆積し、選択的にパッド部を開口すればよい。
【0194】
図16は、本発明の第5の実施形態に係わる半導体装置の断面図である。本実施形態は、FRAMセルアレイとロジック回路等が混載された半導体装置に好適な他の構造およびその製造方法を提供する。基本的には第3の実施形態と類似しており、図14と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【0195】
本実施例の前半のプロセスは、第2の実施形態で説明した図11とほぼ同じである。すなわち、半導体基板1上にはメモリセルのスイッチ用トランジスタ31とメモリセル以外の混載デバイス用他のトランジスタ32、およびSTI
(shallow trench isolation)による素子分離酸化膜2が形成される。
【0196】
これらのトランジスタを覆うように、シリコン酸化膜層10を堆積し、CMP法を用いて表面を平坦化する。その上に、Si 膜121をLPCVD法で、例えば150nm堆積する(図16)。このSi 膜121は、強誘電体キャパシタ形成の際の酸素アニールによるトランジスタへのダメージ(閾値変動)を軽減する。
【0197】
次に、上記トランジスタのソース領域S、ドレイン領域DへのコンタクトホールをRIEにより形成する。バリア層11として、Ti,TiNを順にスパッタにより堆積し、続いてCVD法によりコンタクトプラグ33、34、35としてWを埋め込む。さらに、絶縁膜10上のTi,TiN,Wを、例えばCMP法を用いて除去する。
【0198】
次に、全面にシリコン酸化膜層(SiO )122を100nm堆積する。その上に強誘電体キャパシタを構成するPt層17、PZT層18、Pt層19を順次スパッタにより堆積する。これらの層は酸素中で熱処理され、PZT層が結晶化され、ペロブスカイト構造となる。その後これらの層は、キャパシタの形状にRIEにより加工される。
【0199】
次に、全面にシリコン酸化膜13をプラズマCVD法により堆積し、コンタクトプラグ33、34、35の上部およびキャパシタの上部電極19の上部に開口部を形成する。その後全面にバリア層111となるTi,TiN、配線層22、36、37となるAl、メタル層11’となるWを順次スパッタにより堆積し、RIEにより加工してキャパシタとコンタクトプラグ34との配線およびその他コンタクトプラグの取り出し電極等を含む第1配線層を形成する。
【0200】
次に、全面にシリコン酸化膜層30をプラズマCVD法で堆積する。コンタクトプラグ33、35の直上のシリコン酸化膜層30に開口部を形成し、第1配線層のうち36に対応する部分を露出する。続いてバリア層112となるTi,TiN、配線38となるAlを順次スパッタにより堆積する。この後、約400℃の熱処理によりAlをリフローし、シリコン酸化膜30に形成されたアスペクト比の高い開口部を埋め込む。このときCVD法によりWを埋め込まないのは、強誘電キャパシタへの水素によるダメージを無くすためである。Alリフローを用いれば水素が発生せず、強誘電体キャパシタへのダメージを避けることができる。
【0201】
続いて、上記のTi,TiN,Al層をRIEにより加工し、第2配線層を形成する。その後、シリコン酸化膜39をCVD法により堆積し、図16に示す半導体構造が完成する。
【0202】
図17は、本発明の第6の実施形態に係わる半導体装置の断面図である。本実施形態は、FRAMセルアレイとロジック回路等が混載された半導体装置に好適なさらに他の構造およびその製造方法を提供する。基本的には第4の実施形態と類似しており、図15と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【0203】
シリコン酸化膜122を形成する工程までは、第5の実施形態と同様に行われる。続いて全面に強誘電体キャパシタを構成するPt層17、PZT層18、Pt層19を順次スパッタにより堆積する。これらの層は酸素中で熱処理され、PZT層が結晶化され、ペロブスカイト構造となる。その後これらの層は、キャパシタの形状にRIEにより加工される。
【0204】
次に、全面にシリコン酸化膜13をプラズマCVD法により堆積し、コンタクトプラグ33、34、35の上部に開口部を形成する。その後全面にバリア層111となるTi,TiN、配線層22、36、37となるAlを順次スパッタで堆積し、約400℃の熱処理でAlをリフローし、上記の開口部を埋め込む。その後バリアとなるWメタル層11’をCVD法を用いて堆積する。これらのTi,TiN,Al、W層をRIEにより加工し、コンタクトプラグ33、34、35等とのヴィアコンタクトを含む第1配線層を形成する。本実施形態の特徴は、シリコン酸化膜層13に形成された開口部(ヴィアホール)が、リフローされたAlで埋め込まれるところにある。なおここでは、第2の実施の形態と同様に、TiNメタルやTiメタルをメタル層11’に用いることもできる。
【0205】
次に、全面にシリコン酸化膜層30をプラズマCVD法で堆積する。トランジスタのドレイン領域Dの直上のシリコン酸化膜層30に開口部を形成し、対応する第1配線層36、37上のWメタル層11’を露出する。続いて第5の実施形態と同様に、バリア層111となるTi,TiN、配線38となるAlを順次スパッタにより堆積する。この後、約400℃の熱処理によりAlをリフローし、シリコン酸化膜30に形成されたアスペクト比の高い開口部(ヴィアホール)を埋め込む。なお、第1配線層の上部に形成されたWメタル層11’は、第2配線層のAlをリフローする際に、第1配線層のAlの溶解を防ぐ働きをする。
【0206】
続いて、上記のTi,TiN,Al層をRIEにより加工し、第2配線層を形成する。その後、シリコン酸化膜39をCVD法により堆積し、図17に示す半導体構造が完成する。
【0207】
図18は、本発明の第7の実施形態に係わる半導体装置の断面図である。本実施形態は、FRAMセルアレイとロジック回路等が混載された半導体装置に好適なさらに他の構造およびその製造方法を提供する。本実施形態の構造は、基本的には第3の実施形態と類似しており、図14と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【0208】
本実施例の前半のプロセスは、第2の実施形態で説明した図11とほぼ同じである。すなわち、半導体基板1上にはメモリセルのスイッチ用トランジスタ31とメモリセル以外の混載デバイス用他のトランジスタ32、およびSTIによる素子分離酸化膜2が形成されている。
【0209】
これらのトランジスタを覆うように、シリコン酸化膜層10を堆積し、CMP法を用いて表面を平坦化する。その上に、Si 膜121をLPCVD法で、例えば150nm堆積する(図18)。このSi 膜121は、強誘電体キャパシタ形成の際の酸素アニールによるトランジスタへのダメージ(閾値変動)を軽減する。
【0210】
次に、全面にシリコン酸化膜層(SiO )122を100nm堆積する。その上に強誘電体キャパシタを構成するPt層17、PZT層18、Pt層19を順次スパッタにより堆積する。これらの層は酸素中で熱処理され、PZT層が結晶化され、ペロブスカイト構造となる。その後これらの層は、キャパシタの形状にRIEにより加工される。
【0211】
次に、全面にシリコン酸化膜13をプラズマCVD法により堆積し、上記トランジスタのソース領域S、ドレイン領域DへのコンタクトホールをRIEにより形成する。バリア層11としてのTi,TiN、配線22、36、37としてのAlを順にスパッタにより堆積し、約400℃の加熱処理によりAlをリフローし、上記のコンタクトホールを埋め込む。続いてCVD法によりバリア層としてのWメタル層11’を堆積する。これらのTi,TiN,Al、W層をRIEにより加工し、トランジスタのソース領域S、ドレイン領域Dとのコンタクトを含む第1配線層を形成する。本実施形態の特徴は、絶縁層10、121、122、13を通じて形成された開口部(コンタクトホール)が、リフローされたAlで埋め込まれるところにある。
【0212】
次に、全面にシリコン酸化膜層30をプラズマCVD法で堆積し、CMPで平坦化する。トランジスタのドレイン領域Dの直上のシリコン酸化膜層30に開口部を形成し、対応する第1配線層36、37上のWメタル層11’を露出する。続いて第5の実施形態と同様に、バリア層112となるTi,TiN、配線38となるAlを順次スパッタにより堆積する。この後、約400℃の熱処理によりAlをリフローし、シリコン酸化膜30に形成されたアスペクト比の高い開口部を埋め込む。なお、第1配線層の上部に形成されたWメタル層11’は、第2配線層のAlをリフローする際に、第1配線層のAlの溶解を防ぐ働きをするもので、W以外にも第6の実施の形態と同様にTiNやTiを用いることができる。
【0213】
続いて、上記のTi,TiN,Al層をRIEにより加工し、第2配線層を形成する。その後、シリコン酸化膜39をCVD法により堆積し、図18に示す半導体構造が完成する。
【0214】
次に、本発明の半導体装置の製造方法の第8の実施の形態として、例えば図19に示すようなFRAMセルの電荷蓄積用キャパシタの強誘電体膜および電極膜あるいは例えば図21に示すようなDRAMセルの電荷蓄積用キャパシタの高誘電率誘電体膜および電極膜の高密度化、高信頼性化を実現するための工程について複数の実施例を説明する。
【0215】
即ち、一対の電極間に少なくとも2種以上の金属元素を含有する複合酸化物膜からなる誘電体膜を用いたキャパシタを形成し、前記キャパシタ上にさらに絶縁性酸化膜と配線層を積層してなる半導体装置を製造する際、
(a)前記キャパシタの形成工程は、第1の電極を形成する工程と、誘電体膜を形成する工程と、0.5Torr(=0.5×133.322Pa)以上500Torr以下の減圧下でRTA処理(Rapid Thermal Anneal; 急熱処理)を行なう工程と、この後、第2の電極を形成する工程とを具備する。
【0216】
(b)前記キャパシタの形成工程は、第1の電極を形成する工程と、誘電体膜を形成する工程と、第2の電極を形成する工程と、この後、0.5Torr以上500Torr以下の減圧下でRTA処理を行なう工程とを具備する。
【0217】
(c)前記キャパシタの形成工程は、第1の電極を形成する工程と、0.5Torr以上500Torr以下の減圧下でRTA処理を行なう工程と、誘電体膜を形成する工程と、この後に、第2の電極を形成する工程とを具備する。
【0218】
(d)前記(a)乃至(c)のいずれかの工程において、第1の電極上に、少なくとも2種以上の金属元素を含有する複合酸化物膜を、スパッタ法、CVD (Chemical Vapor Deposition;化学気相成長)法、あるいはLSMCD(Liquid Source Misted Chemical Deposition)法により形成する。
【0219】
(e)前記(a)乃至(c)のいずれかの工程において、減圧下のRTA処理を、0.5Torr以上500Torr以下の酸素分圧下で行う。
【0220】
(f)前記(a)乃至(c)のいずれかの工程において、減圧下のRTA処理を、0.5Torr以上500Torr以下のオゾン分圧下で行う。
【0221】
(g)前記(a)乃至(c)のいずれかの工程において、オゾン分圧比1%以上の雰囲気中でRTA処理を行なう。
【0222】
ここで、前記RTA処理とは、昇温速度10℃/秒以上の熱処理をいう。この熱処理速度は膜の結晶性を著しく高める。特に、PZT等の鉛系誘電体膜では、低誘電率のパイロクロア相生成を避けることができ、結晶化に有利な方法である。但し、RTAによる熱処理は、その昇温速度が早いので、取り込みガスの揮発が不十分なまま結晶化が進んでしまうという難点をもつ。
【0223】
上記第8の実施の形態に係る誘電体膜の形成方法では、RTA処理を0.5Torr以上500Torr以下の減圧下で行なうので、短時間の結晶化過程でも、デポジション膜中に取り込まれた残留ガスを排除しながら結晶化を進めることができ、結晶性の良い誘電体膜をしかも高密度に形成することができる。誘電体膜の結晶化時には、同時に電極膜の結晶化も進むが、電極膜中の取り込みガスもこの熱処理によって排除することができ、電極膜の抵抗値を下げることができる。
【0224】
RTA処理は結晶化を進めるが、その際、酸素の供給が不足すると誘電体膜が半導体化するおそれがある。特に、PZT等のPb系誘電体膜やチタン酸バリウム膜等は容易に半導体化し、膜抵抗が著しく低下する。
【0225】
このような場合の熱処理としては、減圧下のアニールを0.5Torr以上500Torr以下の酸素分圧下で行うことが望ましい。また、IrO やRuO 、ITO、SnO 等の導電性酸化物膜は、酸素の供給が不十分であると、その後のプロセスでの膜抵抗変化が激しく、特性が不安定になってしまうので、上記したような範囲の酸素分圧化でのアニールが有効である。
【0226】
さらに、減圧下のアニールを0.5Torr以上500Torr以下のオゾン分圧下で行うと、膜のリーク電流を低減することができ、これは特にDRAM等リフレッシュ動作の必要なメモリにおけるキャパシタ形成には重要であり、消費電力を節約することができる。
【0227】
これらの減圧下でのRTA処理は、特に、第1の電極上に少なくとも2種以上の金属元素を含有する複合酸化物膜からなる誘電体膜を形成する工程に、スパッタ法、CVD法、あるいはLSMCD法を採用した場合に特に有効である。これらの成膜方法で成膜した場合には取り込みガスの影響が避けられないからである。
【0228】
一方、本発明の第8の実施の形態に係る誘電体膜の形成方法にゾル・ゲル法やMOD法を適用することも可能であるが、これらの成膜方法およびLSMCD法では、有機基の揮発量が多いため、最初から減圧下で熱処理すると、膜の表面が粗になってしまうおそれがある。従って、これらの場合には、予め、大気圧下で350℃以上の温度の熱処理を施してから後に前記したような減圧下でのRTA処理を実施することが望ましい。
【0229】
次に、オゾンアニールの方法と効果について説明する。オゾン発生器を用いて生成したオゾン・酸素混合ガスを100〜400℃に加熱した熱処理部に導入する。例えば、ウエハ背面を300℃に加熱しながらオゾン・酸素混合ガスを導入し、この熱処理部に100mW/cm の低圧水銀光を30〜200分照射する。水銀光は波長が320nm以下が有効である。
【0230】
この場合、オゾン分圧比1%以上の混合ガス雰囲気中で熱処理を行なうと、成膜時に内在する酸素空孔が減少し、リーク電流の低減化を図ることができる。さらに、この後に600℃以上の酸素中の熱処理を加えると、ウエハ面内のばらつきも低減することができ、さらに有効である。
【0231】
(実施例1)
図19は、本発明の第8の実施の形態に係る製造方法により形成されたキャパシタを有したFRAMセルの断面構造を示している。
【0232】
図19のFRAMセルの製造に際しては、半導体基板1にLOCOSにより素子間分離絶縁膜2を形成し、その後にソースS・ドレインD領域用の拡散層、ゲート絶縁膜3、ゲート電極部Gを形成することにより、MOSトランジスタ70を形成する。この後、CVD法を用いて、SiO から成る層間絶縁膜71を堆積する。
【0233】
次に、メモリセルの情報記憶用キャパシタ72を形成する。まず、前記層間絶縁膜71の上に、2.5mTorrのAr中で連続DCスパッタによりTi/Ptから成る下部電極膜を成膜する。
【0234】
次いで、厚さ180nmあるいは210nmあるいは240nmのPZT膜を、2.5mTorrのAr中のRF(高周波)スパッタにより形成する。この後、最初のRTA処理を昇温速度100℃/秒、10Torrの酸素中で800℃で10秒間行ない、その後、PZT膜上に上部電極膜としてのPt膜をDCスパッタで形成した後、拡散炉を用いて600℃で二度目のアニールをゆっくり行なう。
【0235】
次に、積層された下部電極膜、PZT膜および上部電極膜をRIEによりエッチングし、所望の形状にパターニングすることにより、下部電極17、誘電体膜18および上部電極19で構成されるキャパシタ72を形成する。ここで、エッチングダメージを除去するために、拡散炉を用いて600℃で三度目のアニールをゆっくり行なった。
【0236】
次に、前記キャパシタ72を被覆するように絶縁膜73をCVD法により堆積させ、RIEにより、MOSトランジスタ70のソースS・ドレインD用拡散層の一方およびキャパシタ72の上部電極19および下部電極17を露出させるコンタクトホールをエッチング形成した後、拡散炉を用いて600℃で四度目のアニールをゆっくり行なった。
【0237】
次に、MOSトランジスタ70のソースS・ドレインD用拡散層の一方と上部電極19とを接続するための内部配線74aと、下部電極17からの引き出し電極となる内部配線74bを形成し、素子全体にパッシベーション膜75を堆積する。その後、RIEにより、パッシベーション膜75にコンタクトホールを形成し、バリア層76を介してアルミニウム配線77を形成する。MOSトランジスタ70のゲート電極部Gはワード線として、内部配線74b、バリア層76、アルミニウム配線77はプレート線として使用される。
【0238】
ここで、前記した4回のアニールのうち、1回目は誘電体膜結晶化のための熱処理であり、2回目は強誘電体膜18と上部電極19との界面状態を下部電極17と強誘電体膜18のそれと同様にするための熱処理であり、3回目と4回目はプロセスダメージ回復のためのものである。
【0239】
以上の実施例を実施例1とし、厚さ180、210、240nmの3種類のPZT膜に対応する実施例をそれぞれ実施例1-1、1-2、1-3とする。
【0240】
次の各工程を変えた実施例を実施例2〜6とし、誘電体膜厚を変えたものを薄いものからそれぞれ実施例n-1、n-2、n-3とする。また、比較例も同様にして形成した。
【0241】
(実施例2)
実施例1の情報記憶用キャパシタ72の形成を次のように行なって実施例2の半導体装置を形成した。まず、前記層間絶縁膜71の上に、2.5mTorrのAr中で連続DCスパッタによりTi/Ptから成る下部電極膜を成膜する。次いで、PZT膜を基板温度500℃、Ar/O 雰囲気中のRFスパッタで形成する。PZT膜上にPt膜をDCスパッタで形成した後、最初のRTAアニールを昇温速度100℃/秒、10Torrの酸素中で800℃で10秒間行なった。
【0242】
(実施例3)
実施例1の情報記憶用キャパシタ72の形成を次のように行なって実施例3の半導体装置を形成した。まず、前記層間絶縁膜71の上に、2.5mTorrのAr中で連続DCスパッタによりTi/Ptから成る下部電極膜を成膜する。最初のRTAアニールを昇温速度100℃/秒、10Torrの酸素中で800℃で10秒間行ない、次いで、PZT膜を基板温度500℃、2.5mTorrのAr中のRFスパッタで形成する。その後、PZT膜上にPt膜をDCスパッタで形成した後、二度目のアニールを今度は拡散炉を用いて600℃でゆっくり行なう。
【0243】
(実施例4)
実施例1の情報記憶用キャパシタ72の形成を次のように行なって実施例4の半導体装置を形成した。まず、前記層間絶縁膜71の上に、Irレジネートを回転塗布し、760Torrの大気中で800℃で熱処理し、IrO の下部電極膜を形成する。次いで、SBT膜を有機金属化合物混合原料を霧状にして回転基板上に堆積するLSMCD法を用いて成膜する。続いて、予め760Torrの大気中で450℃の熱処理を施した後、RTAアニールを昇温速度50℃/秒、500Torrの酸素中で800℃で10秒間行なった。その後、再び、SBT膜上にIrレジネートを回転塗布し、760Torrの大気中で800℃で熱処理し、IrO の上部電極膜を形成する。
【0244】
(実施例5)
実施例4の情報記憶用キャパシタ72の形成を次のように行なって実施例5の半導体装置を形成した。まず初めに、前記層間絶縁膜71の上に、Irレジネートを回転塗布し、760Torrの大気中で800℃で熱処理し、IrO の下部電極膜を形成する。次いで、SBT膜を有機金属化合物混合原料を霧状にして回転基板上に堆積するLSMCD法を用いて成膜する。続いて、予め760Torrの大気中で450℃の熱処理を施した後、RTAアニールを昇温速度80℃/秒、5Torrのオゾン10%・酸素90%の混合雰囲気中で800℃で10秒間行なった。その後、再び、SBT膜上にIrレジネートを回転塗布し、760Torrの大気中で800℃で熱処理し、IrO の上部電極膜を形成する。
【0245】
(実施例6)
実施例1の情報記憶用キャパシタ72の形成を次のように行なって実施例6の半導体装置を形成した。まず、前記層間絶縁膜71の上に、2.5mTorrのAr中で連続DCスパッタによりTi/Ptから成る下部電極膜を成膜する。次いで、PZT膜を2.5mTorrのAr中のRFスパッタで形成する。最初のRTAアニールを昇温速度100℃/秒、10Torrの酸素中で800℃で10秒間行ない、その後、PZT膜上にPt膜をDCスパッタで形成した後、二度目のアニールを今度は拡散炉を用いてオゾン10%・酸素90%の混合雰囲気下、550℃でゆっくり行なう。
【0246】
(比較例1)
実施例1の情報記憶用キャパシタの形成を次のように行なって比較例1の半導体装置を形成した。まず、前記層間絶縁膜の上に、2.5mTorrのAr中で連続DCスパッタによりTi/Ptから成る下部電極膜を成膜する。次いで、PZT膜を2.5mTorrのAr中のRFスパッタで形成する。最初のRTAアニールを昇温速度100℃/秒、760Torrの酸素中で800℃で10秒間行ない、その後、PZT膜上にPt膜をDCスパッタで形成した後、二度目のアニールを今度は拡散炉を用いて600℃でゆっくり行なう。
【0247】
(比較例2)
実施例4の情報記憶用キャパシタの形成を次のように行なって比較例2の半導体装置を形成した。まず、前記層間絶縁膜の上に、Irレジネートを回転塗布し、760Torrの大気中で800℃で熱処理し、IrO の下部電極膜を形成する。次いで、厚さ180nmのPZT膜を、有機金属化合物混合原料を霧状にして回転基板上に堆積するLSMCD法を用いて成膜する。続いて、予め760Torrの大気中で450℃の熱処理を施した後、RTAアニールを昇温速度50℃/秒、760Torrの酸素中で800℃で10秒間行なった。その後、再び、PZT膜上にIrレジネートを回転塗布し、760Torrの大気中で800℃で熱処理し、IrO の上部電極膜を形成する。
【0248】
(実施例および比較例の評価)
図20は、前記各実施例1〜6および比較例1、2におけるキャパシタの容量を測定し、膜厚(誘電体厚み)tとキャパシタンスCの逆数(1/C)の関係をグラフ化して示している。
【0249】
キャパシタンスC、誘電体の誘電率ε、誘電体厚みtの間には、以下の関係が成り立つ。
【0250】
C = εo×ε×S/t
但し、εoは真空の誘電率、Sは電極面積である。これを書き換えると、
1/C = k×(1/ε)×t
但し、k= 1/(εo×S)の定数である。実際のグラフでは、
1/C = k×(1/ε)×t + n
の直線になっており、n=1/C´とすると、C´分のキャパシタが直列に接続されている回路が予想される。
【0251】
本発明の第8の実施の形態に係る実施例では、前記C´に相当するキャパシタ成分が小さく、このことから、電極との界面に余分な低誘電率層が存在せず、薄膜化に対応できる誘電体膜が形成されていることが分かる。
【0252】
一方、比較例では、C´に相当するキャパシタ成分が大きく、これでは充分なキャパシタンスが得られず、薄膜化にも対応できない。素子を低電圧で駆動するためには、誘電体を充分飽和させた領域で用いること、即ち、薄膜化して充分大きな電界をかけることが必要であるが、界面低誘電率層のC´が存在すると、薄膜化に対応することができない。
【0253】
実施例1〜6と比較例1、2の誘電体部分の断面を透過電子顕微鏡で調べたところ、比較例の誘電体と電極界面に膜厚1/10から1/5に相当する大きな空隙が数多くみられたが、実施例では僅かであり、この空隙が膜の一部を低密度化し、低誘電率層の原因になっていることが分かった。
【0254】
その他、各素子の動作速度特性、疲労特性等を調べた。最も動作速度を早くできたのは実施例3であり、特に書き込み時間に関して140nsまで短縮しても不良ビットが生じなかった。他の実施例では150ns以上としないと信頼性試験で不良ビットが生じた。また、実施例4と5では書き換え回数が1012回以上を達成することができたが、他の実施例では1010回から不良ビットが現れた。10 回疲労試験後に長時間放置してインプリント特性を調べた際に不良ビットを生じなかったのは、実施例5と6であった。
【0255】
(その他の実施例)
図21に示すトレンチ型のDRAMセルの形成工程において、半導体基板80に素子分離領域81、メモリセルのトランスファゲート用のMOSトランジスタのソースS・ドレインD領域、メモリセルのトレンチ構造のキャパシタ82を形成する。上記キャパシタ82の形成に際して、下部電極83のRuをDCスパッタで形成後、BST膜84を有機金属化合物を原料ソースとし、Arのキャリアガスを用いるCVD法により、基板温度450℃にて100nmの堆積膜として得た。この後、N 分圧が450Torr中、600℃でRTAアニールを行ない、さらに上部電極85のRuをDCスパッタで形成し、3次元の積層構造を得た。さらにその後、SiO 絶縁膜86の形成とワード線WL、ビット線BLの形成を行ない、DRAM構造を形成した。この場合、誘電率250の緻密なBST誘電体膜を得た。
【0256】
次に、前記したようなFRAMをRF−IDシステムに応用した例を示す。
【0257】
RF−IDシステムとは、電波を用いた非接触型タグ・システム(識別器)のことで、一般的には非接触データ・キャリア・システム等とも呼ばれており、RF−IDシステムの全体のシステム構成を図27に示す。
【0258】
RF−IDシステムは、パソコン、コントローラ、アンテナ等で構成されるホスト側と、トランスポンダと呼ばれるデータ・キャリアで構成される。トランスポンダは、FRAMとASICが1チップ化されたモノリシックRF−IDチップおよび電力受信、データ受信/送信を兼ねるアンテナを内蔵するシンプルな構成である。
【0259】
ホスト側からは必要に応じてコマンドおよびデータを搬送波に乗せて送信するが、トランスポンダ側ではその搬送波により必要な電力を発生させ、データの書き込みおよび読み出しと送信に利用してホスト側に情報を返す。
【0260】
非接触型タグは、電池が不要であり、FRAMの記憶内容を電波を使って非接触で読み取り、その内容を書き換えることにより、人の入退出などの管理に活用することが可能である。例えば服のポケットに定期券用の非接触型タグを入れたまま改札したり、非接触型タグを自動車につけて走り、高速道路の料金所でいちいち精算するために止まらなくて済むようにするとか、人との介在なしに駐車場の出入りを監視・管理するなどの用途を狙っている。また、家畜や回遊魚の行動を管理するために使用することが可能である。
【0261】
図28は、トランスポンダの内部回路の詳細を示す。
【0262】
即ち、外部から入力される電磁波を検知するLC回路と、LC回路が検出した電磁波から信号を生成する回路58と、LC回路が検出した電磁波から電源電圧を発生させる回路59と、電源電圧の立ち上がりを検出してパワーオン信号を出力するパワーオン回路60と、強誘電体物質を電極間に有する強誘電体キャパシタと電荷転送用のMOSトランジスタとからなるメモリセルを複数個行列状に配置し、例えば同一行に属するメモリセルのMOSトランジスタを同一のワード線でそれぞれ共通接続し、同一行に属するメモリセルの強誘電体キャパシタの一方の電極を同一のキャパシタプレート線でそれぞれ共通接続し、同一列に属するメモリセルのMOSトランジスタの一方の端子を同一のビット線でそれぞれ共通接続して構成したFRAMセルアレイ61等から構成される。
【0263】
なお、本発明は上記したようなFRAMに限らず、FPGA(Field Programable Gate Array )やスタティック型RAMを搭載した論理LSIなどにおいて、ロジックのプログラム記憶部に少量ではあるが使用される強誘電体メモリセルの形成方法に適用することも可能である。
【0264】
また、本発明は上記したような半導体基板上に強誘電体メモリセルを形成する場合に限らず、SOIなどのように絶縁基板上の半導体層上に強誘電体メモリセルを形成する場合にも適用することが可能である。
【0265】
さらに、電荷転送用のスイッチングトランジスタとしては、ゲート絶縁膜が酸化物からなるMOSトランジスタに限定されず、ゲート絶縁膜が窒化物や窒酸化物、あるいは酸化物と窒化物との積層構造などからなるMISトランジスタを形成することもできる。
【0266】
【発明の効果】
上述したように本発明の半導体装置の製造方法によれば、強誘電体メモリセルを形成する際、パストランジスタの一端側領域上にコンタクトプラグ層を埋め込んだ後に強誘電体キャパシタを形成し、キャパシタ上部電極とコンタクトプラグの上端部とを電極配線で接続するので、強誘電体キャパシタ形成後における還元性雰囲気中での処理の影響を回避し、かつ、強誘電体キャパシタを容易に形成することができる。
【0267】
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、キャパシタ上部電極(Pt等)の微細加工ひいては強誘電体メモリセルのパターンの微細化を実現できる。
【0268】
従って、本発明の半導体装置の製造方法により製造された半導体装置によれば、キャパシタ上部電極とコンタクトプラグの上端部とを接続するための電極配線の信頼性が高く、強誘電体キャパシタの微細化が可能な構造を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリセルを採用した大容量のFRAMについてセルアレイの製造工程におけるセルアレイの一部の平面パターンの一例を概略的に示す図。
【図2】図1の工程につづく工程における平面パターンの一部を示す図。
【図3】図2の工程につづく工程における平面パターンの一部を示す図。
【図4】図1乃至図3に示したセルの製造工程の一例における断面の一部を示す図。
【図5】図5の工程につづく工程における断面の一部を示す図。
【図6】図5の工程につづく工程における断面の一部を示す図。
【図7】図6の工程につづく工程における断面の一部を示す図。
【図8】図7の工程中の一部を取り出して断面の一部を詳細に示す断面図。
【図9】図4乃至図8に示したセルの変形例の製造方法について断面の一部を示す図。
【図10】図4乃至図8に示したセルの変形例の製造方法について断面の一部を示す図。
【図11】本発明の第2の実施の形態に係るFRAMセルを採用した大容量のFRAMについてセルアレイの製造工程の一例における断面の一部を示す図。
【図12】図11の工程につづく工程における断面の一部を示す図。
【図13】図11および図12に示したFRAMセルを含むFRAMの平面パターンの一部を示す図。
【図14】本発明の半導体装置の製造方法の第3の実施の形態に係るFRAMセルの構造を示す断面図。
【図15】本発明の半導体装置の製造方法の第4の実施の形態に係るFRAMセルの構造を示す断面図。
【図16】本発明の半導体装置の製造方法の第5の実施の形態に係るFRAMセルの構造を示す断面図。
【図17】本発明の半導体装置の製造方法の第6の実施の形態に係るFRAMセルの構造を示す断面図。
【図18】本発明の半導体装置の製造方法の第7の実施の形態に係るFRAMセルの構造を示す断面図。
【図19】本発明の半導体装置の製造方法の第8の実施の形態に係るFRAMセルの構造を示す断面図。
【図20】第8の実施の形態に係る実施例および比較例のキャパシタ特性を表すグラフ。
【図21】本発明の半導体装置の製造方法の第8の実施の形態に係るDRAMセルの構造を示す断面図。
【図22】1トランジスタ・1キャパシタ構成の強誘電体メモリセルの等価回路を示す回路図。
【図23】図22の強誘電体メモリセルのアレイおよびその周辺回路の一部の等価回路を示す回路図。
【図24】図22のメモリセルを2個用いた2トランジスタ・2キャパシタ型の強誘電体メモリセルの書き込み動作の原理を説明するために強誘電体キャパシタの印加電界および電気分極の状態を示す図。
【図25】図22のメモリセルを2個用いた2トランジスタ・2キャパシタ型の強誘電体メモリセルの読み出し動作の原理を説明するために強誘電体キャパシタの印加電界および電気分極の状態を示す図。
【図26】図24に示した書き込み動作および図25に示した読み出し動作に際してプレート線PLに印加される電圧波形の一例を示す波形図。
【図27】RF−IDシステムの全体のシステム構成を示す図。
【図28】トランスポンダの内部回路の詳細を示す図。
【符号の説明】
1…半導体基板、
2…素子間分離酸化膜、
3…ゲート酸化膜、
4…Pドープ・ポリシリコン、
5…WSi、
6、7…ゲート電極保護用の絶縁膜、
9、10…絶縁膜、
11…バリアメタル膜、
13…平坦化用の絶縁膜、
14…バリアメタル膜、
15…キャパシタコンタクトプラグ、
16…キャップ用の絶縁膜、
17…下部電極、
18…強誘電体薄膜、
19…上部電極、
16a、19a…電極配線接続用の開口部、
20a…上部電極埋め込み用の絶縁膜、
20…キャパシタ保護用の絶縁膜、
21…バリアメタル膜、
22…電極配線、
23…パッシベーション膜、
SDG…活性領域、
D…不純物拡散層(ドレイン領域)、
G…ゲート電極部、
S…不純物拡散層(ソース領域)、
BL…ビット線、
WL…ワード線、
PL…プレート線
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having an array of memory cells using a complex oxide film as an insulating film of an information storage capacitor, and more particularly to a ferroelectric memory cell using a ferroelectric as a capacitor insulating film. Formation method and structure of cell transistor-cell capacitor connection wiring portion, bit line contact portion and memory cell in ferroelectric memory (FRAM) having an array, and dynamic type using high dielectric constant dielectric for capacitor insulating film The present invention relates to a method of forming a memory cell in a dynamic random access memory (DRAM) having an array of memory cells, and is applied to a semiconductor integrated circuit including FRAM or DRAM.
[0002]
[Prior art]
In recent years, nonvolatile ferroelectric memory cells (FRAM cells) using a ferroelectric thin film made of a material having a perovskite structure or a layered perovskite structure as an interelectrode insulating film of an information storage capacitor and an FRAM having an array thereof have attracted attention. ing.
[0003]
In the ferroelectric film, the electric polarization once generated when an electric field is applied remains even if the electric field is no longer applied, and when an electric field with a certain strength or more is applied in the direction opposite to the electric field. It has a characteristic that the direction of polarization is reversed.
[0004]
Focusing on this polarization characteristic that reverses the direction of polarization of the dielectric, a technique for realizing an FRAM cell using a ferroelectric as the insulating film of the information storage capacitor of the memory cell has been developed.
[0005]
This FRAM cell has a configuration in which a capacitor of a DRAM cell is replaced with a ferroelectric capacitor, and a method of taking out charges at the time of polarization inversion or non-inversion from a ferroelectric capacitor via a MOS transistor for switching (data). (Destructive read) is used, and the stored data written in the memory cell is not lost even when the operation power is turned off.
[0006]
Compared with a DRAM that is a representative of a large-capacity memory, the FRAM has a feature that since it is non-volatile, a refresh operation is unnecessary for data retention and power consumption during standby is unnecessary. In addition, the flash memory, which is another nonvolatile memory, has a feature that the number of data rewrites is large and the data rewrite speed is remarkably high. In addition, the power consumption is small and the cell area can be greatly reduced as compared with an SRAM used for a memory card or the like that requires battery backup.
[0007]
The expectation of FRAM having the above features is very high, such as replacement of existing DRAM, flash memory, and SRAM, and application to a logic embedded device. In addition, since FRAM is capable of high-speed operation without a battery, the development of contactless cards (RF-ID: Radio Frequency-Identification Data) is beginning. The structure of the memory cell of the FRAM includes a structure using a ferroelectric film instead of a paraelectric film in a storage capacitor for storing a charge capacity as information, as in a DRAM, and a silicon oxide film in a gate insulating film of a MOSFET. Are roughly classified into two types: a structure in which is replaced with a ferroelectric film. The latter is not feasible because there is no suitable ferroelectric film that can be formed directly on the Si interface, and since only proposals have been made so far, FRAM usually refers to the former structure.
[0008]
Further, as shown in FIG. 22, the FRAM cell includes a one-transistor / one-capacitor (abbreviated as 1T / 1C) type composed of one transistor and one ferroelectric capacitor, as shown in FIG. There are two transistors and two capacitors (abbreviated as 2T / 2C) type composed of two transistors and two ferroelectric capacitors.
[0009]
The 1T / 1C structure has the advantage that it can be integrated as high as a DRAM, but it must suppress variations in ferroelectric characteristics and deterioration in each memory cell, and increase yield and device reliability. Has the disadvantage of being difficult.
[0010]
The 2T / 2C structure has a defect that requires twice as much area as the 1T / 1C structure, but since the characteristic margin can be increased, it is easy to improve yield and device reliability.
[0011]
In any structure, an electrode / ferroelectric / electrode stack structure is formed on a base insulating film, and Al or Cu wiring is provided through a contact hole opened in an oxide film on the upper layer, and the film is protected by a passivation film. .
[0012]
By the way, as described above, the FRAM cell can operate at high speed and with low power consumption, and high integration is expected. Therefore, it is necessary to examine a manufacturing process with less memory cell area and less ferroelectric deterioration. It has become. In addition, when an existing FRAM device is mixed with other devices or a multilayer wiring technique indispensable for high integration has not yet been established.
[0013]
The reason why it is difficult to make a multi-layer wiring of a semiconductor integrated circuit mounted with an FRAM device is that a ferroelectric material is very weak in a reducing atmosphere (particularly a hydrogen atmosphere). In the existing LSI process, most of the processes are mixed with hydrogen, which is a serious problem in manufacturing FRAM.
[0014]
As an example of a process in which hydrogen is mixed, a process of filling a via hole in a multilayer wiring structure can be given. In particular, as a method for filling a via hole with a large aspect ratio, W filling by CVD is mainly used. However, since many hydrogen groups are generated in the step of filling this W, the ferroelectric is seriously damaged.
[0015]
Hereinafter, the above problem will be described in detail.
[0016]
Conventionally, as a structure of a ferroelectric memory cell, (1) a bit line post-fabrication structure in which a ferroelectric capacitor is disposed under a bit line, and (2) a bit line tip in which a bit line is disposed under a ferroelectric capacitor. There is a making structure.
[0017]
When manufacturing the ferroelectric memory cell having the bit line post-fabrication structure, a ferroelectric capacitor is disposed on the upper layer of the pass transistor (switching MOS transistor), and the lower electrode and the pass transistor are connected to the polysilicon plug. Then, a bit line is formed on the ferroelectric capacitor.
[0018]
When forming the ferroelectric capacitor, the ferroelectric thin film is formed after the lower electrode of the ferroelectric capacitor is usually formed on the polysilicon plug using Pt (platinum). When performing crystallization by forming a film, high-temperature oxygen annealing is required.
[0019]
Here, when PZT (lead zirconate titanate) is used as the ferroelectric material, when the oxidation is insufficient, the capacitor characteristics deteriorate due to the generation of defects due to the diffusion of Pb in the PZT. In order to avoid this, the oxygen annealing temperature necessary for sufficient oxidation is usually 600 ° C. to 700 ° C.
[0020]
When a bismuth layered compound such as SBT (strontium bismuth tantalate) is used as the ferroelectric material, the necessary oxygen annealing temperature is usually as high as ˜800 ° C.
[0021]
However, at the time of high-temperature oxygen annealing as described above, there arises a problem that the lower electrode using Pt reacts with the polysilicon plug to be silicided or the polysilicon plug is oxidized.
[0022]
On the other hand, when manufacturing a ferroelectric memory cell having the bit line prefabricated structure, a bit line is formed above the pass transistor, and a ferroelectric capacitor is formed above the bit line.
[0023]
At this time, when the lower electrode (for example, Pt) of the ferroelectric capacitor and the pass transistor are connected by the polysilicon plug, the same problem as that of the bit line post-fabrication structure described above arises.
[0024]
On the other hand, there has been proposed an upper electrode connection structure in which an upper electrode of a ferroelectric capacitor and a pass transistor are directly connected by a local electrode wiring made of a buried wiring. This structure has a feature that the degree of freedom of the pattern layout of the ferroelectric capacitor is relatively high, and a fine structure can be realized by arranging the ferroelectric capacitor on both the pass transistor region and the element isolation region. Is possible.
[0025]
When realizing the bit line pre-fabrication / upper electrode connection structure, after forming the ferroelectric capacitor from the lower electrode (plate electrode) to the upper electrode, a capacitor protective film is deposited. Thereafter, in order to form a local electrode wiring for directly connecting the upper electrode and the pass transistor, a contact portion with the upper electrode and a contact portion with the active layer of the pass transistor are opened in the capacitor protection film, and wiring is performed. After the film is deposited, it is patterned.
[0026]
When the bit line pre-fabrication / upper electrode connection structure is realized, as described above, when the lower electrode (for example, Pt) of the ferroelectric capacitor and the pass transistor are connected by the polysilicon plug, the lower electrode is made of polysilicon. There is no problem of silicidation by reacting with the plug.
[0027]
However, it is difficult to form a local electrode wiring for directly connecting the upper electrode and the pass transistor as described above in terms of aspect ratio and step coverage accompanying miniaturization.
[0028]
In addition, when PZT or BST is used as the ferroelectric material, the reducing atmosphere in various CVD (chemical vapor deposition) processes performed when forming the electrode wiring after forming the ferroelectric thin film becomes a problem. There is a problem that the dielectric material is deteriorated in characteristics by a reduction reaction.
[0029]
In other words, when forming a local electrode wiring for connecting the upper electrode and the pass transistor, W in a strong reducing atmosphere (hydrogen-based gas) using a metal CVD apparatus used in a DRAM is used. If an attempt is made to embed a W plug by (tungsten) film formation, the characteristics of the ferroelectric capacitor (electrical characteristics such as the amount of remanent polarization) are deteriorated, and therefore cannot be used.
[0030]
On the other hand, when forming the local electrode wiring for connecting the upper electrode and the pass transistor, even if the aluminum wiring film is formed using MO (Metal Organic) CVD, there is no reducing atmosphere. However, since the hydrogen group component including the source material cannot be completely removed, the characteristics of the ferroelectric capacitor are deteriorated.
[0031]
Further, when PZT or BST is used as the ferroelectric material, Pt, Ir, Ir oxide (IrO) is used as the electrode material of the ferroelectric capacitor. 2 ), Ru, Ru oxide (RuO) 2 ), Noble metals such as LSCO, SRO or conductive oxides are used.
[0032]
However, it is quite difficult to finely process these materials at a submicron level of about 0.5 μm by RIE (reactive ion etching), ion milling, ECR, etc., and in particular, Pt is very difficult. Miniaturization is not easy. However, miniaturization of the ferroelectric memory cell is indispensable for designing a highly integrated ferroelectric memory, and miniaturization of the upper electrode of the ferroelectric capacitor is an important issue for miniaturization of the memory cell. .
[0033]
On the other hand, the degree of integration of the memory has been improved year by year, but the electric capacity of the dielectric capacitor for accumulating charges must be maintained at about 30 fF or more even if the size is reduced. For this purpose, it is necessary to increase the effective area of the capacitor, reduce the thickness of the dielectric film, or increase the dielectric constant of the dielectric material. In the conventional DRAM technology, three-dimensional and thinner capacitors have been studied mainly by the improvement of the former two. However, conventional SiO 2 In the type of dielectric film, the three-dimensionalization and thinning of the dielectric film are reaching the limit, and a technique for depositing a dielectric thin film having a large relative dielectric constant is required.
[0034]
By the way, when manufacturing a capacitor having an electrode / ferroelectric / electrode stack structure to be used in the FRAM as described above or an electrode / high dielectric constant dielectric / electrode stack structure to be used in a DRAM, As described above, the electrode material is Pt, Ir, Ru, IrO. 2 , RuO 2 , LSCO, SRO and other noble metals or conductive oxides are used.
[0035]
As described above, the ferroelectric substance of the FRAM cell capacitor is PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ), SBT (SrBi 2 Ta 2 O 9 ), BIT (Bi 4 Ti 3 O 12 Or the like, or an oxide obtained by substituting a part of them with a substitution element. BST ((Ba, Sr) TiO 2 is used as a high dielectric constant dielectric of a DRAM cell capacitor. 3 ) Etc. are used.
[0036]
These ferroelectric or high dielectric constant dielectric film formation methods include sputtering, laser ablation, CVD (Chemical Vapor Deposition), MOD (Metallo-Organic Decomposition) or spin coating such as sol-gel (Sol-gel) method, Furthermore, an LSMCD (Liquid Source Misted Chemical Deposition) method in which a mist MOD raw material is guided and deposited on a wafer by a carrier gas is known.
[0037]
Sputtering is an advantageous technique in terms of throughput because it is excellent in mass productivity as a film formation technique and two electrodes (metal or conductive oxide) sandwiching a dielectric are formed by the same sputtering technique.
[0038]
However, sputtering and laser ablation 2 , Ar, Ar / O 2 Therefore, it is inevitable that a gas component is taken into the film and formed into a complex oxide film (an oxide containing at least two kinds of metal elements). There is a problem that voids caused by the residual gas occur in the film), and a high-density oxide film cannot be formed.
[0039]
Actually, a sputtering gas such as Ar is detected from the film immediately after deposition. This is because gas molecules in the vicinity of the target are guided by the high energy of the plasma and enter the film, and are not a mechanism like diffusion. Easy to be driven in. Since the film immediately after deposition is an amorphous or low-density crystal film, this residual gas is dispersed and unnoticeable. It is left behind and becomes a clear gap.
[0040]
When this heat treatment is performed for a short time, large voids are generated not only at the grain boundaries and interfaces but also within the grains. Also in the film formation by CVD or LSMCD, since the carrier gas for introducing the raw material into the chamber is used, the carrier gas is taken into the film, resulting in the residual gas in the composite oxide film as in the case of sputtering. A void is produced.
[0041]
The size of such voids is determined when the film is crystallized or densified by annealing after film formation, but is particularly noticeable when annealing is rapid heat treatment with a high rate of temperature increase. . That is, in the crystallization annealing of the complex oxide film, rapid heat treatment is essential to minimize diffusion and evaporation, but there is a problem that a high-density film cannot be formed due to the above problems.
[0042]
However, in a ferroelectric film having a low film density, not only does the amount of polarization decrease and an operation margin cannot be obtained, but also it cannot be driven on the low voltage side, and short-circuiting easily occurs when the film is thinned. Furthermore, there is a problem that the characteristic change becomes large in the atmosphere in the subsequent process. For the same reason, if voids are generated in the electrode film and the density is lowered, there is a problem that the film resistance increases and the operation speed becomes slow.
[0043]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional ferroelectric memory has been difficult to prevent deterioration of the characteristics of the ferroelectric capacitor and to integrate the process.
[0044]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and in manufacturing a ferroelectric memory cell, manufacturing of a semiconductor device that prevents deterioration of the characteristics of the ferroelectric capacitor and enables process integration. It aims to provide a method.
[0045]
Another object of the present invention is to provide a dense and highly reliable strong when manufacturing an FRAM cell using a ferroelectric or a DRAM cell using a high dielectric constant dielectric as an insulating film of an information storage capacitor. A method of manufacturing a semiconductor device capable of forming a dielectric film or a high dielectric constant dielectric film is provided.
[0046]
[Means for Solving the Problems]
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes forming a capacitor using a dielectric film made of a complex oxide film containing at least two or more metal elements between a pair of electrodes, and further insulating the capacitor. When manufacturing a semiconductor device in which an oxide film and a wiring layer are laminated, the capacitor forming step includes a first electrode forming step of forming a first electrode, and the dielectric film on the first electrode. A dielectric film forming step to be formed; a second electrode forming step of forming a second electrode on the dielectric film; and between the first electrode forming step and the dielectric film forming step And said And a step of performing a rapid heat treatment at a heating rate of 10 ° C./second or more under a reduced pressure of 0.5 × 133.322 Pa or more and 500 × 133.322 Pa or less at any time after the second electrode formation step. And
[0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0048]
First, an FRAM according to an example of a semiconductor device to which the present invention is to be applied will be briefly described.
[0049]
FIG. 22 shows an equivalent circuit of a 1-transistor 1-capacitor ferroelectric memory cell. In FIG. 22, C is a ferroelectric capacitor, Q is a MOS transistor for charge transfer, WL is a word line connected to the gate of the MOS transistor, BL is a bit line connected to one end of the MOS transistor, PL is a plate line connected to one end (plate) of the capacitor, and VPL is a plate line voltage.
[0050]
FIG. 23 shows an equivalent circuit of a part of a ferroelectric memory having a ferroelectric memory cell array having a bit line folded configuration, for example.
[0051]
In FIG. 23, MC is a unit cell in which a ferroelectric capacitor C for information storage using a ferroelectric as an interelectrode insulating film and a MOS transistor (pass transistor) Q for charge transfer are connected in series. The unit cells MC are arranged in a matrix to form a memory cell array 90.
[0052]
WLi (i = 1, 2, 3,...) Is a plurality of word lines commonly connected to the gates of the transistors Q of the unit cells in the same row in the cell array 90.
[0053]
PLi (i = 1, 2, 3,...) Is a plurality of plate lines commonly connected to the plates of the capacitors C of the unit cells in the same row in the cell array 90.
[0054]
BLi (i = 1, 2, 3, 4...) Is a bit line commonly connected to one end of the transistors of the unit cells in the same column in the cell array 90.
[0055]
The word line selection circuit 81 selects a part of the plurality of word lines WLi based on an address signal and supplies a word line voltage.
[0056]
The capacitor plate line selection circuit 82 selects a part of the plurality of plate lines PLi based on the address signal and controls the voltage of the plate line PLi.
[0057]
On the other hand, as shown in FIG. 24 or FIG. 25, the two-transistor / two-capacitor ferroelectric memory cell using two memory cells of FIG. 22 includes the first transistor Q1 and the second transistor Q2, The first capacitor C1 and the second capacitor C2 are connected in series corresponding to the first transistor Q1 and the second transistor Q2, respectively.
[0058]
A first bit line BL1 and a second bit line / BL1 are connected to one end (drain) of each of the first transistor Q1 and the second transistor Q2, and a common word is connected to each gate. A line WL is connected, and a plate line PL is commonly connected to the plates of the first capacitor C1 and the second capacitor C2.
[0059]
The word line WL and the plate line PL are provided in parallel, a word line signal is supplied to the word line WL selected by a word line row decoder (not shown), and a plate line row decoder (see FIG. The plate line voltage VPL is supplied to the plate line PL selected by (not shown).
[0060]
Further, a sense amplifier (not shown) for bit line potential sense amplification, a write circuit (not shown) and a precharge circuit (not shown) are connected to the two bit lines BL1 and / BL1. Yes.
[0061]
Next, the principle of the data write operation and the data read operation of the ferroelectric memory cell having the two-transistor / two-capacitor configuration will be described with reference to FIGS.
[0062]
FIGS. 24A to 24C show the applied electric field and the electric polarization state of the ferroelectric capacitor during the write operation, and FIGS. 25A to 25C show the state of the ferroelectric capacitor during the read operation. The state of applied electric field and electric polarization is shown.
[0063]
FIG. 26 shows the potential applied to the plate line during a data write operation and a read operation. At the time of writing / reading data to / from the ferroelectric memory cell, the direction of the dielectric polarization is controlled by changing the potential of the plate line PL of the selected memory cell from 0V → 5V → 0V, for example.
[0064]
(A) In the data write operation, in the initial state, the plate line PL is set to the ground potential Vss (0 V), and the two bit lines BL1 and / BL1 are precharged to 0 V, respectively.
[0065]
First, as shown in FIG. 24A, one of the two bit lines BL1 and / BL1 (for example, the second bit line / BL1) is set to 5 V, for example, and 5 V is applied to the word line WL. When the two transistors Q1 and Q2 are turned on, a potential difference is generated between both ends of the second capacitor C2 to generate, for example, downward polarization in the figure, but no polarization of the first capacitor C1 occurs.
[0066]
Next, as shown in FIG. 24B, when the plate line PL is set to 5 V, a potential difference is generated between both ends of the first capacitor C1, and upward polarization occurs in the figure, but the second capacitor The polarization of C2 is not reversed. As a result, the two capacitors C1 and C2 are brought into a state in which polarizations in opposite directions occur as shown in the figure, and this state corresponds to a writing state of data “1” or “0”.
[0067]
Next, as shown in FIG. 24C, the plate line PL is set to 0V, the word line WL is set to 0V, and the two transistors Q1 and Q2 are turned off.
[0068]
(B) In the data read operation, in the initial state, the plate line PL is set to 0V, and the two bit lines BL1 and / BL1 are precharged to 0V, respectively. Here, it is assumed that data in a state where polarizations in opposite directions are generated is written in the two capacitors C1 and C2, for example, as shown in FIG.
[0069]
First, as shown in FIG. 25 (b), when the plate line PL is set to 5V, for example, 5V is applied to the word line WL to turn on the two transistors Q1 and Q2, the second capacitor C2 is turned on. Although a potential difference is generated between both ends and the polarization direction is reversed, the polarization direction of the first capacitor C1 is not reversed. The read potentials from the two capacitors C1 and C2 are sense-amplified by a sense amplifier, and the two bit lines BL1 and / BL1 are correspondingly set to 0V and 5V by the output of the sense amplifier. Based on the output, “1” and “0” of the read data are discriminated.
[0070]
Subsequently, as shown in FIG. 25 (c), when the plate line PL is set to 0V, a potential difference is generated between both ends of the second capacitor C2, the direction of polarization is reversed, and the polarization of the first capacitor C1 is reversed. The direction of is not reversed and returns to the initial state.
[0071]
Next, an embodiment in which the present invention is applied to the FRAM as described above will be described in detail. FIG. 1 to FIG. 3 show an example of a planar pattern of a part of a cell array in the order of the cell array manufacturing process for a large-capacity ferroelectric memory employing a ferroelectric memory cell according to the first embodiment of the present invention. Shown schematically.
[0072]
4 to 7 schematically show a part of a cross-sectional structure of the cell array in the order of manufacturing steps. Specifically, the cross-section includes an SDG region and a cell capacitor along the line AA in FIG. The structure is shown.
[0073]
First, the structure of the cell array will be described. In the structure shown in FIG. 7, the connection structure between the pass transistor and the upper electrode 19 of the ferroelectric capacitor and the structure of the upper electrode 19 are different from the conventional bit line pre-fabrication / upper electrode connection structure described above.
[0074]
Here, a unit cell is a configuration in which one MOS transistor (pass transistor) for charge transfer and one ferroelectric capacitor for information storage are connected in series, and the unit cells are arranged in a matrix. An FRAM having a 1-transistor 1-capacitor ferroelectric memory cell constituting a memory cell array will be described as an example. For simplicity of explanation, each word line is indicated by WL, each bit line is indicated by BL and each plate line is indicated by PL.
[0075]
In FIG. 7, reference numeral 1 denotes a first conductivity type (for example, p-type) semiconductor substrate (for example, a silicon substrate), and a plurality of element regions (activation regions) SDG are formed on the surface layer portion thereof as shown in FIG. Each is formed in a substantially linear shape in a direction orthogonal to the word line WL formation direction (a direction parallel to the bit line BL formation direction) and in a matrix arrangement in plan view, and is formed between the element regions SDG. An oxide film 2 for an element isolation region is formed.
[0076]
Here, the position of each element region SDG is shifted by the length (one pitch) of one element region SDG for each column, and each element region SDG has a checkered arrangement ( Zigzag arrangement with respect to the regular lattice).
[0077]
Each element region SDG has a first drain / channel / source region constituting the first MOS transistor formed in a straight line in a region on one end side from the central portion, and a region on the other end side from the central portion. The second drain / channel / source region constituting the second MOS transistor is formed in a straight line, and the central portion is a drain region D common to the first and second MOS transistors. .
[0078]
A gate electrode portion G is formed on the channel region of the MOS transistor via a gate oxide film 3, and the gate electrode portions G of a plurality of MOS transistors in the same row are continuously connected to form a word line WL. The lines WL are formed in parallel to each other.
[0079]
In this case, each word line WL (gate electrode portion G) has a two-layer structure of, for example, P-doped polysilicon 4 and WSi (tungsten silicide) 5 and is protected by the surface insulating film 6 and the sidewall insulating film 7. ing.
[0080]
Further, an interlayer insulating film 9 and a surface planarizing interlayer insulating film 10 are formed on the surface insulating film 6 and the side wall insulating film 7. On the interlayer insulating film 10, the formation direction of the word lines WL and the respective directions are formed. Bit line BL groups are formed in the orthogonal direction.
[0081]
In this case, a contact hole is opened in the interlayer insulating film 10 so as to correspond to the second conductivity type (n-type in this example) impurity diffusion region (drain region) D in each central portion of the element region SDG. A bit line BL made of a barrier metal film 11 and a conductive film 12 is formed on the interlayer insulating film 10 at a position slightly deviated from the contact hole, and each bit line BL is in the same column in the contact hole. The drain regions D of the plurality of element regions SDG are contacted.
[0082]
4 to 7, the bit line BL is indicated by a solid line only in the contact hole, and the interlayer insulating film 10 located behind the illustrated cross section is indicated by a dotted line.
[0083]
Further, a planarization interlayer insulating film 13 and a cap insulating film 16 are formed on the bit line BL group. A ferroelectric capacitor having a stack structure is formed on the cap insulating film 16 for each unit cell. (Lower electrode 17, ferroelectric insulating film 18, upper electrode 19) are formed, and further, insulating film 20 for protecting the capacitor and passivation film 23 are formed.
[0084]
In this case, the lower electrodes 17 of the plurality of ferroelectric capacitors in the same row cover the central portion of the SDG region including the corresponding MOS transistor or the upper portion of the adjacent inter-element isolation oxide film 2, and The capacitor plate lines PL are continuously formed in a direction parallel to the formation direction of the word lines WL group (that is, in a direction orthogonal to the bit lines BL).
[0085]
Further, the upper electrode 19 of the ferroelectric capacitor for each unit cell is formed in a square shape, for example, via the ferroelectric insulating film 18 on the corresponding lower electrode 17 region.
[0086]
The upper electrode 19 of the ferroelectric capacitor is connected to the second conductivity type (in this example, n-type) impurity diffusion region (source region) S at one end of the corresponding MOS transistor via the electrode wiring 22 for local connection. Connected.
[0087]
In this case, contact holes corresponding to the source regions S at both ends of the element region SDG are formed in the interlayer insulating film 13 for surface planarization, the interlayer insulating film 10 for surface planarization, the interlayer insulating film 9 and the like. A conductive plug (capacitor contact plug) 15 is embedded in the contact hole. A contact hole is formed in the cap insulating film 16 so as to correspond to the capacitor contact plug 15. The inside of the contact hole, the capacitor protective film insulating film 20, and the upper electrode 19 are formed. For example, an aluminum-based wiring is formed as the electrode wiring 22 for local connection.
[0088]
In this example, the capacitor contact plug 15 and the electrode wiring 22 have a structure having barrier metal films 14 and 21 on the base side, respectively, similarly to the bit line BL.
[0089]
At this time, in this example, the capacitor contact plug 15 and the electrode wiring 22 are made of different materials. Specifically, the material of the capacitor contact plug 15 is preferably a refractory metal, and the material of the electrode wiring 22 is preferably an aluminum wiring material, a copper wiring material, or a conductive polysilicon wiring material.
[0090]
The lower end surface of the electrode wiring 22 has a larger area than the upper end surface of the capacitor contact plug 15, and the upper end surface of the capacitor contact plug 15 and the surrounding interlayer insulating film (in this example, the interlayer insulating film 13). I'm in contact. This makes it possible to reduce the contact resistance between the electrode wiring 22 and the capacitor contact plug 15 and to secure a margin for mask alignment when opening a contact hole corresponding to the capacitor contact plug 15. . Next, the manufacturing method of the cell array will be described in the order of steps with reference to the plane pattern shown in FIGS. 1 to 3 and the cross-sectional views shown in FIGS.
[0091]
First, as shown in FIGS. 1 and 4, an array of cell MOS transistors is formed on a silicon substrate 1 by a process similar to the process of forming a normal CMOS DRAM cell.
[0092]
Here, 2 is an oxide film which forms an element isolation region selectively formed in the substrate surface layer portion, and D and S are impurity diffusions having a conductivity type opposite to that of the substrate selectively formed in the element formation region of the substrate surface layer portion. A drain / source region composed of layers, 3 is a gate oxide film for a MOS transistor formed on the substrate surface, and G is a gate electrode portion for a MOS transistor formed on the gate oxide film 3 (part of a word line WL). It is.
[0093]
Next, the interlayer insulating film 10 is formed on the substrate including the gate electrode portion G, and a contact hole is formed in a portion corresponding to the drain region D of the interlayer insulating film 10. Further, the barrier metal film 11 and the conductive film 12 are sequentially formed inside the contact hole and on the interlayer insulating film 10, and the conductive film 12 and the barrier metal film 11 on the interlayer insulating film 10 are patterned to form the bit line BL. To do.
[0094]
Next, an interlayer insulating film (for example, a BPSG film) 13 for planarization is deposited on the substrate including the bit line by about 800 nm, and then is planarized by polishing by about 200 nm by chemical mechanical polishing (CMP). .
[0095]
Next, as shown in FIG. 5, an opening area of, for example, 0.8 × 0.8 μm □ is formed in a portion corresponding to the source region S of the interlayer insulating film 13 and the interlayer insulating film 10 by the lithography process and the etching process. Contact holes for capacitor plugs are selectively formed. In this case, the total insulating film thickness of the interlayer insulating film 13 and the interlayer insulating film 10 is 1500 nm, and the aspect ratio of the opening is 1.9.
[0096]
Further, after depositing a barrier metal film (for example, TiN film) 14 nm on the inner surface of the contact hole, tungsten is deposited on the entire surface of the contact hole by, for example, a metal CVD apparatus to a thickness of about 1700 nm which is equal to or greater than the total insulating film thickness. Embedded.
[0097]
Thereafter, the tungsten film and the barrier metal film on the planarization interlayer insulating film 13 are removed by etching back, whereby the capacitor contact plug 15 is obtained as shown in FIG.
[0098]
When the capacitor contact plug 15 is embedded, the barrier metal film 14 is formed on the inner wall of the contact hole, so that it is possible to prevent diffusion from the contact plug 15 to the impurity diffusion layer for the source region S.
[0099]
Further, as shown in FIG. 5, after sufficiently flattening the surface of the interlayer insulating film 13 by CMP, a cap insulating film 16 is deposited to a thickness of 150 nm.
[0100]
Next, as shown in FIGS. 2 and 6, a conductive film for the capacitor lower electrode 17 (capacitor plate line PL) and a ferroelectric film 18 for the capacitor insulating film are sequentially formed on the cap insulating film 16. Further, after forming the capacitor upper electrode 19 and patterning the conductive film for the ferroelectric film 18 and the lower electrode 17 to form the ferroelectric capacitor, the capacitor protection insulating film 20 is formed.
[0101]
At this time, as the ferroelectric film 18, PZT (PbZr x Ti 1-x O 3 ), PLZT ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ), SBT (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) Etc. can be used. Further, as the capacitor lower electrode 17 and the capacitor upper electrode 19, Pt or the like (Pt, Ir, IrOx, IrO 2 , RuO 2 , Or a combination thereof).
[0102]
Next, portions corresponding to the capacitor protection insulating film 20 and cap insulating film 16 on the capacitor contact plug 15 are opened, and portions corresponding to the capacitor upper electrode 19 of the capacitor protecting insulating film 20 are opened. . In this case, an opening (16a in FIG. 2) larger than the upper end area of the capacitor contact plug 15 and an opening (19a in FIG. 2) smaller than the area of the capacitor upper electrode 19 are formed.
[0103]
As shown in FIGS. 3 and 7, as an electrode wiring material for connecting the capacitor contact plug 15 and the capacitor upper electrode 19, for example, a TiN film 21 for a barrier metal film and Si.Cu (silicon / copper). A conductive film such as an Al (aluminum) wiring containing a component is sequentially deposited by, for example, a high-frequency sputtering method, a metal CVD method, or a MOCVD method so as to cover the insulating film 20 for protecting the capacitor. Then, a passivation film 23 is deposited thereon.
[0104]
In forming the ferroelectric film 18, in order to crystallize the ferroelectric material after the deposition of the ferroelectric material and enhance the ferroelectric properties, the ferroelectric film 18 is usually used in a high-temperature oxygen atmosphere at about 750 ° C. for about 10 seconds. , Fast heat treatment.
[0105]
In addition, annealing is performed in a high-temperature oxygen atmosphere at 600 ° C. for about 30 minutes in order to recover the deterioration of the ferroelectric characteristics that occurs when capacitor patterning is performed in the process after the deposition of the ferroelectric material.
[0106]
In the treatment in the high temperature oxygen atmosphere, the cap insulating film 16 is used as a contact for forming the electrode wiring until the thermal treatment process of the ferroelectric material in forming the ferroelectric film 18 is completed. Since the hole is not opened, the capacitor contact plug material has a function of preventing oxidation.
[0107]
However, even when the capacitor contact plug 15 is covered with the cap insulating film 16, mild partial oxidation of the surface of the capacitor contact plug material is unavoidable due to annealing in a high-temperature oxygen atmosphere.
[0108]
Therefore, preferably, when the electrode wiring material is deposited on the capacitor contact plug 15, an additional step of etching the surface oxide film of the capacitor contact plug 15 is added to the capacitor contact plug 15 and the electrode wiring material. Stable connection becomes possible. Etching at this time can be performed by reverse sputtering by replacing the normal metal sputtering electrode.
[0109]
In general, the 450 ° C. sintering process using a mixed gas of hydrogen and nitrogen, which is performed to lower the contact resistance between the MOSFET active layer and the contact plug, deteriorates the characteristics of the ferroelectric capacitor in the conventional process example. It was impossible to use. On the other hand, according to the manufacturing method of the above embodiment, the capacitor contact plug 15 is formed before the formation of the ferroelectric capacitor, so that it is the same as the normal MOS type LSI before the formation of the ferroelectric capacitor. It is possible to employ the sintering step, and specifically, sintering at about 400 to 500 ° C. using hydrogen, nitrogen, or a mixed gas thereof can be performed. Thereby, there is an advantage that various device parameters such as the gate threshold value Vth and substrate potential of the MOSFET can be controlled in common.
[0110]
In the manufacturing method of the above embodiment, the same material as that of the electrode wiring is not used as the material of the capacitor contact plug 15, which has oxidation resistance, heat resistance, low contact resistance, and has a high aspect ratio. It is desirable to use a material that can be embedded, and it is desirable to use a refractory metal such as tungsten, molybdenum, titanium, or palladium.
[0111]
This is because, when a material that is easily oxidized, such as a polysilicon material or an aluminum-based material, is used as the capacitor contact plug 15, an oxygen capacitor is formed when the ferroelectric capacitor is formed after the capacitor contact plug 15 is buried. This is because the high temperature heat treatment in the atmosphere is also applied to the capacitor contact plug 15, and the capacitor contact plug 15 is oxidized to increase its parasitic resistance.
[0112]
In this example, TiN is used as an interlayer between the AlSiCu electrode wiring material and the tungsten contact plug material, but a Ti / TiN laminated film may be used. Further, the electrode wiring material is not limited to AlSiCu wiring, and aluminum-based or copper-based wiring materials or conductive polysilicon-based wiring materials can be used.
[0113]
In the manufacturing method of the above embodiment, in order to reduce the contact resistance between the capacitor contact plug and the electrode wiring material, the electrode wiring is larger than the area of the upper end surface of the capacitor contact plug at the contact surface. A connection structure with a wiring area is adopted.
[0114]
That is, in this example, the electrode wiring (AlSiCu / TiN) on the capacitor contact plug has a structure in which both the upper end surface of the contact plug (W) and the peripheral insulating film (interlayer insulating film 13 in this example) are in contact. Adopted.
[0115]
Note that the charge transfer pass transistor is not limited to a MOS transistor in which the gate insulating film is made of an oxide, and the gate insulating film is made of nitride, nitride oxide, or a laminated structure of oxide and nitride. An MIS transistor can be formed.
[0116]
Next, a ferroelectric capacitor using Pt or another electrode material (Ir, Ir oxide, Ru oxide, etc.) as the upper electrode material of the ferroelectric capacitor using the PZT material or SBT material as described above. A method for finely forming the upper electrode of 0.1 to the micron level will be described with reference to FIGS. This process can also be applied to the formation of other than ferroelectric capacitor electrodes.
[0117]
First, as shown in FIG. 8A, a lower electrode film 17a of a ferroelectric capacitor and a ferroelectric thin film 18a are sequentially deposited on the cap insulating film 16. In this case, Pt is formed at 175 nm as the lower electrode film 17a, and a PZT film is formed at 300 nm as the ferroelectric thin film 18a.
[0118]
Next, as shown in FIG. 8B, a 300 nm TEOS (tetraethoxysilane) oxide film 20a is deposited on the ferroelectric thin film 18a.
[0119]
Next, as shown in FIG. 8C, an opening corresponding to a desired upper electrode area is selectively formed in the TEOS oxide film 20a by using PEP (photo etching process).
[0120]
Next, as shown in FIG. 8D, a Pt film 19a for forming an upper electrode is deposited to a thickness greater than that of the TEOS oxide film 20a.
[0121]
Next, as shown in FIG. 8E, the Pt film 19a on the TEOS oxide film 20a is removed by etch back or CMP. Then, using a normal photolithography technique, a strip-like resist pattern is formed, and the TEOS oxide film 20a / ferroelectric thin film 18a / lower electrode film 17a are formed by anisotropic etching using the resist pattern as a mask. Sequential patterning is performed.
[0122]
As a result, a desired strip-shaped ferroelectric thin film 18 and lower electrode 17 are obtained. At this time, the TEOS oxide film 20a, the ferroelectric thin film 18a, and the lower electrode film 17a are sequentially etched using the same mask pattern, so that the TEOS oxide film 20a, the ferroelectric thin film 18, and the lower electrode film 17 are self-aligned. Are formed in substantially the same planar shape.
[0123]
Next, as shown in FIG. 8F, the processing damage due to anisotropic etching at the pattern edges of the ferroelectric thin film 18 and the lower electrode 17 is alleviated, and the electrical withstand voltage of the ferroelectric thin film 18 is reduced. In order to suppress the decrease and the like, the capacitor protection insulating film 20 is formed so as to cover the surfaces of the TEOS oxide film 20a, the upper electrode 19, the ferroelectric thin film 18, and the lower electrode 17. As the capacitor protection insulating film 20, for example, SiO obtained by decomposition of TEOS by plasma CVD is used. 2 Film or SiO by thermal oxidation method 2 A film is formed.
[0124]
Then, an opening smaller than the area of the upper electrode 19 is provided in a portion corresponding to the upper electrode 19 of the capacitor protection insulating film 20, and then the electrode wiring 22 and the final protection passivation film 23 as described above are formed. .
[0125]
As described above, in the manufacturing method of the above embodiment, when forming a ferroelectric memory cell, a ferroelectric capacitor is formed after embedding the contact plug layer on the one end side region of the pass transistor, and the capacitor upper electrode and It is possible to form an electrode wiring for connecting the upper end portion of the contact plug, for example, by sputtering.
[0126]
As a result, the wiring film deposition process in a reducing atmosphere using a metal CVD apparatus or MOCVD apparatus after the formation of the ferroelectric memory cell can be avoided, and the electrical characteristics such as the residual polarization amount of the capacitor are deteriorated. Can be prevented.
[0127]
Also, since the capacitor upper electrode 19 is embedded in the opening of the insulating film 20a, the area of the capacitor upper electrode 19 can be reduced, the area of the unit cell can be reduced, and the FRAM can be highly integrated. Become.
[0128]
In the first embodiment, the capacitor contact plug is formed in one step. However, the capacitor contact plug may be formed in two stages, and a sectional view of the manufacturing method of such a modification example. Is shown in FIG. 9 and FIG.
[0129]
That is, as shown in FIGS. 9 and 10, the first capacitor contact plugs 11a and 12a are formed simultaneously with the formation of the bit lines BL (11 and 12), and the insulating layer 13 formed thereon is formed on the insulating layer 13 formed thereon. Second capacitor contact plugs 14 and 15 are formed so as to be connected to the upper end surfaces of first capacitor contact plugs 11a and 12a.
[0130]
By adopting such a structure, it is possible to reduce the aspect ratio of each contact hole when the contact plug layer is embedded, so that the contact hole can be easily embedded.
[0131]
The semiconductor device thus formed includes a MIS transistor having a drain region and a source region formed of an impurity diffusion region formed in a surface layer portion of a semiconductor substrate, and a first substrate formed on the semiconductor substrate including the MIS transistor. An insulating film is connected to one of the drain region and the source region via a bit line contact plug embedded in the first insulating film, and is formed on the first insulating film. A bit line, a first capacitor contact plug embedded in the first insulating film and having a lower end in contact with the other of the drain region and the source region, and a semiconductor substrate including the bit line A second insulating film formed on the first insulating film and embedded in the second insulating film; A second capacitor contact plug in contact with each other, a ferroelectric capacitor formed on the second insulating film and having a lower electrode, an interelectrode insulating film using a ferroelectric material, and an upper electrode, and the second capacitor And an electrode wiring for connecting between the upper end of the capacitor contact plug and the ferroelectric capacitor.
[0132]
In the first embodiment, the contact plug portion of the bit line BL (11, 12) and the capacitor contact plugs 14, 15 (first capacitor contact plugs 11a, 12a, second capacitor contact plug 14, 9 and 10), the upper opening width may be formed so as to have a reverse-tapered side surface wider than the opening width of the bottom surface.
[0133]
As a result, even if the distance between the word lines is reduced as the cell size is reduced, the distance between the word lines and the lower part of the contact plug is ensured as desired and the contact hole opening area (contact area with the electrode wiring) is desired. As a result, it is easy to secure the street, and the process margin can be increased.
[0134]
Next, FIG. 11 and FIG. 12 schematically show a part of a cross-sectional structure in the order of manufacturing steps of the FRAM cell and other elements in the large-capacity FRAM having the array of FRAM cells according to the second embodiment of the present invention. Is shown.
[0135]
FIG. 13 schematically shows an example of a planar pattern of a part of an array of FRAM cells according to the second embodiment.
[0136]
The manufacturing process shown in FIGS. 11 and 12 includes at least one of Al, AlCu, AlCuSi, and Cu in order to fill a via hole for connecting a second layer wiring (bit line or other wiring) in a two-layer wiring structure. It is characteristic that two materials (aluminum in this example) are reflowed. Here, the same parts as those in the manufacturing process shown in FIGS. 4 to 7 are denoted by the same reference numerals.
[0137]
11 and 12, a switching MOS transistor 31 for a memory cell and another MOS transistor 32 for an embedded device other than the memory cell are formed on a semiconductor substrate 1.
[0138]
In the first insulating layer 10 covering each of the transistors and having a flattened surface (that is, a flat base step), the drain region D and the source region S of the switching transistor 31 are connected. A bit line contact plug 33, a capacitor contact plug 34, and a contact plug 35 connected to the gate of another MOS transistor 32 for the embedded device are embedded.
[0139]
The second insulating layer 20 covering the substrate including the lower electrode 17, the ferroelectric film 18 and the upper electrode 19 formed in order on the surface of the first insulating layer 10 includes a bit line contact plug 33, a capacitor A hole is selectively formed above the contact plug 34, the mixed device contact plug 35, and the upper electrode 19. Then, a bit line buried plug connection wiring (bit line connection contact pattern) 36 connected to the bit line contact plug 33 through the hole portion, a capacitor contact plug 34 and an upper electrode lead-out wiring connected to the upper electrode 19 (Capacitor electrode wiring) 22 and a first layer wiring 37 connected to a contact plug 35 for a mixed device are formed.
[0140]
The upper electrode lead-out wiring 22 and the bit line embedded plug connection wiring 36 have at least one material of Al, AlCuSi, AlCu, W metal, TiN metal, and Ti metal. It is formed of the same wiring layer. A metal layer 11 ′ made of any one of W metal, TiN metal, and Ti metal is selectively formed on the upper surface side of the upper electrode lead-out wiring 22, the bit line embedded plug connection wiring 36, and the first layer wiring 37. These can be formed by sputtering or CVD that does not damage the ferroelectric film 18.
[0141]
In the third insulating layer 30 covering the upper surface of the substrate including the wirings and having a flat surface, via holes are selectively formed above the bit line embedded plug connection wirings 36 and the first layer wirings 37. Is formed. Then, at least one material (aluminum in this example) of Al, AlCu, AlCuSi, Cu is reflowed so as to fill the via hole, and is connected to the bit line buried plug connection wiring 36 through the via hole portion. A second layer wiring 38 connected to the first layer wiring 37 through the bit line BL and the via hole portion is formed. Further, a passivation film 39 is formed, and a hole is opened in the pad portion.
[0142]
A memory cell having an information storage capacitor and a switching transistor using a ferroelectric film made of a material having a perovskite or layered perovskite structure as described above, and a ferroelectric memory having a multilayer wiring structure of at least two layers or more In manufacturing, a step of reflowing at least one material (aluminum in this example) of Al, AlCu, AlCuSi, and Cu is used in order to fill the via hole in the multilayer wiring structure in the bit line forming step.
[0143]
At this time, when the underlying wiring is Al-based during Al reflow, the Al-based wiring may be melted and voids may occur depending on the temperature during sputter deposition. For this reason, as the base directly contacting with the via metal, after depositing any one of W metal, TiN metal, and Ti metal layer by sputtering or CVD method, the metal is selectively placed directly under the region to be the via portion of the multilayer wiring. Layer 11 'is formed and used as a melt void prevention film.
[0144]
Next, it demonstrates in detail in order of a process, referring sectional drawing and a plane pattern which are shown in FIG. 11 thru | or FIG.
[0145]
First, as shown in FIG. 11, a memory cell transistor 31 and a transistor 32 for another device are formed on the silicon substrate 1 by a process similar to a process for forming a normal CMOS DRAM cell.
[0146]
Here, 2 is an element isolation region selectively formed in the substrate surface layer portion, and D and S are drains made of impurity diffusion layers having a conductivity type opposite to that of the substrate selectively formed in the element formation region of the substrate surface layer portion. A source region 3 is a gate oxide film for a MOS transistor formed on the substrate surface, and G is a gate electrode portion (a part of the word line WL) for the MOS transistor formed on the gate oxide film 3.
[0147]
The element isolation region 2 may adopt an arbitrary structure such as a LOCOS film (selective oxide film) or STI (Shallow Trench Isolation).
[0148]
Next, a first interlayer insulating film (for example, a BPSG film) 10 for planarization is deposited on the substrate including the gate electrode portion G, and then the surface is planarized by CMP.
[0149]
Next, contact holes are selectively formed in the first interlayer insulating film 10. Specifically, a bit line contact hole is formed in a portion corresponding to the drain region D, and a capacitor plug contact hole and other wiring contact holes are formed in a portion corresponding to the source region S.
[0150]
Further, after depositing a barrier metal film (Ti, TiN) 11 on the inside of the contact hole and on the first interlayer insulating film 10 using a sputtering method, a W film is deposited using a CVD method, and the contact hole is formed. Contact plugs 33, 34, and 35 are formed inside.
[0151]
Next, etch back or CMP is performed to expose the surface of the first interlayer insulating film 10. Here, as in the first embodiment, if the contact plug is formed in a reverse taper shape, the process margin can be increased.
[0152]
Next, as shown in FIG. 12, Pt / Ti / TiN is sputter-deposited on the first interlayer insulating film 10 including the contact plugs as a conductive film for the capacitor lower electrode 17 (capacitor plate line PL). To do. Further, a PZT film is formed as the ferroelectric film 18 for the capacitor insulating film. Further, Pt is formed as the capacitor upper electrode 19. Then, using RIE, the capacitor upper electrode 19, the ferroelectric film 18, and the lower electrode 17 are patterned in this order to form a ferroelectric capacitor. At this time, if the ferroelectric film 18 is damaged, it can be recovered by heat treatment in an oxygen atmosphere at 500 to 600 ° C.
[0153]
Next, a second interlayer insulating film 20 is formed by plasma CVD, and contact holes for connection to the contact plugs 33, 34, 35 and the upper electrode 19 are formed by chemical dry etching (CDE) and RIE. To do.
[0154]
Then, Al and W are sequentially deposited by using the sputtering method to form the capacitor electrode wiring 22 for connecting the capacitor contact plug 34 and the capacitor upper electrode 19, and at the same time, the bit line connecting contact pattern 36 and the memory cell. First-layer wirings 37 for other mixed devices are formed.
[0155]
Further, after forming the third interlayer insulating film 30 and planarizing the surface by CMP, the first layer of the embedded device other than the via hole and the memory cell for connecting to the bit line connecting contact pattern 36. A via hole for connecting to the wiring 37 is formed, and the inside of the via hole is formed by a high-frequency magnetron sputtering method (Al reflow method in which Al is melted at a high temperature and the via hole is embedded in a migration manner) in an Ar atmosphere at a substrate temperature of 400 to 470 ° C. After the second wiring layer is deposited so as to be embedded, the second wiring layer is patterned to form the bit line BL and the second layer wiring 38 for the embedded device.
[0156]
As a result, the bit line BL is connected to the drain region D of the switching MOS transistor 31 of the memory cell via the via hole portion / bit line connecting contact pattern 36 and the bit line contact plug 33, and for the embedded device. The second layer wiring 38 is connected to the embedded device MOS transistor 32 other than the memory cell through the first layer wiring 37.
[0157]
The second layer wiring 38 may be patterned using the film deposited by Al reflow as it is, but the Al-based metal other than the via portion is polished, removed and planarized by metal CMP, and then the second layer wiring 38 again. A metal to be the layer wiring 38 may be deposited and patterned.
[0158]
Thereafter, in the case of a semiconductor integrated circuit having a two-layer wiring structure, a top passivation insulating film 39 is deposited and a pad portion is opened. In the case of a semiconductor integrated circuit having a wiring structure of three layers or four layers or more, after forming the interlayer insulating film 30 as described above, a wiring layer is deposited by Al reflow method, and a patterning process is repeated as many times as necessary. A top passivation insulating film 39 is deposited later, and the pad portion is opened.
[0159]
In the present embodiment, a part of the first wiring layer when the first layer wiring 37 is formed may be used as the pad portion.
[0160]
Further, FIG. 12 shows a case where holes are selectively opened above the bit line contact plug 33 in the third interlayer insulating film 30 and the bit line is brought into contact with the bit line connection contact pattern 36. Although shown, the bit line can be contacted at a position different from that by appropriately routing the bit line connection contact pattern 36 on the first insulating layer 10. Therefore, the process margin can be increased, which is particularly advantageous in improving the degree of freedom in designing the cell array. In exactly the same manner, the first layer wiring 37 of the mixed device other than the memory cell can be routed on the first insulating layer 10.
[0161]
A cell array having a structure (FCOB: Ferro Capacitor On Bit-line) in which the bit line BL is arranged below the ferroelectric capacitor as shown in FIG. 7 improves the degree of freedom in designing the memory cell portion. As a result, the insulating film thickness increases by the amount of the interlayer insulating film 13 formed on the bit line, and a structure that is disadvantageous for a mixed device other than a memory is forced.
[0162]
On the other hand, when the bit line BL is arranged on the upper layer side of the ferroelectric capacitor as shown in FIGS. 11 and 12, and the bit line BL is formed of the second wiring layer, the memory cell portion This greatly increases the degree of freedom in design, and this makes it possible to reduce the cell area.
[0163]
Here, description will be made with reference to the plane pattern shown in FIG.
[0164]
In the structure shown in FIG. 13, the bit line BL is formed with a constant width in the direction perpendicular to the word line WL above the word line WL as compared with the structure of FIGS. 1 to 3 described above. Since the arrangement, width, contact portion, and the like are the same and the others are the same, the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3 are assigned and detailed description thereof is omitted.
[0165]
That is, in FIG. 13, reference numeral 41 denotes a contact portion in which the bit line BL is connected to the bit line connection contact pattern (36 in FIG. 12), and reference numeral 42 denotes a stacked capacitor formed for each unit cell. Electrode wiring for local connection (see FIG. 12) formed in the intermediate layer between the word line WL and the bit line BL with respect to the upper electrode (19 in FIG. 12) and the capacitor contact plug (34 in FIG. 12). 12) of 12 is a contact part to which the connection is made. PL is a capacitor plate line formed so that the lower electrode (17 in FIG. 12) of the capacitor is continuous.
[0166]
That is, if a structure in which the bit line is arranged on the upper layer side of the ferroelectric capacitor as shown in FIGS. 11 and 12 is adopted, a cell array can be formed as shown in FIG. 13, and the FCOB structure is formed. As compared with the above, since the width of the bit line BL can be increased and the resistance of the bit line can be lowered, this is extremely advantageous in terms of memory operation.
[0167]
Therefore, when the FRAM memory and another LSI are mixedly mounted, it is more advantageous to form the bit line BL below the ferroelectric capacitor or after the second wiring layer rather than the FCOB structure in which the bit line BL is wired to the first layer.
[0168]
Furthermore, for comparison with the present invention, a case where via filling by Ti (sputter) / TiN (sputter) / W (CVD) is used instead of via filling by Al reflow in the second embodiment of the present invention. About (comparative example), the influence which it has on the polarization amount of the ferroelectric film of the ferroelectric capacitor by the difference in a process was investigated.
[0169]
As a result, the polarization amount of the ferroelectric film of the ferroelectric capacitor obtained by the second embodiment is 30 μC / cm. 2 In contrast, in the comparative example, the amount of polarization is about 3 μC / cm. 2 It deteriorated severely.
[0170]
In the FRAM device, the polarization amount of the ferroelectric is directly effective for the sense margin, and the larger value leads to the improvement of the reliability. Therefore, the superiority of the second embodiment is clear.
[0171]
Further, FIG. 14 schematically shows a part of a cross-sectional structure (including an SDG region and a cell capacitor) in a large-capacity FRAM having an array of FRAM cells according to a third embodiment of the present invention.
[0172]
The structure of the FRAM cell shown in FIG. 14 is basically substantially the same as that of the FRAM cell described above with reference to FIG. 12, but the first SiO 2 layer is formed on the first interlayer insulating film 10. 2 The ferroelectric capacitor is formed through the film 51, and the second SiO is formed on the ferroelectric capacitor. 2 The difference is that the film 52 is formed.
[0173]
Compared with the manufacturing process described above with reference to FIGS. 11 and 12, the manufacturing process of the FRAM cell shown in FIG. 14 is (1) after the surface of the first interlayer insulating film 10 is exposed by etch back. The first SiO 2 is deposited on the entire surface by sputtering. 2 (2) After forming the ferroelectric capacitor as described above, the second SiO 2 is deposited on the entire surface by sputtering. 2 The point that a film 52 is deposited to a thickness of about 100 nm is added. (3) Second SiO 2 When the second interlayer insulating film 13 is deposited on the film 52 and a hole is selectively opened in the second interlayer insulating film 13, the lower second SiO 2 film is formed. 2 Film 52 or second SiO 2 Film 52 / first SiO 2 The film 51 also differs in that holes are opened.
[0174]
SiO formed by sputtering as described above 2 The films 51 and 52 do not contain a hydrogen group and are difficult to pass a hydrogen group. That is, in the subsequent process, even if the hydrogen group reaches the vicinity of the ferroelectric capacitor, it does not reach the ferroelectric capacitor directly, so that deterioration of the ferroelectric characteristics (polarization amount) is minimized. can do.
[0175]
FIG. 15 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. The present embodiment provides a manufacturing method suitable for a semiconductor device in which an FRAM cell array and a logic circuit are mounted together.
[0176]
The manufacturing method of this embodiment is characterized in that contact plugs from the first layer wiring in the two-layer wiring structure to the semiconductor substrate or the gate electrode of the transistor are formed in two portions. That is, in the contact plug of this embodiment, the lower layer portion is first formed before the ferroelectric capacitor of the FRAM cell is formed, and then the remaining upper layer portion is formed after the ferroelectric capacitor is formed.
[0177]
By adopting such a contact plug formation method, the ratio of the depth to the contact hole opening diameter (aspect ratio) can be reduced, and the processing and filling of the contact hole is facilitated. This advantage is advantageous when mixed mounting with a logic product in which patterns are arranged using very strict rules in processing.
[0178]
The process in the first half of this example is the same as that in FIG. 11 described in the second embodiment. That is, on the semiconductor substrate 1, the MOS transistor 31 for switching the memory cell and the other MOS transistor 32 for the embedded device other than the memory cell are formed.
[0179]
A first bit line contact plug 33 and a first capacitor contact plug 34 connected to the drain / source region of the switching transistor 31 are provided in the flattened first interlayer insulating film 10 covering these transistors. A first contact plug 35 connected to the source or drain region or the gate electrode of another transistor 32 for a mixed device is embedded.
[0180]
Further, as shown in FIG. 15, a thin silicon nitride film layer 121 and a thin silicon oxide film layer 122 are formed on the surface of the first interlayer insulating film 10, and the lower electrode 17 and the ferroelectric film are further formed thereon. 18 and upper electrode 19 are sequentially formed to form a ferroelectric capacitor. This capacitor is covered with a second interlayer insulating film 13 whose surface is flattened. Further, a second bit line contact plug 133 and a second capacitor contact plug are formed inside the second interlayer insulating film 13. 134 and the second contact plug 135 connected to the other transistor 32 for the embedded device is embedded.
[0181]
Further, on the surface of the second interlayer insulating film 13, upper electrode lead-out wirings, bit line embedded plug connection wirings, and first wiring layers of first layer wirings 22, 36, and 37 for embedded devices are formed. .
[0182]
A bit line embedded plug connection wiring 36 and a first layer wiring 37 are formed on the third interlayer insulating film 30 formed on the second interlayer insulating film 13 so as to cover the first wiring layer and having a planarized surface. A via hole is formed directly above the top. This via hole is filled with at least one material of Al, AlCu, AlSiCu, and Cu. Further, second wiring layers 38 and BL are formed on the surface of the third interlayer insulating film 30, and a passivation film 39 is formed thereon.
[0183]
Next, the manufacturing method of this embodiment is demonstrated in order of a process. As described above, the first half of the process is the same as that of the second embodiment (FIG. 11). First, like a normal CMOS type DRAM, a memory cell transistor 31 and another device transistor 32 are formed on a silicon substrate 1. That is, the gate and diffusion layer region of the transistor are formed, and the first interlayer insulating film 10 and the contact hole are formed.
[0184]
Subsequently, a contact plug is embedded in this contact hole. As described above, in this embodiment, the contact plugs from the first wiring layer to the substrate surface are formed in two steps, but the first stage (lower layer portion) contact plugs are formed up to the stage shown in FIG. Complete.
[0185]
Next, as shown in FIG. 15, a thin silicon nitride film layer 121 is formed on the first interlayer insulating film 10 by LPCVD. This silicon nitride film layer 121 has a role of preventing oxidation of the contact plug material (for example, W) due to annealing in an oxygen atmosphere, which will be performed later in the formation process of the ferroelectric capacitor, and also preventing variation in transistor characteristics due to annealing. . Subsequently, a thin silicon oxide film layer 122 is formed on the silicon nitride film layer 121 by LPCVD, plasma CVD, or atmospheric pressure CVD.
[0186]
Next, TiN, Ti, and Pt are sequentially sputtered on the silicon oxide film layer 122 as a conductive film for the capacitor lower electrode 17. A PZT film is formed thereon as the ferroelectric film 18 for the capacitor insulating film. Further thereon, Pt is sputtered as the capacitor upper electrode 19.
[0187]
Subsequently, the upper electrode 19, the capacitor insulating film 18, and the lower electrode 17 are patterned in this order by RIE to form a ferroelectric capacitor. At this time, if the ferroelectric film 18 is damaged and has changed from its original characteristics, it can be recovered by annealing in an oxygen atmosphere at about 500 ° C.
[0188]
Next, a second interlayer insulating film 13 is formed by plasma CVD, and its surface is flattened by CMP or the like. Subsequently, contact holes for connecting the contact plugs 33, 34, 35 to the first wiring layer to be formed later are formed. At this time, a contact hole (not shown) for connecting the capacitor lower electrode 17 and the first wiring layer is simultaneously formed.
[0189]
Next, after a TiN film 111 is formed on the entire surface as a barrier layer by sputtering, Al is deposited by sputtering so as to fill the contact hole and reflowed at a temperature of about 400 ° C. Subsequently, the TiN film and Al other than the inside of the contact hole are removed by CMP or an etch back method. Thus far, both the lower layer portion and the upper layer portion of the contact plug are formed, and the characteristic structure of this embodiment is completed.
[0190]
Next, a contact hole is formed on the capacitor upper electrode 19 by RIE. This contact hole can be formed at the same time as the above contact hole and can be filled with Al or the like. However, in this embodiment, the contact hole is not formed at the same time and is formed separately after the previous contact hole is formed. The reason for this is that the aspect ratio of the contact hole to the upper electrode 19 is smaller than that of the other contact holes, so there is less need for embedding, and the condition for embedding is greatly different for contact holes with greatly different aspect ratios. For example, it is expected that simultaneous embedding is difficult, and further, it is desirable to prevent damage at the time of embedding from reaching the ferroelectric capacitor as much as possible.
[0191]
Next, Ti, TiN, AlCu, and TiN are sequentially deposited on the entire surface by sputtering to form a first wiring layer. By processing this by RIE, the capacitor wiring 22 that connects the capacitor contact plug 134 and the upper electrode 19, the bit line embedded plug connection wiring 36, and the first layer connection wiring 37 for the embedded device are formed. Here, the uppermost TiN of the first wiring layer functions as an antireflection film for preventing reflection of light from Al when forming a resist pattern for lithography.
[0192]
Subsequently, a third interlayer insulating film 30 is formed and the surface thereof is planarized by CMP, and then a via hole for connecting the first wiring layer described above and a second wiring layer described later is opened. Further, the via hole is filled with Al by using the same Al reflow technique as in the case of the contact hole formed in the second interlayer insulating film 13, and then Ti, TiN, and Al are sputtered in order to obtain the second wiring. Form a layer. The second wiring layer is processed by RIE to form the second layer wiring 38, the bit line BL, and the like.
[0193]
Thereafter, in the case of a device having a two-layer wiring structure, a top passivation film 39 is deposited and a pad portion is selectively opened. In the case of a device having a multi-layer wiring structure, a wiring layer and an insulating layer are formed by repeating the above-described method, and finally a top passivation film 39 is deposited, and a pad portion is selectively opened.
[0194]
FIG. 16 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. The present embodiment provides another structure suitable for a semiconductor device in which an FRAM cell array, a logic circuit, and the like are mixedly mounted, and a manufacturing method thereof. Basically, it is similar to that of the third embodiment. The same parts as those in FIG.
[0195]
The process in the first half of the present example is almost the same as FIG. 11 described in the second embodiment. That is, on the semiconductor substrate 1, a switching transistor 31 of a memory cell, another transistor 32 for an embedded device other than the memory cell, and an STI
An element isolation oxide film 2 is formed by (shallow trench isolation).
[0196]
A silicon oxide film layer 10 is deposited so as to cover these transistors, and the surface is flattened using a CMP method. On top of that, Si x N y A film 121 is deposited by LPCVD, for example, 150 nm (FIG. 16). This Si x N y The film 121 reduces damage to the transistor (threshold fluctuation) due to oxygen annealing during the formation of the ferroelectric capacitor.
[0197]
Next, contact holes to the source region S and drain region D of the transistor are formed by RIE. Ti and TiN are sequentially deposited as the barrier layer 11 by sputtering, and then W is buried as contact plugs 33, 34, and 35 by the CVD method. Further, Ti, TiN, and W on the insulating film 10 are removed using, for example, a CMP method.
[0198]
Next, a silicon oxide film layer (SiO 2 ) 122 is deposited to 100 nm. A Pt layer 17, a PZT layer 18, and a Pt layer 19 constituting a ferroelectric capacitor are sequentially deposited thereon by sputtering. These layers are heat-treated in oxygen, and the PZT layer is crystallized to form a perovskite structure. These layers are then processed by RIE into the shape of the capacitor.
[0199]
Next, a silicon oxide film 13 is deposited on the entire surface by plasma CVD, and an opening is formed above the contact plugs 33, 34, and 35 and above the upper electrode 19 of the capacitor. Thereafter, Ti and TiN to be the barrier layer 111, Al to be the wiring layers 22, 36 and 37, and W to be the metal layer 11 ′ are sequentially deposited on the entire surface by sputtering and processed by RIE to wire between the capacitor and the contact plug 34. In addition, a first wiring layer including a contact plug extraction electrode and the like is formed.
[0200]
Next, a silicon oxide film layer 30 is deposited on the entire surface by plasma CVD. An opening is formed in the silicon oxide film layer 30 immediately above the contact plugs 33 and 35, and a portion corresponding to 36 in the first wiring layer is exposed. Subsequently, Ti and TiN serving as the barrier layer 112 and Al serving as the wiring 38 are sequentially deposited by sputtering. Thereafter, Al is reflowed by a heat treatment at about 400 ° C., and the opening having a high aspect ratio formed in the silicon oxide film 30 is buried. At this time, the reason why the W is not buried by the CVD method is to eliminate damage to the ferroelectric capacitor due to hydrogen. If Al reflow is used, hydrogen is not generated and damage to the ferroelectric capacitor can be avoided.
[0201]
Subsequently, the Ti, TiN, and Al layers are processed by RIE to form a second wiring layer. Thereafter, a silicon oxide film 39 is deposited by the CVD method to complete the semiconductor structure shown in FIG.
[0202]
FIG. 17 is a sectional view of a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. The present embodiment provides still another structure suitable for a semiconductor device in which an FRAM cell array, a logic circuit, and the like are mixedly mounted, and a manufacturing method thereof. Basically, it is similar to the fourth embodiment, and the same parts as those in FIG.
[0203]
The process up to the step of forming the silicon oxide film 122 is performed in the same manner as in the fifth embodiment. Subsequently, a Pt layer 17, a PZT layer 18, and a Pt layer 19 constituting a ferroelectric capacitor are sequentially deposited on the entire surface by sputtering. These layers are heat-treated in oxygen, and the PZT layer is crystallized to form a perovskite structure. These layers are then processed by RIE into the shape of the capacitor.
[0204]
Next, a silicon oxide film 13 is deposited on the entire surface by plasma CVD, and openings are formed above the contact plugs 33, 34, and 35. Thereafter, Ti and TiN to be the barrier layer 111 and Al to be the wiring layers 22, 36 and 37 are sequentially deposited on the entire surface by sputtering, and Al is reflowed by heat treatment at about 400 ° C. to fill the opening. Thereafter, a W metal layer 11 ′ serving as a barrier is deposited using a CVD method. These Ti, TiN, Al, and W layers are processed by RIE to form a first wiring layer including via contacts with contact plugs 33, 34, 35, and the like. The feature of this embodiment is that the opening (via hole) formed in the silicon oxide film layer 13 is filled with reflowed Al. Here, as in the second embodiment, TiN metal or Ti metal can be used for the metal layer 11 ′.
[0205]
Next, a silicon oxide film layer 30 is deposited on the entire surface by plasma CVD. An opening is formed in the silicon oxide film layer 30 immediately above the drain region D of the transistor, and the corresponding W metal layer 11 ′ on the first wiring layers 36 and 37 is exposed. Subsequently, similarly to the fifth embodiment, Ti and TiN serving as the barrier layer 111 and Al serving as the wiring 38 are sequentially deposited by sputtering. Thereafter, Al is reflowed by a heat treatment at about 400 ° C., and an opening (via hole) formed in the silicon oxide film 30 with a high aspect ratio is buried. Note that the W metal layer 11 ′ formed on the first wiring layer functions to prevent dissolution of Al in the first wiring layer when reflowing Al in the second wiring layer.
[0206]
Subsequently, the Ti, TiN, and Al layers are processed by RIE to form a second wiring layer. Thereafter, a silicon oxide film 39 is deposited by the CVD method to complete the semiconductor structure shown in FIG.
[0207]
FIG. 18 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention. The present embodiment provides still another structure suitable for a semiconductor device in which an FRAM cell array, a logic circuit, and the like are mixedly mounted, and a manufacturing method thereof. The structure of this embodiment is basically similar to that of the third embodiment, and the same parts as those in FIG.
[0208]
The process in the first half of the present example is almost the same as FIG. 11 described in the second embodiment. That is, on the semiconductor substrate 1, a switching transistor 31 of a memory cell, another transistor 32 for a mixed device other than the memory cell, and an element isolation oxide film 2 by STI are formed.
[0209]
A silicon oxide film layer 10 is deposited so as to cover these transistors, and the surface is flattened using a CMP method. On top of that, Si x N y A film 121 is deposited by LPCVD, for example, 150 nm (FIG. 18). This Si x N y The film 121 reduces damage to the transistor (threshold fluctuation) due to oxygen annealing during the formation of the ferroelectric capacitor.
[0210]
Next, a silicon oxide film layer (SiO 2 ) 122 is deposited to 100 nm. A Pt layer 17, a PZT layer 18, and a Pt layer 19 constituting a ferroelectric capacitor are sequentially deposited thereon by sputtering. These layers are heat-treated in oxygen, and the PZT layer is crystallized to form a perovskite structure. These layers are then processed by RIE into the shape of the capacitor.
[0211]
Next, a silicon oxide film 13 is deposited on the entire surface by plasma CVD, and contact holes to the source region S and drain region D of the transistor are formed by RIE. Ti and TiN as the barrier layer 11 and Al as the wirings 22, 36 and 37 are sequentially deposited by sputtering, Al is reflowed by a heat treatment at about 400 ° C., and the contact hole is buried. Subsequently, a W metal layer 11 ′ as a barrier layer is deposited by CVD. These Ti, TiN, Al, and W layers are processed by RIE to form a first wiring layer that includes contacts with the source region S and drain region D of the transistor. The feature of this embodiment is that an opening (contact hole) formed through the insulating layers 10, 121, 122, and 13 is filled with reflowed Al.
[0212]
Next, a silicon oxide film layer 30 is deposited on the entire surface by a plasma CVD method and planarized by CMP. An opening is formed in the silicon oxide film layer 30 immediately above the drain region D of the transistor, and the corresponding W metal layer 11 ′ on the first wiring layers 36 and 37 is exposed. Subsequently, similarly to the fifth embodiment, Ti and TiN to be the barrier layer 112 and Al to be the wiring 38 are sequentially deposited by sputtering. Thereafter, Al is reflowed by a heat treatment at about 400 ° C., and the opening having a high aspect ratio formed in the silicon oxide film 30 is buried. The W metal layer 11 ′ formed on the first wiring layer functions to prevent dissolution of Al in the first wiring layer when reflowing Al in the second wiring layer. Similarly to the sixth embodiment, TiN or Ti can be used.
[0213]
Subsequently, the Ti, TiN, and Al layers are processed by RIE to form a second wiring layer. Thereafter, a silicon oxide film 39 is deposited by the CVD method to complete the semiconductor structure shown in FIG.
[0214]
Next, as an eighth embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, for example, a ferroelectric film and an electrode film of a charge storage capacitor of an FRAM cell as shown in FIG. 19 or as shown in FIG. A plurality of embodiments will be described with respect to steps for realizing high density and high reliability of the high dielectric constant dielectric film and the electrode film of the charge storage capacitor of the DRAM cell.
[0215]
That is, a capacitor using a dielectric film made of a complex oxide film containing at least two or more metal elements is formed between a pair of electrodes, and an insulating oxide film and a wiring layer are further stacked on the capacitor. When manufacturing a semiconductor device
(A) The capacitor forming step includes a step of forming a first electrode, a step of forming a dielectric film, and RTA under a reduced pressure of 0.5 Torr (= 0.5 × 133.322 Pa) to 500 Torr. A step of performing a treatment (Rapid Thermal Anneal) and a step of forming a second electrode thereafter.
[0216]
(B) The capacitor forming step includes a step of forming a first electrode, a step of forming a dielectric film, a step of forming a second electrode, and a reduced pressure of 0.5 Torr to 500 Torr thereafter. And performing a RTA process below.
[0217]
(C) The capacitor forming step includes a step of forming a first electrode, a step of performing an RTA treatment under a reduced pressure of 0.5 Torr or more and 500 Torr or less, a step of forming a dielectric film, Forming a second electrode.
[0218]
(D) In any of the steps (a) to (c), a composite oxide film containing at least two kinds of metal elements is formed on the first electrode by sputtering, CVD (Chemical Vapor Deposition; It is formed by a chemical vapor deposition method or an LSMCD (Liquid Source Misted Chemical Deposition) method.
[0219]
(E) In any of the steps (a) to (c), the RTA treatment under reduced pressure is performed under an oxygen partial pressure of 0.5 Torr to 500 Torr.
[0220]
(F) In any of the steps (a) to (c), the RTA treatment under reduced pressure is performed under an ozone partial pressure of 0.5 Torr to 500 Torr.
[0221]
(G) In any of the steps (a) to (c), the RTA treatment is performed in an atmosphere having an ozone partial pressure ratio of 1% or more.
[0222]
Here, the RTA treatment refers to a heat treatment at a temperature increase rate of 10 ° C./second or more. This heat treatment rate significantly increases the crystallinity of the film. In particular, a lead-based dielectric film such as PZT can avoid generation of a low-permittivity pyrochlore phase and is an advantageous method for crystallization. However, the heat treatment by RTA has a problem that since the temperature rise rate is fast, crystallization proceeds with insufficient volatilization of the intake gas.
[0223]
In the dielectric film forming method according to the eighth embodiment, since the RTA treatment is performed under a reduced pressure of 0.5 Torr or more and 500 Torr or less, the residue taken into the deposition film even in a short crystallization process. Crystallization can proceed while eliminating gas, and a dielectric film with good crystallinity can be formed at a high density. When the dielectric film is crystallized, the electrode film is also crystallized at the same time. However, the trapped gas in the electrode film can also be eliminated by this heat treatment, and the resistance value of the electrode film can be lowered.
[0224]
RTA treatment proceeds with crystallization, but if the oxygen supply is insufficient, the dielectric film may become a semiconductor. In particular, Pb-based dielectric films such as PZT, barium titanate films, and the like are easily converted into semiconductors, and the film resistance is significantly reduced.
[0225]
As heat treatment in such a case, it is desirable to perform annealing under reduced pressure under an oxygen partial pressure of 0.5 Torr or more and 500 Torr or less. IrO 2 And RuO 2 , ITO, SnO 2 If the supply of oxygen is insufficient, the resistance of the film will change drastically in the subsequent process and the characteristics will become unstable. Annealing is effective.
[0226]
Furthermore, if annealing under reduced pressure is performed under an ozone partial pressure of 0.5 Torr or more and 500 Torr or less, the leakage current of the film can be reduced, which is particularly important for forming a capacitor in a memory such as a DRAM that requires a refresh operation. Yes, power consumption can be saved.
[0227]
These RTA treatments under reduced pressure are particularly performed in the step of forming a dielectric film made of a complex oxide film containing at least two or more metal elements on the first electrode, by sputtering, CVD, or This is particularly effective when the LSMCD method is adopted. This is because when the film is formed by these film forming methods, the influence of the intake gas is inevitable.
[0228]
On the other hand, it is possible to apply a sol-gel method or a MOD method to the dielectric film forming method according to the eighth embodiment of the present invention. Since the amount of volatilization is large, if the heat treatment is performed under reduced pressure from the beginning, the surface of the film may become rough. Therefore, in these cases, it is desirable to perform a heat treatment at a temperature of 350 ° C. or higher in advance under atmospheric pressure and then perform an RTA treatment under reduced pressure as described above.
[0229]
Next, a method and effect of ozone annealing will be described. An ozone / oxygen mixed gas generated using an ozone generator is introduced into a heat treatment section heated to 100 to 400 ° C. For example, an ozone / oxygen mixed gas is introduced while the back surface of the wafer is heated to 300 ° C., and 100 mW / cm is introduced into the heat treatment portion. 2 Of low pressure mercury light for 30 to 200 minutes. Mercury light has an effective wavelength of 320 nm or less.
[0230]
In this case, if heat treatment is performed in a mixed gas atmosphere having an ozone partial pressure ratio of 1% or more, oxygen vacancies existing during film formation are reduced, and leakage current can be reduced. Furthermore, if a heat treatment in oxygen at 600 ° C. or higher is added thereafter, variations in the wafer surface can be reduced, which is more effective.
[0231]
(Example 1)
FIG. 19 shows a cross-sectional structure of an FRAM cell having a capacitor formed by the manufacturing method according to the eighth embodiment of the present invention.
[0232]
19, the inter-element isolation insulating film 2 is formed on the semiconductor substrate 1 by LOCOS, and then the diffusion layer for the source S / drain D region, the gate insulating film 3, and the gate electrode portion G are formed. Thus, the MOS transistor 70 is formed. After this, using the CVD method, SiO 2 An interlayer insulating film 71 made of is deposited.
[0233]
Next, the information storage capacitor 72 of the memory cell is formed. First, a lower electrode film made of Ti / Pt is formed on the interlayer insulating film 71 by continuous DC sputtering in 2.5 mTorr Ar.
[0234]
Next, a PZT film having a thickness of 180 nm, 210 nm, or 240 nm is formed by RF (radio frequency) sputtering in 2.5 mTorr of Ar. Thereafter, the first RTA treatment is performed at a heating rate of 100 ° C./second in oxygen at 10 Torr at 800 ° C. for 10 seconds, and then a Pt film as an upper electrode film is formed on the PZT film by DC sputtering, and then diffusion The second annealing is performed slowly at 600 ° C. using a furnace.
[0235]
Next, the laminated lower electrode film, PZT film, and upper electrode film are etched by RIE and patterned into a desired shape, whereby the capacitor 72 composed of the lower electrode 17, the dielectric film 18, and the upper electrode 19 is formed. Form. Here, in order to remove etching damage, a third annealing was slowly performed at 600 ° C. using a diffusion furnace.
[0236]
Next, an insulating film 73 is deposited by the CVD method so as to cover the capacitor 72, and one of the source S / drain D diffusion layers of the MOS transistor 70 and the upper electrode 19 and the lower electrode 17 of the capacitor 72 are formed by RIE. After the contact hole to be exposed was formed by etching, a fourth annealing was slowly performed at 600 ° C. using a diffusion furnace.
[0237]
Next, an internal wiring 74a for connecting one of the source S / drain D diffusion layers of the MOS transistor 70 and the upper electrode 19 and an internal wiring 74b serving as an extraction electrode from the lower electrode 17 are formed, and the entire element is formed. Then, a passivation film 75 is deposited. Thereafter, a contact hole is formed in the passivation film 75 by RIE, and an aluminum wiring 77 is formed through the barrier layer 76. The gate electrode portion G of the MOS transistor 70 is used as a word line, and the internal wiring 74b, the barrier layer 76, and the aluminum wiring 77 are used as plate lines.
[0238]
Here, of the four annealings described above, the first is a heat treatment for crystallization of the dielectric film, and the second is the interface state between the ferroelectric film 18 and the upper electrode 19 and the lower electrode 17 and the ferroelectric. The heat treatment is performed in the same manner as that of the body film 18, and the third and fourth times are for recovering the process damage.
[0239]
The above example is referred to as Example 1, and examples corresponding to three types of PZT films having thicknesses of 180, 210, and 240 nm are referred to as Examples 1-1, 1-2, and 1-3, respectively.
[0240]
Examples in which the following steps are changed are referred to as Examples 2 to 6, and those in which the dielectric film thickness is changed are referred to as Examples n-1, n-2, and n-3 from the thin ones. The comparative example was formed in the same manner.
[0241]
(Example 2)
The semiconductor device of Example 2 was formed by forming the information storage capacitor 72 of Example 1 as follows. First, a lower electrode film made of Ti / Pt is formed on the interlayer insulating film 71 by continuous DC sputtering in 2.5 mTorr Ar. Next, the PZT film was formed at a substrate temperature of 500 ° C. and Ar / O 2 It is formed by RF sputtering in an atmosphere. After the Pt film was formed on the PZT film by DC sputtering, the first RTA annealing was performed at 800 ° C. for 10 seconds in oxygen at a temperature rising rate of 100 ° C./second and 10 Torr.
[0242]
(Example 3)
The semiconductor device of Example 3 was formed by forming the information storage capacitor 72 of Example 1 as follows. First, a lower electrode film made of Ti / Pt is formed on the interlayer insulating film 71 by continuous DC sputtering in 2.5 mTorr Ar. The first RTA annealing is performed at a heating rate of 100 ° C./second in oxygen at 10 Torr at 800 ° C. for 10 seconds, and then a PZT film is formed by RF sputtering in Ar at a substrate temperature of 500 ° C. and 2.5 mTorr. Thereafter, after a Pt film is formed on the PZT film by DC sputtering, the second annealing is performed slowly at 600 ° C. using a diffusion furnace.
[0243]
(Example 4)
The semiconductor device of Example 4 was formed by forming the information storage capacitor 72 of Example 1 as follows. First, Ir resinate is spin-coated on the interlayer insulating film 71 and heat-treated at 800 ° C. in an atmosphere of 760 Torr. 2 The lower electrode film is formed. Next, the SBT film is formed using the LSMCD method in which the organic metal compound mixed raw material is atomized and deposited on the rotating substrate. Subsequently, after heat treatment at 450 ° C. in an atmosphere of 760 Torr in advance, RTA annealing was performed at a temperature increase rate of 50 ° C./second and 800 ° C. for 10 seconds in 500 Torr oxygen. Thereafter, again, Ir resinate is spin-coated on the SBT film, and heat-treated at 800 ° C. in the atmosphere of 760 Torr. 2 The upper electrode film is formed.
[0244]
(Example 5)
The semiconductor device of Example 5 was formed by forming the information storage capacitor 72 of Example 4 as follows. First, Ir resinate is spin-coated on the interlayer insulating film 71 and heat-treated at 800 ° C. in an atmosphere of 760 Torr. 2 The lower electrode film is formed. Next, the SBT film is formed using the LSMCD method in which the organic metal compound mixed raw material is atomized and deposited on the rotating substrate. Subsequently, after heat treatment at 450 ° C. in an atmosphere of 760 Torr in advance, RTA annealing was performed at 800 ° C. for 10 seconds in a mixed atmosphere of 5% Torr ozone 10% and oxygen 90% at a temperature rising rate of 80 ° C./second. . Thereafter, again, Ir resinate is spin-coated on the SBT film, and heat-treated at 800 ° C. in the atmosphere of 760 Torr. 2 The upper electrode film is formed.
[0245]
(Example 6)
The semiconductor device of Example 6 was formed by forming the information storage capacitor 72 of Example 1 as follows. First, a lower electrode film made of Ti / Pt is formed on the interlayer insulating film 71 by continuous DC sputtering in 2.5 mTorr Ar. A PZT film is then formed by RF sputtering in 2.5 mTorr Ar. The first RTA annealing is performed at a heating rate of 100 ° C./second in oxygen at 10 Torr at 800 ° C. for 10 seconds, and after that, a Pt film is formed on the PZT film by DC sputtering, and then the second annealing is performed this time. Is slowly performed at 550 ° C. in a mixed atmosphere of ozone 10% and oxygen 90%.
[0246]
(Comparative Example 1)
The information storage capacitor of Example 1 was formed as follows to form the semiconductor device of Comparative Example 1. First, a lower electrode film made of Ti / Pt is formed on the interlayer insulating film by continuous DC sputtering in 2.5 mTorr Ar. A PZT film is then formed by RF sputtering in 2.5 mTorr Ar. The first RTA annealing is performed at a heating rate of 100 ° C./second in oxygen at 760 Torr at 800 ° C. for 10 seconds, and then a Pt film is formed on the PZT film by DC sputtering. Slowly at 600 ° C.
[0247]
(Comparative Example 2)
The information storage capacitor of Example 4 was formed as follows to form the semiconductor device of Comparative Example 2. First, Ir resinate is spin-coated on the interlayer insulating film, and heat-treated at 800 ° C. in an atmosphere of 760 Torr. 2 The lower electrode film is formed. Next, a PZT film having a thickness of 180 nm is formed using the LSMCD method in which the organometallic compound mixed raw material is deposited in the form of a mist on a rotating substrate. Subsequently, after heat treatment at 450 ° C. in an atmosphere of 760 Torr, RTA annealing was performed at 800 ° C. for 10 seconds in oxygen at 760 Torr and a temperature increase rate of 50 ° C./second. Thereafter, again, Ir resinate is spin-coated on the PZT film, and heat-treated at 800 ° C. in the atmosphere of 760 Torr. 2 The upper electrode film is formed.
[0248]
(Evaluation of Examples and Comparative Examples)
FIG. 20 shows the relationship between the film thickness (dielectric thickness) t and the reciprocal of the capacitance C (1 / C) by measuring the capacitance of the capacitors in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2. ing.
[0249]
The following relationship holds between the capacitance C, the dielectric constant ε of the dielectric, and the dielectric thickness t.
[0250]
C = εo × ε × S / t
Where εo is the dielectric constant of vacuum and S is the electrode area. If you rewrite this,
1 / C = k × (1 / ε) × t
However, k is a constant of 1 / (εo × S). In the actual graph,
1 / C = k × (1 / ε) × t + n
When n = 1 / C ′, a circuit in which capacitors for C ′ are connected in series is expected.
[0251]
In the example according to the eighth embodiment of the present invention, the capacitor component corresponding to the C ′ is small, and therefore, an extra low dielectric constant layer does not exist at the interface with the electrode, and it corresponds to thinning. It can be seen that a dielectric film is formed.
[0252]
On the other hand, in the comparative example, the capacitor component corresponding to C ′ is large, so that sufficient capacitance cannot be obtained, and it is not possible to cope with thinning. In order to drive the device at a low voltage, it is necessary to use it in a region where the dielectric is sufficiently saturated, that is, to make a thin film and to apply a sufficiently large electric field. Then, it cannot respond to thin film formation.
[0253]
When the cross sections of the dielectric portions of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were examined with a transmission electron microscope, a large gap corresponding to a film thickness of 1/10 to 1/5 was found at the dielectric and electrode interface of the comparative example. Although many were seen, in the Example, it was few, and it turned out that this space | gap made a part of film | membrane low density, and became the cause of the low dielectric constant layer.
[0254]
In addition, the operating speed characteristics and fatigue characteristics of each element were examined. In Example 3, the highest operating speed was achieved, and no defective bits were generated even when the write time was shortened to 140 ns. In other embodiments, if it was not set to 150 ns or more, a defective bit was generated in the reliability test. In the fourth and fifth embodiments, the number of rewrites is 10 12 More than once, but in other embodiments 10 10 Bad bits appeared from the first time. 10 7 In Examples 5 and 6, no defective bit was produced when the imprint characteristics were examined after being left for a long time after the fatigue test.
[0255]
(Other examples)
In the step of forming a trench type DRAM cell shown in FIG. 21, an element isolation region 81, a source S / drain D region of a MOS transistor for a transfer gate of a memory cell, and a capacitor 82 having a trench structure of the memory cell are formed on a semiconductor substrate 80. To do. When the capacitor 82 is formed, Ru of the lower electrode 83 is formed by DC sputtering, and then the BST film 84 is deposited to a thickness of 100 nm at a substrate temperature of 450 ° C. by a CVD method using an organometallic compound as a raw material source and an Ar carrier gas. Obtained as a membrane. After this, N 2 RTA annealing was performed at 600 ° C. in a partial pressure of 450 Torr, and Ru of the upper electrode 85 was formed by DC sputtering to obtain a three-dimensional laminated structure. After that, SiO 2 The insulating film 86 and the word lines WL and bit lines BL were formed to form a DRAM structure. In this case, a dense BST dielectric film having a dielectric constant of 250 was obtained.
[0256]
Next, an example in which the above-described FRAM is applied to an RF-ID system is shown.
[0257]
The RF-ID system is a non-contact type tag system (identifier) using radio waves, and is generally called a non-contact data carrier system. The system configuration is shown in FIG.
[0258]
The RF-ID system is composed of a host side composed of a personal computer, a controller, an antenna, and the like, and a data carrier called a transponder. The transponder has a simple configuration including a monolithic RF-ID chip in which FRAM and ASIC are integrated into one chip, and an antenna serving both for power reception and data reception / transmission.
[0259]
From the host side, commands and data are transmitted on a carrier wave as necessary. On the transponder side, necessary power is generated by the carrier wave, and information is returned to the host side for data writing, reading, and transmission. .
[0260]
The non-contact type tag does not require a battery, and can be used for management such as entry / exit of a person by reading the content stored in the FRAM in a non-contact manner using radio waves and rewriting the content. For example, a ticket gate with a non-contact tag for a commuter pass in the pocket of clothes, a non-contact tag attached to a car and running so that it is not necessary to stop at the toll gate on the highway. It is aimed at applications such as monitoring and managing parking lot entry and exit without human intervention. It can also be used to manage the behavior of livestock and migratory fish.
[0261]
FIG. 28 shows the details of the internal circuit of the transponder.
[0262]
That is, an LC circuit that detects an electromagnetic wave input from the outside, a circuit 58 that generates a signal from the electromagnetic wave detected by the LC circuit, a circuit 59 that generates a power supply voltage from the electromagnetic wave detected by the LC circuit, and a rise of the power supply voltage A plurality of memory cells including a power-on circuit 60 that detects a power-on signal and outputs a power-on signal, a ferroelectric capacitor having a ferroelectric substance between electrodes, and a MOS transistor for charge transfer; For example, the MOS transistors of the memory cells belonging to the same row are commonly connected by the same word line, and one electrode of the ferroelectric capacitor of the memory cell belonging to the same row is commonly connected by the same capacitor plate line, respectively. FRA formed by commonly connecting one terminal of MOS transistors of memory cells belonging to the same bit line through the same bit line It consists of the cell array 61 and the like.
[0263]
The present invention is not limited to the FRAM as described above, but a ferroelectric memory that is used in a small amount for a logic program storage unit in a logic LSI mounted with an FPGA (Field Programmable Gate Array) or a static RAM. It is also possible to apply to a cell formation method.
[0264]
The present invention is not limited to the case where the ferroelectric memory cell is formed on the semiconductor substrate as described above, but also when the ferroelectric memory cell is formed on the semiconductor layer on the insulating substrate such as SOI. It is possible to apply.
[0265]
Furthermore, the charge transfer switching transistor is not limited to a MOS transistor whose gate insulating film is made of an oxide, and the gate insulating film is made of nitride, nitride oxide, or a laminated structure of oxide and nitride. A MIS transistor can also be formed.
[0266]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, when a ferroelectric memory cell is formed, a ferroelectric capacitor is formed after embedding a contact plug layer on one end side region of the pass transistor. Since the upper electrode and the upper end of the contact plug are connected by electrode wiring, the influence of processing in a reducing atmosphere after the formation of the ferroelectric capacitor can be avoided, and the ferroelectric capacitor can be easily formed. it can.
[0267]
In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, it is possible to realize fine processing of the capacitor upper electrode (Pt or the like), and further miniaturization of the pattern of the ferroelectric memory cell.
[0268]
Therefore, according to the semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the reliability of the electrode wiring for connecting the capacitor upper electrode and the upper end of the contact plug is high, and the ferroelectric capacitor is miniaturized. Has a possible structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a planar pattern of a part of a cell array in a cell array manufacturing process for a large capacity FRAM employing a ferroelectric memory cell according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a diagram showing a part of a planar pattern in a process following the process of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing a part of a planar pattern in a process following the process of FIG. 2;
4 is a diagram showing a part of a cross section in an example of a manufacturing process of the cell shown in FIGS. 1 to 3; FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a part of a cross section in a step that follows the step of FIG. 5;
6 is a diagram showing a part of a cross section in a step following the step of FIG. 5. FIG.
7 is a diagram showing a part of a cross section in a step following the step of FIG. 6;
8 is a cross-sectional view showing a part of the cross section in detail by taking out part of the process in FIG. 7;
FIG. 9 is a diagram showing a part of a cross section for a manufacturing method of a modified example of the cell shown in FIGS. 4 to 8;
10 is a diagram showing a part of a cross section of a manufacturing method of a modified example of the cell shown in FIGS. 4 to 8; FIG.
FIG. 11 is a diagram showing a part of a cross section in an example of a cell array manufacturing process for a large-capacity FRAM that employs an FRAM cell according to a second embodiment of the present invention;
12 is a view showing a part of a cross section in a step following the step of FIG. 11;
13 is a view showing a part of a planar pattern of an FRAM including the FRAM cell shown in FIGS. 11 and 12. FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the structure of an FRAM cell according to a third embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of an FRAM cell according to a fourth embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing the structure of an FRAM cell according to a fifth embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing the structure of an FRAM cell according to a sixth embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing the structure of an FRAM cell according to a seventh embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 19 is a sectional view showing the structure of an FRAM cell according to an eighth embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 20 is a graph showing capacitor characteristics of examples and comparative examples according to the eighth embodiment.
FIG. 21 is a sectional view showing the structure of a DRAM cell according to an eighth embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 22 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a ferroelectric memory cell having a one-transistor / one-capacitor configuration.
23 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a part of the array of ferroelectric memory cells of FIG. 22 and its peripheral circuit.
24 shows the applied electric field and the electric polarization state of the ferroelectric capacitor in order to explain the principle of the write operation of the two-transistor / two-capacitor ferroelectric memory cell using two memory cells of FIG. Figure.
FIG. 25 shows the applied electric field and electric polarization state of a ferroelectric capacitor in order to explain the principle of read operation of a two-transistor / two-capacitor ferroelectric memory cell using two memory cells of FIG. Figure.
26 is a waveform diagram showing an example of a voltage waveform applied to the plate line PL during the write operation shown in FIG. 24 and the read operation shown in FIG. 25;
FIG. 27 is a diagram showing an overall system configuration of an RF-ID system.
FIG. 28 is a diagram showing details of an internal circuit of the transponder.
[Explanation of symbols]
1 ... Semiconductor substrate,
2 ... Inter-element isolation oxide film,
3 ... Gate oxide film,
4 ... P-doped polysilicon,
5 ... WSi,
6, 7 ... Insulating film for protecting the gate electrode,
9, 10 ... insulating film,
11 ... barrier metal film,
13 ... Insulating film for planarization,
14 ... barrier metal film,
15: Capacitor contact plug,
16 ... Insulating film for cap,
17 ... lower electrode,
18 ... Ferroelectric thin film,
19 ... Upper electrode,
16a, 19a ... openings for electrode wiring connection,
20a: insulating film for embedding the upper electrode,
20 ... Insulating film for protecting the capacitor,
21 ... Barrier metal film,
22 ... electrode wiring,
23 ... Passivation film,
SDG ... active region,
D: Impurity diffusion layer (drain region),
G: Gate electrode part,
S: Impurity diffusion layer (source region),
BL ... bit line,
WL ... word line,
PL ... Plate wire

Claims (4)

一対の電極間に少なくとも2種以上の金属元素を含有する複合酸化物膜からなる誘電体膜を用いたキャパシタを形成し、前記キャパシタ上にさらに絶縁性酸化膜と配線層を積層してなる半導体装置を製造する際、
前記キャパシタの形成工程は、
第1の電極を形成する第1電極形成工程と、
前記第1の電極上に前記誘電体膜を形成する誘電体膜形成工程と、
前記誘電体膜上に第2の電極を形成する第2電極形成工程と、
前記第1電極形成工程と誘電体膜形成工程との間と前記第2電極形成工程の後のいずれかで0.5×133.322Pa以上500×133.322Pa以下の減圧下で昇温速度10℃/秒以上の急熱処理を行なう工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A semiconductor formed by forming a capacitor using a dielectric film made of a complex oxide film containing at least two or more metal elements between a pair of electrodes, and further laminating an insulating oxide film and a wiring layer on the capacitor When manufacturing equipment
The capacitor forming step includes:
A first electrode forming step of forming a first electrode;
A dielectric film forming step of forming the dielectric film on the first electrode;
A second electrode forming step of forming a second electrode on the dielectric film;
The first electrode forming step and a dielectric film forming step between the heating rate under a reduced pressure below 0.5 × 133.322 Pa or 500 × 133.322 Pa either after the second electrode forming step of 10 A step of performing a rapid heat treatment of at least ° C / second;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記減圧下の急熱処理を、0.5×133.322Pa以上500×133.322Pa以下の酸素分圧下あるいはオゾン分圧下またはオゾン分圧比1%以上の雰囲気中で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The rapid heat treatment under reduced pressure is performed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.5 × 133.322 Pa or more and 500 × 133.322 Pa or less, an ozone partial pressure, or an ozone partial pressure ratio of 1% or more. Production method.
請求項1または2記載の半導体装置の製造方法において、前記誘電体膜が強誘電体膜であって、前記キャパシタは、FRAMのメモリセルの電荷蓄積用キャパシタであることを特徴とする半導体装置の製造方法。  3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the dielectric film is a ferroelectric film, and the capacitor is a charge storage capacitor of a memory cell of an FRAM. Production method. 請求項1または2記載の半導体装置の製造方法において、前記誘電体膜が高誘電率誘電体膜であって、前記キャパシタは、DRAMのメモリセルの電荷蓄積用キャパシタであることを特徴とする半導体装置の製造方法。  3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the dielectric film is a high dielectric constant dielectric film, and the capacitor is a charge storage capacitor of a DRAM memory cell. Device manufacturing method.
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