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JP2009302304A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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JP2009302304A
JP2009302304A JP2008155311A JP2008155311A JP2009302304A JP 2009302304 A JP2009302304 A JP 2009302304A JP 2008155311 A JP2008155311 A JP 2008155311A JP 2008155311 A JP2008155311 A JP 2008155311A JP 2009302304 A JP2009302304 A JP 2009302304A
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Abstract

【課題】強誘電体キャパシタを備えた半導体装置の製造方法において、半導体装置の信頼性を向上させること。
【解決手段】半導体基板30の上方に絶縁膜47を形成する工程と、絶縁膜47の上に第1の導電膜48を形成する工程と、第1の導電膜48の上に、結晶化した第1の強誘電体膜49を形成する工程と、第1の強誘電体膜49に対して第1のアニールを行う工程と、第1のアニールの後、半導体基板30を大気に曝さないように第1の強誘電体膜49の上に非晶質の第2の強誘電体膜50を形成する工程と、第2の強誘電体膜50の上に第2の導電膜51を形成する工程と、第2の導電膜51を形成した後、第2の強誘電体膜50をアニールして結晶化する工程と、第1の導電膜48、第1の強誘電体膜49、第2の強誘電体膜50、及び第2の導電膜51をパターニングして強誘電体キャパシタQを形成する工程とを有する半導体装置の製造方法による。
【選択図】図25
In a method of manufacturing a semiconductor device provided with a ferroelectric capacitor, the reliability of the semiconductor device is improved.
A step of forming an insulating film over a semiconductor substrate, a step of forming a first conductive film on the insulating film, and crystallization on the first conductive film. The step of forming the first ferroelectric film 49, the step of performing the first annealing on the first ferroelectric film 49, and the first annealing so that the semiconductor substrate 30 is not exposed to the atmosphere. A step of forming an amorphous second ferroelectric film 50 on the first ferroelectric film 49, and a second conductive film 51 on the second ferroelectric film 50. After forming the second conductive film 51, annealing the second ferroelectric film 50 to crystallize, the first conductive film 48, the first ferroelectric film 49, the second Manufacturing a ferroelectric device having a step of patterning the ferroelectric film 50 and the second conductive film 51 to form a ferroelectric capacitor Q. It depends on the manufacturing method.
[Selection] Figure 25

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

近年、デジタル技術の進展に伴い、携帯電話等の電子機器に対して大容量のデータを高速に処理して保存する要求が高まっている。データを保存する不揮発性メモリとしては、DRAM(Dynamic Random Access Memory)やFeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)等が知られている。   In recent years, with the advancement of digital technology, there is an increasing demand for electronic devices such as mobile phones to process and store large volumes of data at high speed. Known nonvolatile memories for storing data include DRAM (Dynamic Random Access Memory) and FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory).

このうち、FeRAMは、キャパシタ誘電体膜として強誘電体膜が形成された強誘電体キャパシタを備えており、その強誘電体膜の自発分極を利用して情報を記憶するものであって、DRAMと比較して動作電圧が低く、高速動作が可能である点で有利である。   Among these, the FeRAM has a ferroelectric capacitor in which a ferroelectric film is formed as a capacitor dielectric film, and stores information by utilizing the spontaneous polarization of the ferroelectric film. This is advantageous in that the operating voltage is low compared to the above, and high-speed operation is possible.

そのFeRAMにおいても動作電圧の更なる低電圧化が求められる。低電圧化を実現するには、キャパシタ誘電体膜を薄膜化して強誘電体キャパシタの分極反転電圧を低くする方法がある。   The FeRAM is also required to have a lower operating voltage. In order to realize a low voltage, there is a method of reducing the polarization inversion voltage of the ferroelectric capacitor by thinning the capacitor dielectric film.

但し、単にキャパシタ誘電体膜を薄膜化し、現状と同じ大きさの電圧を強誘電体キャパシタに印加したのでは、キャパシタ誘電体膜に印加される電界の強さが現状よりも大きくなり、キャパシタ誘電体膜におけるリーク電流が増大するおそれがある。   However, if the capacitor dielectric film is simply thinned and a voltage of the same magnitude as the current state is applied to the ferroelectric capacitor, the strength of the electric field applied to the capacitor dielectric film will be greater than the current state, and the capacitor dielectric There is a possibility that the leakage current in the body membrane increases.

キャパシタ誘電体膜で発生するリーク電流の原因は、主にキャパシタ誘電体膜中の結晶粒界に存在する空隙であると考えられる。キャパシタ誘電体膜の上に上部電極を形成する際、この空隙に上部電極の材料が埋め込まれ、キャパシタ誘電体膜中にリークパスが形成されると考えられる。   It is considered that the cause of the leakage current generated in the capacitor dielectric film is mainly a void existing at a crystal grain boundary in the capacitor dielectric film. When the upper electrode is formed on the capacitor dielectric film, it is considered that the material of the upper electrode is buried in the gap and a leak path is formed in the capacitor dielectric film.

したがって、このような空隙の大きさを小さくすることで、上部電極の材料が空隙中に入り込み難くなり、キャパシタ誘電体膜のリーク電流が低減されることになる。   Therefore, by reducing the size of such a gap, it becomes difficult for the material of the upper electrode to enter the gap, and the leakage current of the capacitor dielectric film is reduced.

この点に鑑み、結晶化した第1の強誘電体膜と非晶質の第2の強誘電体膜とをこの順に形成し、これらの積層膜をキャパシタ誘電体膜とする方法が提案されている(特許文献1)。この方法では、第2の強誘電体膜の上に上部電極用の導電膜を形成した後、非晶質の第2の強誘電体膜に対して結晶化アニールを行うことにより、第2の強誘電体膜を結晶化している。   In view of this point, a method has been proposed in which a crystallized first ferroelectric film and an amorphous second ferroelectric film are formed in this order, and the laminated film is used as a capacitor dielectric film. (Patent Document 1). In this method, after forming a conductive film for the upper electrode on the second ferroelectric film, crystallization annealing is performed on the amorphous second ferroelectric film, thereby obtaining the second The ferroelectric film is crystallized.

これによれば、第1の強誘電体膜中の空隙が第2の強誘電体膜によって埋め込まれるため、第1の強誘電体膜の空隙が原因で発生するリーク電流を低減できる。しかも、第2の強誘電体膜は、上部電極用の導電膜を形成する際には非晶質であるから、その導電膜の材料が第2の強誘電体膜に入り込み難く、第2の強誘電体膜におけるリーク電流も低減できる。   According to this, since the gap in the first ferroelectric film is filled with the second ferroelectric film, the leakage current generated due to the gap in the first ferroelectric film can be reduced. In addition, since the second ferroelectric film is amorphous when the conductive film for the upper electrode is formed, the material of the conductive film hardly enters the second ferroelectric film. Leakage current in the ferroelectric film can also be reduced.

このように、二層構造のキャパシタ誘電体膜を用いることでリーク電流は改善される。但し、FeRAMの信頼性を更に向上させるには、二層の強誘電体膜を形成することに伴う不具合を調査し、その改善を図ることが求められる。   Thus, the leakage current is improved by using the capacitor dielectric film having a two-layer structure. However, in order to further improve the reliability of FeRAM, it is necessary to investigate and improve the problems associated with forming the two-layered ferroelectric film.

例えば、上記の第1の強誘電体膜に対してアニールを行うことにより該第1の強誘電体膜に含まれる水分等の不純物を膜外に放出させた後、第1の強誘電体膜の上に第2の強誘電体膜を形成することにより、キャパシタ誘電体膜のスイッチング電荷量を向上させる方法も提案されている(特許文献2)。   For example, after annealing the first ferroelectric film to release impurities such as moisture contained in the first ferroelectric film to the outside, the first ferroelectric film There has also been proposed a method of improving the switching charge amount of the capacitor dielectric film by forming a second ferroelectric film thereon (Patent Document 2).

しかしながら、この方法では、アニール行ってから第2の強誘電体膜を形成するまでの間に半導体基板が大気に曝されると、大気中の不純物が第1の強誘電体膜に吸着し、アニールによる不純物放出の実効が図れないおそれがある。   However, in this method, when the semiconductor substrate is exposed to the atmosphere between the annealing and the formation of the second ferroelectric film, impurities in the atmosphere are adsorbed on the first ferroelectric film, There is a possibility that the impurity release by annealing cannot be effectively performed.

その他に、本願に関連する技術が特許文献3にも開示されている。
特開2006−318941号公報 特開2008−10775号公報 特開平11−54721号公報
In addition, a technique related to the present application is also disclosed in Patent Document 3.
JP 2006-318941 A JP 2008-10775 A JP-A-11-54721

強誘電体キャパシタを備えた半導体装置の製造方法において、半導体装置の信頼性を向上させることを目的とする。   An object of the present invention is to improve the reliability of a semiconductor device in a method of manufacturing a semiconductor device provided with a ferroelectric capacitor.

以下の開示の一観点によれば、半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上に第1の導電膜を形成する工程と、前記第1の導電膜の上に、結晶化した第1の強誘電体膜を形成する工程と、前記第1の強誘電体膜に対して第1のアニールを行う工程と、前記第1のアニールの後、前記半導体基板を大気に曝さないように前記第1の強誘電体膜の上に非晶質の第2の強誘電体膜を形成する工程と、前記第2の強誘電体膜の上に第2の導電膜を形成する工程と、前記第2の導電膜を形成した後、前記第2の強誘電体膜をアニールして結晶化する工程と、前記第1の導電膜、前記第1の強誘電体膜、前記第2の強誘電体膜、及び前記第2の導電膜をパターニングして強誘電体キャパシタを形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。   According to one aspect of the disclosure below, a step of forming an insulating film over a semiconductor substrate, a step of forming a first conductive film on the insulating film, and a step of forming on the first conductive film, Forming a crystallized first ferroelectric film; performing a first annealing on the first ferroelectric film; and after the first annealing, bringing the semiconductor substrate into the atmosphere. Forming an amorphous second ferroelectric film on the first ferroelectric film so as not to expose; and forming a second conductive film on the second ferroelectric film After forming the second conductive film, annealing the second ferroelectric film to crystallize, the first conductive film, the first ferroelectric film, A method of manufacturing a semiconductor device comprising: a second ferroelectric film; and a step of patterning the second conductive film to form a ferroelectric capacitor There is provided.

本発明によれば、第1の強誘電体膜に含まれている大気中の水分等の不純物が、第1のアニールにより膜外に放出される。そのため、この不純物が原因で第2の強誘電体膜と第2の導電膜との界面で膜剥がれが発生するのを防止でき、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。   According to the present invention, impurities such as atmospheric moisture contained in the first ferroelectric film are released out of the film by the first annealing. Therefore, it is possible to prevent film peeling from occurring at the interface between the second ferroelectric film and the second conductive film due to this impurity, and it is possible to improve the reliability of the semiconductor device.

(1)調査結果について
本発明の実施の形態の説明に先立ち、本願発明者が強誘電体キャパシタに関して調査について説明する。
(1) Investigation Results Prior to the description of the embodiments of the present invention, the inventor of the present application will explain the investigation regarding ferroelectric capacitors.

まず、その調査に使用したサンプルの作製方法について説明する。   First, a method for preparing a sample used for the investigation will be described.

図1〜図2は、サンプルの作製方法を工程順に示す断面図である。   1 to 2 are cross-sectional views showing a sample manufacturing method in the order of steps.

最初に、図1(a)に示すように、シリコン基板1の上にスパッタ法でプラチナ膜を厚さ150nmに形成し、そのプラチナ膜をキャパシタの下部電極用の第1の導電膜3とする。   First, as shown in FIG. 1A, a platinum film having a thickness of 150 nm is formed on a silicon substrate 1 by sputtering, and the platinum film is used as a first conductive film 3 for a capacitor lower electrode. .

そして、この第1の導電膜3の上に、第1の強誘電体膜5としてPZT(Pb(Zrx, Ti1-x)O3: 0≦x≦1)膜をRF(Radio Frequency)スパッタ法により厚さ約90nmに形成する。スパッタ法で形成された第1の強誘電体膜5は、成膜直後では非晶質であり、結晶化していない。 Then, on the first conductive film 3, the first strength PZT as the dielectric film 5 (Pb (Zr x, Ti 1-x) O 3: 0 ≦ x ≦ 1) layer of RF (Radio Frequency) A thickness of about 90 nm is formed by sputtering. The first ferroelectric film 5 formed by sputtering is amorphous immediately after film formation and is not crystallized.

そこで、次の工程では、図1(b)に示すように、アニールにより第1の強誘電体膜5を結晶化する。このようなアニールは結晶化アニールと呼ばれ、酸素含有雰囲気となっているRTA(Rapid Thermal Anneal)チャンバにおいて基板温度を575℃として行われる。この結晶化アニールにより、第1の強誘電体膜5の膜中において(111)方向に配向したPZT結晶粒が成長し、第1の強誘電体膜5の残留分極電荷量等の強誘電体特性が高められる。   Therefore, in the next step, as shown in FIG. 1B, the first ferroelectric film 5 is crystallized by annealing. Such annealing is called crystallization annealing, and is performed at a substrate temperature of 575 ° C. in an RTA (Rapid Thermal Anneal) chamber having an oxygen-containing atmosphere. By this crystallization annealing, PZT crystal grains oriented in the (111) direction grow in the film of the first ferroelectric film 5, and the ferroelectric such as the residual polarization charge amount of the first ferroelectric film 5. The characteristics are enhanced.

続いて、図1(c)に示すように、第1の強誘電体膜5の上にスパッタ法でPZT膜を厚さ約30nmに形成し、そのPZT膜を第2の強誘電体膜7とする。   Subsequently, as shown in FIG. 1C, a PZT film having a thickness of about 30 nm is formed on the first ferroelectric film 5 by sputtering, and the PZT film is formed as the second ferroelectric film 7. And

スパッタ法で形成された第2の強誘電体膜7は、成膜の時点では結晶化しておらず、非晶質の状態である。そのため、後の工程において、第2の強誘電体膜7に対する結晶化アニールが必要となる。   The second ferroelectric film 7 formed by sputtering is not crystallized at the time of film formation and is in an amorphous state. For this reason, crystallization annealing for the second ferroelectric film 7 is necessary in the subsequent process.

但し、第2の強誘電体膜7の成膜温度を100℃以上の高温にすると、その結晶化アニール後の第2の強誘電体膜7中のPZTの配向が(101)方向等にランダムに配向し、強誘電体特性の向上に有利な(111)方向の配向が減少することがある。そのため、第2の強誘電体膜7の成膜温度は150℃以下、例えば50℃とするのが好ましい。   However, when the deposition temperature of the second ferroelectric film 7 is set to a high temperature of 100 ° C. or higher, the orientation of PZT in the second ferroelectric film 7 after the crystallization annealing is random in the (101) direction or the like. The orientation in the (111) direction, which is advantageous for improving the ferroelectric properties, may decrease. Therefore, the deposition temperature of the second ferroelectric film 7 is preferably 150 ° C. or lower, for example, 50 ° C.

ここで、第2の強誘電体膜7の形成は、理想的には、第1の強誘電体膜5に対する結晶化アニール(図1(b))を行った後に、第1の強誘電体膜5を大気に曝すことなしに行うのが好ましい。このようにすれば、第1の強誘電体膜5の表面に大気中の水分や二酸化炭素等の不純物が吸着するのが防止され、その不純物が原因で第2の強誘電体膜7とその上に後で形成される膜との密着性が低下するのを抑制できる。   Here, the formation of the second ferroelectric film 7 is ideally performed after the first ferroelectric film 5 is crystallized and annealed (FIG. 1B), and then the first ferroelectric film 7 is formed. It is preferable to carry out without exposing the film 5 to the atmosphere. In this way, impurities such as atmospheric moisture and carbon dioxide are prevented from adsorbing on the surface of the first ferroelectric film 5, and the second ferroelectric film 7 and its It can suppress that adhesiveness with the film | membrane formed later on falls.

しかしながら、実際の量産工程においては、第2の強誘電体膜7を形成するためのスパッタチャンバと、結晶化アニール用のRTAチャンバとが別々の半導体製造装置に設けられている場合がある。その場合は、チャンバ間でシリコン基板1を搬送しなければならず、搬送途中で第1の強誘電体膜5が大気に曝され、その表面に大気中の不純物が吸着してしまう。   However, in an actual mass production process, a sputtering chamber for forming the second ferroelectric film 7 and an RTA chamber for crystallization annealing may be provided in different semiconductor manufacturing apparatuses. In that case, the silicon substrate 1 must be transferred between the chambers, and the first ferroelectric film 5 is exposed to the atmosphere during the transfer, and impurities in the atmosphere are adsorbed on the surface.

その不純物は、製造途中にシリコン基板1に印加される熱によって第1の強誘電体膜5からある程度は離脱するとも考えられる。そのような熱としては、例えば、第2の強誘電体膜7を形成するときの熱がある。   It is considered that the impurities are separated from the first ferroelectric film 5 to some extent by heat applied to the silicon substrate 1 during manufacture. An example of such heat is heat when the second ferroelectric film 7 is formed.

しかしながら、第2の強誘電体膜7は、既述のように50℃程度の低温で形成されるため、第2の強誘電体膜7の形成時に上記の不純物が十分に離脱するとは期待できない。   However, since the second ferroelectric film 7 is formed at a low temperature of about 50 ° C. as described above, it cannot be expected that the impurities are sufficiently separated when the second ferroelectric film 7 is formed. .

そこで、本例では、図2(a)に示すように、第2の強誘電体膜7の形成後にアニールを行う。これにより、第1の強誘電体膜5の表面に付着している大気中の不純物10が、第2の強誘電体膜7を通じて外部に脱離し、不純物10が原因で第2の強誘電体膜7とその上に後で形成される膜との密着性が低下するのを防止する。   Therefore, in this example, as shown in FIG. 2A, annealing is performed after the second ferroelectric film 7 is formed. Thereby, the impurities 10 in the atmosphere attached to the surface of the first ferroelectric film 5 are desorbed to the outside through the second ferroelectric film 7, and the second ferroelectric substance is caused by the impurities 10. This prevents the adhesion between the film 7 and a film to be formed later on the film 7 from being lowered.

このアニールは、減圧雰囲気となっているアニールチャンバにおいて基板温度を150℃とし、約60秒間行われる。   This annealing is performed for about 60 seconds at a substrate temperature of 150 ° C. in an annealing chamber in a reduced pressure atmosphere.

次いで、図2(b)に示すように、第2の強誘電体膜7の上に上部電極用の第2の導電膜9としてスパッタ法で酸化イリジウム膜を約50nmの厚さに形成する。   Next, as shown in FIG. 2B, an iridium oxide film having a thickness of about 50 nm is formed on the second ferroelectric film 7 as a second conductive film 9 for the upper electrode by sputtering.

第2の導電膜9を形成する時点では、第2の強誘電体膜7は非晶質で膜中の空隙が非常に小さいため、第2の導電膜9の酸化イリジウムはその空隙に侵入し難く、酸化イリジウムによって第2の強誘電体膜7中にリークパスが形成されるのを防止できる。   At the time when the second conductive film 9 is formed, the second ferroelectric film 7 is amorphous and the gap in the film is very small. Therefore, the iridium oxide of the second conductive film 9 enters the gap. It is difficult to prevent a leakage path from being formed in the second ferroelectric film 7 by iridium oxide.

その後に、図2(c)に示すように、第2の導電膜9が形成された状態で第2の強誘電体膜7に対して結晶化アニールを行い、非晶質となっていた第2の強誘電体膜7中のPZTを結晶化させる。   Thereafter, as shown in FIG. 2C, crystallization annealing is performed on the second ferroelectric film 7 in a state where the second conductive film 9 is formed. The PZT in the second ferroelectric film 7 is crystallized.

この結晶化アニールは、酸素含有雰囲気となっているRTAチャンバにおいて、基板温度を約710℃として約120分間行われる。   This crystallization annealing is performed for about 120 minutes at a substrate temperature of about 710 ° C. in an RTA chamber having an oxygen-containing atmosphere.

また、このように酸素含有雰囲気中において結晶化アニールを行うことで、第2の導電膜9を通じて酸素が第1、第2の強誘電体膜5、7に供給され、これらの強誘電体膜の酸素欠損を補うことも可能となる。   Further, by performing crystallization annealing in the oxygen-containing atmosphere in this manner, oxygen is supplied to the first and second ferroelectric films 5 and 7 through the second conductive film 9, and these ferroelectric films It is also possible to compensate for oxygen deficiency.

なお、第2の導電膜9を形成する前にこの結晶化アニールを行ったのでは、第2の強誘電体膜7中のPZT結晶粒の間に隙間が大きく形成され、その隙間に第2の導電膜9の酸化イリジウムが入り込んでしまう。そのため、その酸化イリジウムによって第2の強誘電体膜7の膜中にリークパスが形成され、リーク電流の低減を図ることができない。   If this crystallization annealing is performed before the second conductive film 9 is formed, a large gap is formed between the PZT crystal grains in the second ferroelectric film 7, and the second gap is formed in the gap. The iridium oxide of the conductive film 9 enters. Therefore, a leakage path is formed in the second ferroelectric film 7 by the iridium oxide, and the leakage current cannot be reduced.

その後に、図3に示すように、第2の導電膜9の上に上部電極用の第3の導電膜11としてスパッタ法により酸化イリジウム膜を約200nm程度の厚さに形成する。その第2の導電膜11は、第2の導電膜9と共に上部電極を構成し、上部電極の膜厚を稼ぐ役割を担う。   Thereafter, as shown in FIG. 3, an iridium oxide film is formed on the second conductive film 9 as a third conductive film 11 for the upper electrode by a sputtering method to a thickness of about 200 nm. The second conductive film 11 constitutes an upper electrode together with the second conductive film 9 and plays a role of increasing the film thickness of the upper electrode.

以上により、このサンプルの基本構造が得られた。   Thus, the basic structure of this sample was obtained.

上記したサンプルの作製方法によれば、図2(a)で説明したアニールによって第1の強誘電体膜5に含まれていた大気中の不純物が離脱するので、その不純物に起因した膜剥がれは発生しないはずである。   According to the sample manufacturing method described above, the impurities in the atmosphere contained in the first ferroelectric film 5 are released by the annealing described with reference to FIG. 2A, so that the film peeling due to the impurities is not caused. Should not occur.

ところが、このサンプルを調査したところ、欠陥が多数見受けられた。   However, when this sample was investigated, many defects were found.

図4は、欠陥検査装置を用いてこのサンプルを検査して得られたウエハマップである。   FIG. 4 is a wafer map obtained by inspecting this sample using a defect inspection apparatus.

同図において黒印で示される部分が欠陥を表しており、シリコン基板1には多数の欠陥が発生している。   In the drawing, a portion indicated by a black mark represents a defect, and a large number of defects are generated in the silicon substrate 1.

図5は、これらの欠陥の一つをSEM(Scanning Electron Microscope)により観察して得られた平面図である。   FIG. 5 is a plan view obtained by observing one of these defects with an SEM (Scanning Electron Microscope).

これに示されるように、欠陥は円形状の膨らみを有している。   As shown, the defect has a circular bulge.

図6(a)は、この欠陥の断面TEM(Transmission Electron Microscope)像を基にして描いた図である。また、図6(b)は、図6(a)の拡大断面図である。   FIG. 6A is a drawing drawn based on a cross-sectional TEM (Transmission Electron Microscope) image of this defect. Moreover, FIG.6 (b) is an expanded sectional view of Fig.6 (a).

図6(a)、(b)に示されるように、この欠陥は、第2の強誘電体膜7と第2の導電膜9との界面において発生した膜剥がれであることが明らかとなった。   As shown in FIGS. 6A and 6B, it has been clarified that this defect is film peeling that occurs at the interface between the second ferroelectric film 7 and the second conductive film 9. .

本願発明者は、図2(a)のアニールを行ったにも関わらずこのような膜剥がれが発生した原因を探るべく、次のような調査を行った。   The inventor of the present application conducted the following investigation in order to investigate the cause of such film peeling despite the annealing shown in FIG.

図7は、この調査で使用されたサンプルの断面図である。   FIG. 7 is a cross-sectional view of the sample used in this study.

図7に示されるように、このサンプルは、シリコン基板20の上にスパッタ法でPZT膜21を120nmの厚さに形成してなる。   As shown in FIG. 7, this sample is obtained by forming a PZT film 21 with a thickness of 120 nm on a silicon substrate 20 by sputtering.

図8は、このPZT膜21に含まれる水の量をTDS(Thermal Desorption Spectroscopy)で測定して得られたグラフである。このグラフの横軸は、測定中の基板温度を示し、縦軸は水イオンの強度を示す。   FIG. 8 is a graph obtained by measuring the amount of water contained in the PZT film 21 by TDS (Thermal Desorption Spectroscopy). The horizontal axis of this graph indicates the substrate temperature during measurement, and the vertical axis indicates the strength of water ions.

この調査では、成膜直後で非晶質となっているPZT膜21と、結晶化アニールによって結晶化した後のPZT膜21のそれぞれについて、膜中の水分量が調査された。   In this investigation, the amount of water in the film was investigated for each of the PZT film 21 that was amorphous immediately after film formation and the PZT film 21 that was crystallized by crystallization annealing.

この結果、図8に示されるように、結晶化アニールによって結晶化したPZT膜21の方が、成膜直後で非晶質となっている場合よりも水分量が多いことが明らかとなった。   As a result, as shown in FIG. 8, it was found that the PZT film 21 crystallized by crystallization annealing has a larger amount of water than the case where it is amorphous immediately after the film formation.

図9は、図8と同じサンプルについて、膜中の二酸化炭素の量をTDS法により調査して得られたグラフである。グラフの縦軸と横軸の意味は図8と同じである。   FIG. 9 is a graph obtained by investigating the amount of carbon dioxide in the membrane by the TDS method for the same sample as FIG. The meanings of the vertical axis and horizontal axis of the graph are the same as those in FIG.

図9に示されるように、水の場合(図8)と同様に、二酸化炭素の場合でも、結晶化したPZT膜21の方が、非晶質の場合よりも二酸化炭素の量が多い。   As shown in FIG. 9, as in the case of water (FIG. 8), in the case of carbon dioxide, the crystallized PZT film 21 has a larger amount of carbon dioxide than in the case of amorphous.

このように、水や二酸化炭素等の不純物は、非晶質のPZT膜21よりも、結晶化したPZT膜21から多く発生する。これは、PZT膜21を結晶化したことで、PZTの結晶粒界面に非晶質の場合よりも大きな空隙が形成され、その空隙に大気中の不純物が侵入したためと考えられる。   Thus, more impurities such as water and carbon dioxide are generated from the crystallized PZT film 21 than from the amorphous PZT film 21. This is presumably because the PZT film 21 was crystallized to form larger voids at the PZT crystal grain interface than when amorphous, and impurities in the atmosphere entered the voids.

一方、図1〜図3で説明したサンプルの作製方法では、図2(a)の工程で非晶質の第2の強誘電体膜7に対してアニールをして不純物を脱離させているものの、結晶化した状態の第1の強誘電体膜8に対しては別工程でアニールをしていない。   On the other hand, in the sample manufacturing method described with reference to FIGS. 1 to 3, the amorphous second ferroelectric film 7 is annealed in the step of FIG. However, the first ferroelectric film 8 in the crystallized state is not annealed in a separate process.

そのため、第1の強誘電体膜8に吸着した大気中の不純物が膜外に十分に脱離しておらず、これが原因で図6(a)、(b)に示したような膜剥がれが発生したと考えられる。   Therefore, impurities in the atmosphere adsorbed on the first ferroelectric film 8 are not sufficiently desorbed outside the film, and this causes film peeling as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). It is thought that.

図10は、その膜剥がれのメカニズムについて示す模式図である。   FIG. 10 is a schematic diagram showing the mechanism of film peeling.

なお、図10において、図1〜図3で説明したのと同じ要素にはこれらの図面と同じ符号を付し、その説明は省略する。   10, the same elements as those described in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS.

図10に示されるように、第1の強誘電体膜5に対して結晶化アニールをした後に、該第1の強誘電体膜5に大気中の水分や二酸化炭素等の不純物10が吸着する。   As shown in FIG. 10, after the crystallization annealing is performed on the first ferroelectric film 5, impurities 10 such as moisture and carbon dioxide in the atmosphere are adsorbed on the first ferroelectric film 5. .

その不純物10は、例えば第2の強誘電体膜7に対する結晶化アニール(図2(c))の熱によって第1の強誘電体膜5から脱離する。脱離した不純物10は、第2の強誘電体膜7を透過して第2の導電膜9の下面に至り、第2の導電膜9と第2の強誘電体膜7とを剥離させると考えられる。   The impurity 10 is desorbed from the first ferroelectric film 5 by heat of crystallization annealing (FIG. 2C) for the second ferroelectric film 7, for example. The detached impurities 10 pass through the second ferroelectric film 7 and reach the lower surface of the second conductive film 9, and the second conductive film 9 and the second ferroelectric film 7 are peeled off. Conceivable.

また、酸化イリジウムよりなる第2の導電膜9のストレスが他の膜よりも強いので、これによって膜剥がれが助長されるとも考えられる。   Moreover, since the stress of the second conductive film 9 made of iridium oxide is stronger than that of other films, it is considered that this facilitates film peeling.

本願発明者は、このような調査結果に鑑み、以下に説明するような本発明の実施の形態を着想した。   In view of such investigation results, the inventor of the present application has conceived an embodiment of the present invention as described below.

(2)第1実施形態
図11〜図24は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。この半導体装置はプレーナ型のFeRAMであり、以下のようにして製造される。
(2) First Embodiment FIGS. 11 to 24 are cross-sectional views in the course of manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. This semiconductor device is a planar type FeRAM and is manufactured as follows.

最初に、図11(a)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。   First, steps required until a sectional structure shown in FIG.

まず、n型又はp型のシリコン(半導体)基板30に素子分離用の溝を形成する。そして、その溝の中に素子分離絶縁膜31を形成し、この素子分離絶縁膜31でトランジスタの活性領域を画定する。このような素子分離構造はSTI(Shallow Trench Isolation)と呼ばれるが、これに代えてLOCOS(Local Oxidation of Silicon)を採用してもよい。   First, a trench for element isolation is formed in an n-type or p-type silicon (semiconductor) substrate 30. Then, an element isolation insulating film 31 is formed in the trench, and the element isolation insulating film 31 defines an active region of the transistor. Such an element isolation structure is called STI (Shallow Trench Isolation), but LOCOS (Local Oxidation of Silicon) may be adopted instead.

次いで、シリコン基板30の活性領域にp型不純物、例えばボロンを導入してpウェル32を形成した後、活性領域の表面を熱酸化することにより、ゲート絶縁膜33となる熱酸化膜を約6〜7nmの厚さに形成する。   Next, a p-type impurity such as boron is introduced into the active region of the silicon substrate 30 to form a p-well 32, and then the surface of the active region is thermally oxidized to form a thermal oxide film serving as the gate insulating film 33 with about 6 pieces. Form a thickness of ˜7 nm.

続いて、シリコン基板30の上側全面に、厚さ約50nmの非晶質シリコン膜と厚さ約150nmのタングステンシリサイド膜を順に形成する。なお、非晶質シリコン膜に代えて多結晶シリコン膜を形成してもよい。その後に、フォトリソグラフィとエッチングによりこれらの膜をパターニングして、シリコン基板30上にゲート電極34を形成する。   Subsequently, an amorphous silicon film having a thickness of about 50 nm and a tungsten silicide film having a thickness of about 150 nm are sequentially formed on the entire upper surface of the silicon substrate 30. Note that a polycrystalline silicon film may be formed instead of the amorphous silicon film. Thereafter, these films are patterned by photolithography and etching to form the gate electrode 34 on the silicon substrate 30.

pウェル32の上には二つのゲート電極34が間隔をおいて略平行に配置され、その各々はワード線の一部となる。   On the p-well 32, two gate electrodes 34 are arranged substantially in parallel with a space therebetween, each of which becomes a part of a word line.

次いで、ゲート電極34をマスクにするイオン注入により、ゲート電極34の横のシリコン基板30にn型不純物としてリンを導入し、第1及び第2のソース/ドレインエクステンション35a、35bを形成する。   Next, phosphorus is introduced as an n-type impurity into the silicon substrate 30 beside the gate electrode 34 by ion implantation using the gate electrode 34 as a mask to form first and second source / drain extensions 35a and 35b.

その後に、シリコン基板30の上側全面に絶縁膜を形成し、その絶縁膜をエッチバックしてゲート電極34の横に絶縁性スペーサ37として残す。その絶縁膜として、例えばCVD法により酸化シリコン膜を形成する。   Thereafter, an insulating film is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 30, and the insulating film is etched back to leave an insulating spacer 37 beside the gate electrode 34. As the insulating film, a silicon oxide film is formed by, for example, a CVD method.

続いて、この絶縁性スペーサ37とゲート電極34をマスクにしながら、シリコン基板30に砒素等のn型不純物を再びイオン注入することにより、ゲート電極34の側方のシリコン基板30に第1及び第2のソース/ドレイン領域36a、36bを形成する。このうち、二つのゲート電極34の間の第2のソース/ドレイン領域36bは、ビット線の一部となる。   Subsequently, n-type impurities such as arsenic are ion-implanted again into the silicon substrate 30 while using the insulating spacers 37 and the gate electrode 34 as a mask, so that the first and second silicon substrates 30 on the side of the gate electrode 34 are first and second-implanted. Two source / drain regions 36a and 36b are formed. Among these, the second source / drain region 36b between the two gate electrodes 34 becomes a part of the bit line.

更に、シリコン基板30の上側全面に、スパッタ法によりコバルト膜等の高融点金属膜を形成する。そして、その高融点金属膜を加熱させてシリコンと反応させることにより、第1及び第2のソース/ドレイン領域36a、36bにおけるシリコン基板30上にコバルトシリサイド層等の高融点シリサイド層38を形成し、各ソース/ドレイン領域36a、36bを低抵抗化する。なお、このような高融点金属シリサイド層は、ゲート電極34の表層にも形成される。   Further, a refractory metal film such as a cobalt film is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 30 by sputtering. Then, the refractory metal film is heated and reacted with silicon to form a refractory silicide layer 38 such as a cobalt silicide layer on the silicon substrate 30 in the first and second source / drain regions 36a and 36b. The resistance of each source / drain region 36a, 36b is reduced. Such a refractory metal silicide layer is also formed on the surface layer of the gate electrode 34.

その後に、素子分離絶縁膜31の上等で未反応となっている高融点金属層をウエットエッチングして除去する。   Thereafter, the refractory metal layer which has not reacted on the element isolation insulating film 31 or the like is removed by wet etching.

ここまでの工程により、シリコン基板30の活性領域には、ゲート絶縁膜33、ゲート電極34、及び第1、第2ソース/ドレイン領域36a、36b等を有するMOSトランジスタTRが形成されたことになる。   Through the steps so far, the MOS transistor TR having the gate insulating film 33, the gate electrode 34, the first and second source / drain regions 36a, 36b, and the like is formed in the active region of the silicon substrate 30. .

次に、図11(b)に示すように、シリコン基板30の上側全面に、プラズマCVD法で酸窒化シリコン(SiON)膜を厚さ約200nmに形成し、それをカバー絶縁膜41とする。   Next, as shown in FIG. 11B, a silicon oxynitride (SiON) film having a thickness of about 200 nm is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 30 by plasma CVD, and this is used as a cover insulating film 41.

更に、TEOS(Tetra ethoxy silane)ガスを使用するプラズマCVD法により、このカバー絶縁膜41の上に第1の層間絶縁膜42として酸化シリコン(SiO2)膜を厚さ約1000nmに形成する。そして、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法で第1の層間絶縁膜42の上面を研磨して平坦化すると共に、第1の層間絶縁膜42の厚さを約785nmとする。 Further, a silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of about 1000 nm is formed on the cover insulating film 41 as a first interlayer insulating film 42 by plasma CVD using a TEOS (Tetraethoxysilane) gas. Then, the upper surface of the first interlayer insulating film 42 is polished and planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing), and the thickness of the first interlayer insulating film 42 is set to about 785 nm.

続いて、図11(c)に示すように、フォトリソグラフィとエッチングによりカバー絶縁膜41と第1の層間絶縁膜42とをパターニングし、第1、第2ソース/ドレイン領域36a、36の上にコンタクトホール42aを形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 11C, the cover insulating film 41 and the first interlayer insulating film 42 are patterned by photolithography and etching, and are formed on the first and second source / drain regions 36a, 36. A contact hole 42a is formed.

その後に、図12(a)に示すように、第1、第2ソース/ドレイン領域36a、36と電気的に接続された第1の導電性プラグ43をこれらのコンタクトホール42a内に形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 12A, first conductive plugs 43 electrically connected to the first and second source / drain regions 36a, 36 are formed in the contact holes 42a.

その第1の導電性プラグ43を形成するには、例えば、厚さが約30nmのチタン膜と厚さが約20nmの窒化チタン膜とをグルー膜としてこの順にスパッタ法でコンタクトホール42a内に形成する。そして、このグルー膜の上にCVD法によりタングステン膜を300nm程度の厚さに形成し、このタングステン膜でコンタクトホール42aを完全に埋め込む。その後に、第1の層間絶縁膜42の上の余分なグルー膜とタングステン膜とをCMP法により研磨して除去し、これらの膜を第1の導電性プラグ43としてコンタクトホール42a内に残す。   In order to form the first conductive plug 43, for example, a titanium film having a thickness of about 30 nm and a titanium nitride film having a thickness of about 20 nm are formed as glue films in this order in the contact hole 42a by the sputtering method. To do. Then, a tungsten film is formed on the glue film by a CVD method to a thickness of about 300 nm, and the contact hole 42a is completely buried with the tungsten film. Thereafter, excess glue film and tungsten film on the first interlayer insulating film 42 are removed by polishing by the CMP method, and these films are left in the contact holes 42 a as the first conductive plugs 43.

このようにして形成された第1の導電性プラグ43は、酸化され易いタングステンを主にしてなるため、酸素含有雰囲気中で容易に酸化してコンタクト不良を引き起こすおそれがある。   Since the first conductive plug 43 formed in this way is mainly made of tungsten that is easily oxidized, there is a possibility that it will be easily oxidized in an oxygen-containing atmosphere and cause contact failure.

そこで、次の工程では、図12(b)に示すように、第1の導電性プラグ43の酸化を防ぐ酸化防止絶縁膜45として、第1の導電性プラグ43と第1の層間絶縁膜42のそれぞれの上にCVD法により酸窒化シリコン膜を厚さ約100nmに形成する。   Therefore, in the next step, as shown in FIG. 12B, the first conductive plug 43 and the first interlayer insulating film 42 are used as an anti-oxidation insulating film 45 that prevents oxidation of the first conductive plug 43. A silicon oxynitride film having a thickness of about 100 nm is formed on each of these by CVD.

そして、この酸化防止絶縁膜45の上に、TEOSガスを使用するCVD法で酸化シリコン膜を厚さ約130nmに形成し、この酸化シリコン膜を絶縁性密着膜46とする。   Then, a silicon oxide film having a thickness of about 130 nm is formed on the oxidation-preventing insulating film 45 by a CVD method using TEOS gas, and this silicon oxide film is used as the insulating adhesion film 46.

この後に、窒素雰囲気中で基板温度を約650℃とするアニールを絶縁性密着膜46に対して30分間行うことにより、絶縁性密着膜46の脱ガスを行う。   Thereafter, the insulating adhesive film 46 is degassed by annealing the insulating adhesive film 46 for 30 minutes in a nitrogen atmosphere at a substrate temperature of about 650 ° C.

次いで、図12(c)に示すように、絶縁性密着膜46の上に下部電極密着膜47としてスパッタ法によりアルミナ膜を厚さ約20nmに形成する。その後、RTA(Rapid Thermal Anneal)により下部電極密着膜47のアルミナを十分に酸化する。この下部電極密着膜47は、後述のキャパシタ下部電極と絶縁性密着膜46との密着性を向上させるために形成される。   Next, as shown in FIG. 12C, an alumina film is formed on the insulating adhesion film 46 as a lower electrode adhesion film 47 by sputtering to a thickness of about 20 nm. Thereafter, the alumina of the lower electrode adhesion film 47 is sufficiently oxidized by RTA (Rapid Thermal Anneal). The lower electrode adhesion film 47 is formed in order to improve adhesion between a capacitor lower electrode, which will be described later, and the insulating adhesion film 46.

続いて、図13(a)に示すように、スパッタ法により第1の導電膜48としてプラチナ膜を厚さ約150nmに形成する。なお、プラチナ膜に代えて、イリジウム膜、ルテニウム膜、酸化ルテニウム(RuO2)膜、及びSrRuO3膜のいずれかの単層膜、或いはこれらの積層膜を第1の導電膜48として形成してもよい。 Subsequently, as shown in FIG. 13A, a platinum film is formed to a thickness of about 150 nm as the first conductive film 48 by sputtering. Instead of the platinum film, a single layer film of any one of an iridium film, a ruthenium film, a ruthenium oxide (RuO 2 ) film, and a SrRuO 3 film, or a laminated film thereof is formed as the first conductive film 48. Also good.

ここで、第1の導電膜48を形成する前に下部電極密着膜47を予め形成したので、第1の導電膜48と絶縁性密着膜46との密着力が高められる。   Here, since the lower electrode adhesion film 47 is formed in advance before the first conductive film 48 is formed, the adhesion between the first conductive film 48 and the insulating adhesion film 46 is enhanced.

次に、図13(b)に示すように、PZTターゲットを用いるRFスパッタ法により、第1の導電膜48の上に第1の強誘電体膜49としてPZT(Pb(Zrx, Ti1-x)O3: 0≦x≦1)膜を厚さ約90nmに形成する。 Next, as shown in FIG. 13B, PZT (Pb (Zr x , Ti 1−) is formed as a first ferroelectric film 49 on the first conductive film 48 by RF sputtering using a PZT target. x ) O 3 : 0 ≦ x ≦ 1) A film is formed to a thickness of about 90 nm.

第1の強誘電体膜49の成膜温度は特に限定されない。但し、その成膜温度が150℃以上となると、後述の結晶化アニール後の第1の強誘電体膜49中のPZTの配向が(101)方向等にランダムに配向し、強誘電体特性の向上に有利な(111)方向の配向が減少することがある。一方、成膜温度を低温で精度良く制御するのは困難である。これらに鑑み、第1の強誘電体膜49の成膜温度は0℃〜150℃、例えば50℃とするのが好ましい。   The deposition temperature of the first ferroelectric film 49 is not particularly limited. However, when the film forming temperature is 150 ° C. or higher, the orientation of PZT in the first ferroelectric film 49 after crystallization annealing described later is randomly oriented in the (101) direction, etc. The orientation in the (111) direction, which is advantageous for improvement, may decrease. On the other hand, it is difficult to accurately control the film formation temperature at a low temperature. In view of these, the deposition temperature of the first ferroelectric film 49 is preferably 0 ° C. to 150 ° C., for example, 50 ° C.

また、第1の強誘電体膜49はPZT膜に限定されない。PZTにCa、Sr、La、Nb、Ta、Ir、及びWのいずれかを添加した材料よりなる膜を第1の強誘電体膜49として形成してもよい。更に、(Bi1-xRx)Ti3O12(Rは希土類元素で0<x<1)、SrBi2Ta2O9(SBT)、及びSrBi4Ti4O15等のBi層状化合物の膜を第1の強誘電体膜49として形成してもよい。 Further, the first ferroelectric film 49 is not limited to the PZT film. A film made of a material obtained by adding any of Ca, Sr, La, Nb, Ta, Ir, and W to PZT may be formed as the first ferroelectric film 49. Further, (Bi 1-x R x ) Ti 3 O 12 (R is a rare earth element 0 <x <1), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), and Bi layered compounds such as SrBi 4 Ti 4 O 15 The film may be formed as the first ferroelectric film 49.

更に、第1の強誘電体膜49の成膜方法もスパッタ法に限定されず、ゾル・ゲル法やMOCVD(Metal Organic CVD)法で第1の強誘電体膜49を形成してもよい。   Further, the method for forming the first ferroelectric film 49 is not limited to the sputtering method, and the first ferroelectric film 49 may be formed by a sol-gel method or a MOCVD (Metal Organic CVD) method.

これらの成膜方法のうち、スパッタ法で形成された第1の強誘電体膜49は、成膜直後では結晶化しておらず非晶質であり、強誘電体特性に乏しい。   Among these film formation methods, the first ferroelectric film 49 formed by sputtering is not crystallized immediately after the film formation and is amorphous and has poor ferroelectric properties.

そこで、次の工程では、図14(a)に示すように、酸素含有雰囲気において第1の強誘電体膜49に対して結晶化アニールを行い、第1の強誘電体膜49中のPZTを結晶化させる。   Therefore, in the next step, as shown in FIG. 14A, crystallization annealing is performed on the first ferroelectric film 49 in an oxygen-containing atmosphere, and PZT in the first ferroelectric film 49 is changed. Crystallize.

その結晶化アニールは、酸素濃度が流量比1.25%となるように調整された酸素とアルゴンよりなる雰囲気においてRTAにより行われ、基板温度は約600℃、処理時間は約90秒とされる。   The crystallization annealing is performed by RTA in an atmosphere of oxygen and argon adjusted so that the oxygen concentration is 1.25%, the substrate temperature is about 600 ° C., and the processing time is about 90 seconds. .

なお、MOCVD法により第1の強誘電体膜49を形成する場合は、第1の強誘電体膜49は成膜の時点で結晶化しているので、上記の結晶化アニールは不要である。   In the case where the first ferroelectric film 49 is formed by the MOCVD method, the first ferroelectric film 49 is crystallized at the time of film formation, and thus the above crystallization annealing is not necessary.

ところで、結晶化アニールの後は、結晶化した第1の強誘電体膜49の上に後続の膜を形成する工程に移るが、その膜を形成するための成膜チャンバが結晶化アニール用のRTAチャンバとは別の半導体製造装置に設けられている場合がある。   By the way, after the crystallization annealing, the process proceeds to a step of forming a subsequent film on the crystallized first ferroelectric film 49. The film forming chamber for forming the film is used for crystallization annealing. In some cases, it is provided in a semiconductor manufacturing apparatus different from the RTA chamber.

その場合は、結晶化アニールの後にRTAチャンバからシリコン基板30を出し、そのシリコン基板30を大気中で搬送して別の半導体装置に移す必要がある。   In that case, it is necessary to remove the silicon substrate 30 from the RTA chamber after the crystallization annealing, transport the silicon substrate 30 in the atmosphere, and transfer it to another semiconductor device.

このとき、第1の強誘電体膜49の表面が大気中の水分や二酸化炭素等の不純物に曝され、これらの不純物が第1の強誘電体膜49の膜中に侵入することになる。   At this time, the surface of the first ferroelectric film 49 is exposed to impurities such as moisture and carbon dioxide in the atmosphere, and these impurities penetrate into the film of the first ferroelectric film 49.

特に、図8及び図9で説明したように、結晶化後のPZT膜は非晶質の場合よりもこれらの不純物を多く吸収する。そして、図10で説明したように、膜中にこのように吸収された不純物が原因で後の工程で膜剥がれが発生してしまう。   In particular, as described with reference to FIGS. 8 and 9, the PZT film after crystallization absorbs more of these impurities than when it is amorphous. Then, as described with reference to FIG. 10, the film is peeled off in a later process due to the impurities thus absorbed in the film.

このような膜剥がれを防止するため、本実施形態では、図14(b)に示すように、大気中を搬送された後の第1の強誘電体膜49に対して第1のアニールを行い、第1の強誘電体膜49に含まれている不純物を膜外に脱離させる。   In order to prevent such film peeling, in the present embodiment, as shown in FIG. 14B, first annealing is performed on the first ferroelectric film 49 after being transported in the atmosphere. Then, impurities contained in the first ferroelectric film 49 are desorbed out of the film.

そのアニールは、例えば5×10-6〜1×10-3Pa程度の減圧雰囲気において約60秒間行われる。このように減圧下でアニールを行うことにより、第1の強誘電体膜49の膜中の不純物が膜外に脱離され易くなる。 The annealing is performed for about 60 seconds in a reduced pressure atmosphere of about 5 × 10 −6 to 1 × 10 −3 Pa, for example. By performing annealing under reduced pressure in this way, impurities in the first ferroelectric film 49 are easily released from the film.

なお、アニール時の基板温度が高すぎると、アニール後にシリコン基板30が自然冷却するまで長時間待たなければならず、量産効率が悪くなる。したがって、第1の強誘電体膜49の結晶化温度(450℃)よりも低い温度、例えば350℃以下の基板温度でこのアニールを行うのが好ましく、本実施形態では150℃で約60秒間アニールを行う。   If the substrate temperature at the time of annealing is too high, it is necessary to wait for a long time until the silicon substrate 30 naturally cools after annealing, resulting in poor mass production efficiency. Therefore, this annealing is preferably performed at a temperature lower than the crystallization temperature (450 ° C.) of the first ferroelectric film 49, for example, a substrate temperature of 350 ° C. or less. In this embodiment, annealing is performed at 150 ° C. for about 60 seconds. I do.

このアニールチャンバも特に限定されず、デガスチャンバのような加熱用チャンバを使用してもよいし、スパッタチャンバのヒーターステージを流用してアニールを行ってもよい。ヒーターステージを流用する場合、スパッタにより第1の強誘電体膜49の上に膜が不必要に形成されるのを防止するため、チャンバにスパッタパワーを印加しないのが好ましい。或いは、RTAチャンバや炉を用いてこのような第1のアニールを行ってもよい。   The annealing chamber is not particularly limited, and a heating chamber such as a degas chamber may be used, or annealing may be performed using a heater stage of a sputtering chamber. When the heater stage is used, it is preferable not to apply sputtering power to the chamber in order to prevent unnecessary film formation on the first ferroelectric film 49 by sputtering. Alternatively, such first annealing may be performed using an RTA chamber or a furnace.

また、アニール雰囲気は特に限定されず、非プラズマ雰囲気とプラズマ雰囲気のいずれであってもよい。   The annealing atmosphere is not particularly limited, and may be either a non-plasma atmosphere or a plasma atmosphere.

但し、アニール雰囲気に水素が含まれていると、水素によって第1の強誘電体膜49が還元されてその強誘電体特性が劣化してしまう。したがって、非プラズマ雰囲気とプラズマ雰囲気のどちらにおいても、水素を排除した雰囲気とするのが好ましく、H2プラズマやNH3プラズマを用いるのは好ましくない。 However, if the annealing atmosphere contains hydrogen, the first ferroelectric film 49 is reduced by the hydrogen and the ferroelectric characteristics are deteriorated. Accordingly, in both the non-plasma atmosphere and the plasma atmosphere, it is preferable to use an atmosphere excluding hydrogen, and it is not preferable to use H 2 plasma or NH 3 plasma.

水素を排除した非プラズマ雰囲気としては、例えば、Ar、N2、及びO2のいずれかがある。非プラズマ雰囲気は、プラズマ雰囲気と比較して第1の強誘電体膜49に与えるダメージが少なく、FeRAMの製造工程に好適である。 Examples of the non-plasma atmosphere from which hydrogen is excluded include Ar, N 2 , and O 2 . The non-plasma atmosphere causes less damage to the first ferroelectric film 49 than the plasma atmosphere, and is suitable for the FeRAM manufacturing process.

一方、プラズマ雰囲気としては、例えば、O2プラズマ又はN2Oプラズマがある。 On the other hand, examples of the plasma atmosphere include O 2 plasma and N 2 O plasma.

このうち、O2プラズマによるアニールは、例えばレジストを灰化して除去するためのアッシングチャンバを用いて行われる。この場合、チャンバ内の圧力は例えば133Paとされる。 Among these, annealing by O 2 plasma is performed using, for example, an ashing chamber for ashing and removing the resist. In this case, the pressure in the chamber is set to 133 Pa, for example.

非プラズマ雰囲気とプラズマ雰囲気のいずれにおいても、雰囲気中に酸素が存在すると、酸素によって第1の強誘電体膜49の酸素欠損を補うことができ、その強誘電体特性が向上するという利点が得られる。   In both the non-plasma atmosphere and the plasma atmosphere, if oxygen exists in the atmosphere, oxygen deficiency in the first ferroelectric film 49 can be compensated by oxygen, and the advantage that the ferroelectric characteristics are improved is obtained. It is done.

このようにしてアニールした後は、第1の強誘電体膜49に大気中の不純物が再吸着するのを防止するために、第1の強誘電体膜49を大気に曝さずに次の工程を行う。   After annealing in this manner, in order to prevent re-adsorption of impurities in the atmosphere to the first ferroelectric film 49, the next process is performed without exposing the first ferroelectric film 49 to the atmosphere. I do.

本実施形態では、第1の強誘電体膜49に対して第1のアニールを行うのに使用したアニールチャンバと同一の半導体製造装置に設けられたRFスパッタチャンバにシリコン基板30を移す。そのRFスパッタチャンバはアニールチャンバと同一の半導体装置に設けられているので、第1の強誘電体膜49が大気に曝されて不純物を吸収してしまうことはない。   In the present embodiment, the silicon substrate 30 is transferred to an RF sputtering chamber provided in the same semiconductor manufacturing apparatus as the annealing chamber used for performing the first annealing on the first ferroelectric film 49. Since the RF sputtering chamber is provided in the same semiconductor device as the annealing chamber, the first ferroelectric film 49 is not exposed to the atmosphere and does not absorb impurities.

そして、図15(a)に示すように、そのRFスパッタチャンバを用いて第1の強誘電体膜49の上にPZT膜を厚さ約10〜30nmに形成し、このPZT膜を第2の強誘電体膜50とする。   Then, as shown in FIG. 15A, a PZT film having a thickness of about 10 to 30 nm is formed on the first ferroelectric film 49 using the RF sputtering chamber. The ferroelectric film 50 is used.

第2の強誘電体膜50の膜厚が厚すぎると、第1及び第2の強誘電体膜49、50を合わせた残留分極電荷量(QSW)が低下するので、第1の強誘電体膜49の膜厚の40%以下の厚さに第2の強誘電体膜50を形成するのが好ましい。   If the thickness of the second ferroelectric film 50 is too thick, the residual polarization charge (QSW) of the first and second ferroelectric films 49 and 50 decreases, so the first ferroelectric film It is preferable to form the second ferroelectric film 50 to a thickness of 40% or less of the film 49.

第2の強誘電体膜50はPZT膜に限定されない。PZTにCa、Sr、La、Nb、Ta、Ir、及びWのいずれかを添加した材料よりなる膜を第2の強誘電体膜50として形成してもよい。更に、(Bi1-xRx)Ti3O12(Rは希土類元素で0<x<1)、SrBi2Ta2O9(SBT)、及びSrBi4Ti4O15等のBi層状化合物の膜を第2の強誘電体膜50として形成してもよい。 The second ferroelectric film 50 is not limited to a PZT film. A film made of a material obtained by adding any of Ca, Sr, La, Nb, Ta, Ir, and W to PZT may be formed as the second ferroelectric film 50. Further, (Bi 1-x R x ) Ti 3 O 12 (R is a rare earth element 0 <x <1), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), and Bi layered compounds such as SrBi 4 Ti 4 O 15 The film may be formed as the second ferroelectric film 50.

既述のように、スパッタ法で形成されたPZTは成膜直後では結晶化していない。よって、この時点では、第2の強誘電体膜50は非晶質の状態となっている。   As described above, PZT formed by sputtering is not crystallized immediately after film formation. Therefore, at this time, the second ferroelectric film 50 is in an amorphous state.

また、第1の強誘電体膜49と同様に、0℃〜150℃程度の低い基板温度で第2の強誘電体膜50を形成することで、後述の結晶化アニール後の第2の強誘電体膜50のPZTの配向を(111)方向に揃えるのが好ましい。   Similarly to the first ferroelectric film 49, the second ferroelectric film 50 is formed at a low substrate temperature of about 0 ° C. to 150 ° C., so that the second strong film after crystallization annealing described later is formed. It is preferable to align the PZT orientation of the dielectric film 50 in the (111) direction.

0℃〜150℃の範囲のうち、150℃に近い温度で第2の強誘電体膜50を成膜する場合には、成膜時に第1の強誘電体膜49に熱が加わる。そのため、仮に図14(b)の第1のアニールを省いたとしても、本工程において第1の強誘電体膜49から不純物がある程度脱離する。よって、第1のアニールによる不純物脱離の実効を図るには、そのアニール時の基板温度を第2の強誘電体膜50の形成時の基板温度よりも高い温度、例えば150℃以上にするのが好ましい。   When the second ferroelectric film 50 is formed at a temperature close to 150 ° C. within the range of 0 ° C. to 150 ° C., heat is applied to the first ferroelectric film 49 at the time of film formation. Therefore, even if the first annealing of FIG. 14B is omitted, impurities are desorbed to some extent from the first ferroelectric film 49 in this step. Therefore, in order to effectively remove impurities by the first annealing, the substrate temperature at the time of annealing is set to a temperature higher than the substrate temperature at the time of forming the second ferroelectric film 50, for example, 150 ° C. or more. Is preferred.

但し、減圧雰囲気下で基板温度を水の沸点である100℃以上とすれば、第1の強誘電体膜49から水分や有機物が十分に脱離すると考えられるので、減圧雰囲気で第1のアニールを行うときは、そのときの基板温度を100℃以上としてもよい。   However, if the substrate temperature is set to 100 ° C. or more, which is the boiling point of water, in a reduced pressure atmosphere, it is considered that moisture and organic substances are sufficiently desorbed from the first ferroelectric film 49. Therefore, the first annealing is performed in the reduced pressure atmosphere. When performing, the substrate temperature at that time may be 100 ° C. or higher.

このようにして第2の強誘電体膜50を形成した後は、その上に上部電極用の第2の導電膜を形成する工程に移る。   After forming the second ferroelectric film 50 in this way, the process proceeds to a step of forming a second conductive film for the upper electrode thereon.

ところが、その第2の導電膜を成膜するためのチャンバが、上記の第2の強誘電体膜50の形成に使用したチャンバとは別の半導体製造装置に設けられている場合がある。この場合は、第2の強誘電体膜50を形成した後、大気中でシリコン基板30を搬送してその半導体製造装置に移す必要がある。   However, the chamber for forming the second conductive film may be provided in a semiconductor manufacturing apparatus different from the chamber used for forming the second ferroelectric film 50 described above. In this case, after forming the second ferroelectric film 50, it is necessary to transport the silicon substrate 30 in the atmosphere and transfer it to the semiconductor manufacturing apparatus.

そのため、搬送途中に第2の強誘電体膜50が大気中の不純物を吸収してしまい、その不純物が原因で膜剥がれが発生するおそれがある。   For this reason, the second ferroelectric film 50 absorbs impurities in the air during the conveyance, and there is a possibility that film peeling may occur due to the impurities.

そこで、本実施形態では、図15(b)に示すように、第2の導電膜を成膜するための半導体製造装置にシリコン基板30を搬送した後、その半導体製造装置に設けられているアニールチャンバを利用して第2の強誘電体膜50に対して第2のアニールを行う。これにより、第2の強誘電体膜50の膜中に含まれている水分や二酸化炭素等の不純物が膜外に脱離し、不純物に起因した膜剥がれを防止できる。   Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 15B, after the silicon substrate 30 is transferred to the semiconductor manufacturing apparatus for forming the second conductive film, the annealing provided in the semiconductor manufacturing apparatus is performed. Second annealing is performed on the second ferroelectric film 50 using the chamber. Thereby, impurities such as moisture and carbon dioxide contained in the second ferroelectric film 50 are desorbed outside the film, and film peeling due to the impurities can be prevented.

この第2のアニールの条件としては、第1の強誘電体膜49に対する第1のアニールと同様の条件を採用し得る。例えば、5×10-6〜1×10-3Pa程度の減圧雰囲気において処理時間を約60秒としてこのアニールを行うことができる。 As conditions for the second annealing, conditions similar to those for the first annealing for the first ferroelectric film 49 can be adopted. For example, this annealing can be performed in a reduced pressure atmosphere of about 5 × 10 −6 to 1 × 10 −3 Pa with a treatment time of about 60 seconds.

なお、第2のアニールのときの基板温度が第2の強誘電体膜50の結晶化温度(450℃)よりも高いと、第2のアニールによって第2の強誘電体膜50が結晶化し、その結晶粒界に空隙が形成されてしまう。しかしながら、その空隙に上部電極の材料が後で埋め込まれるとリークパスが形成され、第2の強誘電体膜50のリーク電流が増大してしまう。   If the substrate temperature during the second annealing is higher than the crystallization temperature (450 ° C.) of the second ferroelectric film 50, the second ferroelectric film 50 is crystallized by the second annealing, Voids are formed at the crystal grain boundaries. However, if the material of the upper electrode is buried in the gap later, a leak path is formed, and the leak current of the second ferroelectric film 50 increases.

そのため、第2のアニール時の基板温度は、第2の強誘電体膜50の結晶化温度よりも低い温度、例えば350℃以下とするのが好ましい。   Therefore, the substrate temperature during the second annealing is preferably lower than the crystallization temperature of the second ferroelectric film 50, for example, 350 ° C. or less.

一方、基板温度が低すぎると不純物脱離の効果が得られないので、100℃以上の基板温度で第2のアニールを行うのが好ましい。   On the other hand, if the substrate temperature is too low, the effect of impurity desorption cannot be obtained. Therefore, the second annealing is preferably performed at a substrate temperature of 100 ° C. or higher.

第2のアニールの雰囲気は特に限定されず、Ar、N2、及びO2のいずれかの非プラズマ雰囲気、若しくはO2プラズマ又はN2Oプラズマの雰囲気でこのアニールを行ってよい。 Atmosphere of the second annealing is not particularly limited, Ar, N 2, and any non-plasma atmosphere O 2, or in an atmosphere of O 2 plasma or N 2 O plasma may perform this anneal.

更に、アニールチャンバも特に限定されず、デガスチャンバのような加熱用チャンバを使用してもよいし、スパッタチャンバのヒーターステージを流用してアニールを行ってもよい。或いは、RTAチャンバや炉を用いてアニールを行ってもよい。   Further, the annealing chamber is not particularly limited, and a heating chamber such as a degas chamber may be used, or annealing may be performed using a heater stage of a sputtering chamber. Alternatively, annealing may be performed using an RTA chamber or a furnace.

この後に、図16(a)に示すように、上記の第2のアニールを行ったアニールチャンバと同一の半導体製造装置に設けられたスパッタチャンバにおいて、非晶質の第2の強誘電体膜50の上にスパッタ法により上部電極用の第2の導電膜51を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 16A, the amorphous second ferroelectric film 50 is formed in a sputtering chamber provided in the same semiconductor manufacturing apparatus as the annealing chamber in which the second annealing is performed. A second conductive film 51 for the upper electrode is formed thereon by sputtering.

このように第2のアニール時と同一の半導体製造装置を用いるので、第2の導電膜51の形成前に第2の強誘電体膜50が大気に曝されない。よって、大気中の不純物が第2の強誘電体膜50に吸収されず、先に不純物を脱離させるために行った第2のアニールの実益を確保することが可能となる。   As described above, since the same semiconductor manufacturing apparatus as in the second annealing is used, the second ferroelectric film 50 is not exposed to the atmosphere before the second conductive film 51 is formed. Therefore, the impurities in the atmosphere are not absorbed by the second ferroelectric film 50, and it is possible to secure the actual benefit of the second annealing performed to remove the impurities first.

但し、第2の強誘電体膜50を大気に曝しても、膜中に取り込まれた不純物による膜剥がれが顕著に発生しない場合には、シリコン基板30を大気中で搬送して第2のアニールとは別の半導体製造装置において第2の導電膜51を形成してもよい。   However, even if the second ferroelectric film 50 is exposed to the atmosphere, if the film peeling due to the impurities incorporated in the film does not occur remarkably, the silicon substrate 30 is transported in the atmosphere and the second annealing is performed. The second conductive film 51 may be formed in a different semiconductor manufacturing apparatus.

第2の導電膜51としては、例えば、アルゴンガスと酸素ガスとの混合雰囲気中でイリジウムターゲットをスパッタすることにより、厚さ約50nmの酸化イリジウム膜を形成し得る。   As the second conductive film 51, for example, an iridium oxide film having a thickness of about 50 nm can be formed by sputtering an iridium target in a mixed atmosphere of argon gas and oxygen gas.

なお、第2の導電膜51の成膜温度は、第1及び第2の強誘電体膜49、50の残留分極電荷量とリーク電流の双方に影響を与える。   The film formation temperature of the second conductive film 51 affects both the residual polarization charge amount and the leakage current of the first and second ferroelectric films 49 and 50.

例えば、第2の導電膜51の成膜温度が高くなると、リーク電流が増大するのに対し、残留分極電荷量は増大する。これとは逆に、成膜温度が低くなると、リーク電流が減少して残留分極電荷量が増大する。   For example, as the film forming temperature of the second conductive film 51 increases, the leakage current increases while the residual polarization charge amount increases. On the contrary, when the film forming temperature is lowered, the leakage current is reduced and the residual polarization charge amount is increased.

第2の導電膜51の成膜温度は、残留分極電荷量とリーク電流のどちらを優先させるかにより定められる。本実施形態では、リーク電流の低減を優先させ、室温(20℃)程度の成膜温度で第2の導電膜51を形成する。   The film formation temperature of the second conductive film 51 is determined depending on which of the residual polarization charge amount and the leakage current is prioritized. In the present embodiment, priority is given to the reduction of leakage current, and the second conductive film 51 is formed at a film formation temperature of about room temperature (20 ° C.).

既述のように、第2のアニール(図15(b))における基板温度の上限を350℃と低くしたので、アニール後にシリコン基板30が第2の導電膜51の成膜温度に好適な室温まで自然冷却するのに長時間を要せず、半導体装置の量産効率の低下を防止できる。   As described above, since the upper limit of the substrate temperature in the second annealing (FIG. 15B) is lowered to 350 ° C., the room temperature suitable for the film formation temperature of the second conductive film 51 after the annealing is suitable for the silicon substrate 30. Therefore, it does not take a long time to naturally cool the semiconductor device, and it is possible to prevent a decrease in mass production efficiency of the semiconductor device.

続いて、図16(b)に示すように、非晶質の第2の強誘電体膜50に対して酸素含有雰囲気中で結晶化アニールを行い、第2の強誘電体膜50中のPZTを結晶化させると共に、その下の第1の強誘電体膜49の結晶性を更に高める。   Subsequently, as shown in FIG. 16B, crystallization annealing is performed on the amorphous second ferroelectric film 50 in an oxygen-containing atmosphere, so that PZT in the second ferroelectric film 50 is obtained. Is crystallized, and the crystallinity of the first ferroelectric film 49 thereunder is further enhanced.

この結晶化アニールの条件は特に限定されないが、本実施形態では基板温度を約710℃、処理時間を120秒とする。更に、アニール雰囲気として、酸素濃度が流量比で1%に調整された酸素ガスとアルゴンガスとの混合雰囲気を用いる。   The conditions for this crystallization annealing are not particularly limited, but in this embodiment, the substrate temperature is about 710 ° C. and the processing time is 120 seconds. Furthermore, as the annealing atmosphere, a mixed atmosphere of oxygen gas and argon gas whose oxygen concentration is adjusted to 1% by flow rate ratio is used.

この結晶化アニールの初期の時点では第2の強誘電体膜50は結晶化しておらず非晶質なので、第2の導電膜51の酸化イリジウムが第2の強誘電体膜50の結晶粒界に拡散し難い。これにより、拡散した酸化イリジウムが原因で第2の強誘電体膜50の膜中にリークパスが発生するのを抑制することができる。   Since the second ferroelectric film 50 is not crystallized and is amorphous at the initial stage of the crystallization annealing, iridium oxide of the second conductive film 51 becomes a grain boundary of the second ferroelectric film 50. Difficult to spread. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of a leak path in the second ferroelectric film 50 due to the diffused iridium oxide.

また、本実施形態では、図14(b)と図15(b)の工程において、第1の強誘電体膜49をアニールしてその膜中に含まれていた大気中の不純物を予め脱離させておいた。そのため、第2の強誘電体膜50に対する結晶化アニールの際に、上記の不純物が原因で第2の強誘電体膜50と第2の導電膜51とが膜剥がれを起こすのを防止することが可能となる。   In this embodiment, in the steps of FIGS. 14B and 15B, the first ferroelectric film 49 is annealed to previously desorb impurities contained in the film. I was allowed to. Therefore, when the crystallization annealing is performed on the second ferroelectric film 50, the second ferroelectric film 50 and the second conductive film 51 are prevented from peeling off due to the impurities described above. Is possible.

更に、この結晶化アニールにより、第2の導電膜51を通じてアニール雰囲気中の酸素が第2の強誘電体膜50に供給され、第2の強誘電体膜50の酸素欠損が補われるという利点も得られる。このような利点を得るために、第2の導電膜51の厚さは酸素が透過しやすいようになるべく薄く、例えば10〜100nmとするのが好ましい。   Furthermore, this crystallization annealing also provides an advantage that oxygen in the annealing atmosphere is supplied to the second ferroelectric film 50 through the second conductive film 51, and oxygen vacancies in the second ferroelectric film 50 are compensated. can get. In order to obtain such advantages, the thickness of the second conductive film 51 is preferably as thin as possible so that oxygen can easily permeate, for example, 10 to 100 nm.

但し、このように薄い第2の導電膜51が第2の強誘電体膜50上に形成されただけでは、後のエッチング工程におけるダメージが第2の導電膜51だけで吸収しきれず、第1及び第2の強誘電体膜49、50が劣化するおそれがある。   However, if the thin second conductive film 51 is formed on the second ferroelectric film 50 in this way, damage in the subsequent etching process cannot be absorbed by the second conductive film 51 alone, and the first In addition, the second ferroelectric films 49 and 50 may be deteriorated.

そこで、次の工程では、図17(a)に示すように、第1及び第2の強誘電体膜49、50を保護するための導電性保護膜52として、第2の導電膜51の上にスパッタ法で酸化イリジウム膜を厚さ約200nmに形成する。   Therefore, in the next step, as shown in FIG. 17A, a conductive protective film 52 for protecting the first and second ferroelectric films 49 and 50 is formed on the second conductive film 51. Then, an iridium oxide film having a thickness of about 200 nm is formed by sputtering.

この後に、第1及び第2の強誘電体膜49、50を形成するときにシリコン基板30の裏面に付着したPZTを洗浄して除去する。   Thereafter, the PZT adhering to the back surface of the silicon substrate 30 when the first and second ferroelectric films 49 and 50 are formed is cleaned and removed.

続いて、図17(b)に示すように、ハードマスク53としてスパッタ法により窒化チタン膜を厚さ約34nmに形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 17B, a titanium nitride film is formed to a thickness of about 34 nm as a hard mask 53 by sputtering.

この窒化チタン膜は、例えば、基板温度を200℃とし、流量が30sccmのアルゴンガスと流量が90nmの窒素ガスとの混合雰囲気中でチタンターゲットをスパッタすることにより形成され得る。   This titanium nitride film can be formed, for example, by sputtering a titanium target in a mixed atmosphere of argon gas having a substrate temperature of 200 ° C. and a flow rate of 30 sccm and a nitrogen gas having a flow rate of 90 nm.

また、ハードマスク53は窒化チタン膜に限定されず、TaN、TiON、TiOx、TaOx、TaON、TiAlOx、TaAlOx、TiAlON、TaAlON、TiSiON、TaSiON、TiSiOx、AlOx、及びZrOxのいずれかよりなる膜をハードマスク53として形成してもよい。   The hard mask 53 is not limited to the titanium nitride film, and a hard film made of any of TaN, TiON, TiOx, TaOx, TaON, TiAlOx, TaAlOx, TiAlON, TaAlON, TiSiON, TaSiON, TiSiOx, AlOx, and ZrOx is hard. A mask 53 may be formed.

この後に、ハードマスク53の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第1のレジストパターン57を形成する。   Thereafter, a photoresist is applied on the hard mask 53, and is exposed and developed to form a first resist pattern 57.

次に、図18(a)に示すように、第1のレジストパターン57をマスクにしてハードマスク53を島状にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 18A, the hard mask 53 is patterned in an island shape using the first resist pattern 57 as a mask.

そして、図18(b)に示すように、島状のハードマスク53をマスクにして第2の導電膜51と導電性保護膜52とをドライエッチングし、エッチングされずに残存するこれらの膜51、52を上部電極63とする。   Then, as shown in FIG. 18B, the second conductive film 51 and the conductive protective film 52 are dry-etched using the island-shaped hard mask 53 as a mask, and these films 51 remaining without being etched. , 52 are upper electrodes 63.

このようにハードマスク53を用いることで、第1のレジストパターン57のみで各膜51、52をエッチングする場合よりもこれらの膜を綺麗にパターニングすることができる。   By using the hard mask 53 in this manner, these films can be patterned more finely than when the films 51 and 52 are etched only by the first resist pattern 57.

この後に、第1のレジストパターン57を除去し、更にハードマスク53をドライエッチングにより除去する。   Thereafter, the first resist pattern 57 is removed, and the hard mask 53 is further removed by dry etching.

次いで、図19(a)に示すように、ここまでの工程で第1及び第2の強誘電体膜49、50が受けたダメージを回復させるために、これらの強誘電体膜49、50に対して酸素含有雰囲気中でアニールを行う。   Next, as shown in FIG. 19A, in order to recover the damage received by the first and second ferroelectric films 49 and 50 in the steps so far, the ferroelectric films 49 and 50 are formed on the ferroelectric films 49 and 50. On the other hand, annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere.

このようなアニールは、回復アニールと呼ばれ、本実施形態では600〜700℃、例えば650℃の基板温度で約40分間行われる。   Such annealing is called recovery annealing, and in this embodiment is performed at a substrate temperature of 600 to 700 ° C., for example, 650 ° C., for about 40 minutes.

次に、図19(b)に示すように、シリコン基板30の上側全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第2のレジストパターン58を形成する。   Next, as shown in FIG. 19B, a photoresist is applied to the entire upper surface of the silicon substrate 30, and is exposed and developed to form a second resist pattern 58.

そして、図20(a)に示すように、第2のレジストパターン58をマスクにして第1及び第2の強誘電体膜49、50をドライエッチングする。これにより、これらの強誘電体膜49、50を有するキャパシタ誘電体膜62が上部電極63の下に形成される。   Then, as shown in FIG. 20A, the first and second ferroelectric films 49 and 50 are dry-etched using the second resist pattern 58 as a mask. As a result, a capacitor dielectric film 62 having these ferroelectric films 49 and 50 is formed under the upper electrode 63.

この後に、第2のレジストパターン58は除去される。   Thereafter, the second resist pattern 58 is removed.

なお、第2のレジストパターン58を除去した後に、キャパシタ誘電体膜62に対して回復アニールを行ってもよい。その回復アニールは、酸素含有雰囲気において基板温度を300〜400℃、処理時間を30〜120分として行われる。   Note that recovery annealing may be performed on the capacitor dielectric film 62 after the second resist pattern 58 is removed. The recovery annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere at a substrate temperature of 300 to 400 ° C. and a processing time of 30 to 120 minutes.

次いで、図20(b)に示すように、第1の導電膜48、キャパシタ誘電体膜62、及び上部電極63のそれぞれの上にCVD法又はスパッタ法によりアルミナ膜を20〜50nm程度の厚さに形成し、そのアルミナ膜を第1の水素バリア絶縁膜65とする。   Next, as shown in FIG. 20B, an alumina film is formed on each of the first conductive film 48, the capacitor dielectric film 62, and the upper electrode 63 by a CVD method or a sputtering method to a thickness of about 20 to 50 nm. The alumina film is used as a first hydrogen barrier insulating film 65.

この第1の水素バリア絶縁膜65は、水素や水分等の還元性物質がキャパシタ誘電体膜62に侵入にするのを阻止し、これらの物質によってキャパシタ誘電体膜62が還元されて劣化するのを防止する役割を担う。   The first hydrogen barrier insulating film 65 prevents reducing substances such as hydrogen and moisture from entering the capacitor dielectric film 62, and the capacitor dielectric film 62 is reduced and deteriorated by these substances. Play a role to prevent.

そして、酸素含有雰囲気において基板温度400〜600℃、処理時間30〜120分程度の回復アニールをキャパシタ誘電体膜62に対して行う。   Then, recovery annealing is performed on the capacitor dielectric film 62 at a substrate temperature of 400 to 600 ° C. and a processing time of about 30 to 120 minutes in an oxygen-containing atmosphere.

その後に、この第1の水素バリア絶縁膜65の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第3のレジストパターン66を形成する。   Thereafter, a photoresist is applied on the first hydrogen barrier insulating film 65, and is exposed and developed to form a third resist pattern 66.

次に、図21(a)に示すように、第3のレジストパターン66をマスクにして第1の水素バリア絶縁膜65と第1の導電膜48とをドライエッチングし、キャパシタ誘電体膜62の下に下部電極61を形成する。   Next, as shown in FIG. 21A, the first hydrogen barrier insulating film 65 and the first conductive film 48 are dry-etched using the third resist pattern 66 as a mask to form the capacitor dielectric film 62. A lower electrode 61 is formed below.

なお、このドライエッチングでは、下部電極61で覆われていない部分の下部電極密着膜47もエッチングされて除去される。   In this dry etching, the portion of the lower electrode adhesion film 47 not covered with the lower electrode 61 is also etched away.

そして、第3のレジストパターン66を除去した後、基板温度300〜400℃、処理時間30〜60分間の条件でキャパシタ誘電体膜62に対して回復アニールを行う。   Then, after removing the third resist pattern 66, recovery annealing is performed on the capacitor dielectric film 62 under conditions of a substrate temperature of 300 to 400 ° C. and a processing time of 30 to 60 minutes.

ここまでの工程により、シリコン基板30のセル領域に、下部電極61、キャパシタ誘電体膜62、及び上部電極63を有する強誘電体キャパシタQが形成されたことになる。   Through the steps so far, the ferroelectric capacitor Q having the lower electrode 61, the capacitor dielectric film 62, and the upper electrode 63 is formed in the cell region of the silicon substrate 30.

次いで、図21(b)に示すように、シリコン基板30の上側全面にスパッタ法又はCVD法によりアルミナ膜を厚さ約20nmに形成し、そのアルミナ膜を第2の水素バリア絶縁膜70とする。   Next, as shown in FIG. 21B, an alumina film is formed to a thickness of about 20 nm on the entire upper surface of the silicon substrate 30 by sputtering or CVD, and the alumina film is used as the second hydrogen barrier insulating film 70. .

第2の水素バリア絶縁膜70は、第1の水素バリア絶縁膜65と同様に、水素や水分等の還元性物質からキャパシタ誘電体膜62を保護する役割を担う。   Similar to the first hydrogen barrier insulating film 65, the second hydrogen barrier insulating film 70 plays a role of protecting the capacitor dielectric film 62 from reducing substances such as hydrogen and moisture.

この後に、酸素含有雰囲気中において基板温度を500〜700℃、処理時間を30〜60分間とする条件で、キャパシタ誘電体膜62に対して回復アニールを行う。このような回復アニールにより、アニール雰囲気中の酸素によってキャパシタ誘電体膜62の酸素欠損が補われ、キャパシタ誘電体膜62の強誘電体特性が回復する。   Thereafter, recovery annealing is performed on the capacitor dielectric film 62 under conditions where the substrate temperature is 500 to 700 ° C. and the processing time is 30 to 60 minutes in an oxygen-containing atmosphere. By such recovery annealing, oxygen in the capacitor dielectric film 62 is supplemented by oxygen in the annealing atmosphere, and the ferroelectric characteristics of the capacitor dielectric film 62 are recovered.

次に、図22(a)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。   Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.

まず、第2の水素バリア絶縁膜70の上に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により、第2の層間絶縁膜71として酸化シリコン膜を厚さ約1400nmに形成する。   First, a silicon oxide film having a thickness of about 1400 nm is formed on the second hydrogen barrier insulating film 70 as the second interlayer insulating film 71 by plasma CVD using TEOS gas.

そして、この第2の層間絶縁膜71の上面をCMP法により研磨して平坦化した後、N2Oプラズマ処理若しくはN2プラズマ処理により第2の層間絶縁膜71を脱水すると共に、その上面を窒化して水分の再吸着を防止する。 Then, the upper surface of the second interlayer insulating film 71 is polished and flattened by the CMP method, and then the second interlayer insulating film 71 is dehydrated by N 2 O plasma treatment or N 2 plasma treatment, and the upper surface thereof is removed. Nitrid to prevent moisture re-adsorption.

この脱水処理の条件は特に限定されないが、例えば、基板温度は約350℃、処理時間は約2分間とされる。   The conditions for this dehydration treatment are not particularly limited, but for example, the substrate temperature is about 350 ° C. and the treatment time is about 2 minutes.

次いで、第2の層間絶縁膜71の上に、スパッタ法又はCVD法により第3の水素バリア絶縁膜72としてアルミナ膜を厚さ約20〜50nmに形成する。   Next, an alumina film having a thickness of about 20 to 50 nm is formed on the second interlayer insulating film 71 as the third hydrogen barrier insulating film 72 by sputtering or CVD.

更に、この第3の水素バリア絶縁膜72の上に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により酸化シリコン膜を厚さ約20〜50nmに形成し、この酸化シリコン膜をキャップ絶縁膜73とする。   Further, a silicon oxide film having a thickness of about 20 to 50 nm is formed on the third hydrogen barrier insulating film 72 by a plasma CVD method using TEOS gas, and this silicon oxide film is used as a cap insulating film 73.

次に、図22(b)に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより各絶縁膜45、46、65、70〜73をドライエッチングする。これにより、第1の導電性プラグ43の上には第1のホール71aが形成され、キャパシタQの上部電極63と下部電極61の上にはそれぞれ第2及び第3のホール71b、71cが形成される。   Next, as shown in FIG. 22B, the insulating films 45, 46, 65, and 70 to 73 are dry-etched by photolithography and etching. As a result, a first hole 71a is formed on the first conductive plug 43, and second and third holes 71b and 71c are formed on the upper electrode 63 and the lower electrode 61 of the capacitor Q, respectively. Is done.

この後に、酸素含有雰囲気中で基板温度を400〜600℃、処理時間を30〜120分とする回復アニールを行う。この回復アニールによりキャパシタ誘電体膜62の酸素欠損が補われ、キャパシタ誘電体膜62の強誘電体特性が回復する。   Thereafter, recovery annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere at a substrate temperature of 400 to 600 ° C. and a processing time of 30 to 120 minutes. This recovery annealing compensates for oxygen vacancies in the capacitor dielectric film 62 and restores the ferroelectric characteristics of the capacitor dielectric film 62.

なお、酸素含有雰囲気に代えてオゾン雰囲気でこの回復アニールを行うようにしてもよい。   Note that this recovery annealing may be performed in an ozone atmosphere instead of the oxygen-containing atmosphere.

次いで、図23(a)に示すように、各ホール71a〜71cの内面とキャップ絶縁膜73の上面に、スパッタ法によりグルー膜75として窒化チタン膜を50〜150nm程度の厚さに形成する。   Next, as shown in FIG. 23A, a titanium nitride film as a glue film 75 is formed to a thickness of about 50 to 150 nm on the inner surfaces of the holes 71a to 71c and the upper surface of the cap insulating film 73 by sputtering.

ここで、第1の導電性プラグ43上の第1のホール71aは、他のホール71b、71cよりもアスペクト比が高い。したがって、SIP (Self Ionized Plasma)技術を用いたスパッタ法のように、アスペクト比が高いホールに良好なカバレッジで成膜可能なスパッタ法でこのグルー膜75を形成するのが好ましい。   Here, the first hole 71a on the first conductive plug 43 has a higher aspect ratio than the other holes 71b and 71c. Therefore, it is preferable to form the glue film 75 by a sputtering method capable of forming a film with good coverage in a hole having a high aspect ratio, such as a sputtering method using SIP (Self Ionized Plasma) technology.

なお、グルー膜75を形成する前に、不活性雰囲気中又は減圧雰囲気中において第2の層間絶縁膜71をアニールして脱ガスさせてもよい。更に、この脱ガスの後に各ホール71a〜71cの内面をRFエッチングすることにより、第1の導電性プラグ43の上面の自然酸化膜を除去してもよい。   Note that before the glue film 75 is formed, the second interlayer insulating film 71 may be annealed and degassed in an inert atmosphere or a reduced pressure atmosphere. Furthermore, the natural oxide film on the upper surface of the first conductive plug 43 may be removed by RF etching the inner surfaces of the holes 71a to 71c after the degassing.

また、グルー膜75は窒化チタン膜に限定されない。窒化チタン膜に代えて、TaN、CrN、HfN、ZrN、TiAlN、TaAlN、TiSiN、TaSiN、CrAlN、HfAlN、ZrAlN、TiON、TaON、CrON、HfON、ZrON、TiAlON、TaAlON、CrAlON、HfAlON、ZrAlON、TiSiON、TaSiON、Ir、Ru、IrOx、RuOxのいずれかよりなる膜をグルー膜75として形成してもよい。更に、Ti膜とTiN膜との積層膜、Ti膜とTaN膜との積層膜、Ta膜とTiN膜との積層膜、Ta膜とTaN膜との積層膜をグルー膜75として形成してもよい。   The glue film 75 is not limited to a titanium nitride film. Instead of titanium nitride film, TaN, CrN, HfN, ZrN, TiAlN, TaAlN, TiSiN, TaSiN, CrAlN, HfAlN, ZrAlN, TiON, TaON, CrON, HfON, ZrON, TiAlON, TaAlON, CrAlON, HfAlON, ZrAlON, TiSiON A film made of any of TaSiON, Ir, Ru, IrOx, and RuOx may be formed as the glue film 75. Further, a laminated film of a Ti film and a TiN film, a laminated film of a Ti film and a TaN film, a laminated film of a Ta film and a TiN film, or a laminated film of a Ta film and a TaN film may be formed as the glue film 75. Good.

次に、図23(b)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。   Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.

まず、グルー膜75の上にCVD法でタングステン膜76を厚さ約300nmに形成し、そのタングステン膜で各ホール71a〜71cを完全に埋め込む。なお、タングステン膜76に代えてポリシリコン膜を形成してもよい。   First, a tungsten film 76 having a thickness of about 300 nm is formed on the glue film 75 by a CVD method, and the holes 71a to 71c are completely filled with the tungsten film. Instead of the tungsten film 76, a polysilicon film may be formed.

そして、キャップ絶縁膜73の上の余分なタングステン膜76とグルー膜75とをCMPにより研磨して除去し、これらの膜を各ホール71a〜71c内のみに第2の導電性プラグ77として残す。   Then, excess tungsten film 76 and glue film 75 on cap insulating film 73 are removed by polishing with CMP, and these films are left as second conductive plugs 77 only in holes 71a to 71c.

この後に、アルゴンプラズマを用いたエッチングにより第2の導電性プラグ77の上面の自然酸化膜を除去する。   Thereafter, the natural oxide film on the upper surface of the second conductive plug 77 is removed by etching using argon plasma.

次いで、図24に示すように、第2の導電性プラグ77とキャップ絶縁膜73の上に金属積層膜を形成し、この金属積層膜をパターニングして一層目金属配線78を形成する。   Next, as shown in FIG. 24, a metal laminated film is formed on the second conductive plug 77 and the cap insulating film 73, and this metal laminated film is patterned to form a first metal wiring 78.

その金属積層膜として、例えば、スパッタ法により厚さ約50nmの窒化チタン膜、厚さ約550nmの銅含有アルミニウム膜、厚さ約5nmのチタン膜、及び厚さ約50nmの窒化チタン膜をこの順に形成する。   As the metal laminated film, for example, a titanium nitride film having a thickness of about 50 nm, a copper-containing aluminum film having a thickness of about 550 nm, a titanium film having a thickness of about 5 nm, and a titanium nitride film having a thickness of about 50 nm are formed in this order by sputtering. Form.

更に、この一層目金属配線78の上に、図示のように第3〜第6の層間絶縁膜83〜86と二層目〜五層目金属配線79〜82を交互に積層して多層配線構造を形成する。   Further, on this first layer metal wiring 78, as shown in the figure, third to sixth interlayer insulating films 83 to 86 and second to fifth layer metal wirings 79 to 82 are alternately laminated to form a multilayer wiring structure. Form.

そして、最上層の五層目金属配線82の上に、酸化シリコンよりなる第1のパッシベーション膜87と窒化シリコンよりなる第2のパッシベーション膜88をこの順に形成する。   Then, a first passivation film 87 made of silicon oxide and a second passivation film 88 made of silicon nitride are formed in this order on the uppermost fifth-layer metal wiring 82.

その後、第2のパッシベーション膜88の上にポリイミド塗膜を形成し、それを熱硬化させて保護絶縁膜89とする。   Thereafter, a polyimide coating film is formed on the second passivation film 88 and thermally cured to form a protective insulating film 89.

以上により、本実施形態に係る半導体装置の基本構造が完成した。   Thus, the basic structure of the semiconductor device according to this embodiment is completed.

図25は、上記した半導体装置の製造工程の主要ステップを示すフローチャートである。   FIG. 25 is a flowchart showing the main steps of the manufacturing process of the semiconductor device described above.

これに示されるように、本実施形態では、ステップS1で非晶質の第1の強誘電体膜49を形成し(図13(b))、ステップS2において結晶化アニールにより第1の強誘電体膜49を結晶化する(図14(a))。なお、MOCVD法により成膜時点で既に結晶化している第1の強誘電体膜49を形成する場合は、ステップS2は不要である。   As shown in this, in the present embodiment, an amorphous first ferroelectric film 49 is formed in step S1 (FIG. 13B), and the first ferroelectric is formed by crystallization annealing in step S2. The body film 49 is crystallized (FIG. 14A). If the first ferroelectric film 49 that has already been crystallized at the time of film formation is formed by the MOCVD method, step S2 is not necessary.

そして、ステップS3において、結晶化した第1の強誘電体膜49に対して第1のアニールを行うことで(図14(b))、第1の強誘電体膜49が吸収した大気中の水分や二酸化炭素等の不純物を脱離させる。   In step S3, the first annealing is performed on the crystallized first ferroelectric film 49 (FIG. 14B), so that the first ferroelectric film 49 absorbs the air in the atmosphere. Remove impurities such as moisture and carbon dioxide.

その後、ステップS4に移り、第1の強誘電体膜49の上に非晶質の第2の強誘電体膜50を形成する(図15(a))。   Thereafter, the process proceeds to step S4, and an amorphous second ferroelectric film 50 is formed on the first ferroelectric film 49 (FIG. 15A).

ステップS3とステップS4は、同一の半導体製造装置を用いることにより連続的に処理され、各ステップ間で第1の強誘電体膜49が大気に曝されることはない。   Steps S3 and S4 are continuously processed by using the same semiconductor manufacturing apparatus, and the first ferroelectric film 49 is not exposed to the atmosphere between the steps.

次いで、ステップS5に移り、非晶質の第2の強誘電体膜50に対してアニールを行うことで(図15(b))、第1及び第2の強誘電体膜49、50に残留する大気中の不純物を脱離させる。   Next, the process proceeds to step S5, where the amorphous second ferroelectric film 50 is annealed (FIG. 15B), so that it remains in the first and second ferroelectric films 49 and 50. To remove impurities in the atmosphere.

そして、ステップS6に移り、第2の強誘電体膜50の上に第2の導電膜51を形成する(図16(a))。   Then, the process proceeds to step S6, and the second conductive film 51 is formed on the second ferroelectric film 50 (FIG. 16A).

ステップS5とステップS6は、同一の半導体製造装置を用いることにより連続的に処理され、各ステップ間で第2の強誘電体膜50は大気に曝されない。   Steps S5 and S6 are continuously processed by using the same semiconductor manufacturing apparatus, and the second ferroelectric film 50 is not exposed to the atmosphere between the steps.

その後にステップS7において第2の強誘電体膜50に対して結晶化アニールを行う(図16(b))。   Thereafter, crystallization annealing is performed on the second ferroelectric film 50 in step S7 (FIG. 16B).

このように、本実施形態では、ステップS3(図14(b))において、結晶化した第1の強誘電体膜49に吸着した大気中の不純物を第1のアニールにより脱離させる。これにより、ステップS7の結晶化アニール(図16(b))において、その不純物が原因で第2の強誘電体膜50と第2の強誘電体膜51との界面で膜剥がれが発生するのを防止できる。その結果、膜剥がれに起因した欠陥の数を低減でき、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。   Thus, in the present embodiment, in step S3 (FIG. 14B), impurities in the atmosphere adsorbed on the crystallized first ferroelectric film 49 are desorbed by the first annealing. Thereby, in the crystallization annealing in step S7 (FIG. 16B), film peeling occurs at the interface between the second ferroelectric film 50 and the second ferroelectric film 51 due to the impurities. Can be prevented. As a result, the number of defects due to film peeling can be reduced, and the reliability of the semiconductor device can be improved.

ところで、不純物を脱離させるアニールとしては、ステップS3の第1のアニール(図14(b))の他に、ステップS5の第2のアニール(図15(b))もある。   By the way, as the annealing for desorbing impurities, in addition to the first annealing in step S3 (FIG. 14B), there is also the second annealing in step S5 (FIG. 15B).

上記のように、第1のアニールは、結晶化した第1の強誘電体膜49に対して行うものである。そして、第2のアニールは、非晶質の第2の強誘電体膜50に対して行うものである。   As described above, the first annealing is performed on the crystallized first ferroelectric film 49. The second annealing is performed on the amorphous second ferroelectric film 50.

本願発明者は、これらのアニールのうち、どちらのアニールが欠陥の低減に有効なのかについて以下のような調査を行った。   The inventor of the present application conducted the following investigation as to which of these annealings is effective in reducing defects.

図26は、25枚のシリコン基板30の面内における膜剥がれによる欠陥の数を調査して得られたグラフである。   FIG. 26 is a graph obtained by investigating the number of defects due to film peeling in the plane of 25 silicon substrates 30.

同図の横軸は、1ロット内におけるウエハ(シリコン基板)の番号を示す。そして、縦軸は、膜剥がれによる欠陥数を示す。   The horizontal axis of the figure shows the number of the wafer (silicon substrate) in one lot. The vertical axis indicates the number of defects due to film peeling.

ここで、ハッチング付きのグラフで示されるウエハに対しては、図14(b)の第1のアニールと図15(b)の第2のアニールのどちらも行わなかった。   Here, neither the first annealing shown in FIG. 14B nor the second annealing shown in FIG. 15B was performed on the wafer shown by the hatched graph.

一方、ハッチングのないグラフに対しては、第2のアニールのみを行い、第1のアニールを行わなかった。   On the other hand, only the second annealing was performed on the graph without hatching, and the first annealing was not performed.

また、25枚のいずれのウエハに対しても、図14(a)のようにして第1の強誘電体膜49に対して結晶化アニールをした後、第1の強誘電体膜49を3時間大気に曝し、その後に第2の強誘電体膜50を形成した。そして、第2の強誘電体膜50を形成した後は、シリコン基板30を大気中に一日放置した。   For any of the 25 wafers, after the crystallization annealing is performed on the first ferroelectric film 49 as shown in FIG. The second ferroelectric film 50 was formed after the time exposure to the atmosphere. Then, after forming the second ferroelectric film 50, the silicon substrate 30 was left in the atmosphere for one day.

その結果、図26に示されるように、二つのアニールのいずれも行わないウエハでは、膜剥がれに伴う欠陥が多数発生し、ウエハの中には面内に300個を超える欠陥が発生するものもある。   As a result, as shown in FIG. 26, a wafer that does not undergo either of the two annealings has many defects due to film peeling, and some of the wafers have more than 300 defects in the plane. is there.

これに対し、非晶質の第2の強誘電体膜50に対する第2のアニール(図15(b))を行ったウエハでは、アニールを行わない場合よりも欠陥の数が低減している。   On the other hand, the number of defects is reduced in the wafer subjected to the second annealing (FIG. 15B) for the amorphous second ferroelectric film 50 as compared with the case where the annealing is not performed.

次の表1は、この調査に基づいて、ウエハ面内の欠陥数の平均値と標準偏差(σ)とを算出して得られた表である。   Table 1 below is a table obtained by calculating the average value and standard deviation (σ) of the number of defects in the wafer surface based on this investigation.

Figure 2009302304
これに示されるように、非晶質の第2の強誘電体膜50に対してアニールを行うことで、アニールをしない場合よりも欠陥数の平均値が少なくなる。
Figure 2009302304
As shown in the figure, by performing the annealing on the amorphous second ferroelectric film 50, the average number of defects is reduced as compared with the case where the annealing is not performed.

但し、第2のアニールを行っても一枚あたり平均で13.4個の欠陥が発生しており、このアニールだけでは十分に欠陥を低減することができない。   However, even if the second annealing is performed, an average of 13.4 defects are generated per sheet, and the defects cannot be sufficiently reduced by this annealing alone.

図27は、上記の図26で調査したウエハのうち、ウエハ番号が11番のウエハマップである。このウエハマップにおいて、黒印が膜剥がれによる欠陥を示す。   FIG. 27 is a wafer map of wafer number 11 among the wafers investigated in FIG. In this wafer map, black marks indicate defects due to film peeling.

このウエハは、非晶質の第2の強誘電体膜50に対して第2のアニールを行ったものであるが、ウエハ中央部に欠陥が発生している。   This wafer is obtained by subjecting the amorphous second ferroelectric film 50 to the second annealing, but has a defect at the center of the wafer.

図28は、その欠陥の一つをSEMにより観察して得られた平面像である。同図のように、この欠陥は、膜剥がれによって発生した膜の膨らみである。   FIG. 28 is a planar image obtained by observing one of the defects by SEM. As shown in the figure, this defect is a film bulge caused by film peeling.

一方、図29は、本実施形態のように、結晶化した第1の強誘電体膜49に対する第1のアニール(図14(b))と、非晶質の第2の強誘電体膜50に対する第2のアニール(図15(b))の両方を行った場合のウエハマップである。   On the other hand, FIG. 29 shows the first annealing (FIG. 14B) for the crystallized first ferroelectric film 49 and the amorphous second ferroelectric film 50 as in the present embodiment. 16 is a wafer map when both of the second annealing (FIG. 15B) are performed.

この調査では、図14(a)のようにして第1の強誘電体膜49に対して結晶化アニールをした後、第1の強誘電体膜49を三日間大気に曝し、その後に図14(b)の第1のアニールを行った。そして、この第1のアニールの後に第2の強誘電体膜50を形成し、シリコン基板30を一旦大気に出した後、更に第2の強誘電体膜50に対して図15(b)の第2のアニールを行った。   In this investigation, after the crystallization annealing is performed on the first ferroelectric film 49 as shown in FIG. 14A, the first ferroelectric film 49 is exposed to the atmosphere for three days, and thereafter, FIG. The first annealing of (b) was performed. Then, after the first annealing, a second ferroelectric film 50 is formed, and after the silicon substrate 30 is once exposed to the atmosphere, the second ferroelectric film 50 is further formed with respect to the second ferroelectric film 50 as shown in FIG. A second anneal was performed.

図29に示されるように、第1及び第2のアニールの両方を行うと、膜剥がれに伴う欠陥がウエハ面内に発生しなかった。   As shown in FIG. 29, when both the first annealing and the second annealing were performed, defects due to film peeling did not occur in the wafer surface.

この結果から、結晶化した第1の強誘電体膜49に対する第1のアニール(図14(b))が、膜剥がれの防止に効果的であることが裏付けられた。   From this result, it was confirmed that the first annealing (FIG. 14B) for the crystallized first ferroelectric film 49 is effective in preventing film peeling.

これは、図8及び図9を参照して説明したように、結晶化しているPZTの方が、非晶質のPZTよりも大気中の不純物を吸収し易いため、結晶化したPZTに対してアニールを行った方が不純物の脱離が促進されるためと推測される。   As described with reference to FIG. 8 and FIG. 9, the crystallized PZT is easier to absorb impurities in the atmosphere than the amorphous PZT. It is presumed that the annealing is promoted to remove impurities.

よって、非晶質の第2の強誘電体膜50に対する第2のアニール(図15(b))を省き、結晶化した第1の強誘電体膜49に対する第1のアニール(図14(b))のみを行っても、膜剥がれに伴う欠陥をある程度は低減できると期待される。   Therefore, the second annealing (FIG. 15B) for the amorphous second ferroelectric film 50 is omitted, and the first annealing for the crystallized first ferroelectric film 49 (FIG. 14B). )) Alone, it is expected that defects due to film peeling can be reduced to some extent.

次に、本実施形態の変形例について説明する。   Next, a modification of this embodiment will be described.

・第1変形例
図30は、本実施形態の第1変形例に係るフローチャートである。
First Modification FIG. 30 is a flowchart according to a first modification of the present embodiment.

なお、図30において、図25におけるのと同一のステップには図25と同じ番号を付し、以下ではその説明を省略する。   In FIG. 30, the same steps as those in FIG. 25 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 25, and description thereof will be omitted below.

本変形例では、既述のステップS3の前に、結晶化した第1の強誘電体膜49の表面を水洗するステップS8を行う。これ以外は第1実施形態と同じである。   In the present modification, step S8 of washing the surface of the crystallized first ferroelectric film 49 with water is performed before the above-described step S3. The rest is the same as in the first embodiment.

このような水洗により、第1の強誘電体膜49の表面に付着している大気中の不純物が洗浄され、その不純物に起因した膜剥がれを一層抑制することが可能となる。   By such washing with water, impurities in the air adhering to the surface of the first ferroelectric film 49 are washed, and film peeling due to the impurities can be further suppressed.

水洗の方法は特に限定されず、純水が溜められた液槽内に複数のシリコン基板30を一括して浸漬するバッチ式の洗浄装置を用いてもよいし、スピンナー上で回転しているシリコン基板30に純水を滴下して洗浄する枚葉式の洗浄装置を用いてもよい。   The method of washing with water is not particularly limited, and a batch-type washing apparatus that immerses a plurality of silicon substrates 30 in a liquid tank in which pure water is stored may be used, or silicon rotating on a spinner A single wafer cleaning apparatus that drops pure water onto the substrate 30 for cleaning may be used.

バッチ式の洗浄装置を用いる場合、純水中へのシリコン基板30の浸漬時間は例えば30秒とされる。   When a batch type cleaning apparatus is used, the immersion time of the silicon substrate 30 in pure water is, for example, 30 seconds.

また、このようにして水洗を行った後は、例えばIPA(isopropyl alcohol)を含有する雰囲気内で第1の強誘電体膜49を乾燥させる。このような乾燥方法はIPA乾燥とも呼ばれる。なお、IPA乾燥に代えて、大気中における自然乾燥や、大気中でシリコン基板30を150℃に加熱する加熱乾燥を行うようにしてもよい。また、乾燥前に、ブラシにより第1の強誘電体膜49上に残留する水を掻き落とすブラシスクラバ処理を行ってもよい。   Further, after washing with water in this way, the first ferroelectric film 49 is dried in an atmosphere containing, for example, IPA (isopropyl alcohol). Such a drying method is also called IPA drying. Instead of IPA drying, natural drying in the air or heat drying in which the silicon substrate 30 is heated to 150 ° C. in the air may be performed. Further, before drying, a brush scrubber process may be performed in which water remaining on the first ferroelectric film 49 is scraped off with a brush.

・第2変形例
図31は、本実施形態の第2変形例に係るフローチャートである。
Second Modification FIG. 31 is a flowchart according to a second modification of the present embodiment.

なお、図31において、図25におけるのと同一のステップには図25と同じ番号を付し、以下ではその説明を省略する。   In FIG. 31, the same steps as those in FIG. 25 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 25, and description thereof will be omitted below.

本変形例では、ステップS3、S4、S6の全てを同一の半導体装置内で連続的に処理することにより、これらのステップの間でシリコン基板30を大気に出さないようにする。   In this modification, all of steps S3, S4, and S6 are continuously processed in the same semiconductor device, so that the silicon substrate 30 is not exposed to the atmosphere between these steps.

このようにすると、ステップS4において形成された第2の強誘電体膜50が大気に曝されないので、大気中の不純物が第2の強誘電体膜50に吸収されない。そのため、第2の強誘電体膜50中の不純物を第2のアニールにより脱離させるために第1実施形態で行ったステップS5が不要となり、第1実施形態よりも工程の簡略化が図られる。   In this case, since the second ferroelectric film 50 formed in step S4 is not exposed to the atmosphere, impurities in the atmosphere are not absorbed by the second ferroelectric film 50. Therefore, step S5 performed in the first embodiment for removing impurities in the second ferroelectric film 50 by the second annealing is not necessary, and the process can be simplified as compared with the first embodiment. .

(3)第2実施形態
第1実施形態ではプレーナ型のFeRAMについて説明した。
(3) Second Embodiment In the first embodiment, the planar type FeRAM has been described.

これに対し、本実施形態では、下部電極の直下に導電性プラグが形成されるスタック型のFeRAMについて説明する。スタック型のFeRAMは、プレーナ型と比較してキャパシタの占有面積が少なく、高集積化に有利である。   On the other hand, in this embodiment, a stack type FeRAM in which a conductive plug is formed immediately below the lower electrode will be described. The stack type FeRAM has a smaller capacitor occupation area than the planar type, and is advantageous for high integration.

図32〜図43は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。なお、これらの図において、第1実施形態で説明したのと同じ要素には同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。   32 to 43 are cross-sectional views of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention during manufacture. In these drawings, the same elements as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted below.

この半導体装置は以下のようにして製造される。   This semiconductor device is manufactured as follows.

まず、図32(a)に示すように、第1実施形態の図11(a)、(b)の工程に従い、シリコン基板30にMOSトランジスタTRを形成すると共に、そのMOSトランジスタTRをカバー絶縁膜41と第1の層間絶縁膜42で覆う。   First, as shown in FIG. 32A, according to the steps of FIGS. 11A and 11B of the first embodiment, a MOS transistor TR is formed on the silicon substrate 30, and the MOS transistor TR is covered with a cover insulating film. 41 and a first interlayer insulating film 42.

次いで、図32(b)に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより各絶縁膜41、42にコンタクトホールを形成し、その中に第1の導電性プラグ43を形成する。   Next, as shown in FIG. 32B, contact holes are formed in the insulating films 41 and 42 by photolithography and etching, and a first conductive plug 43 is formed therein.

第1実施形態で説明したように、この第1の導電性プラグ43はタングステンを主成分にしており、酸素含有雰囲気中で容易に酸化してコンタクト不良を起こし易い。   As described in the first embodiment, the first conductive plug 43 has tungsten as a main component, and easily oxidizes in an oxygen-containing atmosphere to easily cause a contact failure.

そこで、次の工程では、図32(c)に示すように、第1の導電性プラグ43の酸化を防止する酸化防止絶縁膜92としてCVD法により酸窒化シリコン膜を厚さ約130nmに形成する。   Therefore, in the next step, as shown in FIG. 32C, a silicon oxynitride film is formed to a thickness of about 130 nm by the CVD method as the anti-oxidation insulating film 92 for preventing the first conductive plug 43 from being oxidized. .

なお、酸窒化シリコン膜に代えて、窒化シリコン膜やアルミナ膜を酸化防止絶縁膜92として形成してもよい。   Note that a silicon nitride film or an alumina film may be formed as the antioxidant insulating film 92 instead of the silicon oxynitride film.

更に、この酸化防止絶縁膜92の上に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により酸化シリコン膜を厚さ約300nmに形成し、この酸化シリコン膜を第2の層間絶縁膜93とする。   Further, a silicon oxide film having a thickness of about 300 nm is formed on the oxidation-preventing insulating film 92 by plasma CVD using TEOS gas, and this silicon oxide film is used as a second interlayer insulating film 93.

そして、フォトリソグラフィとエッチングにより、第1のソース/ドレイン領域36aの上方の各絶縁膜92、93に第1のホール93aを形成し、第1の導電性プラグ43と電気的に接続された第2の導電性プラグ91をその第1のコンタクトホール93a内に形成する。   Then, a first hole 93a is formed in each of the insulating films 92 and 93 above the first source / drain region 36a by photolithography and etching, and is electrically connected to the first conductive plug 43. Two conductive plugs 91 are formed in the first contact hole 93a.

第2の導電性プラグ91の形成方法は特に限定されない。   The method for forming the second conductive plug 91 is not particularly limited.

本実施形態では、第2の層間絶縁膜93の上面と第1のホール93aの内面に窒化チタン膜とタングステン膜とをこの順に形成し、これらをCMP法により研磨して第1のホール93a内にのみ第2の導電性プラグ91として残す。   In the present embodiment, a titanium nitride film and a tungsten film are formed in this order on the upper surface of the second interlayer insulating film 93 and the inner surface of the first hole 93a, and these are polished by the CMP method to be in the first hole 93a. Is left as the second conductive plug 91 only.

そのCMPでは、研磨対象である窒化チタン膜とタングステン膜の研磨速度が下地の第2の層間絶縁膜93の研磨速度よりも速くなるようなスラリ、例えばCabot Microelectronics Corporation製のSSW2000を使用する。そして、第2の層間絶縁膜93の上に研磨残を残さないために、このCMPの研磨量は窒化チタン膜とタングステン膜との合計膜厚よりも厚く設定され、このCMPはオーバー研磨となる。   In the CMP, a slurry in which the polishing rate of the titanium nitride film and the tungsten film to be polished is higher than the polishing rate of the second interlayer insulating film 93, for example, SSW2000 manufactured by Cabot Microelectronics Corporation is used. In order not to leave a polishing residue on the second interlayer insulating film 93, the CMP polishing amount is set to be larger than the total thickness of the titanium nitride film and the tungsten film, and this CMP is over-polished. .

その結果、第2の導電性プラグ91の上面の高さが第2の層間絶縁膜93のそれよりも低くなり、第2の導電性プラグ91の周囲の第2の層間絶縁膜93にリセスが形成されることがある。そのリセスの深さは20〜50nmであり、典型的には約50nm程度である。   As a result, the height of the upper surface of the second conductive plug 91 becomes lower than that of the second interlayer insulating film 93, and a recess is formed in the second interlayer insulating film 93 around the second conductive plug 91. Sometimes formed. The depth of the recess is 20 to 50 nm, typically about 50 nm.

次に、図33(a)に示すように、第2の層間絶縁膜93の表面に対してNH3プラズマ処理を行い、第2の層間絶縁膜93の表面の酸素原子にNH基を結合させる。 Next, as shown in FIG. 33A, NH 3 plasma treatment is performed on the surface of the second interlayer insulating film 93 to bond NH groups to oxygen atoms on the surface of the second interlayer insulating film 93. .

このNH3プラズマ処理は、例えば、シリコン基板30に対して約9mm離間した位置に対向電極を有する平行平板型プラズマ処理チャンバを用い、266Paの圧力下で基板温度を400℃とし、チャンバにNH3ガスを350sccmの流量で供給して行われる。この場合、シリコン基板30側に13.56MHzの高周波電力を100Wのパワーで、そして対向電極に350kHzの高周波電力を55Wのパワーで60秒間供給する。 The NH 3 plasma process, for example, using a parallel plate type plasma processing chamber having a counter electrode to about 9mm spaced position with respect to the silicon substrate 30, a substrate temperature of 400 ° C. under a pressure of 266 Pa, NH 3 into the chamber The gas is supplied at a flow rate of 350 sccm. In this case, high frequency power of 13.56 MHz is supplied to the silicon substrate 30 side with a power of 100 W, and high frequency power of 350 kHz is supplied to the counter electrode with a power of 55 W for 60 seconds.

次いで、図33(b)に示すように、第2の層間絶縁膜93と第2の導電性プラグ91のそれぞれの上に下地導電膜94としてスパッタ法によりチタン膜を厚さ100〜300nm、例えば100nmに形成する。   Next, as shown in FIG. 33B, a titanium film having a thickness of 100 to 300 nm, for example, by sputtering as a base conductive film 94 on each of the second interlayer insulating film 93 and the second conductive plug 91, for example, Formed to 100 nm.

このチタン膜の成膜条件は特に限定されない。本実施形態では、チタンターゲットとシリコン基板30との間隔を60mmに設定したスパッタチャンバにおいて、0.15Paのアルゴン雰囲気下で基板温度を20℃とする。そして、2.6kWのDC電力をスパッタ雰囲気に35秒間印加し、上記のチタン膜を形成する。   The conditions for forming the titanium film are not particularly limited. In this embodiment, the substrate temperature is set to 20 ° C. in an argon atmosphere of 0.15 Pa in a sputtering chamber in which the distance between the titanium target and the silicon substrate 30 is set to 60 mm. Then, 2.6 kW of DC power is applied to the sputtering atmosphere for 35 seconds to form the titanium film.

また、下地導電膜94はチタン膜に限定されず、タングステン膜、シリコン膜、及び銅膜のいずれかを下地導電膜94として形成してもよい。   The base conductive film 94 is not limited to a titanium film, and any of a tungsten film, a silicon film, and a copper film may be formed as the base conductive film 94.

ここで、図33(a)の工程で予めNH3プラズマ処理により第2の層間絶縁膜93の表面の酸素原子にNH基を結合させておいたので、下地導電膜94のチタンが酸素原子に捕獲され難くなる。そのため、チタンが第2の層間絶縁膜93の表面を自在に移動でき、(002)方向に自己組織化されたチタンからなる下地導電膜94が得られる。 Here, in the step of FIG. 33A, NH groups are previously bonded to oxygen atoms on the surface of the second interlayer insulating film 93 by NH 3 plasma treatment, so that titanium in the base conductive film 94 becomes oxygen atoms. It becomes difficult to be captured. Therefore, titanium can freely move on the surface of the second interlayer insulating film 93, and the base conductive film 94 made of titanium self-organized in the (002) direction is obtained.

この後に、窒素雰囲気中で下地導電膜94に対してアニールをし、下地導電膜94のチタンを窒化する。このように窒化により得られた窒化チタンは、後述のPZTを(111)方向に揃えるのに好適は(111)配向となる。   Thereafter, the base conductive film 94 is annealed in a nitrogen atmosphere to nitride the titanium of the base conductive film 94. The titanium nitride obtained by nitriding in this way preferably has a (111) orientation in order to align PZT described later in the (111) direction.

なお、このアニールの条件は特に限定されないが、本実施形態ではRTAにより基板温度を約650℃、処理時間を約60秒としてこのアニールを行う。   Although the annealing conditions are not particularly limited, in this embodiment, the annealing is performed by RTA at a substrate temperature of about 650 ° C. and a processing time of about 60 seconds.

ところで、第2の層間絶縁膜93の上面には、図32(c)の工程におけるCMPをオーバー研磨で行ったことにより、第2の導電性プラグ91の周囲に既述のようなリセスが形成されている場合がある。よって、下地導電膜94の上面には、このリセスを反映した凹凸が形成されることがある。   By the way, the above-described recess is formed around the second conductive plug 91 on the upper surface of the second interlayer insulating film 93 by performing the CMP in the process of FIG. May have been. Therefore, irregularities reflecting this recess may be formed on the upper surface of the base conductive film 94.

しかしながら、このような凹凸があると、下地導電膜94の上方に後で形成される強誘電体膜の結晶性が劣化するおそれがある。   However, if there are such irregularities, the crystallinity of a ferroelectric film formed later above the underlying conductive film 94 may deteriorate.

そこで、次の工程では、図33(c)に示すように、CMP法により下地導電膜94の上面を研磨して平坦化する。このCMPで使用されるスラリは特に限定されないが、本実施形態ではCabot Microelectronics Corporation製のSSW2000を使用する。   Therefore, in the next step, as shown in FIG. 33C, the upper surface of the underlying conductive film 94 is polished and planarized by the CMP method. The slurry used in the CMP is not particularly limited, but in this embodiment, SSW2000 manufactured by Cabot Microelectronics Corporation is used.

このCMPを行った後の下地導電膜94の厚さは、研磨誤差に起因して、シリコン基板30の面内や、複数のシリコン基板30間でばらつく。そのばらつきを考慮して、本実施形態では、研磨時間を制御することによりCMP後の下地導電膜94の厚さの目標値を50〜100nm、より好ましくは50nmとする。   The thickness of the underlying conductive film 94 after this CMP varies within the plane of the silicon substrate 30 and between the plurality of silicon substrates 30 due to polishing errors. In consideration of the variation, in this embodiment, the target value of the thickness of the underlying conductive film 94 after CMP is set to 50 to 100 nm, more preferably 50 nm, by controlling the polishing time.

このように下地導電膜94に対してCMPを行った後では、下地導電膜94の上面付近の結晶が研磨によって歪んだ状態となっている。しかし、このように結晶に歪が発生している下地導電膜94の上方にキャパシタの下部電極を形成すると、その歪みを下部電極が拾ってしまって下部電極の結晶性が劣化し、ひいてはその上の強誘電体膜の強誘電体特性が劣化することになる。   Thus, after CMP is performed on the base conductive film 94, the crystal in the vicinity of the upper surface of the base conductive film 94 is distorted by polishing. However, if the lower electrode of the capacitor is formed above the underlying conductive film 94 in which the crystal is distorted as described above, the distortion is picked up by the lower electrode, and the crystallinity of the lower electrode is deteriorated. The ferroelectric characteristics of the ferroelectric film will deteriorate.

このような不都合を回避するため、次の工程では、図34(a)に示すように、下地導電膜94に対してNH3プラズマ処理を行うことにより、下地導電膜94の結晶の歪みがその上の膜に伝わらないようにする。 In order to avoid such an inconvenience, in the next step, as shown in FIG. 34A, NH 3 plasma treatment is performed on the base conductive film 94, so that the crystal distortion of the base conductive film 94 is reduced. Do not reach the upper membrane.

なお、このNH3プラズマ処理の条件は、図32(a)のNH3プラズマ処理におけるのと同様なので、ここでは省略する。 The NH 3 plasma processing conditions are the same as those in the NH 3 plasma processing of FIG.

次に、図34(b)に示すように、上記のNH3プラズマ処理によって結晶の歪みが解消された下地導電膜94の上に、結晶性導電膜95としてスパッタ法によりチタン膜を厚さ約20nmに形成する。更に、窒素雰囲気中で基板温度を650℃、処理時間を60秒とするRTAを結晶性導電膜95に対して行い、結晶性導電膜95を窒化する。 Next, as shown in FIG. 34 (b), a titanium film is formed to a thickness of approximately about 95 nm by sputtering as the crystalline conductive film 95 on the base conductive film 94 from which the crystal distortion has been eliminated by the NH 3 plasma treatment. Formed to 20 nm. Further, RTA with a substrate temperature of 650 ° C. and a processing time of 60 seconds is performed on the crystalline conductive film 95 in a nitrogen atmosphere to nitride the crystalline conductive film 95.

これにより、(111)方向に配向した窒化チタンよりなる結晶性導電膜95が得られる。   Thereby, a crystalline conductive film 95 made of titanium nitride oriented in the (111) direction is obtained.

結晶性導電膜95は、自身の配向の作用によってその上に後で形成される膜の配向を高める機能の他に、密着膜としての機能も有する。   The crystalline conductive film 95 has a function as an adhesion film in addition to the function of increasing the orientation of a film formed later on the crystalline conductive film 95 by the action of its own orientation.

結晶性導電膜95は窒化チタン膜に限定されない。例えば、20nm程度の薄いイリジウム膜やプラチナ膜等の貴金属膜を結晶性導電膜95として形成してもよい。   The crystalline conductive film 95 is not limited to a titanium nitride film. For example, a noble metal film such as a thin iridium film or platinum film of about 20 nm may be formed as the crystalline conductive film 95.

次いで、図34(c)に示すように、結晶性導電膜95の上に導電性酸素バリア膜96として窒化チタンアルミニウム(TiAlN)膜を厚さ約100nmに形成する。   Next, as shown in FIG. 34C, a titanium aluminum nitride (TiAlN) film is formed on the crystalline conductive film 95 as a conductive oxygen barrier film 96 to a thickness of about 100 nm.

この窒化チタンアルミニウム膜は、チタンとアルミニウムの合金よりなるターゲットをアルゴンガスと窒素ガスとの混合雰囲気中でスパッタする反応性スパッタ法により形成され得る。その場合、アルゴンガス流量は約40sccmに設定され、窒素ガス流量は約10sccmとされる。また、圧力は約253.3Pa、基板温度は400℃、スパッタパワーは1.0kWとされる。   This titanium aluminum nitride film can be formed by a reactive sputtering method in which a target made of an alloy of titanium and aluminum is sputtered in a mixed atmosphere of argon gas and nitrogen gas. In that case, the argon gas flow rate is set to about 40 sccm, and the nitrogen gas flow rate is about 10 sccm. The pressure is about 253.3 Pa, the substrate temperature is 400 ° C., and the sputtering power is 1.0 kW.

次に、図35(a)に示すように、導電性酸素バリア膜96の上にスパッタ法でイリジウム膜を形成し、そのイリジウム膜を第1の導電膜97とする。   Next, as illustrated in FIG. 35A, an iridium film is formed on the conductive oxygen barrier film 96 by sputtering, and the iridium film is used as a first conductive film 97.

このイリジウム膜は、例えば、0.11Paの圧力下、500℃の基板温度で、0.5kWのスパッタパワーで約100nmの厚さに形成される。   This iridium film is formed to a thickness of about 100 nm with a sputtering power of 0.5 kW at a substrate temperature of 500 ° C. under a pressure of 0.11 Pa, for example.

なお、第1の導電膜97はイリジウム膜に限定されず、イリジウム膜以外の貴金属膜、例えばプラチナ膜であってもよい。更に、PtO、IrOx、SrRuO3等の導電性酸化金属よりなる膜を第1の導電膜97として形成してもよい。 Note that the first conductive film 97 is not limited to an iridium film, and may be a noble metal film other than the iridium film, for example, a platinum film. Further, a film made of a conductive metal oxide such as PtO, IrOx, SrRuO 3 may be formed as the first conductive film 97.

次いで、図35(b)に示すように、第1の導電膜97の上に、第1の強誘電体膜98としてMOCVD法によりPZT膜を厚さ約100nmに形成する。   Next, as shown in FIG. 35B, a PZT film having a thickness of about 100 nm is formed as a first ferroelectric film 98 on the first conductive film 97 by MOCVD.

そのMOCVD法は次のようにして行われる。   The MOCVD method is performed as follows.

まず、Pb(DPM)2(化学式Pb(C11H19O2)2))、Zr(dmhd)4(化学式Zr(C9H15O2)4)、及びTi(O−iOr)2(DPM)2(化学式Ti(C3H7O)2(C11H19O2)2)のそれぞれをTHF(Tetra Hydro Furan: C4H8O)溶媒中にいずれも0.3mol/lの濃度で溶解し、Pb、Zr、及びTiの各液体原料を作成する。次いで、これらの液体原料をMOCVD装置の気化器にそれぞれ0.326ml/分、0.200ml/分、および0.200ml/分の流量で供給して気化させることにより、Pb、Zr、及びTiの原料ガスを得る。なお、上記の気化器には、各液体原料と共に、流量が0.474ml/分のTHF溶媒も供給される。 First, Pb (DPM) 2 (chemical formula Pb (C 11 H 19 O 2 ) 2 )), Zr (dmhd) 4 (chemical formula Zr (C 9 H 15 O 2 ) 4 ), and Ti (O-iOr) 2 ( Each of DPM) 2 (chemical formula Ti (C 3 H 7 O) 2 (C 11 H 19 O 2 ) 2 ) is 0.3 mol / l in THF (Tetra Hydro Furan: C 4 H 8 O) solvent. Dissolve at a concentration to create Pb, Zr, and Ti liquid raw materials. Next, these liquid raw materials are supplied to the vaporizer of the MOCVD apparatus at a flow rate of 0.326 ml / min, 0.200 ml / min, and 0.200 ml / min, respectively, to vaporize them, so that Pb, Zr, and Ti are vaporized. A raw material gas is obtained. The vaporizer is supplied with a THF solvent having a flow rate of 0.474 ml / min together with each liquid raw material.

更に、上記の原料ガスをチャンバに供給しながら、チャンバ内の圧力を665Paにし、基板温度を620℃に維持する。そして、このような状態を620秒間維持することにより、上記したPZT膜が100nmの厚さに形成される。   Further, while supplying the source gas to the chamber, the pressure in the chamber is set to 665 Pa, and the substrate temperature is maintained at 620 ° C. Then, by maintaining such a state for 620 seconds, the PZT film described above is formed to a thickness of 100 nm.

MOCVD法により形成された第1の強誘電体膜98は、成膜の時点で結晶化しているので、結晶化アニールは不要である。   Since the first ferroelectric film 98 formed by the MOCVD method is crystallized at the time of film formation, crystallization annealing is not necessary.

なお、第1の強誘電体膜98の成膜方法はMOCVD法に限定されず、スパッタ法、ゾル・ゲル法、有機金属分解(MOD: Metal Organic Deposition)法、CSD(Chemical Solution Deposition)法、及びエピタキシャル成長法で第1の強誘電体膜98を形成してもよい。これらのうち、例えばスパッタ法では、成膜の時点では第1の強誘電体膜98は結晶化していないので、その成膜の後に第1実施形態のように結晶化アニールを行うことになる。   The film formation method of the first ferroelectric film 98 is not limited to the MOCVD method, but a sputtering method, a sol-gel method, a metal organic decomposition (MOD) method, a CSD (Chemical Solution Deposition) method, Further, the first ferroelectric film 98 may be formed by an epitaxial growth method. Among these, in the case of sputtering, for example, the first ferroelectric film 98 is not crystallized at the time of film formation, so crystallization annealing is performed after the film formation as in the first embodiment.

また、第1の強誘電体膜98はPZTに限定されない。PZTにCa、Sr、La、Nb、Ta、Ir、及びWのいずれかを添加した材料よりなる膜を第1の強誘電体膜98として形成してもよい。更に、(Bi1-xRx)Ti3O12(Rは希土類元素で0<x<1)、SrBi2Ta2O9(SBT)、及びSrBi4Ti4O15等のBi層状化合物の膜を第1の強誘電体膜98として形成してもよい。 Further, the first ferroelectric film 98 is not limited to PZT. A film made of a material obtained by adding any of Ca, Sr, La, Nb, Ta, Ir, and W to PZT may be formed as the first ferroelectric film 98. Further, (Bi 1-x R x ) Ti 3 O 12 (R is a rare earth element 0 <x <1), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), and Bi layered compounds such as SrBi 4 Ti 4 O 15 The film may be formed as the first ferroelectric film 98.

ところで、この後は、第1の強誘電体膜98の上に後続の膜を形成する工程に移るが、その膜を形成するための成膜チャンバが第1の強誘電体膜98用のMOCVDチャンバとは別の半導体製造装置に設けられている場合がある。   Incidentally, after this, the process proceeds to a step of forming a subsequent film on the first ferroelectric film 98. The film forming chamber for forming the film is an MOCVD for the first ferroelectric film 98. In some cases, it is provided in a semiconductor manufacturing apparatus different from the chamber.

その場合は、第1の強誘電体膜98を形成した後にMOCVDチャンバからシリコン基板30を出し、そのシリコン基板30を大気中で搬送して別の半導体装置に移す必要がある。   In that case, it is necessary to remove the silicon substrate 30 from the MOCVD chamber after forming the first ferroelectric film 98, transport the silicon substrate 30 in the atmosphere, and transfer it to another semiconductor device.

このとき、第1の強誘電体膜49の表面が大気中の水分や二酸化炭素等の不純物に曝され、これらの不純物が第1の強誘電体膜49の膜中に侵入することになる。その不純物は、後の工程で膜剥がれが発生する原因となる。   At this time, the surface of the first ferroelectric film 49 is exposed to impurities such as moisture and carbon dioxide in the atmosphere, and these impurities penetrate into the film of the first ferroelectric film 49. The impurities cause film peeling in a later process.

このような膜剥がれを防止するため、本実施形態では、図35(c)に示すように、大気中を搬送された後の第1の強誘電体膜98に対してアニールを行い、第1の強誘電体膜98に含まれている不純物を膜外に脱離させる。   In order to prevent such film peeling, in the present embodiment, as shown in FIG. 35C, the first ferroelectric film 98 after being transported in the atmosphere is annealed, and the first The impurities contained in the ferroelectric film 98 are desorbed out of the film.

そのアニールは、例えば5×10-6〜1×10-3Pa程度の減圧雰囲気において約60秒間行われる。このように減圧下でアニールを行うことにより、第1の強誘電体膜49の膜中の不純物が膜外に脱離され易くなる。また、アニール時の基板温度は、100〜350℃、例えば150℃とされる。 The annealing is performed for about 60 seconds in a reduced pressure atmosphere of about 5 × 10 −6 to 1 × 10 −3 Pa, for example. By performing annealing under reduced pressure in this way, impurities in the first ferroelectric film 49 are easily released from the film. The substrate temperature during annealing is 100 to 350 ° C., for example 150 ° C.

このアニールに使用されるチャンバは特に限定されず、デガスチャンバのような加熱用チャンバを使用してもよいし、スパッタチャンバのヒーターステージを流用してアニールを行ってもよい。或いは、RTAチャンバや炉を用いてアニールを行ってもよい。   The chamber used for this annealing is not particularly limited, and a heating chamber such as a degas chamber may be used, or annealing may be performed using a heater stage of a sputtering chamber. Alternatively, annealing may be performed using an RTA chamber or a furnace.

また、アニール雰囲気は特に限定されず、非プラズマ雰囲気とプラズマ雰囲気のいずれであってもよい。   The annealing atmosphere is not particularly limited, and may be either a non-plasma atmosphere or a plasma atmosphere.

このうち、非プラズマ雰囲気としては、例えば、Ar、N2、及びO2のいずれかがある。一方、プラズマ雰囲気としては、例えば、O2プラズマ又はN2Oプラズマがある。 Among these, the non-plasma atmosphere includes, for example, any of Ar, N 2 , and O 2 . On the other hand, examples of the plasma atmosphere include O 2 plasma and N 2 O plasma.

このようにしてアニールした後は、第1の強誘電体膜98に大気中の不純物が再吸着するのを防止するために、第1の強誘電体膜98を大気に曝さずに次の工程を行う。   After annealing in this way, in order to prevent re-adsorption of atmospheric impurities to the first ferroelectric film 98, the next process is performed without exposing the first ferroelectric film 98 to the atmosphere. I do.

本実施形態では、第1の強誘電体膜98をアニールするのに使用したアニールチャンバと同一の半導体製造装置に設けられたRFスパッタチャンバにシリコン基板30を移す。そのRFスパッタチャンバはアニールチャンバと同一の半導体装置に設けられているので、第1の強誘電体膜98が大気に曝されることはない。   In the present embodiment, the silicon substrate 30 is transferred to an RF sputtering chamber provided in the same semiconductor manufacturing apparatus as the annealing chamber used for annealing the first ferroelectric film 98. Since the RF sputtering chamber is provided in the same semiconductor device as the annealing chamber, the first ferroelectric film 98 is not exposed to the atmosphere.

そして、図36(a)に示すように、そのRFスパッタチャンバを用いて第1の強誘電体膜98の上にPZT膜を約1〜30nm、例えば20nmに形成し、このPZT膜を第2の強誘電体膜99とする。このようにスパッタ法で形成されたPZTは成膜直後では結晶化していないので、この時点では第2の強誘電体膜99は非晶質となっている。   Then, as shown in FIG. 36A, using the RF sputtering chamber, a PZT film is formed on the first ferroelectric film 98 to a thickness of about 1 to 30 nm, for example, 20 nm, and this PZT film is formed as a second film. The ferroelectric film 99 of FIG. Since the PZT formed by the sputtering method is not crystallized immediately after the film formation, the second ferroelectric film 99 is amorphous at this point.

また、第1実施形態で説明したように、後で結晶化した後の第2の強誘電体膜の配向が(111)方向に揃うようにするため、第2の強誘電体膜99の成膜温度は0℃〜150℃程度であるのが好ましい。   Further, as described in the first embodiment, the second ferroelectric film 99 is formed in order to align the second ferroelectric film after crystallization later in the (111) direction. The film temperature is preferably about 0 ° C to 150 ° C.

次いで、図36(b)に示すように、第2の強誘電体膜99の上に第2の導電膜100としてスパッタ法で酸化イリジウム膜を厚さ10〜75nm、例えば50nmに形成する。   Next, as shown in FIG. 36B, an iridium oxide film having a thickness of 10 to 75 nm, for example, 50 nm, is formed as a second conductive film 100 on the second ferroelectric film 99 by sputtering.

そのスパッタ法では、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスでイリジウムターゲットをスパッタすることにより、イリジウムターゲットから飛散したイリジウムをスパッタ雰囲気中で酸化し、上記の酸化イリジウム膜を形成する。   In the sputtering method, an iridium target is sputtered with a mixed gas of argon gas and oxygen gas, whereby iridium scattered from the iridium target is oxidized in a sputtering atmosphere to form the iridium oxide film.

このとき、全スパッタガスに占める酸素ガスの割合は、流量比で10〜60%であるのが好ましい。本実施形態では、アルゴンガスと酸素ガスの流量をいずれも100sccmとする。   At this time, the ratio of oxygen gas to the total sputtering gas is preferably 10 to 60% in flow rate ratio. In the present embodiment, the flow rates of argon gas and oxygen gas are both 100 sccm.

基板温度については、20〜400℃の範囲内で第2の導電膜100を形成し得る。その範囲内において高温側と低温側のどちらを選択するかは、第1実施形態で説明したように、第1及び第2の強誘電体膜98、99の残留分極電荷量とリーク電流のどちらを優先させるかによる。   Regarding the substrate temperature, the second conductive film 100 can be formed within a range of 20 to 400 ° C. Which one of the high temperature side and the low temperature side is selected within the range is selected from the residual polarization charge amount and the leakage current of the first and second ferroelectric films 98 and 99 as described in the first embodiment. Depending on whether to prioritize.

第1実施形態ではリーク電流の低減を優先させるべく室温程度の低温で成膜したが、本実施形態では残留分極電荷量を優先させるべく300℃の基板温度で第2の導電膜100を形成する。この場合、スパッタパワーは1〜2kW程度とする。このような条件を採用することで、成膜の時点で結晶化した酸化イリジウム膜が形成される。   In the first embodiment, the second conductive film 100 is formed at a substrate temperature of 300 ° C. in order to prioritize the residual polarization charge amount in the present embodiment. . In this case, the sputtering power is about 1 to 2 kW. By adopting such conditions, an iridium oxide film crystallized at the time of film formation is formed.

300℃程度の高温で第2の導電膜100を成膜すると、その成膜の最中に、第1及び第2の強誘電体膜99、100に含まれる大気中の不純物が成膜雰囲気に脱離する。そのため、本実施形態では、第1実施形態で説明したような第2の強誘電体膜50に対する第2のアニール(図15(b))を行わなくとも、不純物の低減を図ることができる。   When the second conductive film 100 is formed at a high temperature of about 300 ° C., impurities in the atmosphere contained in the first and second ferroelectric films 99 and 100 are formed in the film formation atmosphere during the film formation. Detach. For this reason, in this embodiment, it is possible to reduce impurities without performing the second annealing (FIG. 15B) on the second ferroelectric film 50 as described in the first embodiment.

但し、不純物の低減の万全を期すために、第1実施形態と同じようにして第2の強誘電体膜100に対してアニールを行ってもよい。   However, in order to ensure reduction of impurities, the second ferroelectric film 100 may be annealed in the same manner as in the first embodiment.

なお、第2の導電膜100は酸化イリジウム膜に限定されない。プラチナ、ルテニウム、ロジウム、レニウム、オスミウム、及びパラジウムのいずれかよりなるスパッタターゲットを用い、これらの金属が酸化する条件でスパッタをすることで、第2の導電膜100を形成してもよい。   Note that the second conductive film 100 is not limited to an iridium oxide film. The second conductive film 100 may be formed by using a sputtering target made of any one of platinum, ruthenium, rhodium, rhenium, osmium, and palladium and performing sputtering under conditions in which these metals are oxidized.

続いて、図37(a)に示すように、第2の導電膜100が形成されている状態で第2の強誘電体膜99に対して結晶化アニールを行い、第2の強誘電体膜99のPZTを結晶化させる。   Subsequently, as shown in FIG. 37A, crystallization annealing is performed on the second ferroelectric film 99 in a state where the second conductive film 100 is formed, so that the second ferroelectric film is formed. Crystallize 99 PZT.

この結晶化アニールは酸素含有雰囲気中で行われるため、アニール雰囲気から第2の強誘電体膜99に酸素が供給され、第2の強誘電体膜99の酸素欠損が補償される。更に、この結晶化アニールによって、第2の導電膜100の形成時に第2の強誘電体膜99が受けたプラズマダメージを回復できるという利点も得られる。   Since this crystallization annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere, oxygen is supplied from the annealing atmosphere to the second ferroelectric film 99, and oxygen vacancies in the second ferroelectric film 99 are compensated. Furthermore, this crystallization annealing can also provide an advantage that the plasma damage received by the second ferroelectric film 99 during the formation of the second conductive film 100 can be recovered.

本実施形態では、酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気中でRTAによりこのアニールを行う。この場合、全アニール雰囲気中で酸素ガスが占める割合を流量比で1〜50%とする。例えば、酸素ガスの流量を20sccm、アルゴンガスの流量を2000sccmとする。また、処理時間は60秒とし、基板温度は650〜750℃、例えば725℃とする。   In this embodiment, this annealing is performed by RTA in a mixed gas atmosphere of oxygen gas and argon gas. In this case, the ratio of oxygen gas in the entire annealing atmosphere is set to 1 to 50% in flow rate ratio. For example, the flow rate of oxygen gas is 20 sccm, and the flow rate of argon gas is 2000 sccm. The processing time is 60 seconds, and the substrate temperature is 650 to 750 ° C., for example, 725 ° C.

この後に、図37(b)に示すように、第2の導電膜100の上にスパッタ法により酸化イリジウム膜を厚さ約100〜300nmに形成し、その酸化イリジウム膜を第1の導電性保護膜101とする。   Thereafter, as shown in FIG. 37B, an iridium oxide film having a thickness of about 100 to 300 nm is formed on the second conductive film 100 by sputtering, and the iridium oxide film is formed into a first conductive protective film. The film 101 is used.

この第1の導電性保護膜101の成膜条件は特に限定されない。   The film forming conditions of the first conductive protective film 101 are not particularly limited.

本実施形態では、スパッタガスとしてアルゴンガスと酸素ガスを使用すると共に、成膜圧力を0.8Paとする。そして、1.0kWのスパッタパワーで成膜時間を79秒とすることで、厚さが約200nmの酸化イリジウムよりなる第1の導電性保護膜101を形成する。   In the present embodiment, argon gas and oxygen gas are used as the sputtering gas, and the film forming pressure is 0.8 Pa. Then, the first conductive protective film 101 made of iridium oxide having a thickness of about 200 nm is formed by setting the film formation time to 79 seconds with a sputtering power of 1.0 kW.

その第1の導電性保護膜101の膜中で酸素が不足すると、還元作用のあるイリジウムが第1の導電性保護膜101で占める割合が増えてしまう。こうなると、水分等が第1の導電性保護膜101で還元されて水素となり、その水素によって第1及び第2の強誘電体膜98、99が劣化するおそれがある。   When oxygen is insufficient in the first conductive protective film 101, the proportion of iridium having a reducing action in the first conductive protective film 101 increases. In this case, moisture or the like is reduced by the first conductive protective film 101 to become hydrogen, and the first and second ferroelectric films 98 and 99 may be deteriorated by the hydrogen.

そのため、第1の導電性保護膜101の酸化イリジウムとして、その組成が酸化イリジウムの化学量論的組成(IrO2)になるべく近いものを用いることで、膜中でイリジウムが占める割合を低減し、水素による強誘電体膜98、99の劣化を防止するのが好ましい。その酸化イリジウムの組成は、スパッタガス中の酸素ガスの流量比を調節することである程度制御できる。 Therefore, as the iridium oxide of the first conductive protective film 101, by using the iridium oxide whose composition is as close as possible to the stoichiometric composition (IrO 2 ) of iridium, the proportion of iridium in the film is reduced. It is preferable to prevent deterioration of the ferroelectric films 98 and 99 due to hydrogen. The composition of the iridium oxide can be controlled to some extent by adjusting the flow rate ratio of the oxygen gas in the sputtering gas.

なお、第1の導電性保護膜101の材料は酸化イリジウムに限定されない。酸化イリジウムに代えて、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、レニウム、オスミウム、及びパラジウムのいずれかの膜、又はこれらの酸化物よりなる膜、若しくはSrRuO3膜のいずれかの単層膜又はこれらの積層膜を第1の導電性保護膜101として形成してもよい。 Note that the material of the first conductive protection film 101 is not limited to iridium oxide. Instead of iridium oxide, a film of any one of iridium, ruthenium, rhodium, rhenium, osmium, and palladium, a film made of these oxides, or a single layer film of any of SrRuO 3 films or a laminated film thereof The first conductive protective film 101 may be formed.

次に、図38(a)に示すように、第1の導電性保護膜101の上に第2の導電性水素バリア膜102としてイリジウム膜をスパッタ法で厚さ約100nmに形成する。   Next, as shown in FIG. 38A, an iridium film is formed as a second conductive hydrogen barrier film 102 on the first conductive protective film 101 to a thickness of about 100 nm by sputtering.

そのスパッタ法では、スパッタガスとしてアルゴンガスを使用すると共に、成膜圧力を1Pa、スパッタパワーを1.0kWとする。   In the sputtering method, argon gas is used as the sputtering gas, the film forming pressure is 1 Pa, and the sputtering power is 1.0 kW.

なお、イリジウム膜に代えて、プラチナ膜或いはSrRuO3膜を第2の導電性水素バリア膜102として形成してもよい。 Note that a platinum film or a SrRuO 3 film may be formed as the second conductive hydrogen barrier film 102 instead of the iridium film.

この後に、第1及び第2の強誘電体膜98、99を形成するときにシリコン基板30の裏面に付着したPZTを洗浄して除去する。   Thereafter, the PZT attached to the back surface of the silicon substrate 30 when the first and second ferroelectric films 98 and 99 are formed is cleaned and removed.

次に、図38(b)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。   Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.

まず、第2の導電性水素バリア膜102の上にスパッタ法で窒化チタン膜を形成し、その窒化チタン膜を第1のハードマスク103とする。   First, a titanium nitride film is formed on the second conductive hydrogen barrier film 102 by sputtering, and the titanium nitride film is used as the first hard mask 103.

第1のハードマスク103は窒化チタン膜に限定されない。窒化チタンアルミニウム膜、窒化タンタルアルミニウム(TaAlN)膜、窒化タンタル(TaN)膜のいずれかの単層膜或いはこれらの積層膜を第1のハードマスク103として形成してもよい。   The first hard mask 103 is not limited to a titanium nitride film. A single layer film of a titanium aluminum nitride film, a tantalum aluminum nitride (TaAlN) film, a tantalum nitride (TaN) film, or a stacked film thereof may be formed as the first hard mask 103.

そして、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により、第1のハードマスク103の上に第2のハードマスク104として酸化シリコン膜を形成する。   Then, a silicon oxide film is formed as the second hard mask 104 on the first hard mask 103 by a plasma CVD method using TEOS gas.

その後に、フォトリソグラフィとエッチングにより第1及び第2のハードマスク103、104をパターニングし、これらのマスクを図示のような島状とする。   Thereafter, the first and second hard masks 103 and 104 are patterned by photolithography and etching, and these masks are formed into island shapes as shown in the drawing.

次いで、図39(a)に示すように、HBr、O2、Ar、及びC4F8の混合ガスをエッチングガスとするプラズマエッチングにより、第1及び第2のハードマスク103、104で覆われていない部分の各膜97〜102をドライエッチングする。 Next, as shown in FIG. 39A, the first and second hard masks 103 and 104 are covered by plasma etching using a mixed gas of HBr, O 2 , Ar, and C 4 F 8 as an etching gas. The non-exposed portions of the films 97 to 102 are dry-etched.

これにより、第1の導電膜97と第2の導電膜100がそれぞれ下部電極97a及び上部電極100aとなり、第1及び第2の強誘電体膜98、99がキャパシタ誘電体膜98aとなる。   Thus, the first conductive film 97 and the second conductive film 100 become the lower electrode 97a and the upper electrode 100a, respectively, and the first and second ferroelectric films 98 and 99 become the capacitor dielectric film 98a.

ここまでの工程により、シリコン基板30のセル領域に、下部電極97a、キャパシタ誘電体膜98a、及び上部電極100aを備えた強誘電体キャパシタQが形成されたことになる。   Through the steps up to here, the ferroelectric capacitor Q including the lower electrode 97a, the capacitor dielectric film 98a, and the upper electrode 100a is formed in the cell region of the silicon substrate 30.

次いで、図39(b)に示すように、ドライエッチング又はウエットエッチングにより第2のハードマスク104を除去する。   Next, as shown in FIG. 39B, the second hard mask 104 is removed by dry etching or wet etching.

そして、図40(a)に示すように、キャパシタQで覆われていない部分の下地導電膜94、結晶性導電膜95、及び導電性酸素バリア膜96をドライエッチングして除去する。   Then, as shown in FIG. 40A, portions of the underlying conductive film 94, the crystalline conductive film 95, and the conductive oxygen barrier film 96 that are not covered with the capacitor Q are removed by dry etching.

このエッチングは、例えば、ダウンフロー型プラズマエッチングチャンバを用い、流量比で5%のCF4ガスと95%のO2ガスとの混合ガスをエッチングガスとして行われる。また、チャンバの上部電極には周波数が2.45GHzでパワーが1400Wの高周波電力が供給され、基板温度は200℃とされる。 This etching is performed using, for example, a down flow type plasma etching chamber and using a mixed gas of 5% CF 4 gas and 95% O 2 gas as an etching gas. Further, high frequency power having a frequency of 2.45 GHz and a power of 1400 W is supplied to the upper electrode of the chamber, and the substrate temperature is set to 200 ° C.

なお、第1のハードマスク103は、このエッチングでは除去されず、キャパシタQの上に残存する。   Note that the first hard mask 103 remains on the capacitor Q without being removed by this etching.

続いて、図40(b)に示すように、シリコン基板30の上側全面に第1の水素バリア絶縁膜110としてスパッタ法でアルミナ膜を厚さ約20nmに形成する。なお、スパッタ法に代えて、MOCVD法により厚さ約2〜5nmのアルミナ膜を形成するようにしてもよい。   Subsequently, as shown in FIG. 40B, an alumina film having a thickness of about 20 nm is formed as a first hydrogen barrier insulating film 110 on the entire upper surface of the silicon substrate 30 by sputtering. Note that an alumina film having a thickness of about 2 to 5 nm may be formed by MOCVD instead of sputtering.

その後に、ここまでの工程でキャパシタ誘電体膜98aが受けたダメージを回復させる目的で、酸素含有雰囲気中でキャパシタ誘電体膜98aに対して回復アニールを施す。この回復アニールの条件は特に限定されないが、本実施形態では、炉内において基板温度550〜700℃、例えば600℃として行われる。   Thereafter, recovery annealing is performed on the capacitor dielectric film 98a in an oxygen-containing atmosphere for the purpose of recovering the damage received by the capacitor dielectric film 98a in the steps so far. The conditions for this recovery annealing are not particularly limited. In this embodiment, the recovery annealing is performed at a substrate temperature of 550 to 700 ° C., for example, 600 ° C. in the furnace.

また、この回復アニールによって、上部電極100aの上に残存する窒化チタンよりなる第1のハードマスク103も酸化する。このように酸化された第1のハードマスク103では、その上層の酸素含有量が下層におけるよりも多くなる。   The recovery annealing also oxidizes the first hard mask 103 made of titanium nitride remaining on the upper electrode 100a. The first hard mask 103 thus oxidized has a higher oxygen content in the upper layer than in the lower layer.

続いて、図41(a)に示すように、第1の水素バリア絶縁膜110の上に第2の水素バリア絶縁膜111としてMOCVD法によりアルミナ膜を厚さ約38nmに形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 41A, an alumina film having a thickness of about 38 nm is formed on the first hydrogen barrier insulating film 110 as a second hydrogen barrier insulating film 111 by MOCVD.

第1及び第2の水素バリア絶縁膜110、111は、水素や水分等の還元性物質の透過を阻止する機能に優れたアルミナよりなり、還元性物質によってキャパシタ誘電体膜が還元されてその強誘電体特性が劣化するのを防止する役割を担う。   The first and second hydrogen barrier insulating films 110 and 111 are made of alumina that has an excellent function of blocking the permeation of reducing substances such as hydrogen and moisture, and the capacitor dielectric film is reduced by the reducing substances and its strongness. It plays a role of preventing deterioration of dielectric characteristics.

そのような機能を有する膜としては、アルミナ膜の他に、酸化チタン膜、酸化タンタル膜、酸化ジルコニウム膜、窒化アルミニウム膜、窒化タンタル膜、及び酸窒化アルミニウム膜があり、これらのいずれかを第1及び第2の水素バリア絶縁膜110、111として形成してもよい。   As the film having such a function, in addition to the alumina film, there are a titanium oxide film, a tantalum oxide film, a zirconium oxide film, an aluminum nitride film, a tantalum nitride film, and an aluminum oxynitride film. The first and second hydrogen barrier insulating films 110 and 111 may be formed.

次に、図41(b)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。   Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.

まず、第2の水素バリア絶縁膜111の上にプラズマCVD法により酸化シリコン膜を厚さ約1500nmに形成し、その酸化シリコン膜を第3の層間絶縁膜112とする。そのプラズマCVD法では、例えば、TEOSガスと酸素ガスとヘリウムガスとの混合ガスが成膜ガスとして使用される。   First, a silicon oxide film is formed to a thickness of about 1500 nm on the second hydrogen barrier insulating film 111 by plasma CVD, and the silicon oxide film is used as the third interlayer insulating film 112. In the plasma CVD method, for example, a mixed gas of TEOS gas, oxygen gas, and helium gas is used as a film forming gas.

その後に、この第3の層間絶縁膜112の上面をCMP法により研磨して平坦化する。   Thereafter, the upper surface of the third interlayer insulating film 112 is polished and planarized by the CMP method.

次いで、N2Oプラズマ又はN2プラズマの雰囲気において第3の層間絶縁膜112をアニールすることにより、第3の層間絶縁膜112を脱水すると共に、その上面を窒化して水分の再吸着を防止する。 Next, by annealing the third interlayer insulating film 112 in an atmosphere of N 2 O plasma or N 2 plasma, the third interlayer insulating film 112 is dehydrated and its upper surface is nitrided to prevent re-adsorption of moisture. To do.

次に、第3の層間絶縁膜112の上に、スパッタ法又はMOCVD法により第3の水素バリア絶縁膜113としてアルミナ膜を厚さ約20〜100nmに形成する。   Next, an alumina film having a thickness of about 20 to 100 nm is formed on the third interlayer insulating film 112 as the third hydrogen barrier insulating film 113 by sputtering or MOCVD.

更に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により、この第3の水素バリア絶縁膜113の上に酸化シリコン膜を厚さ約800〜1000nmに形成し、この酸化シリコン膜をキャップ絶縁膜114とする。   Further, a silicon oxide film having a thickness of about 800 to 1000 nm is formed on the third hydrogen barrier insulating film 113 by plasma CVD using TEOS gas, and this silicon oxide film is used as the cap insulating film 114.

なお、酸化シリコン膜に代えて、酸窒化シリコン膜又は窒化シリコン膜をキャップ絶縁膜114として形成してもよい。   Note that a silicon oxynitride film or a silicon nitride film may be formed as the cap insulating film 114 instead of the silicon oxide film.

次いで、図42(a)に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより各絶縁膜110〜114をパターニングし、上部電極100aの上方のこれらの絶縁膜に第2のホール112aを形成する。   Next, as shown in FIG. 42A, the insulating films 110 to 114 are patterned by photolithography and etching to form second holes 112a in these insulating films above the upper electrode 100a.

そして、ここまでの工程でキャパシタ誘電体膜98aが受けたダメージを回復させるために、酸素含有雰囲気中で基板温度を約450℃として回復アニールを行う。   Then, in order to recover the damage received by the capacitor dielectric film 98a in the steps so far, recovery annealing is performed at a substrate temperature of about 450 ° C. in an oxygen-containing atmosphere.

次に、図42(b)に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより、第2のソース/ドレイン領域36bの上方の各絶縁膜92、93、110〜114に第3のホール112bを形成する。   Next, as shown in FIG. 42B, third holes 112b are formed in the insulating films 92, 93, 110 to 114 above the second source / drain regions 36b by photolithography and etching.

その後に、アニールにより第3の層間絶縁膜113等を脱水する。そのアニールは、第3のホール112bから露出している第1の導電性プラグ43の酸化を防ぐために、不活性ガス雰囲気中又は減圧雰囲気中で行うのが好ましい。   Thereafter, the third interlayer insulating film 113 and the like are dehydrated by annealing. The annealing is preferably performed in an inert gas atmosphere or a reduced pressure atmosphere in order to prevent oxidation of the first conductive plug 43 exposed from the third hole 112b.

次に、図43に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。   Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.

まず、RFエッチングにより各ホール112a、112bの内面をエッチングして清浄化する。   First, the inner surfaces of the holes 112a and 112b are etched and cleaned by RF etching.

そして、各ホール112a、112bの内面とキャップ絶縁膜114の上面に、グルー膜としてスパッタ法により窒化チタン膜を厚さ約125nmに形成する。   A titanium nitride film having a thickness of about 125 nm is formed as a glue film on the inner surfaces of the holes 112a and 112b and the upper surface of the cap insulating film 114 by a sputtering method.

なお、第2のソース/ドレイン領域36bの上方の第3のホール112bのアスペクト比は第2のホール112aよりも高い。よって、第1実施形態で説明したSIP(Self Ionized Plasma)技術を用いたスパッタ法を用いることで、各ホール112a、112b内にカバレッジの良好なグルー膜を形成するのが好ましい。   The aspect ratio of the third hole 112b above the second source / drain region 36b is higher than that of the second hole 112a. Therefore, it is preferable to form a glue film with good coverage in each of the holes 112a and 112b by using the sputtering method using the SIP (Self Ionized Plasma) technique described in the first embodiment.

なお、グルー膜は窒化チタン膜に限定されない。窒化チタン膜に代えて、TaN、CrN、HfN、ZrN、TiAlN、TaAlN、TiSiN、TaSiN、CrAlN、HfAlN、ZrAlN、TiON、TaON、CrON、HfON、ZrON、TiAlON、TaAlON、CrAlON、HfAlON、ZrAlON、TiSiON、TaSiON、Ir、Ru、IrOx、RuOxのいずれかよりなる膜をグルー膜として形成してもよい。更に、Ti膜とTiN膜との積層膜、Ti膜とTaN膜との積層膜、Ta膜とTiN膜との積層膜、Ta膜とTaN膜との積層膜をグルー膜として形成してもよい。   The glue film is not limited to the titanium nitride film. Instead of titanium nitride film, TaN, CrN, HfN, ZrN, TiAlN, TaAlN, TiSiN, TaSiN, CrAlN, HfAlN, ZrAlN, TiON, TaON, CrON, HfON, ZrON, TiAlON, TaAlON, CrAlON, HfAlON, ZrAlON, TiSiON A film made of any of TaSiON, Ir, Ru, IrOx, and RuOx may be formed as a glue film. Further, a laminated film of a Ti film and a TiN film, a laminated film of a Ti film and a TaN film, a laminated film of a Ta film and a TiN film, or a laminated film of a Ta film and a TaN film may be formed as a glue film. .

そして、このグルー膜の上にCVD法でタングステン膜を厚さ約300nmに形成し、そのタングステン膜で各ホール112a、112bを完全に埋め込む。なお、タングステン膜に代えて銅膜を形成してもよい。   Then, a tungsten film is formed with a thickness of about 300 nm on this glue film by CVD, and the holes 112a and 112b are completely filled with the tungsten film. Note that a copper film may be formed instead of the tungsten film.

そして、キャップ絶縁膜114の上面の余分なタングステン膜とグルー膜とをCMP法により研磨して除去し、これらの膜を各ホール112a、112b内に第3及び第4の導電性プラグ116、117として残す。   Then, excess tungsten film and glue film on the upper surface of the cap insulating film 114 are removed by polishing by the CMP method, and these films are removed in the holes 112a and 112b by the third and fourth conductive plugs 116 and 117, respectively. Leave as.

これらの導電性プラグのうち、第3の導電性プラグ116は、キャパシタQの上部電極100aと電気的に接続される。一方、第4の導電性プラグ117は、第2のソース/ドレイン領域36bの上の第1の導電性プラグ43と電気的に接続される。   Of these conductive plugs, the third conductive plug 116 is electrically connected to the upper electrode 100a of the capacitor Q. On the other hand, the fourth conductive plug 117 is electrically connected to the first conductive plug 43 on the second source / drain region 36b.

各導電性プラグ116、117の構造は特に限定されない。例えば、上記のタングステン膜を更にエッチバックしてその上面を各ホール112a、112bの途中の深さにまで下げ、更にその上に銅膜を形成することで、ホール112a、112bの上部を銅膜で充填するようにしてもよい。その場合、タングステンに代えてポリシリコン膜を形成してもよい。   The structure of each conductive plug 116, 117 is not particularly limited. For example, the above tungsten film is further etched back, the upper surface thereof is lowered to a depth in the middle of each of the holes 112a and 112b, and a copper film is further formed thereon, whereby the upper portions of the holes 112a and 112b are formed on the copper film. You may make it fill with. In that case, a polysilicon film may be formed instead of tungsten.

次いで、導電性プラグ116、117の上面の自然酸化膜を除去するために、該上面をアルゴンプラズマのスパッタエッチングによりエッチングする。   Next, in order to remove the natural oxide film on the upper surfaces of the conductive plugs 116 and 117, the upper surfaces are etched by sputter etching with argon plasma.

そして、導電性プラグ116、117とキャップ絶縁膜114のそれぞれの上にスパッタ法で金属積層膜を形成し、それをパターニングして一層目金属配線115を形成する。   Then, a metal laminated film is formed on each of the conductive plugs 116 and 117 and the cap insulating film 114 by a sputtering method, and is patterned to form a first-layer metal wiring 115.

その金属積層膜として、例えば、厚さ約50nmの窒化チタン膜、厚さ約550nmの銅含有アルミニウム膜、厚さ約5nmのチタン膜、及び厚さ約50nmの窒化チタン膜をこの順に形成する。   As the metal laminated film, for example, a titanium nitride film having a thickness of about 50 nm, a copper-containing aluminum film having a thickness of about 550 nm, a titanium film having a thickness of about 5 nm, and a titanium nitride film having a thickness of about 50 nm are formed in this order.

この後は、二層目〜五層目金属配線と層間絶縁膜とを交互に積層して多層配線構造を得るが、その詳細については省略する。   Thereafter, the second to fifth layer metal wirings and the interlayer insulating film are alternately laminated to obtain a multilayer wiring structure, but details thereof are omitted.

以上説明した本実施形態では、図35(c)を参照して説明したように、結晶化した第1の強誘電体膜98に対してアニールを行う。結晶化した強誘電体膜は非晶質の膜よりも大気中の二酸化炭素や水分等の不純物を吸収し易い。その不純物は上記のアニールによって第1の強誘電体膜98から脱離される。これにより、不純物が原因で第2の強誘電体膜99と第2の導電膜100との界面で膜剥がれが発生するのが防止され、強誘電体キャパシタQを備えた半導体装置の信頼性が向上する。   In the present embodiment described above, as described with reference to FIG. 35C, the crystallized first ferroelectric film 98 is annealed. The crystallized ferroelectric film absorbs impurities such as carbon dioxide and moisture in the atmosphere more easily than the amorphous film. The impurities are desorbed from the first ferroelectric film 98 by the above annealing. As a result, it is possible to prevent film peeling from occurring at the interface between the second ferroelectric film 99 and the second conductive film 100 due to impurities, and the reliability of the semiconductor device including the ferroelectric capacitor Q can be improved. improves.

以下に、本発明の諸態様を付記にまとめる。   The aspects of the present invention are summarized in the following supplementary notes.

(付記1) 半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に第1の導電膜を形成する工程と、
前記第1の導電膜の上に、結晶化した第1の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第1の強誘電体膜に対して第1のアニールを行う工程と、
前記第1のアニールの後、前記半導体基板を大気に曝さないように前記第1の強誘電体膜の上に非晶質の第2の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第2の強誘電体膜の上に第2の導電膜を形成する工程と、
前記第2の導電膜を形成した後、前記第2の強誘電体膜をアニールして結晶化する工程と、
前記第1の導電膜、前記第1の強誘電体膜、前記第2の強誘電体膜、及び前記第2の導電膜をパターニングして強誘電体キャパシタを形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Additional remark 1) The process of forming an insulating film above a semiconductor substrate,
Forming a first conductive film on the insulating film;
Forming a crystallized first ferroelectric film on the first conductive film;
Performing a first annealing on the first ferroelectric film;
After the first annealing, forming an amorphous second ferroelectric film on the first ferroelectric film so as not to expose the semiconductor substrate to the atmosphere;
Forming a second conductive film on the second ferroelectric film;
After forming the second conductive film, annealing the second ferroelectric film to crystallize;
Patterning the first conductive film, the first ferroelectric film, the second ferroelectric film, and the second conductive film to form a ferroelectric capacitor;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:

(付記2) 前記第1のアニールにおける基板温度を、前記第2の強誘電体膜を形成するときの基板温度よりも高くすることを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary note 2) The method of manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 1, wherein a substrate temperature in the first annealing is set higher than a substrate temperature when the second ferroelectric film is formed.

(付記3) 前記第1のアニールにおける基板温度を、前記第1の強誘電体膜の結晶化温度よりも低くすることを特徴とする付記1又は付記2に記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary Note 3) The method of manufacturing a semiconductor device according to Supplementary Note 1 or 2, wherein a substrate temperature in the first annealing is lower than a crystallization temperature of the first ferroelectric film.

(付記4) 前記第1のアニールにおける基板温度を150℃〜350℃とすることを特徴とする付記1〜3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 4) The substrate temperature in said 1st annealing shall be 150 degreeC-350 degreeC, The manufacturing method of the semiconductor device in any one of Additional remarks 1-3 characterized by the above-mentioned.

(付記5) 前記第1のアニールを、水素が排除された雰囲気内で行うことを特徴とする付記1〜4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 5) The manufacturing method of the semiconductor device in any one of Additional remarks 1-4 characterized by performing said 1st annealing in the atmosphere where hydrogen was excluded.

(付記6) 前記第1のアニールを、酸素が含まれる雰囲気内で行うことを特徴とする付記1〜5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary Note 6) The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary notes 1 to 5, wherein the first annealing is performed in an atmosphere containing oxygen.

(付記7) 前記第1のアニールを、O2プラズマ又はN2Oプラズマの雰囲気内で行うことを特徴とする付記1〜6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 (Supplementary Note 7) The first annealing, a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendixes 1 to 6, characterized in that in an atmosphere of O 2 plasma or N 2 O plasma.

(付記8) 前記第1のアニールを、Ar、N2、及びO2の非プラズマ雰囲気内で行うことを特徴とする付記1〜6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 (Supplementary Note 8) The first annealing, Ar, a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendixes 1 to 6, characterized in that in N 2, and the non-plasma atmosphere of O 2.

(付記9) 前記第1のアニールの前に、前記第1の強誘電体膜の表面を水洗する工程を更に有することを特徴とする付記1〜8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary note 9) The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 8, further comprising a step of washing the surface of the first ferroelectric film with water before the first annealing. .

(付記10) 前記第2の強誘電体膜を形成する工程の後であって、前記第2の導電膜を形成する工程の前に、前記第2の強誘電体膜に対して第2のアニールをする工程を更に有することを特徴とする付記1〜付記9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary Note 10) After the step of forming the second ferroelectric film and before the step of forming the second conductive film, the second ferroelectric film has a second The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendix 1 to appendix 9, further comprising a step of annealing.

(付記11) 前記第2のアニールにおける基板温度を、前記第2の強誘電体膜の結晶化温度よりも低くすることを特徴とする付記10に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 11) The substrate temperature in said 2nd annealing is made lower than the crystallization temperature of said 2nd ferroelectric film, The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 10 characterized by the above-mentioned.

(付記12) 前記第2のアニールの後、前記第2の強誘電体膜を大気に曝すことなしに、前記第2の導電膜を形成する工程に移ることを特徴とする付記10又は付記11に記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary Note 12) The supplementary note 10 or the supplementary note 11, wherein after the second annealing, the process proceeds to a step of forming the second conductive film without exposing the second ferroelectric film to the atmosphere. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of.

(付記13) 前記第1のアニールを行う工程、前記第2の強誘電体膜を形成する工程、及び前記第2の導電膜を形成する工程の各々を同一の半導体製造装置で行うことにより、これらの工程間で前記半導体基板を大気に曝さないようにすることを特徴とする付記1〜9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary Note 13) By performing each of the step of performing the first annealing, the step of forming the second ferroelectric film, and the step of forming the second conductive film with the same semiconductor manufacturing apparatus, 10. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 9, wherein the semiconductor substrate is not exposed to the atmosphere between these steps.

(付記14) 前記結晶化した第1の強誘電体膜を形成する工程は、非晶質の前記第1の強誘電体膜を形成する工程と、前記第1の強誘電体膜をアニールして結晶化させる工程とを有することを特徴とする付記1〜13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary Note 14) The step of forming the crystallized first ferroelectric film includes the step of forming the amorphous first ferroelectric film and the step of annealing the first ferroelectric film. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 13, further comprising a step of crystallizing the semiconductor device.

(付記15) 前記結晶化した第1の強誘電体膜を形成する工程は、MOCVD法により成膜の時点で結晶化した強誘電体膜を形成することにより行われることを特徴とする付記1〜13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 15) The process of forming the said crystallized 1st ferroelectric film is performed by forming the ferroelectric film crystallized at the time of film-forming by MOCVD method, It is characterized by the above-mentioned. The manufacturing method of the semiconductor device in any one of -13.

(付記16) 前記第1の強誘電体膜と前記第2の強誘電体膜の少なくとも一方を、0℃〜150℃の基板温度でスパッタ法により形成することを特徴とする付記1〜13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   (Appendix 16) At least one of the first ferroelectric film and the second ferroelectric film is formed by a sputtering method at a substrate temperature of 0 ° C. to 150 ° C. The manufacturing method of the semiconductor device in any one.

(付記17) 前記第1のアニールを行う工程の前に、前記第1の強誘電体膜が大気に曝されることを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。   (Supplementary note 17) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the first ferroelectric film is exposed to the atmosphere before the first annealing step.

図1(a)〜(c)は、調査に使用したサンプルの作製方法を工程順に示す断面図(その1)である。FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views (part 1) showing a method for producing a sample used for the investigation in the order of steps. 図2(a)〜(c)は、調査に使用したサンプルの作製方法を工程順に示す断面図(その2)である。FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views (part 2) showing the method of preparing the sample used for the investigation in the order of steps. 図3は、調査に使用したサンプルの作製方法を工程順に示す断面図(その3)である。FIG. 3 is a cross-sectional view (part 3) showing a method for producing a sample used in the investigation in the order of steps. 図4は、欠陥検査装置を用いてサンプルを検査して得られたウエハマップである。FIG. 4 is a wafer map obtained by inspecting a sample using a defect inspection apparatus. 図5は、図4の欠陥の一つをSEMにより観察して得られた平面図である。FIG. 5 is a plan view obtained by observing one of the defects in FIG. 4 with an SEM. 図6(a)は、図5の欠陥の断面TEM像を基にして描いた図であり、図6(b)は、図6(a)の拡大断面図である。6A is a diagram drawn based on the cross-sectional TEM image of the defect in FIG. 5, and FIG. 6B is an enlarged cross-sectional view of FIG. 6A. 図7は、TDSによる調査に使用されたサンプルの断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a sample used for the investigation by TDS. 図8は、PZT膜に含まれる水の量をTDSで測定して得られたグラフである。FIG. 8 is a graph obtained by measuring the amount of water contained in the PZT film by TDS. 図9は、図8と同じサンプルについて、PZT膜の膜中の二酸化炭素の量をTDS法により調査して得られたグラフである。FIG. 9 is a graph obtained by examining the amount of carbon dioxide in the PZT film by the TDS method for the same sample as FIG. 図10は、膜剥がれのメカニズムについて示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing the mechanism of film peeling. 図11(a)〜(c)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その1)である。11A to 11C are cross-sectional views (part 1) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図12(a)〜(c)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その2)である。12A to 12C are cross-sectional views (part 2) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図13(a)、(b)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その3)である。FIGS. 13A and 13B are cross-sectional views (part 3) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図14(a)、(b)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その4)である。FIGS. 14A and 14B are cross-sectional views (part 4) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図15(a)、(b)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その5)である。FIGS. 15A and 15B are cross-sectional views (part 5) in the course of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図16(a)、(b)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その6)である。FIGS. 16A and 16B are cross-sectional views (part 6) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図17(a)、(b)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その7)である。17A and 17B are cross-sectional views (part 7) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図18(a)、(b)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その8)である。18A and 18B are cross-sectional views (part 8) in the middle of the manufacture of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図19(a)、(b)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その9)である。19A and 19B are cross-sectional views (part 9) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図20(a)、(b)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その10)である。FIGS. 20A and 20B are cross-sectional views (part 10) in the middle of the manufacture of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図21(a)、(b)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その11)である。21A and 21B are cross-sectional views (part 11) in the middle of the manufacture of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図22(a)、(b)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その12)である。22A and 22B are cross-sectional views (No. 12) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図23(a)、(b)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その13)である。23A and 23B are cross-sectional views (No. 13) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図24は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その14)である。FIG. 24 is a cross-sectional view (No. 14) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図25は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造工程の主要ステップを示すフローチャートである。FIG. 25 is a flowchart showing the main steps of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図26は、25枚のシリコン基板の面内における膜剥がれによる欠陥の数を調査して得られたグラフである。FIG. 26 is a graph obtained by investigating the number of defects due to film peeling in the plane of 25 silicon substrates. 図27は、図26で調査したウエハのなかの一枚のウエハマップである。FIG. 27 is a wafer map of one of the wafers investigated in FIG. 図28は、図26の欠陥の一つをSEMにより観察して得られた平面像である。FIG. 28 is a planar image obtained by observing one of the defects in FIG. 26 with an SEM. 図29は、第1のアニールと第2のアニールの両方を行った場合のウエハマップである。FIG. 29 is a wafer map when both the first annealing and the second annealing are performed. 図30は、本発明の第1実施形態の第1変形例に係るフローチャートである。FIG. 30 is a flowchart according to a first modification of the first embodiment of the present invention. 図31は、本発明の第1実施形態の第2変形例に係るフローチャートである。FIG. 31 is a flowchart according to a second modification of the first embodiment of the present invention. 図32(a)〜(c)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その1)である。32A to 32C are cross-sectional views (part 1) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図33(a)〜(c)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その2)である。33A to 33C are cross-sectional views (part 2) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図34(a)〜(c)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その3)である。34A to 34C are cross-sectional views (part 3) in the middle of the manufacture of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図35(a)〜(c)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その4)である。FIGS. 35A to 35C are cross-sectional views (part 4) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図36(a)、(b)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その5)である。FIGS. 36A and 36B are cross-sectional views (part 5) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図37(a)、(b)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その6)である。37A and 37B are cross-sectional views (part 6) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図38(a)、(b)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その7)である。38A and 38B are cross-sectional views (part 7) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図39(a)、(b)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その8)である。39A and 39B are cross-sectional views (part 8) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図40(a)、(b)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その9)である。FIGS. 40A and 40B are cross-sectional views (part 9) in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図41(a)、(b)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その10)である。41 (a) and 41 (b) are cross-sectional views (part 10) in the middle of the manufacture of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図42(a)、(b)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その11)である。42A and 42B are cross-sectional views (part 11) in the middle of the manufacture of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図43は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その12)である。FIG. 43 is a cross-sectional view (No. 12) of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention which is being manufactured.

符号の説明Explanation of symbols

1、20、30…シリコン基板、3…第1の導電膜、5…第1の強誘電体膜、7…第2の強誘電体膜、10…不純物、11…第3の導電膜、21…PZT膜、31…素子分離絶縁膜、32…pウェル、33…ゲート絶縁膜、34…ゲート電極、35a、35b…第1、第2のソース/ドレインエクステンション、36a、36b…第1、第2のソース/ドレイン領域、37…絶縁性スペーサ、38…高融点シリサイド層、41…カバー絶縁膜、42…第1の層間絶縁膜、42a…コンタクトホール、43…第1の導電性プラグ、45…酸化防止絶縁膜、46…絶縁性密着膜、47…下部電極密着膜、48…第1の導電膜、49…第1の強誘電体膜、50…第2の強誘電体膜、51…第2の導電膜、52…導電性保護膜、53…ハードマスク、57…第1のレジストパターン、61…下部電極、62…キャパシタ誘電体膜、63…上部電極、65…第1の水素バリア絶縁膜、70…第2の水素バリア絶縁膜、71…第2の層間絶縁膜、71a〜71c…第1〜第3のホール、72…第3の水素バリア絶縁膜、73…キャップ絶縁膜、75…グルー膜、76…タングステン膜、77…第2の導電性プラグ、78〜62…一層目〜五層目金属配線、83〜86…第3〜第6の層間絶縁膜、87、88…第1、第2のパッシベーション膜、91…第2の導電性プラグ、92…酸化防止絶縁膜、93…第2の層間絶縁膜、93a…第1のホール、94…下地導電膜、95…結晶性導電膜、96…導電性酸素バリア膜、97…第1の導電膜、98…第1の強誘電体膜、99…第2の強誘電体膜、100…第2の導電膜、101…第1の導電性保護膜、102…第2の導電性水素バリア膜、103…第1のハードマスク、104…第2のハードマスク、110…第1の水素バリア絶縁膜、111…第2の水素バリア絶縁膜、112…第3の層間絶縁膜、112a、112b…第2、第3のホール、113…第3の水素バリア絶縁膜、114…キャップ絶縁膜、115…一層目金属配線、116、117…第3、第4の導電性プラグ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 20, 30 ... Silicon substrate, 3 ... 1st electrically conductive film, 5 ... 1st ferroelectric film, 7 ... 2nd ferroelectric film, 10 ... Impurity, 11 ... 3rd electrically conductive film, 21 ... PZT film, 31 ... element isolation insulating film, 32 ... p well, 33 ... gate insulating film, 34 ... gate electrode, 35a, 35b ... first and second source / drain extensions, 36a, 36b ... first, first 2 ... source / drain regions, 37 ... insulating spacer, 38 ... refractory silicide layer, 41 ... cover insulating film, 42 ... first interlayer insulating film, 42a ... contact hole, 43 ... first conductive plug, 45 ... Antioxidation insulating film 46. Insulating adhesive film 47. Lower electrode adhesive film 48. First conductive film 49. First ferroelectric film 50. Second ferroelectric film 51. Second conductive film 52 ... conductive protective film 53 ... hard mask 57 ... 1st resist pattern, 61 ... lower electrode, 62 ... capacitor dielectric film, 63 ... upper electrode, 65 ... first hydrogen barrier insulating film, 70 ... second hydrogen barrier insulating film, 71 ... second interlayer insulation Films 71a to 71c ... first to third holes 72 ... third hydrogen barrier insulating film 73 ... cap insulating film 75 ... glue film 76 ... tungsten film 77 ... second conductive plug 78 -62 ... 1st-5th layer metal wiring, 83-86 ... 3rd-6th interlayer insulation film, 87, 88 ... 1st, 2nd passivation film, 91 ... 2nd electroconductive plug, 92 ... Antioxidation insulating film, 93 ... second interlayer insulating film, 93a ... first hole, 94 ... underlying conductive film, 95 ... crystalline conductive film, 96 ... conductive oxygen barrier film, 97 ... first conductive film, 98: First ferroelectric film, 99: Second ferroelectric film, 100 2nd conductive film 101 ... 1st conductive protective film 102 ... 2nd conductive hydrogen barrier film | membrane 103 ... 1st hard mask 104 ... 2nd hard mask 110 ... 1st hydrogen barrier Insulating film, 111 ... second hydrogen barrier insulating film, 112 ... third interlayer insulating film, 112a, 112b ... second and third holes, 113 ... third hydrogen barrier insulating film, 114 ... cap insulating film, 115: First layer metal wiring, 116, 117: Third and fourth conductive plugs.

Claims (4)

半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に第1の導電膜を形成する工程と、
前記第1の導電膜の上に、結晶化した第1の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第1の強誘電体膜に対して第1のアニールを行う工程と、
前記第1のアニールの後、前記半導体基板を大気に曝さないように前記第1の強誘電体膜の上に非晶質の第2の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第2の強誘電体膜の上に第2の導電膜を形成する工程と、
前記第2の導電膜を形成した後、前記第2の強誘電体膜をアニールして結晶化する工程と、
前記第1の導電膜、前記第1の強誘電体膜、前記第2の強誘電体膜、及び前記第2の導電膜をパターニングして強誘電体キャパシタを形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film above the semiconductor substrate;
Forming a first conductive film on the insulating film;
Forming a crystallized first ferroelectric film on the first conductive film;
Performing a first annealing on the first ferroelectric film;
After the first annealing, forming an amorphous second ferroelectric film on the first ferroelectric film so as not to expose the semiconductor substrate to the atmosphere;
Forming a second conductive film on the second ferroelectric film;
After forming the second conductive film, annealing the second ferroelectric film to crystallize;
Patterning the first conductive film, the first ferroelectric film, the second ferroelectric film, and the second conductive film to form a ferroelectric capacitor;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1のアニールの前に、前記第1の強誘電体膜の表面を水洗する工程を更に有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of washing the surface of the first ferroelectric film with water before the first annealing. 前記第2の強誘電体膜を形成する工程の後であって、前記第2の導電膜を形成する工程の前に、前記第2の強誘電体膜に対して第2のアニールをする工程を更に有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。   A step of performing a second annealing on the second ferroelectric film after the step of forming the second ferroelectric film and before the step of forming the second conductive film. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: 前記第1のアニールを行う工程、前記第2の強誘電体膜を形成する工程、及び前記第2の導電膜を形成する工程の各々を同一の半導体製造装置で行うことにより、これらの工程間で前記半導体基板を大気に曝さないようにすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   By performing each of the step of performing the first annealing, the step of forming the second ferroelectric film, and the step of forming the second conductive film with the same semiconductor manufacturing apparatus, the steps between these steps are performed. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is not exposed to the atmosphere.
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