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JP2010278197A - Semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2010278197A
JP2010278197A JP2009128742A JP2009128742A JP2010278197A JP 2010278197 A JP2010278197 A JP 2010278197A JP 2009128742 A JP2009128742 A JP 2009128742A JP 2009128742 A JP2009128742 A JP 2009128742A JP 2010278197 A JP2010278197 A JP 2010278197A
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JP
Japan
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fluorine
memory device
barrier film
semiconductor memory
hydrogen
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Application number
JP2009128742A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshitaka Tatsunari
利貴 立成
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】キャパシタの強誘電体又は高誘電体からなる容量絶縁膜が水素バリア膜から発生する水素によって劣化することを確実に防止できるようにする半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体記憶装置は、半導体基板11の上に形成された強誘電体又は高誘電体からなる容量絶縁膜18を有するキャパシタ20と、キャパシタ20の下側に形成された第1の水素バリア膜15とを有している。第1の水素バリア膜15は、フッ素を含む窒化シリコンからなる。
【選択図】図1
A semiconductor memory device and a method of manufacturing the semiconductor memory device are provided that can reliably prevent a capacitor insulating film made of a ferroelectric or high dielectric of a capacitor from being deteriorated by hydrogen generated from a hydrogen barrier film.
A semiconductor memory device includes a capacitor having a capacitive insulating film made of a ferroelectric or a high dielectric formed on a semiconductor substrate, and a first hydrogen formed on the lower side of the capacitor. And a barrier film 15. The first hydrogen barrier film 15 is made of silicon nitride containing fluorine.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体記憶装置及びその製造方法、特に、容量絶縁膜に強誘電体又は高誘電体を用いたキャパシタを有する半導体記憶装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor memory device having a capacitor using a ferroelectric or a high dielectric material for a capacitor insulating film and a manufacturing method thereof.

容量絶縁膜に強誘電体又は高誘電体を用いた半導体記憶装置は、ヒステリシス特性による残留分極及び高い比誘電率を有していることから、DRAM(dynamic random access memory)を筆頭とする揮発性半導体記憶装置又はフラッシュメモリを筆頭とする不揮発性半導体記憶装置の分野における、酸化シリコン又は窒化シリコンからなる容量絶縁膜を用いたキャパシタを有する半導体記憶装置と置き換えることができる。   Semiconductor memory devices using ferroelectrics or high dielectrics for capacitive insulating films have remanent polarization due to hysteresis characteristics and high relative permittivity, so DRAM (dynamic random access memory) is the leading volatility. The semiconductor memory device can be replaced with a semiconductor memory device having a capacitor using a capacitor insulating film made of silicon oxide or silicon nitride in the field of a semiconductor memory device or a flash memory.

しかしながら、強誘電体又は高誘電体は、結晶構造自体がその物理的特性を決定する金属酸化物であるため、水素による還元作用の影響が大きい。一方、MOS(metal oxide semiconductor)トランジスタの形成プロセス、多層配線の形成プロセス及び保護膜の形成プロセス等には、水素(H)ガスはもとより水素原子を含むシラン(SiH)ガス、レジスト材料及び水(水分)等を用いる工程を多く含み、強誘電体又は高誘電体における物理特性の劣化が懸念される。 However, a ferroelectric substance or a high dielectric substance is a metal oxide whose crystal structure itself determines its physical characteristics, and therefore has a great influence of the reduction action by hydrogen. On the other hand, a process for forming a metal oxide semiconductor (MOS) transistor, a process for forming a multilayer wiring, a process for forming a protective film, and the like include a silane (SiH 4 ) gas containing hydrogen atoms as well as a hydrogen (H 2 ) gas, a resist material, Many processes using water (moisture) or the like are included, and there is a concern about deterioration of physical properties of the ferroelectric or high dielectric.

そこで、近年、キャパシタの周囲に水素バリア層を設け、該キャパシタを単体ごとに又は複数のキャパシタを一単位として、一のキャパシタ又は複数のキャパシタの全体を水素バリア層によって覆う技術が提示されている(例えば、特許文献1を参照。)。   Therefore, in recent years, a technique has been proposed in which a hydrogen barrier layer is provided around a capacitor, and the capacitor is covered by a hydrogen barrier layer for each capacitor or a plurality of capacitors as a unit. (For example, see Patent Document 1).

以下、特許文献1に記載された従来例に係る、強誘電体を用いた容量絶縁膜を用いたキャパシタを有する半導体記憶装置について図6を参照しながら説明する。 図6に示すように、半導体基板1には、MOSトランジスタ2が形成され、該MOSトランジスタ2は上面が平坦化された層間絶縁膜3によって覆われている。層間絶縁膜3の上には、下部電極7、強誘電体膜8及び上部電極9からなる強誘電体キャパシタが形成されており、該強誘電体キャパシタの周囲は、水素バリア膜4、5、5A、6及び10により、その上方、側方及び下方が覆われている。   Hereinafter, a semiconductor memory device having a capacitor using a capacitor insulating film using a ferroelectric according to a conventional example described in Patent Document 1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 6, a MOS transistor 2 is formed on a semiconductor substrate 1, and the MOS transistor 2 is covered with an interlayer insulating film 3 whose upper surface is flattened. A ferroelectric capacitor comprising a lower electrode 7, a ferroelectric film 8, and an upper electrode 9 is formed on the interlayer insulating film 3, and the periphery of the ferroelectric capacitor is surrounded by hydrogen barrier films 4, 5, 5A, 6 and 10 cover the upper side, the side and the lower side.

このように、従来の半導体記憶装置は、複数の水素バリア膜によって強誘電体キャパシタの上方、側方及び下方が覆われているため、キャパシタを形成した後の半導体形成プロセスにおいて、キャパシタが水素雰囲気にさらされたとしても強誘電体膜が還元されることがないため、信頼性に優れたキャパシタを得ることができる。   Thus, in the conventional semiconductor memory device, the upper, side and lower sides of the ferroelectric capacitor are covered with a plurality of hydrogen barrier films. Therefore, in the semiconductor formation process after forming the capacitor, the capacitor is in a hydrogen atmosphere. Since the ferroelectric film is not reduced even when exposed to the above, a highly reliable capacitor can be obtained.

特許第3654585号公報Japanese Patent No. 3654585

International Symposium on Application of Ferroelectrics (ISAF) 2007,29B-FR3-I2,Development of Integration Technology of Stacked Capacitors Using SrBi2Ta2O9 Thin Films Applicable to 0.25μm FeRAM, K. Ashikaga, T. Yamanobe, K. Takaya, S. Ozawa, T. Hayashi and Y. Kobayashi (Oki Electric)International Symposium on Application of Ferroelectrics (ISAF) 2007, 29B-FR3-I2, Development of Integration Technology of Stacked Capacitors Using SrBi2Ta2O9 Thin Films Applicable to 0.25μm FeRAM, K. Ashikaga, T. Yamanobe, K. Takaya, S. Ozawa, T. Hayashi and Y. Kobayashi (Oki Electric)

しかしながら、本願発明者は、前記従来の半導体記憶装置について種々の検討を重ねた結果、水素バリア層に周囲が覆われているにも拘わらず、強誘電体を用いた容量絶縁膜を有する半導体記憶装置の電気特性が劣化することを確認している。   However, the inventor of the present application has conducted various studies on the conventional semiconductor memory device, and as a result, the semiconductor memory having a capacitive insulating film using a ferroelectric material even though the periphery is covered with a hydrogen barrier layer. It has been confirmed that the electrical characteristics of the equipment deteriorate.

そこで、本願発明者はこの劣化原因を究明し、半導体製造工程中又は半導体記憶装置の完成後の組み立て封止工程の際の熱処理によって、水素バリア膜自体に含まれる水素が脱離して強誘電体膜を還元することによって、強誘電体キャパシタの電気特性を劣化させているとの結論を得ている。   Therefore, the inventor of the present application investigated the cause of this deterioration, and the hydrogen contained in the hydrogen barrier film itself was desorbed by the heat treatment during the semiconductor manufacturing process or during the assembly and sealing process after the completion of the semiconductor memory device. It has been concluded that reducing the film deteriorates the electrical characteristics of the ferroelectric capacitor.

図6に本願発明者が推定した強誘電体膜の劣化のモデルを模式化して示す。図6に示すように、窒化シリコン(SiN)からなる水素バリア膜5、10から発生した水素が、矢印の経路を経て強誘電体膜8に達し、強誘電体膜8に達した水素が強誘電体を還元して該強誘電体の強誘電性を消失し、メモリとしての機能を失わせるというものである。   FIG. 6 schematically shows a model of deterioration of the ferroelectric film estimated by the inventor of the present application. As shown in FIG. 6, hydrogen generated from the hydrogen barrier films 5 and 10 made of silicon nitride (SiN) reaches the ferroelectric film 8 through the path indicated by the arrow, and the hydrogen that reaches the ferroelectric film 8 is strong. By reducing the dielectric, the ferroelectricity of the ferroelectric is lost, and the function as a memory is lost.

そこで、本発明は、前記の問題に鑑み、キャパシタの強誘電体又は高誘電体からなる容量絶縁膜が水素バリア膜から発生する水素によって劣化することを確実に防止できるようにすることを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to reliably prevent a capacitor insulating film made of a ferroelectric or high dielectric of a capacitor from being deteriorated by hydrogen generated from a hydrogen barrier film. To do.

前記の目的を達成するため、本発明は、半導体記憶装置を、製造工程中に水素バリア膜に必然的に含まれる水素をフッ素で置換する構成とする。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor memory device has a structure in which hydrogen inevitably contained in a hydrogen barrier film is replaced with fluorine during a manufacturing process.

具体的に、本発明に係る半導体記憶装置は、半導体基板の上に形成された強誘電体又は高誘電体からなる容量絶縁膜を有するキャパシタと、キャパシタの周囲に形成された水素バリア膜とを備え、水素バリア膜の少なくとも一部はフッ素を含むことを特徴とする。   Specifically, a semiconductor memory device according to the present invention includes a capacitor having a capacitive insulating film made of a ferroelectric or high dielectric formed on a semiconductor substrate, and a hydrogen barrier film formed around the capacitor. And at least a part of the hydrogen barrier film contains fluorine.

本発明の半導体記憶装置によると、キャパシタの周囲に形成された水素バリア膜の少なくとも一部にはフッ素を含むため、水素バリア膜からの脱離水素による容量絶縁膜の還元が著しく低減される。その結果、容量絶縁膜の水素による劣化を確実に防止できるので、電気特性(動作特性)に優れた高品質の半導体記憶装置を得ることができる。   According to the semiconductor memory device of the present invention, since at least a part of the hydrogen barrier film formed around the capacitor contains fluorine, the reduction of the capacitive insulating film due to desorbed hydrogen from the hydrogen barrier film is significantly reduced. As a result, deterioration of the capacitor insulating film due to hydrogen can be reliably prevented, so that a high-quality semiconductor memory device having excellent electrical characteristics (operation characteristics) can be obtained.

本発明の半導体記憶装置において、水素バリア膜は、水素基がフッ素基で置換されていることが好ましい。ここで、Si−Hのように、−Hで終端している結合状態を水素基と定義し、また同様に、Si−Fのように−Fで終端している結合状態をフッ素基と定義する。   In the semiconductor memory device of the present invention, the hydrogen barrier film preferably has a hydrogen group substituted with a fluorine group. Here, a bonded state terminated with -H, such as Si-H, is defined as a hydrogen group, and similarly, a bonded state terminated with -F, such as Si-F, is defined as a fluorine group. To do.

本発明の半導体記憶装置において、水素バリア膜は、フッ素含有窒化シリコン膜であってもよい。   In the semiconductor memory device of the present invention, the hydrogen barrier film may be a fluorine-containing silicon nitride film.

この場合に、フッ素含有窒化シリコン膜におけるフッ素の結合量は7×1021個/cmよりも大きいことが好ましい。 In this case, the fluorine bonding amount in the fluorine-containing silicon nitride film is preferably larger than 7 × 10 21 pieces / cm 3 .

また、この場合に、フッ素含有窒化シリコン膜の膜厚は、10nm以上であってよい。   In this case, the film thickness of the fluorine-containing silicon nitride film may be 10 nm or more.

本発明の半導体記憶装置において、キャパシタは半導体基板の上に複数形成されており、水素バリア膜は、複数のキャパシタの1つのキャパシタごとにその周囲を覆っていてもよい。   In the semiconductor memory device of the present invention, a plurality of capacitors may be formed on the semiconductor substrate, and the hydrogen barrier film may cover the periphery of each capacitor of the plurality of capacitors.

また、本発明の半導体記憶装置において、キャパシタは半導体基板の上に複数形成されており、水素バリア膜は、複数のキャパシタの2つ以上のキャパシタごとにその周囲を覆っていてもよい。   In the semiconductor memory device of the present invention, a plurality of capacitors may be formed on the semiconductor substrate, and the hydrogen barrier film may cover the periphery of every two or more capacitors of the plurality of capacitors.

本発明に係る半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板の上に強誘電体又は高誘電体からなるキャパシタを形成する工程と、キャパシタの周囲に水素バリア膜を形成する工程とを備え、水素バリア膜を形成する工程において、水素バリア膜の少なくとも一部に、シリコンと水素との結合を有する第1の原料ガス、窒素と水素との結合を有する第2の原料ガス及びフッ素を含む第3の原料ガスを反応させることにより、フッ素含有窒化シリコン膜を形成することを特徴とする。   A method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention includes a step of forming a capacitor made of a ferroelectric or a high dielectric on a semiconductor substrate, and a step of forming a hydrogen barrier film around the capacitor. In the step of forming the film, at least part of the hydrogen barrier film includes a first source gas having a bond of silicon and hydrogen, a second source gas having a bond of nitrogen and hydrogen, and a third source gas containing fluorine. A fluorine-containing silicon nitride film is formed by reacting a source gas.

本発明の半導体記憶装置の製造方法によると、キャパシタの周囲に、その少なくとも一部がフッ素含有窒化シリコンからなる水素バリア膜を形成する。このため、製造中の水素バリア膜に残存する水素の含有量が低減されて、水素バリア膜からの脱離水素による容量絶縁膜の還元が著しく低減されるので、容量絶縁膜の水素による劣化を確実に防止することができる。その結果、電気特性(動作特性)に優れた高品質の半導体記憶装置を得ることができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, a hydrogen barrier film, at least part of which is made of fluorine-containing silicon nitride, is formed around the capacitor. For this reason, the content of hydrogen remaining in the hydrogen barrier film being manufactured is reduced, and the reduction of the capacitive insulating film due to desorbed hydrogen from the hydrogen barrier film is remarkably reduced. It can be surely prevented. As a result, a high-quality semiconductor memory device having excellent electrical characteristics (operation characteristics) can be obtained.

本発明の半導体記憶装置の製造方法は、水素バリア膜を形成する工程において、フッ素含有窒化シリコン膜は、シリコンと水素との結合及び窒素と水素との結合がシリコンとフッ素との結合及び窒素とフッ素との結合にそれぞれ置換されることにより形成されてもよい。   In the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, in the step of forming the hydrogen barrier film, the fluorine-containing silicon nitride film includes a bond between silicon and hydrogen, a bond between nitrogen and hydrogen, and a bond between silicon and fluorine and nitrogen. It may be formed by being substituted with a bond with fluorine.

本発明の半導体記憶装置の製造方法は、水素バリア膜を形成する工程において、第3の原料ガスには、フッ化シリコン、フッ化硫黄、フッ化メチル、フッ化ヒ素、フッ化リン、フッ化ホウ素、フッ化炭素及びフッ化窒素のうちから選ばれた少なくとも1つのガスを用いることができる。   In the method of manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, in the step of forming the hydrogen barrier film, the third source gas includes silicon fluoride, sulfur fluoride, methyl fluoride, arsenic fluoride, phosphorus fluoride, fluoride fluoride. At least one gas selected from boron, fluorocarbon, and nitrogen fluoride can be used.

本発明の半導体記憶装置の製造方法において、フッ素含有窒化シリコン膜におけるフッ素の結合量は7×1021個/cmよりも大きいことが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, the amount of fluorine bonding in the fluorine-containing silicon nitride film is preferably larger than 7 × 10 21 pieces / cm 3 .

本発明に係る半導体記憶装置及びその製造方法によると、水素バリア膜からの脱離水素による容量絶縁膜の還元が著しく低減されて、容量絶縁膜の水素による劣化を確実に防止できるため、より高品質の半導体記憶装置を実現することができる。   According to the semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the reduction of the capacitive insulating film due to the desorbed hydrogen from the hydrogen barrier film is remarkably reduced, and the deterioration of the capacitive insulating film due to hydrogen can be surely prevented. A quality semiconductor memory device can be realized.

本発明の一実施形態に係る半導体記憶装置を示す要部の断面図である。It is sectional drawing of the principal part which shows the semiconductor memory device which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る半導体記憶装置に形成される、窒化シリコンを用いた水素バリア膜の場合の分極量を1と規格化したときの分極量の向上効果と窒化シリコン膜のフッ素結合量との関係を示すグラフである。Effect of improving polarization amount and fluorine bond amount of silicon nitride film when hydrogen barrier film using silicon nitride formed in semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention is normalized to 1 It is a graph which shows the relationship. (a)〜(c)は本発明の一実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法を示す工程順の断面図である。(A)-(c) is sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the semiconductor memory device concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るフッ素含有窒化シリコンからなる水素バリア膜を成膜する成膜装置の一例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the film-forming apparatus which forms the hydrogen barrier film which consists of fluorine-containing silicon nitride concerning one Embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る半導体記憶装置に形成される窒化シリコン膜のフッ素結合量と窒化シリコン膜の原料ガスであるSiFの流量との関係を示すグラフである。 4 is a graph showing the relationship between the fluorine bond amount of a silicon nitride film formed in the semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention and the flow rate of SiF 4 that is a source gas of the silicon nitride film. 従来例に係る半導体記憶装置を示す要部の断面図である。It is sectional drawing of the principal part which shows the semiconductor memory device concerning a prior art example.

(一実施形態)
本発明の一実施形態に係る半導体記憶装置について図面を参照しながら説明する。
(One embodiment)
A semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に示すように、本実施形態に係る半導体記憶装置は、例えば、シリコン(Si)からなる半導体基板11のメモリ領域にMOSトランジスタ12が形成されている。MOSトランジスタ12における第1の不純物拡散層12aには該MOSトランジスタ12を介してメモリデータを読み出すためのビット線13が接続されている。   As shown in FIG. 1, in the semiconductor memory device according to this embodiment, a MOS transistor 12 is formed in a memory region of a semiconductor substrate 11 made of, for example, silicon (Si). A bit line 13 for reading memory data is connected to the first impurity diffusion layer 12 a in the MOS transistor 12 via the MOS transistor 12.

半導体基板11上のメモリ領域には、MOSトランジスタ12を覆うように、例えばBPSG(boro-phospho-silicate glass)からなる第1の層間絶縁膜14が、その上面を平坦化されて形成されている。第1の層間絶縁膜14の上には、フッ素含有窒化シリコンからなる第1の水素バリア膜15が形成されている。第1の層間絶縁膜14及び第1の水素バリア膜15にはこれらを貫通して、MOSトランジスタ12の第2の不純物拡散層12bと電気的に接続されたコンタクトプラグ16が形成されている。   In the memory region on the semiconductor substrate 11, a first interlayer insulating film 14 made of, for example, BPSG (boro-phospho-silicate glass) is formed so as to cover the MOS transistor 12 with the upper surface thereof being flattened. . A first hydrogen barrier film 15 made of fluorine-containing silicon nitride is formed on the first interlayer insulating film 14. A contact plug 16 is formed in the first interlayer insulating film 14 and the first hydrogen barrier film 15 so as to penetrate the first interlayer insulating film 14 and the first hydrogen barrier film 15 and to be electrically connected to the second impurity diffusion layer 12b of the MOS transistor 12.

第1の水素バリア膜15の上には、コンタクトプラグ16と接続されるように、下部電極17、強誘電体又は高誘電体を含む容量絶縁膜18及び上部電極19が順次積層されたキャパシタ20が形成されている。第1の水素バリア膜15の上には、キャパシタ20の上面及び側面を覆うように、例えば窒化シリコン(SiN)又は窒化チタンアルミニウム(TiAlN)等からなる第2の水素バリア膜21が形成されている。また、第2の水素バリア膜22の上には、BPSG等の酸化シリコンからなる第2の層間絶縁膜22が形成されている。   On the first hydrogen barrier film 15, a capacitor 20 in which a lower electrode 17, a capacitor insulating film 18 including a ferroelectric or high dielectric, and an upper electrode 19 are sequentially stacked so as to be connected to the contact plug 16. Is formed. A second hydrogen barrier film 21 made of, for example, silicon nitride (SiN) or titanium aluminum nitride (TiAlN) is formed on the first hydrogen barrier film 15 so as to cover the upper surface and side surfaces of the capacitor 20. Yes. A second interlayer insulating film 22 made of silicon oxide such as BPSG is formed on the second hydrogen barrier film 22.

本実施形態の特徴として、キャパシタ20(下部電極17)の下側に設けた第1の水素バリア膜15として、窒化シリコン(SiN)にフッ素(F)を含有させ、該窒化シリコン中の水素基(−H)をフッ素基(−F)と置換したフッ素含有窒化シリコン(SiNF)膜を用いている。なお、図示はしていないが、MOSトランジスタ12及びキャパシタ20等は、半導体基板11の上に複数個が形成されており、第1の水素バリア膜15は、1個のキャパシタ20ごとに設けられていてもよく、複数のキャパシタ20を含むブロックごとに設けられていてもよい。   As a feature of the present embodiment, as the first hydrogen barrier film 15 provided on the lower side of the capacitor 20 (lower electrode 17), fluorine (F) is contained in silicon nitride (SiN), and hydrogen groups in the silicon nitride are contained. A fluorine-containing silicon nitride (SiNF) film in which (—H) is replaced with a fluorine group (—F) is used. Although not shown, a plurality of MOS transistors 12 and capacitors 20 are formed on the semiconductor substrate 11, and the first hydrogen barrier film 15 is provided for each capacitor 20. It may be provided for each block including a plurality of capacitors 20.

本実施形態に係るフッ素含有窒化シリコン膜は、例えば[表1]に示す成膜条件で成膜している。   The fluorine-containing silicon nitride film according to the present embodiment is formed, for example, under the film formation conditions shown in [Table 1].

Figure 2010278197
図2は、窒化シリコンを第1の水素バリア膜に用いた場合の該第1の水素バリア膜の分極量を1と規格化したときの、フッ素含有窒化シリコン膜の分極量の向上効果とフッ素含有窒化シリコン膜中のフッ素結合量(Si−F及びN−Fの総数)(個/cm)との関係を示している。ここで、比較例として、フッ素を含まない窒化シリコン(SiN)膜の成膜条件を、シラン(SiH)の流量を30ml/min(標準状態)、アンモニア(NH)の流量を3700ml/min(標準状態)、及び窒素(N)の流量を3000ml/min(標準状態)とし、成膜時の圧力を36.5kPaとし、成膜温度を800℃とし、膜厚を20nmとしている。なお、縦軸は任意単位(a.u.)である。
Figure 2010278197
FIG. 2 shows the effect of improving the polarization amount of the fluorine-containing silicon nitride film when the polarization amount of the first hydrogen barrier film is normalized to 1 when silicon nitride is used for the first hydrogen barrier film. The relationship with the amount of fluorine bonds (total number of Si—F and N—F) (pieces / cm 3 ) in the silicon nitride film is shown. Here, as a comparative example, the film formation conditions of a silicon nitride (SiN) film not containing fluorine are as follows: the flow rate of silane (SiH 4 ) is 30 ml / min (standard state), and the flow rate of ammonia (NH 3 ) is 3700 ml / min. The flow rate of nitrogen (N 2 ) is 3000 ml / min (standard state), the pressure during film formation is 36.5 kPa, the film formation temperature is 800 ° C., and the film thickness is 20 nm. The vertical axis is an arbitrary unit (au).

図2から分かるように、フッ素含有窒化シリコン膜中の水素をフッ素で置換し、膜中のフッ素結合量を7×1021個/cmよりも大きくすることによって、容量絶縁膜18の分極量の向上効果を1よりも大きくする、すなわち、強誘電体等の分極特性を向上させることができることを確認している。 As can be seen from FIG. 2, by replacing hydrogen in the fluorine-containing silicon nitride film with fluorine and increasing the amount of fluorine bonds in the film to more than 7 × 10 21 pieces / cm 3 , the polarization amount of the capacitive insulating film 18 It has been confirmed that the improvement effect of 1 can be made larger than 1, that is, the polarization characteristics of a ferroelectric or the like can be improved.

ところで、比較例であるフッ素を含まない窒化シリコン膜中の水素結合量(Si−H及びN−Hの総数)は、3×1022個/cmである。従って、フッ素含有窒化シリコン膜中のフッ素結合量が7×1021個/cmである場合、フッ素含有窒化シリコン膜中の水素結合量は3×1022個/cmから6×1021個/cmに減少し、その差がフッ素結合量に相当すると考えられる。ここで、フッ素結合量及び水素結合量の測定には、フーリエ変換型赤外分光(FT−IR)法を用いている。 Incidentally, the amount of hydrogen bonds (total number of Si—H and N—H) in the silicon nitride film not containing fluorine as a comparative example is 3 × 10 22 / cm 3 . Therefore, when the fluorine bond amount in the fluorine-containing silicon nitride film is 7 × 10 21 pieces / cm 3 , the hydrogen bond amount in the fluorine-containing silicon nitride film is 3 × 10 22 pieces / cm 3 to 6 × 10 21 pieces. / Cm 3 , and the difference is considered to correspond to the fluorine bond amount. Here, the Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) method is used for the measurement of the fluorine bond amount and the hydrogen bond amount.

以下、前記のように構成された本実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について図3(a)から図3(c)を参照しながら説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor memory device according to this embodiment configured as described above will be described with reference to FIGS.

まず、図3(a)に示すように、半導体基板11の上部に、複数の活性領域を分割するためのSTI(shallow trench isolation)分離領域(図示せず)を形成する。その後、半導体基板11の活性領域の上にゲート絶縁膜とゲート電極とを順次積層して形成する。その後、半導体基板11の上部に、ゲート電極等をマスクとして不純物イオンをイオン注入することにより、ゲート電極の両側方の領域に第1の不純物拡散層12a及び第2の不純物拡散層12bを形成してMOSトランジスタ12を得る。続いて、MOSトランジスタ12の第1の不純物拡散層12aと接続するように、半導体基板11上にメモリセルからデータを読み出すビット線13を形成する。その後、トランジスタ12とビット線13とを覆うように、半導体基板11の上に、BPSGからなる第1の層間絶縁膜14を形成し、続いて、第1の層間絶縁膜14の上面を化学機械研磨(CMP)法により平坦化する。   First, as shown in FIG. 3A, an STI (shallow trench isolation) isolation region (not shown) for dividing a plurality of active regions is formed on the semiconductor substrate 11. Thereafter, a gate insulating film and a gate electrode are sequentially stacked on the active region of the semiconductor substrate 11. Thereafter, impurity ions are ion-implanted into the upper portion of the semiconductor substrate 11 using the gate electrode or the like as a mask to form the first impurity diffusion layer 12a and the second impurity diffusion layer 12b in regions on both sides of the gate electrode. Thus, the MOS transistor 12 is obtained. Subsequently, a bit line 13 for reading data from a memory cell is formed on the semiconductor substrate 11 so as to be connected to the first impurity diffusion layer 12 a of the MOS transistor 12. Thereafter, a first interlayer insulating film 14 made of BPSG is formed on the semiconductor substrate 11 so as to cover the transistor 12 and the bit line 13, and then the upper surface of the first interlayer insulating film 14 is formed on the chemical mechanical layer. Planarization is performed by polishing (CMP).

次に、図3(b)に示すように、フッ素含有窒化シリコンからなる第1の水素バリア膜15を、例えば膜厚が少なくとも10nm、ここでは約20nmとなるように形成する。なお、第1の水素バリア膜15の成膜方法等の詳細については後述する。   Next, as shown in FIG. 3B, the first hydrogen barrier film 15 made of fluorine-containing silicon nitride is formed to have a film thickness of, for example, at least 10 nm, and in this case, about 20 nm. Details of the method for forming the first hydrogen barrier film 15 will be described later.

次に、図3(c)に示すように、形成された第1の水素バリア膜15及び第1の層間絶縁膜14を貫通して、MOSトランジスタ12の第2の不純物拡散層12bと接続されるコンタクトプラグ16を形成する。なお、ここで、コンタクトプラグ16の側面には、水素バリア性を有するバリア膜を形成してもよい。その後、第1の水素バリア膜15の上に、コンタクトプラグ16の上面と接続されるように、下部電極17、強誘電体又は高誘電体を含む容量絶縁膜18及び上部電極19を順次積層してキャパシタ20を形成する。ここで、下部電極17及び上部電極19には、白金(Pt)又はイリジウム(Ir)等を用いることができる。また、下部電極17におけるコンタクトプラグ16と接続される最下層には、水素バリア性を有するバリア膜を設けてもよい。また、容量絶縁膜18には、公知の強誘電体、例えばペロブスカイト型構造の金属酸化物を用いることができ、また、五酸化タンタル(Ta)等の高誘電体を用いることができる。その後、第1の水素バリア膜15の上に、キャパシタ20の上面及び側面を覆うように第2の水素バリア膜21を形成する。続いて、第2の水素バリア膜21を覆うように、BPSG等からなる第2の層間絶縁膜22を形成する。 Next, as shown in FIG. 3C, the first hydrogen barrier film 15 and the first interlayer insulating film 14 that are formed are connected to the second impurity diffusion layer 12 b of the MOS transistor 12. A contact plug 16 is formed. Here, a barrier film having a hydrogen barrier property may be formed on the side surface of the contact plug 16. Thereafter, on the first hydrogen barrier film 15, a lower electrode 17, a capacitor insulating film 18 including a ferroelectric or high dielectric, and an upper electrode 19 are sequentially stacked so as to be connected to the upper surface of the contact plug 16. Thus, the capacitor 20 is formed. Here, platinum (Pt), iridium (Ir), or the like can be used for the lower electrode 17 and the upper electrode 19. Further, a barrier film having a hydrogen barrier property may be provided in the lowermost layer connected to the contact plug 16 in the lower electrode 17. For the capacitor insulating film 18, a known ferroelectric material such as a metal oxide having a perovskite structure can be used, and a high dielectric material such as tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) can be used. . Thereafter, a second hydrogen barrier film 21 is formed on the first hydrogen barrier film 15 so as to cover the upper surface and side surfaces of the capacitor 20. Subsequently, a second interlayer insulating film 22 made of BPSG or the like is formed so as to cover the second hydrogen barrier film 21.

ここで、図3(b)に示すフッ素含有窒化シリコンからなる第1の水素バリア膜15の形成方法について詳述する。   Here, a method of forming the first hydrogen barrier film 15 made of fluorine-containing silicon nitride shown in FIG.

まず、図4に第1のバリア膜15を成膜するための成膜装置を模式的に示す。図4に示すように、成膜装置は、ガス導入口31a及びガス排気口31bを有し、石英からなる減圧可能なチャンバ31を有しており、該チャンバ31の内部には、半導体基板11を保持するサセプタ32が設けられている。チャンバ31の周囲には、半導体基板11を所定の温度に加熱する複数の加熱ランプ33が設けられている。ガス導入口31aから所定の原料ガスがチャンバ31の内部に導入され、ガス排気口16から成膜後の反応済ガスが排出される。なお、図4においては、ランプ加熱式の化学気相成長を行える成膜装置を示したが、これに限られず、サセプタ32の内部にヒータが組み込まれたヒータ加熱式成膜装置、又は加熱ランプ33をヒータに置き換えたホットウォール型のヒータ加熱式成膜装置を用いても構わない。   First, a film forming apparatus for forming the first barrier film 15 is schematically shown in FIG. As shown in FIG. 4, the film forming apparatus includes a gas introduction port 31 a and a gas exhaust port 31 b, and includes a chamber 31 made of quartz that can be decompressed, and the semiconductor substrate 11 is disposed inside the chamber 31. Is provided. A plurality of heating lamps 33 for heating the semiconductor substrate 11 to a predetermined temperature are provided around the chamber 31. A predetermined source gas is introduced into the chamber 31 from the gas inlet 31a, and the reacted gas after film formation is discharged from the gas exhaust port 16. 4 shows a film forming apparatus capable of performing lamp heating type chemical vapor deposition, but the present invention is not limited to this, and a heater heating type film forming apparatus in which a heater is incorporated in the susceptor 32 or a heating lamp is shown. A hot wall type heater heating film forming apparatus in which 33 is replaced with a heater may be used.

以上のような成膜装置を用いて、まず、第1の層間絶縁膜(図示せず)が形成された半導体基板11をサセプタ32の上に載置する。このとき、半導体基板11は、加熱ランプ33により約800℃に加熱されている。   Using the film forming apparatus as described above, first, the semiconductor substrate 11 on which the first interlayer insulating film (not shown) is formed is placed on the susceptor 32. At this time, the semiconductor substrate 11 is heated to about 800 ° C. by the heating lamp 33.

続いて、上記の[表1]に示した成膜条件に基づいて、ガス導入口31aから、シラン(SiH)ガスを15ml/min(標準状態)、フッ化シリコン(SiF)ガスを15ml/min(標準状態)、アンモニア(NH)ガスを3700ml/min(標準状態)、窒素(N)ガスを3000ml/min(標準状態)に設定する。また、チャンバ31内の圧力を36.5kPaに設定して、上記の原料ガスをチャンバ13に導入して互いに反応させ、半導体基板11の第1の層間絶縁膜の上に、膜厚が20nmのフッ素含有窒化シリコンからなる第1の水素バリア膜を成膜する。その後、第1の水素バリア膜が成膜された半導体基板11をチャンバ31内から取り出して、第1の水素バリア膜の成膜を完了する。 Subsequently, based on the film formation conditions shown in [Table 1] above, silane (SiH 4 ) gas is supplied at 15 ml / min (standard state) and silicon fluoride (SiF 4 ) gas is supplied at 15 ml from the gas inlet 31a. / Min (standard state), ammonia (NH 3 ) gas is set to 3700 ml / min (standard state), and nitrogen (N 2 ) gas is set to 3000 ml / min (standard state). Further, the pressure in the chamber 31 is set to 36.5 kPa, the above-described source gases are introduced into the chamber 13 to react with each other, and a film thickness of 20 nm is formed on the first interlayer insulating film of the semiconductor substrate 11. A first hydrogen barrier film made of fluorine-containing silicon nitride is formed. Thereafter, the semiconductor substrate 11 on which the first hydrogen barrier film is formed is taken out of the chamber 31 to complete the formation of the first hydrogen barrier film.

なお、[表1]に示した、本実施形態に係るフッ素含有窒化シリコンからなる第1の水素バリア膜15の成膜条件は あくまで一例であって、半導体記憶装置自体の設計が変われば、上記の成膜条件も大幅に変わることがあり得る。要は、窒化シリコン膜中のフッ素結合量が強誘電体の分極量を低下させない、例えば、7×1021個/cmよりも大きくなるように、成長温度、シリコンを含むガス(例えばSiF)の流量及び成長圧力の条件を決定し、決定した条件で第1の水素バリア膜を形成すればよい。 Note that the deposition conditions for the first hydrogen barrier film 15 made of fluorine-containing silicon nitride according to the present embodiment shown in [Table 1] are merely examples, and if the design of the semiconductor memory device itself is changed, The film forming conditions can also change significantly. In short, the growth temperature and the gas containing silicon (for example, SiF 4) are set so that the fluorine bond amount in the silicon nitride film does not decrease the amount of polarization of the ferroelectric material, for example, greater than 7 × 10 21 pieces / cm 3. ) Flow rate and growth pressure conditions are determined, and the first hydrogen barrier film may be formed under the determined conditions.

図5に、フッ素含有窒化シリコンからなる第1の水素バリア膜15におけるフッ素結合量(Si−F及びN−Fの総数)(個/cm)と原料ガスの1つであるシラン(SiF)ガスの流量(ml/min(標準状態))との関係を示す。図5からは、SiFガスの流量を増やすことにより、窒化シリコンに含まれる水素結合(Si−H及びN−H)の一部が置換されて、窒化シリコンに含まれるフッ素含有量が多くなっていると推定できる。 FIG. 5 shows the amount of fluorine bonds (total number of Si—F and N—F) (number / cm 3 ) in the first hydrogen barrier film 15 made of fluorine-containing silicon nitride and silane (SiF 4 ) which is one of the source gases. ) Shows the relationship with the gas flow rate (ml / min (standard state)). From FIG. 5, by increasing the flow rate of the SiF 4 gas, a part of hydrogen bonds (Si—H and N—H) contained in silicon nitride is replaced, and the fluorine content contained in silicon nitride increases. Can be estimated.

なお、化学気相反応に用いるフッ素を含むガスは、SiFに限定されず、例えば、フッ化シリコン(SiF、Si)、フッ化硫黄(SF)、フッ化メチル(CHF)、フッ化ヒ素(AsF)、フッ化リン(PF)、フッ化ホウ素(BF)、フッ化炭素(CF)及びフッ化窒素(NF)等のフッ素(F)を含むガスと、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)又はキセノン(Xe)等の不活性ガスとを組み合わせて成膜しても構わない。さらに、フッ素を含んだ有機金属ガスをフッ素源に用いてもよい。 Note that the gas containing fluorine used for the chemical vapor reaction is not limited to SiF 4 , for example, silicon fluoride (SiF 6 , Si 2 F 6 ), sulfur fluoride (SF 4 ), methyl fluoride (CH 3). F), including fluorine (F) such as arsenic fluoride (AsF 5 ), phosphorus fluoride (PF 5 ), boron fluoride (BF 3 ), fluorocarbon (CF 4 ), and nitrogen fluoride (NF 3 ) A film may be formed by combining a gas and an inert gas such as neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), or xenon (Xe). Further, an organometallic gas containing fluorine may be used as the fluorine source.

また、本実施形態においては、強誘電体又は高誘電体を容量絶縁膜18に持つキャパシタ20の下側に設ける第1の水素バリア膜15をフッ素含有窒化シリコン膜によって形成する場合について説明したが、フッ素含有窒化シリコンからなる水素バリア膜は、必ずしもキャパシタ20の下側に設ける構成に限られない。例えば、キャパシタ20の上方及び側方に設けた第2の水素バリア膜21をフッ素含有窒化シリコン膜により形成しても同様の効果を得ることができる。さらには、キャパシタ20の周囲全体、すなわち、上方、側方及び下方をフッ素含有窒化シリコンからなる水素バリア膜で覆う構成としても構わない。この場合も、フッ素含有窒化シリコンからなる水素バリア膜は、1個のキャパシタ20を覆ってもよく、また、複数のキャパシタ20を含むブロック単位に覆ってもよい。   In the present embodiment, the case where the first hydrogen barrier film 15 provided on the lower side of the capacitor 20 having the ferroelectric or high dielectric in the capacitor insulating film 18 is formed of a fluorine-containing silicon nitride film has been described. The hydrogen barrier film made of fluorine-containing silicon nitride is not necessarily limited to the structure provided below the capacitor 20. For example, the same effect can be obtained even if the second hydrogen barrier film 21 provided above and on the side of the capacitor 20 is formed of a fluorine-containing silicon nitride film. Furthermore, the entire periphery of the capacitor 20, that is, the upper side, the side, and the lower side may be covered with a hydrogen barrier film made of fluorine-containing silicon nitride. Also in this case, the hydrogen barrier film made of fluorine-containing silicon nitride may cover one capacitor 20 or may cover a block unit including a plurality of capacitors 20.

なお、半導体記憶装置におけるメモリセル構造は、平面型でも立体型でも構わない。   Note that the memory cell structure in the semiconductor memory device may be a planar type or a three-dimensional type.

また、本実施形態においては、水素バリア膜として、該水素バリア膜中に残留する水素原子がフッ素原子で置換されたフッ素含有窒化シリコン膜を用いる構成について説明したが、これに限られず、窒化シリコン(SiN)に代えて、例えば、フッ素含有窒化チタンアルミニウム(TiAlNF)のように、フッ素を含み且つ水素バリア性を有する膜、特に、水素基がフッ素基で置換され、フッ素を含み且つ水素バリア性を有する膜であれば同様の効果を得ることができる。   In the present embodiment, the configuration using a fluorine-containing silicon nitride film in which hydrogen atoms remaining in the hydrogen barrier film are replaced with fluorine atoms has been described as a hydrogen barrier film. Instead of (SiN), for example, a film containing fluorine and having a hydrogen barrier property, such as fluorine-containing titanium aluminum nitride (TiAlNF), in particular, a hydrogen group is substituted with a fluorine group, and fluorine is contained and hydrogen barrier property. The same effect can be obtained if the film has a thickness.

本発明に係る半導体記憶装置及びその製造方法は、水素バリア膜からの脱離水素による容量絶縁膜の還元が著しく低減されて、容量絶縁膜の水素による劣化を確実に防止でき、特に、容量絶縁膜に強誘電体又は高誘電体を用いたキャパシタを有する半導体記憶装置及びその製造方法等として有用である。   In the semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the reduction of the capacity insulating film due to desorbed hydrogen from the hydrogen barrier film can be remarkably reduced, and the deterioration of the capacity insulating film due to hydrogen can be surely prevented. The present invention is useful as a semiconductor memory device having a capacitor using a ferroelectric or high-dielectric material as a film, and a method for manufacturing the same.

11 半導体基板
12 MOSトランジスタ
12a 第1の不純物拡散層
12b 第2の不純物拡散層
13 ビット線
14 第1の層間絶縁膜
15 第1の水素バリア膜(フッ素含有窒化シリコン膜)
16 コンタクトプラグ
17 下部電極
18 容量絶縁膜
19 上部電極
20 キャパシタ
21 第2の水素バリア膜
22 第2の層間絶縁膜
31 チャンバ
31a ガス導入口
31b ガス排気口
32 サセプタ
33 加熱ランプ
11 Semiconductor substrate 12 MOS transistor 12a First impurity diffusion layer 12b Second impurity diffusion layer 13 Bit line 14 First interlayer insulating film 15 First hydrogen barrier film (fluorine-containing silicon nitride film)
16 Contact plug 17 Lower electrode 18 Capacitor insulating film 19 Upper electrode 20 Capacitor 21 Second hydrogen barrier film 22 Second interlayer insulating film 31 Chamber 31a Gas inlet 31b Gas exhaust 32 Susceptor 33 Heating lamp

Claims (11)

半導体基板の上に形成された強誘電体又は高誘電体からなる容量絶縁膜を有するキャパシタと、
前記キャパシタの周囲に形成された水素バリア膜とを備え、
前記水素バリア膜の少なくとも一部は、フッ素を含むことを特徴とする半導体記憶装置。
A capacitor having a capacitive insulating film made of a ferroelectric or high dielectric formed on a semiconductor substrate;
A hydrogen barrier film formed around the capacitor,
At least a part of the hydrogen barrier film contains fluorine.
前記水素バリア膜は、水素基がフッ素基で置換されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。   2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein in the hydrogen barrier film, a hydrogen group is substituted with a fluorine group. 前記水素バリア膜は、フッ素含有窒化シリコン膜であることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体記憶装置。   The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the hydrogen barrier film is a fluorine-containing silicon nitride film. 前記フッ素含有窒化シリコン膜におけるフッ素の結合量は7×1021個/cmよりも大きいことを特徴とする請求項3に記載の半導体記憶装置。 4. The semiconductor memory device according to claim 3, wherein a fluorine bonding amount in the fluorine-containing silicon nitride film is larger than 7 × 10 21 pieces / cm 3 . 前記フッ素含有窒化シリコン膜の膜厚は、10nm以上であることを特徴とする請求項3又4に記載の半導体記憶装置。   5. The semiconductor memory device according to claim 3, wherein the fluorine-containing silicon nitride film has a thickness of 10 nm or more. 前記キャパシタは、前記半導体基板の上に複数形成されており、
前記水素バリア膜は、前記複数のキャパシタの1つのキャパシタごとにその周囲を覆っていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
A plurality of the capacitors are formed on the semiconductor substrate,
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the hydrogen barrier film covers the periphery of each of the plurality of capacitors.
前記キャパシタは、前記半導体基板の上に複数形成されており、
前記水素バリア膜は、前記複数のキャパシタの2つ以上のキャパシタごとにその周囲を覆っていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
A plurality of the capacitors are formed on the semiconductor substrate,
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the hydrogen barrier film covers the periphery of each of two or more capacitors of the plurality of capacitors.
半導体基板の上に、強誘電体又は高誘電体からなるキャパシタを形成する工程と、
前記キャパシタの周囲に水素バリア膜を形成する工程とを備え、
前記水素バリア膜を形成する工程において、前記水素バリア膜の少なくとも一部に、シリコンと水素との結合を有する第1の原料ガス、窒素と水素との結合を有する第2の原料ガス及びフッ素を含む第3の原料ガスを反応させることにより、フッ素含有窒化シリコン膜を形成することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
Forming a capacitor made of a ferroelectric or a high dielectric on a semiconductor substrate;
Forming a hydrogen barrier film around the capacitor,
In the step of forming the hydrogen barrier film, a first source gas having a bond of silicon and hydrogen, a second source gas having a bond of nitrogen and hydrogen, and fluorine are formed on at least a part of the hydrogen barrier film. A method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising: forming a fluorine-containing silicon nitride film by reacting a third source gas including the gas.
前記水素バリア膜を形成する工程において、前記フッ素含有窒化シリコン膜は、シリコンと水素との結合及び窒素と水素との結合が、シリコンとフッ素との結合及び窒素とフッ素との結合にそれぞれ置換されることにより形成されることを特徴とする請求項8に記載の半導体記憶装置の製造方法。   In the step of forming the hydrogen barrier film, in the fluorine-containing silicon nitride film, a bond between silicon and hydrogen and a bond between nitrogen and hydrogen are replaced with a bond between silicon and fluorine and a bond between nitrogen and fluorine, respectively. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 8, wherein the method is formed. 前記水素バリア膜を形成する工程において、前記第3の原料ガスには、フッ化シリコン、フッ化硫黄、フッ化メチル、フッ化ヒ素、フッ化リン、フッ化ホウ素、フッ化炭素及びフッ化窒素のうちから選ばれた少なくとも1つのガスを用いることを特徴とする請求項8又は9に記載の半導体記憶装置の製造方法。   In the step of forming the hydrogen barrier film, the third source gas includes silicon fluoride, sulfur fluoride, methyl fluoride, arsenic fluoride, phosphorus fluoride, boron fluoride, carbon fluoride, and nitrogen fluoride. 10. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 8, wherein at least one gas selected from among the above is used. 前記フッ素含有窒化シリコン膜におけるフッ素の結合量は7×1021個/cmよりも大きいことを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記載の半導体記憶装置の製造方法。 11. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 8, wherein a fluorine bonding amount in the fluorine-containing silicon nitride film is larger than 7 × 10 21 pieces / cm 3 .
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