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JP2014067886A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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JP2014067886A
JP2014067886A JP2012212536A JP2012212536A JP2014067886A JP 2014067886 A JP2014067886 A JP 2014067886A JP 2012212536 A JP2012212536 A JP 2012212536A JP 2012212536 A JP2012212536 A JP 2012212536A JP 2014067886 A JP2014067886 A JP 2014067886A
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Japan
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film
insulating film
semiconductor device
manufacturing
electrode
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JP2012212536A
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Japanese (ja)
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Yoshinori Cho
義紀 長
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PS4 Luxco SARL
Original Assignee
PS4 Luxco SARL
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress thinning of an electrode film formed on a capacitance insulating film.SOLUTION: A method of manufacturing a semiconductor device comprises the steps of forming a first electrode film, forming an amorphous film on the first electrode film, forming a second electrode film on the amorphous film, and crystallizing the amorphous film after a second crystal film is formed.

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、キャパシタを含む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, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including a capacitor.

微細化の要請と容量の確保との両立を実現するため、関連するDRAM(Dynamic Random Access Memory)は、そのキャパシタに立体構造を採用している。また、更なる微細化に対応すべく、容量絶縁膜として大容量化に有利な比誘電率の高い絶縁膜が採用されている。例えば、比誘電率の高い容量絶縁膜材料として、酸化ジルコニウム(ZrO)が知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。 In order to realize both the demand for miniaturization and the securing of capacity, the related DRAM (Dynamic Random Access Memory) adopts a three-dimensional structure for the capacitor. In order to cope with further miniaturization, an insulating film having a high relative dielectric constant, which is advantageous for increasing the capacity, is employed as the capacitor insulating film. For example, zirconium oxide (ZrO 2 ) is known as a capacitive insulating film material having a high relative dielectric constant (see, for example, Patent Documents 1 to 3).

特開2002−314072号公報JP 2002-314072 A 特開2012−142587号公報JP 2012-142487 A 特開2012−146915号公報JP 2012-146915 A

容量絶縁膜材料として酸化ジルコニウムを用いると、容量絶縁膜の上に形成される上部電極(例えば、TiN膜)の膜厚が設計値よりも小さくなるという薄膜化の問題がある。上部電極の薄膜化は、キャパシタの容量不足を招き特性を劣化させる。   When zirconium oxide is used as the capacitor insulating film material, there is a problem of thinning the film thickness of the upper electrode (for example, TiN film) formed on the capacitor insulating film smaller than the design value. The thinning of the upper electrode leads to insufficient capacity of the capacitor and deteriorates the characteristics.

本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、第1の電極膜を形成し、前記第1の電極膜の上に絶縁膜を非晶質状態で形成し、前記絶縁膜上に第2の電極膜を形成し、前記第2の結晶膜を形成後に前記絶縁膜を結晶化させる、ことを特徴とする。   In a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, a first electrode film is formed, an insulating film is formed in an amorphous state on the first electrode film, and the insulating film is formed on the insulating film. A second electrode film is formed, and the insulating film is crystallized after forming the second crystal film.

本発明の一実施の形態によれば、非晶質状態で形成された絶縁膜上に第2の電極膜を形成し、その後、絶縁膜を結晶化させるようにしたことで、第2の電極膜の薄型化を防止するとともに、所望の比誘電率を有する絶縁膜を得ることができる。   According to one embodiment of the present invention, the second electrode film is formed on the insulating film formed in an amorphous state, and then the insulating film is crystallized. An insulating film having a desired relative dielectric constant can be obtained while preventing the thinning of the film.

本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の一構成例を示す部分断面図である。1 is a partial cross-sectional view showing a configuration example of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 関連する半導体装置の製造方法におけるキャパシタの製造工程を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the manufacturing process of the capacitor in the manufacturing method of a related semiconductor device. 本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法におけるキャパシタの製造工程を説明するためのフローチャートである。5 is a flowchart for explaining a capacitor manufacturing process in the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. (a)は、図2のフローに従い形成された容量絶縁膜の状態を説明するための図、(b)は、同じく図2のフローに従い形成された上部電極の状態を説明するための図である。(A) is a figure for demonstrating the state of the capacitive insulating film formed according to the flow of FIG. 2, (b) is a figure for demonstrating the state of the upper electrode similarly formed according to the flow of FIG. is there. (a)は、図3のフローに従い形成された容量絶縁膜の状態を説明するための図、(b)は、同じく図3のフローに従い形成された上部電極の状態を説明するための図である。(A) is a figure for demonstrating the state of the capacity | capacitance insulating film formed according to the flow of FIG. 3, (b) is a figure for demonstrating the state of the upper electrode similarly formed according to the flow of FIG. is there. 本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための一工程を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing one process for explaining a manufacturing method of a semiconductor device concerning a 1st embodiment of the present invention. 図6の工程に続く工程を説明するための部分断面図である。FIG. 7 is a partial cross-sectional view for explaining a process following the process of FIG. 6. 図7の工程に続く工程を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the process following the process of FIG. 図8の工程に続く工程を説明するための部分断面図である。FIG. 9 is a partial cross-sectional view for explaining a process following the process of FIG. 8. 異なる温度によるアニール処理後の酸化ジルコニウム中における酸化アルミニウムの濃度と酸化ジルコニウムの比誘電率との相関を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation with the density | concentration of the aluminum oxide in the zirconium oxide after the annealing process by different temperature, and the dielectric constant of a zirconium oxide.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下では、半導体装置の一例としてDRAMを示すが、本発明はDRAMに限らずキャパシタを含む他の半導体装置にも適用可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, a DRAM is shown as an example of a semiconductor device, but the present invention is not limited to a DRAM and can be applied to other semiconductor devices including a capacitor.

図1は、本発明の第1の実施の形態に係るDRAM100の一構成例を示す部分断面図である。   FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a configuration example of DRAM 100 according to the first embodiment of the present invention.

図示のDRAM100は、シリコン基板1を含む。シリコン基板1の上部には、図示しない複数のMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタが形成されている。   The illustrated DRAM 100 includes a silicon substrate 1. A plurality of MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistors (not shown) are formed on the silicon substrate 1.

詳述すると、シリコン基板1には、素子分離領域で区分された複数の活性領域が規定されている。各活性領域には、一対の不純物拡散領域が形成されている。シリコン基板1の上面であって、一対の不純物拡散領域の間には、ゲート絶縁膜とゲート電極とが積層されている。一対の不純物拡散領域とゲート絶縁膜とゲート電極によって、MOSトランジスタが構成される。   More specifically, the silicon substrate 1 has a plurality of active regions defined by element isolation regions. A pair of impurity diffusion regions is formed in each active region. A gate insulating film and a gate electrode are stacked on the upper surface of the silicon substrate 1 between the pair of impurity diffusion regions. The pair of impurity diffusion regions, the gate insulating film, and the gate electrode constitute a MOS transistor.

シリコン基板1の上には、MOSトランジスタを覆う第1層間絶縁膜2が形成されている。第1層間絶縁膜2の上には図示しない複数のビットラインが形成されている。また、第1層間絶縁膜2を貫通する複数の第1コンタクトプラグ(図示せず)が形成されている。第1コンタクトプラグの各々は、対応するMOSトランジスタの不純物拡散層の一方と対応するビットラインとの間を電気的に接続する。   A first interlayer insulating film 2 covering the MOS transistor is formed on the silicon substrate 1. A plurality of bit lines (not shown) are formed on the first interlayer insulating film 2. A plurality of first contact plugs (not shown) penetrating the first interlayer insulating film 2 are formed. Each of the first contact plugs electrically connects one of the impurity diffusion layers of the corresponding MOS transistor and the corresponding bit line.

第1層間絶縁膜2の上には、複数のビットラインを覆うように第2層間絶縁膜3が形成されている。第2層間絶縁膜3を貫通して、複数の第2コンタクトプラグ4が形成されている。第2コンタクトプラグ4の各々は、対応するMOSトランジスタの不純物拡散層の他方に接続されている。   A second interlayer insulating film 3 is formed on the first interlayer insulating film 2 so as to cover the plurality of bit lines. A plurality of second contact plugs 4 are formed through the second interlayer insulating film 3. Each of the second contact plugs 4 is connected to the other of the impurity diffusion layers of the corresponding MOS transistor.

第2層間絶縁膜3の上にはストッパー膜5が形成されている。このストッパー膜5を貫通して複数の下部電極7が形成されている。下部電極7の各々の底面部は、対応する第2コンタクトプラグ4の上面に接続されている。また、各下部電極7の側面部の一部にはサポート膜(絶縁膜)18が接続されている。サポート膜18は、隣接する下部電極7の相互接触を防止するとともに、相互支持を実現する。   A stopper film 5 is formed on the second interlayer insulating film 3. A plurality of lower electrodes 7 are formed through the stopper film 5. Each bottom surface portion of the lower electrode 7 is connected to the upper surface of the corresponding second contact plug 4. A support film (insulating film) 18 is connected to part of the side surface of each lower electrode 7. The support film 18 prevents mutual contact between the adjacent lower electrodes 7 and realizes mutual support.

下部電極7は、高アスペクト比のクラウン形状に形成され、内壁と外壁を有する。これら内壁及び外壁の表面は、ストッパー膜5の上面とともに、容量絶縁膜8で覆われている。また、容量絶縁膜8の表面は、上部電極9で覆われている。下部電極7、容量絶縁膜8及び上部電極9は、キャパシタ10を構成する。   The lower electrode 7 is formed in a crown shape with a high aspect ratio, and has an inner wall and an outer wall. The surfaces of these inner and outer walls are covered with a capacitive insulating film 8 along with the upper surface of the stopper film 5. The surface of the capacitive insulating film 8 is covered with the upper electrode 9. The lower electrode 7, the capacitive insulating film 8 and the upper electrode 9 constitute a capacitor 10.

上部電極9は、導体である埋込膜11により埋め込まれている。下部電極7の内側に残る空間も埋込膜11により埋め込まれる。埋込膜11の上面にはプレート電極12が形成されている。プレート電極12は、埋込膜11を介して上部電極9に電気的に接続される。   The upper electrode 9 is embedded with an embedded film 11 that is a conductor. The space remaining inside the lower electrode 7 is also filled with the buried film 11. A plate electrode 12 is formed on the upper surface of the buried film 11. The plate electrode 12 is electrically connected to the upper electrode 9 through the buried film 11.

プレート電極12を覆うように、第4層間絶縁膜13が設けられている。第4層間絶縁膜13を貫通するように、第3コンタクトプラグ14が形成され、プレート電極12に接続されている。   A fourth interlayer insulating film 13 is provided so as to cover the plate electrode 12. A third contact plug 14 is formed so as to penetrate the fourth interlayer insulating film 13 and connected to the plate electrode 12.

第4層間絶縁膜13の上面には、複数の配線16が配置されている。複数の配線16の一部は、第3コンタクトプラグ14を介して、プレート電極12に接続されている。   A plurality of wirings 16 are disposed on the upper surface of the fourth interlayer insulating film 13. A part of the plurality of wirings 16 is connected to the plate electrode 12 via the third contact plug 14.

配線16と第4層間絶縁膜13は、第5層間絶縁膜17で覆われている。   The wiring 16 and the fourth interlayer insulating film 13 are covered with a fifth interlayer insulating film 17.

以上のように構成されたDRAM100の製造方法について以下に説明する。ここでは、本発明の特徴部分であるキャパシタ10の製造工程について説明する。その他の工程については、公知の工程を採用することができるので、その説明を省略する。   A method of manufacturing DRAM 100 configured as described above will be described below. Here, a manufacturing process of the capacitor 10 which is a characteristic part of the present invention will be described. About other processes, since a publicly known process can be adopted, the explanation is omitted.

関連するキャパシタの製造工程は、図2に示すように、概略、下部電極形成(ステップS201)、容量絶縁膜形成(ステップS202)及び上部電極形成(ステップS203)の3つのステップからなる。   As shown in FIG. 2, the related capacitor manufacturing process generally includes three steps: lower electrode formation (step S201), capacitive insulating film formation (step S202), and upper electrode formation (step S203).

これに対して本実施の形態に係るキャパシタ10の製造工程は、図3に示すように、概略、下部電極形成(ステップS301)、容量絶縁膜形成(ステップS302)及び上部電極形成(ステップS303)の3つのステップに加え、アニール(ステップS304)の計4つのステップからなる。   On the other hand, as shown in FIG. 3, the manufacturing process of the capacitor 10 according to the present embodiment is roughly the lower electrode formation (step S301), the capacitive insulating film formation (step S302), and the upper electrode formation (step S303). In addition to the above three steps, it comprises a total of four steps of annealing (step S304).

なお、本実施の形態に係るキャパシタ10の製造工程は、関連するキャパシタの製造工程に、単純にアニール工程を追加したものではない。以下に説明するように、容量絶縁膜形成工程S202とS302とが相違することにより、アニールが必要になったものである。   Note that the manufacturing process of the capacitor 10 according to the present embodiment does not simply add an annealing process to the manufacturing process of the related capacitor. As will be described below, the capacitor insulating film forming steps S202 and S302 are different, which requires annealing.

以下、図4及び図5を参照して、関連するキャパシタ製造工程及び本実施の形態に係るキャパシタの製造工程についてそれぞれ説明する。   Hereinafter, with reference to FIGS. 4 and 5, a related capacitor manufacturing process and a capacitor manufacturing process according to the present embodiment will be described.

関連するキャパシタの製造方法では、図4(a)に示すように、ステップS201で形成された下部電極7の表面を覆うように容量絶縁膜8Bを形成する(ステップS202)。容量絶縁膜8Bの材料には酸化ジルコニウム(ZrO)が用いられる。所望の比誘電率を実現するため、酸化ジルコニウムは結晶状態となるように形成される。容量絶縁膜8Bの表面には、結晶間に生じるクラック20Aが存在する。 In the related capacitor manufacturing method, as shown in FIG. 4A, the capacitor insulating film 8B is formed so as to cover the surface of the lower electrode 7 formed in step S201 (step S202). Zirconium oxide (ZrO 2 ) is used as the material of the capacitive insulating film 8B. In order to achieve a desired dielectric constant, zirconium oxide is formed in a crystalline state. Cracks 20A generated between crystals are present on the surface of the capacitive insulating film 8B.

続いて、図4(b)に示すように、容量絶縁膜8Bの表面を覆うように上部電極9Aを形成する(ステップS203)。下地となる容量絶縁膜8Bの表面にクラック20Aが存在するため、上部電極9Aの材料はこのクラック20Aを埋め込むためにも使われる。その結果、上部電極9Aの膜厚(X2,Z2)は、設計値よりも小さくなる(薄膜化する)。上部電極9Aの薄膜化は、電荷保持量の低下を招き、DRAM100の特性を劣化させる。   Subsequently, as shown in FIG. 4B, the upper electrode 9A is formed so as to cover the surface of the capacitive insulating film 8B (step S203). Since the crack 20A exists on the surface of the capacitive insulating film 8B serving as the base, the material of the upper electrode 9A is also used to bury the crack 20A. As a result, the film thickness (X2, Z2) of the upper electrode 9A becomes smaller (thinner film thickness) than the design value. The thinning of the upper electrode 9 </ b> A causes a decrease in the charge retention amount and degrades the characteristics of the DRAM 100.

本実施の形態に係るキャパシタ10の製造工程においても、ステップS301で形成された下部電極7の表面を覆うように容量絶縁膜8Aを形成する。但し、容量絶縁膜8Aの形成は、図5(a)に示すように、その表面にクラックが生じないように(平滑状態となるように)行われる。これは、容量絶縁膜8Aの原料としてアルミニウムをドープした酸化ジルコニウム(AlドープZrO)を用い、非晶質状態となるように成膜温度を設定することで実現する。 Also in the manufacturing process of the capacitor 10 according to the present embodiment, the capacitive insulating film 8A is formed so as to cover the surface of the lower electrode 7 formed in step S301. However, as shown in FIG. 5A, the capacitor insulating film 8A is formed so as not to cause cracks (to be in a smooth state) on its surface. This is realized by using zirconium oxide doped with aluminum (Al-doped ZrO 2 ) as a raw material of the capacitive insulating film 8A and setting the film formation temperature so as to be in an amorphous state.

次に、容量絶縁膜8Aの表面を覆うように上部電極9を形成する(ステップS203)。このとき、容量絶縁膜8Aが非晶質状態を維持するようにプロセス温度を設定する。これにより、下地となる容量絶縁膜8Aの表面は平滑状態に維持され、上部電極9は、設計値どおりの膜厚で形成される。   Next, the upper electrode 9 is formed so as to cover the surface of the capacitive insulating film 8A (step S203). At this time, the process temperature is set so that the capacitive insulating film 8A maintains an amorphous state. As a result, the surface of the capacitive insulating film 8A as a base is maintained in a smooth state, and the upper electrode 9 is formed with a film thickness as designed.

次に、アニールを行い(ステップS203)、非晶質の容量絶縁膜8Aを結晶化した容量絶縁膜8に膜質変化させ、比誘電率を向上させる。このとき、容量絶縁膜8は柱状結晶となり、図5(b)に示すように、結晶間にクラック20が発生する。上部電極9は、クラック20の影響を受けない。即ち、上部電極9の一部がクラック内に入り込むことはない。よって、クラック20の発生は、上部電極9の膜厚に影響せず、上部電極9は形成時の膜厚(X1,Z1)を維持する。   Next, annealing is performed (step S203) to change the film quality of the amorphous capacitive insulating film 8A into a crystallized capacitive insulating film 8, thereby improving the relative dielectric constant. At this time, the capacitor insulating film 8 becomes columnar crystals, and cracks 20 are generated between the crystals as shown in FIG. The upper electrode 9 is not affected by the crack 20. That is, a part of the upper electrode 9 does not enter the crack. Therefore, the generation of the crack 20 does not affect the film thickness of the upper electrode 9, and the upper electrode 9 maintains the film thickness (X1, Z1) at the time of formation.

このように、本実施の形態では、容量絶縁膜の膜質変動を制御することで、所望の比誘電率を実現するとともに、上部電極の膜厚変動の抑制を実現する。   As described above, in the present embodiment, by controlling the film quality variation of the capacitive insulating film, a desired relative dielectric constant is realized, and the film thickness variation of the upper electrode is suppressed.

次に、図6乃至図10を参照して、本実施の形態に係るキャパシタ10の製造工程についてさらに詳細に説明する。   Next, with reference to FIGS. 6 to 10, the manufacturing process of the capacitor 10 according to the present embodiment will be described in more detail.

まず、図6に示す状態を得るために、公知の方法により、シリコン基板1の一面側に、MOSトランジスタ、第1層間絶縁膜2、第1コンタクトプラグ、ビットライン、第2層間絶縁膜3及び第2コンタクトプラグ4、を形成する。   First, in order to obtain the state shown in FIG. 6, the MOS transistor, the first interlayer insulating film 2, the first contact plug, the bit line, the second interlayer insulating film 3 and the like are formed on one side of the silicon substrate 1 by a known method. A second contact plug 4 is formed.

次に、第2層間絶縁膜3と第2コンタクトプラグ4を覆うように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、30nm厚のシリコン窒化膜(SIN)であるストッパー膜5を成膜する。続いて、ストッパー膜5の上面を覆うように、CVD法によって、1μm厚のシリコン酸化膜である第3層間絶縁膜6を成膜する。さらに、第3層間絶縁膜6の上面を覆うように、CVD法によって、100nm厚のシリコン窒化膜であるサポート膜18を成膜する。   Next, a stopper film 5 that is a 30 nm thick silicon nitride film (SIN) is formed by CVD (Chemical Vapor Deposition) so as to cover the second interlayer insulating film 3 and the second contact plug 4. Subsequently, a third interlayer insulating film 6 which is a silicon oxide film having a thickness of 1 μm is formed by a CVD method so as to cover the upper surface of the stopper film 5. Further, a support film 18 which is a silicon nitride film having a thickness of 100 nm is formed by CVD so as to cover the upper surface of the third interlayer insulating film 6.

次に、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法によって、サポート膜18と第3層間絶縁膜6とストッパー膜5を貫通するシリンダーホール21を形成する。シリンダーホール21は、各第2コンタクトプラグ4に対応して配置され、その底面には、対応する第2コンタクトプラグ4の上面の少なくとも一部が露出する。   Next, the cylinder hole 21 penetrating the support film 18, the third interlayer insulating film 6, and the stopper film 5 is formed by photolithography and dry etching. The cylinder hole 21 is arranged corresponding to each second contact plug 4, and at least a part of the upper surface of the corresponding second contact plug 4 is exposed on the bottom surface thereof.

次に、図7に示す状態を得るため、シリンダーホール21の内壁を覆うように、SFD(Sequential Flow Deposition)法によって、下部電極となる窒化チタン(TiN)を成膜する。このとき、シリンダーホール21は窒化チタンで完全に埋め込まれずに残留している。   Next, in order to obtain the state shown in FIG. 7, titanium nitride (TiN) serving as a lower electrode is formed by SFD (Sequential Flow Deposition) so as to cover the inner wall of the cylinder hole 21. At this time, the cylinder hole 21 remains without being completely filled with titanium nitride.

次に、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、一部のサポート膜18を、その上面に形成された窒化チタンとともに除去し、第3層間絶縁膜6の上面を一部露出させる。このとき、フォトレジストの膜厚を適切に調整しておくことで、サポート膜18の一部除去が終了すると同時に、残留させたサポート膜18の上面に形成されている窒化チタンを除去することができる。これにより、サポート膜18の一部除去と同時に、下部電極7が形成される。   Next, by using a photolithography method and a dry etching method, a part of the support film 18 is removed together with the titanium nitride formed on the upper surface thereof, and a part of the upper surface of the third interlayer insulating film 6 is exposed. At this time, by appropriately adjusting the thickness of the photoresist, the removal of the support film 18 is completed, and at the same time, the remaining titanium nitride formed on the upper surface of the support film 18 can be removed. it can. Thereby, the lower electrode 7 is formed simultaneously with the partial removal of the support film 18.

次に、フッ酸(HF+HO)を用いたウェットエッチング法によって、シリコン酸化膜である第3層間絶縁膜6を完全に除去する。これにより、下部電極7の側面部が露出する。このとき、ストッパー膜5及びサポート膜18を構成するシリコン窒化膜と、下部電極7を構成する窒化チタンとは、フッ酸によってはエッチングされず残留する。また、ストッパー膜5と下部電極7で覆われた第2層間絶縁膜3もエッチングされずに残留する。隣接している下部電極7は、残留したサポート膜18で互いに接続されているので、相互に支持し合い、倒壊することなく林立する。 Next, the third interlayer insulating film 6, which is a silicon oxide film, is completely removed by wet etching using hydrofluoric acid (HF + H 2 O). Thereby, the side part of the lower electrode 7 is exposed. At this time, the silicon nitride film constituting the stopper film 5 and the support film 18 and the titanium nitride constituting the lower electrode 7 remain without being etched by hydrofluoric acid. The second interlayer insulating film 3 covered with the stopper film 5 and the lower electrode 7 also remains without being etched. Since the adjacent lower electrodes 7 are connected to each other by the remaining support film 18, they support each other and stand without collapsing.

次に、図8に示すように、下部電極7の表面を覆うように、ALD(Atomic Layer Deposition)法によって、酸化アルミニウム(Al)膜と酸化ジルコニウム(ZrO)膜を交互に積層させた薄膜である容量絶縁膜8Aを形成する。なお、図中の破線円内が、図5(a)に示した部分に相当する。 Next, as shown in FIG. 8, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film and a zirconium oxide (ZrO 2 ) film are alternately laminated by an ALD (Atomic Layer Deposition) method so as to cover the surface of the lower electrode 7. A capacitive insulating film 8A, which is a thin film, is formed. In addition, the inside of the broken-line circle in a figure corresponds to the part shown to Fig.5 (a).

ALD法では、所定の温度に維持されたシリコン基板1に対して、(1)原料ガスの供給と吸着、(2)真空パージ、(3)酸化ガスの供給、及び(4)真空パージ、からなる1サイクルの処理を複数回繰り返して、成膜が行なわれる。2種類の薄膜を成膜する場合には、各々の絶縁膜に対するサイクル処理を交互に繰り返して積層構造とする。   In the ALD method, the silicon substrate 1 maintained at a predetermined temperature is subjected to (1) supply and adsorption of source gas, (2) vacuum purge, (3) supply of oxidizing gas, and (4) vacuum purge. The one cycle process is repeated a plurality of times to perform film formation. When two kinds of thin films are formed, a cycle structure for each insulating film is alternately repeated to form a laminated structure.

酸化アルミニウムの成膜には、原料ガスとしてTMA(Tri methyl aluminum:Al(CH))を、酸化ガスとしてオゾン(O)をそれぞれ用いることができる。また、処理温度は270℃とすることができる。一方、酸化ジルコニウムの成膜には、原料ガスとしてTEMAZ(Tetrakis ethyl methyl amino zirconium:Zr[N(CH)CHCH])、酸化ガスとしてオゾン(O)を用いることができる。また、処理温度は215℃とすることができる。いずれの成膜においても、その処理温度は、容量絶縁膜8Aの結晶化を促進せずに非晶質状態を保つ温度とする。 For film formation of aluminum oxide, TMA (Trimethyl aluminum: Al (CH 3 ) 3 ) can be used as a source gas, and ozone (O 3 ) can be used as an oxidizing gas. The processing temperature can be 270 ° C. On the other hand, for film formation of zirconium oxide, TEMAZ (Tetrakis ethyl methyl amino zirconium: Zr [N (CH 3 ) CH 2 CH 3 ] 4 ) can be used as a source gas and ozone (O 3 ) as an oxidizing gas. The processing temperature can be 215 ° C. In any film formation, the processing temperature is set to a temperature that maintains the amorphous state without promoting the crystallization of the capacitive insulating film 8A.

なお、ALD法では、2種類の薄膜を交互に成膜する場合、必ずしも1サイクル毎に薄膜の種類を変更する必要はない。即ち、一方の薄膜を1〜数サイクル行った後、他方の薄膜を1〜数サイクル行う工程を繰り返してもよい。例えば、連続して10サイクル相当の酸化ジルコニウムを成膜した後に、1サイクル相当の酸化アルミニウムを成膜して積層させてもよい。このように、夫々の薄膜を成膜する際のサイクル数を調整することで、一方の膜成分中に他方の膜成分がドープされたものと見なせる膜を形成することができる。即ち、酸化ジルコニウム膜中にアルミニウムがドープされたと見なせる容量絶縁膜8Aを形成できる。また、酸化ジルコニウム膜(容量絶縁膜8A)中に含まれるアルミニウム(酸化アルミニウム)の濃度を制御することができる。   In the ALD method, when two types of thin films are alternately formed, it is not always necessary to change the type of the thin film every cycle. That is, after performing one thin film for one to several cycles, the process of performing the other thin film for one to several cycles may be repeated. For example, after forming zirconium oxide corresponding to 10 cycles continuously, aluminum oxide corresponding to 1 cycle may be formed and laminated. As described above, by adjusting the number of cycles when forming each thin film, a film that can be regarded as one film component doped with the other film component can be formed. That is, the capacitive insulating film 8A that can be regarded as being doped with aluminum in the zirconium oxide film can be formed. In addition, the concentration of aluminum (aluminum oxide) contained in the zirconium oxide film (capacitive insulating film 8A) can be controlled.

容量絶縁膜8Aにおけるアルミニウムの濃度は、3.0〜6.0at%とすることができるが、3.0〜4.5at%が望ましい。アルミニウムの濃度を3.0at%未満にするには、酸化ジルコニウムの成膜サイクル数を増加させなければならないので、容量絶縁膜8Aが厚膜化して、キャパシタ10の容量向上に支障が生じる。また、アルミニウムの濃度を6.0at%より高くすると、後のアニール処理時の加熱温度を上げなければならないので、過大な熱負荷によってDRAM100の動作が不安定になる。アルミニウムの濃度が低いほうが比誘電率が高くなるが、上部電極9を形成する際の処理温度を低くしなければならず、スループットの低下を招く。   The concentration of aluminum in the capacitive insulating film 8A can be set to 3.0 to 6.0 at%, but is preferably 3.0 to 4.5 at%. In order to reduce the aluminum concentration to less than 3.0 at%, the number of zirconium oxide film formation cycles must be increased. Therefore, the capacity insulating film 8A is thickened, and the capacity of the capacitor 10 is hindered. Further, if the aluminum concentration is higher than 6.0 at%, the heating temperature in the subsequent annealing process must be increased, and the operation of the DRAM 100 becomes unstable due to an excessive heat load. The lower the aluminum concentration, the higher the dielectric constant, but the processing temperature for forming the upper electrode 9 must be lowered, leading to a reduction in throughput.

次に、図9に示すように、SFD法によって、容量絶縁膜8Aの表面を覆うように上部電極9となる窒化チタン(TiN)を成膜する。このときの処理温度は、250℃〜270℃に設定する。この範囲の温度であれば、容量絶縁膜8Aが結晶化して、その表面に凹凸が生じることはない。それゆえ、容量絶縁膜8Aの表面は平滑状態であり、上部電極9が容量絶縁膜8Aのクラックに入り込むことがないので、上部電極9は薄膜化することなく設計膜厚に形成される。   Next, as shown in FIG. 9, titanium nitride (TiN) to be the upper electrode 9 is formed by SFD so as to cover the surface of the capacitive insulating film 8A. The processing temperature at this time is set to 250 ° C. to 270 ° C. If it is the temperature of this range, the capacity | capacitance insulating film 8A will crystallize, and an unevenness | corrugation will not arise in the surface. Therefore, the surface of the capacitor insulating film 8A is in a smooth state, and the upper electrode 9 does not enter the crack of the capacitor insulating film 8A. Therefore, the upper electrode 9 is formed with a designed film thickness without being thinned.

なお、図中の破線円内が、図5(b)に示した部分に相当する。   In addition, the inside of the broken-line circle in a figure corresponds to the part shown in FIG.5 (b).

この後、アニール処理によって、容量絶縁膜8Aを結晶化して容量絶縁膜8を形成する。   Thereafter, the capacitive insulating film 8A is crystallized by annealing to form the capacitive insulating film 8.

図10に、アニール処理後の酸化ジルコニウム(ZrO)中における酸化アルミニウムの濃度(以降、AlO濃度と記載)とZrOの比誘電率の相関をZrOのアニール温度別(300℃、450℃、550℃)に示したグラフを示す。 10, zirconium oxide after annealing (ZrO 2) Concentration (hereinafter, described as AlO concentration) of the aluminum oxide during the correlation of the relative dielectric constant of ZrO 2 ZrO 2 annealing temperature by (300 ° C., 450 ° C. 550 ° C.).

図10から理解されるように、ZrOの比誘電率は、アニール処理によるZrOの結晶化によって、非晶質の場合よりも向上させることができる。ZrOの結晶化に必要なアニール温度は、AlO濃度が高いほど高くする必要がある。しかし、アニール温度はできるだけ低いほうが望ましい。したがって、AlO濃度に応じた最適なアニール温度がある。本実施の形態では、AlO濃度に応じて450℃(AL濃度:3.0〜4.5at%)あるいは550℃(AL濃度:4.5〜6.0at%)とする。 As understood from FIG. 10, the dielectric constant of ZrO 2 is by crystallization of ZrO 2 by annealing, thereby improving than amorphous. The annealing temperature necessary for crystallization of ZrO 2 needs to be higher as the AlO concentration is higher. However, it is desirable that the annealing temperature be as low as possible. Therefore, there is an optimum annealing temperature according to the AlO concentration. In the present embodiment, the temperature is set to 450 ° C. (AL concentration: 3.0 to 4.5 at%) or 550 ° C. (AL concentration: 4.5 to 6.0 at%) depending on the AlO concentration.

なお、アニール処理後におけるZrOの比誘電率は、AlO濃度が4.5〜6.0at%の場合よりも、3.0〜4.5at%の場合のほうが高くなるので、AlO濃度は3.0〜4.5at%とするのが望ましい。 The relative permittivity of ZrO 2 after annealing is higher when the AlO concentration is 3.0 to 4.5 at% than when the AlO concentration is 4.5 to 6.0 at%. It is desirable to be 0.0 to 4.5 at%.

アニール処理の後、公知の方法により、埋込膜11とプレート電極12順次形成してキャパシタ10を覆う。さらに、第4層間絶縁膜13、第3コンタクトプラグ14、配線16及び第5層間絶縁膜17を形成して、図1に示すDRAM100が完成する。   After the annealing process, the buried film 11 and the plate electrode 12 are sequentially formed by a known method to cover the capacitor 10. Further, the fourth interlayer insulating film 13, the third contact plug 14, the wiring 16, and the fifth interlayer insulating film 17 are formed, and the DRAM 100 shown in FIG. 1 is completed.

以上のように、本実施形態では、まず容量絶縁膜8Aを非晶質状態で形成し、次に容量絶縁膜8Aの結晶化が始まる温度以下で上部電極9を形成してから、アニール処理によって、容量絶縁膜8Aの結晶化を実施する。このような方法によれば、上部電極9の薄膜化を防止しながら、容量絶縁膜8Aの結晶化も行えるので、キャパシタ10の容量向上を図るとともに、保持容量不足を防止してDRAM100を安定動作させることができる。   As described above, in this embodiment, the capacitor insulating film 8A is first formed in an amorphous state, and then the upper electrode 9 is formed at a temperature lower than the temperature at which the crystallization of the capacitor insulating film 8A starts, and then annealing is performed. Then, the capacitor insulating film 8A is crystallized. According to such a method, the capacitor insulating film 8A can be crystallized while preventing the upper electrode 9 from being thinned, so that the capacity of the capacitor 10 can be improved, and the shortage of the storage capacity can be prevented and the DRAM 100 can be operated stably. Can be made.

以上、本発明について実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の変形・変更が可能である。例えば、各膜の成膜方法や成膜条件は前掲の例に限らず、その目的に応じて適宜選択・変更することが可能である。   Although the present invention has been described with reference to the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications and changes can be made. For example, the film formation method and film formation conditions for each film are not limited to the above-described examples, and can be appropriately selected and changed according to the purpose.

1 シリコン基板
2 第1層間絶縁膜
3 第2層間絶縁膜
4 第2コンタクトプラグ
5 ストッパー膜
6 第3層間絶縁膜
7 下部電極
8,8A,8B 容量絶縁膜
9、9A 上部電極
10 キャパシタ
11 埋込膜
12 プレート電極
13 第4層間絶縁膜
14 第3コンタクトプラグ
16 配線
17 第5層間絶縁膜
18 サポート膜
20,20A クラック
21 シリンダーホール
100 DRAM
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 1st interlayer insulation film 3 2nd interlayer insulation film 4 2nd contact plug 5 Stopper film 6 3rd interlayer insulation film 7 Lower electrode 8, 8A, 8B Capacitance insulation film 9, 9A Upper electrode 10 Capacitor 11 Embedding Film 12 Plate electrode 13 Fourth interlayer insulating film 14 Third contact plug 16 Wiring 17 Fifth interlayer insulating film 18 Support film 20, 20A Crack 21 Cylinder hole 100 DRAM

Claims (8)

第1の電極膜を形成し、
前記第1の電極膜の上に絶縁膜を非晶質状態で形成し、
前記絶縁膜上に第2の電極膜を形成し、
前記第2の結晶膜を形成後に前記絶縁膜を結晶化させる、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first electrode film;
Forming an insulating film in an amorphous state on the first electrode film;
Forming a second electrode film on the insulating film;
Crystallizing the insulating film after forming the second crystal film;
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記絶縁膜の結晶化は、アニールにより行われ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。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the crystallization of the insulating film is performed by annealing. 前記第2の電極膜の形成は、前記アニールの温度よりも低い温度で行われることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the formation of the second electrode film is performed at a temperature lower than the annealing temperature. 前記絶縁膜がAlドープZrO膜であり、前記第2の電極膜を形成する温度は、前記AlドープZrO膜に含まれるアルミニウムの濃度に基づいて設定される、ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   The insulating film is an Al-doped ZrO film, and the temperature for forming the second electrode film is set based on the concentration of aluminum contained in the Al-doped ZrO film. The manufacturing method of the semiconductor device of description. 前記アルミニウムの濃度が低いほど、前記第2の電極膜を形成する温度を低く設定することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the lower the aluminum concentration, the lower the temperature at which the second electrode film is formed. 前記アルミニウムの濃度は、3.0〜6.0at%であることを特徴とする請求項4又は5に記載の半導体装置の製造方法。   6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the aluminum concentration is 3.0 to 6.0 at%. 前記AlドープZrO膜は、ALD法を用いてAlO膜とZrO膜とを交互に積層して形成されることを特徴とする請求項4,5又は6に記載の半導体装置の製造方法。   7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the Al-doped ZrO film is formed by alternately stacking AlO films and ZrO films using an ALD method. 前記第2の電極膜は、TiN膜であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second electrode film is a TiN film.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017117823A (en) * 2015-12-21 2017-06-29 東京エレクトロン株式会社 Lower electrode of DRAM capacitor and manufacturing method thereof

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