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JP4916092B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description

この発明は、半導体装置の製造方法に係り、詳しくは、MIM(Metal Insulator Metal)構造のキャパシタ(容量素子)を備える半導体装置の製造方法に関する。 This invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, more particularly, to a method of manufacturing a semiconductor device having a MIM (Metal Insulator Metal) structure of the capacitor (capacitive element).

半導体装置の代表として知られているLSI(大規模集積回路)は、メモリデバイスとロジックデバイスとに大別されるが、最近の半導体製造技術の進歩につれて、特に簡単な構造で大容量化を実現できるDRAM(Dynamic Random Access Memory)により構成される前者の発展がめざましい。また、両デバイスを組み合わせた混載デバイスも用いられている。これらのデバイスはほとんどが、集積度の点で優れているMOS(Metal Oxide Semiconductor)型トランジスタにより構成されている。   LSIs (Large Scale Integrated Circuits), known as semiconductor device representatives, are broadly divided into memory devices and logic devices, but with the recent advances in semiconductor manufacturing technology, large capacity has been achieved with a particularly simple structure. The former, which is composed of a dynamic random access memory (DRAM) capable of being developed, is remarkable. In addition, a mixed device in which both devices are combined is also used. Most of these devices are composed of MOS (Metal Oxide Semiconductor) type transistors which are excellent in integration.

上述のDRAMは、MOS型トランジスタから成るメモリセル選択用トランジスタと、このトランジスタに接続されて電荷の有無により情報を記憶するキャパシタとにより1つのメモリセルを構成して、複数のメモリセルがマトリクス状に配置されている。ここで、DRAMの各メモリセルのキャパシタは、要求される記憶情報の増大に伴って半導体基板上における占有面積は制約されるので、各キャパシタの容量を制約された占有面積内で高める工夫が必要になる。もしキャパシタが情報を記憶するのに十分な容量を有していないと、外部からのノイズ信号等により容易に誤動作するようになるので、ソフトエラーで代表されるようなエラーが生じ易くなる。   In the above-described DRAM, a memory cell selection transistor composed of a MOS transistor and a capacitor connected to the transistor for storing information according to the presence or absence of electric charge constitute one memory cell, and a plurality of memory cells are arranged in a matrix. Is arranged. Here, since the occupied area on the semiconductor substrate of the capacitor of each memory cell of the DRAM is restricted as the required storage information increases, it is necessary to devise a technique for increasing the capacity of each capacitor within the restricted occupied area. become. If the capacitor does not have a sufficient capacity for storing information, an error such as a soft error is likely to occur because a malfunction easily occurs due to an external noise signal or the like.

上述のようなDRAMのキャパシタの高容量化を図るために、従来から容量絶縁膜として酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ハフニウム(HfO2)等の金属酸化物から成る高誘電率絶縁膜を用い、かつ下部電極及び上部電極として比較的低温(450°以下)で形成可能な窒化チタン(TiN)のような金属窒化物を用いて構成した、いわゆるMIM構造のキャパシタが提供されている。このようなキャパシタによれば、高誘電率絶縁膜から成る容量絶縁膜に比較的低温で下部電極及び上部電極を形成できるので、特に混載デバイスのようにキャパシタよりも先に形成してあるロジック部に熱的影響を与えることなく、高容量のキャパシタを形成することができる。このような構成のキャパシタを備えるDRAMが、例えば特許文献1に開示されている。 In order to increase the capacity of the DRAM capacitor as described above, a high dielectric constant insulating film made of a metal oxide such as zirconium oxide (ZrO 2 ) or hafnium oxide (HfO 2 ) has been conventionally used as a capacitive insulating film. In addition, a so-called MIM structure capacitor is provided which is formed using a metal nitride such as titanium nitride (TiN) which can be formed at a relatively low temperature (450 ° or less) as a lower electrode and an upper electrode. According to such a capacitor, since the lower electrode and the upper electrode can be formed at a relatively low temperature on the capacitor insulating film made of the high dielectric constant insulating film, the logic portion formed in advance of the capacitor, particularly in a hybrid device. A high-capacitance capacitor can be formed without thermally affecting the capacitor. A DRAM including a capacitor having such a configuration is disclosed in Patent Document 1, for example.

ここで、上述したようなMIM構造のキャパシタにおいて、ZrO2、HfO2等の高誘電率絶縁膜から成る容量絶縁膜に下部電極及び上部電極を形成する場合、Tiを含んだ有機金属(Metal 0rganic)材料を用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)法、いわゆる、MOCVD法による成膜方法が広く実施されている。例えば、特許文献2には、Tiを含んだ有機金属材料としてテトラジメチルアミノチタン(TDMAT)を用いたMOCVD法により、バリアメタルとして用いるTiNを成膜する方法が開示されている。 Here, when the lower electrode and the upper electrode are formed in the capacitor insulating film made of a high dielectric constant insulating film such as ZrO 2 or HfO 2 in the capacitor having the MIM structure as described above, an organic metal containing Ti (Metal 0rganic) ) A CVD (Chemical Vapor Deposition) method using a material, that is, a so-called MOCVD method is widely used. For example, Patent Document 2 discloses a method of depositing TiN used as a barrier metal by MOCVD using tetradimethylamino titanium (TDMAT) as an organometallic material containing Ti.

しかしながら、特許文献2にも記載されているように、MOCVD法により成膜されたTiN膜中には、炭素(C)原子を含む有機成分が取り込まれる傾向にあり、これらの成分の存在は膜質を低下させるので、これらの成分を可能な限り膜外に放出させるために、プラズマ処理が施される。このようなプラズマ処理により、それらの成分を可能な限りTiN膜外に放出させることで、緻密で低抵抗な膜に改質することができる。そのようなプラズマ処理は、従来は、窒素(N2)ガスと水素(H2)ガスとの混合ガスを用いて行われている。 However, as described in Patent Document 2, an organic component containing carbon (C) atoms tends to be taken into a TiN film formed by the MOCVD method. In order to release these components out of the film as much as possible, a plasma treatment is performed. By such plasma treatment, these components can be released as much as possible outside the TiN film, so that the film can be modified into a dense and low resistance film. Such plasma treatment is conventionally performed using a mixed gas of nitrogen (N 2 ) gas and hydrogen (H 2 ) gas.

また、DRAMのキャパシタの高容量化を図る他の考えとして、キャパシタの上部電極及び下部電極の表面積を拡大させるために、キャパシタの構造をシリンダ型、ボックス型、フィン型等の各種の立体構造に形成することが行われている。また、このような立体構造と高誘電率絶縁膜から成る容量絶縁膜とを組み合わせることで、キャパシタの容量をさらに増加させることができるようになる。
特開2002−373945号公報 特開2001−326192号公報
Another way to increase the capacity of a DRAM capacitor is to increase the surface area of the upper and lower electrodes of the capacitor to various types of three-dimensional structures such as a cylinder type, a box type, and a fin type. To be formed. Further, by combining such a three-dimensional structure and a capacitive insulating film made of a high dielectric constant insulating film, the capacitance of the capacitor can be further increased.
JP 2002-373945 A JP 2001-326192 A

ところで、従来の半導体装置及びその製造方法では、MIM構造のキャパシタの形成時に、容量絶縁膜に上部電極を形成するためにMOCVD法によりTiN膜を成膜した後にプラズマ処理を施すと、キャパシタの容量特性が悪化する、という問題がある。
すなわち、特許文献2に示されているように、従来ではMOCVD法によるTiN膜成膜後のプラズマ処理は、N2ガスとH2ガスとの混合ガスを用いて行われているが、このプラズマ処理時に既に形成されている容量絶縁膜がそのH2ガスによるプラズマダメージ(容量絶縁膜の還元)やプラズマ処理によりウエハ温度が上昇することによる熱的ダメージを受けて劣化するために、容量特性が悪化するようになる。
By the way, in the conventional semiconductor device and the manufacturing method thereof, when forming a capacitor having an MIM structure, if a plasma treatment is performed after forming a TiN film by MOCVD in order to form an upper electrode on the capacitor insulating film, the capacitance of the capacitor There is a problem that characteristics deteriorate.
That is, as shown in Patent Document 2, conventionally, plasma processing after forming a TiN film by MOCVD is performed using a mixed gas of N 2 gas and H 2 gas. Capacitance characteristics are deteriorated because the capacitor insulating film already formed at the time of processing deteriorates due to plasma damage (reduction of the capacitor insulating film) due to the H 2 gas and thermal damage due to the wafer temperature rising due to plasma processing. Get worse.

図15は、キャパシタの容量特性が悪化する具体例を示す図で、MOCVD法によるTiN膜成膜後にN2:H2=200SCCM(Standard Cubic Centimeter per Minute):300SCCM(流量比2:3)の混合ガスを用いてプラズマ処理を施して得られたキャパシタに対する、印加電圧(横軸)とリーク電流値(縦軸)との関係を示す図である。キャパシタは同一半導体基板(ウエハ)に形成した複数(一例として57個)のものを用いて測定した例で示している。図15において、プラス側は、キャパシタの上部電極にプラス電圧を印加するとともに下部電極に0電圧を印加して得られた特性を示している。一方、マイナス側は、キャパシタの上部電極にマイナス電圧を印加するとともに下部電極に0電圧を印加して得られた特性を示している。図15から明らかなように、複数のキャパシタのリーク電流値はウエハ内でバラツキが大きくなっており、ウエハ面内均一性が低下していることを示している。また、各キャパシタのリーク電流値も平均して大きくなっている。 FIG. 15 is a diagram showing a specific example in which the capacitance characteristic of the capacitor is deteriorated. N 2 : H 2 = 200 SCCM (Standard Cubic Centimeter per Minute): 300 SCCM (flow rate ratio 2: 3) after the TiN film is formed by the MOCVD method. It is a figure which shows the relationship between the applied voltage (horizontal axis) and the leakage current value (vertical axis) with respect to the capacitor obtained by performing plasma processing using mixed gas. The capacitor is shown as an example measured using a plurality of (57 as an example) capacitors formed on the same semiconductor substrate (wafer). In FIG. 15, the plus side shows the characteristics obtained by applying a plus voltage to the upper electrode of the capacitor and applying a 0 voltage to the lower electrode. On the other hand, the minus side shows characteristics obtained by applying a minus voltage to the upper electrode of the capacitor and applying a 0 voltage to the lower electrode. As is apparent from FIG. 15, the leakage current values of the plurality of capacitors vary greatly within the wafer, indicating that the uniformity within the wafer surface is degraded. In addition, the leakage current value of each capacitor is large on average.

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、MOCVD法による金属化合膜成膜後にプラズマ処理を施してもMIM構造のキャパシタの容量特性が悪化するのを防止することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is a semiconductor device capable of preventing deterioration in capacitance characteristics of a capacitor having an MIM structure even if plasma treatment is performed after forming a metal compound film by MOCVD . The object is to provide a manufacturing method .

上記課題を解決するために、請求項記載の発明は、半導体装置の製造方法に係り、下部電極を形成する工程と、該下部電極の上に容量絶縁膜を形成する工程と、該容量絶縁膜の上に窒化チタン膜からなる上部電極を形成し、MIM構造のキャパシタを形成する工程とを含み、上記窒化チタン膜を、窒化チタン膜を成膜する工程と、上記窒化チタン膜を、流量比が水素ガス/窒素ガス≦0.5からなる処理ガスを用いて、プラズマ電力550W以上でプラズマ処理する工程と、を繰り返すMOCVD法で成膜することを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, the step of forming a lower electrode, the step of forming a capacitive insulating film on the lower electrode, and the capacitive insulation. Forming an upper electrode made of a titanium nitride film on the film, and forming a capacitor having an MIM structure. The step of forming the titanium nitride film, the titanium nitride film, and the flow rate of the titanium nitride film A film is formed by MOCVD using a process gas having a ratio of hydrogen gas / nitrogen gas ≦ 0.5 and repeating a plasma process at a plasma power of 550 W or more.

また、請求項記載の発明は、半導体装置の製造方法に係り、下部電極を形成する工程と、該下部電極の上に容量絶縁膜を形成する工程と、該容量絶縁膜の上に窒化チタン膜からなる上部電極を形成し、MIM構造のキャパシタを形成する工程とを含み、上記窒化チタン膜を、窒化チタン膜を成膜する工程と、上記窒化チタン膜を、流量比が水素ガス/窒素ガス≦0.5からなる処理ガスを用いて、所定のプラズマ電力でプラズマ処理する工程と、を繰り返すMOCVD法で成膜し、上記プラズマ処理する工程が、第1のプラズマ処理工程と、これに続く、第2のプラズマ処理工程とから成り、上記第1のプラズマ処理のプラズマ電力が100W以下であり、上記第2のプラズマ処理のプラズマ電力が550W以上であると共に、上記第2のプラズマ処理工程の処理時間を、上記第1のプラズマ処理工程のそれよりも長く設定することを特徴としている。 The invention according to claim 2 relates to a method of manufacturing a semiconductor device, the step of forming a lower electrode, the step of forming a capacitive insulating film on the lower electrode, and titanium nitride on the capacitive insulating film. Forming a MIM structure capacitor, and forming the titanium nitride film, the titanium nitride film, and the titanium nitride film at a flow rate ratio of hydrogen gas / nitrogen. The process of forming a film by the MOCVD method, which repeats the step of performing plasma processing with a predetermined plasma power using a processing gas having a gas ≦ 0.5, and the step of performing the plasma processing includes the first plasma processing step, And a second plasma treatment step, wherein the plasma power of the first plasma treatment is 100 W or less, the plasma power of the second plasma treatment is 550 W or more, and the second plasma treatment is performed. The processing time of the plasma treatment process is characterized in that set longer than that of the first plasma treatment step.

また、請求項記載の発明は、請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法に係り、上記窒化チタン膜を成膜する工程の後、窒素ガスを用いて上記窒化チタン膜をプラズマ処理する工程を有することを特徴としている。 According to a third aspect of the invention, there is provided the method for manufacturing a semiconductor device according to the first or second aspect , wherein after the step of forming the titanium nitride film, the titanium nitride film is plasma-treated using nitrogen gas. It has the process.

また、請求項記載の発明は、請求項1、2又は3記載の半導体装置の製造方法に係り、上記キャパシタの上記上部電極を形成する工程において、上記繰り返し回数を2〜4回に設定することを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the first, second, or third aspect , the number of repetitions is set to 2 to 4 in the step of forming the upper electrode of the capacitor. It is characterized by that.

また、請求項記載の発明は、請求項記載の半導体装置の製造方法に係り、上記キャパシタの上記上部電極を形成する工程において、1回あたりに形成される膜厚が2〜15nmであることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the fourth aspect, the film thickness formed per time is 2 to 15 nm in the step of forming the upper electrode of the capacitor. It is characterized by that.

また、請求項記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法に係り、上記窒化チタン膜を、流量比が水素ガス/窒素ガス≦0.5からなる処理ガスを用いて、プラズマ電力550W以上で上記プラズマ処理する工程では、窒素ガスのみが用いられることを特徴としている。 A sixth aspect of the invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the titanium nitride film has a flow rate ratio of hydrogen gas / nitrogen gas ≦ 0.5. In the step of performing the plasma treatment using a treatment gas at a plasma power of 550 W or more, only nitrogen gas is used.

また、請求項記載の発明は、請求項1乃至6のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法に係り、上記窒化チタン膜を、流量比が水素ガス/窒素ガス≦0.5からなる処理ガスを用いて、上記プラズマ処理する工程では、プラズマ電力550W以上950W以下でプラズマ処理することを特徴としている。 A seventh aspect of the invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the titanium nitride film has a flow rate ratio of hydrogen gas / nitrogen gas ≦ 0.5. The step of performing the plasma treatment using a treatment gas is characterized in that the plasma treatment is performed at a plasma power of 550 W to 950 W.

また、請求項記載の発明は、請求項1乃至7のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法に係り、上記チタンを含む原料ガスとして、テトラジメチルアミノチタン(TDMAT)を用いることを特徴としている。 The invention according to claim 8 relates to the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 , wherein tetradimethylamino titanium (TDMAT) is used as a raw material gas containing titanium. It is said.

また、請求項記載の発明は、請求項1乃至8のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法に係り、上記下部電極の上に上記容量絶縁膜を形成する工程において、該容量絶縁膜として酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタルの少なくとも一つを有する絶縁膜を形成することを特徴としている。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to eighth aspects, wherein the capacitive insulating film is formed in the step of forming the capacitive insulating film on the lower electrode. And an insulating film having at least one of zirconium oxide, hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, and tantalum oxide is formed.

また、請求項10記載の発明は、請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法に係り、上記上部電極の上にフッ化タングステンを原料ガスとしてCVD法によりタングステン膜を形成する工程をさらに有することを特徴としている。

A tenth aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to ninth aspects, wherein a tungsten film is formed on the upper electrode by a CVD method using tungsten fluoride as a source gas. The method further includes the step of:

この発明の半導体装置の製造方法によれば、MIM構造のキャパシタの下部電極を形成した半導体基板を用いて容量絶縁膜を形成する。次に、容量絶縁膜上にMOCVD法によりTiN膜を成膜する工程及びこのTiN膜を窒素ガスを含むガスを用いてプラズマ処理する工程を繰り返してキャパシタの上部電極を形成する。TiN膜成膜後のプラズマ処理を、窒素ガスのみを用いて、あるいは流量比で水素ガス/窒素ガス≦0.5である窒素ガスに水素ガスを混合したガスを用いて行うことにより、プラズマ処理時に既に形成されている容量絶縁膜が水素ガスによるプラズマ作用やアニール作用の影響を受けないので、キャパシタの容量特性を改善することができる。上述のプラズマ処理後の上部電極を構成しているTiN膜の組成は、Ti100%(原子数比)に対して、Cが25〜36%、Nが60〜72%、Oが28〜35%の組成比(換言すれば、原子数比でチタン43〜45%、炭素11〜16%、窒素27〜31%、酸素12〜15%の組成比)を有していて、キャパシタの容量特性を改善できる半導体装置を得ることができる。 According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the capacitor insulating film is formed using the semiconductor substrate on which the lower electrode of the MIM structure capacitor is formed. Next, an upper electrode of the capacitor is formed by repeating a step of forming a TiN film on the capacitor insulating film by MOCVD and a step of plasma-treating the TiN film using a gas containing nitrogen gas. Plasma treatment after TiN film formation is performed by using only nitrogen gas or by using a gas obtained by mixing hydrogen gas with nitrogen gas with a flow rate ratio of hydrogen gas / nitrogen gas ≦ 0.5. Since the capacitance insulating film already formed is sometimes not affected by the plasma action or annealing action by hydrogen gas, the capacitance characteristics of the capacitor can be improved. The composition of the TiN film constituting the upper electrode after the plasma treatment described above is such that C is 25 to 36%, N is 60 to 72%, and O is 28 to 35% with respect to 100% Ti (atomic ratio). (In other words, the atomic ratio of titanium 43 to 45%, carbon 11 to 16%, nitrogen 27 to 31%, oxygen 12 to 15%). A semiconductor device that can be improved can be obtained.

半導体基板上にキャパシタの下部電極を形成する工程と、下部電極上に容量絶縁膜を形成する工程と、容量絶縁膜上にMOCVD法により金属化合膜を成膜する工程及び金属化合膜を窒素ガスを含むガスを用いてプラズマ処理する工程を繰り返してキャパシタの上部電極を形成する。このような半導体装置の製造方法により、チタン100%(原子数比)に対して、炭素が25〜36%、窒素が60〜72%、酸素が28〜35%の組成比(換言すれば、原子数比でチタン43〜45%、炭素11〜16%、窒素27〜31%、酸素12〜15%の組成比)を有するTiN膜から成る上部電極を形成する。 Forming a capacitor lower electrode on the semiconductor substrate; forming a capacitor insulating film on the lower electrode; forming a metal compound film on the capacitor insulating film by MOCVD; The upper electrode of the capacitor is formed by repeating the plasma treatment process using a gas containing gas. By such a method for manufacturing a semiconductor device, the composition ratio (in other words , carbon is 25 to 36%, nitrogen is 60 to 72%, and oxygen is 28 to 35% with respect to 100% titanium (atomic ratio) . An upper electrode made of a TiN film having a composition ratio of 43 to 45% titanium, 11 to 16% carbon, 27 to 31% nitrogen, and 12 to 15% oxygen is formed.

図1〜図4は、この発明の実施例1である半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図、図5は同半導体装置の製造方法において、MIM構造のキャパシタの下部電極を形成する方法を示すフローチャート、図6は同半導体装置の製造方法において、MIM構造のキャパシタの容量絶縁膜を形成する方法を示すフローチャート、図7は同半導体装置の製造方法において、MIM構造のキャパシタの上部電極を形成する方法を示すフローチャート、また、図8は同半導体装置の製造方法により形成されたMIM構造のキャパシタに対する印加電圧(横軸)とリーク電流値(縦軸)との関係を示す図、図9は同半導体装置の製造方法により形成されたMIM構造のキャパシタのリーク電流値(横軸)と累積確率(縦軸)との関係を従来例と比較して示す図、図10は同半導体装置の製造方法によりMIM構造のキャパシタを形成する場合、上部電極形成時のプラズマ処理ガスに含まれるH2ガスの流量(横軸)とリーク電流値(縦軸)との関係を示す図、図11は同半導体装置の製造方法によりMIM構造のキャパシタを形成する場合、上部電極形成時のプラズマ処理ガスに含まれるH2ガスの流量(横軸)とTiN膜の組成(縦軸)との関係を示す図、図12は同半導体装置の製造方法によりMIM構造のキャパシタを形成する場合に、プラズマ処理条件を変更して形成したキャパシタを対象とするリーク電流値(横軸)と累積確率(縦軸)との関係を示す図である。なお、この例ではMIM構造のキャパシタをシリンダ型の立体構造に形成する例で説明する。以下、図1〜図4を参照して、この例の半導体装置の製造方法を工程順に説明する。 1 to 4 are process diagrams showing a semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention in the order of steps. FIG. 5 shows a method for forming a lower electrode of a capacitor having an MIM structure in the semiconductor device manufacturing method. FIG. 6 is a flowchart showing a method of forming a capacitor insulating film of an MIM structure capacitor in the manufacturing method of the semiconductor device. FIG. 7 is a flowchart of forming an upper electrode of the MIM structure capacitor in the manufacturing method of the semiconductor device. FIG. 8 is a flowchart showing the relationship between the applied voltage (horizontal axis) and the leakage current value (vertical axis) applied to the MIM structure capacitor formed by the semiconductor device manufacturing method, and FIG. The relationship between the leakage current value (horizontal axis) and the cumulative probability (vertical axis) of the capacitor with the MIM structure formed by the semiconductor device manufacturing method is compared with the conventional example. Shown Figure 10 shows the case of forming a capacitor of the MIM structure by the manufacturing method of the semiconductor device, the flow rate of H 2 gas contained in the plasma processing gas during top electrode formed (horizontal axis) and the leakage current value (vertical axis) FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the flow rate of H 2 gas (horizontal axis) contained in the plasma processing gas during the formation of the upper electrode and the TiN film in the case of forming a capacitor with an MIM structure by the semiconductor device manufacturing method. FIG. 12 is a diagram showing a relationship with the composition (vertical axis), and FIG. 12 shows a leakage current value for a capacitor formed by changing plasma processing conditions when a capacitor having an MIM structure is formed by the manufacturing method of the semiconductor device. It is a figure which shows the relationship between a horizontal axis) and a cumulative probability (vertical axis). In this example, an example in which a capacitor having an MIM structure is formed in a cylindrical three-dimensional structure will be described. Hereinafter, with reference to FIGS. 1 to 4, the manufacturing method of the semiconductor device of this example will be described in the order of steps.

まず、図1(a)に示すように、例えばP型シリコン基板1に、周知のSTI(Shallow Trench Isolation)法等により二酸化シリコン(SiO2)膜からなる素子分離用絶縁膜2を形成した後、この素子分離用絶縁膜2により囲まれた活性領域にSiO2膜及び多結晶シリコン膜を順次に成膜し、これらの膜を所望の形状にパターニングしてゲート酸化膜3及びゲート電極(ワードライン)4を形成する。次に、ゲート酸化膜3及びゲート電極4をマスクとするセルフアラインにより、イオン注入法等の周知の不純物導入方法によりN型不純物をシリコン基板1に導入して、ソース領域又はドレイン領域となる複数のN型拡散領域5を選択的に形成する。次に、プラズマCVD法により全面にSiO2膜から成る第1層間絶縁膜6を形成する。 First, as shown in FIG. 1A, after an element isolation insulating film 2 made of a silicon dioxide (SiO 2 ) film is formed on, for example, a P-type silicon substrate 1 by a well-known STI (Shallow Trench Isolation) method or the like. Then, an SiO 2 film and a polycrystalline silicon film are sequentially formed in an active region surrounded by the element isolation insulating film 2, and these films are patterned into a desired shape to form a gate oxide film 3 and a gate electrode (word Line) 4 is formed. Next, by self-alignment using the gate oxide film 3 and the gate electrode 4 as a mask, N-type impurities are introduced into the silicon substrate 1 by a well-known impurity introduction method such as an ion implantation method, so that a plurality of source regions or drain regions are formed. The N type diffusion region 5 is selectively formed. Next, a first interlayer insulating film 6 made of a SiO 2 film is formed on the entire surface by plasma CVD.

これにより、ゲート酸化膜3、ゲート電極4及び複数のN型拡散領域5によりMOS型トランジスタから成るメモリセル選択用トランジスタ10が形成される。ここで、上述のソース領域又はドレイン領域を構成する複数のN型拡散領域5は、高不純物濃度領域と低不純物濃度領域とを組み合わせたLDD(Lightly Doped Drain)構造になっていても、高不純物濃度領域のみの非LDD構造になっていてもよい。次に、フォトリソグラフィ法を利用して、第1層間絶縁膜6を選択的にプラズマエッチングしてN型拡散領域5を露出するようにコンタクトホール7を形成する。   As a result, a memory cell selection transistor 10 composed of a MOS transistor is formed by the gate oxide film 3, the gate electrode 4, and the plurality of N-type diffusion regions 5. Here, even if the plurality of N-type diffusion regions 5 constituting the source region or the drain region have an LDD (Lightly Doped Drain) structure in which a high impurity concentration region and a low impurity concentration region are combined, A non-LDD structure having only a concentration region may be employed. Next, using photolithography, the first interlayer insulating film 6 is selectively plasma etched to form the contact hole 7 so as to expose the N-type diffusion region 5.

次に、図1(b)に示すように、CVD法又はPVD法(Physical Vapor Deposition)法により全面にバリアメタルとしてのTiN膜8を、次にCVD法により全面にW(タングステン)膜9を成膜した後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により第1層間絶縁膜6の表面を平坦化して不要なTiN膜8及びW膜9を除去して、コンタクトホール7内にN型拡散領域5とそれぞれ接続するように容量コンタクト11及びビットコンタクト12を形成する。   Next, as shown in FIG. 1B, a TiN film 8 as a barrier metal is formed on the entire surface by CVD or PVD (Physical Vapor Deposition), and then a W (tungsten) film 9 is formed on the entire surface by CVD. After the film formation, the surface of the first interlayer insulating film 6 is planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing) method to remove unnecessary TiN film 8 and W film 9, and the N-type diffusion region 5 and the contact hole 7 are formed in the contact hole 7. A capacitor contact 11 and a bit contact 12 are formed so as to be connected to each other.

次に、図1(c)に示すように、プラズマCVD法により全面に酸窒化シリコン(SiON)膜から成るストッパー絶縁膜13及びSiO2膜から成る第2層間絶縁膜14を順次に成膜する。次に、以下に示すような方法でMIM構造のキャパシタを形成する。 Next, as shown in FIG. 1C, a stopper insulating film 13 made of a silicon oxynitride (SiON) film and a second interlayer insulating film 14 made of a SiO 2 film are sequentially formed on the entire surface by plasma CVD. . Next, a capacitor having an MIM structure is formed by the following method.

最初に、図5に示すようなフローチャートによるプロセス工程で、キャパシタの下部電極を形成する。
まず、図2(d)に示すように、フォトリソグラフィ法を利用して、第2層間絶縁膜14を選択的にプラズマエッチングして、容量コンタクト11を露出するようにシリンダ溝15を形成する(ステップS1)。プラズマエッチングは、次のような条件で行った。
・エッチングガス:Ar
・プラズマ電力:100〜1000W
・エッチング量:1〜20nm
First, a lower electrode of a capacitor is formed by a process step according to a flowchart as shown in FIG.
First, as shown in FIG. 2D, the second interlayer insulating film 14 is selectively plasma etched by using a photolithography method to form a cylinder groove 15 so as to expose the capacitor contact 11 (see FIG. 2D). Step S1). Plasma etching was performed under the following conditions.
Etching gas: Ar
・ Plasma power: 100-1000W
・ Etching amount: 1 ~ 20nm

次に、MOCVD法によりTDMATをデポジションする(ステップS2)。
デポジションは、次のような条件で行った。
・原料ガス:TDMAT
・原料バブリングガス:He(100〜500SCCM)
・キャリアガス:He(100〜500SCCM)及びN2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr(Torricelli))
・成膜温度(設定):370〜480°
・成膜時間:5〜20sec(second)
・膜厚:2〜15nm
Next, TDMAT is deposited by MOCVD (step S2).
Deposition was performed under the following conditions.
・ Raw material gas: TDMAT
・ Raw material bubbling gas: He (100-500 SCCM)
Carrier gas: He (100 to 500 SCCM) and N 2 (100 to 500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 to 10 Torr (Torricelli))
・ Deposition temperature (setting): 370-480 °
・ Deposition time: 5 ~ 20sec (second)
・ Film thickness: 2-15nm

次に、予備プラズマ処理を施す(ステップS3)。予備プラズマ処理は、次のような条件で行った。
・予備プラズマ処理ガス:N2(100〜500SCCM)及びH2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・処理時間:3sec
・プラズマ電力:0〜100W
Next, preliminary plasma processing is performed (step S3). The preliminary plasma treatment was performed under the following conditions.
Preliminary plasma processing gas: N 2 (100 to 500 SCCM) and H 2 (100 to 500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Processing time: 3sec
・ Plasma power: 0-100W

次に、本プラズマ処理を施す(ステップS4)。本プラズマ処理は、次のような条件で行った。
・本プラズマ処理ガス:N2(100〜500SCCM)及びH2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・処理時間:15〜90sec
・プラズマ電力:550〜950W
Next, this plasma processing is performed (step S4). This plasma treatment was performed under the following conditions.
・ This plasma processing gas: N 2 (100 to 500 SCCM) and H 2 (100 to 500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Processing time: 15 ~ 90sec
・ Plasma power: 550-950W

次に、パージ処理を行う(ステップS5)。パージ処理は次の条件で行った。
・パージ処理ガス:N2(100〜700SCCM)及びH2(100〜500SCCM)
・パージ時間:15sec
以下、(ステップS2)〜(ステップS5)を4〜8回繰り返すことにより、図2(e)に示すように、シリンダ溝15内に膜厚が20〜40nmのTiN膜から成る下部電極16を形成した。
Next, a purge process is performed (step S5). The purge process was performed under the following conditions.
・ Purge processing gas: N 2 (100 to 700 SCCM) and H 2 (100 to 500 SCCM)
・ Purge time: 15 sec
Thereafter, by repeating (Step S2) to (Step S5) 4 to 8 times, the lower electrode 16 made of a TiN film having a thickness of 20 to 40 nm is formed in the cylinder groove 15 as shown in FIG. Formed.

次に、図6に示すようなフローチャートによるプロセス工程で、キャパシタの容量絶縁膜を形成する。この例では、容量絶縁膜としてZrO2を成膜する例で説明する。
まず、ALD(Atomic Layer Deposition:原子層成長法)法により、Zrを含んだ原料ガスとしてTEMAZ(テトラエチルメチルアミノジルコニウム)を用いて、Zrを1原子層デポジション(Pulse)する(ステップS11)。デポジションは、次のような条件で行った。
・原料ガス:TEMAZ
・原料バブリングガス:He
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・成膜温度(設定):250〜380°
・成膜時間:1〜10sec
Next, a capacitor insulating film of the capacitor is formed by a process step according to a flowchart as shown in FIG. In this example, ZrO 2 is formed as a capacitor insulating film.
First, Zr is deposited by one atomic layer (pulse) using TEMAZ (tetraethylmethylaminozirconium) as a source gas containing Zr by an ALD (Atomic Layer Deposition) method (step S11). Deposition was performed under the following conditions.
・ Raw material gas: TEMAZ
・ Raw material bubbling gas: He
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Deposition temperature (setting): 250-380 °
・ Deposition time: 1-10sec

次に、原料ガスのパージを行う(ステップS12)。パージは次のような条件で行った。
・パージガス:Ar
・パージ時間:1〜10sec
Next, the source gas is purged (step S12). Purge was performed under the following conditions.
・ Purge gas: Ar
・ Purge time: 1 to 10 seconds

次に、酸化剤の供給を行う(ステップS13)。酸化剤供給は次のような条件で行った。
・酸化剤:O3
・酸化剤濃度:100〜500g/m3
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・供給時間:0.1〜10sec
Next, an oxidizing agent is supplied (step S13). The oxidizing agent was supplied under the following conditions.
・ Oxidizing agent: O 3
・ Oxidant concentration: 100-500 g / m 3
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Supply time: 0.1-10sec

次に、O3ガスのパージを行う(ステップS14)。パージは次のような条件で行った。
・パージガス:Ar
・パージ時間:1〜10sec
以下、(ステップS11)〜(ステップS14)を50〜150回繰り返すことにより、図2(f)に示すように、下部電極16上に膜厚が5〜15nmのZrO2から成る容量絶縁膜17を形成した。
Next, purge of O 3 gas is performed (step S14). Purge was performed under the following conditions.
・ Purge gas: Ar
・ Purge time: 1 to 10 seconds
Thereafter, by repeating (Step S11) to (Step S14) 50 to 150 times, as shown in FIG. 2 (f), the capacitive insulating film 17 made of ZrO2 having a thickness of 5 to 15 nm is formed on the lower electrode 16. Formed.

次に、図7に示すようなフローチャートによるプロセス工程で、キャパシタの上部電極を形成する。
まず、MOCVD法によりTDMATをデポジションする(ステップS21)。
デポジションは、次のような条件で行った。
・原料ガス:TDMAT
・原料バブリングガス:He(100〜500SCCM)
・キャリアガス:He(100〜500SCCM)及びN2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・成膜温度(設定):370〜480°
・成膜時間:5〜20sec
・膜厚:2〜15nm
Next, the upper electrode of the capacitor is formed by a process step according to the flowchart shown in FIG.
First, TDMAT is deposited by MOCVD (step S21).
Deposition was performed under the following conditions.
・ Raw material gas: TDMAT
・ Raw material bubbling gas: He (100-500 SCCM)
Carrier gas: He (100 to 500 SCCM) and N 2 (100 to 500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Deposition temperature (setting): 370-480 °
・ Deposition time: 5 to 20 seconds
・ Film thickness: 2-15nm

次に、予備プラズマ処理を施す(ステップS22)。予備プラズマ処理は、次のような条件で行った。
・予備プラズマ処理ガス:N2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・処理時間:3sec
・プラズマ電力:0〜100W
Next, preliminary plasma processing is performed (step S22). The preliminary plasma treatment was performed under the following conditions.
・ Preliminary plasma processing gas: N 2 (100 to 500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Processing time: 3sec
・ Plasma power: 0-100W

次に、本プラズマ処理を施す(ステップS23)。本プラズマ処理は、次のような条件で行った。
・本プラズマ処理ガス:N2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・処理時間:10〜120sec
・プラズマ電力:550〜950W
Next, the plasma processing is performed (step S23). This plasma treatment was performed under the following conditions.
・ Plasma processing gas: N 2 (100-500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Processing time: 10 ~ 120sec
・ Plasma power: 550-950W

次に、パージ処理を行う(ステップS24)。パージ処理は次の条件で行った。
・パージ処理ガス:N2(100〜700SCCM)及びHe(100〜500SCCM)
・パージ時間:15sec
以下、(ステップS21)〜(ステップS24)を2〜4回繰り返すことにより、図3(g)に示すように、容量絶縁膜17上に膜厚が20〜40nmのTiN膜から成る上部電極18を形成した。これにより、下部電極16、容量絶縁膜17及び上部電極18によりMIM構造のキャパシタ19が形成される。
ここで、上部電極18の膜厚が20nmより薄くなると、TiN膜のバリア性が低下する。一方、40nmより厚くしても特性の向上は認められず、厚くする分生産性が低下する。高いバリア性を得るためには、緻密な膜とする必要があり、合わせて生産性を考慮するとある程度薄い膜を形成後プラズマ処理する工程を数回繰り返すことが好ましく、具体的には2〜15nm/回を2〜4回とすることが好ましい。また、1回あたりに形成される膜厚は必ずしも同一の値とする必要はない。
Next, a purge process is performed (step S24). The purge process was performed under the following conditions.
・ Purge processing gas: N 2 (100 to 700 SCCM) and He (100 to 500 SCCM)
・ Purge time: 15 sec
Thereafter, by repeating (Step S21) to (Step S24) 2 to 4 times, as shown in FIG. 3G, the upper electrode 18 made of a TiN film having a thickness of 20 to 40 nm is formed on the capacitive insulating film 17. Formed. Thereby, a capacitor 19 having an MIM structure is formed by the lower electrode 16, the capacitor insulating film 17 and the upper electrode 18.
Here, when the thickness of the upper electrode 18 is thinner than 20 nm, the barrier property of the TiN film is lowered. On the other hand, even if it is thicker than 40 nm, the improvement of the characteristics is not recognized, and the productivity increases as the thickness increases. In order to obtain a high barrier property, it is necessary to form a dense film, and considering the productivity, it is preferable to repeat the plasma treatment step after forming a thin film to some extent, specifically 2-15 nm. / Times is preferably 2 to 4 times. Further, the film thickness formed per time does not necessarily have to be the same value.

次に、図3(h)に示すように、CVD法により全面にW膜から成る容量用配線20を形成して、キャパシタ19の上部電極18と接続する。次に、図3(i)に示すように、ビットコンタクト12上方の第2容量絶縁膜14を露出するように開口部21を形成する。   Next, as shown in FIG. 3H, a capacitor wiring 20 made of a W film is formed on the entire surface by a CVD method and connected to the upper electrode 18 of the capacitor 19. Next, as shown in FIG. 3I, an opening 21 is formed so as to expose the second capacitor insulating film 14 above the bit contact 12.

次に、図4(j)に示すように、プラズマCVD法により全面にSiO2膜から成る第3層間絶縁膜22を形成した後、フォトリソグラフィ法を利用して、第3層間絶縁膜22を選択的にプラズマエッチングしてビットコンタクト12を露出するように、開口部21の内部にコンタクトホール23を形成する。 Next, as shown in FIG. 4 (j), a third interlayer insulating film 22 made of a SiO 2 film is formed on the entire surface by plasma CVD, and then the third interlayer insulating film 22 is formed using photolithography. A contact hole 23 is formed in the opening 21 so that the bit contact 12 is exposed by selective plasma etching.

次に、図4(k)に示すように、MOCVD法により全面にバリアメタルとしてのTiN膜24を、次にCVD法によりフッ素(F)を含む原料ガス(WF6:フッ化タングステン)を用いて全面にW膜から成るビット配線25をビットコンタクト12と接続するように形成することにより、MIM構造のキャパシタ19を備えるDRAMを完成させる。
ここで、この例によればTiN膜から成る上部電極18を形成することにより、TiN膜のバリア性が向上するので、上述のようにW膜をCVD法により形成する場合に原料ガスが容量絶縁膜17に与えるダメージを抑制することができる。
Next, as shown in FIG. 4 (k), a TiN film 24 as a barrier metal is formed on the entire surface by MOCVD, and then a source gas (WF 6 : tungsten fluoride) containing fluorine (F) is used by CVD. Then, a bit wiring 25 made of a W film is formed on the entire surface so as to be connected to the bit contact 12, thereby completing a DRAM including the capacitor 19 having the MIM structure.
Here, according to this example, by forming the upper electrode 18 made of the TiN film, the barrier property of the TiN film is improved. Therefore, when the W film is formed by the CVD method as described above, the source gas is capacitively insulated. Damage to the film 17 can be suppressed.

図8は、この例の半導体装置の製造方法により、MOCVD法によるTiN膜成膜後にN2ガス(流量:100〜500SCCM)のみを用いて予備プラズマ処理及び本プラズマ処理を施して得られたキャパシタに対する、印加電圧(横軸)とリーク電流値(縦軸)との関係を示す図である。なお、キャパシタは同一半導体基板に形成した複数(一例として57個)のものを用いて測定した例で示している。図8の特性を図15の従来例のそれと比較すれば明らかなように、この例により得られたキャパシタは、プラス側及びマイナス側のいずれの特性においても、複数のキャパシタのリーク電流値はウエハ内でバラツキが小さくなっており、ウエハ面内均一性が向上しているだけでなく、リーク電流値も小さくなっている。 FIG. 8 shows a capacitor obtained by performing the preliminary plasma treatment and the main plasma treatment using only the N 2 gas (flow rate: 100 to 500 SCCM) after forming the TiN film by the MOCVD method by the semiconductor device manufacturing method of this example. It is a figure which shows the relationship between the applied voltage (horizontal axis) and the leakage current value (vertical axis). Note that the capacitor is shown as an example measured using a plurality (57 as an example) of capacitors formed on the same semiconductor substrate. As is apparent from the comparison of the characteristics of FIG. 8 with those of the conventional example of FIG. 15, the capacitor obtained in this example has a leakage current value of a plurality of capacitors in both the positive and negative characteristics. In addition, not only the uniformity within the wafer surface is improved, but also the leakage current value is reduced.

また、図9は、図8に基づいて、キャパシタのリーク電流値(横軸)と累積確率(縦軸)との関係を示す図で、実際のデバイスでキャパシタに印加される電圧マイナス0.7Vを印加したときの57個のキャパシタの特性をプロットしている。図9において、Aはこの例の特性を、Bは従来例の特性を示している。図9の特性は、勾配が急なものほど、リーク電流値のウエハ内バラツキが小さくなっていることを示している。また、図示特性の左側に位置しているものほど、リーク電流値が小さいことを示している。したがって、図8及び図9から明らかなように、この例によれば、ウエハ面内均一性及びリーク電流値のいずれにおいても従来例よりも優れており、キャパシタの容量特性が改善されているのが理解される。   FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the leakage current value of the capacitor (horizontal axis) and the cumulative probability (vertical axis) based on FIG. 8, and the voltage applied to the capacitor in an actual device minus 0.7V. The characteristic of 57 capacitors when applying is plotted. In FIG. 9, A shows the characteristics of this example, and B shows the characteristics of the conventional example. The characteristics in FIG. 9 indicate that the steep slope has a smaller variation in the leakage current value in the wafer. Further, the one located on the left side of the illustrated characteristic indicates that the leak current value is small. Therefore, as is apparent from FIGS. 8 and 9, according to this example, both the wafer in-plane uniformity and the leakage current value are superior to the conventional example, and the capacitance characteristics of the capacitor are improved. Is understood.

このように、この例によりキャパシタの容量特性が改善できたのは、MOCVD法によるTiN膜成膜後のプラズマ処理時に従来のようにプラズマ処理ガスとしてH2ガスを除いてN2ガスのみを用いることで、プラズマ処理時に既に形成されている容量絶縁膜17がH2ガスによるプラズマ作用やアニール作用の影響を受けなくなった結果、ダメージが緩和されて劣化しなくなったためと考えられる。 As described above, the capacitance characteristic of the capacitor can be improved by this example because only the N 2 gas is used as the plasma processing gas except for the H 2 gas during the plasma processing after the TiN film is formed by the MOCVD method. This is probably because the capacitive insulating film 17 already formed at the time of the plasma treatment is not affected by the plasma action or the annealing action by the H 2 gas, and as a result, the damage is alleviated and no longer deteriorates.

さらに、詳細に説明すると、MOCVD法によるTiN膜成膜を膜質を損ねない程度の膜厚に抑えてこの直後にN2ガスのみによるプラズマ処理(予備プラズマ処理+本プラズマ処理)を行い、これらのTiN膜成膜工程とプラズマ処理工程を1サイクルとして、所望の膜厚のTiN膜から成る上部電極が得られるまで複数回のサイクルを繰り返すようにしたので、容量絶縁膜17がH2ガスによる影響を受けなくなって、キャパシタの容量特性を改善することができたと考えられる。 More specifically, the TiN film formation by the MOCVD method is suppressed to a film thickness that does not impair the film quality, and immediately after this, plasma treatment using only N 2 gas (preliminary plasma treatment + main plasma treatment) is performed. as TiN film formation step and the plasma treatment step of one cycle, since the repeated several cycles until the upper electrode obtained consisting of the desired thickness of the TiN film, the capacitor insulating film 17 affected by H 2 gas It is considered that the capacitance characteristics of the capacitor could be improved.

ここで、上述のプラズマ処理ガスとしては必ずしもN2ガスのみに制限する必要はなく、H2ガスがN2ガスに対して一定の流量比以内であれば混合ガスとして用いても、キャパシタとして満足する容量特性を得ることができることを確かめた。図10は、この例の半導体装置の製造方法によりMIM構造のキャパシタを形成する場合、上部電極となるTiN膜形成時のプラズマ処理ガスに含まれるH2ガスの流量(横軸)とリーク電流値(縦軸)との関係を示している。また、図11は、この例の半導体装置の製造方法によりMIM構造のキャパシタを形成する場合、上部電極となるTiN膜形成時のプラズマ処理ガスに含まれるH2ガスの流量(横軸)とTiN膜の組成(縦軸)との関係を示している。 Here, the plasma processing gas described above is not necessarily limited to only N 2 gas, and if the H 2 gas is within a certain flow ratio with respect to the N 2 gas, it is satisfactory as a capacitor even if it is used as a mixed gas. It was confirmed that the capacity characteristics can be obtained. FIG. 10 shows the flow rate (horizontal axis) of the H 2 gas contained in the plasma processing gas and the leakage current value when forming the TiN film serving as the upper electrode when the MIM structure capacitor is formed by the semiconductor device manufacturing method of this example. The relationship with (vertical axis) is shown. FIG. 11 shows the flow rate of H 2 gas (horizontal axis) and TiN contained in the plasma processing gas when forming the TiN film serving as the upper electrode when the MIM structure capacitor is formed by the semiconductor device manufacturing method of this example. The relationship with the composition (vertical axis) of the film is shown.

図10から明らかなように、プラズマ処理ガスとしてN2ガス200SCCMに対してH2ガスを100SCCMまで混合した場合には(流量比2:1)、プラス及びマイナスのいずれの特性においても、リーク電流値を従来例よりも下回るように予め設定した規格値以内に抑えることができ、キャパシタの容量特性を改善できることを示している。また、図11から明らかなように、上述のように、プラズマ処理ガスとしてN2ガス200SCCMに対してH2ガスを100SCCMまで混合してプラズマ処理して形成されたキャパシタの場合、その上部電極を構成しているTiN膜の組成(割合)は、Ti100%(原子数比)に対して、Cが25〜36%、Nが60〜72%、Oが28〜35%の組成比を有している。また、上部電極の上面側と下面側では組成比が異なっている。すなわち、Ti100%に対して、Cが25〜36%、Nが60〜72%、Oが28〜35%の組成比(換言すれば、原子数比でチタン43〜45%、炭素11〜16%、窒素27〜31%、酸素12〜15%の組成比)を有するTiN膜から成る上部電極18を形成することにより、キャパシタの容量特性を改善できることを示している。
As is clear from FIG. 10, when H 2 gas is mixed up to 100 SCCM with respect to N 2 gas 200 SCCM as the plasma processing gas (flow rate ratio 2: 1), the leakage current in both positive and negative characteristics. This indicates that the value can be suppressed within a preset standard value so as to be lower than that of the conventional example, and the capacitance characteristic of the capacitor can be improved. As is clear from FIG. 11, as described above, in the case of a capacitor formed by plasma processing by mixing H 2 gas up to 100 SCCM with N 2 gas 200 SCCM as the plasma processing gas, the upper electrode is The composition (ratio) of the constituting TiN film is such that C is 25 to 36%, N is 60 to 72%, and O is 28 to 35% with respect to 100% Ti (atomic ratio). ing. Further, the composition ratio is different between the upper surface side and the lower surface side of the upper electrode. That is, with respect to 100% Ti, C is 25 to 36%, N is 60 to 72%, and O is 28 to 35% (in other words, the atomic ratio is titanium 43 to 45%, carbon 11 to 16). It shows that the capacitance characteristics of the capacitor can be improved by forming the upper electrode 18 made of a TiN film having a composition ratio of%, nitrogen 27-31%, oxygen 12-15% .

なお、N2ガス単独の場合がキャパシタの容量特性は最もよい。チタンは酸素と非常に相性がよいためチタン酸化物を形成しやすい。そのため、H2プラズマにより上部電極中の炭素が引き抜かれた部分に容量絶縁膜中の酸素が移動し得るのに対し、N2プラズマのみの場合では上部電極中の炭素が引き抜かれないため、容量絶縁膜中の酸素が奪われることはなく、その分容量特性が良好となると推定される。また、上部電極上にフッ素を含む原料ガス(WF6)を用いてCVD法でタングステン膜を形成する場合には、上部電極膜のバリア性が高いため、容量絶縁膜へのダメージを抑制できると推定される。 The capacity characteristic of the capacitor is the best when N 2 gas alone is used. Titanium is very compatible with oxygen, so it is easy to form titanium oxide. Therefore, oxygen in the capacitor insulating film can move to the portion where carbon in the upper electrode is extracted by H 2 plasma, whereas carbon in the upper electrode is not extracted in the case of only N 2 plasma. It is presumed that oxygen in the insulating film is not deprived and capacity characteristics are improved accordingly. Further, when a tungsten film is formed by CVD using a source gas (WF 6 ) containing fluorine on the upper electrode, since the barrier property of the upper electrode film is high, damage to the capacitor insulating film can be suppressed. Presumed.

また、前述したように、TiN膜成膜工程とプラズマ処理工程を1サイクルとして、所望の膜厚のTiN膜から成る上部電極18が得られるまで複数回のサイクルを繰り返す場合、このサイクル数をあまり増加させることは好ましくないことを確かめた。図12は、N2ガス200SCCMにH2ガス100SCCMガスを混合したガスを使用した際のこの様子を示すもので、特性Cはサイクル数を3回繰り返した場合、特性Dはサイクル数を6回繰り返した場合を示している。6回繰り返した場合の方が特性が悪くなっている理由は、H2プラズマによるダメージが多くなっているためと推察される。前述したようにサイクル数を2〜4回繰り返すことにより、望ましい容量特性を得ることができる。 As described above, when the TiN film forming step and the plasma processing step are set as one cycle and a plurality of cycles are repeated until an upper electrode 18 made of a TiN film having a desired thickness is obtained, the number of cycles is not much. It was confirmed that the increase is not preferable. FIG. 12 shows this state when a gas in which N 2 gas 200 SCCM is mixed with H 2 gas 100 SCCM gas is used. Characteristic C is obtained when the number of cycles is repeated three times, and characteristic D is obtained when the number of cycles is six times. The repeated case is shown. The reason why the characteristics are worse in the case of repeating 6 times is presumed that the damage by H 2 plasma is increased. As described above, a desirable capacity characteristic can be obtained by repeating the number of cycles 2 to 4 times.

このように、この例の半導体装置によれば、ZrO2膜から成る容量絶縁膜17にTiN膜から成る下部電極16及び上部電極18を形成して成るMIM構造のキャパシタ19を備える半導体装置において、Ti100%に対して、Cが25〜36%、Nが60〜72%、Oが28〜35%の組成比を有するTiN膜から成る上部電極18を形成することにより、キャパシタの容量特性を改善できる半導体装置を得ることができる。
また、この例の半導体装置の製造方法によれば、MIM構造のキャパシタ19の下部電極16を形成した半導体基板を用いてZrO2膜から成る容量絶縁膜17を形成した後、MOCVD法によりTiN膜を成膜する工程及びこのTiN膜を窒素ガスのみを用いて、あるいは流量比で水素ガス/窒素ガス≦0.5である窒素ガスに水素ガスを混合したガスを用いてプラズマ処理する工程を繰り返して、上述のような組成比を有するTiN膜から成る上部電極18を形成する。
したがって、MOCVD法によるTiN膜成膜後にプラズマ処理を施してもMIM構造のキャパシタの容量特性が悪化するのを防止することができる。
Thus, according to the semiconductor device of this example, in the semiconductor device including the capacitor 19 having the MIM structure formed by forming the lower electrode 16 and the upper electrode 18 made of the TiN film on the capacitive insulating film 17 made of the ZrO 2 film, Capacitance characteristics of the capacitor are improved by forming the upper electrode 18 made of a TiN film having a composition ratio of C 25 to 36%, N 60 to 72%, and O 28 to 35% with respect to 100% Ti. A semiconductor device that can be obtained can be obtained.
Further, according to the method of manufacturing the semiconductor device of this example, after forming the capacitive insulating film 17 made of the ZrO 2 film using the semiconductor substrate on which the lower electrode 16 of the capacitor 19 having the MIM structure is formed, the TiN film is formed by the MOCVD method. And a step of plasma-treating the TiN film using only nitrogen gas or using a gas in which hydrogen gas / nitrogen gas ≦ 0.5 at a flow ratio is mixed with hydrogen gas. Thus, the upper electrode 18 made of the TiN film having the composition ratio as described above is formed.
Therefore, it is possible to prevent the capacitance characteristics of the capacitor having the MIM structure from being deteriorated even if plasma treatment is performed after the TiN film is formed by the MOCVD method.

この発明の実施例2では、容量絶縁膜としてHfO2から成る容量絶縁膜を形成することを特徴としている。これ以外は、上述した実施例1の構成と略同様であるので、説明を省略する。
この例の半導体装置の製造方法は、まず、実施例1の図2(e)工程に示すように、シリンダ溝15内に膜厚が20〜40nmのTiN膜から成る下部電極16を形成した基板1を用意する。
次に、ALD法により、Hfを含んだ原料ガスとしてTEMAH(テトラエチルメチルアミノハフニウム)を用いて、Hfを1原子層デポジション(Pulse)する(ステップ1)。デポジションは、次のような条件で行った。
・原料ガス:TEMAH
・原料バブリングガス:Ar
・成膜温度(設定):250〜380°
・成膜時間:1〜10sec
The second embodiment of the present invention is characterized in that a capacitive insulating film made of HfO 2 is formed as a capacitive insulating film. Other than this, the configuration is substantially the same as that of the above-described first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
In the manufacturing method of the semiconductor device of this example, first, as shown in FIG. 2E of Example 1, the substrate in which the lower electrode 16 made of a TiN film having a thickness of 20 to 40 nm is formed in the cylinder groove 15. Prepare 1
Next, Hf is deposited by one atomic layer (pulse) using TEMAH (tetraethylmethylaminohafnium) as a source gas containing Hf by the ALD method (step 1). Deposition was performed under the following conditions.
・ Raw material gas: TEMAH
・ Raw material bubbling gas: Ar
・ Deposition temperature (setting): 250-380 °
・ Deposition time: 1-10sec

次に、原料ガスのパージを行う(ステップ2)。パージは次のような条件で行った。
・パージガス:Ar
・パージ時間:1〜10sec
Next, the source gas is purged (step 2). Purge was performed under the following conditions.
・ Purge gas: Ar
・ Purge time: 1 to 10 seconds

次に、酸化剤の供給を行う(ステップ3)。酸化剤供給は次のような条件で行った。
・酸化剤:O3
・酸化剤濃度:100〜500g/m3
・供給時間:0.1〜10sec
Next, an oxidizing agent is supplied (step 3). The oxidizing agent was supplied under the following conditions.
・ Oxidizing agent: O 3
・ Oxidant concentration: 100-500 g / m 3
・ Supply time: 0.1-10sec

次に、O3ガスのパージを行う(ステップ4)。パージは次のような条件で行った。
・パージガス:Ar
・パージ時間:1〜10sec
以下、(ステップ1)〜(ステップ4)を50〜150回繰り返すことにより、実施例1の図2(f)に示したのと略同様に、下部電極16上に膜厚が5〜15nmのHfO2から成る容量絶縁膜(容量絶縁膜17に対応)を形成した。
以下は、実施例1の図3(g)〜図4(k)と略同様な工程を繰り返すことにより、MIM構造のキャパシタ19を備えるDRAMを完成させる。
Next, O 3 gas is purged (step 4). Purge was performed under the following conditions.
・ Purge gas: Ar
・ Purge time: 1 to 10 seconds
Thereafter, by repeating (Step 1) to (Step 4) 50 to 150 times, a film thickness of 5 to 15 nm is formed on the lower electrode 16 in substantially the same manner as shown in FIG. A capacitor insulating film (corresponding to the capacitor insulating film 17) made of HfO 2 was formed.
In the following, the DRAM having the MIM structure capacitor 19 is completed by repeating substantially the same steps as those in FIGS. 3G to 4K of the first embodiment.

このように、この例の構成によっても、実施例1と比較して容量絶縁膜の種類が異なるだけなので、実施例1と略同様な効果を得ることができる。   As described above, the configuration of this example is different from that of the first embodiment only in the type of the capacitive insulating film, so that substantially the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

図13は、この発明の実施例3である半導体装置の製造方法において、MIM構造のキャパシタの上部電極を形成する方法を示すフローチャート、図14は同半導体装置の製造方法により形成されたMIM構造のキャパシタのリーク電流値(横軸)と累積確率(横軸)との関係を従来例と比較して示す図である。この実施例3の半導体装置の製造方法の構成が、上述の実施例1のそれと大きく異なるところは、従来条件のプラズマ処理を数回繰り返した後に、最終のプラズマ処理をN2ガスのみを用いて行うようにした点である。
この例の半導体装置の製造方法は、まず、実施例1の図2(f)工程に示すように、下部電極16上に膜厚が5〜15nmのZrO2から成る容量絶縁膜17を形成した基板1を用意する。
FIG. 13 is a flowchart showing a method of forming the upper electrode of the capacitor having the MIM structure in the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 14 is a flowchart showing the method for forming the MIM structure formed by the method for manufacturing the semiconductor device. It is a figure which shows the relationship between the leakage current value (horizontal axis) of a capacitor, and an accumulation probability (horizontal axis) compared with a prior art example. The configuration of the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment is greatly different from that of the first embodiment described above. After the conventional plasma processing is repeated several times, the final plasma processing is performed using only N 2 gas. It is a point that I tried to do.
In the manufacturing method of the semiconductor device of this example, first, as shown in FIG. 2F of Example 1, a capacitive insulating film 17 made of ZrO 2 having a thickness of 5 to 15 nm was formed on the lower electrode 16. A substrate 1 is prepared.

次に、図13に示すようなフローチャートによるプロセス工程で、キャパシタの上部電極を形成する。
まず、MOCVD法によりTDMATをデポジションする(ステップS31)。
デポジションは、次のような条件で行った。
・原料ガス:TDMAT
・原料バブリングガス:He(100〜500SCCM)
・キャリアガス:He(100〜500SCCM)及びN2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・成膜温度(設定):370〜480°
・成膜時間:5〜20sec
・膜厚:2〜15nm
Next, the upper electrode of the capacitor is formed by a process step according to the flowchart shown in FIG.
First, TDMAT is deposited by MOCVD (step S31).
Deposition was performed under the following conditions.
・ Raw material gas: TDMAT
・ Raw material bubbling gas: He (100-500 SCCM)
Carrier gas: He (100 to 500 SCCM) and N 2 (100 to 500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Deposition temperature (setting): 370-480 °
・ Deposition time: 5 to 20 seconds
・ Film thickness: 2-15nm

次に、予備プラズマ処理を施す(ステップS32)。予備プラズマ処理は、次のような条件で行った。
・予備プラズマ処理ガス:N2(100〜500SCCM)及びH2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・処理時間:3sec
・プラズマ電力:0〜100W
Next, preliminary plasma processing is performed (step S32). The preliminary plasma treatment was performed under the following conditions.
Preliminary plasma processing gas: N 2 (100 to 500 SCCM) and H 2 (100 to 500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Processing time: 3sec
・ Plasma power: 0-100W

次に、本プラズマ処理を施す(ステップS33)。本プラズマ処理は、次のような条件で行った。
・本プラズマ処理ガス:N2(100〜500SCCM)及びH2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・処理時間:10〜120sec
・プラズマ電力:550〜950W
Next, the plasma processing is performed (step S33). This plasma treatment was performed under the following conditions.
・ This plasma processing gas: N 2 (100 to 500 SCCM) and H 2 (100 to 500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Processing time: 10 ~ 120sec
・ Plasma power: 550-950W

次に、パージ処理を行う(ステップS34)。パージ処理は次の条件で行った。
・パージ処理ガス:N2(100〜700SCCM)及びHe(100〜500SCCM)
・パージ時間:15sec
以下、(ステップS31)〜(ステップS34)を1〜3回繰り返す。
Next, a purge process is performed (step S34). The purge process was performed under the following conditions.
・ Purge processing gas: N 2 (100 to 700 SCCM) and He (100 to 500 SCCM)
・ Purge time: 15 sec
Thereafter, (Step S31) to (Step S34) are repeated 1 to 3 times.

次に、MOCVD法によりTDMATをデポジションする(ステップS35)。
デポジションは、次のような条件で行った。
・原料ガス:TDMAT
・原料バブリングガス:He(100〜500SCCM)
・キャリアガス:He(100〜500SCCM)及びN2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・成膜温度(設定):370〜480°
・成膜時間:5〜20sec
・膜厚:2〜15nm
Next, TDMAT is deposited by MOCVD (step S35).
Deposition was performed under the following conditions.
・ Raw material gas: TDMAT
・ Raw material bubbling gas: He (100-500 SCCM)
Carrier gas: He (100 to 500 SCCM) and N 2 (100 to 500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Deposition temperature (setting): 370-480 °
・ Deposition time: 5 to 20 seconds
・ Film thickness: 2-15nm

次に、予備プラズマ処理を施す(ステップS36)。予備プラズマ処理は、次のような条件で行った。
・予備プラズマ処理ガス:N2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・処理時間:3sec
・プラズマ電力:0〜100W
Next, preliminary plasma processing is performed (step S36). The preliminary plasma treatment was performed under the following conditions.
・ Preliminary plasma processing gas: N 2 (100 to 500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Processing time: 3sec
・ Plasma power: 0-100W

次に、本プラズマ処理を施す(ステップS37)。本プラズマ処理は、次のような条件で行った。
・本プラズマ処理ガス:N2(100〜500SCCM)
・チャンバー圧力:0.1〜10Torr
・処理時間:10〜120sec
・プラズマ電力:550〜950W
Next, the plasma processing is performed (step S37). This plasma treatment was performed under the following conditions.
・ Plasma processing gas: N 2 (100-500 SCCM)
・ Chamber pressure: 0.1 ~ 10Torr
・ Processing time: 10 ~ 120sec
・ Plasma power: 550-950W

次に、パージ処理を行う(ステップS38)。パージ処理は次の条件で行った。
・パージ処理ガス:N2(100〜700SCCM)及びHe(100〜500SCCM)
・パージ時間:15sec
Next, a purge process is performed (step S38). The purge process was performed under the following conditions.
・ Purge processing gas: N 2 (100 to 700 SCCM) and He (100 to 500 SCCM)
・ Purge time: 15 sec

以上により、実施例1の図2(g)に示したのと略同様に、容量絶縁膜17上に膜厚が20〜40nmのTiN膜から成る上部電極18を形成した。これにより、下部電極16、容量絶縁膜17及び上部電極18によりMIM構造のキャパシタ19が形成される。
以下は、実施例1の図3(h)〜図4(k)と略同様な工程を繰り返すことにより、MIM構造のキャパシタ19を備えるDRAMを完成させる。
As described above, the upper electrode 18 made of a TiN film having a thickness of 20 to 40 nm was formed on the capacitor insulating film 17 in substantially the same manner as that shown in FIG. Thereby, a capacitor 19 having an MIM structure is formed by the lower electrode 16, the capacitor insulating film 17 and the upper electrode 18.
In the following, a DRAM having the MIM structure capacitor 19 is completed by repeating substantially the same steps as those of the first embodiment shown in FIGS. 3 (h) to 4 (k).

この例の半導体装置の製造方法により形成されたMIM構造のキャパシタ19のリーク電流値(横軸)と累積確率(横軸)との関係を従来例と比較して示す図14から明らかなように、この例の特性Eは従来例の特性Fと比較して、リーク電流値のウエハ内バラツキが小さくなっているとともに、リーク電流値が小さくなっていて、キャパシタの容量特性が改善されているのが理解される。   As is apparent from FIG. 14 showing the relationship between the leakage current value (horizontal axis) and the cumulative probability (horizontal axis) of the capacitor 19 having the MIM structure formed by the semiconductor device manufacturing method of this example in comparison with the conventional example. In the characteristic E of this example, the variation of the leakage current value in the wafer is smaller than that of the characteristic F of the conventional example, the leakage current value is small, and the capacitance characteristic of the capacitor is improved. Is understood.

このように、この例の半導体装置の製造方法によれば、従来条件のプラズマ処理を数回繰り返した後に、最終のプラズマ処理をN2ガスのみを用いて行っても、キャパシタの容量特性を改善することができる。
したがって、実施例1と略同様な効果を得ることができる。
Thus, according to the semiconductor device manufacturing method of this example, the capacitor characteristics are improved even if the final plasma treatment is performed using only N 2 gas after the plasma treatment under the conventional conditions is repeated several times. can do.
Therefore, substantially the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

なお、各実施例で示したように、TiN膜成膜後にN2ガスでプラズマ処理を行う場合、予備プラズマ処理に続いてこれよりも長い時間本プラズマ処理を行うことにより、容量特性の改善効果を向上させることができる。例えば、成膜とプラズマ処理を繰り返す場合、最終層のみプラズマ処理時間を長くする(一例として、通常30秒間処理するところを60秒間、90秒間とする)ことにより、容量特性をより向上させることができる。また、N2ガスとH2ガスの混合ガスによるプラズマ処理に続いて、最終層をN2ガスによりプラズマ処理する例においても、このプラズマ処理時間を長くすることにより、同様に容量特性を向上させることができる。 As shown in each example, when the plasma treatment is performed with N 2 gas after the TiN film is formed, the plasma treatment is performed for a longer time following the preliminary plasma treatment, thereby improving the capacity characteristics. Can be improved. For example, when film formation and plasma processing are repeated, the capacity characteristics can be further improved by increasing the plasma processing time of only the final layer (for example, the processing time of 30 seconds is usually 60 seconds and 90 seconds). it can. Also, in the example in which the final layer is plasma-treated with N 2 gas following the plasma treatment with a mixed gas of N 2 gas and H 2 gas, the capacity characteristics are similarly improved by extending the plasma treatment time. be able to.

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、実施例ではMIM構造のキャパシタを備える半導体装置としてDRAMに例をあげて説明したが、これに限らずDRAMとロジックデバイスとを混載した半導体装置に対しても適用することができる。また、DRAMを構成するメモリセル選択用トランジスタは、MOS型トランジスタに限ることなく、ゲート絶縁膜として窒化膜(Nitride Film)、あるいは酸化膜と窒化膜との2重膜等の他の構成の絶縁膜を用いたMIS(Metal Insulator Semiconductor)型トランジスタを用いてもよい。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and the present invention can be changed even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention. include. For example, in the embodiments, a DRAM is described as an example of a semiconductor device including a capacitor having an MIM structure, but the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to a semiconductor device in which a DRAM and a logic device are mixedly mounted. In addition, the memory cell selection transistor constituting the DRAM is not limited to the MOS type transistor, but is insulated with other structures such as a nitride film (Nitride Film) or a double film of an oxide film and a nitride film as a gate insulating film. A MIS (Metal Insulator Semiconductor) type transistor using a film may be used.

また、容量絶縁膜としてALD法によりZrO2を成膜する場合の原料ガスとしてはTEMAZを用いた例で示したが、これに限らずTDEAZ(テトラジエチルアミノジルコニウム)、TDMAZ(テトラジメチルアミノジルコニウム)等の他の原料を用いることができる。同様にして、容量絶縁膜としてALD法によりHfO2を成膜する場合の原料ガスとしてはTEMAHを用いた例で示したが、これに限らずTDEAH(テトラジエチルアミノハフニウム)、TDMAH(テトラジメチルアミノハフニウム)等の他の原料を用いることができる。また、容量絶縁膜の成膜方法はALD法に限らず、CVD法、PVD法等の他の方法を用いることができる。 In addition, although an example in which TEMAZ is used as a raw material gas when forming ZrO 2 as a capacitive insulating film by the ALD method is shown, it is not limited to this and TDAZ (tetradiethylaminozirconium), TDMAZ (tetradimethylaminozirconium), etc. Other ingredients can be used. Similarly, as an example of using TEMAH as a raw material gas when HfO 2 is formed as a capacitive insulating film by the ALD method, the material gas is not limited to this, but is limited to TDEAH (tetradiethylaminohafnium), TDMAH (tetradimethylaminohafnium). Other raw materials can be used. Further, the method for forming the capacitor insulating film is not limited to the ALD method, and other methods such as a CVD method and a PVD method can be used.

また、容量絶縁膜は、ZrO2とAl23(酸化アルミニウム)の積層あるいは混合、HfO2とAl23の積層あるいは混合、ZrO2とTiO2(酸化チタン)の積層あるいは混合、HfO2とTiO2の積層あるいは混合でもよい。また、上部電極を構成する金属化合膜としてはTiNを用いる例で示したが、これに限らず原料ガスとしてペンタエトキシタンタル(PET)を用いて形成した窒化タンタル(TaN)のような他の材料を用いることができる。また、各実施例で示したMIM構造のキャパシタを形成する場合の条件(ガスの種類、チャンバー圧力、プラズマ電力、成膜温度、成膜時間等)は一例を示したもので、用途、目的等に応じて任意の変更が可能である。また、メモリセル選択用トランジスタを構成するMOS型トランジスタのドレイン領域とソース領域とは、原理的に同じように作用するので相互に入れ替えて動作させることができる。また、MOS型トランジスタのP型半導体層とN型半導体層とを入れ替えてもよい。 Further, the capacitive insulating film is formed by stacking or mixing ZrO 2 and Al 2 O 3 (aluminum oxide), stacking or mixing HfO 2 and Al 2 O 3 , stacking or mixing ZrO 2 and TiO 2 (titanium oxide), HfO 2 or TiO 2 may be laminated or mixed. Moreover, although the example which uses TiN was shown as a metal compound film which comprises an upper electrode, it is not restricted to this, Other materials like tantalum nitride (TaN) formed using pentaethoxy tantalum (PET) as source gas Can be used. In addition, the conditions (gas type, chamber pressure, plasma power, film formation temperature, film formation time, etc.) for forming the MIM structure capacitor shown in each example are merely examples, and the use, purpose, etc. Any change is possible depending on the situation. In addition, since the drain region and the source region of the MOS transistor constituting the memory cell selection transistor operate in the same manner in principle, they can be operated interchangeably. Further, the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer of the MOS transistor may be interchanged.

この発明の実施例1である半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Example 1 of this invention in order of a process. 同半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the same semiconductor device in process order. 同半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the same semiconductor device in process order. 同半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the same semiconductor device in process order. 同半導体装置の製造方法において、MIM構造のキャパシタの下部電極を形成する方法を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a method of forming a lower electrode of a capacitor having an MIM structure in the method for manufacturing a semiconductor device. 同半導体装置の製造方法において、MIM構造のキャパシタの容量絶縁膜を形成する方法を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a method of forming a capacitive insulating film of a capacitor having an MIM structure in the method for manufacturing a semiconductor device. 同半導体装置の製造方法において、MIM構造のキャパシタの上部電極を形成する方法を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a method for forming an upper electrode of a capacitor having an MIM structure in the manufacturing method of the semiconductor device. 同半導体装置の製造方法により形成されたMIM構造のキャパシタに対する印加電圧(横軸)とリーク電流値(縦軸)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the applied voltage (horizontal axis) with respect to the capacitor | condenser of the MIM structure formed with the manufacturing method of the same semiconductor device, and a leakage current value (vertical axis). 同半導体装置の製造方法により形成されたMIM構造のキャパシタのリーク電流値(横軸)と累積確率(縦軸)との関係を従来例と比較して示す図である。It is a figure which shows the relationship between the leakage current value (horizontal axis) and the accumulation probability (vertical axis) of the capacitor of the MIM structure formed by the manufacturing method of the semiconductor device in comparison with the conventional example. 同半導体装置の製造方法によりMIM構造のキャパシタを形成する場合、上部電極形成時のプラズマ処理ガスに含まれるH2ガスの流量(横軸)とリーク電流値(縦軸)との関係を示す図である。Diagram showing the relationship between the case of forming a capacitor of the MIM structure by the manufacturing method of the semiconductor device, the flow rate of H 2 gas contained in the plasma processing gas during top electrode formed (horizontal axis) and the leakage current value (vertical axis) It is. 同半導体装置の製造方法によりMIM構造のキャパシタを形成する場合、上部電極形成時のプラズマ処理ガスに含まれるH2ガスの流量(横軸)とTiN膜の組成(縦軸)との関係を示す図である。When forming an MIM structure capacitor by the semiconductor device manufacturing method, the relationship between the flow rate (horizontal axis) of the H 2 gas contained in the plasma processing gas when forming the upper electrode and the composition (vertical axis) of the TiN film is shown. FIG. 同半導体装置の製造方法によりMIM構造のキャパシタを形成する場合に、プラズマ処理条件を変更して形成したキャパシタを対象とするリーク電流値(横軸)と累積確率(縦軸)との関係を示す図である。FIG. 6 shows a relationship between a leakage current value (horizontal axis) and a cumulative probability (vertical axis) for a capacitor formed by changing plasma processing conditions when a MIM structure capacitor is formed by the semiconductor device manufacturing method. FIG. この発明の実施例3である半導体装置の製造方法において、MIM構造のキャパシタの上部電極を形成する方法を示すフローチャートである。7 is a flowchart showing a method for forming an upper electrode of a capacitor having an MIM structure in a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. 同半導体装置の製造方法により形成されたMIM構造のキャパシタのリーク電流値(横軸)と累積確率(横軸)との関係を従来例と比較して示す図である。It is a figure which shows the relationship between the leakage current value (horizontal axis) and the accumulation probability (horizontal axis) of the capacitor | condenser of the MIM structure formed with the manufacturing method of the same semiconductor device compared with a prior art example. 従来の半導体装置の製造方法により製造されたMIM構造のキャパシタに対する印加電圧(横軸)とリーク電流値(縦軸)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the applied voltage (horizontal axis) with respect to the capacitor | condenser of the MIM structure manufactured with the manufacturing method of the conventional semiconductor device, and a leakage current value (vertical axis).

符号の説明Explanation of symbols

1 P型シリコン基板
2 素子分離用絶縁膜
3 ゲート酸化膜
4 ゲート電極(ワードライン)
5 N型拡散領域
6 第1層間絶縁膜
7、23 コンタクトホール
8 TiN膜
9 W膜
10 メモリセル選択用トランジスタ
11 容量コンタクト
12 ビットコンタクト
13 ストッパー絶縁膜
14 第2層間絶縁膜
15 シリンダ溝
16 下部電極(TiN膜)
17 容量絶縁膜(ZrO2
18 上部電極(TiN膜)
19 MIM構造のキャパシタ
20 容量用配線
21 開口部
22 第3層間絶縁膜
24 TiN膜
25 ビット配線
1 P-type silicon substrate 2 Insulating film for element isolation 3 Gate oxide film 4 Gate electrode (word line)
5 N-type diffusion region 6 First interlayer insulating film 7, 23 Contact hole 8 TiN film 9 W film 10 Memory cell selection transistor 11 Capacitance contact 12 Bit contact 13 Stopper insulating film 14 Second interlayer insulating film 15 Cylinder groove 16 Lower electrode (TiN film)
17 Capacitive insulating film (ZrO 2 )
18 Upper electrode (TiN film)
19 Capacitor with MIM structure 20 Capacitance wiring 21 Opening 22 Third interlayer insulating film 24 TiN film 25 Bit wiring

Claims (10)

下部電極を形成する工程と、
該下部電極の上に容量絶縁膜を形成する工程と、
該容量絶縁膜の上に窒化チタン膜からなる上部電極を形成し、MIM構造のキャパシタを形成する工程とを含み、
前記窒化チタン膜を、
窒化チタン膜を成膜する工程と、
前記窒化チタン膜を、流量比が水素ガス/窒素ガス≦0.5からなる処理ガスを用いて、プラズマ電力550W以上でプラズマ処理する工程と、
を繰り返すMOCVD法で成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a lower electrode;
Forming a capacitive insulating film on the lower electrode;
Forming an upper electrode made of a titanium nitride film on the capacitor insulating film, and forming a capacitor having an MIM structure,
The titanium nitride film,
Forming a titanium nitride film;
Plasma-treating the titanium nitride film at a plasma power of 550 W or more using a processing gas having a flow rate ratio of hydrogen gas / nitrogen gas ≦ 0.5;
A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that a film is formed by MOCVD, which repeats the above.
下部電極を形成する工程と、
該下部電極の上に容量絶縁膜を形成する工程と、
該容量絶縁膜の上に窒化チタン膜からなる上部電極を形成し、MIM構造のキャパシタを形成する工程とを含み、
前記窒化チタン膜を、
窒化チタン膜を成膜する工程と、
前記窒化チタン膜を、流量比が水素ガス/窒素ガス≦0.5からなる処理ガスを用いて、所定のプラズマ電力でプラズマ処理する工程と、
を繰り返すMOCVD法で成膜し、
前記プラズマ処理する工程が、第1のプラズマ処理工程と、これに続く、第2のプラズマ処理工程とから成り、前記第1のプラズマ処理のプラズマ電力が100W以下であり、前記第2のプラズマ処理のプラズマ電力が550W以上であると共に、前記第2のプラズマ処理工程の処理時間を、前記第1のプラズマ処理工程のそれよりも長く設定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a lower electrode;
Forming a capacitive insulating film on the lower electrode;
Forming an upper electrode made of a titanium nitride film on the capacitor insulating film, and forming a capacitor having an MIM structure,
The titanium nitride film,
Forming a titanium nitride film;
Plasma-treating the titanium nitride film with a predetermined plasma power using a processing gas having a flow ratio of hydrogen gas / nitrogen gas ≦ 0.5;
The film is formed by the MOCVD method that repeats
The plasma processing step comprises a first plasma processing step followed by a second plasma processing step, wherein the plasma power of the first plasma processing is 100 W or less, and the second plasma processing The method of manufacturing a semiconductor device is characterized in that the plasma power of the second plasma processing step is set to be longer than that of the first plasma processing step.
前記窒化チタン膜を成膜する工程の後、
窒素ガスを用いて前記窒化チタン膜をプラズマ処理する工程を有することを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。
After the step of forming the titanium nitride film,
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of performing plasma treatment on the titanium nitride film using nitrogen gas.
前記キャパシタの前記上部電極を形成する工程において、前記繰り返し回数を2〜4回に設定することを特徴とする請求項1、2又は3記載の半導体装置の製造方法。 In the step of forming the upper electrode of the capacitor, a method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, 2 or 3, wherein the setting the number of repetitions in 2-4 times. 前記キャパシタの前記上部電極を形成する工程において、1回あたりに形成される膜厚が2〜15nmであることを特徴とする請求項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 in the step of forming the upper electrode of the capacitor, a film thickness formed per time is 2 to 15 nm. 前記窒化チタン膜を、流量比が水素ガス/窒素ガス≦0.5からなる処理ガスを用いて、プラズマ電力550W以上で前記プラズマ処理する工程では、窒素ガスのみが用いられることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。 The process of plasma-treating the titanium nitride film at a plasma power of 550 W or more using a process gas having a flow rate ratio of hydrogen gas / nitrogen gas ≦ 0.5 uses only nitrogen gas. Item 6. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Items 1 to 5 . 前記窒化チタン膜を、流量比が水素ガス/窒素ガス≦0.5からなる処理ガスを用いて、前記プラズマ処理する工程では、プラズマ電力550W以上950W以下でプラズマ処理することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。 The plasma processing is performed on the titanium nitride film at a plasma power of 550 W or more and 950 W or less using a processing gas having a flow rate ratio of hydrogen gas / nitrogen gas ≦ 0.5. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 1 to 6 . 前記チタンを含む原料ガスとして、テトラジメチルアミノチタン(TDMAT)を用いることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。 As a raw material gas containing titanium, a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, characterized by using tetradimethylamino titanium (TDMAT). 前記下部電極の上に前記容量絶縁膜を形成する工程において、該容量絶縁膜として酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタルの少なくとも一つを有する絶縁膜を形成することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。 In the step of forming the capacitive insulating film on the lower electrode, an insulating film having at least one of zirconium oxide, hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, and tantalum oxide is formed as the capacitive insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 . 前記上部電極の上にフッ化タングステンを原料ガスとしてCVD法によりタングステン膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to tungsten hexafluoride to any one of claims 1 to 9, further comprising the step of forming a tungsten film by a CVD method as a material gas on the upper electrode.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9520460B2 (en) 2013-09-05 2016-12-13 Samsung Electronics Co., Ltd. MIM capacitors with diffusion-blocking electrode structures and semiconductor devices including the same

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007081189A (en) * 2005-09-15 2007-03-29 Elpida Memory Inc Semiconductor memory device and manufacturing method thereof
KR100716654B1 (en) * 2006-04-04 2007-05-09 주식회사 하이닉스반도체 Zirconium oxide film formation method of tetragonal structure and manufacturing method of capacitor provided with the same
WO2009119803A1 (en) 2008-03-28 2009-10-01 日本電気株式会社 Capacitor, semiconductor device comprising the same, method for manufacturing the capacitor, and method for manufacturing the semiconductor device
TW201044426A (en) * 2009-01-15 2010-12-16 Tokyo Electron Ltd Capacitor and process for manufacturing capacitor
JP2011146507A (en) 2010-01-14 2011-07-28 Renesas Electronics Corp Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2011166032A (en) * 2010-02-12 2011-08-25 Sharp Corp Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP5625624B2 (en) * 2010-08-27 2014-11-19 東京エレクトロン株式会社 Film forming apparatus, film forming method, and storage medium
JP2013021012A (en) 2011-07-07 2013-01-31 Renesas Electronics Corp Semiconductor device manufacturing method
JP5849577B2 (en) * 2011-09-30 2016-01-27 日本電気株式会社 Resistance change element and programming method thereof
JP2015179727A (en) 2014-03-19 2015-10-08 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor integrated circuit device and manufacturing method thereof
CN109494302B (en) * 2017-09-12 2024-04-05 松下知识产权经营株式会社 Capacitive element, image sensor, and method for manufacturing capacitive element
CN110082383B (en) * 2019-03-19 2021-06-18 福建省福联集成电路有限公司 Method and system for improving capacitance value precision of capacitor

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0711846A1 (en) * 1994-11-14 1996-05-15 Applied Materials, Inc. Titanium nitride deposited by chemical vapor deposition
JP3822378B2 (en) * 1999-02-19 2006-09-20 株式会社東芝 Manufacturing method of semiconductor device
JP2001326192A (en) * 2000-05-16 2001-11-22 Applied Materials Inc Film forming method and apparatus
JP3408527B2 (en) * 2000-10-26 2003-05-19 松下電器産業株式会社 Method for manufacturing semiconductor device
KR100874399B1 (en) * 2002-07-18 2008-12-17 삼성전자주식회사 Material formation method using atomic layer deposition method, and capacitor formation method of semiconductor device using same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9520460B2 (en) 2013-09-05 2016-12-13 Samsung Electronics Co., Ltd. MIM capacitors with diffusion-blocking electrode structures and semiconductor devices including the same

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