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JP5994466B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

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

半導体記憶装置として、強誘電体ランダムアクセスメモリ(以下、強誘電体メモリと呼ぶ)が開発されている(例えば特許文献1〜3参照)。強誘電体メモリは、上部電極と下部電極との間に強誘電体膜が挟まれた強誘電体キャパシタを有する。半導体装置の高集積化及び高性能化の進展に伴い、強誘電体キャパシタの微細化及び多層配線構造の採用が要求されている。さらに、携帯型情報処理装置への適用に関連して、低電圧動作が要求されている。   As a semiconductor memory device, a ferroelectric random access memory (hereinafter referred to as a ferroelectric memory) has been developed (see, for example, Patent Documents 1 to 3). A ferroelectric memory has a ferroelectric capacitor in which a ferroelectric film is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode. With the progress of higher integration and higher performance of semiconductor devices, miniaturization of ferroelectric capacitors and the use of multilayer wiring structures are required. Furthermore, low voltage operation is required in connection with application to portable information processing devices.

強誘電体メモリを低電圧動作させるために、強誘電体キャパシタの強誘電体膜が大きな反転電荷量Qswを有することが好ましい。しかし、例えば、多層配線構造を形成する過程で使われる還元雰囲気処理又は非酸化雰囲気処理により、強誘電体膜が劣化する問題が生じる。   In order to operate the ferroelectric memory at a low voltage, it is preferable that the ferroelectric film of the ferroelectric capacitor has a large inversion charge amount Qsw. However, for example, there is a problem that the ferroelectric film deteriorates due to a reducing atmosphere treatment or a non-oxidizing atmosphere treatment used in the process of forming the multilayer wiring structure.

より具体的に説明すると、上部電極を、Ptを含む膜またはIrを含む膜等により形成した場合、多層配線構造中の層間絶縁膜を形成する際に用いられる還元雰囲気中の水素が上部電極膜中に浸入して、PtやIrの有する触媒作用により活性化され、活性化された水素により、強誘電体キャパシタ中の強誘電体膜が還元されてしまう。強誘電体膜が還元されると、強誘電体キャパシタの動作特性は劣化する。このような問題は、微細な強誘電体キャパシタにおいて特に顕著となる。   More specifically, when the upper electrode is formed of a film containing Pt, a film containing Ir, or the like, hydrogen in a reducing atmosphere used when forming an interlayer insulating film in the multilayer wiring structure is used as the upper electrode film. The ferroelectric film in the ferroelectric capacitor is reduced by the hydrogen that has entered the inside and is activated by the catalytic action of Pt or Ir. When the ferroelectric film is reduced, the operating characteristics of the ferroelectric capacitor deteriorate. Such a problem is particularly noticeable in a fine ferroelectric capacitor.

また、強誘電体キャパシタは、メモリ素子に用いるのみならず、他の用途に用いることもできる。例えば、メモリ素子を駆動するロジック回路の電源配線の平滑用キャパシタに用いることができる。   Further, the ferroelectric capacitor can be used not only for a memory element but also for other purposes. For example, it can be used as a smoothing capacitor for power supply wiring of a logic circuit that drives a memory element.

しかし、メモリ用キャパシタと平滑用キャパシタとでは、異なる特性が求められる。メモリ用キャパシタと平滑用キャパシタとを同時形成し、メモリ用キャパシタと平滑用キャパシタとで共通の構造のキャパシタ誘電体膜を用いれば、例えば以下のような困難が生じる。   However, different characteristics are required between the memory capacitor and the smoothing capacitor. If the capacitor for memory and the smoothing capacitor are formed at the same time, and the capacitor dielectric film having a common structure is used for the memory capacitor and the smoothing capacitor, the following difficulties arise, for example.

強誘電体メモリに用いられるメモリ用キャパシタは、低電圧動作、大きな反転電荷量、優れたリテンション特性、及び良好なインプリント特性が求められ、キャパシタ誘電体膜として、薄い強誘電体膜が適する。一方、平滑用キャパシタは、高い絶縁破壊耐圧が求められる。メモリ用キャパシタに適した薄い強誘電体膜を、平滑用キャパシタのキャパシタ誘電体膜としても用いれば、リーク電流が多く絶縁破壊耐圧が低くなってしまう。   A memory capacitor used in a ferroelectric memory is required to have a low voltage operation, a large inversion charge amount, an excellent retention characteristic, and a good imprint characteristic, and a thin ferroelectric film is suitable as a capacitor dielectric film. On the other hand, the smoothing capacitor is required to have a high breakdown voltage. If a thin ferroelectric film suitable for a memory capacitor is also used as a capacitor dielectric film for a smoothing capacitor, the leakage current is large and the dielectric breakdown voltage is lowered.

特開2007−281373号公報JP 2007-281373 A 特開2011−199071号公報JP 2011-199071 A 国際公開第07/116442号パンフレットInternational Publication No. 07/116442 Pamphlet

本発明の一目的は、強誘電体キャパシタの水素等に対するバリア性を向上できる新規な技術を提供することである。   An object of the present invention is to provide a novel technique capable of improving the barrier property against hydrogen or the like of a ferroelectric capacitor.

本発明の他の目的は、特性の異なる強誘電体キャパシタの同時形成に適した新規な技術を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a novel technique suitable for simultaneous formation of ferroelectric capacitors having different characteristics.

本発明の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板の第1領域上方に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された上部電極とを有し、前記上部電極は、酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムで形成された第1導電膜と、前記第1導電膜上方に形成され、ペロブスカイト構造あるいはビスマス層状結晶構造を持つABO型酸化物で形成された、厚みが0.5nm〜30nmである第2導電膜と、前記第2導電膜上方に形成され、酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムで形成された第3導電膜とを有する半導体装置が提供される。 According to an aspect of the present invention, a semiconductor substrate, a lower electrode formed above the first region of the semiconductor substrate, a ferroelectric film formed on the lower electrode, and on the ferroelectric film A first conductive film formed of iridium oxide or ruthenium oxide, and an ABO formed above the first conductive film and having a perovskite structure or a bismuth layered crystal structure. a second conductive film formed of an x- type oxide and having a thickness of 0.5 nm to 30 nm; and a third conductive film formed above the second conductive film and formed of iridium oxide or ruthenium oxide. A semiconductor device is provided.

酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムで形成された第1導電膜及び第3導電膜と、第1導電膜と第3導電膜との間に形成され、ペロブスカイト構造あるいはビスマス層状結晶構造を持つABO型酸化物で形成された第2導電膜とを有する上部電極により、強誘電体キャパシタの水素等に対するバリア性の向上が図られる。 ABO x- type oxide having a perovskite structure or a bismuth layered crystal structure formed between a first conductive film and a third conductive film made of iridium oxide or ruthenium oxide, and between the first conductive film and the third conductive film The upper electrode having the second conductive film formed in (1) improves the barrier property against hydrogen and the like of the ferroelectric capacitor.

図1A〜図1Cは、第1実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。1A to 1C are schematic cross-sectional views showing main steps of a semiconductor device manufacturing method according to a first embodiment. 図1D〜図1Fは、第1実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。1D to 1F are schematic cross-sectional views showing the main steps of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment. 図1G〜図1Iは、第1実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。FIG. 1G to FIG. 1I are schematic cross-sectional views showing main steps of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment. 図1J及び図1Kは、第1実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。1J and 1K are schematic cross-sectional views showing the main steps of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment. 図1L及び図1Mは、第1実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。FIG. 1L and FIG. 1M are schematic cross-sectional views showing the main steps of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment. 図1N及び図1Oは、第1実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。1N and 1O are schematic cross-sectional views showing the main steps of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment. 図1P及び図1Qは、第1実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。1P and 1Q are schematic cross-sectional views showing the main steps of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment. 図1R及び図1Sは、第1実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。1R and 1S are schematic cross-sectional views showing main steps of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment. 図1Tは、第1実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。FIG. 1T is a schematic cross-sectional view showing the main steps of the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. 図1Uは、第1実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。FIG. 1U is a schematic cross-sectional view showing the main steps of the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. 図2Aは、第1実施例による強誘電体キャパシタ形成工程の概略的なフローである。FIG. 2A is a schematic flow of a ferroelectric capacitor forming process according to the first embodiment. 図2Bは、第1実施例の変形例による強誘電体キャパシタ形成工程の概略的なフローである。FIG. 2B is a schematic flow of a ferroelectric capacitor forming process according to a modification of the first embodiment. 図3は、第2実施例による半導体装置の概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment. 図4A〜図4Dは、第3実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。4A to 4D are schematic cross-sectional views showing the main steps of the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment. 図4E〜図4Hは、第3実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。4E to 4H are schematic cross-sectional views showing the main steps of the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment. 図4I〜図4Kは、第3実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。4I to 4K are schematic cross-sectional views showing main processes of the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment. 図5は、第3実施例による半導体装置の全体構造を示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic sectional view showing the entire structure of the semiconductor device according to the third embodiment. 図6A及び図6Bは、それぞれ、第3実施例によるメモリ用キャパシタ及び平滑用キャパシタの概略断面図である。6A and 6B are schematic cross-sectional views of a memory capacitor and a smoothing capacitor according to the third embodiment, respectively. 図7は、第3実施例によるメモリ用キャパシタ及び平滑用キャパシタ形成工程の概略的なフローである。FIG. 7 is a schematic flow of a memory capacitor and smoothing capacitor forming process according to the third embodiment. 図8は、第4実施例による半導体装置の概略断面図である。FIG. 8 is a schematic sectional view of a semiconductor device according to the fourth embodiment. 図9A及び図9Bは、それぞれ、実施例による強誘電体キャパシタの、反転電荷量と読み出し電圧との関係を示すグラフ、及び、リーク電流と印加電圧との関係を示すグラフである。FIG. 9A and FIG. 9B are a graph showing the relationship between the inversion charge amount and the read voltage and the graph showing the relationship between the leakage current and the applied voltage, respectively, of the ferroelectric capacitor according to the example. 図10は、Ir添加PZT膜のIr含量と抵抗率との関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the Ir content and resistivity of the Ir-added PZT film.

本発明の第1実施例による半導体装置及びその製造方法について説明する。図1A〜図1Uは、第1実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。   A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described. 1A to 1U are schematic cross-sectional views illustrating main steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment.

図1Aを参照する。半導体基板10に、例えばシャロー・トレンチ・アイソレーション(STI)により、素子領域を画定する素子分離領域12を形成する。半導体基板10としては、例えばn型またはp型のシリコン基板を用いる。なお、素子分離領域12の形成方法はSTIに限定されるものではない。例えばシリコン局所酸化(LOCOS)により素子分離領域12を形成してもよい。   Reference is made to FIG. 1A. An element isolation region 12 that defines an element region is formed on the semiconductor substrate 10 by, for example, shallow trench isolation (STI). For example, an n-type or p-type silicon substrate is used as the semiconductor substrate 10. Note that the method of forming the element isolation region 12 is not limited to STI. For example, the element isolation region 12 may be formed by silicon local oxidation (LOCOS).

次に、イオン注入により、ドーパント不純物を導入することにより、ウェル14を形成する。ドーパント不純物としては、例えばp型のドーパント不純物を用いる。p型のドーパント不純物としては、例えばボロン(B)を用いる。ドーパント不純物としてp型のドーパント不純物を用いた場合には、p型のウェル14が形成される。   Next, the well 14 is formed by introducing dopant impurities by ion implantation. As the dopant impurity, for example, a p-type dopant impurity is used. For example, boron (B) is used as the p-type dopant impurity. When a p-type dopant impurity is used as the dopant impurity, a p-type well 14 is formed.

次に、例えば熱酸化により、素子領域上にゲート絶縁膜16を形成する。次に、例えば化学気相堆積(CVD)により、ポリシリコン膜18を形成する。ポリシリコン膜18は、ゲート電極(ワード線)となるものである。   Next, the gate insulating film 16 is formed on the element region by, for example, thermal oxidation. Next, the polysilicon film 18 is formed by, for example, chemical vapor deposition (CVD). The polysilicon film 18 becomes a gate electrode (word line).

なお、ここでは、ゲート電極となる膜としてポリシリコン膜18を形成する場合を例に説明したが、ゲート電極となる膜は、ポリシリコン膜に限定されるものではない。例えば、ゲート電極となる膜として、アモルファスシリコン膜とタングステンシリサイド膜との積層膜等を形成してもよい。   Here, the case where the polysilicon film 18 is formed as the film to be the gate electrode has been described as an example, but the film to be the gate electrode is not limited to the polysilicon film. For example, a stacked film of an amorphous silicon film and a tungsten silicide film may be formed as a film to be a gate electrode.

次に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、ポリシリコン膜18をパターニングして、ゲート電極(ワード線)18を形成する。次に、ゲート電極18をマスクとし、例えばイオン注入により、ゲート電極18の両側の半導体基板10内にドーパント不純物を導入する。ドーパント不純物としては、例えばn型のドーパント不純物を用いる。n型のドーパント不純物としては、例えばリン(P)を用いる。これにより、エクステンションソース/ドレインの浅い領域を形成するエクステンション領域が形成される。   Next, the polysilicon film 18 is patterned by photolithography and etching to form a gate electrode (word line) 18. Next, dopant impurities are introduced into the semiconductor substrate 10 on both sides of the gate electrode 18 by ion implantation, for example, using the gate electrode 18 as a mask. For example, an n-type dopant impurity is used as the dopant impurity. For example, phosphorus (P) is used as the n-type dopant impurity. Thereby, an extension region for forming a shallow region of the extension source / drain is formed.

次に、全面に、例えばCVDにより、絶縁膜を形成する。絶縁膜としては、例えばシリコン酸化膜を形成する。次に、この絶縁膜を異方性エッチングする。こうして、ゲート電極18の側壁部分に、絶縁膜によりサイドウォール絶縁膜20が形成される。   Next, an insulating film is formed on the entire surface by, eg, CVD. For example, a silicon oxide film is formed as the insulating film. Next, this insulating film is anisotropically etched. Thus, the sidewall insulating film 20 is formed on the side wall portion of the gate electrode 18 from the insulating film.

次に、サイドウォール絶縁膜20が形成されたゲート電極18をマスクとし、例えばイオン注入により、ゲート電極18の両側の半導体基板10内にドーパント不純物を導入する。ドーパント不純物としては、例えばn型のドーパント不純物を用いる。n型のドーパント不純物としては、例えば砒素(As)を用いる。これにより、エクステンションソース/ドレインの深い領域を形成する不純物拡散層が形成される。エクステンション領域と深い不純物拡散層とによりソース/ドレイン拡散層22が形成される。   Next, dopant impurities are introduced into the semiconductor substrate 10 on both sides of the gate electrode 18 by ion implantation, for example, using the gate electrode 18 with the sidewall insulating film 20 formed as a mask. For example, an n-type dopant impurity is used as the dopant impurity. For example, arsenic (As) is used as the n-type dopant impurity. Thereby, an impurity diffusion layer forming a deep region of the extension source / drain is formed. A source / drain diffusion layer 22 is formed by the extension region and the deep impurity diffusion layer.

次に、全面に、例えばスパッタリングにより、高融点金属膜を形成する。高融点金属膜としては、例えばコバルト膜を形成する。次に、熱処理を行うことにより、半導体基板10の表層部と高融点金属膜とを反応させるとともに、ゲート電極18の上部と高融点金属膜とを反応させる。次に、例えばウエットエッチングにより、未反応の高融点金属膜を除去する。   Next, a refractory metal film is formed on the entire surface by, for example, sputtering. For example, a cobalt film is formed as the refractory metal film. Next, by performing heat treatment, the surface layer portion of the semiconductor substrate 10 and the refractory metal film are reacted, and the upper portion of the gate electrode 18 and the refractory metal film are reacted. Next, the unreacted refractory metal film is removed by wet etching, for example.

こうして、ソース/ドレイン拡散層22上に、例えばコバルトシリサイドのシリサイド層24bが形成される。また、ゲート電極18の上部に、例えばコバルトシリサイドのシリサイド層24aが形成される。このようにして、ゲート電極18とソース/ドレイン拡散層22とを有するトランジスタ26が形成される。   Thus, for example, a silicide layer 24 b of cobalt silicide is formed on the source / drain diffusion layer 22. Further, a silicide layer 24a of cobalt silicide, for example, is formed on the gate electrode 18. Thus, the transistor 26 having the gate electrode 18 and the source / drain diffusion layer 22 is formed.

図1Bを参照する。全面に、例えばプラズマCVDにより、絶縁膜(酸化防止膜)28を形成する。絶縁膜28としては、例えばシリコン窒化酸化膜を形成する。次に、絶縁膜28上に、層間絶縁膜30を形成する。層間絶縁膜30の膜厚は、例えば1μmとする。次に、例えば化学機械研磨(CMP)により、層間絶縁膜30の表面を平坦化する。   Refer to FIG. 1B. An insulating film (antioxidation film) 28 is formed on the entire surface by, eg, plasma CVD. As the insulating film 28, for example, a silicon oxynitride film is formed. Next, an interlayer insulating film 30 is formed on the insulating film 28. The film thickness of the interlayer insulating film 30 is, for example, 1 μm. Next, the surface of the interlayer insulating film 30 is planarized by, for example, chemical mechanical polishing (CMP).

図1Cを参照する。フォトリソグラフィ及びエッチングにより、ソース/ドレイン拡散層22上のシリサイド層24bに達するコンタクトホール32を形成する。   Reference is made to FIG. 1C. A contact hole 32 reaching the silicide layer 24b on the source / drain diffusion layer 22 is formed by photolithography and etching.

図1Dを参照する。コンタクトホール32の内面を覆って層間絶縁膜30上に、例えばスパッタリングにより、Ti膜を形成する。このTi膜上に、例えばスパッタリングにより、TiN膜を形成する。こうして、Ti膜とTiN膜とにより密着膜34が形成される。   Reference is made to FIG. 1D. A Ti film is formed on the interlayer insulating film 30 so as to cover the inner surface of the contact hole 32 by, for example, sputtering. A TiN film is formed on the Ti film by sputtering, for example. Thus, the adhesion film 34 is formed by the Ti film and the TiN film.

密着膜34上に、例えばCVDにより、導電膜36を形成する。導電膜36として、例えばタングステン膜を形成する。次に、例えばCMPにより、層間絶縁膜30の表面が露出するまで導電膜36及び密着膜34を研磨する。こうして、コンタクトホール32内に、例えばタングステンの導体プラグ36が埋め込まれる。   A conductive film 36 is formed on the adhesion film 34 by, for example, CVD. As the conductive film 36, for example, a tungsten film is formed. Next, the conductive film 36 and the adhesion film 34 are polished by CMP, for example, until the surface of the interlayer insulating film 30 is exposed. Thus, for example, a tungsten conductor plug 36 is buried in the contact hole 32.

図1Eを参照する。導体プラグ36を覆って層間絶縁膜30上に、例えばプラズマCVDにより、シリコン窒化酸化膜38を形成する。シリコン窒化酸化膜38上に、例えば、テトラエトキシシラン(TEOS)を原料としたプラズマCVD(プラズマTEOSCVD)により、シリコン酸化膜40を形成する。   Reference is made to FIG. 1E. A silicon oxynitride film 38 is formed on the interlayer insulating film 30 so as to cover the conductor plug 36 by, for example, plasma CVD. A silicon oxide film 40 is formed on the silicon nitride oxide film 38 by, for example, plasma CVD (plasma TEOSCVD) using tetraethoxysilane (TEOS) as a raw material.

シリコン窒化酸化膜38とシリコン酸化膜40とにより層間絶縁膜42が形成される。層間絶縁膜42は、層間絶縁膜30に導体プラグ36を埋め込んだ後に、導体プラグ36の上面が酸化されるのを防止するためのものである。なお、ここでは、層間絶縁膜42として、シリコン窒化酸化膜38とシリコン酸化膜40との積層膜を形成する場合を例に説明したが、かかる層間絶縁膜42はシリコン窒化酸化膜38とシリコン酸化膜40との積層膜に限定されるものではない。例えば、酸化防止膜42として、シリコン窒化膜や酸化アルミニウム膜を形成してもよい。次に、例えば窒素雰囲気中にて、熱処理を行う。かかる熱処理は、層間絶縁膜42中に含まれているガスを層間絶縁膜42中から放出するためのものである(脱ガス)。   The silicon nitride oxide film 38 and the silicon oxide film 40 form an interlayer insulating film 42. The interlayer insulating film 42 is for preventing the upper surface of the conductor plug 36 from being oxidized after the conductor plug 36 is embedded in the interlayer insulating film 30. Here, the case where a laminated film of the silicon oxynitride film 38 and the silicon oxide film 40 is formed as the interlayer insulating film 42 has been described as an example, but the interlayer insulating film 42 is formed of the silicon oxynitride film 38 and the silicon oxide film. It is not limited to a laminated film with the film 40. For example, a silicon nitride film or an aluminum oxide film may be formed as the antioxidant film 42. Next, heat treatment is performed, for example, in a nitrogen atmosphere. This heat treatment is for releasing the gas contained in the interlayer insulating film 42 from the interlayer insulating film 42 (degassing).

次に、層間絶縁膜42上に、例えばスパッタリングにより密着膜43を形成する。密着膜43は、後述するキャパシタ下部電極48の下地に対する密着性を確保するためのものである。密着膜43としては、例えば酸化アルミニウム膜を形成する。   Next, an adhesion film 43 is formed on the interlayer insulating film 42 by, for example, sputtering. The adhesion film 43 is for ensuring adhesion of the capacitor lower electrode 48 described later to the base. As the adhesion film 43, for example, an aluminum oxide film is formed.

図1Fを参照する。密着層43上に、例えばスパッタリングにより、貴金属膜(導電膜)44を形成する。導電膜44は、キャパシタ下部電極48の一部となるものである(図1Nも参照)。導電膜44としては、例えばプラチナ膜を形成する。次に、導電膜44の結晶性をより向上させるために、ラピッド・サーマル・アニール(RTA)により、不活性ガス雰囲気中(例えば、Arガスの雰囲気中)にて熱処理を行う。   Reference is made to FIG. 1F. A noble metal film (conductive film) 44 is formed on the adhesion layer 43 by sputtering, for example. The conductive film 44 becomes a part of the capacitor lower electrode 48 (see also FIG. 1N). As the conductive film 44, for example, a platinum film is formed. Next, in order to further improve the crystallinity of the conductive film 44, heat treatment is performed in an inert gas atmosphere (for example, in an Ar gas atmosphere) by rapid thermal annealing (RTA).

導電膜44上に、例えば、スパッタリングにより、非晶質(アモルファス)の貴金属酸化物膜45を形成する。貴金属酸化物膜45に含まれる貴金属と導電膜44に含まれる貴金属とは、同じ元素とすることが好ましい。貴金属酸化物膜45は、後工程において還元され、例えば貴金属膜46となるものである。貴金属酸化物膜45が還元されることにより形成される貴金属膜46は、キャパシタ下部電極48の一部となる。非晶質の貴金属酸化物膜45としては、例えば酸化プラチナ膜(PtO膜)を形成する。 An amorphous noble metal oxide film 45 is formed on the conductive film 44 by sputtering, for example. The noble metal contained in the noble metal oxide film 45 and the noble metal contained in the conductive film 44 are preferably the same element. The noble metal oxide film 45 is reduced in a later step to become, for example, a noble metal film 46. The noble metal film 46 formed by reducing the noble metal oxide film 45 becomes a part of the capacitor lower electrode 48. As the amorphous noble metal oxide film 45, for example, a platinum oxide film (PtO x film) is formed.

図1Gを参照する。貴金属酸化物膜45上に、強誘電体膜50を形成する。強誘電体膜50は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で形成される。なお、必要に応じて、Ca、Sr、Laのいずれか1つ以上の元素を添加したPZTを用いることもできる。   Reference is made to FIG. 1G. A ferroelectric film 50 is formed on the noble metal oxide film 45. The ferroelectric film 50 is made of, for example, lead zirconate titanate (PZT). If necessary, PZT to which one or more elements of Ca, Sr, and La are added can also be used.

本実施例では、強誘電体膜50をPZTで形成する。必要に応じて、La等の添加されたPZTを用いることができる。強誘電体膜50の成膜方法として、例えばスパッタリングを用いる。より具体的には、例えば、PZTのターゲットを用いた高周波スパッタリングにより、強誘電体膜50を形成する。強誘電体膜50の膜厚は、例えば70nmである。   In this embodiment, the ferroelectric film 50 is formed of PZT. If necessary, PZT added with La or the like can be used. As a method for forming the ferroelectric film 50, for example, sputtering is used. More specifically, for example, the ferroelectric film 50 is formed by high-frequency sputtering using a PZT target. The film thickness of the ferroelectric film 50 is, for example, 70 nm.

強誘電体膜50の成膜温度は、例えば30℃以上、100℃以下とすることが好ましい。ここでは、強誘電体膜50の成膜温度を、例えば50℃とする。スパッタリングにより強誘電体膜50を成膜した段階においては、強誘電体膜50は結晶化しておらず、アモルファスとなっている。   The deposition temperature of the ferroelectric film 50 is preferably 30 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, for example. Here, the deposition temperature of the ferroelectric film 50 is set to 50 ° C., for example. At the stage where the ferroelectric film 50 is formed by sputtering, the ferroelectric film 50 is not crystallized and is amorphous.

強誘電体膜50の成膜温度を30℃より低く設定した場合には、ウェハ面内において膜厚が不均一となってしまう場合がある。また、強誘電体膜50の成膜温度を30℃より低く設定した場合には、(100)配向のばらつきが大きくなり、結晶性が不均一になってしまう場合がある。   If the deposition temperature of the ferroelectric film 50 is set lower than 30 ° C., the film thickness may be non-uniform in the wafer surface. Further, when the deposition temperature of the ferroelectric film 50 is set lower than 30 ° C., the (100) orientation variation becomes large, and the crystallinity may become non-uniform.

一方、強誘電体膜50の成膜温度を100℃より高く設定した場合には、強誘電体膜50において、(101)配向及び(100)配向が多くなり、(111)配向が少なくなるため、良好な電気的特性のキャパシタを得ることが困難となる場合がある。   On the other hand, when the deposition temperature of the ferroelectric film 50 is set higher than 100 ° C., the (101) orientation and (100) orientation increase and the (111) orientation decreases in the ferroelectric film 50. In some cases, it may be difficult to obtain a capacitor having good electrical characteristics.

次に、例えばRTAにより、酸素を含む雰囲気中にて、強誘電体膜50を結晶化する。より具体的には、不活性ガスと酸素ガスとを含む混合ガスの雰囲気中にて、強誘電体膜50を熱処理する。不活性ガスとしては、例えばアルゴンガスを用いる。   Next, the ferroelectric film 50 is crystallized in an atmosphere containing oxygen by, for example, RTA. More specifically, the ferroelectric film 50 is heat-treated in a mixed gas atmosphere containing an inert gas and an oxygen gas. For example, argon gas is used as the inert gas.

熱処理条件は以下の通りとする。熱処理温度を、例えば600℃とする。熱処理時間は、例えば90秒とする。ウェハ面内における強誘電体膜50の結晶性を均一化すべく、熱処理を行う際におけるアルゴンガスの流量は、1500sccm以上とすることが好ましい。   The heat treatment conditions are as follows. The heat treatment temperature is set to 600 ° C., for example. The heat treatment time is 90 seconds, for example. In order to make the crystallinity of the ferroelectric film 50 in the wafer surface uniform, it is preferable that the flow rate of the argon gas during the heat treatment is 1500 sccm or more.

図1Hを参照する。非晶質の貴金属酸化物膜45上に強誘電体膜50を形成し、かかる強誘電体膜50を熱処理により結晶化するため、貴金属膜44の結晶性が十分に均一でない場合であっても、均一な結晶性を有する強誘電体膜50が得られる。また、この熱処理により非晶質の貴金属酸化物膜45が還元され、貴金属膜46となる。   Refer to FIG. 1H. Even when the ferroelectric film 50 is formed on the amorphous noble metal oxide film 45 and the ferroelectric film 50 is crystallized by heat treatment, the crystallinity of the noble metal film 44 is not sufficiently uniform. A ferroelectric film 50 having uniform crystallinity is obtained. In addition, the amorphous noble metal oxide film 45 is reduced by this heat treatment to become a noble metal film 46.

また、この熱処理の際には、貴金属酸化物膜45中から酸素が放出される。貴金属酸化物膜45から放出された酸素は、強誘電体膜50における酸素欠損を補償する。このため、結晶性の良好な強誘電体膜50が得られる。貴金属酸化物膜45を形成する段階で酸化プラチナ膜を形成した場合には、プラチナ膜である貴金属膜(導電膜)46が形成される。   Further, oxygen is released from the noble metal oxide film 45 during this heat treatment. The oxygen released from the noble metal oxide film 45 compensates for oxygen vacancies in the ferroelectric film 50. Therefore, the ferroelectric film 50 with good crystallinity can be obtained. When the platinum oxide film is formed at the stage of forming the noble metal oxide film 45, a noble metal film (conductive film) 46 which is a platinum film is formed.

アモルファスのPZT膜50を結晶化させる熱処理に伴い、プラチナ膜46とPZT膜50との界面の平坦化が図られる。プラチナ膜46は、立方晶構造で(111)配向している。プラチナ膜46上のPZT膜50は、ペロブスカイト構造で(111)配向している。   With the heat treatment for crystallizing the amorphous PZT film 50, the interface between the platinum film 46 and the PZT film 50 is flattened. The platinum film 46 has a cubic structure and (111) orientation. The PZT film 50 on the platinum film 46 has a perovskite structure and (111) orientation.

なお、ここでは、導電膜44として、プラチナ膜を形成する場合を例に説明したが、導電膜44はプラチナ膜に限定されるものではない。導電膜44として、イリジウム膜、ルテニウム膜、酸化ルテニウム(RuO)膜、SrRuO膜等を形成してもよい。また、これらの積層膜により導電膜44を形成してもよい。 Here, the case where a platinum film is formed as the conductive film 44 has been described as an example, but the conductive film 44 is not limited to the platinum film. As the conductive film 44, an iridium film, a ruthenium film, a ruthenium oxide (RuO 2 ) film, a SrRuO 3 film, or the like may be formed. Alternatively, the conductive film 44 may be formed using these stacked films.

なお、非晶質の貴金属酸化物膜45として、例えば酸化イリジウム膜を形成してもよい。この場合、酸化イリジウムの貴金属酸化物膜45は、後工程において還元され、イリジウム膜となる。   As the amorphous noble metal oxide film 45, for example, an iridium oxide film may be formed. In this case, the iridium oxide noble metal oxide film 45 is reduced in a later step to become an iridium film.

また、金属酸化物膜45として、SrRuO膜やLaSrCoO膜等を形成してもよい。金属酸化物膜45として、SrRuO膜やLaSrCoO膜を形成した場合には、SrRuOやLaSrCoOの金属酸化物膜45は後工程における熱処理において還元されない。 Further, as the metal oxide film 45, a SrRuO 3 film, a LaSrCoO 3 film, or the like may be formed. When a SrRuO 3 film or a LaSrCoO 3 film is formed as the metal oxide film 45, the metal oxide film 45 of SrRuO 3 or LaSrCoO 3 is not reduced in the heat treatment in the subsequent process.

非晶質の貴金属酸化物膜45として酸化プラチナ膜を形成する場合を例に説明したが、非晶質の貴金属酸化物膜45は酸化プラチナ膜に限定されるものではない。例えば、非晶質の貴金属酸化物膜45として、非晶質の酸化イリジウム(IrO)膜、非晶質の酸化ルテニウム(RuO)膜、非晶質の酸化パラジウム(PdO)膜、非晶質のSrRuO膜、非晶質のLaSrCoO膜等を形成してもよい。 Although the case where a platinum oxide film is formed as the amorphous noble metal oxide film 45 has been described as an example, the amorphous noble metal oxide film 45 is not limited to the platinum oxide film. For example, as the amorphous noble metal oxide film 45, an amorphous iridium oxide (IrO x ) film, an amorphous ruthenium oxide (RuO x ) film, an amorphous palladium oxide (PdO x ) film, A crystalline SrRuO 3 film, an amorphous LaSrCoO 3 film, or the like may be formed.

また、ここでは、スパッタリングにより貴金属酸化物膜45を形成する場合を例に説明したが、貴金属酸化物膜45の成膜方法は、スパッタリングに限定されるものではない。例えば、貴金属膜44を形成した後、熱処理を行い、この後、大気中に例えば6時間以上放置することにより、貴金属膜44の表面を自然酸化させ、これにより貴金属膜44の表面に貴金属酸化物膜45を形成してもよい。   Although the case where the noble metal oxide film 45 is formed by sputtering has been described as an example here, the method for forming the noble metal oxide film 45 is not limited to sputtering. For example, after the noble metal film 44 is formed, heat treatment is performed, and thereafter, the surface of the noble metal film 44 is naturally oxidized by being left in the atmosphere for, for example, 6 hours or more. The film 45 may be formed.

なお、強誘電体膜50をスパッタリングにより形成する場合を例に説明したが、強誘電体膜50の成膜方法はスパッタリングに限定されるものではない。例えば、MOCVD、ゾル・ゲル法、有機金属分解(Metal‐Organic Decomposition:MOD)、化学溶液堆積(Chemical Solution Deposition:CSD)、CVD、エピタキシャル成長により、強誘電体膜50を形成してもよい。   Although the case where the ferroelectric film 50 is formed by sputtering has been described as an example, the method for forming the ferroelectric film 50 is not limited to sputtering. For example, the ferroelectric film 50 may be formed by MOCVD, a sol-gel method, metal-organic decomposition (MOD), chemical solution deposition (CSD), CVD, or epitaxial growth.

なお、強誘電体膜50をMOCVDにより成膜した場合には、強誘電体膜50を成膜した段階で強誘電体膜50が結晶化されているため、強誘電体膜50を結晶化するための熱処理は不要である。   When the ferroelectric film 50 is formed by MOCVD, since the ferroelectric film 50 is crystallized at the stage of forming the ferroelectric film 50, the ferroelectric film 50 is crystallized. No heat treatment is required.

しかし、強誘電体膜50をMOCVDにより成膜した場合には、強誘電体膜50の表面に炭素や有機物が存在する場合がある。従って、このような炭素や有機物等を強誘電体膜50の表面から十分に除去ための熱処理を行うことが好ましい。熱処理温度は、スパッタリング法により強誘電体膜50を形成した場合の熱処理温度と同様に、例えば、550℃〜650℃とする。熱処理を行う際の雰囲気は、スパッタリングにより強誘電体膜50を形成した場合の熱処理の雰囲気と同様に、酸素を含む雰囲気とする。より具体的には、酸素とアルゴンガスとの混合ガスの雰囲気とする。   However, when the ferroelectric film 50 is formed by MOCVD, carbon or organic matter may be present on the surface of the ferroelectric film 50. Therefore, it is preferable to perform a heat treatment for sufficiently removing such carbon and organic substances from the surface of the ferroelectric film 50. The heat treatment temperature is set to, for example, 550 ° C. to 650 ° C., similarly to the heat treatment temperature when the ferroelectric film 50 is formed by the sputtering method. The atmosphere for the heat treatment is an oxygen-containing atmosphere as in the heat treatment atmosphere when the ferroelectric film 50 is formed by sputtering. More specifically, the atmosphere is a mixed gas of oxygen and argon gas.

図1Iを参照する。強誘電体膜50上に、例えば、スパッタリング、より具体的には高周波スパッタリングにより、強誘電体膜52を形成して、強誘電体膜50及び52の積層構造のキャパシタ誘電体膜54を形成する。   Reference is made to FIG. A ferroelectric film 52 is formed on the ferroelectric film 50 by sputtering, more specifically, high-frequency sputtering, for example, and a capacitor dielectric film 54 having a laminated structure of the ferroelectric films 50 and 52 is formed. .

強誘電体膜52は、例えば強誘電体膜50と同一の材料、例えばPZTで形成される。必要に応じて、La等の添加されたPZTを用いることができる。なお、強誘電体膜52の組成は、強誘電体膜50と同一のものに限定されず、強誘電体膜50の結晶性を引き継いで結晶化できるようなものであればよい。例えば、PZTを用いた強誘電体膜50に対して、Ca、Sr、Laの添加量を変えたPZTにより強誘電体膜52を形成することができる。   The ferroelectric film 52 is formed of the same material as the ferroelectric film 50, for example, PZT. If necessary, PZT added with La or the like can be used. The composition of the ferroelectric film 52 is not limited to the same as that of the ferroelectric film 50, but may be any film that can be crystallized by taking over the crystallinity of the ferroelectric film 50. For example, the ferroelectric film 52 can be formed by PZT in which the addition amount of Ca, Sr, and La is changed with respect to the ferroelectric film 50 using PZT.

キャパシタの電気的特性を良好にし、低電圧動作を容易にする観点から、キャパシタ誘電体膜54において、強誘電体膜50の膜厚は、例えば30nm〜150nm程度、より好ましくは、例えば50nm〜120nm程度とし、また、強誘電体膜52の膜厚は、例えば5nm〜20nm程度とする。   From the viewpoint of improving the electrical characteristics of the capacitor and facilitating low-voltage operation, the thickness of the ferroelectric film 50 in the capacitor dielectric film 54 is, for example, about 30 nm to 150 nm, and more preferably, for example, 50 nm to 120 nm. The film thickness of the ferroelectric film 52 is, for example, about 5 nm to 20 nm.

強誘電体膜52の形成方法としてスパッタリングを例示しているが、強誘電体膜52の形成方法はスパッタリングに限定されない。例えば、MOCVD、ゾル・ゲル法、有機金属分解(MOD)、化学溶液堆積(CSD)、CVD、エピタキシャル成長等を用いることもできる。   Sputtering is exemplified as a method for forming the ferroelectric film 52, but the method for forming the ferroelectric film 52 is not limited to sputtering. For example, MOCVD, sol-gel method, organometallic decomposition (MOD), chemical solution deposition (CSD), CVD, epitaxial growth, etc. can be used.

図1Jを参照する。強誘電体膜52上に、導電膜56、57、及び58の積層構造を有するキャパシタ上部電極60が形成される(図1Kも参照)。まず、強誘電体膜52上に、例えば酸化イリジウム(IrO)により、上部電極第1層となる導電膜56を形成する。 Reference is made to FIG. 1J. A capacitor upper electrode 60 having a stacked structure of conductive films 56, 57, and 58 is formed on the ferroelectric film 52 (see also FIG. 1K). First, on the ferroelectric film 52, a conductive film 56 serving as the upper electrode first layer is formed of, for example, iridium oxide (IrO x ).

導電膜56の膜厚は、後工程の熱処理において、導電膜56を介して強誘電体膜52に酸素が十分に供給されるように、比較的薄く設定することが好ましい。具体的には、導電膜56の膜厚を、10nm〜70nm程度とすることが好ましい。より好ましくは、導電膜56の膜厚を、20nm〜50nm程度とする。ここでは、導電膜56の膜厚を例えば25nm程度とする。   The film thickness of the conductive film 56 is preferably set to be relatively thin so that oxygen is sufficiently supplied to the ferroelectric film 52 through the conductive film 56 in a heat treatment in a later step. Specifically, the thickness of the conductive film 56 is preferably about 10 nm to 70 nm. More preferably, the film thickness of the conductive film 56 is about 20 nm to 50 nm. Here, the film thickness of the conductive film 56 is, for example, about 25 nm.

導電膜56は、例えば、イリジウムのターゲットを用いた反応性スパッタリングで、イリジウムを酸化して形成される。例えば以下のような成膜条件で、導電膜56が形成される。基板温度は、例えば150℃〜350℃、より好ましくは200℃〜350℃とする。ここでは、基板温度を300℃とする。   The conductive film 56 is formed, for example, by oxidizing iridium by reactive sputtering using an iridium target. For example, the conductive film 56 is formed under the following film formation conditions. The substrate temperature is, for example, 150 ° C. to 350 ° C., more preferably 200 ° C. to 350 ° C. Here, the substrate temperature is set to 300 ° C.

成膜室内に導入するガスは、例えばアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスとする。アルゴンガスの流量は、例えば140sccm程度とする。酸素ガスの流量は、60sccm程度とする。Ar流量に対してO流量の割合が小さいことが好ましい。 The gas introduced into the film formation chamber is, for example, a mixed gas of argon gas and oxygen gas. The flow rate of argon gas is about 140 sccm, for example. The flow rate of oxygen gas is about 60 sccm. The ratio of the O 2 flow rate to the Ar flow rate is preferably small.

導電膜56の成膜温度は、150℃以上350℃以下が好ましい。150℃〜350℃の比較的高温で導電膜56を形成することにより、結晶粒子の均一性が高く、成膜した時点で結晶化されている導電膜56を形成することができる。   The deposition temperature of the conductive film 56 is preferably 150 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. By forming the conductive film 56 at a relatively high temperature of 150 ° C. to 350 ° C., the uniformity of crystal grains is high, and the conductive film 56 that is crystallized at the time of film formation can be formed.

150℃より低温で成膜すると、アモルファスまたはアモルファスと結晶とが混在している導電膜56となりやすい。その後の熱処理により導電膜56が再結晶化することにより、結晶粒子が不均一となり、キャパシタ誘電体膜54との相互拡散が生じやすく、キャパシタ誘電体膜54と導電膜56との界面に常誘電体層が生じやすい。一方、350℃より高温で成膜すると、導電膜56の異常成長が生じやすくなり、キャパシタ誘電体膜54と導電膜56との界面において欠陥が生じ、良好な電気的特性のキャパシタを得るのが困難となる。   When the film is formed at a temperature lower than 150 ° C., the conductive film 56 is likely to be amorphous or a mixture of amorphous and crystal. When the conductive film 56 is recrystallized by the subsequent heat treatment, the crystal grains become non-uniform, and the interdiffusion with the capacitor dielectric film 54 is likely to occur, and the paraelectric is generated at the interface between the capacitor dielectric film 54 and the conductive film 56. Body layer is likely to occur. On the other hand, when the film is formed at a temperature higher than 350 ° C., abnormal growth of the conductive film 56 is likely to occur, and a defect is generated at the interface between the capacitor dielectric film 54 and the conductive film 56 to obtain a capacitor having good electrical characteristics. It becomes difficult.

導電膜(IrO膜)56における酸素組成比xは、例えば1.3<x<1.98と、比較的小さくすることが好ましい(化学量論的組成はx=2)。酸素組成xを小さくすることにより、導電膜56とキャパシタ誘電体膜54との界面を平坦化しやすくなる。 The oxygen composition ratio x in the conductive film (IrO x film) 56 is preferably relatively small, for example, 1.3 <x <1.98 (the stoichiometric composition is x = 2). By reducing the oxygen composition x, the interface between the conductive film 56 and the capacitor dielectric film 54 can be easily flattened.

次に、例えばRTAにより、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う。熱処理条件は、例えば以下の通りとする。基板温度を、例えば725℃程度とする。熱処理時間は、例えば120秒とする。チャンバ内の雰囲気は、例えば不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスの雰囲気とする。不活性ガスとしては、例えばアルゴンガスを用いる。   Next, heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen by, for example, RTA. The heat treatment conditions are as follows, for example. The substrate temperature is about 725 ° C., for example. The heat treatment time is set to 120 seconds, for example. The atmosphere in the chamber is, for example, an atmosphere of a mixed gas of inert gas and oxygen gas. For example, argon gas is used as the inert gas.

この熱処理により、成膜時にアモルファス状態であった強誘電体膜52が、強誘電体膜50の結晶性を引き継いで結晶化される。それと同時に、キャパシタ誘電体膜54と導電膜56との界面が平坦化される。また、キャパシタ誘電体膜54と導電膜56との密着性が向上する。成膜時点で結晶化された導電膜56が形成されていることにより、キャパシタ誘電体膜54と導電膜56との相互拡散を抑制して、界面の常誘電体層を薄くすることができる。   By this heat treatment, the ferroelectric film 52 that was in an amorphous state at the time of film formation is crystallized taking over the crystallinity of the ferroelectric film 50. At the same time, the interface between the capacitor dielectric film 54 and the conductive film 56 is planarized. In addition, the adhesion between the capacitor dielectric film 54 and the conductive film 56 is improved. By forming the conductive film 56 crystallized at the time of film formation, mutual diffusion between the capacitor dielectric film 54 and the conductive film 56 can be suppressed, and the paraelectric layer at the interface can be made thin.

なお、熱処理温度が低すぎる場合には、キャパシタ誘電体膜54と導電膜56との界面の状態及び拡散状態がウェハ面内において不均一となり、キャパシタ62のリーク電流のばらつきが大きくなり、キャパシタ62の反転電荷量のばらつきも大きくなる。このため、熱処理を行う際における基板温度は、例えば700℃〜750℃程度とすることが好ましい。   If the heat treatment temperature is too low, the state of the interface between the capacitor dielectric film 54 and the conductive film 56 and the diffusion state are not uniform in the wafer surface, and the variation in the leakage current of the capacitor 62 becomes large. The variation in the amount of inversion of the charge increases. For this reason, it is preferable that the substrate temperature at the time of heat processing shall be about 700 to 750 degreeC, for example.

次に、上部電極第1層である導電膜56上に、上部電極第2層として、ABO型酸化物(AとBは金属元素、Oは酸素元素、x>0)膜57を形成する。 Next, an ABO x- type oxide (A and B are metal elements, O is an oxygen element, and x> 0) film 57 is formed as a second upper electrode layer on the conductive film 56 that is the first upper electrode layer. .

ABO型酸化物膜57として、ペロブスカイト構造あるいはビスマス層状構造のABO型酸化物強誘電体膜を形成することができる。例えば、ペロブスカイト構造の、Pb(Zr,Ti)O、PbTiO、Pb1−xLaTiO、Pb1−xLa(Zr,Ti)Oや、ビスマス層状構造の、(Bi1−x)Ti12(Rは希土類元素、0<x<1)、SrBiTa(SBT)、SrBiTi15、等を用いることができる。このような強誘電体のABO型酸化物膜57は、成膜時は絶縁性であるが、後の工程でIr等を添加することにより、導電性に変えることができる。 As the ABO x- type oxide film 57, an ABO x- type oxide ferroelectric film having a perovskite structure or a bismuth layer structure can be formed. For example, Pb (Zr, Ti) O 3 , PbTiO 3 , Pb 1-x La x TiO 3 , Pb 1-x La x (Zr, Ti) O 3 having a perovskite structure, or (Bi 1 ) having a bismuth layer structure. -x R x) Ti 3 O 12 (R is a rare earth element, 0 <x <1), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), SrBi 4 Ti 4 O 15, or the like can be used. Such a ferroelectric ABO x- type oxide film 57 is insulative at the time of film formation, but can be changed to conductivity by adding Ir or the like in a later step.

本実施例では、ABO型酸化物膜57として、例えば、PZT膜をスパッタリングで形成する。より具体的には、例えば、PZTのターゲットを用いた高周波スパッタリングにより、ABO型酸化物膜57を、アモルファス状態で形成する。ABO型酸化物膜57の膜厚は、例えば0.5nm〜30nm程度(例えば10nm)が望ましい。ABO型酸化物膜57は、セラミックス酸化物ABO(AとBは金属元素、Oは酸素元素、x>0)のターゲットを用いた高周波スパッタリングにより形成することが好ましい。ABO型酸化物膜57の成膜条件は、例えば以下の通りとする。基板温度20℃〜100℃(より好ましくは50℃〜60℃)、アルゴンガス雰囲気中でRFマグネトロンスパッタを行う。 In this embodiment, as the ABO x- type oxide film 57, for example, a PZT film is formed by sputtering. More specifically, for example, the ABO x- type oxide film 57 is formed in an amorphous state by high-frequency sputtering using a PZT target. The film thickness of the ABO x- type oxide film 57 is desirably about 0.5 nm to 30 nm (for example, 10 nm), for example. The ABO x type oxide film 57 is preferably formed by high frequency sputtering using a target of ceramic oxide ABO x (A and B are metal elements, O is an oxygen element, x> 0). The deposition conditions for the ABO x- type oxide film 57 are, for example, as follows. RF magnetron sputtering is performed in an argon gas atmosphere at a substrate temperature of 20 ° C. to 100 ° C. (more preferably 50 ° C. to 60 ° C.).

次に、上部電極第2層であるABO型酸化物膜57上に、例えば酸化イリジウム(IrO)により、上部電極第3層となる導電膜58を形成する。導電膜58の膜厚は、上部電極60の、水素等に対するバリア性を向上させるために、比較的厚く(導電膜56に比べて厚く)設定することが好ましい。具体的には、導電膜58の膜厚を、例えば70nm〜200nm程度とすることが好ましい。ここでは、導電膜58の膜厚を、例えば150nm程度とする。 Next, a conductive film 58 to be a third layer of the upper electrode is formed on the ABO x- type oxide film 57 that is the second layer of the upper electrode by using, for example, iridium oxide (IrO y ). The film thickness of the conductive film 58 is preferably set to be relatively thick (thicker compared to the conductive film 56) in order to improve the barrier property of the upper electrode 60 against hydrogen or the like. Specifically, the film thickness of the conductive film 58 is preferably about 70 nm to 200 nm, for example. Here, the film thickness of the conductive film 58 is about 150 nm, for example.

導電膜58は、例えば、イリジウムのターゲットを用いた反応性スパッタリングで、イリジウムを酸化して形成される。例えば以下のような成膜条件で、導電膜58が形成される。基板温度は、例えば10℃〜100℃(より好ましくは50℃〜75℃)とする。ここでは、基板温度を60℃とする。10℃〜100℃の比較的低温で導電膜58を形成することにより、アモルファスまたは微結晶の導電膜58を形成することができる。   The conductive film 58 is formed by oxidizing iridium by reactive sputtering using an iridium target, for example. For example, the conductive film 58 is formed under the following film formation conditions. The substrate temperature is, for example, 10 ° C. to 100 ° C. (more preferably 50 ° C. to 75 ° C.). Here, the substrate temperature is set to 60 ° C. By forming the conductive film 58 at a relatively low temperature of 10 ° C. to 100 ° C., the amorphous or microcrystalline conductive film 58 can be formed.

導電膜(IrO膜)58における酸素組成比yは、導電膜(IrO膜)56における酸素組成比xより大きいことが好ましい。導電膜58における酸素の組成比yは、例えば1.8<y≦2とすることが好ましく、化学量論的組成である2とすることがより好ましい。酸素組成比yを大きくすることにより、導電膜58の水素バリア性が向上し、キャパシタ誘電体膜54の水素による還元を防止しやすい。 The oxygen composition ratio y in the conductive film (IrO y film) 58 is preferably larger than the oxygen composition ratio x in the conductive film (IrO x film) 56. The composition ratio y of oxygen in the conductive film 58 is preferably, for example, 1.8 <y ≦ 2, and more preferably 2 which is a stoichiometric composition. By increasing the oxygen composition ratio y, the hydrogen barrier property of the conductive film 58 is improved, and the capacitor dielectric film 54 is easily prevented from being reduced by hydrogen.

次に、熱処理を行う。熱処理条件は、例えば以下の通りとする。例えば700℃〜750℃程度とする。ここでは、基板温度を、例えば725℃程度とする。熱処理時間は、例えば120秒とする。チャンバ内の雰囲気は、例えば不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスの雰囲気とする。不活性ガスとしては、例えばアルゴンガスを用いる。   Next, heat treatment is performed. The heat treatment conditions are as follows, for example. For example, it is set to about 700 ° C. to 750 ° C. Here, the substrate temperature is set to about 725 ° C., for example. The heat treatment time is set to 120 seconds, for example. The atmosphere in the chamber is, for example, an atmosphere of a mixed gas of inert gas and oxygen gas. For example, argon gas is used as the inert gas.

導電膜(IrO膜)56は、既に結晶化されている。ABO型酸化物膜(PZT膜)57及び導電膜(IrO膜)58は、成膜時にアモルファスである。この熱処理により、ABO型酸化物膜(PZT膜)57が結晶化するとともに、導電膜(IrO膜)58も結晶化する。 The conductive film (IrO x film) 56 has already been crystallized. The ABO x- type oxide film (PZT film) 57 and the conductive film (IrO y film) 58 are amorphous when formed. By this heat treatment, the ABO x- type oxide film (PZT film) 57 is crystallized and the conductive film (IrO y film) 58 is also crystallized.

導電膜(IrO膜)56及び導電膜(IrO膜)58は、ルチル構造(正方晶の一つ)で、(101)配向または(200)配向である。導電膜(IrO膜)56と導電膜(IrO膜)58との間に配置されたABO型酸化物膜(PZT膜)57は、ペロブスカイト構造で、ランダム配向している。 The conductive film (IrO x film) 56 and the conductive film (IrO y film) 58 have a rutile structure (one of tetragonal crystals) and have a (101) orientation or a (200) orientation. An ABO x- type oxide film (PZT film) 57 disposed between the conductive film (IrO x film) 56 and the conductive film (IrO y film) 58 has a perovskite structure and is randomly oriented.

この熱処理でまた、導電膜(IrO膜)56及び導電膜(IrO膜)58から、ABO型酸化物膜(PZT膜)57に、Irが拡散されることにより、ABO型酸化物膜(PZT膜)57が導電性となる。Irの拡散量は、すでに結晶化された導電膜(IrO膜)56よりも、アモルファスまたは微結晶である導電膜(IrO膜)58からの方が多い。ある程度多くのIrが、ABO型酸化物膜(PZT膜)57のグレインバウンダリーに入り込んで拡散することにより、Irの添加された導電性のABO型酸化物膜(PZT膜)57が形成される。 In this heat treatment, Ir is diffused from the conductive film (IrO x film) 56 and the conductive film (IrO y film) 58 to the ABO x- type oxide film (PZT film) 57, thereby the ABO x- type oxide. The film (PZT film) 57 becomes conductive. The amount of diffusion of Ir is greater from the conductive film (IrO y film) 58 that is amorphous or microcrystalline than the conductive film (IrO x film) 56 that has already been crystallized. Somewhat many Ir is by diffusion enters the grain boundary of the ABO x type oxide film (PZT film) 57, the added conductive ABO x type oxide film of Ir (PZT film) 57 is formed Is done.

図10は、Ir添加PZT膜(PZTI膜)中のIr含量と、Ir添加PZT膜の抵抗率との関係を示すグラフである。PZTは、イリジウム含量が0.8mol%以下では、絶縁体である。イリジウム含量が1mol%以上になると、導電性酸化物になる。導電性酸化物の抵抗をより低くするために、イリジウム含量は2mol%以上とすることが望ましい。   FIG. 10 is a graph showing the relationship between the Ir content in the Ir-added PZT film (PZTI film) and the resistivity of the Ir-added PZT film. PZT is an insulator when the iridium content is 0.8 mol% or less. When the iridium content is 1 mol% or more, a conductive oxide is formed. In order to lower the resistance of the conductive oxide, the iridium content is desirably 2 mol% or more.

なお、変形例のABO型酸化物膜57として、ペロブスカイト構造のABO型酸化物導電膜を形成することもできる。例えば、CaRuO、SrRuO(SRO)、BaRuO、LaRu10、LaSrCoRuO、LaSrRuO、LaSrMnRuO、等を用いることができる。また例えば、上記ABO型酸化物強誘電体(ペロブスカイト構造の、Pb(Zr,Ti)O、PbTiO、Pb1−xLaTiO、Pb1−xLa(Zr,Ti)Oや、ビスマス層状構造の、(Bi1−x)Ti12(Rは希土類元素、0<x<1)、SrBiTa(SBT)、SrBiTi15、等)に、Ir、Ru等を添加し導電性としたABO型酸化物導電膜を形成することもできる。 Note that an ABO x- type oxide conductive film having a perovskite structure can be formed as the ABO x- type oxide film 57 of the modified example. For example, CaRuO 3 , SrRuO 3 (SRO), BaRuO 3 , La 4 Ru 2 O 10 , LaSrCoRuO 3 , LaSrRuO 3 , LaSrMnRuO 3 , and the like can be used. Also, for example, the ABO x- type oxide ferroelectric (perovskite structure Pb (Zr, Ti) O 3 , PbTiO 3 , Pb 1-x La x TiO 3 , Pb 1-x La x (Zr, Ti) O 3 and, in the bismuth layer structure, (Bi 1-x R x ) Ti 3 O 12 (R is a rare earth element, 0 <x <1), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), SrBi 4 Ti 4 O 15, Etc.), an ABO x- type oxide conductive film that is made conductive by adding Ir, Ru, or the like can also be formed.

例えば、SROセラミックターゲットを用いて、SRO膜57を成膜することができる。また例えば、イリジウムを添加したPZTターゲットを用いて、Ir添加PZT膜57を成膜することができる。   For example, the SRO film 57 can be formed using an SRO ceramic target. For example, the Ir-added PZT film 57 can be formed using a PZT target to which iridium is added.

なお、このような場合、ABO型酸化物膜57は既に導電性であるので、導電膜(IrO膜)58形成後の熱処理は、ABO型酸化物膜57を結晶化させる処理となる。 In such a case, since the ABO x- type oxide film 57 is already conductive, the heat treatment after the formation of the conductive film (IrO y film) 58 is a process for crystallizing the ABO x- type oxide film 57. .

なお、ABO型酸化物膜57は、後に導電性に変えられる絶縁膜である場合でも、成膜時から導電性である導電膜である場合でも、成膜時に結晶となるように高温で形成することもできる。なお、成膜時に結晶でABO型酸化物強誘電体膜57を形成する場合、すでに結晶化しているので、導電膜(IrO膜)58形成後の熱処理は、Ir拡散によりABO型酸化物膜57を導電性に変える処理となる。 Note that the ABO x- type oxide film 57 is formed at a high temperature so as to be crystalline at the time of film formation, whether it is an insulating film that can be changed to conductivity later or a conductive film that is conductive from the time of film formation. You can also Note that, when the ABO x- type oxide ferroelectric film 57 is formed by crystal at the time of film formation, since it has already been crystallized, the heat treatment after the formation of the conductive film (IrO y film) 58 is performed by the ABO x- type oxidation by Ir diffusion. This is a process of changing the material film 57 to conductivity.

以上説明したように、本実施例(変形例含む)では、導電膜(IrO膜)56と導電膜(IrO膜)58との間に、導電膜56、58と結晶構造及び配向の異なる導電膜(例えば、Ir添加PZT膜あるいはSRO膜)57が挟まれた構造を有するキャパシタ上部電極が形成される。 As described above, in this embodiment (including the modified example), the conductive films 56 and 58 are different in crystal structure and orientation between the conductive film (IrO x film) 56 and the conductive film (IrO y film) 58. A capacitor upper electrode having a structure in which a conductive film (for example, an Ir-added PZT film or SRO film) 57 is sandwiched is formed.

導電膜(例えば、Ir添加PZT膜あるいはSRO膜)57を介さずに導電膜(IrO膜)56と導電膜(IrO膜)58とが直接積層された構造を有する上部電極を比較例とする。実施例の上部電極は、比較例の上部電極に比べて、上方の層間絶縁膜から浸入する水や水素に対するバリア性が向上し、浸入パスが長くなる。これにより、キャパシタ誘電体膜の強誘電体が侵食されにくくなり、キャパシタの性能劣化が抑制される。 An upper electrode having a structure in which a conductive film (IrO x film) 56 and a conductive film (IrO y film) 58 are directly laminated without a conductive film (for example, an Ir-added PZT film or SRO film) 57 is compared with the comparative example. To do. Compared with the upper electrode of the comparative example, the upper electrode of the example has an improved barrier property against water and hydrogen entering from the upper interlayer insulating film, and the penetration path becomes longer. Thereby, the ferroelectric of the capacitor dielectric film is less likely to be eroded, and the performance degradation of the capacitor is suppressed.

なお、導電膜57は、ペロブスカイト構造の材料に限らず、ビスマス層状構造の材料を用いることもできる。   Note that the conductive film 57 is not limited to a material having a perovskite structure, and a material having a bismuth layer structure can also be used.

次に、半導体基板10の下面(裏面)を洗浄する(背面洗浄)。この背面洗浄は、一般のウェハ洗浄とは異なるものであり、ウェハの裏面に付着したキャパシタ誘電体膜材料を除去するためのものである。   Next, the lower surface (back surface) of the semiconductor substrate 10 is cleaned (back surface cleaning). This back surface cleaning is different from general wafer cleaning, and is for removing the capacitor dielectric film material adhering to the back surface of the wafer.

次に、導電膜58上に、保護膜92を形成する。保護膜92として、例えば、スパッタリングにより、厚さ30nmのTiN膜を形成する。保護膜92は、上部電極60をパターニングする際のハードマスクとして機能する。   Next, a protective film 92 is formed over the conductive film 58. As the protective film 92, a TiN film having a thickness of 30 nm is formed by sputtering, for example. The protective film 92 functions as a hard mask when the upper electrode 60 is patterned.

なお、保護膜92としてTiN膜を例示したが、その他、例えば、TaN膜、TiON膜、TiO膜、TaO膜、TaON膜、TiAlO膜、TaAlO膜、TiAlON膜、TaAlON膜、TiSiON膜、TaSiON膜、TiSiO膜、TaSiO膜、AlO膜、ZrO膜等を用いることもできる。 In addition, although the TiN film was illustrated as the protective film 92, for example, TaN film, TiON film, TiO x film, TaO x film, TaON film, TiAlO x film, TaAlO x film, TiAlON film, TaAlON film, TiSiON film A TaSiON film, a TiSiO x film, a TaSiO x film, an AlO x film, a ZrO x film, or the like can also be used.

図1Kを参照する。保護膜92上に、例えばスピンコートにより、フォトレジスト膜94を形成する。フォトリソグラフィにより、キャパシタ上部電極60の形状を有するレジストパターン94を形成する。レジストパターン94をマスクとして、保護膜92、導電膜58、導電膜57、及び導電膜56をエッチングする。これにより、導電膜56、57、及び58の積層構造のキャパシタ上部電極60がパターニングされる。この後、レジストパターン94を剥離する。この後、例えばドライエッチングにより保護膜92を除去する。   Reference is made to FIG. 1K. A photoresist film 94 is formed on the protective film 92 by, for example, spin coating. A resist pattern 94 having the shape of the capacitor upper electrode 60 is formed by photolithography. The protective film 92, the conductive film 58, the conductive film 57, and the conductive film 56 are etched using the resist pattern 94 as a mask. Thereby, the capacitor upper electrode 60 having a laminated structure of the conductive films 56, 57, and 58 is patterned. Thereafter, the resist pattern 94 is peeled off. Thereafter, the protective film 92 is removed by dry etching, for example.

次に、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う。この熱処理は、キャパシタ誘電体膜54に加わったダメージを回復するためのものである(回復アニール)。熱処理温度は、例えば600℃〜700℃とする。ここでは、熱処理温度は、600℃とする。熱処理時間は、例えば40分とする。この熱処理により、さらに、導電膜(IrO膜)58中のIrが導電性酸化膜57へ拡散されるので、導電性酸化膜57の抵抗率がより改善する。 Next, heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen. This heat treatment is for recovering damage applied to the capacitor dielectric film 54 (recovery annealing). The heat treatment temperature is, for example, 600 ° C to 700 ° C. Here, the heat treatment temperature is 600 ° C. The heat treatment time is 40 minutes, for example. By this heat treatment, Ir in the conductive film (IrO y film) 58 is further diffused into the conductive oxide film 57, so that the resistivity of the conductive oxide film 57 is further improved.

図1Lを参照する。全面に、例えばスピンコートにより、フォトレジスト膜96を形成する。フォトリソグラフィにより、キャパシタ誘電体膜54の形状を有するレジストパターン96を形成する。レジストパターン96をマスクとしたエッチングにより、キャパシタ誘電体膜54をパターニングする。この後、レジストパターン96を剥離する。次に、酸素雰囲気中にて熱処理を行う。熱処理条件は、例えば300℃〜650℃とする。熱処理時間は、例えば30分〜120分とする。   Reference is made to FIG. 1L. A photoresist film 96 is formed on the entire surface by, eg, spin coating. A resist pattern 96 having the shape of the capacitor dielectric film 54 is formed by photolithography. The capacitor dielectric film 54 is patterned by etching using the resist pattern 96 as a mask. Thereafter, the resist pattern 96 is peeled off. Next, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. The heat treatment conditions are, for example, 300 ° C. to 650 ° C. The heat treatment time is, for example, 30 minutes to 120 minutes.

図1Mを参照する。例えばスパッタリングまたはCVDにより、保護膜64を形成する。保護膜64としては、例えば酸化アルミニウム膜を形成する。次に、酸素雰囲気中にて熱処理を行う。熱処理条件は、例えば400℃〜600℃とする。熱処理時間は、例えば30分〜120分とする。   Reference is made to FIG. 1M. For example, the protective film 64 is formed by sputtering or CVD. As the protective film 64, for example, an aluminum oxide film is formed. Next, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. The heat treatment conditions are, for example, 400 ° C. to 600 ° C. The heat treatment time is, for example, 30 minutes to 120 minutes.

図1Nを参照する。全面に、例えばスピンコートにより、フォトレジスト膜98を形成する。フォトリソグラフィによりキャパシタ下部電極48の形状を有するレジストパターン98を形成する。レジストパターン98をマスクとし、保護膜64、導電膜46、導電膜44、及び密着膜43をエッチングして、導電膜44及び46の積層構造のキャパシタ下部電極48をパターニングする。   Reference is made to FIG. A photoresist film 98 is formed on the entire surface by, eg, spin coating. A resist pattern 98 having the shape of the capacitor lower electrode 48 is formed by photolithography. Using the resist pattern 98 as a mask, the protective film 64, the conductive film 46, the conductive film 44, and the adhesion film 43 are etched, and the capacitor lower electrode 48 having a laminated structure of the conductive films 44 and 46 is patterned.

このようにして、下部電極48とキャパシタ誘電体膜54と上部電極60とを有するキャパシタ62が形成される。保護膜64は、上部電極60及びキャパシタ誘電体膜54を覆うように残存する。この後、レジストパターン98を剥離する。次に、酸素雰囲気中にて熱処理を行う。熱処理温度は、例えば300〜400℃とする。熱処理時間は、例えば30〜120分間とする。   In this way, the capacitor 62 having the lower electrode 48, the capacitor dielectric film 54, and the upper electrode 60 is formed. The protective film 64 remains so as to cover the upper electrode 60 and the capacitor dielectric film 54. Thereafter, the resist pattern 98 is peeled off. Next, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. The heat treatment temperature is, for example, 300 to 400 ° C. The heat treatment time is, for example, 30 to 120 minutes.

図1Oを参照する。例えばスパッタリングまたはCVDにより、保護膜66を形成する。保護膜66として、例えば酸化アルミニウム膜を形成する。次に、酸素雰囲気中にて熱処理を行う。この熱処理は、キャパシタ誘電体膜54に酸素を供給し、キャパシタ62の電気的特性を向上するためのものである。熱処理条件は、例えば500℃〜700℃とする。熱処理時間は、例えば30分〜120分とする。   Refer to FIG. For example, the protective film 66 is formed by sputtering or CVD. As the protective film 66, for example, an aluminum oxide film is formed. Next, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. This heat treatment is for supplying oxygen to the capacitor dielectric film 54 and improving the electrical characteristics of the capacitor 62. The heat treatment conditions are, for example, 500 ° C. to 700 ° C. The heat treatment time is, for example, 30 minutes to 120 minutes.

図1Pを参照する。例えばプラズマTEOSCVDにより、層間絶縁膜68を形成する。層間絶縁膜68として、例えばシリコン酸化膜を形成する。次に、例えばCMPにより、層間絶縁膜68の表面を平坦化する。   Reference is made to FIG. 1P. For example, the interlayer insulating film 68 is formed by plasma TEOSCVD. For example, a silicon oxide film is formed as the interlayer insulating film 68. Next, the surface of the interlayer insulating film 68 is planarized by, for example, CMP.

図1Qを参照する。例えばスパッタリングまたはCVDにより、保護膜70を形成する。保護膜70として、例えば酸化アルミニウム膜を形成する。次に、例えばプラズマTEOSCVDにより、層間絶縁膜72を形成する。層間絶縁膜72として、例えばシリコン酸化膜を形成する。   Reference is made to FIG. 1Q. For example, the protective film 70 is formed by sputtering or CVD. As the protective film 70, for example, an aluminum oxide film is formed. Next, the interlayer insulating film 72 is formed by plasma TEOSCVD, for example. For example, a silicon oxide film is formed as the interlayer insulating film 72.

図1Rを参照する。フォトリソグラフィ及びエッチングにより、層間絶縁膜72、保護膜70、層間絶縁膜68、保護膜66、及び保護膜64に、下部電極48に達するコンタクトホール74aと、上部電極60に達するコンタクトホール76bとを形成する。   Reference is made to FIG. 1R. A contact hole 74a reaching the lower electrode 48 and a contact hole 76b reaching the upper electrode 60 are formed in the interlayer insulating film 72, the protective film 70, the interlayer insulating film 68, the protective film 66, and the protective film 64 by photolithography and etching. Form.

次に、酸素雰囲気中にて熱処理を行う。この熱処理は、キャパシタ誘電体膜54に酸素を供給し、キャパシタ62の電気的特性を向上させるためのものである。熱処理条件は、例えば400℃〜600℃とする。熱処理時間は、例えば30分〜120分とする。   Next, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. This heat treatment is for supplying oxygen to the capacitor dielectric film 54 and improving the electrical characteristics of the capacitor 62. The heat treatment conditions are, for example, 400 ° C. to 600 ° C. The heat treatment time is, for example, 30 minutes to 120 minutes.

なお、ここでは、酸素雰囲気中にて熱処理を行う場合を例に説明したが、オゾン雰囲気中にて熱処理を行ってもよい。オゾン雰囲気中にて熱処理を行った場合にも、キャパシタ誘電体膜54に酸素が供給され、キャパシタ62の電気的特性を向上させることができる。   Note that here, the case where heat treatment is performed in an oxygen atmosphere has been described as an example, but heat treatment may be performed in an ozone atmosphere. Even when heat treatment is performed in an ozone atmosphere, oxygen is supplied to the capacitor dielectric film 54, and the electrical characteristics of the capacitor 62 can be improved.

図1Sを参照する。フォトリソグラフィ及びエッチングにより、層間絶縁膜72、保護膜70、層間絶縁膜68、保護膜66、及び層間絶縁膜42に、導体プラグ36に達するコンタクトホール76を形成する。次に、不活性ガス雰囲気中または真空中にて熱処理を行う。この熱処理は、層間絶縁膜72、68、及び42中からガスを放出するためのものである(脱ガス)。次に、高周波エッチングにより、コンタクトホール74a、74b、及び76の内壁面に対して表面処理を行う。   Reference is made to FIG. Contact holes 76 reaching the conductor plugs 36 are formed in the interlayer insulating film 72, the protective film 70, the interlayer insulating film 68, the protective film 66, and the interlayer insulating film 42 by photolithography and etching. Next, heat treatment is performed in an inert gas atmosphere or in a vacuum. This heat treatment is for releasing gas from the interlayer insulating films 72, 68 and 42 (degassing). Next, surface treatment is performed on the inner wall surfaces of the contact holes 74a, 74b, and 76 by high frequency etching.

図1Tを参照する。全面に、例えばスパッタリングにより、密着膜78を形成する。密着膜78として、例えばTiN膜を形成する。次に、全面に、例えばCVDにより、導電膜を形成する。導電膜としては、例えばタングステン膜を形成する。   Reference is made to FIG. 1T. An adhesion film 78 is formed on the entire surface by, for example, sputtering. As the adhesion film 78, for example, a TiN film is formed. Next, a conductive film is formed on the entire surface by, eg, CVD. For example, a tungsten film is formed as the conductive film.

次に、例えばCMPにより、層間絶縁膜72の表面が露出するまで、導電膜及び密着膜78を研磨する。こうして、導電膜により導体プラグ80a〜80cが形成される。次に、プラズマ洗浄を行う。プラズマ洗浄を行う際に用いるガスは、例えばArガスとする。これにより、導体プラグ80a〜80cの表面に存在する自然酸化膜等が除去される。   Next, the conductive film and the adhesion film 78 are polished by CMP, for example, until the surface of the interlayer insulating film 72 is exposed. Thus, the conductor plugs 80a to 80c are formed by the conductive film. Next, plasma cleaning is performed. The gas used when performing the plasma cleaning is, for example, Ar gas. Thereby, the natural oxide film etc. which exist on the surface of conductor plugs 80a-80c are removed.

図1Uを参照する。例えばスパッタリングにより、例えばTiN膜82と、AlCu合金膜84と、Ti膜86と、TiN膜88とを順次積層することにより、積層膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、この積層膜をパターニングして、配線90を形成する。この後、必要に応じてさらに、上方に多層配線構造を形成する。このようにして、第1実施例による半導体装置が製造される。   Reference is made to FIG. 1U. For example, by sputtering, for example, a TiN film 82, an AlCu alloy film 84, a Ti film 86, and a TiN film 88 are sequentially stacked to form a stacked film. Next, the laminated film is patterned by photolithography and etching to form the wiring 90. Thereafter, if necessary, a multilayer wiring structure is further formed on the upper side. In this way, the semiconductor device according to the first embodiment is manufactured.

図2A及び図2Bに、第1実施例及びその変形例による強誘電体キャパシタ形成の主なプロセスのフローを示す。   2A and 2B show a flow of main processes for forming a ferroelectric capacitor according to the first embodiment and its modification.

図2Aは、上部電極第2層(ABO型酸化物膜57)として強誘電体膜を形成する場合(実施例)のプロセスフローである。下部電極膜(導電膜44、46)を形成し、非結晶(アモルファス)で第1強誘電体膜(強誘電体膜50)を形成する。熱処理により、第1強誘電体膜を結晶化する。結晶化した第1強誘電体膜の上に、非結晶で第2強誘電体膜(強誘電体膜52)を形成する。第2強誘電体膜上に、上部電極第1層(IrO膜56)を形成する。熱処理により、第2強誘電体膜を、第1強誘電体膜の結晶性を引き継ぐように結晶化させる。 FIG. 2A is a process flow in the case where a ferroelectric film is formed as the second upper electrode layer (ABO x- type oxide film 57) (Example). A lower electrode film (conductive films 44 and 46) is formed, and a first ferroelectric film (ferroelectric film 50) is formed in an amorphous state. The first ferroelectric film is crystallized by heat treatment. On the crystallized first ferroelectric film, an amorphous second ferroelectric film (ferroelectric film 52) is formed. An upper electrode first layer (IrO x film 56) is formed on the second ferroelectric film. By heat treatment, the second ferroelectric film is crystallized so as to inherit the crystallinity of the first ferroelectric film.

上部電極第1層上に、上部電極第2層として第3強誘電体膜(ABO型酸化物強誘電体膜57)を非晶質で形成する。上部電極第2層/第3強誘電体膜上に、上部電極第3層(IrO膜58)を形成する。熱処理により、上部電極第2層/第3強誘電体膜を結晶化させると同時に、上部電極第1層及び第3層から上部電極第2層/第3強誘電体膜にIrを拡散させて、上部電極第2層/第3強誘電体膜を導電膜に変換する。 A third ferroelectric film (ABO x- type oxide ferroelectric film 57) is formed as an upper electrode second layer in an amorphous state on the upper electrode first layer. An upper electrode third layer (IrO y film 58) is formed on the upper electrode second layer / third ferroelectric film. The upper electrode second layer / third ferroelectric film is crystallized by heat treatment, and at the same time, Ir is diffused from the upper electrode first layer and third layer into the upper electrode second layer / third ferroelectric film. The upper electrode second layer / third ferroelectric film is converted into a conductive film.

図2Bは、上部電極第2層(ABO型酸化物膜57)として導電膜を形成する場合(変形例)のプロセスフローである。第2強誘電体膜の結晶化までは図2Aの実施例と同様である。 FIG. 2B is a process flow in the case where a conductive film is formed as the upper electrode second layer (ABO x- type oxide film 57) (modified example). The process up to crystallization of the second ferroelectric film is the same as that of the embodiment of FIG. 2A.

上部電極第1層上に、上部電極第2層(ABO型酸化物導電膜57)を非晶質で形成する。上部電極第2層上に、上部電極第3層(IrO膜58)を形成する。熱処理により、上部電極第2層を結晶化させる。 On the upper electrode first layer, the upper electrode second layer (ABO x- type oxide conductive film 57) is formed in an amorphous state. An upper electrode third layer (IrO y film 58) is formed on the upper electrode second layer. The upper electrode second layer is crystallized by heat treatment.

なお、図2Aの実施例及び図2Bの変形例の場合とも、上部電極第2層の結晶化の熱処理で、上部電極第3層も結晶化させている。   In both the embodiment of FIG. 2A and the modification of FIG. 2B, the upper electrode third layer is also crystallized by the heat treatment for crystallization of the upper electrode second layer.

次に、第2実施例による半導体装置及びその製造方法について説明する。第1実施例ではプレーナ型構造のメモリセルを形成したのに対し、第2実施例ではスタック型構造のメモリセルを形成する。   Next, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the second embodiment will be described. In the first embodiment, a planar type memory cell is formed, whereas in the second embodiment, a stack type memory cell is formed.

図3は、第2実施例による半導体装置の概略断面図である。半導体基板10にトランジスタ26を形成し、トランジスタ26を覆う層間絶縁膜30及び絶縁膜28にコンタクトホール32を形成し、コンタクトホール32に導体プラグ36を形成する工程までは、第1実施例と同様である。説明の煩雑さを避けるため、第1実施例と対応する部材、構造等には同一の参照符号を付している。なお、各部材の膜厚等は、必要に応じて第1実施例から変更することができる。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment. The process up to forming the transistor 26 on the semiconductor substrate 10, forming the contact hole 32 in the interlayer insulating film 30 and the insulating film 28 covering the transistor 26, and forming the conductor plug 36 in the contact hole 32 is the same as in the first embodiment. It is. In order to avoid complication of explanation, the same reference numerals are assigned to members, structures and the like corresponding to the first embodiment. In addition, the film thickness etc. of each member can be changed from 1st Example as needed.

次に、導体プラグ36を覆って層間絶縁膜30上に、例えばプラズマCVDにより、シリコン窒化酸化膜100を形成する。なお、ここではシリコン窒化酸化膜100を形成したが、シリコン窒化酸化膜100の代わりに、シリコン窒化膜や酸化アルミニウム膜等を形成してもよい。次に、全面に、例えばプラズマTEOSCVDにより、シリコン酸化膜102を形成する。シリコン窒化酸化膜100とシリコン酸化膜102とにより層間絶縁膜104が形成される。   Next, a silicon oxynitride film 100 is formed on the interlayer insulating film 30 so as to cover the conductor plug 36 by, for example, plasma CVD. Note that although the silicon nitride oxide film 100 is formed here, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, or the like may be formed instead of the silicon nitride oxide film 100. Next, a silicon oxide film 102 is formed on the entire surface by, eg, plasma TEOSCVD. The silicon nitride oxide film 100 and the silicon oxide film 102 form an interlayer insulating film 104.

次に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、層間絶縁膜104に導体プラグ36に達するコンタクトホール106を形成する。次に、全面に、例えばスパッタリングにより、Ti膜を形成する。次に、全面に、例えばスパッタリングにより、TiN膜を形成する。こうして、Ti膜とTiN膜とにより密着膜108が形成される。次に、全面に、例えばCVDにより、導電膜110を形成する。導電膜110としては、例えばタングステン膜を形成する。次に、例えばCMPにより、層間絶縁膜104の表面が露出するまで導電膜110及び密着膜108を研磨する。   Next, a contact hole 106 reaching the conductor plug 36 is formed in the interlayer insulating film 104 by photolithography and etching. Next, a Ti film is formed on the entire surface by, eg, sputtering. Next, a TiN film is formed on the entire surface by, for example, sputtering. Thus, the adhesion film 108 is formed by the Ti film and the TiN film. Next, the conductive film 110 is formed on the entire surface by, eg, CVD. For example, a tungsten film is formed as the conductive film 110. Next, the conductive film 110 and the adhesion film 108 are polished by CMP, for example, until the surface of the interlayer insulating film 104 is exposed.

次に、例えばNHガスを用いて発生させたプラズマ雰囲気に層間絶縁膜104の表面を暴露することにより、層間絶縁膜104の表面を処理する(プラズマ処理)。次に、全面に、例えばスパッタリングにより、Ti膜を形成する。層間絶縁膜104の表面が上記のように処理されているため、層間絶縁膜104上に堆積されたTi原子は酸素原子により捕捉されることなく、層間絶縁膜104の表面を自在に移動することができる。このため、(002)の方向に自己配向された良質なTi膜が層間絶縁膜104上に形成される。 Next, the surface of the interlayer insulating film 104 is processed by exposing the surface of the interlayer insulating film 104 to a plasma atmosphere generated using, for example, NH 3 gas (plasma processing). Next, a Ti film is formed on the entire surface by, eg, sputtering. Since the surface of the interlayer insulating film 104 is treated as described above, Ti atoms deposited on the interlayer insulating film 104 can freely move on the surface of the interlayer insulating film 104 without being captured by oxygen atoms. Can do. Therefore, a high-quality Ti film that is self-oriented in the direction of (002) is formed on the interlayer insulating film 104.

次に、例えばRTAにより、窒素雰囲気中にて熱処理を行う。熱処理温度は、例えば650℃とする。熱処理時間は、例えば60秒とする。この熱処理により、上述したTi膜がTiN膜114となる。こうして、(111)配向のTiN膜である下地膜114が得られる。なお、ここでは、下地膜114としてTiN膜を用いる場合を例に説明したが、かかる下地膜114はTiN膜に限定されるものではない。例えば、タングステン膜、シリコン膜、銅膜等により下地膜114を形成してもよい。   Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere by, for example, RTA. The heat treatment temperature is set to 650 ° C., for example. The heat treatment time is, for example, 60 seconds. By this heat treatment, the Ti film described above becomes the TiN film 114. Thus, the base film 114 which is a (111) -oriented TiN film is obtained. Here, the case where a TiN film is used as the base film 114 has been described as an example, but the base film 114 is not limited to a TiN film. For example, the base film 114 may be formed of a tungsten film, a silicon film, a copper film, or the like.

次に、CMPにより、下地膜114の表面を研磨する。こうして、表面が平坦化された平坦化層114が形成される。本実施形態において、下地膜114の表面を平坦化するのは、平坦化された下地膜114上には、配向性の良好な下部電極48a、キャパシタ誘電体膜54a及び上部電極60aを形成することが可能なためである。   Next, the surface of the base film 114 is polished by CMP. Thus, a planarization layer 114 having a planarized surface is formed. In the present embodiment, the surface of the base film 114 is flattened by forming the lower electrode 48a, the capacitor dielectric film 54a, and the upper electrode 60a with good orientation on the flattened base film 114. This is because it is possible.

次に、例えばNHガスを用いて発生させたプラズマ雰囲気に下地膜(平坦化層)114の表面を暴露することにより、下地膜114の表面を処理する(プラズマ処理)。次に、全面に、例えばスパッタリングにより、Ti膜を形成する。プラズマ処理が行われた下地膜114上にTi膜を形成するため、良質なTi膜が形成される。 Next, the surface of the foundation film 114 is treated (plasma treatment) by exposing the surface of the foundation film (planarization layer) 114 to a plasma atmosphere generated using, for example, NH 3 gas. Next, a Ti film is formed on the entire surface by, eg, sputtering. Since a Ti film is formed on the base film 114 subjected to the plasma treatment, a high-quality Ti film is formed.

次に、例えばRTAにより、窒素雰囲気中にて熱処理を行う。熱処理温度は、例えば650℃とする。熱処理時間は、例えば60秒とする。この熱処理により、下地膜114上に形成されたTi膜がTiN膜となる。こうして、(111)配向のTiN膜により密着膜116が形成される。かかる密着膜116は、後工程で形成される酸素バリア膜118の結晶性を向上させるとともに、かかる酸素バリア膜118と下地膜114との密着性を向上させるためのものである。   Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere by, for example, RTA. The heat treatment temperature is set to 650 ° C., for example. The heat treatment time is, for example, 60 seconds. By this heat treatment, the Ti film formed on the base film 114 becomes a TiN film. Thus, the adhesion film 116 is formed of the (111) -oriented TiN film. The adhesion film 116 is for improving the crystallinity of the oxygen barrier film 118 formed in a later step and improving the adhesion between the oxygen barrier film 118 and the base film 114.

なお、ここでは、TiN膜より成る密着膜116を形成する場合を例に説明したが、かかる密着膜116はTiN膜に限定されるものではない。酸素バリア膜118の結晶性を向上させるとともに、かかる酸素バリア膜118と下地膜114との密着性を向上させ得る材料を、密着膜116の材料として適宜用いることができる。例えば、Ir膜、Pt膜等により密着膜116を形成してもよい。   Here, the case where the adhesion film 116 made of the TiN film is formed has been described as an example, but the adhesion film 116 is not limited to the TiN film. A material capable of improving the crystallinity of the oxygen barrier film 118 and improving the adhesion between the oxygen barrier film 118 and the base film 114 can be appropriately used as the material of the adhesion film 116. For example, the adhesion film 116 may be formed of an Ir film, a Pt film, or the like.

次に、全面に、例えば反応性スパッタリングにより、酸素バリア膜(酸素拡散防止膜)118を形成する。酸素バリア膜118の膜厚は、例えば100nm程度とする。酸素バリア膜118としては、例えばTiAlN膜を形成する。かかる酸素バリア膜118は、層間絶縁膜104に導体プラグ110を埋め込んだ後に、導体プラグ110の上面が酸化されるのを防止するためのものである。   Next, an oxygen barrier film (oxygen diffusion preventing film) 118 is formed on the entire surface by, for example, reactive sputtering. The film thickness of the oxygen barrier film 118 is, for example, about 100 nm. As the oxygen barrier film 118, for example, a TiAlN film is formed. The oxygen barrier film 118 is for preventing the upper surface of the conductor plug 110 from being oxidized after the conductor plug 110 is embedded in the interlayer insulating film 104.

なお、ここでは、酸素バリア膜118の材料としてTiAlNを用いる場合を例に説明したが、酸素バリア膜118の材料はTiAlNに限定されるものではない。酸素の拡散を防止し得る導電体を酸素バリア膜118の材料として適宜用いることができる。例えば、TiAlON、TaAlN又はTaAlON等を酸素バリア膜118の材料として用いてもよい。   Here, the case where TiAlN is used as the material of the oxygen barrier film 118 has been described as an example, but the material of the oxygen barrier film 118 is not limited to TiAlN. A conductor capable of preventing oxygen diffusion can be used as a material for the oxygen barrier film 118 as appropriate. For example, TiAlON, TaAlN, TaAlON, or the like may be used as the material of the oxygen barrier film 118.

次に、全面に、例えばスパッタリングにより、貴金属膜(導電膜)44aを形成する。導電膜44aとしては、例えばイリジウム膜を形成する。次に、例えばRTAにより、アルゴン雰囲気中にて熱処理を行う。熱処理温度は、例えば650℃とする。熱処理時間は、例えば60秒とする。この熱処理は、貴金属膜44a中の結晶粒を成長させるとともに、貴金属膜44a中の結晶粒のサイズを均一化するためのものである。   Next, a noble metal film (conductive film) 44a is formed on the entire surface by, for example, sputtering. As the conductive film 44a, for example, an iridium film is formed. Next, heat treatment is performed in an argon atmosphere by, for example, RTA. The heat treatment temperature is set to 650 ° C., for example. The heat treatment time is, for example, 60 seconds. This heat treatment is for growing crystal grains in the noble metal film 44a and making the size of the crystal grains in the noble metal film 44a uniform.

次に、全面に、例えばスパッタリングにより、アモルファスの貴金属酸化物膜を形成する。貴金属酸化物膜としては、例えば酸化イリジウム膜(IrO膜)を形成する。 Next, an amorphous noble metal oxide film is formed on the entire surface by, for example, sputtering. As the noble metal oxide film, for example, an iridium oxide film (IrO x film) is formed.

次に、全面に、例えばMOCVDにより、強誘電体膜50aを形成する。強誘電体膜50aとしては、例えばPZT膜を形成する。強誘電体膜50aの膜厚は、例えば70nmとする。   Next, a ferroelectric film 50a is formed on the entire surface by, eg, MOCVD. For example, a PZT film is formed as the ferroelectric film 50a. The film thickness of the ferroelectric film 50a is, for example, 70 nm.

MOCVDで形成する場合、成膜時に結晶化された強誘電体膜50aが形成される。強誘電体膜50aをMOCVDにより形成する際には、還元性の比較的強い雰囲気に非晶質の貴金属酸化物膜が曝されるため、非晶質の貴金属酸化物膜が還元され、貴金属膜46aとなる。貴金属酸化物膜から放出された酸素は、強誘電体膜50aにおける酸素欠損を補償する。貴金属酸化物膜を形成する段階で酸化イリジウム膜を形成した場合には、イリジウム膜である貴金属膜(導電膜)46aが形成される。なお、強誘電体膜50aの成膜方法は、MOCVDに限定されず、例えば第1実施例と同様に、スパッタリングを用いることもできる。   When formed by MOCVD, a ferroelectric film 50a crystallized at the time of film formation is formed. When the ferroelectric film 50a is formed by MOCVD, the amorphous noble metal oxide film is exposed to a relatively strong reducing atmosphere, so that the amorphous noble metal oxide film is reduced, and the noble metal film 46a. Oxygen released from the noble metal oxide film compensates for oxygen vacancies in the ferroelectric film 50a. When the iridium oxide film is formed at the stage of forming the noble metal oxide film, a noble metal film (conductive film) 46a which is an iridium film is formed. Note that the method of forming the ferroelectric film 50a is not limited to MOCVD, and for example, sputtering can be used as in the first embodiment.

次に、強誘電体膜50a上に、例えばスパッタリングにより、強誘電体膜52を形成する。より具体的には、例えば、高周波スパッタリングにより、強誘電体膜52を形成する。強誘電体膜52の膜厚は、例えば5nm〜20nm程度とする。強誘電体膜50a及び52の積層構造でキャパシタ誘電体膜54aが形成される。   Next, the ferroelectric film 52 is formed on the ferroelectric film 50a by, for example, sputtering. More specifically, the ferroelectric film 52 is formed by, for example, high frequency sputtering. The film thickness of the ferroelectric film 52 is, for example, about 5 nm to 20 nm. A capacitor dielectric film 54a is formed by a laminated structure of the ferroelectric films 50a and 52.

その後、第1実施例と同様な方法で、導電膜56、57、及び58の積層構造を含むキャパシタ上部電極を形成することができる。つまり、まず、強誘電体膜52上に、例えば酸化イリジウムで導電膜56を形成する。次に、熱処理により、強誘電体膜52を結晶化する。次に、導電膜56上に、例えばPZTでABO型酸化膜57を形成する。次に、ABO型酸化膜57上に、例えば酸化イリジウムで導電膜58を形成する。次に、熱処理により、導電膜(酸化イリジウム膜)56、58から、ABO型酸化物膜(PZT膜)57にIrを拡散することにより、ABO型酸化膜57を導電膜に変える。なお、第1実施例で説明したように、成膜時に導電性のABO型酸化膜57を用いることもできる。導電膜56、57、及び58の積層構造を含むキャパシタ上部電極により、第1実施例と同様に、水や水素に対するバリア性が向上する。 Thereafter, the capacitor upper electrode including the laminated structure of the conductive films 56, 57 and 58 can be formed by the same method as in the first embodiment. That is, first, the conductive film 56 is formed on the ferroelectric film 52 with, for example, iridium oxide. Next, the ferroelectric film 52 is crystallized by heat treatment. Next, an ABO x- type oxide film 57 is formed on the conductive film 56 by, for example, PZT. Next, a conductive film 58 is formed on the ABO x- type oxide film 57 using, for example, iridium oxide. Next, Ir is diffused from the conductive films (iridium oxide films) 56 and 58 into the ABO x- type oxide film (PZT film) 57 by heat treatment, thereby changing the ABO x- type oxide film 57 into a conductive film. As described in the first embodiment, a conductive ABO x- type oxide film 57 can also be used during film formation. The capacitor upper electrode including the laminated structure of the conductive films 56, 57, and 58 improves the barrier property against water and hydrogen as in the first embodiment.

次に、導電膜58上に、例えばスパッタリングにより、導電膜120を形成する。導電膜120は、上部電極60aの一部となるものである。導電膜120の膜厚は、例えば50nm程度とする。導電膜120としては、例えばイリジウム膜を形成する。導電膜120は、キャパシタ誘電体膜54aが水素により還元されるのを防止するためのものである。導電膜120の成膜条件は、例えば以下の通りとする。成膜室内に導入するガスは、例えばArガスとする。成膜室内の圧力は、例えば1Pa程度とする。スパッタパワーは、例えば1.0W程度とする。   Next, the conductive film 120 is formed on the conductive film 58 by, for example, sputtering. The conductive film 120 becomes a part of the upper electrode 60a. The film thickness of the conductive film 120 is about 50 nm, for example. For example, an iridium film is formed as the conductive film 120. The conductive film 120 is for preventing the capacitor dielectric film 54a from being reduced by hydrogen. The film forming conditions of the conductive film 120 are, for example, as follows. The gas introduced into the film formation chamber is, for example, Ar gas. The pressure in the film forming chamber is, for example, about 1 Pa. The sputtering power is, for example, about 1.0 W.

なお、ここでは、導電膜120としてイリジウム膜を用いる場合を例に説明したが、導電膜120はイリジウム膜に限定されるものではない。例えば、Pt膜、SrRuO膜等を水素バリア膜120として用いてもよい。 Note that although the case where an iridium film is used as the conductive film 120 is described here as an example, the conductive film 120 is not limited to an iridium film. For example, a Pt film, a SrRuO 3 film, or the like may be used as the hydrogen barrier film 120.

次に、半導体基板10の下面(裏面)を洗浄する(背面洗浄)。次に、全面に、スパッタリングにより、第1保護膜を形成する。第1保護膜は、ハードマスクの一部として機能するものである。第1保護膜としては、例えばTiN膜を形成する。ここでは、第1保護膜としてTiN膜を形成する場合を例に説明したが、第1保護膜はTiN膜に限定されるものではない。第1保護膜として、例えば、TiAlN膜、TaAlN膜、TaN膜等を用いてもよい。また、これらの積層膜により第1保護膜を形成してもよい。次に、全面に、例えばプラズマTEOSCVDにより、第2保護膜を形成する。第2保護膜は、第1保護膜と相俟ってハードマスクとして機能するものである。   Next, the lower surface (back surface) of the semiconductor substrate 10 is cleaned (back surface cleaning). Next, a first protective film is formed on the entire surface by sputtering. The first protective film functions as a part of the hard mask. For example, a TiN film is formed as the first protective film. Here, the case where the TiN film is formed as the first protective film has been described as an example, but the first protective film is not limited to the TiN film. For example, a TiAlN film, a TaAlN film, a TaN film, or the like may be used as the first protective film. Moreover, you may form a 1st protective film with these laminated films. Next, a second protective film is formed on the entire surface by, for example, plasma TEOSCVD. The second protective film functions as a hard mask in combination with the first protective film.

次に、全面に、例えばスピンコートにより、フォトレジスト膜を形成する。次に、フォトリソグラフィにより、キャパシタ62aの平面形状を有するレジストパターンを形成する。次に、このレジストパターンをマスクとして、第2保護膜をエッチングする。次に、エッチングされた第2保護膜をマスクとして、第1保護膜をエッチングする。こうして、エッチングされた第1、第2保護膜によりハードマスクが形成される。   Next, a photoresist film is formed on the entire surface by, eg, spin coating. Next, a resist pattern having a planar shape of the capacitor 62a is formed by photolithography. Next, the second protective film is etched using this resist pattern as a mask. Next, the first protective film is etched using the etched second protective film as a mask. Thus, a hard mask is formed by the etched first and second protective films.

次に、第1、第2保護膜をマスクとして、例えばプラズマエッチングにより、導電膜120、導電膜58、導電膜57、導電膜56、強誘電体膜54a、導電膜46a、及び導電膜44aをエッチングする。エッチングガスとしては、例えばHBrガスとOガスとArガスとCガスとの混合ガスを用いる。 Next, using the first and second protective films as a mask, the conductive film 120, the conductive film 58, the conductive film 57, the conductive film 56, the ferroelectric film 54a, the conductive film 46a, and the conductive film 44a are formed by plasma etching, for example. Etch. As the etching gas, for example, a mixed gas of HBr gas, O 2 gas, Ar gas, and C 4 F 8 gas is used.

こうして、導電膜44aと導電膜46aとにより下部電極48aが形成される。また、強誘電体膜50aと強誘電体膜52aとによりキャパシタ誘電体膜54aが形成される。また、導電膜56、導電酸化膜57、導電膜58と導電膜120とにより上部電極60aが形成される。下部電極48aと強誘電体膜54aと上部電極60aとによりキャパシタ62aが形成される。   Thus, the lower electrode 48a is formed by the conductive film 44a and the conductive film 46a. Further, a capacitor dielectric film 54a is formed by the ferroelectric film 50a and the ferroelectric film 52a. Further, the upper electrode 60 a is formed by the conductive film 56, the conductive oxide film 57, the conductive film 58, and the conductive film 120. A capacitor 62a is formed by the lower electrode 48a, the ferroelectric film 54a, and the upper electrode 60a.

次に、例えばドライエッチングまたはウエットエッチングにより、第2保護膜を除去する。次に、例えばドライエッチングにより、酸化防止膜118、密着膜116及び下地膜114をエッチングする。この際、第1保護膜もエッチング除去される。エッチングを行う際には、例えばダウンフロー型のプラズマエッチング装置を用いる。チャンバ内に導入するガスは、例えばCFガスとOガスとの混合ガスとする。 Next, the second protective film is removed by dry etching or wet etching, for example. Next, the antioxidant film 118, the adhesion film 116, and the base film 114 are etched by dry etching, for example. At this time, the first protective film is also removed by etching. When performing the etching, for example, a down flow type plasma etching apparatus is used. The gas introduced into the chamber is, for example, a mixed gas of CF 4 gas and O 2 gas.

次に、全面に、例えばスパッタリングにより、保護膜122を形成する。保護膜122は、水素や水分等によりキャパシタ誘電体膜54aが還元されるのを防止するためのものである。保護膜122としては、例えば酸化アルミニウム膜を形成する。   Next, the protective film 122 is formed on the entire surface by, for example, sputtering. The protective film 122 is for preventing the capacitor dielectric film 54a from being reduced by hydrogen, moisture, or the like. For example, an aluminum oxide film is formed as the protective film 122.

なお、ここでは、スパッタリングにより保護膜122を形成する場合を例に説明したが、保護膜122の成膜方法はスパッタリングに限定されるものではない。例えば、MOCVDにより保護膜122を形成してもよい。   Note that although the case where the protective film 122 is formed by sputtering is described here as an example, the method for forming the protective film 122 is not limited to sputtering. For example, the protective film 122 may be formed by MOCVD.

次に、酸素雰囲気中にて熱処理を行う。この熱処理は、キャパシタ誘電体膜54aに酸素を供給し、キャパシタ62aの電気的特性を向上するためのものである。熱処理条件は、例えば500℃〜700℃とする。キャパシタ誘電体膜54aがPZT膜の場合には、基板温度を例えば600℃とし、熱処理時間を例えば60分とする。   Next, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. This heat treatment is for supplying oxygen to the capacitor dielectric film 54a to improve the electrical characteristics of the capacitor 62a. The heat treatment conditions are, for example, 500 ° C. to 700 ° C. When the capacitor dielectric film 54a is a PZT film, the substrate temperature is set to 600 ° C., for example, and the heat treatment time is set to 60 minutes, for example.

次に、全面に、例えばCVDにより、保護膜124を形成する。保護膜124は、水素や水分等によりキャパシタ誘電体膜54aが還元されるのを防止するためのものである。保護膜124としては、例えば酸化アルミニウム膜を形成する。   Next, a protective film 124 is formed on the entire surface by, eg, CVD. The protective film 124 is for preventing the capacitor dielectric film 54a from being reduced by hydrogen, moisture, or the like. For example, an aluminum oxide film is formed as the protective film 124.

また、ここでは、保護膜124として酸化アルミニウム膜を形成する場合を例に説明したが、保護膜124は酸化アルミニウム膜に限定されるものではない。保護膜124として、例えば、チタン酸化膜、タンタル酸化膜、ジルコニウム酸化膜、アルミニウム窒化膜、タンタル窒化膜又はアルミニウム酸窒化膜等を形成してもよい。   Although the case where an aluminum oxide film is formed as the protective film 124 has been described as an example here, the protective film 124 is not limited to the aluminum oxide film. As the protective film 124, for example, a titanium oxide film, a tantalum oxide film, a zirconium oxide film, an aluminum nitride film, a tantalum nitride film, an aluminum oxynitride film, or the like may be formed.

次に、例えばプラズマTEOSCVDにより、層間絶縁膜68を形成する。層間絶縁膜68としては、例えばシリコン酸化膜を形成する。なお、ここでは、層間絶縁膜68としてシリコン酸化膜を形成する場合を例に説明したが、層間絶縁膜68はシリコン酸化膜に限定されるものではない。例えば、絶縁性を有する無機膜等を適宜用いることが可能である。次に、例えばCMPにより、層間絶縁膜68の表面を平坦化する。   Next, the interlayer insulating film 68 is formed by, for example, plasma TEOSCVD. For example, a silicon oxide film is formed as the interlayer insulating film 68. Here, a case where a silicon oxide film is formed as the interlayer insulating film 68 has been described as an example, but the interlayer insulating film 68 is not limited to a silicon oxide film. For example, an insulating inorganic film or the like can be used as appropriate. Next, the surface of the interlayer insulating film 68 is planarized by, for example, CMP.

次に、例えばスパッタリングまたはCVDにより、保護膜70を形成する。保護膜70としては、例えば酸化アルミニウム膜を形成する。保護膜70は、水素や水分等によりキャパシタ誘電体膜54aが還元されるのを防止するためのものである。表面が平坦な層間絶縁膜68上に保護膜70が形成されるため、保護膜70は平坦となる。   Next, the protective film 70 is formed by, for example, sputtering or CVD. As the protective film 70, for example, an aluminum oxide film is formed. The protective film 70 is for preventing the capacitor dielectric film 54a from being reduced by hydrogen, moisture, or the like. Since the protective film 70 is formed on the interlayer insulating film 68 having a flat surface, the protective film 70 becomes flat.

次に、例えばプラズマTEOSCVDにより、層間絶縁膜72を形成する。層間絶縁膜72としては、例えばシリコン酸化膜を形成する。なお、ここでは、層間絶縁膜72としてシリコン酸化膜を形成する場合を例に説明したが、層間絶縁膜72はシリコン酸化膜に限定されるものではない。例えば、シリコン窒化酸化膜又はシリコン窒化膜を層間絶縁膜72として用いてもよい。次に、例えばCMPにより、層間絶縁膜72の表面を平坦化する。   Next, the interlayer insulating film 72 is formed by plasma TEOSCVD, for example. For example, a silicon oxide film is formed as the interlayer insulating film 72. Although the case where a silicon oxide film is formed as the interlayer insulating film 72 has been described as an example here, the interlayer insulating film 72 is not limited to a silicon oxide film. For example, a silicon oxynitride film or a silicon nitride film may be used as the interlayer insulating film 72. Next, the surface of the interlayer insulating film 72 is planarized by, for example, CMP.

次に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、層間絶縁膜72、保護膜70、層間絶縁膜68、保護膜124、保護膜122、及び層間絶縁膜104に、導体プラグ36に達するコンタクトホール126aを形成する。また、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、層間絶縁膜72、保護膜70、層間絶縁膜68、保護膜124、及び保護膜122に、上部電極60aに達するコンタクトホール126bを形成する。   Next, contact holes 126 a reaching the conductor plugs 36 are formed in the interlayer insulating film 72, the protective film 70, the interlayer insulating film 68, the protective film 124, the protective film 122, and the interlayer insulating film 104 by photolithography and etching. Further, a contact hole 126b reaching the upper electrode 60a is formed in the interlayer insulating film 72, the protective film 70, the interlayer insulating film 68, the protective film 124, and the protective film 122 by photolithography and etching.

次に、酸素雰囲気中にて熱処理を行う。この熱処理は、キャパシタ誘電体膜54aに酸素を供給し、キャパシタ誘電体膜54aにおける酸素欠損を補償し、キャパシタ62aの電気的特性を回復するためのものである。熱処理を行う際の基板温度は、例えば450℃とする。次に、高周波エッチングにより、コンタクトホール126a、126bの内壁面に対して表面処理を行う。   Next, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. This heat treatment is for supplying oxygen to the capacitor dielectric film 54a, compensating for oxygen vacancies in the capacitor dielectric film 54a, and restoring the electrical characteristics of the capacitor 62a. The substrate temperature during the heat treatment is set to 450 ° C., for example. Next, surface treatment is performed on the inner wall surfaces of the contact holes 126a and 126b by high frequency etching.

次に、全面に、例えばスパッタリングにより、密着膜128を形成する。密着膜128としては、例えばTiN膜を形成する。密着膜128の膜厚は、例えば125nm程度とする。次に、全面に、例えばCVDにより、導電膜を形成する。導電膜としては、例えばタングステン膜を形成する。次に、例えばCMPにより、層間絶縁膜72の表面が露出するまで、導電膜及び密着膜128を研磨する。こうして、導電膜により導体プラグ130a、130bが形成される。次に、プラズマ洗浄を行う。プラズマ洗浄を行う際に用いるガスは、例えばArガスとする。これにより、導体プラグ130a、130bの表面に存在する自然酸化膜等が除去される。   Next, the adhesion film 128 is formed on the entire surface by, for example, sputtering. As the adhesion film 128, for example, a TiN film is formed. The film thickness of the adhesion film 128 is about 125 nm, for example. Next, a conductive film is formed on the entire surface by, eg, CVD. For example, a tungsten film is formed as the conductive film. Next, the conductive film and the adhesion film 128 are polished by CMP, for example, until the surface of the interlayer insulating film 72 is exposed. Thus, the conductor plugs 130a and 130b are formed by the conductive film. Next, plasma cleaning is performed. The gas used when performing the plasma cleaning is, for example, Ar gas. As a result, the natural oxide film and the like existing on the surfaces of the conductor plugs 130a and 130b are removed.

次に、例えばスパッタリングにより、例えばTiN膜82と、AlCu合金膜84と、Ti膜86と、TiN膜88とを順次積層することにより、積層膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、この積層膜をパターニングして、配線90を形成する。この後、必要に応じてさらに、上方に多層配線構造を形成する。このようにして、第2実施例による半導体装置が製造される。   Next, for example, by sputtering, for example, a TiN film 82, an AlCu alloy film 84, a Ti film 86, and a TiN film 88 are sequentially stacked to form a stacked film. Next, the laminated film is patterned by photolithography and etching to form the wiring 90. Thereafter, if necessary, a multilayer wiring structure is further formed on the upper side. In this way, the semiconductor device according to the second embodiment is manufactured.

次に、第3実施例による半導体装置及びその製造方法について説明する。第3実施例では、第1実施例による強誘電体キャパシタ形成方法を応用して、強誘電体メモリ素子に用いるメモリ用キャパシタと、電源配線の平滑容量素子に用いる平滑用キャパシタとを、同時形成する。図4A〜図4Kは、第3実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す概略断面図である。   Next, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the third embodiment will be described. In the third embodiment, by applying the ferroelectric capacitor forming method according to the first embodiment, a memory capacitor used for a ferroelectric memory element and a smoothing capacitor used for a smoothing capacitor element of a power supply wiring are simultaneously formed. To do. 4A to 4K are schematic cross-sectional views showing the main steps of the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment.

半導体基板10に、MOSトランジスタ26を形成し、酸化防止膜42を形成する工程までは、第1実施例と同様である。図4A〜図4Kは、特に、酸化防止膜42上方に、メモリ用キャパシタと平滑用キャパシタを作り分ける工程を示す。   The steps up to forming the MOS transistor 26 and forming the antioxidant film 42 on the semiconductor substrate 10 are the same as those in the first embodiment. 4A to 4K particularly show a process of separately forming a memory capacitor and a smoothing capacitor above the antioxidant film 42.

図4Aを参照する。(酸化防止膜42上の)全面に、下部電極密着層43、下部電極膜44、強誘電体膜50、強誘電体膜52、導電膜56を積層する。次に、RTAにより、酸素を含む雰囲気中で熱処理し、強誘電体膜50の結晶性を引き継ぐように、強誘電体膜52を結晶化させる。   Reference is made to FIG. 4A. A lower electrode adhesion layer 43, a lower electrode film 44, a ferroelectric film 50, a ferroelectric film 52, and a conductive film 56 are laminated on the entire surface (on the antioxidant film 42). Next, heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen by RTA, and the ferroelectric film 52 is crystallized so that the crystallinity of the ferroelectric film 50 is inherited.

第1実施例と同様に、強誘電体膜50及び52は、例えばPZT膜で形成されており、導電膜56は、例えば酸化イリジウムで形成されている。導電膜(IrO膜)56の膜厚、成膜条件、酸素組成xは、第1実施例と同様である。 As in the first embodiment, the ferroelectric films 50 and 52 are made of, for example, a PZT film, and the conductive film 56 is made of, for example, iridium oxide. The film thickness, film forming conditions, and oxygen composition x of the conductive film (IrO x film) 56 are the same as in the first embodiment.

図4Bを参照する。導電膜56は、メモリ用キャパシタにおいて上部電極の一部として用いられる。導電膜56上に、レジストパターンRPを形成し、レジストパターンRPをマスクとして、導電膜56をパターニングする。メモリ用キャパシタの外側では、導電膜56が除去されて、強誘電体膜52が露出する。なお、強誘電体膜上にレジストパターンを形成しない工程であるので、フォトレジストとの接触に起因する強誘電体膜へのダメージが抑制されている。その後、レジストパターンRPを剥離する。   Refer to FIG. 4B. The conductive film 56 is used as a part of the upper electrode in the memory capacitor. A resist pattern RP is formed on the conductive film 56, and the conductive film 56 is patterned using the resist pattern RP as a mask. Outside the memory capacitor, the conductive film 56 is removed and the ferroelectric film 52 is exposed. Since the resist pattern is not formed on the ferroelectric film, damage to the ferroelectric film due to contact with the photoresist is suppressed. Thereafter, the resist pattern RP is peeled off.

図4Cを参照する。パターニングされた導電膜56を覆って強誘電体膜52上に、ABO型酸化物(AとBは金属元素、Oは酸素元素、x>0)膜53を形成する。ABO型酸化物膜53は、最終的に、メモリ用キャパシタにおいては上部電極の一部として用いられ、平滑用キャパシタにおいてはキャパシタ誘電体膜の一部として用いられる。ABO型酸化物膜53として、強誘電体膜52の結晶性を引き継いで結晶化できるような強誘電体膜が形成される。ABO型酸化物膜53として、例えば、第1実施例のABO型酸化物膜57と同様にして、例えば厚さ10nmのPZT膜を形成することができる。 Reference is made to FIG. 4C. An ABO x- type oxide (A and B are metal elements, O is an oxygen element, x> 0) film 53 is formed on the ferroelectric film 52 so as to cover the patterned conductive film 56. The ABO x- type oxide film 53 is finally used as a part of the upper electrode in the memory capacitor and as a part of the capacitor dielectric film in the smoothing capacitor. As the ABO x- type oxide film 53, a ferroelectric film that can be crystallized by taking over the crystallinity of the ferroelectric film 52 is formed. As the ABO x- type oxide film 53, for example, a PZT film having a thickness of 10 nm can be formed in the same manner as the ABO x- type oxide film 57 of the first embodiment, for example.

図4Dを参照する。次に、例えばRTAにより、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う。この熱処理により、ABO型酸化物膜53を結晶化させる。導電膜(IrO膜)56の外側で強誘電体膜(PZT膜)52上にABO型酸化物膜(PZT膜)53が形成されている領域、つまり、平滑用キャパシタ形成部では、強誘電体膜(PZT膜)52の結晶性を引き継いで、ABO型酸化物膜(PZT膜)53が結晶化される。 Reference is made to FIG. 4D. Next, heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen by, for example, RTA. By this heat treatment, the ABO x- type oxide film 53 is crystallized. In the region where the ABO x- type oxide film (PZT film) 53 is formed on the ferroelectric film (PZT film) 52 outside the conductive film (IrO x film) 56, that is, in the smoothing capacitor forming portion, Taking over the crystallinity of the dielectric film (PZT film) 52, the ABO x- type oxide film (PZT film) 53 is crystallized.

導電膜(IrO膜)56上、つまり、メモリ用キャパシタ形成部では、ABO型酸化物膜(PZT膜)53がランダム配向で結晶化する。なお、この熱処理により、導電膜(IrO膜)56から、ABO型酸化物膜(PZT膜)53の、導電膜(IrO膜)56近傍に形成された部分57pへ、ある程度Irが拡散する。 On the conductive film (IrO x film) 56, that is, in the memory capacitor forming portion, the ABO x type oxide film (PZT film) 53 is crystallized in a random orientation. Incidentally, this heat treatment, the conductive film (IrO x film) 56, the ABO x type oxide film (PZT film) 53, the conductive film (IrO x film) 56 parts formed in the vicinity 57p, to some extent Ir diffusion To do.

メモリ用キャパシタ形成部では、強誘電体膜50及び52が積層された構造のキャパシタ誘電体膜が形成される。一方、平滑用キャパシタ形成部では、強誘電体膜50及び52上に、さらに強誘電体膜53が積層された構造のキャパシタ誘電体膜が形成される。   In the memory capacitor forming portion, a capacitor dielectric film having a structure in which the ferroelectric films 50 and 52 are laminated is formed. On the other hand, in the smoothing capacitor forming portion, a capacitor dielectric film having a structure in which a ferroelectric film 53 is further laminated on the ferroelectric films 50 and 52 is formed.

図4Eを参照する。ABO型酸化物膜53を覆って、全面に、例えばスパッタリングにより、導電膜58を形成する。導電膜58は、メモリ用キャパシタ形成部では、導電膜56、57、及び58が積層された構造の上部電極を形成するとともに、平滑用キャパシタ形成部では、導電膜58単層で上部電極を形成する。第1実施例と同様に、導電膜58は、例えば酸化イリジウム(IrO)で形成される。導電膜(IrO膜)58の膜厚、成膜条件、酸素組成yは、第1実施例と同様である。 Reference is made to FIG. 4E. A conductive film 58 is formed on the entire surface of the ABO x- type oxide film 53 by sputtering, for example. The conductive film 58 forms an upper electrode having a structure in which the conductive films 56, 57, and 58 are stacked in the memory capacitor forming portion, and forms an upper electrode in a single layer of the conductive film 58 in the smoothing capacitor forming portion. To do. Similar to the first embodiment, the conductive film 58 is formed of, for example, iridium oxide (IrO y ). The film thickness, film forming conditions, and oxygen composition y of the conductive film (IrO y film) 58 are the same as in the first embodiment.

次に、熱処理を行う。熱処理条件は、例えば以下の通りとする。基板温度を、例えば700℃〜750℃程度とする。熱処理時間は、例えば120秒とする。チャンバ内の雰囲気は、例えば不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスの雰囲気とする。   Next, heat treatment is performed. The heat treatment conditions are as follows, for example. The substrate temperature is set to about 700 ° C. to 750 ° C., for example. The heat treatment time is set to 120 seconds, for example. The atmosphere in the chamber is, for example, an atmosphere of a mixed gas of inert gas and oxygen gas.

この熱処理により、導電膜(IrO膜)58が結晶化される。また、この熱処理により、メモリ用キャパシタ形成部では、導電膜(IrO膜)56及び導電膜(IrO膜)58から、導電膜(IrO膜)56及び導電膜(IrO膜)58に挟まれた部分のABO型酸化物膜(PZT膜)57pにIrが拡散されることにより、Irが添加されたPZTによる導電膜57が形成される。 By this heat treatment, the conductive film (IrO y film) 58 is crystallized. In addition, by this heat treatment, in the memory capacitor formation portion, the conductive film (IrO x film) 56 and the conductive film (IrO y film) 58 are changed to the conductive film (IrO x film) 56 and the conductive film (IrO y film) 58. By diffusing Ir into the sandwiched portion of the ABO x- type oxide film (PZT film) 57p, a conductive film 57 made of PZT doped with Ir is formed.

なお、平滑用キャパシタ形成部でも、導電膜(IrO膜)58からABO型酸化物膜(PZT膜)53へ、Irが拡散する。ただし、平滑用キャパシタ形成部では、強誘電体膜50、52、及び53が積層された厚いキャパシタ誘電体膜の全体へ、Irが拡散する。このため、平滑用キャパシタのキャパシタ誘電体膜が導電性になってしまうことは抑制される。 In the smoothing capacitor forming portion, Ir diffuses from the conductive film (IrO y film) 58 to the ABO x- type oxide film (PZT film) 53. However, in the smoothing capacitor forming portion, Ir diffuses throughout the thick capacitor dielectric film in which the ferroelectric films 50, 52, and 53 are stacked. For this reason, it is suppressed that the capacitor dielectric film of the smoothing capacitor becomes conductive.

図4Fを参照する。第1実施例と同様にして、半導体基板10の下面(裏面)を洗浄する(背面洗浄)。そして、保護膜92、フォトレジスト膜94を形成する。フォトリソグラフィにより、メモリ用キャパシタの上部電極、及び平滑用キャパシタの上部電極の形状のレジストパターン94を形成する。   Reference is made to FIG. 4F. Similar to the first embodiment, the lower surface (back surface) of the semiconductor substrate 10 is cleaned (back surface cleaning). Then, a protective film 92 and a photoresist film 94 are formed. A resist pattern 94 in the shape of the upper electrode of the memory capacitor and the upper electrode of the smoothing capacitor is formed by photolithography.

レジストパターン94をマスクとしたエッチングにより、保護膜92及び導電膜58をパターニングする。この後、レジストパターン94を剥離する。また、例えばドライエッチングにより保護膜92を除去する。   The protective film 92 and the conductive film 58 are patterned by etching using the resist pattern 94 as a mask. Thereafter, the resist pattern 94 is peeled off. Further, the protective film 92 is removed by dry etching, for example.

次に、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行う。この熱処理は、強誘電体膜50、52、及び53に加わったダメージを回復するためのものである(回復アニール)。熱処理温度は、例えば600℃〜700℃とする。ここでは、熱処理温度は、600℃とする。熱処理時間は、例えば40分とする。   Next, heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen. This heat treatment is for recovering the damage applied to the ferroelectric films 50, 52 and 53 (recovery annealing). The heat treatment temperature is, for example, 600 ° C to 700 ° C. Here, the heat treatment temperature is 600 ° C. The heat treatment time is 40 minutes, for example.

この熱処理は、酸化イリジウム膜56及び58からさらにIrを拡散させて、メモリ用キャパシタの上部電極におけるABO型酸化物膜(Ir添加PZT膜)57の抵抗率を改善させる。 This heat treatment further diffuses Ir from the iridium oxide films 56 and 58 to improve the resistivity of the ABO x- type oxide film (Ir-added PZT film) 57 in the upper electrode of the memory capacitor.

図4Gを参照する。全面に、例えばスピンコートにより、フォトレジスト膜96を形成する。フォトリソグラフィにより、メモリ用キャパシタのキャパシタ誘電体膜、及び、平滑用キャパシタのキャパシタ誘電体膜の形状のレジストパターン96を形成する。レジストパターン96をマスクとし、強誘電体膜53、52、及び50をエッチングする。この後、レジストパターン96を剥離する。   Reference is made to FIG. 4G. A photoresist film 96 is formed on the entire surface by, eg, spin coating. A resist pattern 96 in the shape of a capacitor dielectric film of the memory capacitor and a capacitor dielectric film of the smoothing capacitor is formed by photolithography. Using the resist pattern 96 as a mask, the ferroelectric films 53, 52, and 50 are etched. Thereafter, the resist pattern 96 is peeled off.

図4Hを参照する。例えばスパッタリングまたはCVDにより、全面に保護膜64を形成する。保護膜64としては、例えば酸化アルミニウム膜を形成する。次に、全面に、例えばスピンコートにより、フォトレジスト膜98を形成する。次に、フォトリソグラフィにより、下部電極48の形状を有するレジストパターン98を形成する。   Refer to FIG. 4H. For example, the protective film 64 is formed on the entire surface by sputtering or CVD. As the protective film 64, for example, an aluminum oxide film is formed. Next, a photoresist film 98 is formed on the entire surface by, eg, spin coating. Next, a resist pattern 98 having the shape of the lower electrode 48 is formed by photolithography.

図4Iを参照する。レジストパターン98をマスクとして、保護膜64、下部電極膜44をエッチングする。導電膜44により下部電極48が形成される。   Reference is made to FIG. 4I. The protective film 64 and the lower electrode film 44 are etched using the resist pattern 98 as a mask. A lower electrode 48 is formed by the conductive film 44.

このようにして、導電膜44による下部電極と、強誘電体膜50及び52の積層されたキャパシタ誘電体膜と、導電膜56、57、及び58の積層された上部電極とを有するキャパシタとして、メモリ用キャパシタが形成される。   Thus, as a capacitor having a lower electrode made of the conductive film 44, a capacitor dielectric film in which the ferroelectric films 50 and 52 are stacked, and an upper electrode in which the conductive films 56, 57 and 58 are stacked, A memory capacitor is formed.

また、導電膜44による下部電極と、強誘電体膜50、52、及び53の積層されたキャパシタ誘電体膜と、導電膜58による上部電極とを有するキャパシタとして、平滑用キャパシタが形成される。   Further, a smoothing capacitor is formed as a capacitor having a lower electrode made of the conductive film 44, a capacitor dielectric film in which the ferroelectric films 50, 52, and 53 are stacked, and an upper electrode made of the conductive film 58.

キャパシタ保護膜64は、これらの上部電極及びキャパシタ誘電体膜を覆うように残存する。この後、レジストパターン98を剥離する。   The capacitor protection film 64 remains so as to cover these upper electrodes and the capacitor dielectric film. Thereafter, the resist pattern 98 is peeled off.

メモリ用キャパシタのキャパシタ誘電体膜は、強誘電体膜50及び52の厚さを調整することによって、所望の薄さに形成できる。これにより、低電圧動作に適したメモリ用キャパシタを形成することができる。   The capacitor dielectric film of the memory capacitor can be formed to a desired thickness by adjusting the thickness of the ferroelectric films 50 and 52. Thereby, a memory capacitor suitable for low-voltage operation can be formed.

一方、平滑用キャパシタのキャパシタ誘電体膜は、強誘電体膜53を有し、メモリ用キャパシタのキャパシタ誘電体膜よりも厚く形成される。これにより、リーク電流の抑制された平滑用キャパシタを形成することができる。   On the other hand, the capacitor dielectric film of the smoothing capacitor has a ferroelectric film 53 and is formed thicker than the capacitor dielectric film of the memory capacitor. Thereby, a smoothing capacitor in which leakage current is suppressed can be formed.

メモリ用キャパシタの上部電極は、導電膜(IrO膜)56、導電膜(Ir添加PZT膜)57、導電膜(IrO膜)58の積層構造を含み、第1実施例で説明したように、水や水素に対するバリア性が高められている。 The upper electrode of the memory capacitor includes a laminated structure of a conductive film (IrO x film) 56, a conductive film (Ir-added PZT film) 57, and a conductive film (IrO y film) 58, as described in the first embodiment. The barrier property against water and hydrogen is enhanced.

一方、平滑用キャパシタの上部電極は、単層の導電膜(IrO膜)58で形成されており、メモリ用キャパシタの上部電極に比べれば、水や水素に対するバリア性は低くなる。しかし、平滑用キャパシタは、単にキャパシタとして機能すればよいので、メモリ用キャパシタに比べて、強誘電体の侵食は問題になりにくい。 On the other hand, the upper electrode of the smoothing capacitor, a single-layer conductive film is formed by (IrO y film) 58, compared to the upper electrode of the memory capacitor, barrier property against water and hydrogen is low. However, since the smoothing capacitor only needs to function as a capacitor, the erosion of the ferroelectric is less likely to be a problem than the memory capacitor.

なお、第1実施例では、導電膜(IrO膜)58の積層後の熱処理を、ABO型酸化物膜(PZT膜)57がアモルファスの状態で行った。一方、第3実施例では、導電膜(IrO膜)58の積層前に、ABO型酸化物膜(PZT膜)53が熱処理されて結晶化されている。つまり、導電膜(IrO膜)58の積層後の熱処理を、ABO型酸化物膜(PZT膜)53が結晶化された状態で行っている。 In the first example, the heat treatment after laminating the conductive film (IrO y film) 58 was performed while the ABO x- type oxide film (PZT film) 57 was in an amorphous state. On the other hand, in the third embodiment, before the conductive film (IrO y film) 58 is stacked, the ABO x- type oxide film (PZT film) 53 is crystallized by heat treatment. That is, the heat treatment after the lamination of the conductive film (IrO y film) 58 is performed in a state where the ABO x- type oxide film (PZT film) 53 is crystallized.

結晶化されたPZT膜は上面が粗くなっているので、結晶化されたPZT膜上に電極膜を積層して熱処理を行う場合、電極膜とPZT膜との界面は粗く形成される。   Since the crystallized PZT film has a rough upper surface, when an electrode film is stacked on the crystallized PZT film and heat treatment is performed, the interface between the electrode film and the PZT film is formed rough.

一方、アモルファスのPZT膜上に電極膜を積層して熱処理を行う場合、電極膜とPZT膜との界面は平坦化される。なお、酸化イリジウム電極膜が結晶化されている方が、電極膜とPZT膜との界面が平坦化されやすい。また、酸化イリジウム電極膜の酸素組成が小さい方が、電極膜とPZT膜との界面が平坦化されやすい。   On the other hand, when an electrode film is stacked on an amorphous PZT film and heat treatment is performed, the interface between the electrode film and the PZT film is flattened. Note that the interface between the electrode film and the PZT film is more easily flattened when the iridium oxide electrode film is crystallized. In addition, when the oxygen composition of the iridium oxide electrode film is smaller, the interface between the electrode film and the PZT film is more easily flattened.

第3実施例では、導電膜(IrO膜)58とABO型酸化物膜(PZT膜)53との界面、すなわち、平滑用キャパシタにおける上部電極とキャパシタ誘電体膜との界面が、粗く形成されている。これは、平滑用キャパシタのリーク電流低減の観点から好ましい。 In the third embodiment, the interface between the conductive film (IrO y film) 58 and the ABO x- type oxide film (PZT film) 53, that is, the interface between the upper electrode and the capacitor dielectric film in the smoothing capacitor is formed rough. Has been. This is preferable from the viewpoint of reducing the leakage current of the smoothing capacitor.

一方、導電膜(IrO膜)56と強誘電体膜52との界面、すなわち、メモリ用キャパシタの上部電極とキャパシタ誘電体膜との界面は、第1実施例と同様に、平坦に形成されている。上部電極とキャパシタ誘電体膜との界面が平坦な方が、界面が粗い場合に比べて、常誘電体層が薄くなり、キャパシタの反転電荷量を大きくすることができる。メモリ用キャパシタでは、反転電荷量を大きくすることが好ましい。 On the other hand, the interface between the conductive film (IrO x film) 56 and the ferroelectric film 52, that is, the interface between the upper electrode of the memory capacitor and the capacitor dielectric film is formed flat as in the first embodiment. ing. When the interface between the upper electrode and the capacitor dielectric film is flat, the paraelectric layer becomes thinner and the inversion charge amount of the capacitor can be increased as compared with the case where the interface is rough. In the memory capacitor, it is preferable to increase the inversion charge amount.

なお、変形例として、図4Dを参照して説明したような導電膜58形成前の熱処理を省略し、図4Eを参照して説明したような導電膜58形成後の熱処理により、メモリ用キャパシタ形成部でABO型酸化物膜(PZT膜)53を導電膜に変換するとともに、ABO型酸化物膜(PZT膜)53を結晶化させるようにすることもできる。 As a modification, the heat treatment before the formation of the conductive film 58 as described with reference to FIG. 4D is omitted, and the memory capacitor is formed by the heat treatment after the formation of the conductive film 58 as described with reference to FIG. 4E. The ABO x- type oxide film (PZT film) 53 can be converted into a conductive film and the ABO x- type oxide film (PZT film) 53 can be crystallized.

図4Jを参照する。例えばスパッタリングまたはCVDにより、保護膜66を形成する。保護膜66としては、例えば酸化アルミニウム膜を形成する。次に、酸素雰囲気中にて熱処理を行う。この熱処理は、メモリ用キャパシタ及び平滑用キャパシタのキャパシタ誘電体膜に酸素を供給し、キャパシタの電気的特性を向上するためのものである。熱処理条件は、例えば500℃〜700℃とする。熱処理時間は、例えば30分〜120分とする。   Reference is made to FIG. 4J. For example, the protective film 66 is formed by sputtering or CVD. As the protective film 66, for example, an aluminum oxide film is formed. Next, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. This heat treatment is for supplying oxygen to the capacitor dielectric films of the memory capacitor and the smoothing capacitor to improve the electrical characteristics of the capacitor. The heat treatment conditions are, for example, 500 ° C. to 700 ° C. The heat treatment time is, for example, 30 minutes to 120 minutes.

図4Kに示すように、保護膜66上を覆うように、ステップカバレッジが良好な酸化アルミニウム膜67を形成する。本実施形態では、バッチ式の成膜装置を用いた原子層堆積(Atomic Layer Deposition:ALD)により、酸化アルミニウム膜67を形成する。   As shown in FIG. 4K, an aluminum oxide film 67 with good step coverage is formed so as to cover the protective film 66. In this embodiment, the aluminum oxide film 67 is formed by atomic layer deposition (ALD) using a batch type film forming apparatus.

図5を参照して、その後の工程について説明する。図5は、第3実施例による半導体装置の全体構造を示す概略断面図である。酸化アルミニウム膜67上に、例えばプラズマTEOSCVDにより、例えば、シリコン酸化膜を堆積して、層間絶縁膜68を形成する。次に、例えばCMPにより、層間絶縁膜68の表面を平坦化する。   The subsequent steps will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic sectional view showing the entire structure of the semiconductor device according to the third embodiment. For example, a silicon oxide film is deposited on the aluminum oxide film 67 by, for example, plasma TEOSCVD to form an interlayer insulating film 68. Next, the surface of the interlayer insulating film 68 is planarized by, for example, CMP.

次に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、層間絶縁膜68、保護膜67、66、及び保護膜64に、キャパシタ下部電極に達するコンタクトホールと、キャパシタ上部電極に達するコンタクトホールとを形成する。次に、酸素雰囲気中にて熱処理を行う。次に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、層間絶縁膜68、保護膜67、66、密着膜43、及び層間絶縁膜42に、導体プラグ36に達するコンタクトホールを形成する。   Next, a contact hole reaching the capacitor lower electrode and a contact hole reaching the capacitor upper electrode are formed in the interlayer insulating film 68, the protective films 67 and 66, and the protective film 64 by photolithography and etching. Next, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. Next, contact holes reaching the conductor plugs 36 are formed in the interlayer insulating film 68, the protective films 67 and 66, the adhesion film 43, and the interlayer insulating film 42 by photolithography and etching.

全面に、例えばスパッタリングにより、密着膜78を形成する。密着膜78としては、例えばTiN膜を形成する。次に、全面に、例えばCVDにより、例えばタングステン膜を形成する。次に、例えばCMPにより、層間絶縁膜68の表面が露出するまで、導電膜及び密着膜78を研磨する。こうして、導電膜により導体プラグ80が形成される。   An adhesion film 78 is formed on the entire surface by, for example, sputtering. As the adhesion film 78, for example, a TiN film is formed. Next, a tungsten film, for example, is formed on the entire surface by, eg, CVD. Next, the conductive film and the adhesion film 78 are polished by, for example, CMP until the surface of the interlayer insulating film 68 is exposed. Thus, the conductor plug 80 is formed of the conductive film.

次に、プラズマ洗浄を行い、スパッタリングにより、例えばTiN膜と、AlCu合金膜と、Ti膜と、TiN膜とを順次積層することにより、積層膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、積層膜をパターニングして、配線90を形成する。この後、必要に応じてさらに、上方に多層配線構造を形成する。このようにして、第3実施例による半導体装置が製造される。   Next, plasma cleaning is performed, and, for example, a TiN film, an AlCu alloy film, a Ti film, and a TiN film are sequentially stacked to form a stacked film by sputtering. Next, the laminated film is patterned by photolithography and etching to form the wiring 90. Thereafter, if necessary, a multilayer wiring structure is further formed on the upper side. In this way, the semiconductor device according to the third embodiment is manufactured.

図6A及び図6Bは、それぞれ、第3実施例によるメモリ用キャパシタ及び平滑用キャパシタの概略断面図である。   6A and 6B are schematic cross-sectional views of a memory capacitor and a smoothing capacitor according to the third embodiment, respectively.

メモリ用キャパシタと平滑用キャパシタとは、下部電極膜(Pt膜)44から強誘電体膜(PZT膜)52までの積層構造は、共通である。下部電極膜(Pt膜)44は、立方晶構造で(111)配向した柱状の結晶である。強誘電体膜(PZT膜)50は、下部電極膜(Pt膜)44の柱状結晶の間に(横方向位置をずらして)、引き続き柱状で成長し、ペロブスカイト構造で(111)配向している。強誘電体膜(PZT膜)52は、強誘電体膜(PZT膜)50の結晶性を引き継いで柱状に成長し、ペロブスカイト構造で(111)配向している。   The memory capacitor and the smoothing capacitor have a common laminated structure from the lower electrode film (Pt film) 44 to the ferroelectric film (PZT film) 52. The lower electrode film (Pt film) 44 is a columnar crystal having a (111) orientation in a cubic structure. The ferroelectric film (PZT film) 50 continues to grow between the columnar crystals of the lower electrode film (Pt film) 44 (with the lateral position shifted), and has a (111) orientation with a perovskite structure. . The ferroelectric film (PZT film) 52 takes on the crystallinity of the ferroelectric film (PZT film) 50 and grows in a columnar shape and has a (111) orientation in a perovskite structure.

図6Aに示すように、メモリ用キャパシタでは、強誘電体膜(PZT膜)52上に、上部電極の第1層である導電膜(IrO膜)56、上部電極の第2層である導電膜(Ir添加PZT膜)57、及び上部電極の第3層である導電膜(IrO膜)58が積層されている。 As shown in FIG. 6A, in the memory capacitor, on the ferroelectric film (PZT film) 52, a conductive film (IrO x film) 56 that is the first layer of the upper electrode and a conductive film that is the second layer of the upper electrode. A film (Ir-added PZT film) 57 and a conductive film (IrO y film) 58 which is the third layer of the upper electrode are laminated.

導電膜(IrO膜)56及び導電膜(IrO膜)58は、ルチル構造で、(101)配向または(200)配向である。導電膜(IrO膜)56は、成膜時にすでに柱状結晶として形成されている。導電膜(Ir添加PZT膜)57は、ペロブスカイト構造で、ランダム配向している。 The conductive film (IrO x film) 56 and the conductive film (IrO y film) 58 have a rutile structure and have a (101) orientation or a (200) orientation. The conductive film (IrO x film) 56 has already been formed as columnar crystals at the time of film formation. The conductive film (Ir-added PZT film) 57 has a perovskite structure and is randomly oriented.

導電膜(IrO膜)56と導電膜(IrO膜)58との間に、結晶構造及び配向の異なる導電膜(Ir添加PZT膜)57が挟まれていることにより、上部電極の水や水素に対するバリア性が向上しており、強誘電体膜50、52の侵食が抑制されている。 Since a conductive film (Ir-added PZT film) 57 having a different crystal structure and orientation is sandwiched between the conductive film (IrO x film) 56 and the conductive film (IrO y film) 58, The barrier property against hydrogen is improved, and the erosion of the ferroelectric films 50 and 52 is suppressed.

図6Bに示すように、平滑用キャパシタでは、強誘電体膜(PZT膜)52上に、さらに、強誘電体膜(PZT膜)53が積層され、強誘電体膜(PZT膜)53上に、上部電極である導電膜(IrO膜)58が積層されている。 As shown in FIG. 6B, in the smoothing capacitor, a ferroelectric film (PZT film) 53 is further laminated on the ferroelectric film (PZT film) 52, and the ferroelectric film (PZT film) 53 is formed. A conductive film (IrO y film) 58 as an upper electrode is laminated.

強誘電体膜(PZT膜)53は、強誘電体膜(PZT膜)52の結晶性を引き継いで成長し、平滑用キャパシタでは、強誘電体膜(PZT膜)50、52、及び53が、厚いキャパシタ誘電体膜を形成している。   The ferroelectric film (PZT film) 53 grows taking over the crystallinity of the ferroelectric film (PZT film) 52, and in the smoothing capacitor, the ferroelectric films (PZT films) 50, 52, and 53 are A thick capacitor dielectric film is formed.

以上説明したように、第3実施例の方法によれば、メモリ用キャパシタ及び平滑用キャパシタを、同時形成することができる。   As described above, according to the method of the third embodiment, the memory capacitor and the smoothing capacitor can be formed simultaneously.

メモリ用キャパシタは、キャパシタ誘電体膜が薄く形成されて低電圧動作に適し、キャパシタ誘電体膜と上部電極との界面が平坦に形成され反転電荷量が大きく、上述のような積層構造の上部電極により、水や水素に対するバリア性が高められている。   The capacitor for memory is suitable for low voltage operation because the capacitor dielectric film is formed thin, the interface between the capacitor dielectric film and the upper electrode is formed flat, and the amount of inversion charge is large. Thus, the barrier property against water and hydrogen is enhanced.

一方、平滑用キャパシタは、キャパシタ誘電体膜が厚く形成されて、リーク電流が抑制され、絶縁破壊耐圧が高められている。   On the other hand, in the smoothing capacitor, the capacitor dielectric film is formed thick, the leakage current is suppressed, and the dielectric breakdown voltage is increased.

図7に、第3実施例によるメモリ用キャパシタ及び平滑用キャパシタ形成の主なプロセスのフローを示す。第2強誘電体膜(強誘電体膜52)の結晶化までは、第1実施例における図2Aのフローと同様である。第2強誘電体膜の結晶化の後、上部電極第1層(IrO膜56)をパターニングして、メモリ用キャパシタ形成部で残す。 FIG. 7 shows a flow of main processes for forming a memory capacitor and a smoothing capacitor according to the third embodiment. The process up to crystallization of the second ferroelectric film (ferroelectric film 52) is the same as the flow of FIG. 2A in the first embodiment. After the crystallization of the second ferroelectric film, the upper electrode first layer (IrO x film 56) is patterned and left in the memory capacitor forming portion.

メモリ用キャパシタ形成部の上部電極第1層を覆って第2強誘電体膜上に、上部電極第2層/第3強誘電体膜(ABO型酸化物強誘電体膜57)を非晶質で形成する。熱処理により、上部電極第2層/第3強誘電体膜を結晶化させる。 The upper electrode second layer / third ferroelectric film (ABO x- type oxide ferroelectric film 57) is amorphous on the second ferroelectric film so as to cover the upper electrode first layer of the memory capacitor formation portion. Form with quality. The upper electrode second layer / third ferroelectric film is crystallized by heat treatment.

上部電極第2層/第3強誘電体膜上に、上部電極第3層(IrO膜58)を形成する。熱処理により、メモリ用キャパシタ形成部で、上部電極第1層及び第3層から上部電極第2層/第3強誘電体膜にIrを拡散させて、上部電極第2層/第3強誘電体膜を導電膜に変換する。なお、この熱処理で、上部電極第3層も結晶化させている。 An upper electrode third layer (IrO y film 58) is formed on the upper electrode second layer / third ferroelectric film. By heat treatment, Ir is diffused from the upper electrode first layer and the third layer to the upper electrode second layer / third ferroelectric film in the memory capacitor forming portion, so that the upper electrode second layer / third ferroelectric is diffused. The film is converted into a conductive film. The upper electrode third layer is also crystallized by this heat treatment.

その後、上部電極第3層、及びその他の層をパターニングして、メモリ用キャパシタと平滑用キャパシタとを分離する。   Thereafter, the upper electrode third layer and other layers are patterned to separate the memory capacitor and the smoothing capacitor.

次に、第4実施例による半導体装置及びその製造方法について説明する。第4実施例では、第2実施例によるスタック型構造のメモリセル形成技術と、第3実施例によるメモリ用キャパシタと平滑用キャパシタとの作り分け技術とを組み合わせて、スタック型構造のメモリセルを形成する。   Next, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the fourth embodiment will be described. In the fourth embodiment, a stack type structure memory cell forming technique according to the second embodiment is combined with a technique for separately forming the memory capacitor and the smoothing capacitor according to the third embodiment. Form.

図8は、第4実施例による半導体装置の概略断面図である。キャパシタ下部電極膜48の形成工程までは、第2実施例と同様である。キャパシタ下部電極膜48上の全面上に、強誘電体膜50、強誘電体膜52、導電膜56を積層する。   FIG. 8 is a schematic sectional view of a semiconductor device according to the fourth embodiment. The process up to the formation of the capacitor lower electrode film 48 is the same as in the second embodiment. On the entire surface of the capacitor lower electrode film 48, a ferroelectric film 50, a ferroelectric film 52, and a conductive film 56 are stacked.

次に、第3実施例で、図4Bを参照して説明した工程と同様にして、メモリ用キャパシタ形成部に導電膜56を残す。   Next, in the third embodiment, the conductive film 56 is left in the memory capacitor forming portion in the same manner as described with reference to FIG. 4B.

次に、第3実施例で、図4C、図4Dを参照して説明した工程と同様にして、ABO型酸化物膜53を形成し、熱処理を行う。 Next, in the third embodiment, an ABO x- type oxide film 53 is formed and heat-treated in the same manner as described with reference to FIGS. 4C and 4D.

次に、第3実施例で、図4Eを参照して説明した工程と同様にして、ABO型酸化物膜53上に、導電膜58を形成する。さらに、熱処理を行い、メモリ用キャパシタでは、ABO型酸化物膜53を導電膜57に変え、平滑用キャパシタでは、ABO型酸化物膜53を、強誘電体膜52の結晶性を引き継いで結晶化した強誘電体膜53とする。 Next, in the third embodiment, a conductive film 58 is formed on the ABO x- type oxide film 53 in the same manner as described with reference to FIG. 4E. Further, a heat treatment is performed in the memory capacitor is changed ABO x type oxide film 53 on the conductive film 57, the smoothing capacitor, the ABO x type oxide film 53, taking over the crystallinity of the ferroelectric film 52 A crystallized ferroelectric film 53 is formed.

次に、導電膜58上に、第2実施例と同様に、導電膜120を形成する。導電膜120の形成後、第2実施例と同様にして、一括エッチングにより各キャパシタのパターニングを行い、保護膜を形成し、回復熱処理を行い、配線形成を行う。このようにして、メモリ用キャパシタと平滑用キャパシタとが同時形成された、スタック型構造のメモリセルを有する、第4実施例による半導体装置が形成される。   Next, a conductive film 120 is formed on the conductive film 58 as in the second embodiment. After the formation of the conductive film 120, similarly to the second embodiment, the capacitors are patterned by collective etching, a protective film is formed, recovery heat treatment is performed, and wiring is formed. In this manner, the semiconductor device according to the fourth embodiment having the memory cell of the stack type structure in which the memory capacitor and the smoothing capacitor are simultaneously formed is formed.

次に、図9A及び図9Bを参照して、強誘電体キャパシタの特性を調べた実験結果について説明する。図9A及び図9Bに示すA−Capacitor及びB−Capacitorは、以下のようなものである。   Next, with reference to FIG. 9A and FIG. 9B, the experimental results of examining the characteristics of the ferroelectric capacitor will be described. A-Capacitor and B-Capacitor shown in FIGS. 9A and 9B are as follows.

A−Capacitorは、厚さ75nmの強誘電体膜50と、厚さ10nmの強誘電体膜52とが積層されたキャパシタ誘電体膜を有し、第1実施例と同様な上部電極構造を持つキャパシタである。   The A-Capacitor has a capacitor dielectric film in which a ferroelectric film 50 having a thickness of 75 nm and a ferroelectric film 52 having a thickness of 10 nm are stacked, and has an upper electrode structure similar to that of the first embodiment. It is a capacitor.

B−Capacitorは、厚さ75nmの強誘電体膜50と、厚さ10nmの強誘電体膜52と、厚さ10nmの強誘電体膜53とが積層されたキャパシタ誘電体膜を有し、60℃で形成されたIrO膜を上部電極としたキャパシタである。 The B-Capacitor has a capacitor dielectric film in which a ferroelectric film 50 having a thickness of 75 nm, a ferroelectric film 52 having a thickness of 10 nm, and a ferroelectric film 53 having a thickness of 10 nm are stacked. It is a capacitor using an IrO 2 film formed at a temperature of the upper electrode.

A−CapacitorとB−Capacitorとは同時形成され、A−Capacitorが、メモリ用キャパシタに対応し、B−Capacitorが、平滑用キャパシタに対応する。   The A-Capacitor and the B-Capacitor are formed simultaneously, and the A-Capacitor corresponds to the memory capacitor, and the B-Capacitor corresponds to the smoothing capacitor.

図9Aは、キャパシタの反転電荷量Qswと読み出し電圧との関係を示すグラフである。A−Capacitorの反転電荷量Qswは、読み出し電圧に対して、立ち上がりが非常に急峻となっている。飽和反転電荷量も非常に大きい。これに対し、B−Capacitorの反転電荷量Qswは、立ち上がりが緩やかであり、飽和反転電荷量もA−Capacitorの半分程度である。   FIG. 9A is a graph showing the relationship between the inverted charge amount Qsw of the capacitor and the read voltage. The inversion charge amount Qsw of the A-Capacitor has a very steep rise with respect to the read voltage. The saturation inversion charge amount is also very large. On the other hand, the inversion charge amount Qsw of the B-Capacitor rises slowly, and the saturation inversion charge amount is about half that of the A-Capacitor.

A−Capacitorでは、上部電極と強誘電体膜の界面が平坦に形成されていることにより、界面の常誘電体層が薄く、大きな反転電荷量が得られているものと考えられる。なお、B−Capacitorでは、上部電極と強誘電体膜の界面が粗く形成されていることに起因して、界面の常誘電体層が厚く、A−Capacitorに比べて反転電荷量が小さくなっているものと考えられる。なお、メモリ用キャパシタに対し、平滑用キャパシタでは、容量を使用するため、反転電荷量は大きくなくても特に問題とはならない。   In the A-Capacitor, the interface between the upper electrode and the ferroelectric film is formed flat, so that the paraelectric layer at the interface is thin and a large amount of inversion charge is obtained. In the B-capacitor, the interface between the upper electrode and the ferroelectric film is formed rough, so that the paraelectric layer at the interface is thick and the inversion charge amount is smaller than that of the A-capacitor. It is thought that there is. Note that since the smoothing capacitor uses a capacity as compared with the memory capacitor, there is no particular problem even if the inversion charge amount is not large.

図9Bは、キャパシタのリーク電流と印加電圧との関係を示すグラフである。B−Capacitorのリーク電流は、A−Capacitorのそれより2桁以上小さくなっている。   FIG. 9B is a graph showing the relationship between the leakage current of the capacitor and the applied voltage. The leakage current of B-Capacitor is two orders of magnitude smaller than that of A-Capacitor.

B−Capacitorでは、強誘電体膜が3層積層された厚いキャパシタ誘電体膜により、上部電極からある程度イリジウムの拡散があっても、リーク電流が抑制されているものと考えられる。なお、A−Capacitorでは、強誘電体膜が2層積層された薄いキャパシタ絶縁膜に、上部電極からイリジウムが拡散していることに起因して、B−Capacitorに比べてリーク電流が大きくなっているものと考えられる。なお、平滑用キャパシタに対し、メモリ用キャパシタでは、ある程度リーク電流が大きくても特に問題とはならない。   In the B-Capacitor, it is considered that the leakage current is suppressed by the thick capacitor dielectric film in which three layers of ferroelectric films are laminated, even if iridium is diffused to some extent from the upper electrode. In the A-Capacitor, the leakage current is larger than that of the B-Capacitor due to the diffusion of iridium from the upper electrode into the thin capacitor insulating film in which two ferroelectric films are laminated. It is thought that there is. In contrast to the smoothing capacitor, the memory capacitor does not cause a problem even if the leakage current is large to some extent.

なお、上述の第1実施例〜第4実施例では、キャパシタ強誘電体膜50、52としてPZT(La等が添加されたものも含む)を用いる場合を例示したが、強誘電体材料は、PZTに限定されない。例えば、ペロブスカイト構造を有する他の強誘電体材料を用いることもできる。また、ビスマス層状構造の強誘電体材料を用いてもよい。   In the first to fourth embodiments described above, the case where PZT (including those to which La or the like is added) is used as the capacitor ferroelectric films 50 and 52 is exemplified. It is not limited to PZT. For example, other ferroelectric materials having a perovskite structure can be used. Further, a ferroelectric material having a bismuth layer structure may be used.

ビスマス層状構造の強誘電体材料として、(Bi1−x)Ti12(Rは希土類元素、0<x<1)、SrBiTa(SBT)、SrBiTi15や、これらにCa、Sr、Laのいずれか一つ以上の元素を添加したものや、Laが添加されたBiFeO、Laが添加されたBiTiO等を用いることができる。 As the ferroelectric material of the bismuth layer structure, (Bi 1-x R x ) Ti 3 O 12 (R is a rare earth element, 0 <x <1), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), SrBi 4 Ti 4 O 15 , those added with one or more elements of Ca, Sr, and La, BiFeO 3 added with La, BiTiO 3 added with La, and the like can be used.

なお、Laが添加されたSrBiTi15やLaが添加されたBiTiOの結晶化温度は、Laが添加されたPZTの結晶化温度より高い。Laが添加されたSrBiTi15やLaが添加されたBiTiOを用いる場合には、熱処理温度を例えば600℃〜650℃程度とすることが好ましい。 Note that the crystallization temperature of SrBi 4 Ti 4 O 15 to which La is added and BiTiO 3 to which La is added are higher than the crystallization temperature of PZT to which La is added. When using SrBi 4 Ti 4 O 15 to which La is added or BiTiO 3 to which La is added, the heat treatment temperature is preferably about 600 ° C. to 650 ° C., for example.

なお、上述の第1〜第4実施例では、上部電極第1層の導電膜56、上部電極第3層の58としてイリジウム酸化物を用いる場合を例示したが、導電膜56または58の材料は、イリジウム酸化物に限定されるものではない。例えば、ルテニウム(Ru)の酸化物を用いることもできる。例えば、ルテニウムのターゲットを用いた反応性スパッタリングで、酸化ルテニウム膜56、58を形成することができる。   In the first to fourth embodiments described above, the case where iridium oxide is used as the conductive film 56 of the upper electrode first layer and the third electrode 58 of the upper electrode is illustrated, but the material of the conductive film 56 or 58 is It is not limited to iridium oxide. For example, an oxide of ruthenium (Ru) can be used. For example, the ruthenium oxide films 56 and 58 can be formed by reactive sputtering using a ruthenium target.

なお、酸化ルテニウムも酸化イリジウムと同様に正方体構造(ルチル構造)である。上部電極第1層の導電膜56として酸化ルテニウムを用いる場合も、例えば、十分に高い成膜温度のスパッタリングで形成することにより、成膜時に柱状結晶となった導電膜56を形成することができる。なお、導電膜56、58を酸化イリジウムで形成する場合について説明した好ましい膜厚の関係や、好ましい酸素組成比の関係は、導電膜56、58を酸化ルテニウムで形成する場合についても同様である。   Ruthenium oxide also has a tetragonal structure (rutile structure) like iridium oxide. Even when ruthenium oxide is used as the conductive film 56 of the upper electrode first layer, the conductive film 56 that has become columnar crystals at the time of film formation can be formed, for example, by sputtering at a sufficiently high film formation temperature. . Note that the preferable film thickness relationship and the preferable oxygen composition ratio relationship described when the conductive films 56 and 58 are formed of iridium oxide are the same when the conductive films 56 and 58 are formed of ruthenium oxide.

上部電極第2層のABO型酸化物膜57に強誘電体膜を形成し、上部電極第1層、第3層の導電膜56、58に酸化ルテニウム膜を形成した場合は、強誘電体膜57にルテニウムを拡散させることにより、導電膜に変換することができる。なお、組み合わせとしては、上部電極第1層、第3層の導電膜56、58の一方が酸化イリジウム膜、他方が酸化ルテニウム膜、という構造もあり得る。 When a ferroelectric film is formed on the ABO x- type oxide film 57 of the second upper electrode layer and a ruthenium oxide film is formed on the first and third conductive films 56 and 58 of the upper electrode, the ferroelectric film By diffusing ruthenium into the film 57, it can be converted into a conductive film. As a combination, there may be a structure in which one of the upper electrode first layer and third layer conductive films 56 and 58 is an iridium oxide film and the other is a ruthenium oxide film.

以上説明したように、強誘電体キャパシタの上部電極において、酸化イリジウム膜または酸化ルテニウム膜の間に、ペロブスカイト構造あるいはビスマス層状構造を持つABO型酸化物導電膜を挟んだ構造を採用することにより、水や水素等に対するバリア性向上が図られる。 As described above, the upper electrode of the ferroelectric capacitor adopts a structure in which an ABO x- type oxide conductive film having a perovskite structure or a bismuth layer structure is sandwiched between an iridium oxide film or a ruthenium oxide film. In addition, the barrier property against water, hydrogen and the like can be improved.

ペロブスカイト構造あるいはビスマス層状構造を持つABO型酸化物導電膜は、例えば、キャパシタ誘電体膜に用いる強誘電体材料に、上部電極を形成する導電膜からイリジウムまたはルテニウムを拡散させることで形成できる。 An ABO x- type oxide conductive film having a perovskite structure or a bismuth layer structure can be formed, for example, by diffusing iridium or ruthenium from a conductive film forming an upper electrode into a ferroelectric material used for a capacitor dielectric film.

メモリ用キャパシタでは、ABO型酸化物強誘電体膜を導電性に変換して上部電極の一部として用いることができ、平滑用キャパシタでは、ABO型酸化物強誘電体膜をキャパシタ誘電体膜の一部として用いることができる。これにより、メモリ用キャパシタでは、相対的に、薄い強誘電体膜で厚い上部電極を持つキャパシタ構造が得られる。一方、平滑用キャパシタでは、相対的に、厚い強誘電体膜で薄い上部電極を持つキャパシタ構造が得られる。例えば、メモリ用キャパシタの薄い強誘電体膜は、動作電圧低減に好ましく、平滑用キャパシタの厚い強誘電体膜は、リーク電流低減に好ましい。 In the memory capacitor, the ABO x- type oxide ferroelectric film can be converted into conductivity and used as a part of the upper electrode. In the smoothing capacitor, the ABO x- type oxide ferroelectric film is used as the capacitor dielectric. It can be used as part of the membrane. Thereby, in the memory capacitor, a capacitor structure having a relatively thick ferroelectric film and a thick upper electrode can be obtained. On the other hand, with a smoothing capacitor, a capacitor structure having a relatively thick thick ferroelectric film and a thin upper electrode can be obtained. For example, a thin ferroelectric film for a memory capacitor is preferable for reducing operating voltage, and a thick ferroelectric film for a smoothing capacitor is preferable for reducing leakage current.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

以上説明した第1実施例〜第4実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
半導体基板と、
前記半導体基板の第1領域上方に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成された上部電極と
を有し、
前記上部電極は、
酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムで形成された第1導電膜と、
前記第1導電膜上方に形成され、ペロブスカイト構造あるいはビスマス層状結晶構造を持つABO型酸化物で形成された第2導電膜と、
前記第2導電膜上方に形成され、酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムで形成された第3導電膜と
を有する半導体装置。
(付記2)
前記第2導電膜は、強誘電体材料にイリジウムまたはルテニウムが添加されて導電性となった材料で形成されている付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
前記第2導電膜の厚さは、0.5nm〜30nmである付記1または2に記載の半導体装置。
(付記4)
さらに、
前記半導体基板の第2領域上方に形成された他の下部電極と、
前記他の下部電極上に形成された他の強誘電体膜と、
前記他の強誘電体膜上に形成された他の上部電極と
を有し、
前記他の強誘電体膜は、前記強誘電体膜よりも厚く、
前記上部電極の前記第2導電膜は、前記他の強誘電体膜の上層部分と共通な強誘電体材料に、イリジウムまたはルテニウムが添加されて導電性となった材料で形成されている付記1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。
(付記5)
前記他の強誘電体膜のうち前記上層部分より下方の下層部分は、前記強誘電体膜と共通な強誘電体材料で形成されている付記4に記載の半導体装置。
(付記6)
前記他の上部電極は、前記上部電極の前記第3導電膜と共通な導電材料で形成されている付記4または5に記載の半導体装置。
(付記7)
前記上部電極は、前記他の上部電極よりも厚い付記4〜6のいずれか1つに記載の半導体装置。
(付記8)
前記上部電極と前記強誘電体膜との界面は、前記他の上部電極と前記他の強誘電体膜との界面に比べて平坦性が高い付記4〜7のいずれか1つに記載の半導体装置。
(付記9)
前記下部電極、前記強誘電体膜、及び前記上部電極を有する強誘電体キャパシタは、メモリ素子の一部を形成し、前記他の下部電極、前記他の強誘電体膜、及び前記他の上部電極を有する強誘電体キャパシタは、平滑容量素子の一部を形成する付記4〜8のいずれか1つに記載の半導体装置。
(付記10)
前記第3導電膜の膜厚は、前記第1導電膜の膜厚よりも厚い付記1〜9のいずれか1つに記載の半導体装置。
(付記11)
前記第3導電膜の材料の酸素組成比は、前記第1導電膜の材料の酸素組成比よりも大きい付記1〜10のいずれか1つに記載の半導体装置。
(付記12)
半導体基板上方に、下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極上に、強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に、酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムで第1導電膜を形成する工程と、
前記第1導電膜上方に、ペロブスカイト構造あるいはビスマス層状結晶構造を持つABO型酸化物で第2導電膜を形成する工程と、
前記第2導電膜上方に、酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムで第3導電膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記第2導電膜を形成する工程は、
前記第1導電膜上方に、ペロブスカイト構造あるいはビスマス層状結晶構造を持つABO型酸化物強誘電体膜を形成する工程と、
前記第3導電膜の形成後、熱処理により、前記第1導電膜及び前記第3導電膜から、前記ABO型酸化物強誘電体膜へイリジウムまたはルテニウムを拡散させて、前記ABO型酸化物強誘電体膜を、導電性の前記第2導電膜に変換する工程と
を有する付記12に記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)
さらに、前記第1導電膜を、第1領域で残すようにパターニングする工程を有し、
前記ABO型酸化物強誘電体膜を形成する工程は、前記第1領域では前記第1導電膜上に、前記第1領域の外側では前記強誘電体膜上に、前記ABO型酸化物強誘電体膜を形成し、
前記ABO型酸化物強誘電体膜を、導電性の前記第2導電膜に変換する工程は、前記第1導電膜の近傍で、前記ABO型酸化物強誘電体膜を前記第2導電膜に変換し、前記第2導電膜の外側では、前記ABO型酸化物強誘電体膜を強誘電体のまま残し、
前記第2導電膜上方に、前記第3導電膜を形成する工程は、前記第2導電膜の外側では、強誘電体のまま残される前記ABO型酸化物強誘電体膜上に、前記第3導電膜を形成する、付記13に記載の半導体装置の製造方法。
(付記15)
さらに、前記第3導電膜を形成する工程の前に、熱処理を行なって、前記ABO型酸化物強誘電体膜を結晶化させる工程を有する付記14に記載の半導体装置の製造方法。
(付記16)
さらに、パターニングにより、
前記下部電極膜、前記強誘電体膜、及び、前記第1導電膜と前記第2導電膜と前記第3導電膜との積層を有する上部電極膜、を含む強誘電体キャパシタと、
前記下部電極膜、前記強誘電体膜と前記ABO型酸化物強誘電体膜との積層を有する積層強誘電体膜、及び、前記第3導電膜を有する上部電極膜、を含む強誘電体キャパシタと
を形成する工程を有する付記14または15に記載の半導体装置の製造方法。
(付記17)
前記ABO型酸化物強誘電体膜を形成する工程は、高周波スパッタリングで、前記ABO型酸化物強誘電体膜を形成する付記13〜16のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記18)
前記第1導電膜を形成する工程は、成膜時に柱状に結晶化されているように、前記第1導電膜を形成する付記12〜17のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記19)
前記第3導電膜を形成する工程は、成膜時にアモルファスまたは微結晶であるように、前記第3導電膜を形成する付記12〜18のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
The following additional notes are further disclosed regarding the embodiment including the first to fourth examples described above.
(Appendix 1)
A semiconductor substrate;
A lower electrode formed above a first region of the semiconductor substrate;
A ferroelectric film formed on the lower electrode;
An upper electrode formed on the ferroelectric film,
The upper electrode is
A first conductive film formed of iridium oxide or ruthenium oxide;
A second conductive film formed above the first conductive film and formed of an ABO x- type oxide having a perovskite structure or a bismuth layered crystal structure;
And a third conductive film formed above the second conductive film and formed of iridium oxide or ruthenium oxide.
(Appendix 2)
The semiconductor device according to appendix 1, wherein the second conductive film is formed of a material made conductive by adding iridium or ruthenium to a ferroelectric material.
(Appendix 3)
The semiconductor device according to appendix 1 or 2, wherein the thickness of the second conductive film is 0.5 nm to 30 nm.
(Appendix 4)
further,
Another lower electrode formed above the second region of the semiconductor substrate;
Another ferroelectric film formed on the other lower electrode;
Another upper electrode formed on the other ferroelectric film,
The other ferroelectric film is thicker than the ferroelectric film,
The second conductive film of the upper electrode is formed of a material made conductive by adding iridium or ruthenium to a ferroelectric material common to the upper layer portion of the other ferroelectric film. The semiconductor device according to any one of?
(Appendix 5)
The semiconductor device according to appendix 4, wherein a lower layer portion below the upper layer portion among the other ferroelectric films is formed of a ferroelectric material common to the ferroelectric film.
(Appendix 6)
6. The semiconductor device according to appendix 4 or 5, wherein the other upper electrode is formed of a conductive material common to the third conductive film of the upper electrode.
(Appendix 7)
The semiconductor device according to any one of appendices 4 to 6, wherein the upper electrode is thicker than the other upper electrodes.
(Appendix 8)
The semiconductor according to any one of appendices 4 to 7, wherein an interface between the upper electrode and the ferroelectric film has higher flatness than an interface between the other upper electrode and the other ferroelectric film. apparatus.
(Appendix 9)
A ferroelectric capacitor having the lower electrode, the ferroelectric film, and the upper electrode forms a part of a memory element, and the other lower electrode, the other ferroelectric film, and the other upper part are formed. 10. The semiconductor device according to any one of appendices 4 to 8, wherein the ferroelectric capacitor having an electrode forms part of a smoothing capacitive element.
(Appendix 10)
The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 9, wherein the film thickness of the third conductive film is thicker than the film thickness of the first conductive film.
(Appendix 11)
11. The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 10, wherein an oxygen composition ratio of a material of the third conductive film is larger than an oxygen composition ratio of a material of the first conductive film.
(Appendix 12)
Forming a lower electrode film above the semiconductor substrate;
Forming a ferroelectric film on the lower electrode;
Forming a first conductive film on the ferroelectric film with iridium oxide or ruthenium oxide;
Forming a second conductive film on the first conductive film with an ABO x type oxide having a perovskite structure or a bismuth layered crystal structure;
Forming a third conductive film with iridium oxide or ruthenium oxide above the second conductive film.
(Appendix 13)
The step of forming the second conductive film includes:
Forming an ABO x- type oxide ferroelectric film having a perovskite structure or a bismuth layered crystal structure above the first conductive film;
After the formation of the third conductive film, iridium or ruthenium is diffused from the first conductive film and the third conductive film into the ABO x- type ferroelectric film by heat treatment to thereby form the ABO x- type oxide. 13. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 12, further comprising: converting a ferroelectric film into the conductive second conductive film.
(Appendix 14)
And a step of patterning the first conductive film so as to remain in the first region,
Forming the ABO x type oxide ferroelectric layer, wherein the first region on the first conductive layer, the outer side of the first region on the ferroelectric film, the ABO x type oxide Forming a ferroelectric film,
The step of converting the ABO x- type oxide ferroelectric film into the conductive second conductive film includes the step of converting the ABO x- type oxide ferroelectric film to the second conductive film in the vicinity of the first conductive film. Converted into a film, leaving the ABO x- type oxide ferroelectric film as a ferroelectric film outside the second conductive film,
The step of forming the third conductive film above the second conductive film includes the step of forming the third conductive film on the ABO x- type oxide ferroelectric film that remains as a ferroelectric material outside the second conductive film. 14. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 13, wherein a conductive film is formed.
(Appendix 15)
15. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 14, further comprising a step of crystallizing the ABO x- type oxide ferroelectric film by performing a heat treatment before the step of forming the third conductive film.
(Appendix 16)
Furthermore, by patterning,
A ferroelectric capacitor including the lower electrode film, the ferroelectric film, and an upper electrode film having a stack of the first conductive film, the second conductive film, and the third conductive film;
A ferroelectric including the lower electrode film, a laminated ferroelectric film having a laminate of the ferroelectric film and the ABO x- type oxide ferroelectric film, and an upper electrode film having the third conductive film 16. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 14 or 15, comprising a step of forming a capacitor.
(Appendix 17)
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 13 to 16, wherein the step of forming the ABO x- type oxide ferroelectric film includes high-frequency sputtering, and the ABO x- type oxide ferroelectric film is formed. .
(Appendix 18)
The process for forming the first conductive film is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 12 to 17, wherein the first conductive film is formed so that the first conductive film is crystallized in a columnar shape at the time of film formation.
(Appendix 19)
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 12 to 18, wherein the step of forming the third conductive film forms the third conductive film so that the third conductive film is amorphous or microcrystalline at the time of film formation.

42 層間絶縁膜
43 密着膜
44、46 導電膜
48 キャパシタ下部電極
50、52 強誘電体膜
53 強誘電体膜(ABO型酸化物膜)
54 キャパシタ給電体膜
56、58 導電膜(酸化イリジウム膜)
57 ABO型酸化物膜
60 キャパシタ上部電極
64、66 保護膜
42 Interlayer insulating film 43 Adhesion films 44, 46 Conductive film 48 Capacitor lower electrodes 50, 52 Ferroelectric film 53 Ferroelectric film (ABO x- type oxide film)
54 Capacitor power supply films 56, 58 Conductive film (iridium oxide film)
57 ABO x- type oxide film 60 Capacitor upper electrode 64, 66 Protective film

Claims (9)

半導体基板と、
前記半導体基板の第1領域上方に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成された上部電極と
を有し、
前記上部電極は、
酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムで形成された第1導電膜と、
前記第1導電膜上方に形成され、ペロブスカイト構造あるいはビスマス層状結晶構造を持つABO型酸化物で形成された、厚みが0.5nm〜30nmである第2導電膜と、
前記第2導電膜上方に形成され、酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムで形成された第3導電膜と
を有する半導体装置。
A semiconductor substrate;
A lower electrode formed above a first region of the semiconductor substrate;
A ferroelectric film formed on the lower electrode;
An upper electrode formed on the ferroelectric film,
The upper electrode is
A first conductive film formed of iridium oxide or ruthenium oxide;
A second conductive film formed above the first conductive film and formed of an ABO x- type oxide having a perovskite structure or a bismuth layered crystal structure and having a thickness of 0.5 nm to 30 nm;
And a third conductive film formed above the second conductive film and formed of iridium oxide or ruthenium oxide.
前記第2導電膜は、強誘電体材料にイリジウムまたはルテニウムが添加されて導電性となった材料で形成されている請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second conductive film is formed of a material made conductive by adding iridium or ruthenium to a ferroelectric material. さらに、
前記半導体基板の第2領域上方に形成された他の下部電極と、
前記他の下部電極上に形成された他の強誘電体膜と、
前記他の強誘電体膜上に形成された他の上部電極と
を有し、
前記他の強誘電体膜は、前記強誘電体膜よりも厚く、
前記上部電極の前記第2導電膜は、前記他の強誘電体膜の上層部分と共通な強誘電体材料に、イリジウムまたはルテニウムが添加されて導電性となった材料で形成されている請求項1または2に記載の半導体装置。
further,
Another lower electrode formed above the second region of the semiconductor substrate;
Another ferroelectric film formed on the other lower electrode;
Another upper electrode formed on the other ferroelectric film,
The other ferroelectric film is thicker than the ferroelectric film,
The second conductive film of the upper electrode is formed of a material made conductive by adding iridium or ruthenium to a ferroelectric material common to an upper layer portion of the other ferroelectric film. 3. The semiconductor device according to 1 or 2.
前記下部電極、前記強誘電体膜、及び前記上部電極を有する強誘電体キャパシタは、メモリ素子の一部を形成し、前記他の下部電極、前記他の強誘電体膜、及び前記他の上部電極を有する強誘電体キャパシタは、平滑容量素子の一部を形成する請求項3に記載の半導体装置。   A ferroelectric capacitor having the lower electrode, the ferroelectric film, and the upper electrode forms a part of a memory element, and the other lower electrode, the other ferroelectric film, and the other upper part are formed. 4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the ferroelectric capacitor having an electrode forms a part of a smoothing capacitive element. 半導体基板上方に、下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極上に、強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に、酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムで第1導電膜を形成する工程と、
前記第1導電膜上方に、ペロブスカイト構造あるいはビスマス層状結晶構造を持つABO型酸化物で第2導電膜を、厚み0.5nm〜30nmで形成する工程と、
前記第2導電膜上方に、酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムで第3導電膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
Forming a lower electrode film above the semiconductor substrate;
Forming a ferroelectric film on the lower electrode;
Forming a first conductive film on the ferroelectric film with iridium oxide or ruthenium oxide;
Forming a second conductive film with an ABO x type oxide having a perovskite structure or a bismuth layered crystal structure on the first conductive film in a thickness of 0.5 nm to 30 nm ;
Forming a third conductive film with iridium oxide or ruthenium oxide above the second conductive film.
前記第2導電膜を形成する工程は、
前記第1導電膜上方に、ペロブスカイト構造あるいはビスマス層状結晶構造を持つABO型酸化物強誘電体膜を形成する工程と、
前記第3導電膜の形成後、熱処理により、前記第1導電膜及び前記第3導電膜から、前記ABO型酸化物強誘電体膜へイリジウムまたはルテニウムを拡散させて、前記ABO型酸化物強誘電体膜を、導電性の前記第2導電膜に変換する工程と
を有する請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
The step of forming the second conductive film includes:
Forming an ABO x- type oxide ferroelectric film having a perovskite structure or a bismuth layered crystal structure above the first conductive film;
After the formation of the third conductive film, iridium or ruthenium is diffused from the first conductive film and the third conductive film into the ABO x- type ferroelectric film by heat treatment to thereby form the ABO x- type oxide. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, further comprising: converting a ferroelectric film into the conductive second conductive film.
さらに、前記第1導電膜を、第1領域で残すようにパターニングする工程を有し、
前記ABO型酸化物強誘電体膜を形成する工程は、前記第1領域では前記第1導電膜上に、前記第1領域の外側では前記強誘電体膜上に、前記ABO型酸化物強誘電体膜を形成し、
前記ABO型酸化物強誘電体膜を、導電性の前記第2導電膜に変換する工程は、前記第1導電膜の近傍で、前記ABO型酸化物強誘電体膜を前記第2導電膜に変換し、前記第2導電膜の外側では、前記ABO型酸化物強誘電体膜を強誘電体のまま残し、
前記第2導電膜上方に、前記第3導電膜を形成する工程は、前記第2導電膜の外側では、強誘電体のまま残される前記ABO型酸化物強誘電体膜上に、前記第3導電膜を形成する、請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
And a step of patterning the first conductive film so as to remain in the first region,
Forming the ABO x type oxide ferroelectric layer, wherein the first region on the first conductive layer, the outer side of the first region on the ferroelectric film, the ABO x type oxide Forming a ferroelectric film,
The step of converting the ABO x- type oxide ferroelectric film into the conductive second conductive film includes the step of converting the ABO x- type oxide ferroelectric film to the second conductive film in the vicinity of the first conductive film. Converted into a film, leaving the ABO x- type oxide ferroelectric film as a ferroelectric film outside the second conductive film,
The step of forming the third conductive film above the second conductive film includes the step of forming the third conductive film on the ABO x- type oxide ferroelectric film that remains as a ferroelectric material outside the second conductive film. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein three conductive films are formed.
さらに、前記第3導電膜を形成する工程の前に、熱処理を行なって、前記ABO型酸化物強誘電体膜を結晶化させる工程を有する請求項7に記載の半導体装置の製造方法。 8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising a step of crystallizing the ABO x- type oxide ferroelectric film by performing a heat treatment before the step of forming the third conductive film. さらに、パターニングにより、
前記下部電極膜、前記強誘電体膜、及び、前記第1導電膜と前記第2導電膜と前記第3導電膜との積層を有する上部電極膜、を含む強誘電体キャパシタと、
前記下部電極膜、前記強誘電体膜と前記ABO型酸化物強誘電体膜との積層を有する積層強誘電体膜、及び、前記第3導電膜を有する上部電極膜、を含む強誘電体キャパシタと
を形成する工程を有する請求項7または8に記載の半導体装置の製造方法。
Furthermore, by patterning,
A ferroelectric capacitor including the lower electrode film, the ferroelectric film, and an upper electrode film having a stack of the first conductive film, the second conductive film, and the third conductive film;
A ferroelectric including the lower electrode film, a laminated ferroelectric film having a laminate of the ferroelectric film and the ABO x- type oxide ferroelectric film, and an upper electrode film having the third conductive film The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising a step of forming a capacitor.
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