JPH0794680A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
- ️Fri Apr 07 1995
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に
係り, 特に, キャパシタの下部電極として導電性酸化
物，例えば酸化ルテニウム(RuO2)及びルテニウム(Ru)の
２層膜を形成する方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for forming a two-layer film of a conductive oxide such as ruthenium oxide (RuO 2 ) and ruthenium (Ru) as a lower electrode of a capacitor. Regarding
【０００２】DRAMの高集積化, 微細化にともない, キャ
パシタの誘電体膜として高い誘電率を有する酸化物誘電
体が検討されている。この際，導電性酸化物がキャパシ
タの下部電極として多く用いられている。Along with the high integration and miniaturization of DRAMs, oxide dielectrics having a high dielectric constant have been studied as dielectric films for capacitors. At this time, a conductive oxide is often used as the lower electrode of the capacitor.
【０００３】[0003]
【従来の技術】現在の１トランジスタ／１キャパシタで
構成されるメモリセルを有するDRAMにおいては，キャパ
シタの下部電極はトランジスタのソース／ドレインに接
続されねばならない。従って，下部電極はシリコン(Si)
基板に設けられた拡散層，あるいはシリコン基板上に形
成された金属膜で構成される。2. Description of the Related Art In a current DRAM having a memory cell composed of one transistor / one capacitor, the lower electrode of the capacitor must be connected to the source / drain of the transistor. Therefore, the lower electrode is silicon (Si)
It is composed of a diffusion layer provided on the substrate or a metal film formed on a silicon substrate.
【０００４】シリコンを電極として酸化物誘電体膜を形
成すると，その界面に二酸化シリコン(SiO2)膜が形成さ
れて実効的な誘電率は低下してしまう。シリコン上に金
属電極を形成する場合は，白金(Pt)／タンタル(Ta)の複
合電極が検討されているが，その上に酸化物誘電体膜を
形成した場合には，白金が酸素を透過するため，実際に
はタンタルが酸化されてしまい, シリコン基板とコンタ
クトできなくなってしまう。When an oxide dielectric film is formed by using silicon as an electrode, a silicon dioxide (SiO 2 ) film is formed on the interface and the effective dielectric constant is lowered. When forming a metal electrode on silicon, a composite electrode of platinum (Pt) / tantalum (Ta) has been studied, but when an oxide dielectric film is formed on it, platinum permeates oxygen. As a result, tantalum is actually oxidized and it becomes impossible to make contact with the silicon substrate.
【０００５】このために, 酸素のバリア性に優れた導電
性酸化物電極が検討されている。導電性酸化物電極とし
てのRuO2/Ru の２層構造の電極は，RuO2層が有効な酸素
バリアとなり，その下のRu層がRuO2層を形成する際の酸
素バリア層層として機能する。For this reason, conductive oxide electrodes having excellent oxygen barrier properties have been investigated. The RuO 2 / Ru two-layer structure electrode as a conductive oxide electrode has the RuO 2 layer as an effective oxygen barrier, and the underlying Ru layer functions as an oxygen barrier layer layer when forming the RuO 2 layer. .
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】RuO2/Ru の２層構造の
電極をシリコン基板上に形成する場合，最初にシリコン
上に直接形成されるRuのシリサイド化によるRu層および
RuO2層の凹凸が問題となる。また，それぞれの層の膜厚
によっては応力による歪みからRuO2層にヒロック（突
起）を生じる。また，RuO2層の酸素にたいするバリア性
に臨界的な膜厚が存在することがわかった。When an electrode having a two-layer structure of RuO 2 / Ru is formed on a silicon substrate, first, a Ru layer formed by silicidation of Ru formed directly on silicon and
The unevenness of the RuO 2 layer becomes a problem. Also, depending on the film thickness of each layer, hillocks (protrusions) are generated in the RuO 2 layer due to strain due to stress. It was also found that there is a critical film thickness for the barrier property against oxygen in the RuO 2 layer.
【０００７】また，一般的に下部電極として用いられる
導電性酸化物は柱状結晶を形成しやすく，このため結晶
粒界を通じて酸素を通過させてしまうという問題があ
る。本発明は酸化物導電性電極，例えばRuO2/Ru の２層
構造の電極形成において，酸素のバリア性を損なわず，
且つ電極にヒロックの発生を防止することを目的とす
る。In addition, the conductive oxide generally used as the lower electrode easily forms columnar crystals, which causes a problem that oxygen is allowed to pass through the crystal grain boundaries. The present invention does not impair the oxygen barrier property in forming an oxide conductive electrode, for example, an electrode having a two-layer structure of RuO 2 / Ru,
Moreover, the purpose is to prevent the generation of hillocks on the electrodes.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記課題の解決は，１）
半導体基板上に酸化物誘電体膜を用いたキャパシタの下
部電極として酸化ルテニウム(RuO2)／ルテニウム(Ru)の
２層構造の電極を形成するに際し，第１層目のRu膜の成
長条件として, 膜厚ｄを 300Å＜ｄ＜ 500Åとし，基板
温度ＴS を 300℃＜ＴS ＜ 450℃とし，第２層目のRuO2
膜の成長条件として, 膜厚ｄを1000Å＜ｄ＜3000Åと
し，基板温度ＴS を 350℃＜ＴS ＜ 700℃とする半導体
装置の製造方法，あるいは２）半導体基板上に酸化物誘
電体膜を用いたキャパシタの下部電極として導電性酸化
物を, 結晶成長が可能な最低温度または最高成長速度で
成長する半導体装置の製造方法により達成される。[Means for Solving the Problems] 1)
When forming a ruthenium oxide (RuO 2 ) / ruthenium (Ru) two-layer structure electrode as the lower electrode of a capacitor using an oxide dielectric film on a semiconductor substrate, the growth conditions for the first Ru film are The film thickness d is 300Å <d <500Å, the substrate temperature T S is 300 ° C. <T S <450 ° C., and the second layer of RuO 2
As a film growth condition, a film thickness d is set to 1000Å <d <3000Å and a substrate temperature T S is set to 350 ° C. <T S <700 ° C., or 2) an oxide dielectric film on a semiconductor substrate. This can be achieved by a method of manufacturing a semiconductor device in which a conductive oxide is grown as the lower electrode of a capacitor using GaN at the lowest temperature or the highest growth rate that allows crystal growth.
【０００９】[0009]
【作用】本発明者はRuO2/Ru の２層構造の電極形成にお
いて，酸素のバリア性を損なわず且つヒロックを生じな
いRuO2/Ru の成長条件として下記の範囲を実験的に確か
めた。 (1) 第１層目のRu層の成長条件として, 膜厚ｄを 300Å
＜ｄ＜ 500Åとし，成長温度 (基板温度) ＴS を 300℃
＜ＴS ＜ 450℃とする。 (2) 第２層目のRuO2層の成長条件として, 膜厚ｄを1000
Å＜ｄ＜3000Åとし，成長温度 (基板温度) ＴS を 350
℃＜ＴS ＜ 700℃とする。The present inventor has experimentally confirmed the following range as the growth conditions of RuO 2 / Ru that does not impair the oxygen barrier property and does not cause hillocks in the formation of a RuO 2 / Ru two-layer structure electrode. (1) As the growth condition of the first Ru layer, the film thickness d is 300Å
<D <500Å, growth temperature (substrate temperature) T S is 300 ° C
<T S <450 ° C. (2) As the growth condition of the second RuO 2 layer, the film thickness d is 1000
Å <d <3000Å, growth temperature (substrate temperature) T S of 350
℃ <T S <700 ℃.
【００１０】この条件で成長したRuO2/Ru の２層構造の
電極はRuO2の表面にヒロックの形成及び表面のうねりを
抑えることができ，また酸素(O2)のバリア性の優れた電
極を形成できる（図２参照）。The RuO 2 / Ru two-layer structure electrode grown under these conditions can suppress formation of hillocks on the surface of RuO 2 and undulation of the surface, and has excellent oxygen (O 2 ) barrier property. Can be formed (see FIG. 2).
【００１１】また，一般的には酸化物導電性電極を成長
する際，前記柱状結晶の成長を抑えるため結晶成長の最
低温度で成長するか，あるいは高速成長を行う。次に，
上記の限界を越えるとどのように不都合を生じるかを実
験結果より説明する。 (1) に対して， 300Å＞ｄ：Ru膜の酸素バリア効果を示す限界値以下の
領域で, この場合はSi表面は酸化する。Further, in general, when the oxide conductive electrode is grown, it is grown at the minimum crystal growth temperature or is grown at a high speed in order to suppress the growth of the columnar crystals. next,
Experimental results will explain how disadvantages occur when the above limit is exceeded. In contrast to (1), 300Å> d: In the region below the limit value indicating the oxygen barrier effect of the Ru film, the Si surface is oxidized in this case.
【００１２】 ｄ＞ 500Å：ストレスによるヒロックの形成が起こる。 300℃＞ＴS ：結晶性が悪くなる。 ＴS ＞ 450℃：ヒロックが形成する。 (2) に対して， 1000Å＞ｄ：酸素に対するバリア性が十分でなく, 下層
のRu膜へ大量の酸素が漏れてしまう。D> 500Å: hillock formation occurs due to stress. 300 ° C.> T S : Crystallinity deteriorates. T S > 450 ° C .: Hillock is formed. In contrast to (2), 1000Å> d: The barrier property against oxygen is not sufficient, and a large amount of oxygen leaks to the underlying Ru film.
【００１３】 ｄ＞3000Å：ストレスによるヒロックの形成が起こる。 350℃＞ＴS ：結晶性が悪く, 上部に高誘電体膜を形成
した際に, これと反応してしまう。D> 3000Å: hillock formation occurs due to stress. 350 ° C.> T S : The crystallinity is poor, and when a high dielectric film is formed on top, it reacts with it.
【００１４】 ＴS ＞ 700℃：RuO2の分解が起きる。また, 柱状結晶を
形成する。T S > 700 ° C .: RuO 2 decomposition occurs. In addition, columnar crystals are formed.
【００１５】[0015]
【実施例】図１(A) 〜(D) は本発明の実施例を説明する
断面図である。図１(A) において，基板 1上に層間絶縁
膜として二酸化シリコン(SiO2)膜 2を形成し，下部電極
形成部のSiO2膜 2を開口し，ここに堆積とエッチバック
を用いてポリシリコン膜 3を埋め込む。1 (A) to 1 (D) are sectional views for explaining an embodiment of the present invention. In FIG. 1 (A), the substrate 1 a silicon dioxide (SiO 2) as an interlayer insulating film on the film 2 is formed, opening in the SiO 2 film 2 of the lower electrode forming portions, here with a deposition and etchback poly Embed the silicon film 3.
【００１６】次いで, ポリシリコン膜 3上に反応性スパ
ッタ法により, Ru層 4を基板温度400℃で，厚さ 300Å
成長し, 引き続いてRuO2層 5を基板温度 500℃で1500Å
成長した。その後，RuO2/Ru 膜をパターニングして下部
電極とする。Then, the Ru layer 4 is formed on the polysilicon film 3 by the reactive sputtering method at a substrate temperature of 400 ° C. and a thickness of 300 Å.
Then, the RuO 2 layer 5 was grown to 1500 Å at a substrate temperature of 500 ° C.
grown. After that, the RuO 2 / Ru film is patterned to form the lower electrode.
【００１７】ここで，Ru層 4はシリコン表面の酸化を防
ぐために形成され，RuO2層 5が電極として機能する。図
１(B) において，マグネトロンスパッタ法により, 下部
電極を覆って基板上に酸化物誘電体膜としてチタン酸ス
トロンチウム(SrTiO3)膜 6を成膜する。Here, the Ru layer 4 is formed to prevent the oxidation of the silicon surface, and the RuO 2 layer 5 functions as an electrode. In FIG. 1 (B), a strontium titanate (SrTiO 3 ) film 6 is formed as an oxide dielectric film on the substrate by magnetron sputtering to cover the lower electrode.
【００１８】図１(C) において，堆積と異方性エッチン
グを用いて，SrTiO3膜 6の側面に気相成長(CVD) 成長に
よるSiO2膜からなる側壁 7を形成する。図１(D) におい
て，SrTiO3膜 6上に上部電極として白金膜 8を成膜す
る。In FIG. 1C, the side wall 7 made of a SiO 2 film by vapor phase growth (CVD) growth is formed on the side surface of the SrTiO 3 film 6 by using deposition and anisotropic etching. In FIG. 1 (D), a platinum film 8 is formed as an upper electrode on the SrTiO 3 film 6.
【００１９】図２は本発明の効果を示す図(1) である。
図はオージェ電子分光による分析結果である。縦軸は原
子濃度AC (％) を示し, 横軸はRuO2/Ru の２層構造の表
面よりスパッタを行ったときの経過時間 (分)を示す。
用いた試料は前記の成長条件で作成したRuO2/Ru の２層
構造の電極を大気中 700℃でアニールしたものである。FIG. 2 is a diagram (1) showing the effect of the present invention.
The figure shows the analysis results by Auger electron spectroscopy. The vertical axis represents the atomic concentration AC (%), and the horizontal axis represents the elapsed time (minutes) when sputtering was performed from the surface of the RuO 2 / Ru two-layer structure.
The sample used is the RuO 2 / Ru two-layer structure electrode prepared under the above-mentioned growth conditions, which is annealed at 700 ° C. in the atmosphere.
【００２０】この結果より, 表面よりRuO2, Ru, Siが順
次形成されていることが示され, Si表面にはSiO2は形成
されていないことがわかる。従って酸素のバリア性が良
好であることを示している。From these results, it is shown that RuO 2 , Ru and Si are sequentially formed on the surface, and that SiO 2 is not formed on the Si surface. Therefore, it shows that the oxygen barrier property is good.
【００２１】次に，RuO2の成長温度 750℃で成長した結
晶粒径 500ÅのRuO2/Ru 膜とRuO2の成長温度 350℃で成
長した結晶粒径 100ÅのRuO2/Ru 膜のオージェ電子分光
の結果を図３に示す。Next, Auger electrons RuO 2 / Ru film grain size 100Å grown in RuO 2 / Ru film and RuO 2 Growth temperature 350 ° C. the crystal grain size 500Å grown at a growth temperature 750 ° C. of RuO 2 The result of the spectroscopy is shown in FIG.
【００２２】図３(A),(B) は本発明の効果を示す図(2)
である。結晶粒径 500Åの図３(A) では，酸化物電極Ru
O2膜の下部に形成されたバリア層の金属Ru膜を酸化して
いる。そのため，Ru膜の下のSiと反応してSiO2を形成し
てしまう。一方, 結晶粒径 100Åの図３(B) では，酸化
物電極RuO2膜の下部に形成されたバリア層の金属Ru膜は
酸化していないことがわかる。FIGS. 3A and 3B are diagrams showing the effect of the present invention (2)
Is. In Fig. 3 (A) with a crystal grain size of 500Å, the oxide electrode Ru
The metal Ru film of the barrier layer formed under the O 2 film is oxidized. Therefore, it reacts with Si under the Ru film to form SiO 2 . On the other hand, in Fig. 3 (B) with a crystal grain size of 100Å, it can be seen that the metal Ru film of the barrier layer formed below the RuO 2 film of the oxide electrode is not oxidized.
【００２３】酸化物導電性電極を成長する際，前記柱状
結晶の成長を抑えるため結晶成長可能なの最低温度，あ
るいは最高成長速度の一例は以下のようである。 導電性酸化物 最低成長温度 最高成長速度 (この時の成長温度) (℃) （Å／分） (℃) RuO2 350 1000 500 実施例では, 酸化物導電性電極としてRuO2膜を使用した
が，同類のReO2, IrO2, OsO2等についても, これらの結
晶に対して最低成長温度, あるいは最高成長速度で成長
することにより実施例と同等の効果を生じる。An example of the minimum temperature or the maximum growth rate at which crystal growth is possible in order to suppress the growth of the columnar crystals when the oxide conductive electrode is grown is as follows. Conductive oxide minimum growth temperature Maximum growth rate (growth temperature at this time) (℃) (Å / min) (℃) RuO 2 350 1000 500 In the example, the RuO 2 film was used as the oxide conductive electrode. Also, with respect to ReO 2 , IrO 2 , OsO 2, etc. of the same kind, the same effect as that of the embodiment is obtained by growing these crystals at the minimum growth temperature or the maximum growth rate.
【００２４】[0024]
【発明の効果】酸化物導電性電極，例えばRuO2/Ru の２
層構造の電極形成において，本発明によれば下地のシリ
コンを酸化させないため, 電極上に酸化物誘電体を形成
する際に生ずる酸素に対してバリア性を損なわない。従
って下地シリコンとのコンタクトが良くなった。且つ電
極のヒロックの発生を防止することができた。EFFECTS OF THE INVENTION Oxide conductive electrodes such as RuO 2 / Ru 2
According to the present invention, in the formation of a layered electrode, the underlying silicon is not oxidized, so that the barrier property against oxygen generated when the oxide dielectric is formed on the electrode is not impaired. Therefore, the contact with the underlying silicon was improved. Moreover, it was possible to prevent the occurrence of hillocks on the electrodes.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】 本発明の実施例を説明する断面図FIG. 1 is a sectional view illustrating an embodiment of the present invention.
【図２】 本発明の効果を示す図(1)FIG. 2 is a diagram showing the effect of the present invention (1)
【図３】 本発明の効果を示す図(2)FIG. 3 is a diagram showing the effect of the present invention (2)
【符号の説明】[Explanation of symbols]1 半導体基板でSi基板 2 SiO2膜 3 ポリシリコン膜 4 金属Ru膜 5 導電性酸化物膜でRuO2層 6 酸化物誘電体膜でSrTiO3膜 7 SiO2膜からなる側壁 8 上部電極でPt膜1 Si substrate as semiconductor substrate 2 SiO 2 film 3 Polysilicon film 4 Metal Ru film 5 RuO 2 layer as conductive oxide film 6 SrTiO 3 film as oxide dielectric film 7 Sidewall made of SiO 2 film 8 Pt as upper electrode film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/314 Ｍ 7352−4Ｍ 21/3205 21/8242 27/108 Ｈ０１Ｌ 21/88 Ｍ 7210−4Ｍ 27/10 ３２５ Ｊ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location H01L 21/314 M 7352-4M 21/3205 21/8242 27/108 H01L 21/88 M 7210-4M 27/10 325 J