JP2003224207A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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semiconductor device
etching stopper
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Tomohito Okudaira
智仁 奥平
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 化学的エッチングによりキャパシタ下部電極
をパターニングする際に、同一基板上、あるいは複数の
基板間での温度分布に起因して発生する不均一エッチン
グを解消する。 【解決手段】 C48等のエッチングガスを用いて、シ
リコン酸化膜24および22のスパッタエッチングを行
う。このときシリコン窒化膜21は殆どエッチングされ
ないため、シリコン酸化膜24および22に対して十分
にオーバーエッチングとなる条件でエッチングを行う
と、シリコン窒化膜21がエッチングストッパーとな
り、白金膜23上のシリコン酸化膜24、および白金膜
23の下部以外のシリコン酸化膜22が完全に除去さ
れ、白金膜23の下部のみにシリコン酸化膜22が残
り、シリコン酸化膜22と白金膜23との積層体がシリ
コン窒化膜21の表面から突出した形状となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
特に、キャパシタを有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】DRAM(dinamic random access memo
ry)等のキャパシタを有する半導体装置は、キャパシタ
構造の改良だけでは高集積化のスケーリング則にキャパ
シタ容量が対応できないため、キャパシタ絶縁膜を構成
する誘電体として、Ta25、(Ba,Sr)Ti
3、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(La,Ti)
3、SBT(SrBi2Ta29)等の高誘電率の材料
を用いることが検討されている。
【0003】また、不揮発性メモリにおいては強誘電体
の分極反転を利用した強誘電体メモリの開発が行われて
いる。
【0004】キャパシタ絶縁膜を上記のような高誘電率
の材料で構成する場合、キャパシタ電極としては、一般
的には白金族元素または白金族元素の酸化物を主成分と
した材料で構成する。
【0005】白金族元素は一般的に化合物の蒸気圧が低
いため、電極成形に際しては、エネルギーの高いイオン
を用いてエッチングする、いわゆるスパッタエッチング
が用いられている。この方法は物理的エッチングであ
り、マスク材料と被加工物の選択比が小さい、エッチン
グ断面がテーパー形状を呈する、微細加工が困難などの
問題を有していた。
【0006】そこで、ウェハ温度を高温に保ち、反応性
化合物の蒸気圧を上げることで化学的にエッチングする
手法を併せて用いる反応性イオンエッチング等の技術が
検討された。この手法では、電極成形のマスク材料とし
て、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、窒化チタン膜等
の耐熱性材料、いわゆるハードマスクを使用する。
【0007】以下、反応性イオンエッチングを用いた従
来の製造方法手法について、製造工程を順に示す断面図
である図15〜図21を用いて説明する。
【0008】まず、図15に示す工程において、シリコ
ン基板1を準備し、素子間を電気的に分離するとともに
素子形成領域となる活性領域を規定する素子分離絶縁膜
3を形成する。そして、素子分離絶縁膜3で規定される
活性領域上に、MOSトランジスタのゲート絶縁膜4お
よびゲート電極5を選択的に形成する。そして、ゲート
電極5をマスクとして、シリコン基板1の主面内にソー
ス・ドレイン層となる不純物拡散層2を選択的に形成す
る。
【0009】その後、MOSトランジスタを完全に覆う
ようにシリコン基板1上に層間絶縁膜6を形成する。こ
のとき、層間絶縁膜6内に、所定の不純物拡散層2に接
続されるコンタクトプラグ7(ビット線コンタクト)
と、該コンタクトプラグ7を介して所定の不純物拡散層
2に電気的に接続されるビット線8を形成する。
【0010】そして、層間絶縁膜6上にエッチングスト
ッパーとしてシリコン窒化膜11を形成した後、層間絶
縁膜6およびシリコン窒化膜11を貫通して所定の不純
物拡散層2に接続される複数のコンタクトプラグ10
(ストレージノードコンタクト)を形成する。なお。コ
ンタクトプラグ7および10はポリシリコン等の導電体
で構成されている。
【0011】次に、図16に示す工程において、シリコ
ン窒化膜11上に白金膜12およびシリコン酸化膜13
を順次形成する。その後、シリコン酸化膜13上に、キ
ャパシタ下部電極(ストレージノード)のパターンに対
応するようにパターニングされたレジストマスクRM1
を形成する。
【0012】次に、図17に示す工程において、レジス
トマスクRM1をエッチングマスクとしてシリコン酸化
膜13をパターニングする。これがハードマスクとな
る。
【0013】次に、図18に示す工程において、このハ
ードマスクをエッチングマスクとして白金膜12をパタ
ーニングし、キャパシタ下部電極を形成する。その後、
キャパシタ下部の下層のシリコン窒化膜11をエッチン
グストッパーとして、ハードマスクであるシリコン酸化
膜13を除去する。
【0014】次に、図19に示す工程において、キャパ
シタ下部電極である白金膜12を被覆するようにキャパ
シタ誘電体膜14を形成し、キャパシタ誘電体膜14上
に導体膜を形成してキャパシタ上部電極15とする。こ
れらキャパシタ下部電極12、キャパシタ誘電体膜13
およびキャパシタ上部電極13でキャパシタCPが構成
される。
【0015】なお、上述した従来の手法の他に、特開平
9−266200号公報には、強誘電体や白金電極の微
細加工の容易な実現を目的として以下の製造技術が開示
されている。
【0016】すなわち、半導体基板上のデバイス絶縁膜
上に下層白金膜、強誘電体膜および上層白金膜の多層膜
を形成し、当該多層膜厚上に、多層膜の10分の1以下
の膜厚のチタン膜を形成する。チタン膜をフォトレジス
ト膜を用いてパターニングした後、このパターニングさ
れたチタン膜をエッチングマスクとして、多層膜を酸素
濃度40%の酸素および塩素の混合ガスでエッチングす
る。その後、チタン膜を塩素ガスでエッチング除去する
工程が示されている。
【0017】また、特開平2000−183303号公
報には、ルテニウム電極の微細加工を異方性良く行うこ
とを目的として以下の製造技術が開示されている。
【0018】すなわち、シリコン酸化膜上にシリコン窒
化膜、ルテニウム膜および白金膜の多層膜を形成し、当
該多層膜上にシリコン酸化膜を形成する。最上部のシリ
コン酸化膜をフォトレジスト膜を用いてパターニングし
た後、このパターニングされたシリコン酸化膜をエッチ
ングマスクとして、白金膜およびルテニウム膜をエッチ
ングする。最後にエッチングマスクとして使用したシリ
コン酸化膜を、ルテニウム下層に形成されたシリコン窒
化膜をエッチングストッパーとして除去する工程が示さ
れている。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】ここで問題となるの
が、白金族元素で構成されるキャパシタ下部電極のパタ
ーニング工程である。先に説明したように、白金族元素
のエッチングに際しては化学的エッチングが寄与する
が、白金族元素のエッチング特性は温度依存性が大き
く、ウェハ上での温度分布や、同時に処理を受ける複数
のウェハ間での温度分布に起因して、ウェハ面上で、あ
るいは複数のウェハ間でエッチング速度(エッチングレ
ート)が均一にならないという問題が生じる。
【0020】例えば、キャパシタ下部電極のパターニン
グのエッチング条件として、エッチングガスとして塩素
ガスおよびアルゴンガスを使用し、それぞれの流量を1
20sccmおよび30sccmとして、反応室内の圧
力を20×0.1333Pa(20mTorr)とした
場合の白金(Pt)、シリコン窒化膜(SiN)および
シリコン酸化膜(SiO2)のエッチングレートの温度
依存性を図20に示す。
【0021】図20において、横軸にウェハ温度(℃)
を、縦軸にエッチングレート(nm/min)を示して
おり、図から明らかなように白金のエッチングレートの
温度依存性が極めて大きいことが判る。
【0022】これは白金膜のエッチングレートが、ウェ
ハ面上で、あるいは複数のウェハ間での温度分布の影響
を強く受けることを示している。
【0023】ここで、上述した製造工程において、ウェ
ハの設定温度を370℃とし、シリコン窒化膜11上の
厚さ200nmの白金膜12をパターニングする場合を
想定する。このとき、シリコン基板1の主面上において
は、最低温度領域360℃、最高温度領域380℃とな
る温度分布が生じ、シリコン基板1の主面上で20℃の
温度差があるものとする。
【0024】最低温度領域(360℃)でのオーバーエ
ッチング量を10%とした場合、白金膜12のエッチン
グ時間を図20の特性から求めると、3分40秒とな
る。このときの下地のシリコン窒化膜11のエッチング
量は37nmとなる。
【0025】一方、最高温度領域(380℃)での白金
膜12のエッチング時間を図20の特性から求めると、
約2分20秒でエッチングが終了するため、1分20秒
間は下地のシリコン窒化膜11がエッチングされ、その
エッチング量は142nmにもなる。
【0026】ここで、上述した温度分布がある場合の白
金膜12のエッチング状態を、図21に模式的に示す。
なお、図21は、図18を用いて説明した工程を示して
いるが、簡略化のため、MOSトランジスタの構造等に
ついては記載を省略している。
【0027】図21に示すように、シリコン窒化膜11
の突出部を含めた白金膜12の高さが、同じ基板上で、
237nmから342nmまで変化するため、アスペク
ト比が場所によって異なり、後に形成されるキャパシタ
誘電体膜による均一な厚さでの被覆が困難となる。
【0028】図22には、キャパシタ誘電体膜14およ
びキャパシタ上部電極15を形成した状態を示す。
【0029】図22に示すように、シリコン窒化膜11
のエッチング量に差が生じることで、同じ基板上でシリ
コン窒化膜11の厚さに分布が生じる。このためキャパ
シタ上部電極15と層間絶縁膜6中に存在する配線層、
例えばビット線8との間の寄生容量PCにも差が生じ、
容量設計が困難になる。
【0030】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、化学的エッチングによりキャパシ
タ下部電極をパターニングする際に、同一基板上、ある
いは複数の基板間での温度分布に起因して発生する不均
一エッチングを解消することを目的とする。
【0031】
【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項1記
載の半導体装置の製造方法は、下地層の上に選択的に形
成された下部電極と、該下部電極を覆う誘電体膜と、該
誘電体膜を間に挟んで前記下部電極に対向して配設され
た上部電極とを有するキャパシタを備えた半導体装置の
製造方法であって、前記下地層として、層間絶縁膜上
に、互いに材質が異なる第1および第2のエッチングス
トッパー膜を順に形成する工程(a)と、前記第2のエッ
チングストッパー膜上に、前記下部電極となる導電体膜
を形成する工程(b)と、前記導電体膜上に、前記下部電
極の平面パターンに対応するパターンを有するハードマ
スクを形成する工程(c)と、前記ハードマスクをエッチ
ングマスクとし、前記第2のエッチングストッパー膜を
エッチングストッパーとして、少なくとも前記導電体膜
をパターニングして前記下部電極を形成する工程(d)
と、前記第1のエッチングストッパー膜をエッチングス
トッパーとして、少なくとも前記下部電極の下部以外の
前記第2のエッチングストッパー膜を完全に除去する工
程(e)と、前記下部電極および、その下部に残る前記第
2のエッチングストッパー膜を被覆するように前記誘電
体膜および前記上部電極を形成する工程(f)とを備えて
いる。
【0032】本発明に係る請求項2記載の半導体装置の
製造方法は、前記工程(b)が、前記導電体膜を、白金族
元素、または白金族元素を含んだ酸化物を主成分として
形成する工程を含んでいる。
【0033】本発明に係る請求項3記載の半導体装置の
製造方法は、前記工程(a)が、前記第1のエッチングス
トッパー膜をシリコン窒化膜で形成し、前記第2のエッ
チングストッパー膜をシリコン酸化膜で形成する工程を
含んでいる。
【0034】本発明に係る請求項4記載の半導体装置の
製造方法は、前記工程(c)が、前記ハードマスクをシリ
コン酸化膜で形成する工程を含み、前記工程(e)が、前
記ハードマスクも併せて除去する工程を含んでいる。
【0035】本発明に係る請求項5記載の半導体装置の
製造方法は、前記工程(c)に先だって、前記導電体膜上
に、前記第2のエッチングストッパー膜に対するエッチ
ング選択比の小さい犠牲膜を形成する工程と、前記工程
(f)に先だって、前記下部電極上に残る前記犠牲膜を除
去する工程とをさらに備え、前記工程(d)は、前記ハー
ドマスクをエッチングマスクとして、前記犠牲膜もパタ
ーニングする工程を含んでいる。
【0036】本発明に係る請求項6記載の半導体装置の
製造方法は、前記犠牲膜が、Ti、TiN、TiSi
N、AlN、TiAlN、BST(barium strontium t
itanate)、ST(SrTiO3)、BT(BaTi
3)、PZT(lead zirconate titanate)、PLZT
(La添加PZT)、PT(PbTiO3)およびPZ
(PbZrO3)から選択される何れかである。
【0037】本発明に係る請求項7記載の半導体装置の
製造方法は、前記犠牲膜を除去する工程が、前記犠牲膜
がTi、TiN、TiSiN、AlNおよびTiAlN
から選択される何れかである場合は、反応性イオンエッ
チングにより前記犠牲膜を除去する工程を含み、イオン
によるスパッタリングの寄与が低い状態でエッチングが
進行する条件を選択するものである。
【0038】本発明に係る請求項8記載の半導体装置の
製造方法は、前記犠牲膜を除去する工程が、前記犠牲膜
がBST、ST、BT、PZT、PLZT、PTおよび
PZから選択される何れかである場合は、ウエットエッ
チングにより前記犠牲膜を除去する工程を含んでいる。
【0039】本発明に係る請求項9記載の半導体装置の
製造方法は、前記工程(c)が、前記ハードマスクを金属
酸化物で形成する工程を含み、前記工程(f)に先だっ
て、前記下部電極上に残る前記金属酸化物を除去する工
程をさらに備えている。
【0040】本発明に係る請求項10記載の半導体装置
の製造方法は、前記金属酸化物が誘電体である。
【0041】本発明に係る請求項11記載の半導体装置
の製造方法は、前記誘電体が、BST、ST、BT、P
ZT、PLZT、PTおよびPZから選択される何れか
である。
【0042】本発明に係る請求項12記載の半導体装置
は、下地層の上に選択的に配設された下部電極と、該下
部電極を覆う誘電体膜と、該誘電体膜を間に挟んで前記
下部電極に対向して配設された上部電極とを有するキャ
パシタを備えた半導体装置であって、前記下地層が、層
間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に全面に渡って配設され
た第1のエッチングストッパー膜と、前記第1のエッチ
ングストッパー膜上に、前記下部電極の平面パターンに
対応するパターンを有して配設された第2のエッチング
ストッパー膜とを有し、前記下部電極が、第2のエッチ
ングストッパー膜上に配設され、前記誘電体膜および前
記上部電極が、前記下部電極および、その下部の前記第
2のエッチングストッパー膜を被覆するように配設され
ている。
【0043】本発明に係る請求項13記載の半導体装置
は、前記下部電極が、白金族元素、または白金族元素を
含んだ酸化物を主成分として構成されている。
【0044】本発明に係る請求項14記載の半導体装置
の製造方法は、前記第1のエッチングストッパー膜が、
シリコン窒化膜で構成され、前記第2のエッチングスト
ッパー膜が、シリコン酸化膜で構成される。
【0045】
【発明の実施の形態】<A.装置構成>本発明に係る実
施の形態として、図1に半導体装置100の断面構成を
示す。図1に示すように、シリコン基板1上には層間絶
縁膜6が配設され、シリコン基板1の表面内には、MO
Sトランジスタのソース・ドレイン層となる不純物拡散
層2が選択的に複数配設され、またMOSトランジスタ
間を電気的に分離するとともに不純物拡散層2を含む活
性領域を規定する素子分離絶縁膜3が選択的に複数配設
されている。
【0046】また、層間絶縁膜6内には、隣り合う不純
物拡散層2の間のシリコン基板1上に対応してMOSト
ランジスタのゲート電極5が配設されている。なお、ゲ
ート電極5とシリコン基板1との間にはゲート絶縁膜4
が配設されている。
【0047】また、層間絶縁膜6上には、第1のエッチ
ングストッパーとして厚さ20nm程度のシリコン窒化
膜21が配設され、シリコン窒化膜21上には選択的に
厚さ100nm程度のシリコン酸化膜22が配設されて
いる。このシリコン酸化膜22は、製造工程においては
第2のエッチングストッパーとして機能する。
【0048】そして、シリコン酸化膜22、シリコン窒
化膜21および層間絶縁膜6を貫通して所定の不純物拡
散層2に達する複数のコンタクトプラグ10(ストレー
ジノードコンタクト)が配設されている。
【0049】また、層間絶縁膜6内にはビット線8が選
択的に配設され、当該ビット線8はコンタクトプラグ7
(ビット線コンタクト)を介して所定の不純物拡散層2
に接続されている。なお、コンタクトプラグ7および1
0は窒化チタンやポリシリコン等の導電体で構成されて
いる。
【0050】シリコン酸化膜22上にはキャパシタ下部
電極である白金膜23が配設されており、シリコン酸化
膜22の平面パターンは白金膜23の平面パターンに合
致している。
【0051】そして、シリコン酸化膜22および白金膜
23を被覆するようにキャパシタ誘電体膜14が配設さ
れ、その上にはキャパシタ上部電極15が配設されて、
キャパシタCP1が構成されている。
【0052】このような構成の半導体装置100におい
ては、シリコン窒化膜21の存在により、キャパシタ下
部電極の下層の絶縁膜のエッチング厚さが、シリコン酸
化膜22の厚さに、均一に規定されるので、白金膜23
のパターニングに際して、不均一エッチングが生じるこ
とが防止される。
【0053】<B.製造方法>以下、半導体装置100
の製造工程を順に示す断面図である図2〜図6を用い
て、上記効果についてさらに説明する。
【0054】まず、図2に示す工程において、シリコン
基板1を準備し、素子間を電気的に分離するとともに素
子形成領域となる活性領域を規定する素子分離絶縁膜3
を形成する。そして、素子分離絶縁膜3で規定される活
性領域上に、MOSトランジスタのゲート絶縁膜4およ
びゲート電極5を選択的に形成する。そして、ゲート電
極5をマスクとして、シリコン基板1の主面内にソース
・ドレイン層となる不純物拡散層2を選択的に形成す
る。
【0055】その後、MOSトランジスタを完全に覆う
ようにシリコン基板1上に層間絶縁膜6を形成する。こ
のとき、層間絶縁膜6内に、所定の不純物拡散層2に接
続されるコンタクトプラグ7(ビット線コンタクト)
と、該コンタクトプラグ7を介して所定の不純物拡散層
2に電気的に接続されるビット線8を形成する。
【0056】そして、層間絶縁膜6上に第1のエッチン
グストッパーとして厚さ20nm程度のシリコン窒化膜
21を形成した後、シリコン窒化膜21上に第2のエッ
チングストッパーとして厚さ100nm程度のシリコン
酸化膜22を、何れも減圧CVD法などで形成する。
【0057】なお、シリコン窒化膜21の代わりに、B
ST(barium strontium titanate)、ST(SrTi
3)、BT(BaTiO3)、PZT(lead zirconate
titanate)、PLZT(La添加PZT)、PT(P
bTiO3)およびPZ(PbZrO3)等の誘電体膜を
スパッタリング法で形成しても良い。
【0058】そして、シリコン酸化膜22、シリコン窒
化膜21および層間絶縁膜6を貫通して所定の不純物拡
散層2に達するコンタクトホールを形成した後、窒化チ
タン等の導電体層をシリコン酸化膜22に形成し、当該
導電体層をコンタクトホール内に充填する。その後、シ
リコン酸化膜22の導電体層をCMP(chemical mecha
nical polishing)法などで平坦化することで、所定の
不純物拡散層2に電気的に接続される複数のコンタクト
プラグ10を形成する。
【0059】次に、図3に示す工程において、シリコン
酸化22上に厚さ200nm程度の白金膜23を、例え
ばスパッタリング法により形成し、白金膜23の上にハ
ードマスクとなる厚さ400nm程度のシリコン酸化膜
24を、例えばプラズマCVD法により形成する。ここ
で、図3〜図6においては、簡略化のため、MOSトラ
ンジスタの構造等については記載を省略している。
【0060】なお、白金膜23はシリコン酸化膜22と
の密着力が弱いため、白金膜23の下主面とシリコン酸
化膜22との間、および白金膜23の上主面とシリコン
酸化膜24との間に、チタン膜あるいは窒化チタン(T
iN)膜等の薄い層(密着層)AD1およびAD2を形
成することで、密着力を高めるようにしても良い。
【0061】密着層AD1およびAD2の厚さは1〜2
0nm(10〜200Å)であり、チタン膜および窒化
チタン膜の代わりに、タンタル(Ta)、コバルト(C
o)等の金属膜、およびこれらの窒化物膜、硫化窒化物
膜を形成しても良い。
【0062】次に、図4に示す工程において、シリコン
酸化膜24上に、キャパシタ下部電極のパターンに対応
するようにパターニングされたレジストマスクRM11
を形成し、レジストマスクRM11をエッチングマスク
としてシリコン酸化膜24をエッチングによりパターニ
ングする。このエッチングにおいては、白金膜23がエ
ッチングストッパーとなる。
【0063】次に、図5に示す工程において、シリコン
酸化膜24上に残るレジストマスクRM11を、例えば
酸素プラズマ処理等で除去した後、シリコン酸化膜24
をハードマスクとして白金膜23をドライエッチングに
よりパターニングする。このエッチング条件は、例えば
370℃の温度条件下で、塩素ガスおよびアルゴンガス
を使用し、それぞれの流量を120sccmおよび30
sccmとし、反応室内の圧力を20×0.1333P
a(20mTorr)程度とする。
【0064】また、このエッチングにおいては、高周波
(RF)放電により塩素ガスおよびアルゴンガスを励起
させて発生するプラズマを用いた反応性イオンエッチン
グ装置を使用し、プラズマの生成に使用されるRFパワ
ー(ソースパワー)を1kW、プラズマからウェハに入
射するイオンのエネルギーを調整するためにウェハに加
えられるバイアスパワーを300Wとする。
【0065】この場合、従来例で説明したように、シリ
コン基板1の主面上においては、最低温度領域360
℃、最高温度領域380℃となる温度分布が生じ、シリ
コン基板1の主面上で20℃の温度差が生じる。
【0066】そして、最低温度領域(360℃)でのオ
ーバーエッチング量を10%とした場合、白金膜12の
エッチング時間を図20の特性から求めると、3分40
秒となる。このときのシリコン酸化膜22のエッチング
量は25nmとなる。
【0067】一方、最高温度領域(380℃)での白金
膜12のエッチング時間を図20の特性から求めると、
約2分20秒でエッチングが終了するため、1分20秒
間はシリコン酸化膜22がエッチングされ、そのエッチ
ング量は98nmとなる。従って、この状態では、シリ
コン酸化膜22の突出部を含めた白金膜23の高さは、
同じ基板上で、225nmから298nmまで変化して
いる。
【0068】また、ハードマスクであるシリコン酸化膜
24は、当初の厚さが400nm程度であるので、3分
40秒のエッチングでは、最大で130nm程度は残る
ことになる。なお、シリコン酸化膜24の上部は、スパ
ッタエッチングにより削られて断面形状が三角形となっ
ている。
【0069】次に、図6に示す工程において、例えばC
48等のエッチングガスを用いて、シリコン酸化膜24
および22のスパッタエッチングを行う。このときシリ
コン窒化膜21は殆どエッチングされないため、シリコ
ン酸化膜24および22に対して十分にオーバーエッチ
ングとなる条件でエッチングを行うと、シリコン窒化膜
21がエッチングストッパーとなり、白金膜23上のシ
リコン酸化膜24、および白金膜23の下部以外のシリ
コン酸化膜22が完全に除去され、白金膜23の下部の
みにシリコン酸化膜22が残り、シリコン酸化膜22と
白金膜23との積層体がシリコン窒化膜21の表面から
突出した形状となる。
【0070】この結果、基板上に温度分布が存在する場
合においても、キャパシタ下部電極の下層の絶縁膜のエ
ッチング厚さが、シリコン酸化膜22の厚さに均一に規
定されることになる。これは、複数の基板間で温度分布
が存在する場合においても同様である。
【0071】なお、上記シリコン酸化膜のエッチングに
より白金膜23とシリコン酸化膜24との間の密着層A
D2は除去されるが、シリコン酸化膜22と白金膜23
との間の密着層AD1は残る。
【0072】また、上述したシリコン酸化膜22の膜厚
は一例であり、ウェハ温度、温度分布などにより最適膜
厚を変えるようにすれば良いが、一般にウェハ温度が高
温になるほど、また温度分布が小さくなるほどシリコン
酸化膜22の膜厚を薄くできる。
【0073】<C.作用効果>以上説明したように、本
発明に係る実施の形態の半導体装置の製造方法によれ
ば、化学的エッチングによりキャパシタ下部電極をパタ
ーニングする際に、同一基板上、あるいは複数の基板間
での温度分布に起因して発生する不均一エッチングを解
消でき、キャパシタ下部電極上に形成されるキャパシタ
誘電体膜による均一な厚さでの被覆を可能にできる。
【0074】また、キャパシタ下部電極の下層の絶縁膜
中に形成される配線層、例えばビット線とキャパシタ上
部電極との間の寄生容量も均一にでき、容量設計が容易
となる。
【0075】<D.変形例1>以上説明した本発明に係
る実施の形態においては、図6を用いて、白金膜23上
のシリコン酸化膜24および白金膜23の下部以外のシ
リコン酸化膜22をエッチングにより除去する工程を示
したが、このスパッタエッチングにより白金膜23の上
部端縁部も若干除去され、曲率を有して丸みを帯びた形
状となる可能性がある。この場合、上部端縁部が丸みを
帯びることでキャパシタ下部電極の表面積が変化するこ
とになる。そして、上部端縁部の曲率を制御することは
困難であるため、複数のキャパシタ下部電極の表面積を
均一にするためには、白金膜23の上部端縁部のエッチ
ングを防止することが望ましい。
【0076】以下、図7〜図10を用いて白金膜23の
上部端縁部のエッチングを防止する製造方法について説
明する。なお。図7〜図10においては、簡略化のた
め、MOSトランジスタの構造等については記載を省略
している。
【0077】まず、図2を用いて説明した工程を経て、
シリコン酸化22上に厚さ200nm程度の白金膜23
を、例えばスパッタリング法により形成する。なお、白
金膜23の下主面とシリコン酸化膜22との間に薄い密
着層AD1を形成しても良いことは言うまでもない。
【0078】その後、図7に示す工程において、白金膜
23上に犠牲膜として、厚さ20nm程度の窒化チタン
(TiN)膜31を、例えばスパッタリング法により形
成する。なお、犠牲膜はTiNに限らずTiSiN、A
lN、TiAlNなどの材料、その他のTiあるいはA
lを主成分とした膜、およびBST等の誘電体膜などで
も良く、シリコン酸化膜に対するエッチング選択比の小
さいものを使用すれば良い。また、厚さも20nmに限
定されるものではなく、シリコン酸化膜に対するエッチ
ング選択比等を考慮して決定すれば良い。
【0079】その後、白金膜23の上にハードマスクと
なる厚さ400nm程度のシリコン酸化膜24を、例え
ばプラズマCVD法により形成する。
【0080】その後、シリコン酸化膜24上に、キャパ
シタ下部電極のパターンに対応するようにパターニング
されたレジストマスク(図示せず)を形成し、当該レジ
ストマスクをエッチングマスクとしてシリコン酸化膜2
4をエッチングによりパターニングする。このエッチン
グにおいては、白金膜23がエッチングストッパーとな
る。
【0081】次に、図8に示す工程において、シリコン
酸化膜24上に残るレジストマスクを、例えば酸素プラ
ズマ処理等で除去した後、シリコン酸化膜24をハード
マスクとして窒化チタン膜31および白金膜23をドラ
イエッチングによりパターニングする。このときのエッ
チング条件は、実施の形態において図5を用いて説明し
た工程と同じである。
【0082】このエッチングにより、ハードマスクであ
るシリコン酸化膜24の上部は、スパッタエッチングに
より削られて断面形状が三角形となる。
【0083】次に、図9に示す工程において、例えばC
48等のエッチングガスを用いて、シリコン窒化膜21
をエッチングストッパーとしてシリコン酸化膜24およ
び22のスパッタエッチングを行い、白金膜23上のシ
リコン酸化膜24および白金膜23の下部以外のシリコ
ン酸化膜22を完全に除去する。
【0084】このとき、窒化チタン膜31の端縁部はス
パッタエッチングにより丸みを帯びるが、窒化チタン膜
31の厚さを20nm程度とすることで、完全に除去さ
れることはなく、白金膜23の上部端縁部にまでスパッ
タエッチングが及ぶことが防止される。
【0085】なお、実施の形態においては、白金膜23
の上主面とシリコン酸化膜22との間に薄い窒化チタン
膜を形成して密着層AD2とする構成を示したが、この
密着層AD2が厚ければ、窒化チタン膜31と同様に白
金膜23の保護膜としても機能することは言うまでもな
い。
【0086】次に、図10に示す工程において、窒化チ
タン膜31をスパッタエッチングにより除去する。この
エッチング条件は、例えば、塩素ガスを使用し、ソース
パワーを500〜2000W、バイアスパワーを20〜
50Wの低バイアス条件とすることで、スパッタリング
の寄与が低い状態で反応性エッチングが進行し、窒化チ
タン膜31は除去されるが、その下層の白金膜23には
スパッタエッチングが及ばないようにできる。
【0087】なお、犠牲膜としてTiSiN、AlN、
TiAlN、その他のTiあるいはAlを主成分とした
膜を用いた場合でも同様の手法で白金膜23の上部端縁
部が丸みを帯びることを抑制できる。また、犠牲膜とし
て、BST、ST、BT、PZT、PLZT、PTおよ
びPZ等の誘電体膜を用いた場合には、例えば硝酸溶液
を用いたウエットエッチングを行うことで、白金膜23
やその下地層を損なうことなく犠牲層を除去することが
できる。
【0088】以上説明したように、白金膜23上に犠牲
膜31を形成し、ハードマスクの除去に際しての白金膜
23の保護膜とすることで、白金膜23の上部端縁部が
丸みを帯びることが抑制できる。
【0089】また、犠牲膜31の除去に際してはスパッ
タエッチングを低バイアス条件で行う、あるいはウエッ
トエッチングを行うことで、白金膜23の上部端縁部が
丸みを帯びることが抑制できる。
【0090】<E.変形例2>白金膜23の上部端縁部
が丸みを帯びることを防止するには、ハードマスクの除
去をウエットエッチングにより行うことも有効である。
【0091】以下、図11〜図14を用いて白金膜23
の上部端縁部のエッチングを防止する製造方法について
説明する。なお。図11〜図14においては、簡略化の
ため、MOSトランジスタの構造等については記載を省
略している。
【0092】まず、図2を用いて説明した工程を経て、
シリコン酸化22上に厚さ200nm程度の白金膜23
を、例えばスパッタリング法により形成する。
【0093】その後、図11に示す工程において、白金
膜23上にハードマスクとして厚さ70nmのBST膜
41を例えばスパッタリング法により形成する。なお、
白金膜23の下主面とシリコン酸化膜22との間および
白金膜23の上主面とBST膜41との間に薄い密着層
AD1およびAD2を形成しても良いことは言うまでも
ない。
【0094】その後、BST膜41上に、キャパシタ下
部電極のパターンに対応するようにパターニングされた
レジストマスク(図示せず)を形成し、当該レジストマ
スクをエッチングマスクとしてBST膜41をエッチン
グによりパターニングする。このエッチングにおいて
は、白金膜23がエッチングストッパーとなる。
【0095】次に、図12に示す工程において、BST
膜41上に残るレジストマスクを、例えば酸素プラズマ
処理等で除去した後、BST膜41をハードマスクとし
て白金膜23をドライエッチングによりパターニングす
る。このときのエッチング条件は、実施の形態において
図5を用いて説明した工程と同じである。
【0096】このエッチングにおいては、白金膜23の
BST膜41に対する選択比は5〜7と大きく、BST
膜41は30nm程度しかエッチングされない。
【0097】次に、図13に示す工程において、例えば
48等のエッチングガスを用いて、シリコン窒化膜2
1をエッチングストッパーとしてシリコン酸化膜22の
スパッタエッチングを行い、白金膜23の下部以外のシ
リコン酸化膜22を完全に除去する。
【0098】このエッチングにおいては、シリコン酸化
膜22のBST膜41に対する選択比は4〜5であり、
BST膜41は20nm程度しかエッチングされず、白
金膜23上には20nm程度のBST膜41が残る。
【0099】その後、図14に示す工程において、例え
ば硝酸溶液を用いたウエットエッチングにより、白金膜
23上に残るBST膜41を除去する。
【0100】このように、ハードマスクとしてBST膜
41を用いることで、白金膜23のハードマスクに対す
る選択比が大きくなり、白金膜23のパターニングに際
して、キャパシタ下部電極として残すべき白金膜23の
上部端縁部が丸みを帯びることが抑制できるとともに、
硝酸溶液を用いたウエットエッチングによりBST膜4
1を除去することで、白金膜23やその下地層を損なう
ことなくBST膜41を完全に除去することができる。
【0101】なお、BST膜41の除去には、硝酸に限
らずフッ酸、塩酸の混合液を用いたウエットエッチング
も有効である。
【0102】また、ハードマスクとしてはBSTに限定
されず、PZT等の誘電体や、その他の金属酸化物、例
えば、TiO2、ZrO2、SrTiO3、BaTiO3
も有効であり、ハードマスクの材質に合わせてエッチン
グ液を選択すれば良い。
【0103】なお、BSTは、キャパシタ誘電体膜14
として使用することができるので、BST膜等の高誘電
率の絶縁膜をハードマスクとして用いる場合は、除去せ
ずに残す場合もある。
【0104】
【発明の効果】本発明に係る請求項1記載の半導体装置
の製造方法によれば、第2のエッチングストッパー膜を
エッチングストッパーとして、少なくとも導電体膜をパ
ターニングして下部電極を形成し、第1のエッチングス
トッパー膜をエッチングストッパーとして、少なくとも
下部電極の下部以外の第2のエッチングストッパー膜を
完全に除去するので、導電体膜のパターニングを化学的
エッチングにより行う場合に、同一基板上、あるいは複
数の基板間に温度分布が生じても、下部電極の下部の第
2のエッチングストッパー膜のエッチング厚さは、第2
のエッチングストッパー膜の厚さに均一に規定されるこ
とになる。このため、温度分布に起因して発生する下地
層の不均一エッチングを解消でき、下部電極上に被覆さ
れる誘電体膜を均一な厚さにできる。また、層間絶縁膜
中に配線層が形成される場合、配線層と上部電極との間
の寄生容量も均一になり、容量設計が容易となる。
【0105】本発明に係る請求項2記載の半導体装置の
製造方法によれば、導電体膜を、白金族元素、または白
金族元素を含んだ酸化物を主成分として形成するので、
キャパシタの誘電体膜を高誘電率の材料で構成する場合
に適している。
【0106】本発明に係る請求項3記載の半導体装置の
製造方法によれば、エッチングレートが互いに異なる第
1および第2のエッチングストッパー膜を容易に得るこ
とができる。
【0107】本発明に係る請求項4記載の半導体装置の
製造方法によれば、ハードマスクをシリコン酸化膜で形
成し、第2のエッチングストッパー膜の除去に際して
は、ハードマスクも併せて除去するので、製造工程を簡
略化できる。
【0108】本発明に係る請求項5記載の半導体装置の
製造方法によれば、導電体膜上に、第2のエッチングス
トッパー膜に対するエッチング選択比の小さい犠牲膜を
形成するので、第2のエッチングストッパー膜を完全に
除去する際に、犠牲膜が下部電極の保護膜となり、下部
電極の上部端縁部が丸みを帯びることが抑制できる。そ
の結果、下部電極の表面積が変化することを防止して、
キャパシタが複数ある場合に、下部電極の表面積を均一
にできる。
【0109】本発明に係る請求項6記載の半導体装置の
製造方法によれば、下部電極の保護膜として有効な犠牲
膜を得ることができる。
【0110】本発明に係る請求項7記載の半導体装置の
製造方法によれば、犠牲膜がTi、TiN、TiSi
N、AlN、TiAlNの場合に、下部電極や下地層を
損なうことなく犠牲膜を除去することができる。
【0111】本発明に係る請求項8記載の半導体装置の
製造方法によれば、犠牲膜がBST、ST、BT、PZ
T、PLZT、PTおよびPZの何れかである場合に、
下部電極や下地層を損なうことなく犠牲膜を除去するこ
とができる。
【0112】本発明に係る請求項9記載の半導体装置の
製造方法によれば、ハードマスクを金属酸化物で形成す
ることで、導電体膜を白金族元素、または白金族元素を
含んだ酸化物を主成分として形成した場合に、導電体膜
のハードマスクに対する選択比が大きくなり、導電体膜
のパターニングに際して、下部電極として残すべき導電
体膜の上部端縁部が丸みを帯びることが抑制できる。
【0113】本発明に係る請求項10記載の半導体装置
の製造方法によれば、金属酸化物を誘電体とすること
で、下部電極上に金属酸化物を残した状態で誘電体膜を
形成することも可能になる。
【0114】本発明に係る請求項11記載の半導体装置
の製造方法によれば、誘電体が高誘電率を有するBS
T、ST、BT、PZT、PLZT、PTおよびPZの
何れかであるので、下部電極上に形成する誘電体膜との
適合性が良好になる。
【0115】本発明に係る請求項12記載の半導体装置
によれば、第1のエッチングストッパー膜の存在によ
り、層間絶縁膜のエッチング厚さが、第2のエッチング
ストッパー膜の厚さに、均一に規定されるので、下部電
極のパターニングに際して、不均一エッチングが生じる
ことが防止される。
【0116】本発明に係る請求項13記載の半導体装置
によれば、下部電極が、白金族元素、または白金族元素
を含んだ酸化物を主成分として構成されるので、キャパ
シタの誘電体膜を高誘電率の材料で構成する場合に適し
ている。
【0117】本発明に係る請求項14記載の半導体装置
によれば、エッチングレートが互いに異なる第1および
第2のエッチングストッパー膜を容易に得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る実施の形態の半導体装置の構成
を説明する断面図である。
【図2】 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造
工程を説明する断面図である。
【図3】 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造
工程を説明する断面図である。
【図4】 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造
工程を説明する断面図である。
【図5】 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造
工程を説明する断面図である。
【図6】 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造
工程を説明する断面図である。
【図7】 本発明に係る実施の形態の変形例の製造工程
を説明する断面図である。
【図8】 本発明に係る実施の形態の変形例の製造工程
を説明する断面図である。
【図9】 本発明に係る実施の形態の変形例の製造工程
を説明する断面図である。
【図10】 本発明に係る実施の形態の変形例の製造工
程を説明する断面図である。
【図11】 本発明に係る実施の形態の変形例の製造工
程を説明する断面図である。
【図12】 本発明に係る実施の形態の変形例の製造工
程を説明する断面図である。
【図13】 本発明に係る実施の形態の変形例の製造工
程を説明する断面図である。
【図14】 本発明に係る実施の形態の変形例の製造工
程を説明する断面図である。
【図15】 従来の半導体装置の製造工程を説明する断
面図である。
【図16】 従来の半導体装置の製造工程を説明する断
面図である。
【図17】 従来の半導体装置の製造工程を説明する断
面図である。
【図18】 従来の半導体装置の製造工程を説明する断
面図である。
【図19】 従来の半導体装置の製造工程を説明する断
面図である。
【図20】 白金、シリコン窒化膜およびシリコン酸化
膜のエッチングレートの温度依存性を示す図である。
【図21】 従来の半導体装置の製造方法の問題点を説
明する図である。
【図22】 従来の半導体装置の製造方法の問題点を説
明する図である。
【符号の説明】
6 層間絶縁膜、14 キャパシタ誘電体膜、15 キ
ャパシタ上部電極、21 シリコン窒化膜、22 シリ
コン酸化膜、23 白金膜(キャパシタ下部電極)、3
1 窒化チタン膜、41 BST膜。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下地層の上に選択的に形成された下部電
    極と、該下部電極を覆う誘電体膜と、該誘電体膜を間に
    挟んで前記下部電極に対向して配設された上部電極とを
    有するキャパシタを備えた半導体装置の製造方法であっ
    て、 (a)前記下地層として、層間絶縁膜上に、互いに材質が
    異なる第1および第2のエッチングストッパー膜を順に
    形成する工程と、 (b)前記第2のエッチングストッパー膜上に、前記下部
    電極となる導電体膜を形成する工程と、 (c)前記導電体膜上に、前記下部電極の平面パターンに
    対応するパターンを有するハードマスクを形成する工程
    と、 (d)前記ハードマスクをエッチングマスクとし、前記第
    2のエッチングストッパー膜をエッチングストッパーと
    して、少なくとも前記導電体膜をパターニングして前記
    下部電極を形成する工程と、 (e)前記第1のエッチングストッパー膜をエッチングス
    トッパーとして、少なくとも前記下部電極の下部以外の
    前記第2のエッチングストッパー膜を完全に除去する工
    程と、 (f)前記下部電極および、その下部に残る前記第2のエ
    ッチングストッパー膜を被覆するように前記誘電体膜お
    よび前記上部電極を形成する工程と、を備える半導体装
    置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記工程(b)は、 前記導電体膜を、白金族元素、または白金族元素を含ん
    だ酸化物を主成分として形成する工程を含む、請求項1
    記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記工程(a)は、 前記第1のエッチングストッパー膜をシリコン窒化膜で
    形成し、 前記第2のエッチングストッパー膜をシリコン酸化膜で
    形成する工程を含む、請求項1記載の半導体装置の製造
    方法。
  4. 【請求項4】 前記工程(c)は、 前記ハードマスクをシリコン酸化膜で形成する工程を含
    み、 前記工程(e)は、 前記ハードマスクも併せて除去する工程を含む、請求項
    3記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記工程(c)に先だって、 前記導電体膜上に、前記第2のエッチングストッパー膜
    に対するエッチング選択比の小さい犠牲膜を形成する工
    程と、 前記工程(f)に先だって、 前記下部電極上に残る前記犠牲膜を除去する工程と、を
    さらに備え、 前記工程(d)は、 前記ハードマスクをエッチングマスクとして、前記犠牲
    膜もパターニングする工程を含む、請求項1記載の半導
    体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記犠牲膜は、Ti、TiN、TiSi
    N、AlN、TiAlN、BST(barium strontium t
    itanate)、ST(SrTiO3)、BT(BaTi
    3)、PZT(lead zirconate titanate)、PLZT
    (La添加PZT)、PT(PbTiO3)およびPZ
    (PbZrO3)から選択される何れかである、請求項
    5記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記犠牲膜を除去する工程は、前記犠牲
    膜がTi、TiN、TiSiN、AlN、およびTiA
    lNから選択される何れかである場合は、反応性イオン
    エッチングにより前記犠牲膜を除去する工程を含み、 イオンによるスパッタリングの寄与が低い状態でエッチ
    ングが進行する条件を選択する、請求項6記載の半導体
    装置の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記犠牲膜を除去する工程は、前記犠牲
    膜がBST、ST、BT、PZT、PLZT、PTおよ
    びPZから選択される何れかである場合は、ウエットエ
    ッチングにより前記犠牲膜を除去する工程を含む、請求
    項6記載の半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記工程(c)は、 前記ハードマスクを金属酸化物で形成する工程を含み、 前記工程(f)に先だって、前記下部電極上に残る前記金
    属酸化物を除去する工程をさらに備える、請求項2記載
    の半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項10】 前記金属酸化物は誘電体である、請求
    項9記載の半導体装置の製造方法。
  11. 【請求項11】 前記誘電体は、BST、ST、BT、
    PZT、PLZT、PTおよびPZから選択される何れ
    かである、請求項10記載の半導体装置の製造方法。
  12. 【請求項12】 下地層の上に選択的に配設された下部
    電極と、該下部電極を覆う誘電体膜と、該誘電体膜を間
    に挟んで前記下部電極に対向して配設された上部電極と
    を有するキャパシタを備えた半導体装置であって、 前記下地層は、 層間絶縁膜と、 前記層間絶縁膜上に全面に渡って配設された第1のエッ
    チングストッパー膜と、 前記第1のエッチングストッパー膜上に、前記下部電極
    の平面パターンに対応するパターンを有して配設された
    第2のエッチングストッパー膜と、を有し、前記下部電
    極は、第2のエッチングストッパー膜上に配設され、 前記誘電体膜および前記上部電極は、 前記下部電極および、その下部の前記第2のエッチング
    ストッパー膜を被覆するように配設される、半導体装
    置。
  13. 【請求項13】 前記下部電極は、白金族元素、または
    白金族元素を含んだ酸化物を主成分として構成される、
    請求項12記載の半導体装置。
  14. 【請求項14】 前記第1のエッチングストッパー膜
    は、シリコン窒化膜で構成され、 前記第2のエッチングストッパー膜は、シリコン酸化膜
    で構成される、請求項12記載の半導体装置。
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