JP2007019276A - 強誘電体素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】下部電極、強誘電体膜、上部電極で構成される強誘電体キャパシタの有効面積を減少させることなく、エッチング時に強誘電体キャパシタの側壁に付着する残留物を除去することが可能な強誘電体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】STOで形成されたハードマスク10をマスクとして、上部電極9c、強誘電体膜9b、下部電極9aを一括でドライエッチングし、該ドライチング後に残存するハードマスク10をウエットエッチングにより除去する際に、ドライエッチング時に強誘電体膜9bの側壁に付着した再堆積物12を除去し、且つ、強誘電体膜9bの側壁に形成されたダメージ層を除去する、半導体素子の製造方法。
【選択図】図3

Description

本発明は、強誘電体素子の製造方法に関するものである。
現在、不揮発性メモリとしてFeRAM(Ferroelectric Random AccessMemory:強誘電体メモリ)が有望視されている。FeRAMは、不揮発的にデータを保持可能なメモリであり、電源が切れてもデータを保持することが出来る。EEPROMやフラッシュメモリ等の従来の不揮発性メモリは、データの読み出し時間はDRAM並みに高速であるが、データの書き込み時間が長いというデメリットを有しているが、これに比して、FeRAMはデータの読み出し時間及び書き込み時間がDRAMと同様に高速である。また、FeRAMはEEPROMやフラッシュメモリ等に比してデータの書き換え回数も多い。さらに、FeRAMはデータの書き込み時、及び、読み出し時にのみ電力を消費するので、DRAMに比して消費電力を抑えることができ、DRAM以上の大容量化も可能である。このようなメリットが注目され、FeRAMに関する様々な開発が行われている。
従来のFeRAMは、キャパシタとトランジスタを含んでおり、該キャパシタは強誘電体膜を両側対向面のそれぞれに電極(上部電極、下部電極)を配した構造を有する。また、FeRAMのキャパシタ構造としては、メモリセルの面積を小さくすることが可能なスタック型が近年採用されている。
従来のスタック型FeRAMに於ける強誘電体キャパシタの加工では、同一のフォトレジストマスクを用いて、上部電極、強誘電体膜、下部電極を一括してドライエッチングする方法が用いられている。一般に、電極のエッチング時に於いて残留物が発生し、側壁に付着(再堆積)し易くなる。該残留物(再堆積物)の付着は、側壁のショート、側壁リーク電流の増大の原因となる。こうしたエッチング時の残留物の発生、及び、付着を防止するために、比較的反応性の強い塩素ガス等をエッチングガスとして使用されることがある。しかし、フォトレジストマスクをエッチングマスクとして使用した場合、フォトレジストマスクは上面だけでなく側面もエッチングガスの影響を受け易いので、側面の傾斜角度が理想的な角度である90度よりも小さくなり、結果として初期のパターン形状を失って、パターンの大きさが垂直方向だけでなく、水平方向にも縮小される。これにより、パターンのエッチング時の傾斜角度が45度未満になり易く、キャパシタの微細化が妨げられる。
こうした問題を解決するために、種種の発明が提案されている。例えば、特許文献1には、SiOからなるハードマスクをエッチングマスクとして、電極(Pt)、及び、強誘電体膜(PZT:PbTiO−PbZrO:チタン酸ジルコン酸鉛)をエッチングする方法について記載されている。特許文献1の発明では、SiOからなるハードマスクの腐食が最小となるエッチングガスとして、Cl/Ar/O混合ガスが使用されている。
特開2000−349253号公報
上述の通り、特許文献1に記載の発明では、Clを含む混合ガスを使用しているので、条件次第で電極及び強誘電体膜のエッチング時に発生する残留物をある程度抑制することは出来るが、完全に残留物の発生を防止することは極めて困難である。したがって、エッチング時に発生する残留物の除去は必要である。
また、強誘電体キャパシタの側壁に付着した残留物を除去する方法として、強誘電体キャパシタのドライエッチング時にオーバーエッチングを実行する方法を想定することが出来るが、キャパシタの有効面積が減少するというデメリットが生じる。
したがって、本発明の目的は、下部電極、強誘電体膜、上部電極で構成される強誘電体キャパシタの有効面積を減少させることなく、エッチング時に強誘電体キャパシタの側壁に付着する残留物を除去することが可能な強誘電体素子の製造方法を提供することにある。
本発明に係る半導体素子の製造方法は、半導体基板上に回路素子を形成するステップと、前記半導体基板上の回路素子を覆う絶縁膜を形成するステップと、前記絶縁膜上に第1電極を形成するステップと、前記第1電極上に強誘電体膜を形成するステップと、前記強誘電体膜上に第2電極を形成するステップと、前記第2電極上にハードマスクを形成するステップと、前記ハードマスクをマスクとして、前記第1電極、前記強誘電体膜、前記第2電極をエッチングするステップと、前記第1電極、前記強誘電体膜、前記第2電極のエッチング後に残存する前記ハードマスクを除去する第1除去ステップと、前記エッチング時に前記強誘電体膜の側壁に付着する再堆積物を除去する第2除去ステップと、を含む複数ステップを同時に実行する除去ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、除去ステップによって、第1電極、強誘電体膜、第2電極のエッチング後に残存するハードマスクの除去と、該エッチング時に強誘電体膜の側壁に付着した再堆積物の除去を同時に行うことが出来るので、オーバーエッチングによって強誘電体膜の側壁に付着した再堆積物を除去する場合に比して、第1電極、強誘電体膜、第2電極で構成される強誘電体キャパシタ構造の有効面積を減少させることなく、強誘電体膜の側壁に付着した再堆積物の除去を行うことが出来る。
本発明に於ける実施形態に係る強誘電体キャパシタを含む半導体装置の製造方法について、図面を参照して説明する。図1乃至6は半導体装置の製造フローを示す断面図である。
〔積層構造膜増及びハードマスクの形成〕
図1(a)に示すように、通常のSi半導体プロセスを用いて、半導体基板1にLOCOS等からなる素子分離領域2、活性領域3a及び3bを形成する。そして、半導体基板1上にゲート絶縁膜材料、及び、ゲート電極材料を積層し、これらをパターニングすることによって、ゲート絶縁膜4a、及び、ゲート電極4bを形成し、さらにサイドウォール4cを形成する。なお、ゲート電極4bは、例えば、Pドープされた多結晶シリコン(P−Si)、又はポリサイド構造(WSix/P−Si)で構成されている。その後、活性領域3a及び3bに不純物を拡散し、ソースドレイン領域3c及び3dをそれぞれ形成し、トランジスタ4を完成させる。そして、半導体基板1上にSiO等の酸化膜で形成された層間絶縁膜5をCVD法によって形成してトランジスタ4を覆い、層間絶縁膜5をCMP法等で平坦化する。なお、層間絶縁膜5の膜厚は約500nmである。
そして、図1(b)に示すように、層間絶縁膜5にフォトリソエッチングで開口部6a及び6bを形成することによって、ソースドレイン領域3c、及び、ゲート電極4bをそれぞれ露出させ、さらに、該開口部6a及び6bにタングステン(W)を埋め込み、エッチバックによってコンタクトプラグ6c及び6dを形成する。なお、図1(b)に図示されている通り、コンタクトプラグ6cはソースドレイン領域3cに電気的に接続され、コンタクトプラグ6dはゲート電極4bに電気的に接続される。
次に、図1(c)に示すように、層間絶縁膜5上に酸化膜7a、窒化膜7b、及び、酸化膜7cをCVD法によって順に堆積し、3層構造の酸素拡散防止層7を形成する。該酸素拡散防止層7は、酸素雰囲気中で処理されるアニール工程に於いて、酸素からコンタクトプラグ6c及び6dを保護するために形成される。なお、酸化膜7aは膜厚100nmのSiOで形成され、窒化膜7bは膜厚120nmのSiで形成され、酸化膜7cは膜厚100nmのSiOで形成される。
次に、図1(d)に示すように、酸素拡散防止層7、及び、層間絶縁膜5を貫通する開口部8aを形成して、CVD法を用いて該開口部8aにタングステン(W)等の金属を埋め込み、ソースドレイン領域3に電気的に接続されるようにコンタクトプラグ8bを形成する。
次に、図2(a)に示すように、酸素拡散防止層7上に下部電極9a、強誘電体膜9b、上部電極9cで構成される強誘電体キャパシタの積層構造膜9を形成する。まず、酸素拡散防止層7上に、下部電極9aとして耐酸化性の金属や導電性金属酸化物を形成する。例えば、下部電極9aとして、膜厚100nmのIr層、膜厚100nmのIrO層、膜厚100nmのPt層をスパッタ法又はCVD法で順に堆積させる。なお、下部電極9aは、Pt、Ir、Ru、IrOx、RuOx、RuSrOx等の単層膜でもよく、これらを2種類以上組み合わせた積層膜でもよい。なお、下部電極9aとコンタクトプラグ8bの間には、図示しないAlTiN、TiN等の膜厚50nmの密着層を堆積しても良い。次に、下部電極9a上に、強誘電体膜9bとして、膜厚120nmのSBT(SrBiTa:タンタル酸ストロンチウムビスマス)がスパッタ法、又は、CVD法を用いて形成される。なお、ゾルゲル法を用いて強誘電体膜9bを形成しても良い。また、SBT以外に、PZT、PLZT、SBTN、BLT等の無機強誘電体膜を形成しても良い。その後、例えば、800℃の高温酸化雰囲気で1分間の熱処理を行うことによって、強誘電体膜9を結晶化させる(結晶化熱処理)。そして、強誘電体膜9上に、上部電極9cとして膜厚150nmのPtをスパッタ法、又は、CVD法で形成する。なお、上部電極9cは、Ir、Ru、IrOx、RuOx、RuSrOx等の単層膜でもよく、これらを2種類以上組み合わせた積層膜としてもよい。
その後、図2(b)に示すように、上部電極9c上に、エッチングマスクとして使用されるハードマスク10をCVD法により形成する。該ハードマスク10は、単層のSTO(SrTa:タンタル酸ストロンチウム)で形成された非晶質絶縁膜である。なお、STOは、ドライエッチングに対して非常に強い耐性を有するが、氷酢酸を緩衝剤として使用した硝酸及びフッ酸を含む混合液を用いたウエットエッチングに対して弱い耐性を有する。本実施形態に於けるSTOの膜厚は、440nmであり、キャパシタに必要なテーパに応じて適宜変更することが出来る。そして、ハードマスク10上に、CVD法によって酸化膜11を形成する。該酸化膜11は、膜厚700nmのp-TEOS(Si(OC:プラズマ・テトラエトキシシラン)膜で形成されており、ウエットエッチングに対して強い耐性を有する。後述する通り、該酸化膜11はハードマスク10のエッチング時にエッチングマスクとして使用される。
〔ハードマスクのエッチング〕
図2(c)に示すように、酸化膜11をリソグラフィ及びドライエッチングによってパターニングする。なお、該エッチング条件は、CF/CO/Ar=流量比0.07/0.25/1sccm、ガス圧力0.067Pa、RFパワー1500W、基板温度40℃である。
次に、図3(a)に示すように、酸化膜11をエッチングマスクとして、ハードマスク10をウエットエッチングする。前述の通り、酸化膜11は、氷酢酸を緩衝剤として使用した硝酸及びフッ酸を含む混合液を用いたウエットエッチングに対して耐性が強く、ハードマスク10はウエットエッチングに対して耐性が弱い。また、酸化膜11は、ハードマスク10を構成するSTOに対して選択比が十分大きいので、ハードマスク10のみを選択的にエッチングすることが可能である。なお、ウエットエッチング時の条件は、硝酸/フッ酸=59wt%/0.5wt%、常温であり、エッチング速度は100nm/分に制御される。
そして、図3(b)に示すように酸化膜11をドライエッチングで除去する。なお、該エッチング条件は、CF/CO/Ar=流量比0.07/0.25/1sccm、ガス圧力0.067Pa、RFパワー1500W、基板温度40℃である。
〔積層構造膜及び密着層のエッチング〕
図3(c)に示すように、ハードマスク10をエッチングマスクとして、上部電極9c、強誘電体膜9b、下部電極9aを一括してドライエッチングする。該ドライエッチング条件は、Cl/Ar=流量比10/10sccm、ガス圧力0.667Pa、RFパワー550W、基板温度80℃である。
STO膜で形成されたハードマスク10は、上部電極9c、強誘電体膜9b、下部電極9aに対して選択比が大きいので、単層のSTO膜で良好な強誘電体キャパシタの積層構造膜9を形成することが出来る。該積層構造9をエッチングした後、該積層構造9の側壁には再堆積物12が付着した状態となる。該再堆積物12は下部電極9aを構成するIr又はPtの化合物であり、例えば、再堆積物12の付着によって上部電極9c及び下部電極9aが電気的に接続された状態となる場合、リーク電流が流れる虞がある。
そして、図4(a)に示すように、氷酢酸を緩衝剤として使用した硝酸及びフッ酸を含む混合液を用いてウエットエッチングを行い、上部電極9c上に残存するハードマスク10を除去する。なお、該ウエットエッチング時の条件は、硝酸/フッ酸=59wt%/0.5wt%、常温であり、エッチング速度は100nm/分に制御される。また、Ir又はPtの化合物は、硝酸及びフッ酸を含む混合液で除去することが可能であるので、ウエットエッチング時にハードマスク10の除去と同時に、積層構造9の側壁に付着したIr又はPtの化合物である再堆積物12を除去することが出来る。
なお、酸素が不足した状態の高温雰囲気に曝される場合、強誘電体膜9bの側壁端部、即ち、再堆積物12に覆われた強誘電体膜9bの側壁にダメージ層(図示せず)が形成される。該ダメージ層は、強誘電体膜9bの結晶構造が変質した状態になっており、強誘電体の分極特性に悪影響を与える虞がある。上記ウエットエッチング時には、強誘電体膜9bの側壁に形成されたダメージ層も除去することが出来る。
〔積層構造膜のエッチング後のプロセス〕
図4(b)に示すように、積層構造9上に、第1水素バリア膜13をCVD法又はスパッタ法で形成する。第1水素バリア膜13は、TiAl合金、TiAlOx、Al等で形成されている。そして、第1水素バリア膜13をフォトリソエッチングにより、所望の形状に加工し、SiOで形成される膜厚850nmの第2層間絶縁膜14をCVD法で形成する。なお、第1水素バリア13は、後述するコンタクトプラグの形成に於いて還元剤を使用する際に、強誘電体キャパシタに水素が侵入することを防止するために形成される。
そして、図4(c)に示すように、フォトリソエッチングによって、第2層間絶縁膜14、及び、第1水素バリア膜13を貫通する開口部15を形成し、上部電極9cを露出させる。
次に、図5(a)に示すように、スパッタ法によって、TiN、Al合金を単層で、又は、これらを含む積層で開口部15に埋め込み、パターニングを行うことによって、第1金属配線層16を形成する。なお、積層によって第1金属配線層16を形成する場合には、例えば、TiN、Ti、Al、Ti、TiNを順に積層する。これにより、該第1金属配線層16は、上部電極9cと電気的に接続された状態になる。
そして、図5(b)に示すように、第1金属配線層16上に第2水素バリア層17をCVD法又はスパッタ法で形成する。第2水素バリア膜17は、TiAl合金、TiAlOx、Al等で形成されている。そして、第2水素バリア膜17を所望の形状にパターニングし、該水素バリア膜17を覆うようにして膜厚800nmのSiOの第3層間絶縁膜18をCVD法で形成する。なお、第2水素バリア17は、後述するコンタクトプラグの形成に於いて還元剤を使用する際に、強誘電体キャパシタに水素が侵入することを防止するために形成される。
次に、図5(c)に示すように、フォトリソエッチングによって、第3層間絶縁膜18、第2層間絶縁膜14、酸素拡散防止層7を貫通して開口する開口部19a及び19bを形成し、コンタクトプラグ6c及び6dをそれぞれ露出させる。そして、例えば、CVD法によって、開口部19a及び19bにタングステン等の金属を埋め込み、コンタクトプラグ19c及び19dをそれぞれ形成する。なお、コンタクトプラグ19cは、コンタクトプラグ6cを介して、ソースドレイン領域3cに電気的に接続される。また、コンタクトプラグ19dは、コンタクトプラグ6dを介して、トランジスタ4のゲート電極4bに電気的に接続される。そして、図示しない開口部を第3層間絶縁膜18に形成し、該図示しない開口部によって第2水素バリア膜17を露出させる。
次に、図6に示すように、第3層間絶縁膜18上に、スパッタ法によって金属層を形成し、該金属層をフォトリソエッチングすることによって、第2金属配線層20を形成する。なお、第2金属配線層20は、TiN、Al合金の単層、または、これらを含む積層で形成される。第2金属配線層20を積層によって形成する場合には、TiN、Ti、Al、Ti,TiNを順に積層する。該第2金属配線層20は、コンタクトプラグ19c及び6cを介して、ソースドレイン領域3cと電気的に接続され、コンタクトプラグ19d及び6dを介して、トランジスタ4のゲート電極4bと電気的に接続される。また、第3層間絶縁膜18上に金属層を形成する際に、第3層層間絶縁膜に形成された前述の図示しない開口部にも金属層が埋め込まれて第2金属配線層20が形成され、第2水素バリア膜17と電気的に接続される。
そして、第2金属配線層20を覆うように、膜厚200nmのSiの保護膜21をCVD法によって形成する。
〔作用効果〕
本実施形態によれば、上部電極9c、強誘電体膜9b、下部電極9aで構成される強誘電体キャパシタの積層構造膜9のエッチング後に残存するハードマスク10を除去する際に、該積層構造膜9の側壁に付着した再堆積物12を同時に除去することが出来るので、該積層構造膜9のエッチング時にオーバーエッチングを実行して再堆積物12を除去する場合に比して、積層構造膜9の有効面積を減少させることなく、再堆積物12の除去を行うことが可能となる。
また、本実施形態によれば、積層構造膜9のエッチング後に残存するハードマスク10を除去する際に、再堆積物12の除去に加えて、強誘電体膜9bの側壁に形成されたダメージ層も除去することが出来る。
さらに、上述の通り、積層構造膜9のエッチング後に残存するハードマスク10の除去を実行することにより、再堆積物12の除去、及び、強誘電体膜9の側壁に形成されたダメージ層の除去を同時に行うことが出来るので、半導体装置の製造工程を簡略化することができ、製造費用を削減することが出来る。
また、本実施形態によれば、ウエットエッチングに対して強い耐性を有するp−TEOSをハードマスク10のエッチングマスクである酸化膜11として使用し、ドライエッチングに強い耐性を有し、ウエットエッチングに対して弱い耐性を有するSTOをハードマスク10として使用している。したがって、ウエットエッチングによってハードマスク10を加工し、該ウエットエッチング後にドライエッチングによって残存する酸化膜11を除去する際に、ハードマスク10がエッチングされることを防止することが出来るので、ハードマスク10を良好なパターン形状に保つことが可能となる。
さらに、上述の通り、良好なパターン形状を有するハードマスク10をエッチングマスクとして使用し、積層構造膜9をドライエッチングすることが出来るので、積層構造膜9を水平方向に対して90度に近い理想的な角度でエッチングすることが可能となる。
また、本実施形態によれば、単層のハードマスク10をエッチングマスクとして使用し、積層構造膜9を一括してドライエッチングする。したがって、多層構造のハードマスクをエッチングマスクとして使用し、積層構造膜9のドライエッチングを実行する場合に比して、エッチング工程を簡略化することができ、製造費用を削減することが可能となる。
本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造フローの一部を説明する断面図。 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造フローの一部を説明する断面図。 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造フローの一部を説明する断面図。 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造フローの一部を説明する断面図。 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造フローの一部を説明する断面図。 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造フローの一部を説明する断面図。
符号の説明
1 半導体基板
2 素子分離領域
3a 活性領域
3b 活性領域
3c ソースドレイン領域
3d ソースドレイン領域
4 トランジスタ
4a ゲート絶縁膜
4b ゲート電極
4c サイドウォール
5 第1層間絶縁膜
6a 開口部
6b 開口部
6c コンタクトプラグ
6d コンタクトプラグ
7 酸素拡散防止層
7a 酸化膜
7b 窒化膜
7c 酸化膜
8a 開口部
8b コンタクトプラグ
9 積層構造膜
9a 下部電極
9b 強誘電体膜
9c 上部電極
10 ハードマスク膜
11 酸化膜
12 再堆積物
13 第1水素バリア膜
14 第2層間絶縁膜
15 開口部
16 第1金属配線層
17 第2水素バリア層
18 第3層間絶縁膜
19a 開口部
19b 開口部
19c コンタクトプラグ
19d コンタクトプラグ
20 第2金属配線層
21 保護膜

Claims (12)

  1. 半導体基板上に回路素子を形成するステップと、
    前記半導体基板上の回路素子を覆う絶縁膜を形成するステップと、
    前記絶縁膜上に第1電極を形成するステップと、
    前記第1電極上に強誘電体膜を形成するステップと、
    前記強誘電体膜上に第2電極を形成するステップと、
    前記第2電極上にハードマスクを形成するステップと、
    前記ハードマスクをマスクとして、前記第1電極、前記強誘電体膜、前記第2電極をエッチングするステップと、
    前記第1電極、前記強誘電体膜、前記第2電極のエッチング後に残存する前記ハードマスクを除去する第1除去ステップと、前記エッチング時に前記強誘電体膜の側壁に付着する再堆積物を除去する第2除去ステップと、を含む複数ステップを同時に実行する除去ステップと、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記除去ステップに於いて、前記第1除去ステップ及び前記第2除去ステップに加えて、前記エッチング時に前記強誘電体膜の側壁に形成されたダメージ層を除去する第3除去ステップが同時に実行される、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記ハードマスクはSTOであることを特徴とする、請求項1乃至2の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第1除去ステップは、ウエットエッチングであることを特徴とする、請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記ウエットエッチングに使用される溶液は、硝酸、フッ酸を含む混合液であることを特徴とする、請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第1電極、前記強誘電体膜、前記第2電極をエッチングする前に、
    前記ハードマスク上に酸化膜を形成し、前記酸化膜をエッチングマスクとして、前記ハードマスクをエッチングするステップをさらに含む、請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記ハードマスクをエッチングするステップは、ウエットエッチングを用いて実行されることを特徴とする、請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記第1電極は、Pt、Ir、Ru、IrOx、RuOx、RuSrOxの何れかで構成される単層膜であることを特徴とする、請求項1乃至7の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第1電極は、Pt、Ir、Ru、IrOx、RuOx、RuSrOxの2種類以上を組み合わせた多層膜であることを特徴とする、請求項1乃至7の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第2電極は、Pt、Ir、Ru、IrOx、RuOx、RuSrOxの何れかで構成される単層膜であることを特徴とする、請求項1乃至9の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記第2電極は、Pt、Ir、Ru、IrOx、RuOx、RuSrOxの2種類以上を組み合わせた多層膜であることを特徴とする、請求項1乃至9の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記強誘電体膜は、SBT、PZT、PZLT、SBTN、BLTの何れかであることを特徴とする、請求項1乃至11の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
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