JP2012156348A - 誘電体デバイスの製造方法及びエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強誘電体と電極との間のエッチング選択性を高め、強誘電体を高精度にエッチングすることができる誘電体デバイスの製造方法及びエッチング方法を提供する。
【解決手段】金属からなる第１の電極層２の上に酸化物からなる誘電体層３を形成し、誘電体層３の上にエッチングマスク４を形成し、ＣＨＦ_３を含むエッチングガスのプラズマによってエッチングマスク４を介して誘電体層３をエッチングすることで、前記第１の電極層２を露出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばメモリ素子、圧電素子等の誘電体デバイスの製造方法及びエッチング方法に関する。

近年、メモリ素子や圧電素子などの誘電体デバイスは、誘電体層が一対の電極層で挟まれた構造を有する。この種の誘電体デバイスは、上部電極層及び誘電体層が所定の形状にエッチングされることで、メモリセル、圧電デバイス等として使用される。上部電極層及び誘電体層のエッチングには、有機レジストを用いたドライエッチングが広く知られており、誘電体層のエッチングには塩素系ガス等が用いられている（例えば下記特許文献１参照）。

特開平１０−２４７７２４号公報（段落[００３６]）

しかしながら、メモリ素子を構成するチタン酸バリウムストロンチウム（ＢａＳｒＴｉＯ₃、ＢＳＴ）、圧電素子を構成するチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、ＰＺＴ）等の強誘電体はいずれも難エッチング材料と呼ばれ、ハロゲンガスとの反応性に乏しく、そのためエッチングレートが遅いという問題があった。

また、素子形態によっては、上部電極と強誘電体をエッチングし、下部電極をエッチングせずに残したい場合がある。このような場合、強誘電体と下部電極との間のエッチング選択性が低いため、強誘電体層を精度よくエッチングすることができず、したがって所望とする素子特性を得ることが困難であった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、強誘電体と電極との間のエッチング選択性を高め、強誘電体を高精度にエッチングすることができる誘電体デバイスの製造方法及びエッチング方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る誘電体デバイスの製造方法は、金属からなる第１の電極層の上に酸化物からなる誘電体層を形成する工程を含む。
上記誘電体層の上にエッチングマスクが形成される。
ＣＨＦ_３を含むエッチングガスのプラズマによって上記エッチングマスクを介して上記誘電体層をエッチングすることで、上記第１の電極層が露出させられる。

本発明の一形態に係る誘電体のエッチング方法は、金属からなる第１の電極層の上に形成された酸化物からなる誘電体層の上にエッチングマスクを形成する工程を含む。
ＣＨＦ_３を含むエッチングガスのプラズマによって上記エッチングマスクを介して上記誘電体層をエッチングすることで、上記第１の電極層が露出させられる。

本発明の一実施形態に係る誘電体デバイスの製造方法を説明する概略工程図である。 本発明の一実施形態において用いられるドライエッチング装置の概略図である。 誘電体層を構成するBST膜と下部電極層を構成するＰｔ膜とを各種エッチングガスでエッチングしたときの誘電体デバイスの形状を模式的に表した図である。 本発明の第２の実施形態に係る誘電体デバイスの製造方法を説明する概略工程図である。 本発明の第３の実施形態に係る誘電体デバイスの製造方法を説明する概略工程図である。

本発明の一実施形態に係る誘電体デバイスの製造方法は、金属からなる第１の電極層の上に酸化物からなる誘電体層を形成する工程を含む。
上記誘電体層の上にエッチングマスクが形成される。
ＣＨＦ_３を含むエッチングガスのプラズマによって上記エッチングマスクを介して上記誘電体層をエッチングすることで、上記第１の電極層が露出させられる。

上記誘電体デバイスの製造方法においては、エッチングガスとして、ＣＨＦ_３を含むエッチングガスが用いられる。このようなエッチングガスを用いることで誘電体層と第１の電極層との間のエッチング選択性が高まり、第１の電極層のオーバーエッチングが回避され、誘電体層が高精度にエッチングされる。

上記エッチングガスは特に限定されず、ＣＨＦ_３を含んでいればよい。上記エッチングガスは例えばＣＨＦ_３の単独ガスでもよいし、ＣＨＦ_３とアルゴン等の不活性ガスとの混合ガスでもよい。アルゴン混合ガスを用いることによってスパッタ効果が高まり、誘電体層のエッチングレートを高めることができる。

さらに、ＣＨＦ_３を２０％以上含む上記エッチングガスを用いることによって、高いエッチング選択比を維持しつつ誘電体層のエッチングレートの向上を図ることができる。

誘電体層のエッチングマスクは、典型的には、レジストマスクである。その一方で、上記エッチングマスクに金属からなる第２の電極層が用いられてもよい。この場合、誘電体のエッチング工程においてレジストマスク等のエッチングマスクを別途形成する必要がなくなり、工程の簡素化および生産性の向上を図ることができる。

上記誘電体層は、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢａＳｒＴｉＯ₃、ＢＳＴ）で形成されることで、優れた強誘電体メモリ素子を作製することができる。上記誘電体層は、これ以外に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Pb(Zr,Ti)O₃）等であってもよい。

本発明の一実施形態に係る誘電体のエッチング方法は、金属からなる第１の電極層の上に形成された酸化物からなる誘電体層の上にエッチングマスクを形成する工程を含む。
ＣＨＦ_３を含むエッチングガスのプラズマによって上記エッチングマスクを介して上記誘電体層をエッチングすることで、上記第１の電極層が露出させられる。

上記誘電体のエッチング方法においては、エッチングガスとして、ＣＨＦ_３を含むエッチングガスが用いられる。このようなエッチングガスを用いることで誘電体層と第１の電極層との間のエッチング選択性が高まり、第１の電極層のオーバーエッチングが回避され、誘電体層が高精度にエッチングされる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る誘電体デバイスの製造方法を説明する概略工程図である。本実施形態では、誘電体デバイスとして、強誘電体層を一対の電極で挟み込んだ構造を有するメモリ素子を例に挙げて説明する。

本実施形態に係る誘電体デバイスの製造方法は、積層体の作製工程と、誘電体層のエッチング工程とを有する。

［積層体の作製工程］
図１（Ａ）は、積層体の作製工程を示している。この工程では、基板１上に、下部電極層２（第１の電極層）と、誘電体層３との積層構造を有する積層体Ｌが作製される。基板１は、ガラス基板でもよいし、シリコン基板等の半導体基板でもよい。

下部電極層２は、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）等の金属材料で形成される。本実施形態において下部電極層２は、Ｐｔで形成される。下部電極層２は、例えばスパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等の薄膜形成方法によって、基板１の上に形成される。下部電極層２の厚みは特に限定されず、例えば０．０５〜０．３０μｍである。

誘電体層３は、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢａＳｒＴｉＯ₃、ＢＳＴ）で形成される。これ以外にも、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Pb(Zr,Ti)O₃）等の他の強誘電体材料で誘電体層３が形成されてもよい。誘電体層３は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの薄膜形成方法によって、下部電極層２の上に形成される。誘電体層３の厚みは特に限定されず、例えば０．５〜５．０μｍである。

［誘電体層のエッチング工程］
図１（Ｂ）及び（Ｃ）は、誘電体層３をエッチングし、下部電極層２を露出させる工程を示している。図１（Ｂ）に示すように、誘電体層３の上に、所定形状のレジストマスク４が形成される。レジストマスク４は、感光性有機フォトレジスト（ＰＲ）の塗布、露光、現像等の処理を経ることによって所定形状にパターニングされる。上記フォトレジストは、ドライフィルムレジストであってもよい。レジストマスク４の厚みは特に限定されず、例えば１．０〜１０μｍである。

誘電体層３のエッチング工程は、図２に示すような構成のドライエッチング装置が使用される。

図２に示すように、ドライエッチング装置１０は、真空チャンバ１１を有する。真空チャンバ１１は、真空ポンプ１２に接続されており、内部を所定の減圧雰囲気に維持することが可能である。真空チャンバ１１の内部には、積層体Ｌが形成された基板１を支持するためのステージ１３が設置されている。ステージ１３は、マッチング回路１４を介して高周波電源１５と接続されており、ステージ１３に所定のバイアス電力が入力可能とされる。ステージ１３には更に、チラー１６が接続されており、冷却されたＨｅガスにより、ステージ１３上の基板１が所定温度に冷却可能とされる。

ステージ１３の上面と対向する真空チャンバ１１の天面部分は、石英等の誘電体材料で形成された窓１７で覆われており、窓１７の直上にはアンテナコイル１８が設置されている。アンテナコイル１８は、マッチング回路１９を介して高周波電源２０から電力の供給を受け、ガス導入ライン２１を介して真空チャンバ１１の内部へ導入されたエッチングガスのプラズマを発生させる。これにより、ステージ１３上の基板１の表面がエッチングされる。ステージ１３の周囲には、真空チャンバ１１の内壁面へのエッチング反応物の付着を防止するための防着板２２が設置されている。

誘電体層３のエッチングには、ＣＨＦ_３を含むエッチングガスが用いられる。エッチング条件は特に限定されず、例えば、圧力は０．３から０．７Ｐａ、ガス導入量は５０ｓｃｃｍ、アンテナパワー（アンテナコイル１８に供給される電力）は６００Ｗ、バイアスパワー（ステージ１３に供給される電力）は３００Ｗ、チラー温度（基板温度）は２０℃である。

上記エッチングガスは特に限定されず、ＣＨＦ_３を含んでいればよい。例えばＣＨＦ_３の単独ガスでもよいし、ＣＨＦ_３とアルゴン等の不活性ガスとの混合ガスでもよい。このようなエッチングガスを用いることで、誘電体層３と下部電極層２とのエッチング選択性が高まり、下部電極層２のオーバーエッチングが回避される。これにより下部電極層２が誘電体層３のエッチングストッパ層として効果的に機能するため、誘電体層３が高精度にエッチングされる。

上記エッチングガスにアルゴンを添加することによってスパッタ効果が高まり、誘電体層３のエッチングレートを高めることができる。同時に下部電極層２のエッチングレートも高まり誘電体層３とのエッチング選択比が低下する恐れがあるが、ＣＨＦ_３を２０％以上含むＣＨＦ_３とアルゴンとの混合ガスを上記エッチングガスとして用いることによってそれを防ぐことができ、高いエッチング選択比を維持しつつ誘電体層３のエッチングレートの向上を図ることができる。ただし、アルゴン添加による誘電体層３及び下部電極層２のエッチングレートは、バイアスパワーでもある程度調整することができる。

また上記エッチングガスには、アルゴンの代替としてキセノンやクリプトン等の希ガスや、プロセスに影響がない場合には窒素ガス等を用いることができる。

図３は、誘電体層３を構成するBST膜と下部電極層２を構成するＰｔ膜とを各種エッチングガスで所定時間エッチングしたときの強誘電体メモリ素子Ｐの形状を模式的に表した図である。図３（Ａ）では、ＢＣｌ_３及びＣ_４Ｆ_８のガス流量がそれぞれ３５ｓｃｃｍ、１５ｓｃｃｍのエッチングガスを用いている。図３（Ｂ）では、ＣＨＦ_３及びアルゴンのガス流量がそれぞれ１０ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍの混合ガスを用いている。ガス種以外の条件はいずれも共通であり、エッチング圧力は０．５Ｐａ、アンテナパワーは６００Ｗ、バイアスパワーは３００Ｗとした。

図３（Ａ）に示すように、エッチングガスがＢＣｌ_３及びＣ_４Ｆ_８である場合、誘電体層３と下部電極層２のエッチング選択比が低く、下部電極層２がオーバーエッチされている。この場合のＢＳＴエッチレートは約４０nm/min、Ｐｔエッチレートは約４０nm/minで選択比はおよそ１となる。

一方、図３（Ｂ）に示すように、エッチングガスがＣＨＦ_３とアルゴンの混合ガスである場合、誘電体層３と下部電極層２のエッチング選択比が高く、下部電極層２のエッチングが抑えられている。この場合のＢＳＴエッチレートは約５０nm/min、Ｐｔエッチレートは約３０nm/minで選択比はおよそ１．７となる。

したがって、ＣＨＦ_３とアルゴンの混合ガスであってＣＨＦ_３を２０％以上含むガスをエッチングガスとして用いることによって、高いエッチング選択比を維持しつつ誘電体層３のレートの向上を図ることが可能となる。

誘電体層３のエッチング工程の終了後、レジストマスクが除去されることで、基板１上に強誘電体メモリ素子Ｐ（図１（Ｃ））が作製される。強誘電体メモリ素子Ｐは、例えば、携帯機器用マイクロ波デバイスや赤外線用焦電素子等に用いられる。

＜第２の実施形態＞
図４は、本発明の第２の実施形態に係る誘電体デバイスの製造方法を説明する概略工程図である。本実施形態では、第１の実施形態の構成および作用と同様な部分についてはその説明を省略または簡略化し、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態に係る誘電体デバイスの製造方法は、積層体Ｌの作製工程（図４（Ａ））と、上部電極層５のエッチング工程（図４（Ｂ），（Ｃ））と、誘電体層３のエッチング工程（図４（Ｄ））とを有する。本実施形態は、レジストマスク４が上部電極層５の上部に形成されるという点で、第１の実施形態と異なる。

上部電極層５は、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）等の金属材料で形成される。本実施形態において上部電極層５は、Ｐｔで形成される。上部電極層５は、例えばスパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等の薄膜形成方法によって、誘電体層３の上に形成される。上部電極層５の厚みは特に限定されず、例えば０．０５〜０．３０μｍである。

本実施形態において、上部電極層５のエッチング方法は、ドライエッチング法でもよいし、ウェットエッチング法でもよい。本実施形態では、例えば塩素（Ｃｌ₂）とアルゴン（Ａｒ）の混合ガスのプラズマによって、上部電極層５が形成される。

上部電極層５のエッチング工程の終了後、誘電体層３をエッチングし、下部電極層２を露出させる工程が実施される。

この工程では、上部電極層５のエッチングマスクに用いたレジストマスク４が、誘電体層３のエッチングマスクとして使用されてもよいし、別途形成されたレジストマスクが使用されてもよい。あるいは、後述するようにパターニングされた上部電極層５が誘電体層３のエッチングマスクとして用いられてもよい。

本実施形態においても誘電体層３のエッチングガスにはＣＨＦ_３を含むガスが用いられる。このようなエッチングガスを用いることで、誘電体層３と下部電極層２とのエッチング選択性が高まり、下部電極層２のオーバーエッチングが回避され、誘電体層３が高精度にエッチングされる。

＜第３の実施形態＞
図５は、本発明の第３の実施形態に係る誘電体デバイスの製造方法を説明する概略工程図である。本実施形態では、第１の実施形態の構成および作用と同様な部分についてはその説明を省略または簡略化し、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態に係る誘電体デバイスの製造方法は、積層体Ｌの作製工程（図５（Ａ））と、上部電極層５のエッチング工程（図５（Ｂ），（Ｃ））と、誘電体層３のエッチング工程（図５（Ｄ））とを有する。本実施形態は、誘電体層３のエッチングマスクに、パターニングされた上部電極層５を用いるという点で、第１の実施形態と異なる。

本実施形態においても誘電体層３のエッチングガスにはＣＨＦ_３を含むガスが用いられる。これらのエッチングガスは、金属（本例ではＰｔ）で形成される上部電極層５に対して誘電体層３のエッチング選択性が高いため、上部電極層５は誘電体層３のエッチングマスクとして効果的に機能する。

したがって本実施形態によれば、誘電体層３のエッチング工程においてレジストマスク等のエッチングマスクを別途形成する必要がなくなり、工程の簡素化および生産性の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施形態では、誘電体デバイスとして強誘電体メモリ素子を例に挙げて説明したが、これに限られず、例えば圧電素子、コンデンサ等の各種電子デバイスにも本発明は適用可能である。

またドライエッチング装置１０は上述の構成例に限られず、誘導結合型（ＩＣＰ）、容量結合型（ＣＣＰ）、磁気中性線放電型（ＮＬＤ）等の各種エッチング装置が適用可能である。

１…基板
２…下部電極層
３…誘電体層
４…レジストマスク
５…上部電極層
１０…ドライエッチング装置

Claims (8)

1. 金属からなる第１の電極層の上に酸化物からなる誘電体層を形成し、
   前記誘電体層の上にエッチングマスクを形成し、
   ＣＨＦ_３を含むエッチングガスのプラズマによって前記エッチングマスクを介して前記誘電体層をエッチングすることで、前記第１の電極層を露出させる
   誘電体デバイスの製造方法。
2. 請求項１に記載の誘電体デバイスの製造方法であって、
   前記エッチングガスは、ＣＨＦ_３である
   誘電体デバイスの製造方法。
3. 請求項１に記載の誘電体デバイスの製造方法であって、
   前記エッチングガスは、ＣＨＦ_３とアルゴンとの混合ガスである
   誘電体デバイスの製造方法。
4. 請求項３に記載の誘電体デバイスの製造方法であって、
   前記エッチングガスは、ＣＨＦ_３を２０％以上含む
   誘電体デバイスの製造方法。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載の誘電体デバイスの製造方法であって、
   前記エッチングマスクは、レジストマスクで形成される
   誘電体デバイスの製造方法。
6. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載の誘電体デバイスの製造方法であって、
   前記エッチングマスクは、金属からなる第２の電極層である
   誘電体デバイスの製造方法。
7. 請求項１に記載の誘電体デバイスの製造方法であって、
   前記誘電体層は、チタン酸バリウムストロンチウムで形成される
   誘電体デバイスの製造方法。
8. 金属からなる第１の電極層の上に形成された酸化物からなる誘電体層の上にエッチングマスクを形成し、
   ＣＨＦ_３を含むエッチングガスのプラズマによって前記エッチングマスクを介して前記誘電体層をエッチングすることで、前記第１の電極層を露出させる
   誘電体のエッチング方法。

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