JP3039461B2 - 容量素子の製造方法 - Google Patents

容量素子の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体メモリに用
いられる強誘電体あるいは高誘電体を用いた容量素子の
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体と例えばPb(Zr1-x,Tix
3(以下、PZTと略称する)等の強誘電体を用いた
容量を組み合わせたいわゆる強誘電体メモリは強誘電体
の残留分極を利用して、”1”、”0”を記憶する。強
誘電体容量に印加した電圧とその時に得られる分極の関
係を図2に示す。例えば一度正のバイアスを加えた後に
バイアスを零に戻しても分極は零にはならず、残留分極
Prが残る。逆にバイアスを負にした後で零にもどすと
残留分極−Prが得られる。これを読み出すことによ
り”1”、”0”を判定しメモリとして使用する。この
情報は電源を切断しても保持されるために、不揮発性メ
モリとして動作することが知られている。
【0003】この容量素子を形成する方法は、例えば特
開平8−264734に記載されている。この方法を図
3を用いて説明する。まず、(a)に示すようにシリコ
ン基板(図示なし)上に下地酸化膜(SiO2)1を形
成した後、下部電極(Pt/Tiの積層構造)層2、強
誘電体(PZT)層3、上部電極(Pt)層4を順に積
層する。次に(b)に示すように、エッチング時のマス
クとなるレジスト層16を所定形状のパターンに形成
し、(c)に示すようにArガスを用いたイオンミリン
グあるいは塩素系ガスまたはフッ素系ガスを用いたプラ
ズマエッチング法により上部電極(Pt)層4をエッチ
ングし、更に続けて(d)に示すようにPZT層3をエ
ッチングし、(e)に示す形状に成形する。次に、
(f)に示すようにレジストを酸素プラズマによるアッ
シング等の方法で除去し、スクラバ等を用いた表面処理
(後述する)を行う。
【0004】更に、(g)に示すように、強誘電体3お
よび上部電極4のパターンより大きいパターン形状に再
びレジスト層15を形成し、(h)に示すようにイオン
ミリングあるいはプラズマエッチング法により下部電極
(Pt/Ti)2をエッチングし、(i)に示すように
レジスト15を前記と同様に除去した後、スクラバ等を
用いた表面処理(後述する)を行う。
【0005】しかし、このように上部電極や下部電極の
材料であるPtやPZT等をイオンミリングあるいはプ
ラズマエッチング法で加工した場合、エッチングマスク
として用いたレジストの側壁にこれらの材料とガスの反
応物を含む物質が再付着する。
【0006】イオンミリングの場合にはArイオンでス
パッタされたPtやPb、Zr、Tiの蒸気圧が低いた
め、レジストを構成する有機物との混合物となってレジ
ストの側壁に再付着する。例えば塩素系ガスを用いたプ
ラズマエッチングの場合には、反応生成物であるPtC
2、PbCl2、ZrCl4、TiCl4等の蒸気圧が低
いため、レジストを構成する有機物との混合物となって
再付着する。
【0007】図4は、上部電極(Pt)4と強誘電体
(PZT)3のエッチングの際の側壁再付着の様子を示
した断面図である。エッチング後にレジストをまだ除去
していない段階では図4(a)の様に、側壁再付着物1
1はレジスト16の側面に形成されている。レジスト層
を除去しても同図(b)の様にレジスト層の側面に形成
された部分は残る。この部分は同図(c)の様に例えば
後でブラシ等を用いた、いわゆるスクラバ等によって機
械的に除去することができ、充分な洗浄を行うことで最
終的に同図(d)の様な形状が得られる。
【0008】この側壁再付着は下部電極(Pt)のエッ
チング時にも同様に発生し、これに対して同様の除去を
行った様子を示した断面図が図5(a)〜(e)であ
る。レジスト側壁再付着物12はレジスト除去後(同図
(b))にスクラバ等を用いることにより同図(c)に
示す様にある程度機械的に除去できる。しかし、この場
合には前述の上部電極/強誘電体のエッチングの場合と
異なり、側壁再付着物12が段差構造の最上部にないの
で、加工された上部電極(Pt)と強誘電体(PZT)
が障害物となり、完全な機械的除去が困難である。同図
(d)に示す様にスクラブ工程で側壁付着物の取り残し
が生ずる。
【0009】この側壁再付着物はPtあるいはPtCl
2を含むために、完全な絶稼物ではなく導電性を有す
る。同図(e)に示す様に、スクラブ工程で取り残した
側壁再付着物が、この工程より後の工程で折れて上部電
極と下部電極間をつなぐように残ることになると容量の
ショートを招くことになる。従って、この容量素子の製
造方法を半導体メモリに用いた場合、歩留まりが著しく
低くなる問題点があった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、レジストの
側壁再付着物による容量ショートを防止し、歩留まりの
高い容量素子の製造方法および半導体メモリの製造方法
を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に形成される容量素子の製造方法において、下部電極、
誘電体膜および上部電極を下側から順次成膜して積層す
る工程と、この上部電極の上に第1のレジストを所定パ
ターン状に形成する工程と、第1のレジストをマスクと
して前記上部電極をエッチングする第1のエッチング工
程と、第1のレジストを除去する工程と、エッチングに
よって成形された上部電極の上に、第2のレジストを前
記第1のレジストのパターンよりも小さいパターン状に
形成する工程と、第2のレジストをマスクとして前記上
部電極と前記誘電体膜をエッチングする第2のエッチン
グ工程とを含む容量素子の製造方法に関する。
【0012】この場合、前記上部電極と前記下部電極の
材質が等しいことが好ましい。また、前記上部電極と前
記下部電極の厚さが等しいことが好ましい。
【0013】本発明では、前記第1のエッチング工程及
び前記第2のエッチング工程の後にブラシスクラブある
いはジェット水スクラブ工程を行うことにより、側壁再
付着物を取り除くことができる。
【0014】本発明では、このような製造方法により半
導体基板上に複数個の容量素子を同時に形成することで
半導体メモリを製造することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面1
を参照しながら詳細に説明する。
【0016】まず、図1(a)に示すようにシリコン基
板(図示なし)上に下地酸化膜(SiO2)1を形成し
た後、下部電極(Pt)層2、強誘電体(PZT)層
3、上部電極(Pt)層4を順に積層する。ここで、上
部電極4と下部電極2は同じ材質(Pt)であり、かつ
その膜厚はどちらも200nmと等しくとる。強誘電体
(PZT)層3の厚さは200nmとする。各層の成膜
方法は、DCあるいはRFスバッタ法を用いることがで
きるが、PZTはゾルゲル法により成膜することも可能
である。
【0017】次に(b)に示すように、エッチング時の
マスクとなるレジスト層5を選択的に形成するが、この
時の厚さは次に行うエッチング時に問題が無い程度の厚
さで、通常は2μm程度とする。この時、このレジスト
層は最終的に形成すべき容量構造の下部電極に対応した
パターンを持っている。
【0018】次に(c)に示すようにArガスを用いた
イオンミリングあるいは塩素系ガスまたはフッ素系ガス
を用いたプラズマエッチング法により上部電極(Pt)
4をエッチングする。このエッチングは強誘電体(PZ
T)3が露出した直後に終了する。これは、特にプラズ
マエッチングを用いた場合にはその際の発光分析を行
い、PZTとの反応が始まったことを確認することによ
り容易に実現される。これにより(d)に示す形態にな
る。
【0019】次にマスクとして用いたレジスト層5をア
ッシング(酸素との反応を用いたレジスト灰化)により
除去する。続いて、スクラバ等を用いた表面処理を行っ
て(e)に示す形状になる。
【0020】次に(f)に示すように上部電極のパター
ンを持ったレジスト層6を形成する。この場合も、次に
行われるエッチングの際のマスクとして使用できる程度
の厚さとして、2μm程度が良い。次に(g)、(h)
に示すように上部電極(Pt)4、強誘電体(PZT)
層3、下部電極(Pt)2をエッチングする。この時、
(g)、(h)中に示した領域Pでは先に上部電極(P
t)4が、次に強誘電体(PZT)3がエッチングされ
るのに対して、領域Oでは先に強誘電体(PZT)3
が、次に下部電極(Pt)2がエッチングされる。エッ
チング終了後には(i)に示す形状になる。これは、イ
オンミリングの場合にはPZTとPtのエッチングレー
トの選択性が小さく、どちらも10nm/min程度で
あり、かつ上部電極Ptと下部電極Ptの厚さを等しく
してあるためである。また、プラズマエッチングを用い
た場合には、例えば特開平8−264734で述べられ
ている様に、3:2の混合比のCl2とC26混合ガス
をArに対して30%混合したガスを用い、エッチング
チャンバの周囲を囲むコイルに加えるRFパワーを60
0W程度にすることにより、どちらのエッチングレート
も80nm/min程度で等しくすることは可能であ
る。従って、どちらの方法もここに示すエッチング工程
に使用できる。
【0021】次にマスクとして用いたレジスト層6をア
ッシング(酸素との反応を用いたレジスト灰化)により
除去する。続いて、スクラバ等を用いた表面処理を行っ
て側壁再付着物を除去し(j)に示す形状を形成する。
【0022】このように、本発明においては(e)およ
び(j)の形状を形成する際にスクラバ等を用いた表面
処理を2回行っている。しかし、本発明においては図1
から明らかな様に、レジスト側壁再付着物は段差構造の
最上部にある。従って、図4に示した場合と同様にスク
ラブによる除去が可能であり、どちらの工程においても
図5に示した様なレジスト側壁再付着物による容量ショ
ートは発生しない。
【0023】以上の説明では上部電極、下部電極共にP
tの200nm厚としたが、特に下部電極は下地酸化膜
との密着性を考えて、Ptの下にTiを入れた構造が用
いられる場合が多い。この場合においても、例えばPt
が200nmに対してTiが20nm程度の厚さであれ
ば、上部電極であるPt200nmをエッチングするの
に要する時間と、下部電極であるPt(200nm)/
Ti(20nm)をエッチングするのに要する時間は1
0%程度しか変わらない。これが容量の加工形状に与え
る影響は無視できるはど小さいため、この場合にも本発
明が適用できる。
【0024】上記の例では誘電体膜として、強誘電体材
料であるPZTを用いて説明したが、例えばSrBi2
Ta29等の他の強誘電体材料、あるいは例えばBa
(Sr1 -xTix)O3等の高誘電体材料を用いることも
できる。
【0025】更に、プラズマエッチングを用いて上部電
極、下部電極の加工を行う場合、実用上充分なエッチン
グレートが得られる種類のガスを用いればよく、例えば
Cl 2、CHF3、CF4、C26、CCl22およびC
HClFCF3等より選ばれる少なくとも一種を含むガ
スを用いても同様の結果が得られる。
【0026】また、下部電極および上部電極の材料とし
てPtの他にPt、Ti、Ir、IrO2、Ruおよび
RuO2からなる群より選ばれる少なくとも一種を用い
ることができる。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、容量素子加工時にイオ
ンミリングやプラズマエッチングによるエッチングの際
に、レジストの側壁に生じた再付着物を容易に除去する
ことができるので、歩留まりよく容量素子を製造するこ
とができ、特にこの容量素子を多数備えた半導体メモリ
の歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の容量素子の製造方法の一実施形態の工
程断面図である。
【図2】強誘電体容量のヒステリシス特性の例を示す図
である。
【図3】従来の容量素子の製造方法の一例を示す工程断
面図である。
【図4】従来の容量素子の製造方法における上部電極お
よび強誘電体加工後のレジスト側壁再付着物の除去方法
を示す工程断面図である。
【図5】従来の容量素子の製造方法における下部電極加
工後のレジスト側壁再付着物の除去方法を示す工程断面
図である。
【符号の説明】
1 下地酸化膜(SiO2) 2 下部電極(Pt)層 3 強誘電体(PZT)層 4 上部電極(Pt)層 5、6 レジスト層 11、12 側壁再付着物 13 スクラバのブラシ

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に形成される容量素子の製
    造方法において、 下部電極、誘電体膜および上部電極を下側から順次成膜
    して積層する工程と、 この上部電極の上に第1のレジストを所定パターン状に
    形成する工程と、 第1のレジストをマスクとして前記上部電極をエッチン
    グする第1のエッチング工程と、 第1のレジストを除去する工程と、 エッチングによって成形された上部電極の上に、第2の
    レジストを前記第1のレジストのパターンよりも小さい
    パターン状に形成する工程と、 第2のレジストをマスクとして前記上部電極と前記誘電
    体膜をエッチングする第2のエッチング工程とを含む容
    量素子の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記上部電極と前記下部電極の材質が等
    しいことを特徴とする請求項1記載の容量素子の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 前記上部電極と前記下部電極の厚さが等
    しいことを特徴とする請求項2記載の容量素子の製造方
    法。
  4. 【請求項4】 前記第1のエッチング工程及び前記第2
    のエッチング工程の後にブラシスクラブあるいはジェッ
    ト水スクラブ工程を行うことを特徴とする請求項1〜3
    のいずれかに記載の容量素子の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記第1のエッチング工程または前記第
    2のエッチング工程は、不活性ガスを用いたイオンミリ
    ング法を用いるエッチングであることを特徴とする請求
    項1〜4のいずれかに記載の容量素子の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記第1のエッチング工程または前記第
    2のエッチング工程は、プラズマエッチング法を用いる
    エッチングであることを特徴とする請求項1〜4のいず
    れかに記載の容量素子の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記プラズマエッチング法は、Cl2
    CHF3、CF4、C26、CCl22およびCHClF
    CF3からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むガ
    スを用いることを特徴とする請求項6記載の容量素子の
    製造方法。
  8. 【請求項8】 前記下部電極および上部電極は、Pt、
    Ti、Ir、IrO 2、RuおよびRuO2からなる群よ
    り選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする請
    求項1〜7のいずれかに記載の容量素子の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記誘電体膜がPb(Zr1-x,Tix
    3、SrBi2Ta 29およびBa(Sr1-x,Tix
    3からなる群より選ばれる少なくとも一種からなるこ
    とを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の容量素
    子の製造方法。
  10. 【請求項10】 請求項1〜9のいずれかに記載の製造
    方法により半導体基板上に複数個の容量素子を同時に形
    成することを特徴とする半導体メモリの製造方法。
  11. 【請求項11】 請求項1〜9のいずれかに記載の製造
    方法により形成された容量素子。
  12. 【請求項12】 請求項10記載の製造方法により形成
    された半導体メモリ。
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