JP3946031B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドライエッチング方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、DRAMの容量素子部では、容量絶縁膜としてONO(Oxide−Nitride−Oxide)膜が使用されている。そしてこれまで、デバイスの微細化に対して、容量電極の表面積を大きくすることで容量が確保されてきた。
【0003】
しかし、ONO膜は誘電率ε=7〜8であり、より微細化、高集積化が要求されるデバイスに対して十分な容量を得るのは困難になってきた。そのため、4GbitDRAM以降のDRAM等の容量素子部では、誘電率ε=200〜250である(Ba,Sr)TiO3 (以後、BSTと略す)のような多元素系酸化物からなる膜を容量絶縁膜として用いることが検討されている。
【0004】
BST膜を容量絶縁膜として用いる場合、容量電極材料としてPt(白金)、Ir(イリジウム)が使用される。そこで、0.13μmルール(4GbitDRAMに相当)のデバイスを実現するには、上記したPt、Irといった貴金属を精度よく微細加工することが必要となる。
【0005】
白金を下部電極とする容量電極として、スタック型構造容量が提案されている。スタック型構造容量の形成工程を、図6および図7を用いて説明する。
まず、図6(a)に示すように、半導体基板(Si基板)1の上にPt膜(白金膜)2,シリコン酸化膜3を順次に堆積し、リソグラフィー法によってフォトレジスト4をパターニングする。
【0006】
次に、図6(b)に示すように、フォトレジスト4をマスクとして、シリコン酸化膜3をドライエッチングする。このシリコン酸化膜3のドライエッチングは一般に、C4F8,O2,Arの混合ガスを用いて、2周波励起型RIE(Reactive Ion Etching)方式のドライエッチング装置にて行なう。
【0007】
次に、図6(c)に示すように、フォトレジスト4を除去し、パターニングされたシリコン酸化膜3をマスクとして、Pt膜2のドライエッチングを行なう。Ptのドライエッチングには一般に、Ar,Cl2の混合ガスを用いる。このようなガスを用いたドライエッチング時には、(Pt/フォトレジスト)選択比が0.1〜0.2程度となるので、Ptエッチ時のマスク材料として通常、上記したシリコン酸化膜3(もしくはシリコン窒化膜)を用いるのである。
【0008】
次に、図6(d)に示すように、マスクとして用いたシリコン酸化膜3を除去し、BST膜5,Pt膜6を堆積し、堆積したBST膜5,Pt膜6をリソグラフィー,ドライエッチングによってパターニングすることにより、BST膜5を容量絶縁膜とした、Pt膜6からなる上部電極を形成する。
【0009】
図7は、上記した2周波励起型RIE(Reactive Ion Etching)方式のドライエッチング装置の構成を示す。給気系および排気系(図示せず)を設けた反応室11の内部に、上部電極12と処理対象の半導体基板13を設置する下部電極14とを配置し、反応室11の外部に各電極12,14に接続する高周波電源15,16を配置している。反応室11を構成する少なくとも側壁の内面は、プラズマ耐性の強い(すなわち硬度が高い)保護膜、ここではY2O3膜(イットリア膜)17でコーティングされている。
【0010】
上記したシリコン酸化膜3のドライエッチング条件は以下に示す通りである。
(ドライエッチング条件1)
C4F8流量 20ml/ 分
O2流量 15ml/ 分
Ar流量 500ml/ 分
圧力 5Pa
投入電力(上部) 1000W
投入電力(下部) 1000W
基板温度 20℃
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したようにしてスタック型構造容量を形成する工程では、図6(b) に示すようにシリコン酸化膜3をオーバーエッチングする際に、Pt膜2の表面がC4F8/O2/Arプラズマに曝されることになる。
【0012】
そこで、Pt膜2の表面がフッ素系プラズマに曝されることによる影響を調べるために、シリコン酸化膜3のオーバーエッチング(したがってPtエッチ)の前後の反応室11の内部の不純物を分析した。具体的には、反応室11の壁に、デバイス特性に影響を与えると考えられるYを含むY2O3膜17でコーティングが施されていることを考慮して、Pt,Yに着目して、半導体基板1に付着したPt,Yの原子数をICP質量分析法で分析した。
【0013】
結果は図8に示す通りであり、Pt処理前として示したオーバーエッチ前には反応室11のY汚染は観察されなかったが(検出限界以下)、Pt処理後として示したオーバーエッチ後には反応室11のY汚染が観察された(Y:6×1011atoms/cm2)。図中、E+nは10のn乗を示す。
【0014】
これは、次のような理由に拠るものと考えられる。プラズマから供給されたフッ素イオンもしくはフッ素ラジカルとPtとが反応して、PtF4,PtF6等が生成する。これらの反応生成物PtFxは強力なルイス酸であり、反応性が非常に強いため、反応室11の壁面のコーティングに用いられているY2O3を還元し、それにより放出されたY(イットリウム)が半導体基板1に供給される。
【0015】
また、シリコン酸化膜3のオーバーエッチ中にエッチングされたPtがスパッタ効果により反応室11の壁面に付着し、触媒効果を発揮して、プラズマ中の粒子と前記壁面のY2O3との反応を容易にし、それにより放出されたYが半導体基板1に供給される、というメカニズムも存在すると考えられる。
【0016】
このようにして供給されたYは半導体基板1に打ち込まれ、トランジスタの特性の劣化を引き起こすことになる。
反応室11の壁面のコーティングに用いられるプラズマ耐性の強い材料としては、上記したY2O3の他に、Al2O3(アルマイト)、SiC(炭化ケイ素)等があるが、これらによってコーティングされた反応室11でも半導体基板1の汚染が同様に観測される。
【0017】
本発明は上記問題点に鑑み、Pt上のシリコン酸化膜のドライエッチング時に発生する反応室壁材料による汚染を抑制することを目的とするものである。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明は、Pt上のシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などをドライエッチングする際に、壁面が石英で覆われた反応室を用いることで、Ptと壁材料との反応を抑制するようにしたものである。
【0022】
すなわち本発明は、半導体基板上に形成された白金膜と、前記白金膜上にエッチングストップ膜となる、窒化チタンアルミニウムよりなる密着層を介して形成されたシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であるシリコン含有膜とを有する半導体装置の製造方法であって、前記シリコン含有膜と前記密着層とを順次エッチングする工程において、少なくとも前記密着層のドライエッチングを、壁面が石英で覆われた反応室内で行なうことを特徴とする。
密着層をエッチングする際には白金がプラズマに曝され副成物が生成する恐れがあるので、壁面が石英で覆われた反応室を用いるのである。一方、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜のエッチングは密着層の存在を利用してその上でストップさせるようにすれば、白金がプラズマに曝され汚染源となる副成物が生成するのを回避できるので、必ずしも壁面が石英で覆われた反応室を用いる必要はない。よって、反応室の選択幅が広がる。
【0023】
前記のような密着層に対してはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などのシリコン含有膜を選択的にエッチングできるので、密着層の上でエッチングをストップさせることが可能であり、白金とプラズマとから、汚染源となる副生成物が生成するのを回避できる。
【0024】
前記密着層のドライエッチングには塩素系ガスを用いることができ、それにより、フッ素系ガスを用いる場合のような強力なルイス酸の生成、それによる石英の侵食を回避できる。よって、反応室のメンテナンス周期の延長、メンテナンス性の向上を図ることが可能となる。
【0026】
前記塩素系ガスはCl2,HCl,BCl3の内の少なくとも1種を含むものであってよい。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1におけるドライエッチング方法を説明する。このドライエッチング方法は、先に図6を用いて説明したスタック型構造容量の形成工程で実施されるが、ドライエッチング工程のみ、図面を用いて説明する。
【0030】
図1は、この実施の形態1のドライエッチング方法を実施するためのドライエッチング装置を示す。このドライエッチング装置は先に図6を用いて説明した従来装置とほぼ同様の構成を有しており、反応室11の側壁(好ましくは天部および底部も)の内面が石英ウォール18で覆われている点で従来装置と相違している。石英ウォール18中には、デバイスの性能を劣化させる汚染源となるY,Al等の元素は含まれていない。
【0031】
エッチング対象は、図2(a)に示すような、半導体基板1上に白金膜2,シリコン酸化膜3を堆積し、フォトレジスト4をパターニングしたウエハである。このウエハに対して、図2(b)に示すように、フォトレジスト4をマスクとして、シリコン酸化膜3をドライエッチングする。ドライエッチング条件は、上述したドライエッチング条件1と同一であり、C4F8,O2,Arの混合ガスを用いる。
【0032】
このため、シリコン酸化膜3のオーバーエッチ時に、上述したのと同様に、シリコン酸化膜3の下地のPt膜2がプラズマに曝され、プラズマ中のフッ素ラジカルやイオンと反応してPtF4,PtF6等が生成するが、生成したPtF4,PtF6等は反応室11の壁面を覆っている石英ウォール18の成分と反応するものの、この石英ウォール18から、デバイスの性能を劣化させる汚染元素が半導体基板1に供給されることはない。よって、従来は発生していた反応室11の壁材料による汚染を抑制できる。
【0033】
石英ウォール18を用いることによる汚染抑制効果を評価するために、上述した評価方法と同様にして、シリコン酸化膜3のオーバーエッチ(したがってPtエッチ)の前後で、半導体基板1に付着した不純物をICP質量分析法で分析した。結果は図3に示す通りであり、不純物としてPtは検出されたが、反応室の壁材料に起因すると考えられる汚染元素は検出されなかった。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2におけるドライエッチング方法を説明する。このドライエッチング方法は、シリコン酸化膜とPt膜とを密着させるために窒化チタンシリコン(TiSiN)を用いたスタック型構造容量の形成工程で実施される。
【0034】
図4は、上記したスタック型構造容量を形成する工程断面図である。
まず、図4(a)に示すように、半導体基板1上にPt膜2,TiSiN膜7,シリコン酸化膜3を順次に堆積し、リソグラフィー法によってフォトレジスト4のパターニングを行う。
【0035】
このようにして形成されたウエハをエッチング対象として、上述した図1のドライエッチング装置を用いて、図4(b)に示すように、フォトレジスト4をマスクとして、シリコン酸化膜3をドライエッチングする。ドライエッチング条件は上述したドライエッチング条件1と同一であり、C4F8,O2,Arの混合ガスを用いる。
【0036】
このようなフッ化炭素ガスを主体としたプラズマでドライエッチングを行なう際には、
(シリコン酸化膜のエッチ速度)>(TiSiNのエッチ速度)
となり、選択比(シリコン酸化膜/TiSiN)に基づき、図示したようにTiSiN膜7の上でエッチングをストップさせることが可能である。よって、Ptがプラズマに曝されることに起因する問題は回避できる。
【0037】
次に、図4(c)に示すように、フォトレジスト4,シリコン酸化膜3をマスクとして、TiSiN膜7をドライエッチングする。ドライエッチング条件は以下ドライエッチング条件2であり、Cl2,Arの混合ガスを用いる。
【0038】
(ドライエッチング条件2)
Cl2 流量 20ml/ 分
Ar流量 500ml/ 分
圧力 5Pa
投入電力(上部) 500W
投入電力(下部) 250W
基板温度 20℃
このような塩素系ガスを主体としたプラズマでシリコン酸化膜3の下地のTiSiN膜7をドライエッチングする際には、オーバーエッチによってPt膜2が露出しても、フッ素系ガスを用いる時に発生するPtFxのような強力なルイス酸は発生せず、当然ながらPtFxによる石英ウォール18の侵食は生じない。よって、反応室11のメンテナンス周期の延長、メンテナンス性の向上が可能となる。
【0039】
ドライエッチングの終了後には、従来と同様にして、BST膜5を容量絶縁膜とした、Pt膜6からなる上部電極を形成する。
なお、シリコン酸化膜3のエッチ時には、上記したように下地のTiSiN膜7の上でエッチングをストップさせることが可能であるため、つまりオーバーエッチングにならないようにストップさせることが可能であるため、このシリコン酸化膜3のエッチングについては、壁面がY2O3などでコーティングされた別途の反応室を用いることも可能である。
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3におけるドライエッチング方法を説明する。このドライエッチング方法は、上記した実施の形態2で説明したスタック型構造容量の形成工程で実施するので、図4を援用して説明する。
【0040】
図5は、この実施の形態3のドライエッチング方法を実施するためのドライエッチング装置の構成を示す。このドライエッチング装置では、ウエハ19を格納するためのカセット室20とウエハ移載室21とが接続して配置され、ウエハ移載室21の両側に、壁面がY2O3で覆われた(以下、Y2O3被覆されたという)第1反応室22と壁面が石英ウォールで覆われた(以下、石英被覆されたという)第2反応室23とが接続されていて、ウエハ移載室21,真空搬送機構24により、ウエハ19を大気にさらすことなく第1反応室22と第2反応室23との間を移載することが可能である。
【0041】
ドライエッチングの対象のウエハ19は、図4(a)に示したような、半導体基板1上に白金膜2,TiSiN膜7,シリコン酸化膜3を順次に堆積し、フォトレジスト4をパターニングしたものである。このウエハ19は、ドライエッチング装置の前工程で作成しておく。
【0042】
そして、図5に示したドライエッチング装置を用いて、図4(b),(c)の工程と同様にして、シリコン酸化膜3、TiSiN膜7のドライエッチングを行う。
【0043】
その際には、真空搬送機構によりウエハ19を、カセット室20から移載室21を経由して、Y2O3被覆された第1反応室22に搬入し、この第1反応室22内でウエハ19のシリコン酸化膜3を上述したドライエッチング条件1にてドライエッチングする。
【0044】
次に、ウエハ19を第1反応室22から取り出し、ウエハ移載室21を経由して、石英被覆された第2反応室23に移載し、この第2反応室23内でウエハ19のTiSiN膜7を上述したドライエッチング条件2にてドライエッチングする。
【0045】
次に、ウエハ19を第2反応室23から取り出し、ウエハ移載室21を経由してカセット室20に移載し、ドライエッチング装置の後工程へ搬出する。
そして、ドライエッチング装置の後工程で、従来と同様にして、BST膜5を容量絶縁膜とした、Pt膜6からなる上部電極を形成する。
【0046】
つまり、上記したドライエッチング装置では、シリコン酸化膜3はY2O3被覆された第1反応室22内でオーバーエッチングにならないようにエッチングし、TiSiN膜7は石英被覆された第2反応室22内でエッチングする。
【0047】
このため、第1反応室22ではPtは露出せず、Ptに起因する壁材料からの汚染物質の放出は発生しない。また第2反応室23では、塩素系ガスを用いるため、フッ素系ガスを用いるときのような強力なルイス酸PtFxは発生せず、当然ながらルイス酸PtFxによる石英ウォールの侵食は発生しない。よって、第1反応室21のメンテナンス周期の延長、メンテナンス性の向上を図ることが可能となる。
【0048】
さらに、両ドライエッチング加工とも石英被覆された反応室で行う場合には、この石英にプラズマ中のフッ素ラジカルが反応するため、シリコン酸化膜3のエッチングに寄与するフッ素ラジカルが実質的に減少し、エッチング速度が低下し、それとともに選択比が変動することが懸念されるが、このドライエッチング装置では、シリコン酸化膜3のエッチングをY2O3被覆された第1反応室22で行なうので、こうした理由によるエッチング速度の低下、選択比の変動は生じない。
【0049】
しかも、ウエハ移載室21を経て真空搬送するので、第1および第2の反応室22,23間の移載時におけるウエハ19への異物の付着、それによる歩留まり低下、大気搬送時に起こる水分の付着を抑制できる。
【0050】
なお、上記した各実施の形態ではシリコン酸化膜3をドライエッチングする反応室をY2O3被覆した例を挙げたが、Al2O3被覆もしくはSiC被覆した反応室を用いても同様の効果が得られる。
【0051】
また、Ptエッチ時のマスクにシリコン酸化膜3を用いた例を挙げたが、シリコン窒化膜を用いた場合も同様の効果が得られる。
また、Pt膜2とシリコン酸化膜3との間の密着層として、TiSiN(窒化チタンシリコン)を用いた例を挙げたが、TiN(窒化チタン)、TiAlN(窒化チタンアルミニウム)を用いても同様の効果が得られる。
【0052】
フッ素系ガスとしては、CF4,CHF3,CH2F2,C2F6,C4F6,C5F8,C4F8のうち少なくとも1種を含むガスを使用できる。
塩素系ガスとしては、Cl2,HCl,BCl3のうち少なくとも1種を含むガスを使用できる。
【0053】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、少なくとも、Pt膜とシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜との間に形成した密着層のドライエッチングを、壁面が石英で覆われた反応室で行なうことにより、エッチング副成物と壁材料との反応を抑制し、壁材料から放出される重金属元素によるデバイスの特性劣化及び欠陥を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1におけるドライエッチング方法を実施するためのドライエッチング装置の概略構成図
【図2】同実施の形態1におけるドライエッチング方法を説明する工程断面図
【図3】石英ウォールで反応室側壁を覆った図1のドライエッチング装置における不純物汚染の分析結果を示すグラフ
【図4】本発明の実施の形態2におけるドライエッチング方法を説明する工程断面図
【図5】本発明の実施の形態3におけるドライエッチング方法を実施するためのドライエッチング装置の概略構成図
【図6】従来よりある白金下部電極を用いたスタック型構造容量の形成方法を説明する工程断面図
【図7】Y2O3で反応室側壁を覆った従来のドライエッチング装置の概略構成図
【図8】図7に示したドライエッチング装置における不純物汚染の分析結果を示すグラフ
【符号の説明】
1 半導体基板
2 Pt膜
3 シリコン酸化膜
4 フォトレジスト
7 TiSiN膜
11 反応室
12 上部電極
13 半導体基板
14 下部電極
18 石英ウォール
Claims (3)
- 半導体基板上に形成された白金膜と、前記白金膜上にエッチングストップ膜となる、窒化チタンアルミニウムよりなる密着層を介して形成されたシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であるシリコン含有膜とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記シリコン含有膜と前記密着層とを順次エッチングする工程において、少なくとも前記密着層のドライエッチングを、壁面が石英で覆われた反応室内で行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記密着層のドライエッチングに塩素系ガスを用いる請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記塩素系ガスがC12,HCl,BCl3の内の少なくとも1種を含む請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
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