JP4562482B2 - 強誘電体キャパシタ構造およびその作製方法 - Google Patents
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Description
この発明は、半導体集積回路に関し、特に強誘電体キャパシタ構造体およびその作製方法に関するものである。
近年、さまざまなメモリセルの研究が進められている。その１つとして、強誘電体膜を用いた不揮発性メモリがあげられる。この不揮発性メモリは、強誘電体キャパシタの高速分極反転を利用するために高速書き換えが可能であること、また、残留分極量を利用するために低消費電力であることから、優位性のあるメモリとして期待されている。強誘電体キャパシタは、一般的に、上部電極、強誘電体膜、下部電極を積層して構成される。
従来、強誘電体キャパシタと上部金属配線層とを接続するコンタクトホールエッチングにおいて、層間絶縁膜のエッチングはＦ系ガスを用い、水素拡散バリア膜のエッチングはＣｌ系ガス、もしくはＣｌ系ガスとＦ系ガスとの混合ガスを用いて開口する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
また、ＣＨＦ3／ＣＯを主成分とするエッチングガスを用いてシリコン基板上のＡｌ2Ｏ3膜を選択的にエッチングする工程と、Ｃｌ2及び／又はＨＢｒを主成分とするエッチングガスを用いてシリコン基板を異方的に選択エッチングする工程とを有するシリコンのエッチング方法がある（例えば、特許文献２参照。）。
さらに、白金電極を含む半導体装置の白金電極のプラズマエッチング方法において、エッチングガスとして、窒素およびハロゲン、並びに希ガス、ＢＣｌ3、ＨＢｒ、ＳｉＣｌ4およびこれらの混合物から選択されたガスを含むエッチングガスを用いる方法がある（例えば、特許文献３参照。）。
特開２０００−１３３６３３号公報
特開平６−２０８９７５号公報
特表２００２−５３７６４５号公報
しかしながら、水素拡散バリア膜のエッチング時に、特許文献１に記載されているように、Ｃｌ2／ＣＦ4／Ａｒガス系やＣｌ2／Ｏ2／ＣＦ4／Ａｒガス系を使用すると、強誘電体キャパシタの上部電極のエッチングレートと水素拡散バリア膜のエッチングレートがほとんど同じになるため、このような前記ガス系を使用すると、オーバーエッチング時の量だけ上部電極が削れ、図１に示すように、水素拡散バリア膜エッチング時に上部電極を残すことが非常に困難となり、結果として上部電極がなくなって強誘電体膜が露出し、コンタクトホール部からＨ2ＯやＨ2が侵入し強誘電体キャパシタ特性が大きく劣化してしまうという重大な問題点があった。
また、特許文献２に記載されるシリコンのエッチング方法は、エッチングガスとして還元性のガスを用いるものであるが、その目的は深いトレンチを形成する際に、トレンチ上部となるシリコン基板のエッチングによるトレンチの形状劣化を防止しようとするもの、すなわち、開口寸法が小さくかつ深いトレンチを形成できるようにするものであって、強誘電体キャパシタを作製するためのエッチング方法に関するものではない。
さらに、特許文献３に記載される白金電極のプラズマエッチング方法は、エッチングガスとして還元性のガス用いるものであるが、その目的は、高角度の白金形状異方性を有する白金電極を有する高密度集積回路半導体装置を製造するための白金電極層のプラズマエッチング方法であって、強誘電体キャパシタを作製するためのエッチング方法に関するものではない。
この発明は、このような状況に鑑み、強誘電体キャパシタの上部電極の削れを抑制し、強誘電体膜にダメージを与えることをなくし、誘電分極率の高いキャパシタ特性を得ることができる、強誘電体キャパシタ構造およびその作製方法を提供することを目的とするものである。
この発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、水素拡散バリア膜のエッチングを還元性のガスを含むエッチングガスを用いて行う。
すなわち、この発明の強誘電体キャパシタ構造は、以下に示す構成を有することを特徴とするものである。
下部電極上に強誘電体膜が形成されており、強誘電体膜上に上部電極が形成されるように構成された強誘電体キャパシタが所定のパターンに形成されており、強誘電体キャパシタの上に水素拡散バリア膜が形成されており、水素拡散バリア膜上に層間絶縁膜が形成されており、上部電極と上部金属配線層とを接続するためのコンタクトホールが形成されている。ここで、上部電極の材料が、白金（Ｐｔ）であり、水素拡散バリア膜の材料が、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3 ）である。また、層間絶縁膜のエッチングがフッ素元素を含むガスを用いて行われたものであり、水素拡散バリア膜のエッチングが、エッチングガスとしてＢＣｌ3／Ｃｌ2混合ガスを用い、ＢＣｌ3流量比を５０％以上とし、及び、カソード電極に印加するイオンエネルギー制御のためのバイアス用ＲＦパワーを７０Ｗ以下として行われたものである。
また、この発明の強誘電体キャパシタ構造の好適実施形態によれば、水素拡散バリア膜のエッチングにおいて、ＢＣｌ
3
流量比を７０％以上とするのが良い。
また、強誘電体膜の材料がジルコニウムチタン酸鉛（ＰＺＴ）系化合物またはタンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）系化合物であるのが好ましい。
また、この発明の強誘電体キャパシタ構造の作成方法は、下部電極を形成し、下部電極上に強誘電体膜を形成し、強誘電体膜上に上部電極が形成されるように構成された強誘電体キャパシタを所定のパターンに形成し、強誘電体キャパシタの上に水素拡散バリア膜を形成し、水素拡散バリア膜上に層間絶縁膜を形成し、上部電極と上部金属配線層とを接続するためのコンタクトホールが形成された強誘電体キャパシタ構造の作製方法であって、以下の構成を有している。上部電極の材料が、白金（Ｐｔ）であり、水素拡散バリア膜の材料が、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3 ）である。層間絶縁膜のエッチングを、フッ素元素を含むガスを用いて行い、水素拡散バリア膜のエッチングを、エッチングガスとしてＢＣｌ3／Ｃｌ2混合ガスを用い、ＢＣｌ3流量比を５０％以上とし、及び、カソード電極に印加するイオンエネルギー制御のためのバイアス用ＲＦパワーを７０Ｗ以下として行う。
また、この発明の強誘電体キャパシタ構造の作製方法の好適実施形態によれば、水素拡散バリア膜のエッチングにおいて、ＢＣｌ
３
流量比を７０％以上とするのが良い。
また、強誘電体膜の材料がジルコニウムチタン酸鉛（ＰＺＴ）系化合物またはタンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）系化合物であるのが好ましい。
請求項１および請求項６に係る発明強誘電体キャパシタ構造およびその作製方法によれば、強誘電体キャパシタの上部電極の削れを抑制し、強誘電体膜にダメージを与えることがなくなるため、誘電分極率の高いキャパシタ特性を得ることができる。また、特に高集積化した強誘電体キャパシタ半導体メモリの歩留まりを向上することができる効果がある。さらに、信頼性を向上することができるという効果がある。
以下、この発明の各構成要件について詳細に説明する。
この発明において、「還元基」とは、酸素と反応する元素のことをいう。この発明の場合、水素拡散バリア膜の材料として金属酸化物を使用することを特徴としているので、上述の金属酸化物に含まれる酸素を除去するために必要な元素を「還元基」と定義する。この発明においては、上述の「還元基」として、例えば、ホウ素（Ｂ）あるいは炭素（Ｃ）などを用いるが、この場合、前記ホウ素（Ｂ）あるいは炭素（Ｃ）は、ＢxＯy、ＣＯあるいはＣＯ2などとして酸素を除去することになる。
また、この発明において用いることができる、層間絶縁膜のエッチングガスの具体的な例としては、例えば、以下のようなものが挙げられる。すなわち、ＣＨＦ3、ＣＦ4、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6、ＣＨ2Ｆ2、ＳＦ6などのガスを用いることができる。
また、この発明において用いることができる、水素拡散バリア膜のエッチングガスの具体的な例としては、例えば、以下のようなものが挙げられる。すなわち、還元基を含むガスとハロゲンガスとの混合ガスとしては、ＣＦ4／Ｃｌ2、ＢＣｌ3／Ｃｌ2などのガスを用いることができ、また、構成物として還元基を持つハロゲンガスとしては、ＢＣｌ3、ＣＣｌ4、ＣＦ2Ｃｌ2などのガスを用いることができるが、これらのものに限定されるわけではない。前記ＣｌはＢｒやＩと置換可能である。
また、この発明において用いることができる、水素拡散バリア膜の材料としては、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）あるいはその他の金属酸化物であるが、前記金属酸化物としては、例えば、チタン酸化物やタンタル酸化物などを挙げることができる。
また、この発明において用いることができる、上部電極の材料としては、例えば、Ｐｔであり、強誘電体膜の材料としては、例えば、ジルコニウムチタン酸鉛（ＰＺＴ）系化合物またはタンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）系化合物である。下部電極の材料としては一般的にＰｔを用いるが、Ｐｔを含む積層構造やその他の導電性膜であってもこの発明においては用いることができる。
なお、キャパシタ構造の作製個所についてであるが、下部電極と導通を取るため、この発明で図示した構造の場合はキャパシタ構造をプラグ上に作製する。上部電極と同様にキャパシタ上部からコンタクトを取る場合には絶縁膜上にキャパシタ構造を作製する。
請求項２〜４および請求項７〜９に係る発明の強誘電体キャパシタ構造およびその作製方法によれば、強誘電体キャパシタの上部電極の削れを抑制し、強誘電体膜にダメージを与えることがなくなるため、誘電分極率の高いキャパシタ特性を得ることができる。また、特に高集積化した強誘電体キャパシタ半導体メモリの歩留まりを向上することができる効果がある。さらに、信頼性を向上することができるという効果がある。
また、請求項５および請求項１０に係る発明によれば、上述した効果に加え、対Ｐｔエッチング選択比が特に向上するという効果が発揮される。
以下、この発明の強誘電体キャパシタ構造およびその製造方法の最良の実施形態について、説明する。
以下、図面を参照しながら、この発明の実施例を説明するが、以下の説明で用いるフッ素（Ｆ）元素を含むガス、還元基を含むガスあるいは還元基を持つガス、ならびにハロゲンガス等は、この発明の範囲内の好適な一例を示すに過ぎず、以下のものに限定されるわけではない。
（実施例１）
この発明の強誘電体キャパシタ構造に用いられる、強誘電体キャパシタ形成時の基板構造を図２に示す。図２は通常のＳｉ半導体プロセスを用いて、Ｓｉ基板に素子分離、拡散層、トランジスタ素子を形成し、絶縁膜を形成し平坦化した後、キャパシタの下部電極と接続するプラグまで形成した状態を示している。その後の工程がキャパシタの形成工程となる。
この発明の強誘電体キャパシタ構造に用いられる、強誘電体キャパシタ形成時の基板構造を図２に示す。図２は通常のＳｉ半導体プロセスを用いて、Ｓｉ基板に素子分離、拡散層、トランジスタ素子を形成し、絶縁膜を形成し平坦化した後、キャパシタの下部電極と接続するプラグまで形成した状態を示している。その後の工程がキャパシタの形成工程となる。
まず、下部電極の一部として構成される上述のプラグの酸化防止膜を形成する。酸化防止膜はいくつかの種類があるが、ここではＴｉＡｌＮ膜を用いた。上述のＴｉＡｌＮ膜と連続して密着層としてＩｒ膜およびＩｒＯ2膜を形成し、その後、下部電極となるＰｔ膜、強誘電体膜となるタンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）の膜、上部電極となるＰｔ膜を順次形成する。その後、エッチングマスクとなるＳｉＯ2膜を形成する。次に、通常のリソグラフィ法を用いてエッチングマスクをまず加工する。引き続きレジストを除去する工程を行い、ＳｉＯ2をマスクとして、上層からＰｔ膜、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）膜、Ｐｔ膜、ＩｒＯ2膜、Ｉｒ膜、ＴｉＡｌＮ膜から構成される強誘電体キャパシタ構造をドライエッチング法によりパターニングする。パターニング後、エッチングマスクとして形成したＳｉＯ2を除去する。その強誘電体キャパシタ形成後の構造を図３に示す。
次に、水素拡散バリア膜としてＡｌ2Ｏ3膜を形成した場合を例として詳細に説明する。Ａｌ2Ｏ3で強誘電体キャパシタを覆った後、ＳｉＯ2層間絶縁膜を堆積する。次に、リソグラフィ法を用いて強誘電体キャパシタの上部電極と図示しない金属配線層とを接続するためのコンタクトホールパターンを形成する。まず、水素拡散バリア膜をエッチングストッパ層として、層間絶縁膜をＣＨＦ3／ＣＦ4／Ａｒガスを用いてエッチングする。その水素拡散バリア膜エッチング前の構造を図４に示す。
水素拡散バリア膜のエッチングは、ＥＣＲ枚葉式ウエハプラズマエッチャーを使用し、ＢＣｌ3／Ｃｌ2混合ガス系で行った。図５にＢＣｌ3／Ｃｌ2の流量比を、３０ｓｃｃｍ／７０ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ／５０ｓｃｃｍ、７０ｓｃｃｍ／３０ｓｃｃｍと変化させたときのＡｌ2Ｏ3及びＰｔのエッチングレートを算出した結果を示す。図５は横軸にＢＣｌ3流量（ｓｃｃｍ）をプロットし、縦軸にエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）をプロットした、Ｐｔ、Ａｌ2Ｏ3エッチングレートのＢＣｌ3流量比依存性を示す図である。この図５より、ＢＣｌ3の流量比を７０％以上にすることで、選択比が向上することが分かる。
次に、カソード電極に印加するイオンエネルギー制御のためのバイアス用ＲＦパワーを、７０Ｗ、１００Ｗ、１３０Ｗと変化させたときのＡｌ2Ｏ3及びＰｔのエッチングレートを算出した結果を図６に示す。図６は横軸にＲＦパワー（Ｗ）をプロットし、縦軸にエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）をプロットした、Ｐｔ、Ａｌ2Ｏ3エッチングレートのＲＦパワー依存性を示す図である。この図６より、７０Ｗ以下の低パワーにすることにより、選択比が向上することが分かる。
なお、上述の方法において用いたエッチング条件は、ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ、放電圧力：１．３３Ｐａ、電極温度：４０℃およびμ波：７００Ｗである。
以上のことより、図７に示すように、Ａｌ2Ｏ3エッチングは、ＢＣｌ3／Ｃｌ2混合ガスでのＢＣｌ3流量比を７０％以上とすること、及びバイアス用ＲＦパワーを７０Ｗ以下とすることで、対Ｐｔエッチング選択比が２．５以上まで向上することが分かる。図７は横軸にＢＣｌ3流量・ＲＦパワーをプロットし、縦軸にエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）をプロットした、Ａｌ2Ｏ3／Ｐｔエッチング選択比を示す図である。この結果、図８に示されるように、この発明により、Ｐｔの削れをなくすことができることが分かる。
次に、図示していない配線形成工程を実施することで、強誘電体キャパシタ構造を形成することができる。
以上、この実施例１では水素拡散バリア膜としてＡｌ2Ｏ3を用いた場合について説明した。
しかしながら、この発明は水素拡散バリア膜としてＡｌ2Ｏ3に限定されるものではない。この発明において、水素拡散バリア膜の材料として、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）に代えて、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）、あるいはチタン酸化物やタンタル酸化物のような金属酸化物を用いた場合にも、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を用いた場合と同様に、エッチング選択比が向上するという優れた効果を発揮することを確認した。
また、この実施例１では層間絶縁膜のエッチングガスとしてＣＨＦ3／ＣＦ4／Ａｒガスを使用したが、これに限定されるものではなく、従来公知の層間絶縁膜のエッチングガスはすべてをこの発明の実施に用いることができる。
その他のものとして、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6、ＣＨ2Ｆ2、ＳＦ6などのガスを用いても同様の効果を得ることができる。
さらに、この実施例１では水素拡散バリア膜のエッチングガスとしてＢＣｌ3／Ｃｌ2混合ガスを用いたが、この発明においては還元基を含んだ他のガスで置換可能であり、ＢＣｌ3をＣＣｌ4に置き換えても全く同じ効果を得ることができる。
また、エッチャーについても、ＥＣＲ枚葉式ウエハプラズマエッチャーに限定されるものではなく、従来公知の手段のすべたを用いることができる。
１ コンタクトホール
２ 水素拡散バリア膜
３ 下部電極
４ 上部電極
５ 強誘電体膜
６ レジスト
７，１３ 層間絶縁膜
８ ＩｒＯ2
９ Ｉｒ
１０ ＴｉＡｌＮ
１１ 基板
１２ プラグ
１４ 素子形成領域
２ 水素拡散バリア膜
３ 下部電極
４ 上部電極
５ 強誘電体膜
６ レジスト
７，１３ 層間絶縁膜
８ ＩｒＯ2
９ Ｉｒ
１０ ＴｉＡｌＮ
１１ 基板
１２ プラグ
１４ 素子形成領域
Claims (6)
- 下部電極上に強誘電体膜が形成されており、前記強誘電体膜上に上部電極が形成されるように構成された強誘電体キャパシタが所定のパターンに形成されており、前記強誘電体キャパシタの上に水素拡散バリア膜が形成されており、前記水素拡散バリア膜上に層間絶縁膜が形成されており、前記上部電極と上部金属配線層とを接続するためのコンタクトホールが形成されている強誘電体キャパシタ構造において、
前記上部電極の材料が白金（Ｐｔ）であり、
前記水素拡散バリア膜の材料が、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3 ）であり、
前記層間絶縁膜のエッチングがフッ素元素を含むガスを用いて行われたものであり、
前記水素拡散バリア膜のエッチングが、エッチングガスとしてＢＣｌ3／Ｃｌ2混合ガスを用い、ＢＣｌ3流量比を５０％以上とし、及び、カソード電極に印加するイオンエネルギー制御のためのバイアス用ＲＦパワーを７０Ｗ以下として行われたものである
ことを特徴とする強誘電体キャパシタ構造。 - 前記水素拡散バリア膜のエッチングにおいて、前記ＢＣｌ3流量比を７０％以上とすることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体キャパシタ構造。
- 前記強誘電体膜の材料がジルコニウムチタン酸鉛（ＰＺＴ）系化合物またはタンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）系化合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の強誘電体キャパシタ構造。
- 下部電極を形成し、前記下部電極上に強誘電体膜を形成し、前記強誘電体膜上に上部電極が形成されるように構成された強誘電体キャパシタを所定のパターンに形成し、前記強誘電体キャパシタの上に水素拡散バリア膜を形成し、前記水素拡散バリア膜上に層間絶縁膜を形成し、前記上部電極と上部金属配線層とを接続するためのコンタクトホールが形成された強誘電体キャパシタ構造の作製方法において、
前記上部電極の材料が白金（Ｐｔ）であり、
前記水素拡散バリア膜の材料が、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3 ）であり、
前記層間絶縁膜のエッチングを、フッ素元素を含むガスを用いて行い、
前記水素拡散バリア膜のエッチングを、ＢＣｌ3／Ｃｌ2混合ガスを用い、ＢＣｌ3流量比を５０％以上とし、及び、カソード電極に印加するイオンエネルギー制御のためのバイアス用ＲＦパワーを７０Ｗ以下として行う
ことを特徴とする強誘電体キャパシタ構造の作製方法。 - 前記水素拡散バリア膜のエッチングにおいて、前記ＢＣｌ3流量比を７０％以上とする
ことを特徴とする請求項４記載の強誘電体キャパシタ構造の作製方法。 - 前記強誘電体膜の材料がジルコニウムチタン酸鉛（ＰＺＴ）系化合物またはタンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）系化合物であることを特徴とする請求項４又は５に記載の強誘電体キャパシタ構造の作製方法。
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