JP4580284B2 - 強誘電体素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、強誘電体素子の製造方法に関し、特に強誘電体素子の上部電極の不均一な形状の発生を抑制し、デバイス特性の安定化、信頼性の向上に関するものである。
強誘電体素子として、例えば、PZT(PbTiO−PbZrO:チタン酸ジルコン酸鉛)、SBT(SrBiTa:タンタル酸ストロンチウムビスマス)等の強誘電体膜をPt等の上下電極で挟んで構成される強誘電体キャパシタが一般的に知られている。強誘電体キャパシタは、強誘電体膜の自発分極を利用して不揮発的にデータを保持可能であり、不揮発性の半導体メモリ(FeRAM)に使用されている。FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory:強誘電体メモリ)は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)に代わるメモリとして有望視されており、様々な開発がなされている。また、低電圧での動作も確認されており、低消費電力デバイスとしての期待も大きい。
ところで、強誘電体キャパシタの上下電極及び強誘電体膜を構成するPb,Zr、Sr,Bi,Ta、Pt等の材料は、Clを含んだ混合ガスで加工されることが多い。この場合、塩化物の蒸気圧が低く揮発性が乏しいので、一般に350〜450℃の高温電極上にウエハを配置し、ウエハ温度を上昇させることによって、揮発性を高めてエッチングを進行し易くする必要がある。したがって、強誘電体キャパシタの上下電極及び強誘電体膜の加工は耐熱性のないレジストではなく、TiN、TiAlNや、SiO、SiN等で形成されたハードマスクが使用される。
このようなハードマスクを使用した強誘電体素子の製造方法が従来から提案されている。例えば、特許文献1に於いては、TiN、Ta、TiAlN等で形成された下層ハードマスク、及び、SiO膜で形成された上層ハードマスクの2層構造のハードマスクを使用した強誘電体素子の製造方法が記載されている。該製造方法では、上層ハードマスクをエッチングマスクとして、上部電極(Ir、Pt等で形成)、強誘電体膜(SBT、PZT等で形成)、下部電極(Ir,Pt等で形成)、導電層(Ir、TiN、TiAlN等で形成)を連続的にエッチングし、その後、第1及び第2層ハードマスクの両ハードマスクを順次除去する構成が記載されている。
また、特許文献2に於いては、SiO膜で形成された上層ハードマスクと、TiN膜で形成された下層ハードマスクの2層構造のハードマスクを使用した半導体素子の製造方法が記載されている。該製造方法では、上層ハードマスクをエッチングマスクとして、上部電極(IrOxで形成)と強誘電体膜(PZTで形成)をエッチングし、さらに、下部電極(Pt膜、IrOx膜、Ir膜の多層膜で形成)の途中までアンダーエッチングを実施する。その後、残存する上層ハードマスクは除去される。そして、下層ハードマスクをエッチングマスクとして、残りの下部電極をエッチングする。その後、残存する下層部ハードマスクは除去される。
また、特許文献2に於いては、P−SIN膜で形成された上層ハードマスクと、TiN膜で形成された下層ハードマスクの2層構造のハードマスクを使用した半導体素子の製造方法についても記載されている。該製造方法では、上層ハードマスクをエッチングマスクとして、上部電極(IrOxで形成)、強誘電体膜(PZTで形成)、下部電極(Pt膜、IrOx膜、Ir膜の多層膜で形成)を連続的にエッチングし、その後、上層ハードマスク、及び、下層ハードマスクを順次除去する。
さらに、特許文献2に於いては、SiO膜で形成された上層ハードマスク、P−SIN膜で形成された中層ハードマスク、TiN膜で形成された下層ハードマスクの3層で形成されたハードマスクを使用した半導体素子の製造方法も記載されている。該製造方法では、上層ハードマスクをエッチングマスクとして、上部電極、強誘電体膜、下部電極をエッチングする。
特開2003−258201号公報 特開2003−273326号公報
多層構造のハードマスクを使用する場合、各エッチング工程に於けるエッチング選択比の違いによって、残存するハードマスクに段差が形成され、膜厚が不均一になる場合がある。この状態でハードマスクを除去しようとすると、該ハードマスクの不均一性を反映して、強誘電体キャパシタの上部電極の膜厚も不均一となり、薄膜化や肩落ち、局所的な欠損等の不具合が生じる。一般的に、強誘電体キャパシタに於いては、加工時のプロセスダメージが残留分極量を減少させるので、キャパシタ加工後に熱処理を実施する。しかし、上述のような上部電極の膜厚の薄膜化、肩落ち、局部的な欠損などが発生している場合、熱処理時に電極を形成する金属が凝集し、後のコンタクトホールの開口プロセスに於いて、エッチングが強誘電体膜まで進行し(電極の突き抜け)、残留分極量を減少させ、リーク特性を著しく劣化させることが想定される。
上述の通り、特許文献1に記載の発明では、SiOで形成された上層ハードマスクをエッチングマスクとして、上部電極、強誘電体膜、下部電極、導電膜のエッチングを実施する。例えば上部電極及び下部電極がPtで形成された場合には、SiOの上部電極及び下部電極に対する選択比が低いことから、SiOの表面形状がエッチング時に肩落ちの状態となる。これに伴い、エッチングの際に強誘電体キャパシタ構造がテーパー形状になるので、強誘電体素子の大型化を招くことになる。また、肩落ちの状態の上層ハードマスクを除去した場合、上層ハードマスクの下層に形成されている下層ハードマスクの形状も肩落ちの状態となる。さらに、該下層ハードマスクを除去した場合、上部電極の形状も肩落ちの状態となる。
一方、特許文献2に記載の発明では、SiO膜で形成された上層ハードマスクをエッチングマスクとして、上部電極、強誘電体膜、及び、下部電極の一部をエッチングする。SiOは、上部電極及び下部電極を形成するIrOxに対して選択比が低いので、エッチングの際にSiOの表面形状が肩落ちの状態となる。これに伴い、エッチングの際の強誘電体キャパシタ構造がテーパー形状になるので、強誘電体素子の大型化を招くことになる。また、肩落ちの状態の上層ハードマスクを除去した場合、上層部ハードマスクの下層に形成されている下層ハードマスクの形状も肩落ちの状態となる。さらに、該下層ハードマスクをエッチングマスクとして、下部電極のエッチングを実施し、その後、下層ハードマスクを除去した場合、上部電極の形状も肩落ちの状態となる。
また、特許文献2に記載の発明では、P−SIN膜で形成された上層ハードマスクを使用する例についても記載されている。P−SIN膜は、強誘電体膜のエッチングに適しているが、上部電極及び下部電極を形成するIrOxに対しては選択比が低く、エッチングの際にP−SIN膜の表面形状が肩落ちの状態となる。これに伴い、エッチングの際の強誘電体キャパシタ構造がテーパー形状になるので、強誘電体素子の大型化を招くことになる。また、肩落ちの状態の上層ハードマスクを除去した場合、上層ハードマスクの下層に形成されている下層ハードマスクの形状も肩落ちの状態となる。さらに、該下層ハードマスクを除去した場合、上部電極の形状も肩落ちの状態となる。
さらに、特許文献2に記載の発明では、3層構造のハードマスクの上層ハードマスク(SiO膜で形成)をエッチングマスクとして、上部電極、強誘電体膜、下部電極をエッチングする例についても記載されている。SiOは、上部電極及び下部電極を形成するIrOxに対して選択比が低いので、エッチングの際にSiOの表面形状が肩落ちの状態となり、これにより、強誘電体キャパシタ構造がテーパー形状になる。したがって、強誘電体素子の大型化を招くことになる。また、肩落ちの状態の上層ハードマスクを除去した場合、中層ハードマスクの形状も肩落ちの状態となり、さらに、中層ハードマスクを除去した場合、下層ハードマスクも肩落ちの状態となり、下層ハードマスクを除去した場合、部電極の形状も肩落ちの状態となる。
したがって、本発明の目的は、肩落ち等、上部電極の不均一な形状の発生を抑制可能なハードマスクを使用した強誘電体素子の製造方法を提案することにある。
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、所定のパターンを有し、前記第電極に対してエッチング時の選択比が高い下層マスク膜と、前記強誘電体膜に対してエッチング時の選択比が高い中層マスク膜と、前記第電極に対してエッチング時の選択比が高い上層マスク膜と、で構成されるハードマスクを形成するステップと、前記上層マスク膜をマスクとして、前記第2電極をエッチングするステップと、前記第2電極のエッチング後に残存する前記上層マスク膜を除去するステップと、前記中層マスク膜をマスクとして、前記強誘電体膜及び前記第1電極をエッチングするステップと、前記強誘電体膜及び前記第1電極のエッチング後に残存する前記中層マスク膜を除去するステップと、前記下層マスク膜を除去するステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、第1電極、強誘電体膜、第2電極のエッチングに於いて、第2電極に対してエッチング時の選択比が高い上層マスク膜を第2電極のエッチングマスクとして使用し、強誘電体膜に対してエッチング時の選択比が高い中層マスク膜を強誘電体膜及び第1電極のエッチングマスクとして使用する、即ち、1層のハードマスクで第1電極、強誘電体膜、第2電極の最大2層までをエッチングするので、エッチングを容易に実施することが出来るだけでなく、ハードマスク自体が肩落ち等の不均一な状態になることを防止することが出来る。これにより、ハードマスクを除去した段階で第2電極の表面の形状が不均一な状態になることを防止することが出来る。
また、本発明によれば、第2電極のエッチング後に残存する上層マスク膜を除去するので、強誘電体膜及び第1電極のエッチング時に、中層マスク膜の表面の形状が不均一になることを防止することが出来る。さらに、強誘電体膜及び第1電極のエッチング後に残存する中層マスク膜を除去するので、下層マスク膜の表面の形状が不均一になることを防止することが出来る。そして、下層マスク膜を除去した場合、第2電極の表面の形状が不均一な状態になることを確実に防止することが出来る。
〔第1実施形態〕
まず、本発明に於ける第1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3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、拡散層3を形成し、さらに、半導体基板1上にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成して、トランジスタ4を形成する。その後、半導体基板1上にシリコン酸化膜等の層間絶縁膜5を形成して、トランジスタ4を覆い、層間絶縁膜5を平坦化する。そして、層間絶縁膜5に開口部を形成することによって拡散層3(ソース/ドレイン領域)を露出させ、タングステン(W)又はポリシリコン(P−Si)からなるコンタクトプラグ11を埋め込む。
次に、図1(b)に示すように、層間絶縁膜5上に、コンタクトプラグ11の酸化防止膜として、TiAlNからなる密着層7を例えばスパッタ法で形成する。なお、密着層7はTiAlNに限定するものではなく、他の物質で形成しても良い。そして、密着層7上に下部電極8としてPt膜を例えばスパッタ法で形成する。下部電極8上に、強誘電体膜9として、SBT(SrBiTa:タンタル酸ストロンチウムビスマス)膜を例えばゾル・ゲル法により形成する。その後、例えば700〜750℃の高温酸化雰囲気で30分〜1時間の熱処理により、強誘電体膜9を結晶化させる(結晶化熱処理)。なお、強誘電体膜9としてPZT(PbTiO−PbZrO:チタン酸ジルコン酸鉛)等で形成しても良い。また、SBT膜の形成方法はゾル・ゲル法に限定するものではなく、CVD法などでSBT膜を形成しても良い。また、結晶化熱処理を800℃の高温酸化雰囲気で30分〜1時間のRTA(Rapid Thermal Annel)処理としても良い。強誘電体膜9上に、上部電極10としてPt膜を例えばスパッタ法で形成する。下部電極8、強誘電体膜9、上部電極10が強誘電体キャパシタの積層構造膜を構成する。
その後、エッチングマスクとして使用されるハードマスク11を形成する。ハードマスク11は、下層マスク膜11x、中層マスク膜11y、上層マスク膜11zを順に形成した3層構造のエッチングマスクである。具体的には、下層マスク膜11xとしてTiN膜が例えばスパッタ法で形成され、中層マスク膜11yとしてSiO膜が例えばプラズマCVDで形成され、上層マスク膜11zとしてTiN膜が例えばスパッタ法で形成される。これらハードマスク11の膜厚は、上層マスク膜11z及び下層マスク膜11xが100nmであり、中層マスク膜11yが600nmである。なお、上層マスク膜11z及び下層マスク膜11xは、TiAlN、TiOxで形成しても良い。また、中層マスク膜11yは、SiN、SiONで形成しても良い。
〔ハードマスクのエッチング〕
上層マスク膜11z上にレジスト(図示せず)を形成し、図11(c)に示すように、通常のリソグラフィ法を用いてレジストにキャパシタパターンを転写し、レジスト(図示せず)をマスクとして、上層マスク膜11z、中層マスク膜11y、下層マスク膜11xを加工する。
ここでは、上層マスク膜11zのエッチングには、BCl/Cl混合ガスを用いる。この時、エッチング条件は、BCl/Cl=流量20/20sccm、ガス圧力0.26Pa、RFパワー700W、電極温度80℃、である。
また、中層マスク膜11yのエッチングには、C/Ar/CO混合ガスを用いる。この時、エッチング条件は、C/Ar/CO=流量18/300/400sccm、ガス圧力5.33Pa、RFパワー1300W、電極温度20℃、である。
下層マスク膜11xのエッチングには、BCl/Cl混合ガスを用いる。この時、エッチング条件は、BCl/Cl=流量20/20sccm、ガス圧力0.26Pa、RFパワー700W、電極温度80℃、である。
そして、レジストの除去工程として、通常のOプラズマアッシング及びHSO洗浄を実施する。ここでは、HSO洗浄を用いたが、一般に使用されている有機系剥離剤を用いることも可能である。
〔積層構造膜及び密着層のエッチング〕
次に、ハードマスク11のパターニング後、図2(a)に示すように、上層マスク膜11zをマスクとして、強誘電体キャパシタの積層構造膜の上部電極10までをエッチングする。上部電極10のエッチングには、Cl/Ar混合ガスを用いる。この時、エッチング条件は、Cl/Ar=流量10/10sccm、ガス圧力0.26Pa、RFパワー1000W、電極温度450℃である。Cl/Ar混合ガス以外に、Clを含むAr、N、O等との混合ガスを使用しても良い。
そして、図2(b)に示すように、残った上層マスク膜11zをBCl/Cl混合ガスを用いて除去する。この時、上層マスク膜11zは10〜20nm残っており、除去条件は、BCl/Cl=流量20/20sccm、ガス圧力0.26Pa、RFパワー700W、電極温度80℃、である。
次に、図2(c)に示すように、中層マスク膜11yをマスクとして、強誘電体10及び下部電極8をエッチングする。強誘電体10及び下部電極8のエッチングには、Cl/Ar混合ガスを用いる。この時、エッチング条件は、Cl/Ar=流量10/10sccm、ガス圧力0.26Pa、RFパワー1000W、電極温度450℃である。Cl/Ar混合ガス以外にClを含むAr、N、O等との混合ガスを使用しても良い。
そして、図3(a)に示すように、残った中層マスク膜11yをCH/CHF/Ar混合ガスを用いて除去する。この時、中層マスク膜11yは略100nm残っており、除去条件は、CH/CHF/Ar=45/30/800sccm、ガス圧力66.66Pa、RFパワー500W、電極温度−10℃、である。なお、CH/CHF/Ar混合ガスは、イオンエネルギーが低い条件で使用することができ、下層マスク膜11zを加工しない程度にイオンの衝撃を弱めることができる。
次に、図3(b)に示すように、下層マスク膜11xの除去と同時に、密着層7のエッチングをCl/Ar混合ガスを用いて実施する。この時、除去/エッチング条件は、Cl/Ar=流量20/20sccm、ガス圧力0.65Pa、RFパワー500W、電極温度80℃、である。
〔積層構造膜及び密着層のエッチング後のプロセス〕
図3(c)に示すように、層間絶縁膜12を例えばプラズマCVD法で形成し、エッチバック、CMP法等を用いて層間絶縁膜12の平坦化を実施する。そして、同図のように、層間絶縁膜12の表面から各強誘電体キャパシタの上部電極10に到達するコンタクトホールを形成し、W等を埋め込んで導電体プラグ13を形成する。そして、層間絶縁膜12上に配線層を形成し、パターニングすることによって、導電体プラグ13に接続された配線14を形成する。
〔作用効果〕
本実施形態によれば、上部電極10のエッチングに於いて、Ptで形成された上部電極10に対してエッチング時の選択比が高いTiNで形成された上層マスク膜11zをエッチングマスクとして使用し、強誘電体膜9と下部電極8のエッチングに於いて、SBTで形成された強誘電体膜9に対してエッチング時の選択比が高いSiO膜をエッチングマスクとして使用するので、一つのマスクを使用して、上部電極10、強誘電体膜9、下部電極8をエッチングする場合に比して、エッチングを容易に実施することが出来るだけでなく、エッチング時にハードマスク11の各層が肩落ち等の不均一な状態になることを防止することが出来る。これにより、ハードマスク11を除去した段階で、上部電極10の表面の形状が不均一な状態になることを防止することが出来る。
一般に、強誘電体キャパシタに於いては、加工時のプロセスダメージが残留分極量を減少させるので、キャパシタ加工後に熱処理を実施するが、上部電極の膜厚の薄膜化、肩落ち、局部的な欠損などが発生している場合、熱処理時に電極を形成する金属が凝集し、後のコンタクトホールの開口プロセスに於いて、エッチングが強誘電体膜まで進行し(電極の突き抜け)、残留分極量を減少させ、リーク特性を著しく劣化させることが想定される。上述の通り、本実施形態では、上部電極10の表面の形状が不均一な状態になることを防止することが出来るので、こうした不具合を防止することが出来る。したがって、強誘電体素子の歩止まりを安定させ、信頼性を高めることが出来る。
また、一般に、Tiを含む膜は、酸素を含む高温雰囲気下に曝された場合、TiOx層を形成する。TiOx層は結合力が高く、SiOと同程度安定している。したがって、TiOxを除去するためには、RFパワーを増大させ、イオンエネルギーを高める方法、又は、還元性物質(水素又はボロン)を含むエッチングガスを使用して除去する方法が考えられる。イオンエネルギーを高める場合、強誘電体膜の結晶性が崩れ、残留分極を減少させるという問題が生じる。さらに下層との選択性が減少するため、上部電極の肩落ちの要因となる段差が形成されやすい。一方、還元性物質を含むエッチングガスを使用する場合、強誘電体膜が金属酸化膜であることから、還元性物質により劣化してしまう。例えば、強誘電体膜は、80℃以上の高温雰囲気でボロンを含む還元性ガスに曝されると、還元劣化することが知られている。したがって、強誘電体膜の加工前、即ち、強誘電体膜の側壁部が形成されていない段階で還元性物質を含むエッチングガスを使用してTiOxを除去する必要がある。本実施形態によれば、強誘電体膜9のエッチング前、即ち、強誘電体膜の側壁部の形成前に、BCl/Cl混合ガスによって上層TiN層11zを除去するので、Clを含む混合ガスにOが含まれ、TiOx層が生成された場合に於いても、還元性ガスを用いてTiOx層が形成されたTiN層を容易に除去することができ、さらに除去時の強誘電体膜9への還元劣化等のダメージを極力抑制することが出来る。
〔第2実施形態〕
本発明に於ける第2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、図4、図5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、拡散層3を形成し、さらに、半導体基板1上にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成して、トランジスタ4を形成する。その後、半導体基板1上にシリコン酸化膜等の層間絶縁膜5を形成して、トランジスタ4を覆い、層間絶縁膜5を平坦化する。そして、層間絶縁膜5に開口部を形成することによって拡散層3(ソース/ドレイン領域)を露出させ、タングステン(W)又はポリシリコン(P−Si)からなるコンタクトプラグ11を埋め込む。
次に、図1(b)に示すように、層間絶縁膜5上に、コンタクトプラグ11の酸化防止膜として、TiAlNからなる密着層7を例えばスパッタ法で形成する。なお、密着層7はTiAlNに限定するものではなく、他の物質で形成しても良い。そして、密着層7上に下部電極8としてPt膜を例えばスパッタ法で形成する。下部電極8上に、強誘電体膜9として、SBT(SrBiTa:タンタル酸ストロンチウムビスマス)膜を例えばゾル・ゲル法により形成する。その後、例えば700〜750℃の高温酸化雰囲気で30分〜1時間の熱処理により、強誘電体膜9を結晶化させる(結晶化熱処理)。なお、強誘電体膜9としてPZT(PbTiO−PbZrO:チタン酸ジルコン酸鉛)等で形成しても良い。また、SBT膜の形成方法はゾル・ゲル法に限定するものではなく、CVD法などでSBT膜を形成しても良い。また、結晶化熱処理を800℃の高温酸化雰囲気で30分〜1時間のRTA(Rapid Thermal Annel)処理としても良い。強誘電体膜9上に、上部電極10としてPt膜を例えばスパッタ法で形成する。下部電極8、強誘電体膜9、上部電極10が強誘電体キャパシタの積層構造膜を構成する。
その後、エッチングマスクとして使用されるハードマスク11を形成する。ハードマスク11は、下層マスク膜11x、中層マスク膜11y、上層マスク膜11zを順に形成した3層構造のエッチングマスクである。具体的には、下層マスク膜11xとしてTiN膜が例えばスパッタ法で形成され、中層マスク膜11yとしてSiO膜が例えばプラズマCVDで形成され、上層マスク膜11zとしてTiN膜が例えばスパッタ法で形成される。これらハードマスク11の膜厚は、上層マスク膜11z及び下層マスク膜11xが100nmであり、中層マスク膜11yが600nmである。なお、上層マスク膜11z及び下層マスク膜11xは、TiAlN、TiOxで形成しても良い。また、中層マスク膜11yは、SiN、SiONで形成しても良い。
〔ハードマスクのエッチング〕
上層TiN膜11z上にレジスト(図示せず)を形成し、図(c)に示すように、通常のリソグラフィ法を用いてレジストにキャパシタパターンを転写し、レジストをマスクとして、上層マスク膜11z、中層マスク膜11y、下層マスク膜11xを加工する。
ここでは、上層マスク膜11zのエッチングには、BCl/Cl混合ガスを用いる。この時、エッチング条件は、BCl/Cl=流量20/20sccm、ガス圧力0.26Pa、RFパワー700W、電極温度80℃、である。
また、中層マスク膜11yのエッチングには、C/Ar/CO混合ガスを用いる。この時、エッチング条件は、C/Ar/CO=流量18/300/400sccm、ガス圧力5.33Pa、RFパワー1300W、電極温度20℃、である。
下層マスク膜11のエッチングには、BCl/Cl混合ガスを用いる。この時、エッチング条件は、BCl/Cl=流量20/20sccm、ガス圧力0.26Pa、RFパワー700W、電極温度80℃、である。
そして、レジストの除去工程として、通常のOプラズマアッシング及びHSO洗浄を実施する。ここでは、HSO洗浄を用いたが、一般に使用されている有機系剥離剤を用いることも可能である。
〔積層構造膜及び密着層のエッチング〕
次に、ハードマスク11のパターニング後、図4(a)に示すように、上層マスク膜11zをマスクとして、強誘電体キャパシタの積層構造膜の上部電極10までをエッチングする。上部電極10のエッチングには、Cl/Ar混合ガスを用いる。この時、エッチング条件は、Cl/Ar=流量10/10sccm、ガス圧力0.26Pa、RFパワー1000W、電極温度450℃である。Cl/Ar混合ガス以外にClを含むAr、N、Oの混合ガスを用いても良い。
そして、図4(b)に示すように、残った上層マスク膜11zをBCl/Cl混合ガスを用いて除去する。この時、除去される上層マスク膜11zの残膜は10〜20nmであり、除去条件は、BCl/Cl=流量20/20sccm、ガス圧力0.26Pa、RFパワー700W、電極温度80℃、である。
次に、図4(c)に示すように、中層マスク膜11yをマスクとして、強誘電体膜9をエッチングする。強誘電体膜9のエッチングには、Cl/Ar混合ガスを用いる。この時、エッチング条件は、Cl/Ar=流量10/10sccm、ガス圧力0.26Pa、RFパワー1000W、電極温度450℃である。Cl/Ar混合ガス以外に、Clを含むAr、N、O等との混合ガスを使用しても良い。
そして、図4(d)に示すように、残った中層マスク膜11yをCH/CHF/Ar混合ガスを用いて除去する。この時、除去条件は、CH/CHF/Ar=45/30/800sccm、ガス圧力66.66Pa、RFパワー500W、電極温度−10℃、である。なお、CH/CHF/Ar混合ガスは、イオンエネルギーが低い条件で使用することができ、下層マスク膜11zを加工しない程度にイオンの衝撃を弱めることができる。
次に、図5(a)に示すように、下層マスク膜11xをマスクとして、下部電極8をエッチングする。下部電極8のエッチングには、Cl/Ar混合ガスを用いる。この時、エッチング条件は、Cl/Ar=流量20/20sccm、ガス圧力0.65Pa、RFパワー500W、電極温度80℃である。なお、下部電極8のエッチング後、下層TiN層11xの表面、及び、密着層7の表面にTiOxの膜が生成される。Cl/Ar混合ガス以外に、Clを含むAr、N、O等との混合ガスを使用しても良い。
そして、図5(b)に示すように、残った下層マスク膜11xの除去と同時に、密着層7のエッチングをCl/Ar混合ガスを用いて実施する。この時、除去/エッチング条件は、Cl/Ar=流量20/20sccm、ガス圧力0.65Pa、RFパワー500W、電極温度80℃、である。
また、下層マスク膜11xの表面、及び、密着層7の表面に生成されたTiOx膜は、この時除去される。
〔積層構造膜及び密着層のエッチング後のプロセス〕
図5(c)に示すように、層間絶縁膜12を例えばプラズマCVD法で形成し、エッチバック、CMP法等を用いて層間絶縁膜12の平坦化を実施する。そして、同図のように、層間絶縁膜12の表面から各強誘電体キャパシタの上部電極10に到達するコンタクトホールを形成し、W等を埋め込んで導電体プラグ13を形成する。そして、層間絶縁膜12上に配線層を形成し、パターニングすることによって、導電体プラグ13に接続された配線14を形成する。
〔作用効果〕
本実施形態によれば、上部電極10のエッチングに於いて、Ptで形成された上部電極10に対してエッチング時の選択比が高いTiNで形成された上層マスク膜11zをエッチングマスクとして使用し、強誘電体膜9のエッチングに於いて、SBTで形成された強誘電体膜9に対してエッチング時の選択比が高いSiO膜をエッチングマスクとして使用し、下部電極8のエッチングに於いて、Ptで形成された下部電極8に対してエッチング時の選択比が高いTiNで形成された下層マスク膜11xをエッチングマスクとして使用するので、一つのマスクを使用して、上部電極10、強誘電体膜9、下部電極8の内、2つ以上をエッチングする場合に比して、エッチングを容易に実施することが出来るだけでなく、エッチング時にハードマスク11の各層が肩落ち等の不均一な状態になることを防止することが出来る。これにより、ハードマスク11を除去した段階で、上部電極10の表面の形状が不均一な状態になることを防止することが出来る。
一般に、強誘電体キャパシタに於いては、加工時のプロセスダメージが残留分極量を減少させるので、キャパシタ加工後に熱処理を実施するが、上部電極の膜厚の薄膜化、肩落ち、局部的な欠損などが発生している場合、熱処理時に電極を形成する金属が凝集し、後のコンタクトホールの開口プロセスに於いて、エッチングが強誘電体膜まで進行し(電極の突き抜け)、残留分極量を減少させ、リーク特性を著しく劣化させることが想定される。上述の通り、本実施形態では、上部電極10の表面の形状が不均一な状態になることを防止することが出来るので、こうした不具合を防止することが出来る。したがって、強誘電体素子の歩止まりを安定させ、信頼性を高めることが出来る。
また、本実施形態によれば、上部電極10、強誘電体膜9、下部電極8のエッチング時に、上層マスク膜11z、中層マスク膜11y、下層マスク膜11xをそれぞれ1対1に対応させてエッチングマスクとして使用するので、各マスク膜の膜厚を適切な厚みに設定することができ、ハードマスク11の膜厚の薄膜化が可能となるだけでなく、除去時間及び形成時間を短縮することが出来る。
また、一般に、Tiを含む膜は、酸素を含む高温雰囲気下に曝された場合、TiOx層を形成する。TiOx層は結合力が高く、SiOと同程度安定している。したがって、TiOxを除去するためには、RFパワーを増大させ、イオンエネルギーを高める方法、又は、還元性物質(水素又はボロン)を含むエッチングガスを使用して除去する方法が考えられる。イオンエネルギーを高める場合、強誘電体膜の結晶性が崩れ、残留分極を減少させるという問題が生じる。さらに下層との選択性が減少するため、上部電極の肩落ちの要因となる段差が形成されやすい。一方、還元性物質を含むエッチングガスを使用する場合、強誘電体膜が金属酸化膜であることから、還元性物質により劣化してしまう。例えば、強誘電体膜は、80℃以上の高温雰囲気でボロンを含む還元性ガスに曝されると、還元劣化することが知られている。したがって、強誘電体膜の加工前、即ち、強誘電体膜の側壁部が形成されていない段階で還元性物質を含むエッチングガスを使用してTiOxを除去する必要がある。本実施形態によれば、強誘電体膜9のエッチング前に、BCl/Cl混合ガスによって上層TiN層11zを除去するので、Clを含む混合ガスにOが含まれ、TiOx層が生成された場合に於いても、還元性ガスを用いてTiOx層が形成されたTiN層を容易に除去することができ、さらに除去時の強誘電体膜9への還元劣化等のダメージを極力抑制することが出来る。
本発明の第1実施形態、及び、第2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2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2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
3 拡散層
4 トランジスタ
5 層間絶縁膜
6 コンタクトプラグ
7 密着層
8 下部電極
9 強誘電体膜
10 上部電極
11 ハードマスク
11x 下層マスク膜
11y 中層マスク膜
11z 上層マスク膜
12 層間絶縁膜
13 導電体プラグ
14 配線

Claims (27)

  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、所定のパターンを有するマスクであって、
    前記第電極に対してエッチング時の選択比が高い下層マスク膜と、
    前記強誘電体膜に対してエッチング時の選択比が高い中層マスク膜と、
    前記第電極に対してエッチング時の選択比が高い上層マスク膜と、
    で構成される前記ハードマスクを形成するステップと、
    前記上層マスク膜をマスクとして、前記第2電極をエッチングするステップと、
    前記第2電極のエッチング後に残存する前記上層マスク膜を除去するステップと、
    前記中層マスク膜をマスクとして、前記強誘電体膜及び前記第1電極をエッチングするステップと、
    前記強誘電体膜及び前記第1電極のエッチング後に残存する前記中層マスク膜を除去するステップと、
    前記下層マスク膜を除去するステップと、
    を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
  2. 前記上層マスク膜は、Tiを含む化合物で形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記下層マスク膜は、Tiを含む化合物で形成されてい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. 前記中層マスク膜は、酸化物で形成されていることを特徴とする、請求項1乃至3の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記中層マスク膜は、窒化物で形成されていることを特徴とする、請求項1乃至3の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記上層マスク膜を形成するTiを含む化合物は、TiN、TiAlN、TiOxの何れかであることを特徴とする、請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記下層マスク膜を形成するTiを含む化合物は、TiN、TiAlN、TiOxの何れか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。
  8. 前記中層マスク膜を形成する酸化物は、SiO又はSiONの何れか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。
  9. 前記中層マスク膜を形成する化物は、SiN又はSiONの何れかであることを特徴とする、請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第1電極及び前記第2電極は、Ptで形成されており、前記強誘電体膜はSBTで形成されていることを特徴とする、請求項1乃至9の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記強誘電体膜及び前記第1電極のエッチング時に、Clを含むガスを使用して、同一条件でエッチングすることを特徴とする、請求項1乃至10の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記上層マスク膜の除去時のエッチングは、還元性ガスを使用す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。
  13. 前記還元性ガスは、BClを含むことを特徴とする、請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記下層マスク膜の除去時のエッチングは、80℃以下で還元性ガスを用いないことを特徴とする、請求項1乃至13の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  15. 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、所定のパターンを有するハードマスクであって、
    前記第電極に対してエッチング時の選択比が高い下層マスク膜と、
    前記強誘電体膜に対してエッチング時の選択比が高い中層マスク膜と、
    前記第電極に対してエッチング時の選択比が高い上層マスク膜と、
    で構成される前記ハードマスクを形成するステップと、
    前記上層マスク膜をマスクとして、前記第2電極をエッチングするステップと、
    前記第2電極のエッチング後に残存する前記上層マスク膜を除去するステップと、
    前記中層マスク膜をマスクとして、前記強誘電体膜をエッチングするステップと、
    前記強誘電体膜のエッチング後に残存する前記中層マスク膜を除去するステップと、
    前記下層マスク膜をマスクとして、前記第1電極をエッチングするステップと、
    前記第1電極のエッチング後に残存する前記下層マスク膜を除去するステップと、
    を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
  16. 前記上層マスク膜は、Tiを含む化合物で形成されていることを特徴とする、請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記下層マスク膜は、Tiを含む化合物で形成されていることを特徴とする、請求項15乃至16の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記中層マスク膜は、酸化物で形成されていることを特徴とする、請求項15乃至17の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  19. 前記中層マスク膜は、窒化物で形成されていることを特徴とする、請求項15乃至17の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  20. 前記上層マスク膜を形成するTiを含む化合物は、TiN、TiAlN、TiOxの何れかであることを特徴とする、請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
  21. 前記下層マスク膜を形成するTiを含む化合物は、TiN、TiAlN、TiOxの何れかであることを特徴とする、請求項17に記載の半導体装置の製造方法。
  22. 前記中層マスク膜を形成する酸化物は、SiO又はSiONの何れかであることを特徴とする、請求項18に記載の半導体装置の製造方法。
  23. 前記中層マスク膜を形成する化物は、SiN又はSiONの何れかであることを特徴とする、請求項19に記載の半導体装置の製造方法。
  24. 前記第1電極及び前記第2電極は、Ptで形成されており、前記強誘電体膜はSBTで形成されていることを特徴とする、請求項15乃至23の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  25. 前記上層マスク膜の除去時のエッチングは、還元性ガスを使用することを特徴とする、請求項15乃至24の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  26. 前記還元性ガスは、BClを含むことを特徴とする、請求項25に記載の半導体装置の製造方法。
  27. 前記下層マスク膜の除去時のエッチングは、80℃以下で還元性ガスを用いないことを特徴とする、請求項15乃至26の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
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