JP4838613B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、下部電極と上部電極との間に強誘電体膜が挟持されてなる強誘電体キャパシタ構造を有する半導体装置に関する。
近年、強誘電体の分極反転を利用して情報を強誘電体キャパシタ構造に保持する強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）の開発が進められている。強誘電体メモリは、電源を断っても保持された情報が消失しない不揮発メモリであり、高集積度、高速駆動、高耐久性、及び低消費電力の実現が期待できることから特に注目されている。
強誘電体キャパシタ構造を構成する強誘電体膜の材料としては、残留分極量が大きな、例えば１０（μＣ／ｃｍ2）〜３０（μＣ／ｃｍ2）程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）膜、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9）膜などのペロブスカイト結晶構造を有する強誘電体酸化物が主として用いられている。
強誘電体キャパシタ構造では、シリコン酸化膜などの水との親和性の高い層間絶縁膜を介して外部から侵入した水分により、強誘電体からなるキャパシタ膜の特性が劣化することが知られている。即ち、先ず、外部から侵入した水分が層間絶縁膜やメタル配線成膜時の高温プロセス中で水素と酸素とに分解する。この水素がキャパシタ膜中に侵入すると、キャパシタ膜の酸素と反応してキャパシタ膜に酸素欠陥が形成され、結晶性が低下する。また、強誘電体キャパシタの長期間の使用によっても同様の現象が発生する。その結果、キャパシタ膜の残留分極量や誘電率が低下するなどの強誘電体キャパシタ構造の性能劣化が発生する。また、このような水素の浸入により、強誘電体キャパシタ構造に限らず、トランジスタ等の性能が劣化することもある。
このＦｅＲＡＭに特有の問題に対する対処法として、強誘電体キャパシタ構造を覆うように、アルミナ等の水素拡散防止膜を形成することが提案されている。この水素拡散防止膜により、キャパシタ膜への水素の浸入が防止され、ＦｅＲＡＭの高いキャパシタ特性を保持することが可能となる。
特開２００３−１７４０９５号公報 特開２００２−２６２８７号公報 特開２００２−１５１６５９号公報
ところで、ＦｅＲＡＭの強誘電体キャパシタを覆うように水素拡散防止膜を介して層間絶縁膜が形成された状態で、強誘電体キャパシタに対して配線接続のための開孔（ビア孔）を形成する場合には、強誘電体キャパシタの表面の位置を露出させるように、層間絶縁膜及び水素拡散防止膜をドライエッチングする（特許文献１〜３を参照）。しかしながらこの場合、ドライエッチング時のプラズマにより強誘電体キャパシタにダメージが及ぼされる。このダメージを回復するには、例えばＯ2雰囲気でのアニール処理等を行うことが必須であり、工程増が免れないという問題がある。
更に、ドライエッチングに起因して、開孔内及び層間絶縁膜上にエッチング残渣やスカム等の不要な残存物が発生し、この残存物が強誘電体キャパシタの信頼性を低下させる一因となっている。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、徒に工程数を増加させることなく、強誘電体キャパシタにダメージを与えずに強誘電体キャパシタに対する開孔を層間絶縁膜及び水素拡散防止膜に形成し、しかも不要な残存物を除去することを可能として、信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の上方に、下部電極と上部電極とにより強誘電体からなるキャパシタ膜を挟持してなるキャパシタ構造を形成する工程と、前記キャパシタ構造を覆うように水素拡散防止膜を形成する工程と、前記水素拡散防止膜を介して前記キャパシタ構造を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、前記キャパシタ構造の配線接続を行うため、前記キャパシタ構造の少なくとも一部を露出させるように、前記層間絶縁膜及び前記水素拡散防止膜に開孔を形成する工程とを含み、前記開孔を形成する工程では、ドライエッチングにより、前記層間絶縁膜に第１の開孔を形成する第１の工程と、ウェットエッチングにより、前記水素拡散防止膜の前記第１の開孔に整合した部位に第２の開孔を形成する第２の工程とを実行することによって、前記第１の開孔と前記第２の開孔とが連通されてなる前記開孔を形成し、前記第２の開孔は、前記第１の開孔よりも大径に形成される。
本発明によれば、徒に工程数を増加させることなく、強誘電体キャパシタにダメージを与えずに強誘電体キャパシタに対する開孔を層間絶縁膜及び水素拡散防止膜に形成し、しかも不要な残存物を除去することを可能として、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
−本発明の基本骨子−
本発明者は、強誘電体キャパシタにドライエッチングのプラズマによるダメージを与えずに強誘電体キャパシタに対する開孔を層間絶縁膜及び水素拡散防止膜に形成すべく鋭意検討した結果、当該ダメージが特に水素拡散防止膜のドライエッチングに起因することを見出し、本発明に想到した。本発明では、水素拡散防止膜を介して強誘電体キャパシタを覆う層間絶縁膜（及びその他の膜）の開孔（第１の開孔）は従来と同様にドライエッチングにより形成し、水素拡散防止膜の開孔（第２の開孔）を第１の開孔と整合するようにウェットエッチングにより形成する。
この場合、ドライエッチングによる第１の開孔の形成時には、開孔底部には水素拡散防止膜が存し、言わばこの水素拡散防止膜でドライエッチングのプラズマから強誘電体キャパシタが保護される。そのため、当該ドライエッチング時には、強誘電体キャパシタはダメージを受けない。そして、残る水素拡散防止膜を第１の開孔と整合するようにウェットエッチングし、第２の開孔を形成する。ここで、第１の開孔がレジストパターンの形状に倣った異方性形状に形成されるのに対して、第２の開孔は第１の開孔よりも若干大径の等方性形状に形成され、両者が連通して開孔が形成される。
このウェットエッチングでは、ドライエッチングようなダメージを強誘電体キャパシタに及ぼすことなく、第２の開孔が第１の開孔により自己整合的に形成される。しかも、水素拡散防止膜への第２の開孔の形成と共に、第１の開孔の形成時におけるドライエッチングに起因して、第１の開孔内及び層間絶縁膜上に発生したエッチング残渣やスカム等の不要な残存物が、ウェットエッチングのエッチング液により除去される。
このように、本発明では、強誘電体キャパシタを覆う水素拡散防止膜を形成して、キャパシタ特性の劣化を防止するも、強誘電体キャパシタに対する開孔形成後におけるドライエッチングに起因するダメージ回復処理が不要となる。しかも、当該ウェットエッチングにより、第２の開孔形成と同時に、ドライエッチングにより発生した不要な残存物を除去し、層間絶縁膜の表面及び開孔内を清浄化した状態で次工程を行うことができる。
−本発明を適用した具体的な諸実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。これらの実施形態では、本発明をキャパシタ膜に強誘電体膜を適用してなる強誘電体キャパシタ構造を備えたＦｅＲＡＭに適用する場合について例示する。本実施形態では、説明の便宜上、ＦｅＲＡＭの構成をその製造方法と共に説明する。なお本発明は、キャパシタ膜に通常の誘電体膜を適用してなる半導体メモリにも適用可能である。
本実施形態では、強誘電体キャパシタ構造の下部電極上及び上部電極上にそれぞれ導電プラグが形成されて導通がとられる構成の、いわゆるプレーナ型のＦｅＲＡＭを例示する。
図１〜図６は、本実施形態によるプレーナ型のＦｅＲＡＭの構成をその製造方法と共に工程順に示す概略断面図である。
先ず、図１（ａ）に示すように、シリコン半導体基板１０上に選択トランジスタとして機能するＭＯＳトランジスタ２０を形成する。
詳細には、シリコン半導体基板１０の表層に例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法により素子分離構造１１を形成し、素子活性領域を確定する。
次に、素子活性領域に不純物、ここではＢを例えばドーズ量３．０×１０13／ｃｍ2、加速エネルギー３００ｋｅＶの条件でイオン注入し、ウェル１２を形成する。
次に、素子活性領域に熱酸化等により膜厚３．０ｎｍ程度の薄いゲート絶縁膜１３を形成し、ゲート絶縁膜１３上にＣＶＤ法により膜厚１８０ｎｍ程度の多結晶シリコン膜及び膜厚２９ｎｍ程度の例えばシリコン窒化膜を堆積し、シリコン窒化膜、多結晶シリコン膜、及びゲート絶縁膜１３をリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより電極形状に加工することにより、ゲート絶縁膜１３上にゲート電極１４をパターン形成する。このとき同時に、ゲート電極１４上にはシリコン窒化膜からなるキャップ膜１５がパターン形成される。
次に、キャップ膜１５をマスクとして素子活性領域に不純物、ここでは砒素（Ａｓ）を例えばドーズ量５．０×１０14／ｃｍ2、加速エネルギー１０ｋｅＶの条件でイオン注入し、いわゆるＬＤＤ領域１６を形成する。
次に、全面に例えばシリコン酸化膜をＣＶＤ法により堆積し、このシリコン酸化膜をいわゆるエッチバックすることにより、ゲート電極１４及びキャップ膜１５の側面のみにシリコン酸化膜を残してサイドウォール絶縁膜１７を形成する。
次に、キャップ膜１５及びサイドウォール絶縁膜１７をマスクとして素子活性領域に不純物、ここではリン（Ｐ）をＬＤＤ領域１６よりも不純物濃度が高くなる条件でイオン注入し、ＬＤＤ領域１６と重畳されるソース／ドレイン領域１８を形成して、ＭＯＳトランジスタ２０を完成させる。
続いて、図１（ｂ）に示すように、ＭＯＳトランジスタ２０の保護膜２１及び層間絶縁膜２２ａを順次形成する。
詳細には、ＭＯＳトランジスタ２０を覆うように、保護膜２１及び層間絶縁膜２２ａを順次堆積する。ここで、保護膜２１としては、シリコン酸化膜を材料とし、ＣＶＤ法により膜厚２０ｎｍ程度に堆積する。層間絶縁膜２２ａとしては、例えばプラズマＳｉＯ膜(膜厚２０ｎｍ程度)、プラズマＳｉＮ膜(膜厚８０ｎｍ程度)及びプラズマＴＥＯＳ膜(膜厚１０００ｎｍ程度)を順次成膜した積層構造を形成し、積層後、ＣＭＰにより膜厚が７００ｎｍ程度となるまで研磨する。
続いて、図１（ｃ）に示すように、層間絶縁膜２２ｂ及び水素拡散防止膜２３を順次形成する。なお、図１（ｃ）以下の各図では、図示の便宜上、層間絶縁膜２２ａから上部の構成のみを示し、シリコン半導体基板１０やＭＯＳトランジスタ２０等の図示を省略する。
詳細には、先ず、層間絶縁膜２２ａ上に例えばＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤ法により、シリコン酸化膜を膜厚１００ｎｍ程度に堆積し、層間絶縁膜２２ｂを形成する。その後、層間絶縁膜２２ｂをアニール処理する。このアニール処理の条件としては、Ｎ2ガスを２０リットル／分の流量で供給しながら、例えば６５０℃で２０分間〜４５分間実行する。
次に、層間絶縁膜２２ｂ上に、後述する強誘電体キャパシタ構造のキャパシタ特性の劣化を防止する（外部或いは上層の絶縁膜から発生する水分に起因して発生した水素の強誘電体膜への浸入を防止する）ための水素拡散防止膜２３を形成する。水素拡散防止膜２３としては、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、Ａｌ窒素酸化物、Ｔａ酸化物、及びＴｉ酸化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種の材料、ここではアルミナを材料として、スパッタ法又はＣＶＤ法（例えばＭＯ−ＣＶＤ法）により、膜厚２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度に堆積する。ここで、ＭＯ−ＣＶＤ法を採用することにより、より緻密なアルミナ膜を形成することができ、高い水素拡散防止効果を奏することが可能となる。その後、水素拡散防止膜２３をアニール処理する。このアニール処理の条件としては、Ｏ2ガスを２リットル／分の流量で供給しながら、例えば６５０℃で３０秒間〜１２０秒間実行する。
続いて、図１（ｄ）に示すように、下部電極層２４、強誘電体膜２５及び上部電極層２６を順次形成する。
詳細には、先ず、スパッタ法により例えば膜厚が１５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度にＰｔ膜を堆積し、下部電極層２４を形成する。
次に、ＲＦスパッタ法により、下部電極層２４上に強誘電体である例えばＰｂＺｒ1-xＴｉxＯ3（ＰＺＴ：０＜ｘ＜１）からなる強誘電体膜２５を膜厚１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度に堆積する。そして、強誘電体膜２５をアニール処理して当該強誘電体膜２５を結晶化する。このアニール処理の条件としては、Ａｒ／Ｏ2ガスをＡｒが１．９８リットル／分、Ｏ2が０．０２５リットル／分の流量で供給しながら、例えば５５０℃〜６５０℃で６０秒間〜１２０秒間実行する。強誘電体膜２５の材料としては、ＰＺＴの代わりに、Ｐｂ1-xＬａxＺｒ1-yＴｉyＯ3（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＳｒＢｉ2（ＴａxＮｂ1-x）2Ｏ9（０＜ｘ＜１）、Ｂｉ4Ｔｉ2Ｏ12等を用いても良い。
次に、強誘電体膜２５上に上部電極層２６を堆積形成する。
上部電極層２６としては、先ず反応性スパッタ法により、例えば導電性酸化物であるＩｒＯ2膜２６ａを膜厚３０ｎｍ〜７０ｎｍ程度に形成する。その後、ＩｒＯ2膜２６ａをアニール処理する。このアニール処理の条件としては、Ａｒ／Ｏ2ガスをＡｒが２．０リットル／分、Ｏ2が０．０２リットル／分の流量で供給しながら、例えば６５０℃〜８５０℃で１０秒間〜６０秒間実行する。次に、ＩｒＯ2膜２６ａ上に、反応性スパッタ法によりＩｒＯ2膜２６ｂを膜厚１５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度に形成する。そして、ＩｒＯ2膜２６ｂ上に、当該ＩｒＯ2膜２６ｂのキャップ膜として機能する白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の貴金属膜、ここではＰｔ膜２６ｃをスパッタ法により膜厚１００ｎｍ程度に形成する。ＩｒＯ2膜２６ａ，２６ｂ及びＰｔ膜２６ｃから上部電極層２６が構成される。なお、上部電極層２６において、ＩｒＯ2膜２６ａ，２６ｂの代わりにＩｒ、Ｒｕ、ＲｕＯ2、ＳｒＲｕＯ3、その他の導電性酸化物やこれらの積層構造としても良い。また、Ｐｔ膜２６ｃの形成を省略することも可能である。
続いて、図２（ａ）に示すように、上部電極３１をパターン形成する。
詳細には、上部電極層２６をリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより複数の電極形状に加工して、上部電極３１をパターン形成する。
続いて、図２（ｂ）に示すように、強誘電体膜２５を加工する。
詳細には、強誘電体膜２５を上部電極３１に整合させて、リソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより加工する。この強誘電体膜２５のパターニングの後に、強誘電体膜２５をアニール処理して当該強誘電体膜２５の機能回復を図る。
続いて、図２（ｃ）に示すように、強誘電体膜２５への水素・水の浸入を防止するための水素拡散防止膜２７を形成する。
詳細には、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、Ａｌ窒素酸化物、Ｔａ酸化物、及びＴｉ酸化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種の材料、ここではアルミナを材料として、スパッタ法又はＣＶＤ法（例えばＭＯ−ＣＶＤ法）により、強誘電体膜２５及び上部電極３１を覆うように下部電極層２４上に膜厚５０ｎｍ程度に堆積し、水素拡散防止膜２７を形成する。ここで、ＭＯ−ＣＶＤ法を採用することにより、より緻密なアルミナ膜を形成することができ、高い水素拡散防止効果を奏することが可能となる。その後、水素拡散防止膜２７をアニール処理する。
続いて、図２（ｄ）に示すように、水素拡散防止膜２７と共に下部電極層２４を加工し、強誘電体キャパシタ構造３０を完成させる。
詳細には、水素拡散防止膜２７及び下部電極層２４を、加工された強誘電体膜２５に整合させて下部電極層２４が強誘電体膜２５よりも大きいサイズに残るように、リソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより加工し、下部電極３２をパターン形成する。これにより、下部電極３２上に強誘電体膜２５、上部電極３１が順次積層され、強誘電体膜２５を介して下部電極３２と上部電極３１とが容量結合する強誘電体キャパシタ構造３０を完成させる。このとき同時に、上部電極３１の上面から上部電極３１及び強誘電体膜２５の側面、下部電極層２４の上面にかけて覆うように水素拡散防止膜２７が残る。その後、水素拡散防止膜２７をアニール処理する。
続いて、図３（ａ）に示すように、水素拡散防止膜２８を形成する。
詳細には、強誘電体キャパシタ構造３０の全面を覆うように、強誘電体キャパシタ構造３０のキャパシタ特性の劣化を防止する（外部或いは上層の絶縁膜から発生する水分に起因して発生した水素の強誘電体膜２５への浸入を防止する）ための水素拡散防止膜２８を形成する。水素拡散防止膜２８としては、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、Ａｌ窒素酸化物、Ｔａ酸化物、及びＴｉ酸化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種の材料、ここではアルミナを材料として、スパッタ法又はＣＶＤ法（例えばＭＯ−ＣＶＤ法）により膜厚２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度に堆積する。ここで、ＭＯ−ＣＶＤ法を採用することにより、より緻密なアルミナ膜を形成することができ、高い水素拡散防止効果を奏することが可能となる。その後、水素拡散防止膜２８をアニール処理する。
続いて、図３（ｂ）に示すように、層間絶縁膜３３を成膜する。
詳細には、強誘電体キャパシタ構造３０を水素拡散防止膜２７，２８を介して覆うように、層間絶縁膜３３を形成する。ここで、層間絶縁膜３３としては、例えばＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤ法により、シリコン酸化膜を膜厚１５００ｎｍ〜２５００ｎｍ程度に堆積した後、ＣＭＰにより例えば膜厚が１０００ｎｍ程度となるまで研磨して形成する。ＣＭＰの後に、層間絶縁膜３３の脱水を目的として、例えばＮ2Ｏのプラズマアニール処理を施す。
続いて、図３（ｃ）に示すように、トランジスタ構造２０のソース／ドレイン領域１８と接続されるプラグ３６を形成する。
詳細には、先ず、ソース／ドレイン領域１８をエッチングストッパーとして、当該ソース／ドレイン領域１８の表面の一部が露出するまで層間絶縁膜３３、水素拡散防止膜２８，２７、層間絶縁膜２２ｂ，２２ａ、及び保護膜２１をリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより加工し、例えば約０．３μｍ径のビア孔３６ａを形成する。
次に、ビア孔３６ａの壁面を覆うように、スパッタ法により例えばＴｉ膜及びＴｉＮ膜を膜厚２０ｎｍ程度及びに膜厚５０ｎｍ程度に順次堆積して、下地膜（グルー膜）３６ｂを形成する。そして、ＣＶＤ法によりグルー膜３６ｂを介してビア孔３６ａを埋め込むように例えばＷ膜を形成する。その後、ＣＭＰにより層間絶縁膜３３をストッパーとしてＷ膜及びグルー膜３６ｂを研磨し、ビア孔３６ａ内をグルー膜３６ｂを介してＷで埋め込むプラグ３６を形成する。ＣＭＰの後に、例えばＮ2Ｏのプラズマアニール処理を施す。
続いて、図４（ａ）に示すように、ハードマスク３７及びレジストマスク３８を形成した後、層間絶縁膜３３に強誘電体キャパシタ構造３０への第１のビア孔３４ａ，３５ａを形成する。
詳細には、先ず、ＣＶＤ法により、層間絶縁膜３３上にシリコン窒化膜を膜厚１００ｎｍ程度に堆積し、ハードマスク３７を形成する。次に、ハードマスク３７上にレジストを塗布し、リソグラフィーにより当該レジストを加工して、開口３８ａ，３８ｂを有するレジストマスク３８を形成する。
次に、レジストマスク３８を用いてハードマスク３７をドライエッチングし、ハードマスク３７の開口３８ａ，３８ｂに整合する部位に開口３７ａ，３７ｂを形成する。
そして、主にハードマスク３７を用い、上部電極３１上及び下部電極３２上に整合した部位で水素拡散防止膜２８をそれぞれエッチングストッパーとして、層間絶縁膜３３をドライエッチングする。このドライエッチングでは、上部電極３１上に整合した部位の水素拡散防止膜２８の表面の一部が露出するまで層間絶縁膜３３に施す加工と、下部電極３２上に整合した部位の水素拡散防止膜２８の表面の一部が露出するまで層間絶縁膜３３に施す加工とが同時に実行され、それぞれの部位に例えば約０．５μｍ径の第１のビア孔３４ａ，３５ａが同時形成される。このドライエッチングによる第１のビア孔３４ａ，３５ａの形成時には、ビア孔３４ａ，３５ａの底部には水素拡散防止膜２８，２７が存し、言わばこの水素拡散防止膜２８，２７でドライエッチングのプラズマから強誘電体キャパシタ３０が保護される。そのため、当該ドライエッチング時には、強誘電体キャパシタ２０はダメージを受けない。
続いて、図４（ｂ）に示すように、レジストマスク３８及びハードマスク３７を除去する。
詳細には、先ず、残存したレジストマスク３８を灰化処理等により除去する。その後、全面異方性エッチング、いわゆるエッチバックにより、ハードマスク３７を除去する。
続いて、図４（ｃ）に示すように、第１のビア孔３４ａ，３５ａに整合するように、水素拡散防止膜２８，２７に強誘電体キャパシタ構造３０の一部を露出させる第２のビア孔３４ｂ，３５ｂを形成する。
詳細には、ウェットエッチングにより、第１のビア孔３４ａ，３５ａから露出する部位の水素拡散防止膜２８，２７を除去し、第１のビア孔３４ａ，３５ａと整合する第２のビア孔３４ｂ，３５ｂを形成する。このウェットエッチングでは、上部電極３１の表面の一部が露出するまで水素拡散防止膜２８，２７に施す加工と、下部電極３２の表面の一部が露出するまで水素拡散防止膜２８，２７に施す加工とが同時に実行され、それぞれの部位に第２のビア孔３４ｂ，３５ｂが同時形成される。このとき、第１のビア孔３４ａ，３５ａがレジストマスク３８及びハードマスク３７の形状に倣った異方性形状に形成されるのに対して、第２のビア孔３４ｂ，３５ｂは第１のビア孔３４ａ，３５ａよりも若干大径の等方性形状（第２のビア孔３４ｂ，３５ｂの内壁側面が若干抉れる形状）に形成され、第１のビア孔３４ａと第２のビア孔３４ｂ、第１のビア孔３５ａと第２のビア孔３５ｂがそれぞれ連通して、ビア孔３４Ａ，３５Ａが形成される。ここで、上部電極３１の最上層には極めてウェットエッチングされ難い貴金属からなるＰｔ膜２６ｃが設けられているため、ウェットエッチングによる第２のビア孔３４ｂの形成時において、上部電極３１のエッチングが抑止される。
このウェットエッチングでは、ドライエッチングようなダメージを強誘電体キャパシタ３０に及ぼすことなく、第２のビア孔３４ｂ，３５ｂが第１のビア孔３４ａ，３５ａにより自己整合的に形成される。しかも、水素拡散防止膜２８，２７への第２のビア孔３４ｂ，３５ｂの形成と共に、第１の第１のビア孔３４ａ，３５ａの形成時におけるドライエッチングに起因して、第１のビア孔３４ａ，３５ａ内及び層間絶縁膜３３上に発生したエッチング残渣やスカム等の不要な残存物が、ウェットエッチングのエッチング液により除去される。
当該ウェットエッチングのエッチング液としては、フッ化アンモニウム、アミド、有機酸、有機酸塩類、及び水を含有する薬液（第１の薬液：一例として、米国Air Products and Chemicals, Inc.製の製品名ACT NE89(NEシリーズ)）、又はフッ化アンモニウム、グリコールエーテル、アミド、及び水を含有する薬液（第２の薬液：一例として、米国EKC Technology K.K（DuPont Electronic Technologyグループ）製品名EKC 2xx又は6xx（2xx又は6xxシリーズ））を用いる。第１の薬液では、残存物の十分な除去効果を得るべく、フッ化アンモニウムの濃度を１．０％以上４．５％以下に調節することが望ましい。また、第２の薬液では、同様に残存物５０の十分な除去効果を得るべく、フッ化アンモニウムの濃度を０．３％以上４．５％以下に調節することが好適である。ここでは、例えば第１の薬液を用い、フッ化アンモニウムの濃度を３．０％とする。
当該ウェットエッチングを行う際には、図７に示すようなエッチング装置を用いる。
このエッチング装置は、半導体基板を吸着させるチャッキング機能と、半導体基板を回転させる回転機能（回転モータ）とを備えた基板ステージ１０１と、半導体基板の表面に薬液を吐出して供給する薬液ノズル１０２と、半導体基板の表面に純水（ＤＩＷ）を吐出して供給するＤＩＷノズル１０３と、基板ステージ１０１の収納部１０４とを備えて構成されている。
ここで、収納部１０４は、薬液ノズル１０２又はＤＩＷノズル１０３を半導体基板の表面近傍に設置するための開口１０４ａと、薬液の回収通路１０４ｂと、ＤＩＷの排出通路１０４ｃとを有して構成されている。収納部１０４の上部構造１０４Ａが下部構造１０４Ｂに対して上下に移動可能とされており、上部構造１０４Ａの下部構造１０４Ｂに対する位置を調節することにより、薬液の回収通路１０４ｂが開閉される。薬液の回収通路１０４ｂが開放された状態では当該回収通路１０４ｂのみが機能し、回収通路１０４ｂが閉鎖された状態ではＤＩＷの排出通路１０４ｃのみが機能する。
当該ウェットエッチングでは、先ず薬液処理を行う。
詳細には、図７（ａ）に示すように、基板ステージ１０１に第１の配線４５のパターン形成されたシリコン半導体基板１０を吸着させて固定し、開口１０４ａから薬液ノズル１０２を設置する。そして、基板ステージ１０１によりシリコン半導体基板１０を回転させながら、薬液ノズル１０２からシリコン半導体基板１０の表面に薬液、ここでは第１の薬液を吐出して供給する。薬液処理に供された第１の薬液は、シリコン半導体基板１０の表面から回収通路１０４ｂを通って回収される。
続いて、水洗処理を行う。
詳細には、図７（ｂ）に示すように、開口１０４ａからＤＩＷノズル１０３を設置する。そして、基板ステージ１０１によりシリコン半導体基板１０を回転させながら、ＤＩＷノズル１０３からシリコン半導体基板１０の表面にＤＩＷを吐出して供給し、当該表面を洗浄する。水洗処理に供されたＤＩＷは、シリコン半導体基板１０の表面から排出通路１０４ｃを通って外部へ排出される。
続いて、乾燥処理を行う。
詳細には、図７（ｃ）に示すように、基板ステージ１０１により水洗時よりも大きな回転数でシリコン半導体基板１０を回転させてシリコン半導体基板１０の表面に存するＤＩＷを振り切り、当該表面を乾燥させる。乾燥処理により振り切られたＤＩＷは、排出通路１０４ｃを通って外部へ排出される。
上記の薬液処理、水洗処理、及び乾燥処理の具体的条件の一例を、以下の表１に示す。
Figure 0004838613
以上のようにウェットエッチングを行うことにより、図４（ｂ）に示すように、第１のビア孔３４ａ，３５ａと第２のビア孔３４ｂ，３５ｂとがそれぞれ連通して、ビア孔３４Ａ，３５Ａが形成されるとともに、第１のビア孔３４ａ，３５ａ内及び層間絶縁膜３３上に発生したエッチング残渣やスカム等の不要な残存物が実用上無視し得る程度まで完全に除去される。
続いて、図５（ａ）に示すように、強誘電体キャパシタ構造３０と接続されるプラグ３４，３５を形成する。
詳細には、ビア孔３４Ａ，３５Ａの内壁面を覆うように、スパッタ法により例えばＴｉ膜及びＴｉＮ膜を膜厚２０ｎｍ程度及びに膜厚５０ｎｍ程度に順次堆積して、下地膜（グルー膜）２９を形成する。そして、ＣＶＤ法によりグルー膜２９を介してビア孔３４Ａ，３５Ａを埋め込むように例えばＷ膜を形成する。その後、ＣＭＰにより層間絶縁膜３３をストッパーとしてＷ膜及びグルー膜２９を研磨し、ビア孔３４Ａ，３５Ａ内をグルー膜２９を介してＷで埋め込むプラグ３４，３５を形成する。ＣＭＰの後に、例えばＮ2Ｏのプラズマアニール処理を施す。
続いて、図５（ｂ）に示すように、プラグ３４，３５，３６とそれぞれ接続される第１の配線４５を形成する。
詳細には、先ず、層間絶縁膜３３上の全面にスパッタ法等によりバリアメタル膜４２、配線膜４３及びバリアメタル膜４４を堆積する。バリアメタル膜４２としては、スパッタ法により例えばＴｉＮ膜を膜厚１５０ｎｍ程度に成膜する。配線膜４３としては、例えばＡｌ合金膜（ここではＡｌ−Ｃｕ膜）を膜厚３５０ｎｍ程度に成膜する。バリアメタル膜４４としては、スパッタ法により例えばＴｉＮ膜を膜厚１５０ｎｍ程度に成膜する。ここで、配線膜４３の構造は、同一ルールのＦｅＲＡＭ以外のロジック部と同じ構造とされているため、配線の加工や信頼性上の問題はない。
次に、反射防止膜として例えばＳｉＯＮ膜又は反射防止膜（不図示）を成膜した後、リソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより反射防止膜、バリアメタル膜４４、配線膜４３及びバリアメタル膜４２を配線形状に加工し、プラグ３４，３５，３６とそれぞれ接続される各第１の配線４５をパターン形成する。なお、配線膜４３としてＡｌ合金膜を形成する代わりに、いわゆるダマシン法等を利用してＣｕ膜（又はＣｕ合金膜）を形成し、第１の配線４５としてＣｕ配線を形成しても良い。
続いて、図６に示すように、第１の配線４５と接続される第２の配線５４を形成する。
詳細には、先ず、第１の配線４５を覆うように層間絶縁膜４６を形成する。層間絶縁膜４６としては、シリコン酸化膜を膜厚７００ｎｍ程度に成膜し、プラズマＴＥＯＳ膜を形成して膜厚を全体で１１００ｎｍ程度とした後に、ＣＭＰにより表面を研磨して、膜厚を７５０ｎｍ程度に形成する。
次に、第１の配線４５と接続されるプラグ４７を形成する。
第１の配線４５の表面の一部が露出するまで、層間絶縁膜４６をリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより加工して、例えば約０．２５μｍ径のビア孔４７ａを形成する。次に、このビア孔４７ａの壁面を覆うように下地膜（グルー膜）４８を形成した後、ＣＶＤ法によりグルー膜４８を介してビア孔４７ａを埋め込むようにＷ膜を形成する。そして、層間絶縁膜４６をストッパーとして例えばＷ膜及びグルー膜４８を研磨し、ビア孔４７ａ内をグルー膜４８を介してＷで埋め込むプラグ４７を形成する。
次に、プラグ４７とそれぞれ接続される第２の配線５４を形成する。
先ず、全面にスパッタ法等によりバリアメタル膜５１、配線膜５２及びバリアメタル膜５３を堆積する。バリアメタル膜５１としては、スパッタ法により例えばＴｉＮ膜を膜厚１５０ｎｍ程度に成膜する。配線膜５２としては、例えばＡｌ合金膜（ここではＡｌ−Ｃｕ膜）を膜厚３５０ｎｍ程度に成膜する。バリアメタル膜５３としては、スパッタ法により例えばＴｉＮ膜を膜厚１５０ｎｍ程度に成膜する。ここで、配線膜５２の構造は、同一ルールのＦｅＲＡＭ以外のロジック部と同じ構造とされているため、配線の加工や信頼性上の問題はない。
次に、反射防止膜として例えばＳｉＯＮ膜又は反射防止膜（不図示）を成膜した後、リソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより反射防止膜、バリアメタル膜５３、配線膜５２及びバリアメタル膜５１を配線形状に加工し、第２の配線５４をパターン形成する。
しかる後、層間絶縁膜や更なる上層配線の形成等の諸工程を経て、本実施形態によるプレーナ型のＦｅＲＡＭを完成させる。
以上説明したように、本実施形態によれば、徒に工程数を増加させることなく、強誘電体キャパシタ３０にダメージを与えずに強誘電体キャパシタ３０に対するビア孔３４Ａ，３５Ａを層間絶縁膜３３及び水素拡散防止膜２８，２７に形成し、しかも不要な残存物を除去することを可能として、信頼性の高いＦｅＲＡＭを実現することができる。
なお、本実施形態では、いわゆるプレーナ型のＦｅＲＡＭについて例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、強誘電体キャパシタ構造の下部電極下及び上部電極上にそれぞれ導電プラグが形成されて導通がとられる構成の、いわゆるスタック型のＦｅＲＡＭにも適用可能である。この場合、強誘電体キャパシタ構造を水素拡散防止膜を介して覆う層間絶縁膜に上部電極の表面の一部を露出させるビア孔を形成する際に、層間絶縁膜をドライエッチングして第１のビア孔を形成した後、上述と同様に水素拡散防止膜をウェットエッチングして、第１のビア孔と連通する第２のビア孔を形成する。
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
（付記１）半導体基板の上方に、下部電極と上部電極とにより強誘電体からなるキャパシタ膜を挟持してなるキャパシタ構造を形成する工程と、
前記キャパシタ構造を覆うように水素拡散防止膜を形成する工程と、
前記水素拡散防止膜を介して前記キャパシタ構造を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
前記キャパシタ構造の配線接続を行うため、前記キャパシタ構造の少なくとも一部を露出させるように、前記層間絶縁膜及び前記水素拡散防止膜に開孔を形成する工程と
を含み、
前記開孔を形成する工程では、
ドライエッチングにより、前記層間絶縁膜に第１の開孔を形成する第１の工程と、
ウェットエッチングにより、前記水素拡散防止膜の前記第１の開孔に整合した部位に第２の開孔を形成する第２の工程と
を実行することによって、前記第１の開孔と前記第２の開孔とが連通されてなる前記開孔を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記２）前記水素拡散防止膜は、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、Ａｌ窒素酸化物、Ｔａ酸化物、及びＴｉ酸化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種の材料からなることを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記３）前記キャパシタ構造は、前記下部電極上及び前記上部電極上でそれぞれ導通がとられるプレーナ型のものであることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記４）前記開孔を形成するに際して、前記下部電極の表面の一部を露出させる前記開孔と、前記上部電極の表面の一部を露出させる前記開孔とを同一工程で形成することを特徴とする付記３に記載の半導体装置の製造方法。
（付記５）前記上部電極は、最上層に貴金属膜を有してなることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
（付記６）前記貴金属膜は、Ｐｔ又はＩｒからなることを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）前記ウェットエッチングを、フッ化アンモニウム、アミド、有機酸、有機酸塩類、及び水を含有する薬液を用いて行うことを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）前記薬液において、フッ化アンモニウムの濃度が１．０％以上４．５％以下であることを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。
（付記９）前記ウェットエッチングを、フッ化アンモニウム、グリコールエーテル、アミド、及び水を含有する薬液を用いて行うことを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）前記薬液において、フッ化アンモニウムの濃度が０．０３％以上４．５％以下であることを特徴とする付記９に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）半導体基板の上方に形成された、下部電極と上部電極とにより強誘電体からなるキャパシタ膜を挟持してなるキャパシタ構造と、
前記キャパシタ構造を覆うように形成されてなる水素拡散防止膜と、
前記キャパシタ構造の少なくとも一部を露出させるように前記層間絶縁膜及び前記水素拡散防止膜に形成された開孔を埋め込む導電材料と
を含み、
前記開孔は、ドライエッチングにより前記層間絶縁膜に形成された第１の開孔と、ウェットエッチングにより前記水素拡散防止膜の前記第１の開孔に整合した部位に形成された第２の開孔とが連通されてなることを特徴とする半導体装置。
（付記１２）前記第２の開孔は、前記第１の開孔よりも大径に形成されていることを特徴とする付記１１に記載の半導体装置。
（付記１３）前記水素拡散防止膜は、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、Ａｌ窒素酸化物、Ｔａ酸化物、及びＴｉ酸化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種の材料からなることを特徴とする付記１１又は１２に記載の半導体装置。
（付記１４）前記キャパシタ構造は、前記下部電極上及び前記上部電極上でそれぞれ導通がとられるプレーナ型のものであることを特徴とする付記１１〜１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
（付記１５）前記上部電極は、最上層に貴金属膜を有してなることを特徴とする付記１１〜１４のいずれか１項に記載の半導体装置。
（付記１６）前記貴金属膜は、Ｐｔ又はＩｒからなることを特徴とする付記１５に記載の半導体装置。
本実施形態によるプレーナ型のＦｅＲＡＭの構成をその製造方法と共に工程順に示す概略断面図である。 本実施形態によるプレーナ型のＦｅＲＡＭの構成をその製造方法と共に工程順に示す概略断面図である。 本実施形態によるプレーナ型のＦｅＲＡＭの構成をその製造方法と共に工程順に示す概略断面図である。 本実施形態によるプレーナ型のＦｅＲＡＭの構成をその製造方法と共に工程順に示す概略断面図である。 本実施形態によるプレーナ型のＦｅＲＡＭの構成をその製造方法と共に工程順に示す概略断面図である。 本実施形態によるプレーナ型のＦｅＲＡＭの構成をその製造方法と共に工程順に示す概略断面図である。 本実施形態で用いるエッチング装置の概略構成を示す模式図である。
符号の説明
１０ シリコン半導体基板
２０ トランジスタ構造
２３，２７，２８ 水素拡散防止膜
３０ 強誘電体キャパシタ構造
３３ 層間絶縁膜
３４ａ，３４ａ 第１のビア孔
３４ｂ，３４ｂ 第２のビア孔
３４Ａ，３４Ａ ビア孔
３４，３５，３６，４７ プラグ
４５ 第１の配線
５４ 第２の配線

Claims (7)

  1. 半導体基板の上方に、下部電極と上部電極とにより強誘電体からなるキャパシタ膜を挟持してなるキャパシタ構造を形成する工程と、
    前記キャパシタ構造を覆うように水素拡散防止膜を形成する工程と、
    前記水素拡散防止膜を介して前記キャパシタ構造を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記キャパシタ構造の配線接続を行うため、前記キャパシタ構造の少なくとも一部を露出させるように、前記層間絶縁膜及び前記水素拡散防止膜に開孔を形成する工程と
    を含み、
    前記開孔を形成する工程では、
    ドライエッチングにより、前記層間絶縁膜に第１の開孔を形成する第１の工程と、
    ウェットエッチングにより、前記水素拡散防止膜の前記第１の開孔に整合した部位に第２の開孔を形成する第２の工程と
    を実行することによって、前記第１の開孔と前記第２の開孔とが連通されてなる前記開孔を形成し、
    前記第２の開孔は、前記第１の開孔よりも大径に形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記水素拡散防止膜は、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、Ａｌ窒素酸化物、Ｔａ酸化物、及びＴｉ酸化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種の材料からな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. 前記上部電極は、最上層に貴金属膜を有してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記ウェットエッチングを、フッ化アンモニウム、アミド、有機酸、有機酸塩類、及び水を含有する薬液を用いて行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記薬液において、フッ化アンモニウムの濃度が１．０％以上４．５％以下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。
  6. 前記ウェットエッチングを、フッ化アンモニウム、グリコールエーテル、アミド、及び水を含有する薬液を用いて行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記薬液において、フッ化アンモニウムの濃度が０．０３％以上４．５％以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
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