JP4841027B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法と半導体装置に関し、特にレアメタル層を有する半導体装置の製造方法とレアメタル層を有する半導体装置とに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路装置においては、ますます高集積化が要求されている。キャパシタを用いた半導体メモリ装置においては、メモリセルの微細化と共にキャパシタを立体的な3次元構造で作成することが必要となる。3次元構造の代表例は、カップ状の下部電極を有するシリンダ型キャパシタである。カップ状の下部電極の内側表面のみでなく、外側表面もキャパシタ電極面として利用することにより、電極面積を増大することができる。
【0003】
キャパシタは、下部電極、誘電体膜、上部電極の組み合わせと見ることができる。3次元構造においては、下部電極を3次元構造とし、その表面上に誘電体膜、上部電極を形成する。たとえば、シリンダ構造を有するキャパシタを作成するためには、犠牲膜を用いる。犠牲膜にシリンダを形成するための開口を形成し、開口の内面上に下部電極を形成する。シリンダの外面もキャパシタ電極面として利用するために、シリンダ型の下部電極を形成した後、シリンダ外部の犠牲膜は除去する。その後、誘電体膜、上部電極を形成する。
【0004】
3次元構造を有する微細なキャパシタ構造を信頼性高く形成するためには、種々解決すべき課題がある。
【0005】
キャパシタ電極面積を小さくし、かつ十分な容量を確保するためには、キャパシタ誘電体膜を高い誘電率を有する高誘電体、たとえば酸化タンタル(化学量論的組成はTa2O5、TaOと略記する)、で形成することが望まれる。ここで高い誘電率とは、約20以上の比誘電率を指す。
【0006】
キャパシタ誘電体膜を強誘電体で形成すると、電源を切り離しても記憶状態を保持できる不揮発性メモリを構成できる。強誘電体としては、チタン酸ストロンチュ−ム(SrTiO3、STOと略記する)、チタン酸バリウムストロンチューム(BaxSr1-xTiO3.BSTと略記する)、チタン酸鉛ジルコニューム(Pb1-xZrxTiO3、PZTと略記する)等が用いられる。
【0007】
これらの誘電体は、酸化物であり、成膜後酸素を含む酸化性雰囲気中で熱処理(アニール)することが望まれる。このため、下部電極は耐酸化性の高い金属、酸化しても導電性を保つ金属またはその酸化物で形成することが望まれる。このような金属としてRu、Ir、Ptのようなレアメタルが検討されている。なお、レアメタルは貴金属を含む概念である。
【0008】
レアメタルを電極、配線として使用する場合、いくつかの問題がある。レアメタルは、酸化シリコン(SiO2,SiOと略記する)、窒化シリコン(SiNx,SiNと略記する)等の絶縁膜との密着性が悪い。レアメタル層上に形成した絶縁膜は、容易に剥離してしまう。絶縁膜とレアメタル層との密着性を増強するため、金属又は金属窒化物の密着層をレアメタル層と絶縁層との間に挿入することが検討されている。
【0009】
しかしながら、金属窒化膜は酸化物誘電体と直接接すると、酸化物誘電体から酸素を奪い、酸化物誘電体の誘電特性を劣化させる性質を有する。従って、レアメタル層の上に酸化物誘電体膜を形成する領域においては、密着層を除去する必要がある。
【0010】
高集積度のメモリー装置においては、キャパシタ電極が極めて薄いレアメタル層で形成される。極めて薄いレアメタル層を欠陥やピンホールなしに形成することは困難である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、半導体メモリ装置において、構造が微細化されるにつれ、種々の解決すべき課題が生じている。
【0012】
本発明の第1の目的は、シリンダ型キャパシタを形成する際、他の構成要素の破壊、劣化を防止できる半導体装置の製造方法を提供することである。
【0013】
本発明の第2の目的は、微細化に適し、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することである。
【0014】
本発明の第3の目的は、微細化に適し、信頼性の高い半導体装置を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の1観点によれば、
(ア)半導体基板上に配置された第1の絶縁層中に、金属または金属化合物のプラグを形成する工程と、
(イ)前記第1の絶縁層上に、第2の絶縁層を形成する工程と、
(ウ)前記第2の絶縁層を貫通して、底面に前記プラグ表面を露出する開口を形成する工程と、
(エ)前記開口内面上に、シリンダ状に、金属または金属窒化物の密着層を形成し、さらにRu,Ir,Ptのいずれかであるレアメタルの電極層と前記電極層内面を覆う保護誘電体膜とを形成する工程であって、前記保護誘電体膜は前記第1および第2の絶縁層および前記金属または金属化合物とエッチング特性の異なる材料で形成される工程と、
(オ)前記シリンダ状の電極層の内面を前記保護誘電体膜で覆った状態で、前記シリンダ外の前記第2の絶縁層をエッチングにより除去する工程と、
(カ)前記工程(オ)の後、前記シリンダ状の電極層の内面を前記保護誘電体膜で覆った状態で、露出した前記密着層をウエットエッチングで除去する工程と、
を含み、前記ウエットエッチングにおいて、前記保護誘電体膜のエッチングレートは前記密着層のエッチングレートより低いことを特徴とする半導体装置の製造方法
が提供される。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、シリンダ型キャパシタを作成すると、下部電極とプラグとの電気的接触が損なわれる場合があることを見出した。プラグ上部が消失し、下部電極との接続が失われている。この原因として、ウエットエッチング時に薬液がレアメタル層を浸透することを考慮した。
【0017】
開口を形成した犠牲膜上に、密着層、下部電極層を積層し、シリンダ状下部電極を形成した後、犠成膜、露出した密着層はウエットエッチングで除去する。この除去工程において、シリンダ型下部電極の内側から外側に向い薬液が浸透すると、シリンダ型下部電極の下に配置されたプラグが溶解されてしまう。
【0018】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【0019】
図1(A)に示すように、p型表面領域を有するSi基板11表面にシャロートレンチアイソレーション(STI)によりSiOの分離領域12を形成する。分離領域12で画定された活性領域表面に絶縁ゲート電極13を形成する。
【0020】
図1(B)に示すように、絶縁ゲート電極は、Si表面に形成されたSiO層のゲート絶縁膜21と、その上に形成された多結晶シリコンの下層ゲート電極22と、その上に形成されたタングステンシリサイド(WSiと略記する)等の上層ゲート電極23と、その上に形成されたSiN等のエッチストッパ層24と、ゲート電極側壁を覆う窒化シリコン(SiNx、SiNと略記する)等のサイドウォールエッチストッパ25とを有する。なお、図示の簡略化のため、以降の図面においても絶縁ゲート電極は簡略化した構成13で示す。
【0021】
絶縁ゲート電極13をマスクとしてn型不純物をイオン注入し、ソース/ドレイン領域S/Dを形成する。その後、絶縁ゲート電極13を覆ってSiO等の第1層間絶縁膜14を形成する。第1層間絶縁膜14の所要個所にコンタクト孔を開口し、多結晶シリコンのプラグ15を形成する。なお、プラグの形成は、化学気相堆積(CVD)による堆積と化学機械研磨(CMP)、エッチバック等による不要部除去によって行なう。
【0022】
その後、基板全面上にSiO,BPSG等の第2層間絶縁膜16を形成する。なお、第2層間絶縁膜16は、一旦途中のレベルまで絶縁層を堆積し、ビット線BLを形成した後、ビット線BLを埋め込むように残りの部分の絶縁層の堆積を行なう。
【0023】
図1(C)に示すように、絶縁膜16−1を形成した後、所要の接続孔を形成し、ビット線用プラグの表面を露出する。次に、例えば、下からTi層、TiN層、W層の積層からなるビット線層を形成し、さらにその表面上にSiN層を形成する。SiN層上にレジストパターンを形成し、SiN層、W層、TiN層、Ti層をパターニングすることにより、ビット線27、エッチングストッパーSiN層28からなるパターンを形成する。
【0024】
さらに、SiN層を形成し、反応性イオンエッチング(RIE)等による異方性エッチングを行なって、ビット線側壁を保護するSiNサイドウォールエッチストッパ29を形成する。その後、SiO、BPSG等の絶縁膜16−2を形成し、CMP等により表面を平坦化する。
【0025】
このようにして、ビット線BLを含む第2層間絶縁膜16が形成される。なお、第2層間絶縁膜16の内、ビット線の上部では、上述のSiN層28が露出している。
【0026】
第2層間絶縁膜16を貫通して蓄積ノード用プラグ15に達する接続孔を、ビット線に対してセルフアラインドコンタクト法(SAC)で形成する。接続孔内にTi層、TiN層を成膜した後、接続孔の内部を埋め込むようにCVDによるWのブランケット成長を行なう。第2層間絶縁膜16上のW層、TiN層、Ti層をCMP又はエッチバックによって除去する。このようにして、Wプラグ17が形成される。なお、プラグは、W等の金属の他、TiN,WN等の金属化合物で形成することもできる。
【0027】
図1(D)に示すように、基板温度をSiN成膜温度に設定し、アンモニアガスとジクロルシラン等のポリクロルシランやポリシランとの混合ガスを供給することにより、第2層間絶縁膜16表面上にSiN層31をCVDで成膜する。このSiN層31は、Wプラグ17表面を覆うと共に、その上に形成する酸化膜のエッチングにおいてエッチストッパの機能を有する。
【0028】
図2(A)に示すように、SiN層31の成膜後、SiO層32を形成し、さらにSiN層33を形成する。SiN層33はその上に形成する酸化膜等の犠牲膜のエッチングにおいてエッチストッパとしての機能を有する。SiN層31、33は、例えば共に厚さ40nmとし、SiO層32は厚さ100nmとする。これら第1エッチストッパ層31、中間層32、第2エッチストッパ層33は、後に形成するキャパシタの下部電極に対する支持力を増強するために台座を構成する積層である。
【0029】
なお、酸化膜エッチングにおけるエッチストッパ層は、酸化膜のエッチレートに対し、選択比が10以上あることが望ましい。SiNの他、TaO、酸化ニオビウム(NbOと略記する)等を用いることができる。TaOやNbOを用いる場合は、10nm以上の膜厚とすることが好ましい。さらに、酸化チタニウム(TiOと略記する)、アルミナ等を用いることも可能であろう。
【0030】
上側SiN層33の上に、厚い酸化シリコン層34を形成する。酸化シリコン層34は、台座となる絶縁層31、32、33と共にキャパシタの下部電極を形成する際の型を提供する部材であり、後に除去される犠牲膜である。例えば、約800nmのキャパシタに合わせた厚さを有する。
【0031】
酸化シリコン層34の上に、レジスト層を塗布し、露光現像することによりレジストパターンPR1を形成する。レジストパターンPR1は、キャパシタを形成する領域に開口を有する。なお、開口の直径は、例えば約130nmである。
【0032】
レジストパターンPR1をエッチングマスクとし、酸化シリコン層34を反応性イオンエッチング(RIE)により異方的にエッチングする。このエッチングは上側SiN層33でストップする。エッチング条件を切り換えてSiN層33をエッチングした後、さらに下のSiO層32を酸化シリコンエッチングによりエッチングする。この酸化シリコンのエッチングは、下側SiN層31表面でストップする。
【0033】
酸化シリコンのエッチングにおいて、SiN層は約1/10以下のエッチレートしか有さず、SiO層32を完全にエッチングしても、SiN層31は十分量残存する。ここで再びエッチング条件を変更し、SiN層31をエッチングし、プラグ17の表面を露出する。
【0034】
レジストパターンPR1は、酸化シリコン層34のエッチングが終了した後、SiN層31のエッチングを行なうまでの期間にアッシングにより除去することが好ましい。アッシング時にプラグ17の表面をSiN層31で覆うことにより、プラグの酸化を防止できる。
【0035】
図2(B)に示すように、このようにして形成されたキャパシタ用開口SN内に、密着層として例えば厚さ5nm〜20nmのTiN層をCVDで成膜する。TiN層のCVDは、例えばTiCl4とNH3をソースガスとして用い、530℃以上の成膜温度で行なう。成膜温度を530℃以上とすることにより、膜中に残る塩素濃度を3atm%以下にすることができる。
【0036】
密着層は、レアメタル等で形成される下部電極を台座積層および犠成膜にしっかり支持するための層であり、Ti、Ta等の金属、WN、TiN、TaN等の金属窒化物を用いることができる。
【0037】
TiN層35の上に、下部電極となるレアメタル層をCVDで形成する。例えば、ジエチルシクロペンタルテニウムRu(EtCp)2をソースガスとし、酸素を触媒として用い、厚さ約30nmのRu層36を成膜する。なお、Ru(EtCp)2の代りに、ジシクロペンタルテニウムRu(Cp)2をソースガスとして用いることもできる。それぞれのソースガスをTHF等の溶媒に溶かして供給しても良い。成膜温度を350℃以下とすることにより、反応律速のCVDが行われ、カバレージ良い成膜が行われる。
【0038】
レアメタルは、酸化されづらいだけでなく、酸化しても導電性を保つ。従って、酸化性雰囲気中でアニールを行なっても、電極の性能を保つ。なお、レアメタルの代りにレアメタル酸化物を用いても良い。Ru層36と絶縁体の台座積層との間にTiN層35が挿入されているため。Ru層36の台座に対する密着性が向上する。
【0039】
Ru層36を成膜した後、その上にエッチングにおける耐性を有する誘電体膜37pを保護層として成膜する。例えば、Ta(O(C2H5))5とO2を用いたCVDにより、厚さ約10nm以下のアモルファスTaO膜37pを成膜する。アモルファスTaO膜は、酸化シリコン、TiNのエッチングにおいてエッチング速度が極めて遅く、かつピンホールが出来にくい。このTaO膜37pは、シリンダ状Ru層36の内面を覆い、ウエットエッチング時にエッチャントの浸み込みを防止する保護膜となる。
【0040】
酸化シリコン層34表面上に堆積したTaO膜37p、Ru層36、TiN層35は除去する。この除去のためのCMPにおいて、開口SN内に加工時のゴミが残ったり、ダメージが入るのを防ぐため、開口SNを詰め物SFで充填する。詰め物SFとしては、レジスト、スピンオングラス(SOG)等を用いることができる。これらを塗布すると、酸化シリコン層表面にも詰め物の層SFが形成される。
【0041】
このように開口内を詰め物で埋め戻した後、CMPを行なって酸化シリコン層34表面上の詰め物SF、TaO膜37p、Ru層36、TiN層35を除去する。
【0042】
図3(A)は、CMPを終えた基板の構造を示す。開口SN内にTiN層35、Ru層36、TaO膜37p、詰め物SFが残される。下部電極となるRu層36は、底面と閉じたループ状の側面を有するカップ状のシリンダ形状を有する。Ru層36の内面はTaO膜37pにより覆われている。
【0043】
図3(B)に示すように、酸化シリコン層34及び開口SN内の詰め物SFを除去する。詰め物SFがSOGの場合は、酸化シリコン層34と詰め物をウエットエッチングにより同時に除去することができる。詰め物SFがレジストの場合には、酸化シリコン層34を除去した後、開口SN内に残ったレジストをレジスト剥離剤、アッシング等により除去する。
【0044】
なお、酸化シリコン層34のエッチングは、希弗酸によるウエットエッチングで行ないSiN層33によってストップされる。SiN層31、SiO層32、SiN層33が残ることにより、下部電極36はその下部でこれら3層による台座により支持され、倒れ等が防止される。
【0045】
なお、上述の実施例においては、下部電極のレアメタル層と台座となる絶縁層との間に密着層であるTiN層を用いた。密着層は必ずしも必須ではない。密着層を省略してシリンダ状下部電極を形成してもよい。
【0046】
図4は、密着層を省略した構成を示す。台座となるSiN層31、酸化シリコン層32、SiN層33に支持されてレアメタルの下部電極36が形成されている。レアメタル層36の内面上にTaO等の保護層37pが形成されている。この構成においても、シリンダ型レアメタル層36内面は、保護層37pにより覆われている。
【0047】
例えば、図4で示すように位置ずれが生じ、シリンダ型下部電極36の位置が下方のWプラグ17から位置ずれを生じているとする。TaO膜37pが存在しない場合、薄いRu層36を通ってHF溶液が浸み出すと、その下に配置された酸化シリコン層16はエッチされてしまう。TaO膜37pが下部電極36内面上を覆っているため、下部電極内面から外側に向けての溶液の浸み出しは防止される。
【0048】
図5(A)に示すように、シリンダ型下部電極36の外面上に形成されているTiN層35を除去する。TiN層35の除去は、硫酸と過酸化水素の混合液、塩酸と過酸化水素の混合液、過酸化水素とアンモニアの混合液のいずれかによるウェットエッチングにより行なう。なお、詰め物SFがレジストの場合、あらかじめ除去していなくとも、このウェットエッチング処理の際に除去されてしまうことになる。ウェットエッチングにより、TiN層はエッチストッパ膜33表面よりリセスした位置までエッチングされる。より下方には、TiN層35rが残り、台座とシリンダ型下部電極との支持を確実にする。
【0049】
このTiN層のウェットエッチングにおいても、下部電極36内面上には保護層37pが形成されているため、下部電極36の欠陥やピンホールを介したエッチャントの浸み出しが防止される。保護層37pを設けない場合、下部電極36の欠陥やピンホールを介して薬液が下部電極36外側に浸み出すと、Wプラグ17を溶解してしまう。
【0050】
図5(B)に示すように、下部電極36の表面にTaOのキャパシタ誘電体膜37fを形成する。誘電体膜37fは、下部電極36及び保護膜37pの露出表面を覆う。誘電体膜37fの厚さは、例えば約15nmである。例えば、基板を反応律速のCVD温度に加熱し、Ta(O(C2H5))5とO2による減圧化学気相堆積(LP−CVD)により誘電体膜37fをカバレージ良く成膜する。反応律速となる温度領域は、例えば550℃より低い温度である。
【0051】
図6(A)は、Ru層36表面上の誘電体層を拡大して示す。Ru層36は、CVDで形成され、成長表面に凹凸を有する場合がある。凹凸を有する場合、突出部においては電界集中が生じ、誘電破壊を生じ易い。シリンダ型下部電極36の内面上においては、保護膜として用いたTaO膜37pと、キャパシタ誘電体膜として成膜したTaO膜37fが積層され、全体としての誘電体膜37の膜厚は厚くなる。従って、Ru層37内面上に凹凸が生じていても、外面上よりも厚いTaO膜37が形成されるため、誘電体膜37の誘電破壊は効率的に防止される。
【0052】
図5(B)に戻り、TiN密着層35rは、エッチストッパ層表面からリセスした位置までエッチされている。反応律速のTaO膜は、このリセスに入り込んで成長し、TaO膜37xを形成する。TaO膜37xは、リセス内でTiN層35と接する。
【0053】
TiN層35rは、TaO膜37xから酸素を奪う性質を有する。従って、TiN層35rに接した部分のTaO膜37xの誘電特性は劣化し、リーク電流を流す絶縁膜となってしまう。しかしながら、この領域のTaO膜37xは、下部電極36と絶縁膜で形成された台座積層との間に埋めているため、充分に厚いTaOがTiNと接することになり、キャパシタの電気的特性に悪影響は及ぼさない。
【0054】
キャパシタ誘電体膜として、TaO膜の他、NbO膜、TiO膜、WO膜、アルミナ膜、STO膜、BST膜、PZT膜、それらの組み合わせを用いることもできる。
【0055】
なお、誘電体膜37fを成膜する前に、シリンダ型下部電極36内面上の保護膜37pをCF4を含むエッチャントガスを用いたドライエッチングにより除去してもよい。
【0056】
図6(B)は、下部電極36内面上の保護膜37pを除去した後、誘電体膜37fを成膜した状態を示す。Ru層36の内面上と外面上とに、ほぼ均一の厚さを有するTaO膜37fが成膜されている。Ru層36の成長面が滑らかな場合、キャパシタ誘電体膜を最小の膜厚とすることにより、容量を増大することができる。TiN層35rが台座積層内にリセスし、このリセス内にTaO膜37xが入り込んで形成される点は、図5(B)同様である。
【0057】
図7(A)に示すように、誘電体膜37fを作成した後、上部電極であるRu層38を形成する。キャパシタの上部電極は、プレート電極となる電極である。例えば、Ru(EtCp)2とO2を用い、CVDによりRu層38を形成する。プレート電極は、レアメタルの他、RuO等のレアメタル酸化物、TiN,WN等の金属窒化物、TiON,WON等の金属酸化窒化物で形成してもよい。
【0058】
Ru上部電極成膜後、TiN層の物理堆積を行なう。上部から物理堆積によりTiN層39を形成する。次に、TaO層41を上述と同様のCVDにより成膜する。
【0059】
図7(B)に示すように、TaO層41、TiN層39、上部電極層38のパターニングを行なう。このパターニングにおいて、TaO層41の上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとしてTaO層41をCF4をベースとしたドライエッチングでパターニングする。TaOはエッチング可能であり、かつマスクとしての機能を果たすことができる。レジストマスクはこの段階で除去する。
【0060】
次にTaO層41をマスクとし、その下のTiN層39をCl2とHeを用いたドライエッチングで、上部電極38をCl2とO2を用いたドライエッチングでパターニングする。TiN層39、Ru層38のエッチングにおいては、レジスマスクが存在しないため、蒸発したRuとレジストの反応などによる生成物の発生を大幅に低減することができる。その後酸化シリコン、BPSG等の層間絶縁膜42を形成して半導体装置を完成させる。
【0061】
なお、中間のTiN層39は省略することもできる。Ru層38の上に、直接TaO層41を形成してもよい。この場合にも、TaO層41のエッチング終了後、直ちにレジストマスクを除去することにより、エッチング生成物を大幅に低減することができる。なお、TiN層を用いる場合、TiN層はRu層38を覆う遮蔽膜としての役割の他、Ru層とその上に形成される絶縁層との間の接着層としての機能も果たし得る。接着層としての機能は、上述のようにTiN層以外の材料によって得ることもできる。
【0062】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【0063】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、製造工程中ウエットエッチングを行なっても、キャパシタ下方で意図せざるエッチングが生じることが防止される。
【0064】
シリンダ型キャパシタ下部電極の内面上に、外面上よりも厚いキャパシタ誘電体膜を形成することにより誘電破壊を効率的に防止できるキャパシタが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す半導体基板の断面図である。
【図2】 本発明の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す半導体基板の断面図である。
【図3】 本発明の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す半導体基板の断面図である。
【図4】 本発明の実施例の変形例による半導体装置の製造方法を示す半導体基板の断面図である。
【図5】 本発明の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す半導体基板の断面図である。
【図6】 本発明の実施例の変形例による半導体装置の製造方法を示す半導体基板の断面図である。
【図7】 本発明の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す半導体基板の断面図である。
【符号の説明】
11 半導体基板
12 シャロートレンチアイソレーション
13 絶縁ゲート電極
S/D ソース/ドレイン領域
15 下部多結晶シリコンプラグ
17 Wプラグ
14、16 層間絶縁膜
27 (W/TiN/Ti)ビット線
28 SiN層
29 SiNサイドウォールエッチストッパ
31、33 SiN層
32 SiO層
34 酸化シリコン層
SN 開口
36 下部電極
37 誘電体膜
37p 保護誘電体膜
37f キャパシタ誘電体膜
38 上部電極
39 TiN層
41 TaO膜
42 層間絶縁膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a rare metal layer and a semiconductor device having a rare metal layer.
[0002]
[Prior art]
In semiconductor integrated circuit devices, higher integration is increasingly required. In a semiconductor memory device using a capacitor, it is necessary to make the capacitor with a three-dimensional three-dimensional structure along with miniaturization of memory cells. A typical example of the three-dimensional structure is a cylinder type capacitor having a cup-shaped lower electrode. By using not only the inner surface of the cup-shaped lower electrode but also the outer surface as the capacitor electrode surface, the electrode area can be increased.
[0003]
A capacitor can be viewed as a combination of a lower electrode, a dielectric film, and an upper electrode. In the three-dimensional structure, the lower electrode has a three-dimensional structure, and a dielectric film and an upper electrode are formed on the surface. For example, a sacrificial film is used to produce a capacitor having a cylinder structure. An opening for forming a cylinder is formed in the sacrificial film, and a lower electrode is formed on the inner surface of the opening. In order to use the outer surface of the cylinder as the capacitor electrode surface, the sacrificial film outside the cylinder is removed after the cylinder-type lower electrode is formed. Thereafter, a dielectric film and an upper electrode are formed.
[0004]
There are various problems to be solved in order to form a fine capacitor structure having a three-dimensional structure with high reliability.
[0005]
In order to reduce the capacitor electrode area and ensure sufficient capacity, the capacitor dielectric film is made of a high dielectric material having a high dielectric constant, such as tantalum oxide (the stoichiometric composition is abbreviated as Ta 2 O 5 , TaO). )), It is desirable to form. Here, the high dielectric constant refers to a relative dielectric constant of about 20 or more.
[0006]
When the capacitor dielectric film is formed of a ferroelectric, a nonvolatile memory that can maintain a memory state even when the power supply is disconnected can be configured. Ferroelectric materials include strontium titanate (abbreviated as SrTiO 3 , STO), barium titanate strontium (abbreviated as Ba x Sr 1-x TiO 3 .BST), lead zirconate titanate (Pb 1- x Zr x TiO 3, abbreviated as PZT) or the like is used.
[0007]
These dielectrics are oxides, and it is desirable to perform heat treatment (annealing) in an oxidizing atmosphere containing oxygen after film formation. For this reason, it is desired that the lower electrode be formed of a metal having high oxidation resistance, a metal that maintains conductivity even when oxidized, or an oxide thereof. As such metals, rare metals such as Ru, Ir, and Pt have been studied. The rare metal is a concept including a noble metal.
[0008]
There are several problems when using rare metals as electrodes and wiring. Rare metals have poor adhesion to insulating films such as silicon oxide (abbreviated as SiO 2 and SiO) and silicon nitride (abbreviated as SiN x and SiN). The insulating film formed on the rare metal layer easily peels off. In order to enhance the adhesion between the insulating film and the rare metal layer, it has been studied to insert a metal or metal nitride adhesion layer between the rare metal layer and the insulating layer.
[0009]
However, when the metal nitride film is in direct contact with the oxide dielectric, it has the property of depriving the oxide dielectric of oxygen and degrading the dielectric properties of the oxide dielectric. Therefore, it is necessary to remove the adhesion layer in the region where the oxide dielectric film is formed on the rare metal layer.
[0010]
In a highly integrated memory device, the capacitor electrode is formed of an extremely thin rare metal layer. It is difficult to form an extremely thin rare metal layer without defects or pinholes.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in a semiconductor memory device, various problems to be solved have arisen as the structure is miniaturized.
[0012]
A first object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of preventing destruction and deterioration of other components when forming a cylinder type capacitor.
[0013]
A second object of the present invention is to provide a method for manufacturing a highly reliable semiconductor device suitable for miniaturization.
[0014]
A third object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device suitable for miniaturization.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention,
(A) forming a metal or metal compound plug in the first insulating layer disposed on the semiconductor substrate;
(A) forming a second insulating layer on the first insulating layer;
(C) forming an opening through the second insulating layer to expose the plug surface on the bottom surface;
(D) A metal or metal nitride adhesion layer is formed in a cylindrical shape on the inner surface of the opening, and further a rare metal electrode layer of any one of Ru, Ir, and Pt and a protective dielectric covering the inner surface of the electrode layer Forming a film, wherein the protective dielectric film is formed of a material having etching characteristics different from those of the first and second insulating layers and the metal or metal compound;
(E) removing the second insulating layer outside the cylinder by etching with the inner surface of the cylindrical electrode layer covered with the protective dielectric film ;
(F) After the step (e), with the inner surface of the cylindrical electrode layer covered with the protective dielectric film, the exposed adhesion layer is removed by wet etching;
Only contains, in the wet etching, the etching rate of the protective dielectric film manufacturing method of a semiconductor device, wherein the lower than the etching rate of the adhesion layer.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present inventors have found that when a cylindrical capacitor is made, the electrical contact between the lower electrode and the plug may be impaired. The upper part of the plug has disappeared and the connection with the lower electrode has been lost. As a cause of this, it was considered that the chemical solution penetrates the rare metal layer during wet etching.
[0017]
After the adhesion layer and the lower electrode layer are laminated on the sacrificial film having the opening formed to form the cylindrical lower electrode, the sacrificial film formation and the exposed adhesion layer are removed by wet etching. In this removal step, when the chemical solution permeates from the inside to the outside of the cylinder-type lower electrode, the plug disposed under the cylinder-type lower electrode is dissolved.
[0018]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0019]
As shown in FIG. 1A, a
[0020]
As shown in FIG. 1 (B), the insulated gate electrode is formed on the
[0021]
N-type impurities are ion-implanted using the
[0022]
Thereafter, a second
[0023]
As shown in FIG. 1C, after forming the insulating film 16-1, a required connection hole is formed to expose the surface of the bit line plug. Next, for example, a bit line layer composed of a Ti layer, a TiN layer, and a W layer is formed from below, and an SiN layer is formed on the surface thereof. A resist pattern is formed on the SiN layer, and the SiN layer, W layer, TiN layer, and Ti layer are patterned to form a pattern including the
[0024]
Further, an SiN layer is formed and anisotropic etching such as reactive ion etching (RIE) is performed to form an SiN
[0025]
In this way, the second
[0026]
A connection hole that penetrates through the second
[0027]
As shown in FIG. 1D, the substrate temperature is set to the SiN film formation temperature, and a mixed gas of ammonia gas and polychlorosilane such as dichlorosilane or polysilane is supplied to the surface of the second
[0028]
As shown in FIG. 2A, after the
[0029]
The etch stopper layer in the oxide film etching desirably has a selectivity ratio of 10 or more with respect to the oxide film etch rate. In addition to SiN, TaO, niobium oxide (abbreviated as NbO), or the like can be used. When TaO or NbO is used, the film thickness is preferably 10 nm or more. Further, it is possible to use titanium oxide (abbreviated as TiO), alumina or the like.
[0030]
A thick
[0031]
A resist layer is applied on the
[0032]
Using the resist pattern PR1 as an etching mask, the
[0033]
In the etching of silicon oxide, the SiN layer has an etch rate of about 1/10 or less, and even if the
[0034]
The resist pattern PR1 is preferably removed by ashing during the period after the etching of the
[0035]
As shown in FIG. 2B, a TiN layer having a thickness of, for example, 5 nm to 20 nm is formed by CVD in the capacitor opening SN thus formed as an adhesion layer. The CVD of the TiN layer is performed at a film forming temperature of 530 ° C. or higher using, for example, TiCl 4 and NH 3 as source gases. By setting the film forming temperature to 530 ° C. or higher, the chlorine concentration remaining in the film can be set to 3 atm% or lower.
[0036]
The adhesion layer is a layer for firmly supporting the lower electrode formed of a rare metal or the like for the pedestal lamination and sacrificial film formation, and a metal such as Ti or Ta, or a metal nitride such as WN, TiN, or TaN is used. it can.
[0037]
On the
[0038]
Rare metals are not only difficult to oxidize, but also retain electrical conductivity when oxidized. Therefore, the electrode performance is maintained even when annealing is performed in an oxidizing atmosphere. A rare metal oxide may be used instead of the rare metal. This is because the
[0039]
After the
[0040]
The
[0041]
In this way, after filling the opening with the filling, CMP is performed to remove the filling SF, the
[0042]
FIG. 3A shows the structure of the substrate after CMP. The
[0043]
As shown in FIG. 3B, the filling SF in the
[0044]
The etching of the
[0045]
In the above-described embodiment, a TiN layer as an adhesion layer is used between the rare metal layer of the lower electrode and the insulating layer serving as a base. The adhesion layer is not always essential. The cylindrical lower electrode may be formed by omitting the adhesion layer.
[0046]
FIG. 4 shows a configuration in which the adhesion layer is omitted. A rare metal
[0047]
For example, as shown in FIG. 4, it is assumed that a displacement occurs, and the position of the cylinder-type
[0048]
As shown in FIG. 5A, the
[0049]
Also in this wet etching of the TiN layer, since the
[0050]
As shown in FIG. 5B, a TaO
[0051]
FIG. 6A shows an enlarged dielectric layer on the surface of the
[0052]
Returning to FIG. 5B, the
[0053]
The
[0054]
As the capacitor dielectric film, in addition to the TaO film, an NbO film, a TiO film, a WO film, an alumina film, an STO film, a BST film, a PZT film, or a combination thereof can also be used.
[0055]
Note that the
[0056]
FIG. 6B shows a state in which the
[0057]
As shown in FIG. 7A, after the
[0058]
After the Ru upper electrode is formed, the TiN layer is physically deposited. A
[0059]
As shown in FIG. 7B, the
[0060]
Then a
[0061]
The
[0062]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to prevent unintended etching from occurring under the capacitor even when wet etching is performed during the manufacturing process.
[0064]
A capacitor capable of efficiently preventing dielectric breakdown is provided by forming a capacitor dielectric film thicker than the outer surface on the inner surface of the cylinder type capacitor lower electrode.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing main steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing the main steps of a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing the main steps of a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a modification of the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing the main steps of a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a modification of the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing the main steps of a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Claims (4)
(イ)前記第1の絶縁層上に、第2の絶縁層を形成する工程と、
(ウ)前記第2の絶縁層を貫通して、底面に前記プラグ表面を露出する開口を形成する工程と、
(エ)前記開口内面上に、シリンダ状に、金属または金属窒化物の密着層を形成し、さらにRu,Ir,Ptのいずれかであるレアメタルの電極層と前記電極層内面を覆う保護誘電体膜とを形成する工程であって、前記保護誘電体膜は前記第1および第2の絶縁層および前記金属または金属化合物とエッチング特性の異なる材料で形成される工程と、
(オ)前記シリンダ状の電極層の内面を前記保護誘電体膜で覆った状態で、前記シリンダ外の前記第2の絶縁層をエッチングにより除去する工程と、
(カ)前記工程(オ)の後、前記シリンダ状の電極層の内面を前記保護誘電体膜で覆った状態で、露出した前記密着層をウエットエッチングで除去する工程と、
を含み、前記ウエットエッチングにおいて、前記保護誘電体膜のエッチングレートは前記密着層のエッチングレートより低いことを特徴とする半導体装置の製造方法。(A) forming a metal or metal compound plug in the first insulating layer disposed on the semiconductor substrate;
(A) forming a second insulating layer on the first insulating layer;
(C) forming an opening through the second insulating layer to expose the plug surface on the bottom surface;
(D) A metal or metal nitride adhesion layer is formed in a cylindrical shape on the inner surface of the opening, and further a rare metal electrode layer of any one of Ru, Ir, and Pt and a protective dielectric covering the inner surface of the electrode layer Forming a film, wherein the protective dielectric film is formed of a material having etching characteristics different from those of the first and second insulating layers and the metal or metal compound;
(E) removing the second insulating layer outside the cylinder by etching with the inner surface of the cylindrical electrode layer covered with the protective dielectric film ;
(F) After the step (e), with the inner surface of the cylindrical electrode layer covered with the protective dielectric film, the exposed adhesion layer is removed by wet etching;
Unrealized, the in the wet etching, the etching rate of the protective dielectric film manufacturing method of a semiconductor device, wherein the lower than the etching rate of the adhesion layer.
前記工程(ウ)は、前記第2の絶縁層と前記台座用積層とをエッチングして前記開口を形成し、
前記工程(オ)は、前記第2のエッチストッパ層をエッチストッパとして、前記シリンダ外の前記第2の絶縁層をウエットエッチングする請求項1記載の半導体装置の製造方法。Further, ( g ) A pedestal stack including a first etch stopper layer, an intermediate layer, and a second etch stopper layer is formed on the first insulating layer between the steps (a) and (b). Including steps,
In the step (c), the opening is formed by etching the second insulating layer and the pedestal stack,
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step (e), the second insulating layer outside the cylinder is wet-etched using the second etch stopper layer as an etch stopper.
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