JP6577490B2 - 半導体メモリ素子内に金属キャップを形成する方法 - Google Patents

半導体メモリ素子内に金属キャップを形成する方法 Download PDF

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Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、２０１４年５月２１日に出願されたアメリカ合衆国優先権出願ＵＳ14/283539の利益を主張し、その全ての内容を参照によって援用する。
本開示の所定の形態は、半導体素子の形成に関する。より具体的には、本開示の形態は、半導体メモリ素子内に金属キャップを形成する方法に関する。
最近、不揮発性メモリチップの記憶容量および消費電力に対する要求が急速に進んできている。小型および高速の半導体素子の開発も、同様のペースで進行している。可変抵抗メモリ素子はより頻繁に用いられており、フラッシュメモリ素子に置き換わっている。可変抵抗メモリ素子は、記憶素子として抵抗が変化する素子を用いている。この可変抵抗メモリ素子は、これに限定されないが、ＲｅＲＡＭ（Resistive RAM），ＣＢＲＡＭ（Conductive Bridging Random Access Memory）相変化ＲＡＭ（ＰＣＲＡＭ：Phase change RAM）などを含んでいる。典型的な抵抗メモリ素子では、ＣＶＤ，ＰＶＤまたはメッキなどの従来の方法を使用してセル物質が基板上に設けられる。セル物質は均一であってもよく、あるいは、例えば、多層を構成するなど非均一であってもよい。下部電極を含む基板は、均一であってもよく、あるいは、例えば、金属コンタクトと絶縁体との組み合わせなど非均一であってもよい。導電性の金属層がセル物質上に設けられ、上部電極として機能する。一般的に、上部電極に所定の電圧がかけられたとき、セル物質の抵抗は、例えば高抵抗状態から低抵抗状態に変化する。
しかしながら、このようなメモリセル構造をフォトレジストマスキングおよびプラズマエッチングを用いて形成することは困難である。セル材料は複雑になりやすく、例えば多数の遷移金属元素からなるかもしれない。そして、これらの高度なセル物質は商業的に使用可能なドライエッチング法では容易にパターン化できない。よって、ダマシンプロセスが、一般的にセル構造を形成するために用いられる。ダマシンプロセスは、以下のように行う。基板上に厚い層（テンプレート層として機能する）を設け、これにセル物質を設けるための溝をパターン化して形成する。セル物質を厚く塗布すると、テンプレート層の溝がかなり過剰充填される。このテンプレート層上の余分なセル物質（過剰部という）は、ＣＭＰ（Chemical-mechanical planarization）を通じて除去され、テンプレート層が露出される。テンプレート層は、ウェットストリップまたはドライストリップなどの化学的な方法を通じて選択的に除去または掘削される。そして、分離されたセル構造が形成される。
しかしながら、掘削の間、セル物質の上部は、ドライ／ウェット化学反応に起因した酸化または腐食の影響を受け、あるいは損傷する。これが、上部電極の伝導性およびセル物質の特性を低下させる。
それゆえ、当該技術分野では、本発明の例示的な形態に係る、セル物質を劣化させることなく半導体メモリ素子を形成する方法が必要とされている。
実質的に、少なくとも１つの図面と関連させて示され、および／あるいは説明されているように、より十分には、請求の範囲に規定されているように、半導体メモリ素子に金属キャップを形成する方法が提供されている。
本開示のこれらの特徴および他の特徴と、利点とは、本開示の以下の詳細な説明を添付の図面とともに読むことにより認識され得る。図面では、全てにわたって同様の数字が同様の部分を指す。
図１は、本発明の例示的な形態に係る形成方法の第１工程を示している。 図２は、本発明の例示的な形態に係る形成方法の第２工程を示している。 図３は、本発明の例示的な形態に係る形成方法の第３工程を示している。 図４は、本発明の例示的な形態に係る形成方法の第４工程を示している。
所定の実施は、メモリセル構造内に選択的に形成された金属キャップに認められてもよい。一つの形態によれば、メモリセルはダマシンプロセスにより形成されてもよい。すなわち、以下のようになる。テンプレート層は、パターニングおよびエッチングされて溝が形成される。アクティブセル物質と第１の金属層が溝内に設けられ、構造が形成される。そして次に、溝内のこの構造がＣＭＰにより分離される。露出された第１の金属層の表面が洗浄され、第２の金属を含むキャップにより選択的に覆われる。第２の金属は、酸化および／または腐食に対してある程度の耐性を有している。テンプレート層は、掘削として知られるプラズマ酸化により、または化学溶解により、選択的に除去される。アクティブセル物質の上部の表面および上部電極は、テンプレート層除去の間、キャップ層により保護される。メモリセルは、ＲｅＲＡＭ（Resistive RAM），ＣＢ‐ＲＡＭ（conductive-bridge RAM）セル，相変化メモリ（ＰＣＲＡＭ）などであってもよい。
図１−４は、本発明の例示的な形態に係る、半導体メモリ素子１００における金属キャップの形成方法を示す。
図１は、素子１００の形成方法の第１工程を示している。ダマシンプロセスの結果は、図１に示した構造である。ここでは、基板１０２が、第１コンタクト１１２および第２コンタクト１１４（下部電極コンタクト−ＢＥＣ（bottom electrode contacts））を有している。当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、結果物である素子１００の使用法に応じて、基板１０２が１つのコンタクト、あるいは複数のコンタクトを有していてもよく、本発明が２つのコンタクトのみを有する素子１００に限定されないことは理解できるであろう。金属コンタクト１１２，１１４は導電性であり、下部電極として機能する。そして、金属コンタクト１１２，１１４は酸化シリコン，窒化シリコンなどの絶縁物質を含む基板層１０２を貫通して形成されている。絶縁層１０２は、アクティブ半導体ベース物質（図１には示していないが、当該技術分野の通常の知識を有するものにはよく知られている。）から、アクティブセル物質１０８を分離する。アクティブ半導体ベース物質は、例えばゲート端子などのトランジスタの端子であってもよい。いくつかの態様では、そのようなトランジスタは、電子信号を増幅またはスイッチングするためのＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）である。テンプレート層１０４は、基板１０２上に存在している。ダマシンプロセスの間に、テンプレート層１０４内に、溝１０５が形成される。セル物質１０８は、溝１０５上に設けられ、溝１０５を覆う。第１の金属層１１０は、セル物質１０８上に、溝１０５を埋めるように形成されている。第１の金属層１１０は、上部金属を形成するためのものである。いくつかの態様では、低抵抗なセル金属線とするために、第１の金属層１１０として銅が選択される。他の態様では、金属層１１０は、Ｃｕ，Ａｕ，Ｔａ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｗ，Ｔｉ，Ｐｏｌｙなどであってもよい。テンプレート層１０４は、カーボン，ポリシリコン，酸化シリコンなどから構成されていてもよい。
図２は、本発明の例示的な形態に係る形成工程の第２工程を示している。第１の金属層１１０の大部分とセル物質１０８の一部を除去するため、ＣＭＰ（Chemical-mechanical planarization）がなされる。平坦化された第１の金属層１１０とセル物質１０８とはセル構造２０２を形成する。セル構造２０２は、テンプレート層１０４の面よりもへこんでいる。一つの態様によれば、ＣＭＰ工程は、コロイダルシリカ，フュームドシリカまたはコロイダルアルミナなどの従来のＣＭＰ研磨剤を用いる。第１の金属層１１０とセル物質１０８とは、ＣＭＰの間の機械的動作および／または化学修飾により除去される。ＣＭＰによりテンプレート層１０４が露出されたとき、ウエハ面と研磨パッドとの間の摩擦が大きく変化するかもしれない。そして、摩擦に基づく終点工程制御方法が実現可能となる。同様に、ＣＭＰによりテンプレート層１０４が露出されたとき、ウエハ面の光学的な反射強度が大きく変化するかもしれない。そして、これにより、光学的な摩擦に基づく終点工程制御方法が実現可能となる。工程での形跡（摩擦の形跡、または光学的な反射の形跡など）の変化がみられた後、過剰研磨がなされている。過剰研磨により、セル物質１０８はテンプレート層１０４の面の下に後退し、凹部２００ができる。凹部２００の深さは、おおよそ、過剰研磨時間により決定される。過剰研磨はテンプレート層１０４の面を完全に露出もさせ、後の掘削工程で消費されるようにする。ＣＭＰの後、ウェットの洗浄工程がなされ、酸化された表面の金属が除去され、溝１０５内の第１の金属層１１０の新たな表面が露出される。この新たな表面は、図３で説明する後の工程で、凹部２００内にキャップ物質を選択的に設ける際に役立つ。いくつかの態様では、凹部２００内に設けられるキャップ物質はＷまたはＴｉである。このどちらも、銅（即ち、第１の金属層１１０）またはアクティブセル物質１０８よりも腐食に対する耐性が高い。セル構造２０２は、テンプレート層１０４が掘削された後にウエハにウェット洗浄がなされたとき、より安定になる。このウェット洗浄は、プラズマ掘削の間に生じた様々なポリマー残存物を除去するためのものである。いくつかの態様によれば、プラズマ系ドライエッチング法は、セル物質１０８を残したままテンプレート層１０４を選択的に除去する。いくつかの場合では、テンプレート層１０４が掘削された時に、高い活性の化学物質が生じるかもしれず、これにより、セル構造２０２の表面にわたって固体の副生成物が生じる。一つの態様によれば、これらの副生成物は、いくつかの酸性または塩基性の水溶液を用いたウェットの洗浄法により選択的に除去される。この工程は、一般的にポストエッチクリーン（post-etch clean）と呼ばれ、本技術分野の通常の知識を有する者によく知られている。銅は、この洗浄に対して影響を受けやすい。Ｗ，Ｔｉは、そのようなウェット洗浄に影響されない。
図３は、本発明の例示的な形態に係る形成工程の第３工程を示している。物質は、凹部２００内の第１の金属層１１０の新たな面上に、キャップ３００として選択的に設けられる。これは、セル構造２０２を保護するためであり、特に、テンプレート層１０４が選択的に除去されるときに引き起こされるかもしれないあらゆる化学反応から第１の金属層１１０を保護するためである。キャップ３００は凹部２００内のみに設けられ、テンプレート層１０４上には設けられていない。テンプレート層１０４は、キャップ３００の形成後もまだ露出されている。いくつかの態様では、キャップ３００は、Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏなどを用いて形成されていてもよい。キャップ３００は、第１の金属層１１０上にわたり、選択的に設けられることも可能かもしれない。一例として、一つの態様によれば、タングステン元素を選択的に設けるために、化学気相蒸着（chemical vapor deposition）が用いられる。この化学気相蒸着は、気体のＷＦ6およびＳｉＨ4を蒸着前駆体として用い、蒸着チャンバ内で行われる。気体のＷＦ6およびＳｉＨ4は、蒸着の間、チャンバ内に供給される。不活性および／または他の気体が蒸着の間、チャンバ内に供給されていてもよい。この態様では、蒸着の間、基板温度は約２５０℃から３５０℃であり、チャンバ圧力は約１ｍＴｏｒｒから１００ｍＴｏｒｒであり、チャンバへのＷＦ6の流量は約１０ｓｃｃｍから１，０００ｓｃｃｍであり、チャンバへのＳｉＨ4の流量は約５ｓｃｃｍから５０ｓｃｃｍである。例示的な不活性ガスの流量（例えばＡｒ）は、約０ｓｃｃｍから１，０００ｓｃｃｍである。これらの範囲が特別に要求される範囲ではなく、本発明の実施において他の範囲が使用されてもよいことを、当該技術分野における通常の知識を有する者は理解できるであろう。
ＷキャップまたはＴｉキャップは、ウェット洗浄の間の腐食に耐性を有し、ひいては、第１の金属層１１０（例えばＣｕ層）の腐食を防止する。いくつかの態様では、キャップ３００は、ＳｉＮ，ＳｉＯx，ｈｉｇｈ−ｋ絶縁物などの物質を用いた選択的な絶縁キャップである。ｈｉｇｈ−ｋ絶縁物は、例えば、ＨｆＯx，ＡｌＯx，ＺｒＯxなどである。例示的な形態によれば、選択的に金属を設ける、または選択的に絶縁物を設けることは、例えば、ＣＶＤ（Chemical vapor deposition），ＡＬＤ（atomic layer deposition），選択的な無電解メッキなどのうちの１つによりなされる。いくつかの態様では、キャップ３００は犠牲的であってもよい。即ち、テンプレート層１０４を掘削した後、キャップ３００はドライエッチング技術により選択的に除去されてもよい。
図４は、本発明の例示的な形態に係る形成工程の第４工程を示している。テンプレート層１０４は、ドライ工程またはウェット工程により選択的に除去される。例示的な形態によれば、テンプレート層１０４がカーボンであれば、掘削工程に酸素含有プラズマが用いられる。テンプレート層がポリシリコンであれば、掘削は、Ｆ含有プラズマドライエッチングを用いてなされてもよい。テンプレート層１０４が酸化シリコンからなる場合の他の形態では、掘削にＨＦ含有水溶液が用いられる。当該技術分野における通常の知識を有するものであれば、掘削工程を、テンプレート層１０４を形成するのに用いられている物質に適宜合わせればよいことは、理解できるであろう。第１の金属層１１０上にキャップ３００を形成することにより、掘削の間、セル構造２０２の金属層１１０の上面では酸化または腐食が防止される。そして、銅層が保護されていない場合の掘削工程と比べ、セル構造２０２の金属層１１０の上面が良好に維持される。しかしながら、図４の側壁膜４００として示したように、アクティブセル物質１０８の側壁の一部が酸化または化学修飾されるかもしれない。この側壁膜４００は、内部のセル構造１０８，１１０を外側の様々な化学反応から隔てるバリアとなる。本開示は、所定の形態を参照して説明してきたが、当該技術分野の通常の知識を有するものであれば、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形をなしてもよく、等価物への置き換えをしてもよいことは理解できるであろう。加えて、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、本開示の内容に対して、特定の状況または特定の材料を採用して、多くの変形例を作成してもよい。そして、本開示は、開示された特定の形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の要旨を逸脱しない範囲の全ての形態を含む。

Claims (14)

  1. テンプレート層の溝にセル構造を形成し、
    前記セル構造上に、選択的に物質を設けてキャップを形成し、酸化性または腐食性の環境下でのセル構造内の成分の劣化を防ぎ、
    前記キャップを形成した後、前記テンプレート層を選択的に除去する
    半導体メモリ素子の製造方法。
  2. 前記キャップの物質を選択的に設けることは、更に、
    化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical vapor deposition）、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic layer deposition）または堆積のための選択的無電解めっきのうちの１つを用いることを含む
    請求項１に記載の方法。
  3. 更に、ドライエッチ法を用いて前記キャップを除去することを含む
    請求項１に記載の方法。
  4. 更に、前記セル構造を形成する物質に対して化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical-mechanical planarization）を行った後に、前記選択的に設けることを行うことを含む
    請求項１に記載の方法。
  5. 前記セル構造は、低抵抗な上部電極およびアクティブセル物質を含む
    請求項４に記載の方法。
  6. 前記選択的なキャップは、Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏのうちの１つを用いて形成された金属キャップである
    請求項５に記載の方法。
  7. 更に、キャップを形成する物質を選択的に設ける前に、前記セル構造を形成するためにＣＭＰ（Chemical-mechanical planarization）工程を行うことを含む
    請求項５に記載の方法。
  8. 前記キャップは、Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏのうちの１つから形成された金属キャップである
    請求項７に記載の方法。
  9. 前記キャップは、ＳｉＮ，ＳｉＯX，ＨｆＯX，ＡｌＯXまたはＺｒＯXのうちの１つから形成された絶縁キャップである
    請求項７に記載の方法。
  10. ダマシンプロセスにより形成され、かつ、上部電極およびアクティブセル物質を含むとともに、前記アクティブセル物質の側壁の一部が酸化または化学修飾された側壁膜を有するセル構造と、
    前記セル構造上に、前記セル構造を劣化から保護するために形成されたキャップとを備えた
    素子。
  11. 前記キャップは選択的に形成されている
    請求項１０に記載の素子。
  12. メモリセルを構成し、
    前記メモリセルは、ＲｅＲＡＭ（resistive RAM）セル，ＣＢ‐ＲＡＭ（conductive-bridge RAM）セルまたは相変化メモリ（ＰＣＲＡＭ）セルである
    請求項１１に記載の素子。
  13. 前記キャップは、金属キャップまたは絶縁キャップである
    請求項１１に記載の素子。
  14. 前記金属キャップは、Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏのうちの１つを用いて形成されており、
    前記絶縁キャップは、ＳｉＮ，ＳｉＯXまたはｈｉｇｈ−ｋ絶縁物のうちの１つを用いて形成されている
    請求項１３に記載の素子。


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