JP6748512B2 - 半導体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、エッチングストップ層と被エッチング層との積層構造を有する半導体デバイスに関する。

大容量の半導体メモリとして、メモリセルを縦方向に積層してなる３Ｄ（３次元）−ＮＡＮＤフラッシュメモリが注目されている。３Ｄ−ＮＡＮＤフラッシュメモリの製造工程の中には、酸化アルミニウム膜や酸化タンタル膜で構成されるエッチングストップ層を形成する工程と、エッチングストップ層表面に、メモリセルを構成するポリシリコン層や酸化シリコン層などを積層する工程とがある。そして、これら積層されたものを被エッチング層とし、被エッチング層を縦方向にドライエッチングして配線形成用のホールが形成される。

ここで、被エッチング層をドライエッチングする場合、エッチングストップ層までドライエッチングが進行したとき、これを可及的に検出して被エッチング層のドライエッチングを停止する必要がある。従来、エッチングストップ層がドライエッチングされたときに生じる反応生成物でプラズマの発光強度が変化することを捉え、エッチングの終点を検知することが例えば特許文献１で知られている。

ところで、近年、メモリセルの更なる多層化が検討されており、これに伴い、エッチングストップ層の厚みも薄くすることも要求されている。然し、上記従来例の方法では、メモリセルが更に多層化され、被エッチング層に形成すべきホールのアスペクト比が大きくなると、反応生成物でプラズマの発光強度が変化するまでの時間がかかる。このため、エッチングストップ層の厚みが薄いと、プラズマの発光強度が変化したときにはエッチングストップ層までエッチングされるという不具合がある。

特開２０１２−２３８７３４号公報

本発明は、以上の点に鑑み、被エッチング層をドライエッチングするときにプラズマの発光強度の変化を容易に捉えることが可能なエッチングストップ層を持つ半導体デバイスを提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、エッチングストップ層と被エッチング層との積層構造を有する本発明の半導体デバイスは、前記エッチングストップ層が、Ｂを含む酸化アルミニウム膜であることを特徴とする。

本発明によれば、エッチングストップ層が、Ｂを含むため、被エッチング層をドライエッチングする際、エッチングストップ層までドライエッチングが進行したとき、プラズマが強く発光する。このため、プラズマの発光強度の変化を容易に捉えることができ、被エッチング層のドライエッチングの終点を可及的速やかに検知することができ、エッチングストップ層がエッチングされることを防止できる。尚、本発明は、例えば、ドライエッチングにより被エッチング層にアスペクト比の大きいホールが形成されるものに、好適に適用することができる。

本発明は、前記被エッチング層が、ポリシリコン層とシリコンを含む絶縁層とが３２層以上積層されたものである場合に適用することがより好ましい。

本発明の実施形態の半導体デバイスの構成を模式的に説明する断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、図１に示す半導体デバイスの製造方法を説明する模式図。 図１に示す半導体デバイスのエッチングストップ層を形成できるスパッタリング装置の構成を模式的に説明する図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の半導体デバイスについて、エッチングストップ層と被エッチング層との積層構造を持つものを例に説明する。

図１に示すように、本実施形態の半導体デバイスＳＤは、基板Ｓと、基板Ｓ上に形成されたエッチングストップ層Ｌｓと、エッチングストップ層Ｌｓ上に形成された被エッチング層Ｌｅとを有する。

基板Ｓとしては、半導体デバイスＳＤの種類に応じて、シリコン基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板等から適宜選択して用いることができる。エッチングストップ層Ｌｓとしては、Ｍｇ又はＢを含む酸化アルミニウム膜を用いることができ、特に、ＭｇＡｌｘＯｙ膜を用いることができる。被エッチング層Ｌｅは、例えば、ポリシリコン層やシリコンを含む絶縁層が多数（例えば、３２層以上）積層されたものである。シリコンを含む絶縁層としては、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜や酸窒化シリコン膜を用いることができる。

次に、図２を参照して、上記半導体デバイスＳＤの製造方法について説明する。先ず、図２（ａ）に示すように、基板Ｓ上に、エッチングストップ層Ｌｓを形成する。

ここで、エッチングストップ層Ｌｓは、図３に示すスパッタリング装置ＳＭを用いて形成することができる。スパッタリング装置ＳＭは、処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の側壁には排気管１０を介して真空ポンプＰが接続され、真空チャンバ１内を所定圧力（例えば１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きできるようにしている。また、真空チャンバ１の側壁にはガス管１１が接続され、ガス管１１は２つのガス管１１ａ，１１ｂに分岐されている。ガス管１１ａにはマスフローコントローラ１２ａが介設され、アルゴンガス等の希ガスのガス源１３ａに連通し、また、ガス管１１ｂにはマスフローコントローラ１２ｂが介設され、酸素ガス等の酸素含有の反応ガスのガス源１３ｂに連通している。これにより、希ガスと反応ガスとの混合ガスからなるスパッタガスを処理室１ａ内に所定流量で導入できるようになっている。

真空チャンバ１の底部には、ステージ２が配置され、ステージ２には図示省略する静電チャックが設けられ、基板Ｓがその成膜面を上側にして位置決め保持されるようにしている。ステージ２には、図示省略の冷媒用通路が設けられ、この冷媒用通路に冷媒を循環させることで、スパッタリング中、ステージ２ひいては基板Ｓを冷却できるようになっている。真空チャンバ１の天井部には、ターゲットアッセンブリ３が設けられている。ターゲットアッセンブリ３は、エッチングストップ層Ｌｓの組成に応じて適宜選択される材料製（例えば、ＭｇＡｌｘ製）のターゲット３１と、ターゲット３１のスパッタ面３１ａと背向する面（上面）に図示省略のインジウムやスズ等のボンディング材を介して接合される例えばＣｕ製のバッキングプレート３２とを備える。バッキングプレート３２には図示省略の冷媒用通路が形成され、この冷媒用通路に冷媒を循環させることで、スパッタリング中、ターゲット３１を冷却出来るようになっている。ターゲット３１には、スパッタ電源Ｅとしての公知の構造を有する高周波電源、直流電源やパルス電源等からの出力が接続され、スパッタリング中、負の電位を持つ電力が投入される。バッキングプレート３２の上方には、ターゲット３１のスパッタ面３１ａの下方空間に磁場を発生させる公知構造を有する磁石ユニット４が配置され、ターゲット３１からのスパッタ粒子を効率よくイオン化できるようにしている。

上記エッチングストップ層ＬｓとしてＭｇＡｌｘＯｙ膜を形成する場合を例に説明すると、ＭｇＡｌｘ製のターゲット３１が配置された真空チャンバ１内（処理室１ａ）を所定の真空度（例えば、１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きし、図外の搬送ロボットにより真空チャンバ１内に基板Ｓを搬送し、ステージ２上に基板Ｓを位置決め保持する。次いで、マスフローコントローラ１２ａ，１２ｂを制御し、アルゴンガス及び反応ガスを所定流量で導入すると共に（このとき、処理室１ａの圧力が０．０１〜３０Ｐａの範囲となる）、スパッタ電源Ｅからターゲット３１に直流電力を例えば１ｋＷ〜１０ｋＷ投入し、真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット３１から飛散したスパッタ粒子と酸素との反応物が基板Ｓ表面に付着、堆積してＭｇＡｌｘＯｙ膜が成膜される。

次に、エッチングストップ層Ｌｓ上に被エッチング層Ｌｅとして、ポリシリコン膜やシリコン酸化膜等を多層（例えば、３２層以上）形成する。これらポリシリコン膜やシリコン酸化膜は、スパッタリング法やＣＶＤ法等の公知の方法を用いて形成することができるため、ここでは、詳細な説明を省略する。図３に示すスパッタリング装置を用いる場合、ターゲット３１としてシリコン製のものを用いればよい。

最後に、被エッチング層Ｌｅ上に、公知の方法を用いてマスク層Ｌｍとしてレジストパターンを形成すると、図２（ａ）に示す構造が得られる。

次に、図２（ｂ）に示すように、被エッチング層Ｌｅを縦方向にドライエッチングして、被エッチング層Ｌｅに配線用のホールｈを形成する。尚、後述するように、ドライエッチングを行う前に通例基板ＳにはＡｌを含む層（図示省略）が既に形成されている。

ここで、ドライエッチングがエッチングストップ層Ｌｓまで進行すると、Ｍｇがプラズマに放出されるため、プラズマの発光強度の変化を容易に捉えることができる。このため、被エッチング層Ｌｅのドライエッチングの終点を容易に検知することができ、エッチングストップ層Ｌｓがエッチングされることを可及的に抑制することができる。尚、ドライエッチングの条件については、公知のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

これに比して、エッチングストップ層として従来のように酸化アルミニウム膜を形成した場合、ドライエッチングがエッチングストップ層まで進行するとＡｌがプラズマに放出され、プラズマの発光強度の変化を捉える。しかし、ドライエッチングを行う前に通例基板にはＡｌを含む層が既に形成されているため、ドライエッチングがエッチングストップ層まで進行した瞬間の急峻な変化を捉えることができない。また、ＭｇやＢに代えて他の元素を検出マーカーとして酸化アルミニウム膜に含ませることも考えられるが、この場合エッチングストップ層の性能低下を招く虞がある。それに対して、本発明の如くＭｇやＢを含ませる場合は、エッチングストップ層の性能を低下させることなく、プラズマの発光強度の変化を容易に捉えることができる程度の量を含ませることができる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、エッチングストップ層Ｌｓをウェットエッチングする。そして、マスク層Ｌｍをアッシングにより除去すると、図２（ｄ）に示す半導体デバイスＳＤが得られる。尚、必要に応じて、ホールｈ内に導電膜が成膜される。また、ウェットエッチングやアッシングの条件については、公知のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

以上の実施形態によれば、エッチングストップ層Ｌｓが、Ｍｇ又はＢを含むため、被エッチング層Ｌｅをドライエッチングする際、被エッチング層Ｌｅ直下のエッチングストップ層Ｌｓまでドライエッチングが進行したとき、プラズマが強く発光する。このため、プラズマの発光強度の変化を容易に捉えることができ、被エッチング層Ｌｅのドライエッチングの終点を可及的速やかに検知できるため、エッチングストップ層がエッチングされることを防止できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、被エッチング層Ｌｅをドライエッチングして高アスペクト比のホールｈを形成する場合を例に説明したが、トレンチを形成する場合にも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、被エッチングＬｅをポリシリコン膜とシリコン酸化膜を交互に複数積層したものを例に説明したが、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜等を積層したものに対しても、本発明を適用することができる。

Ｌｓ…エッチングストップ層、Ｌｅ…被エッチング層、Ｓ…基板（処理対象物）、ＳＤ…半導体デバイス、１…真空チャンバ、３１…ターゲット。

Claims (2)

1. エッチングストップ層と被エッチング層との積層構造を有する半導体デバイスであって、
   前記エッチングストップ層は、Ｂを含む酸化アルミニウム膜であることを特徴とする半導体デバイス。
2. 請求項１記載の半導体デバイスであって、前記被エッチング層は、ポリシリコン層とシリコンを含む絶縁層とが３２層以上積層されたものであることを特徴とする半導体デバイス。

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