JPWO2004093193A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
強誘電体メモリにおいても、他の半導体デバイスと同様に、セル面積の低減が必要とされている。強誘電体メモリの構造は、主としてプレーナ構造とスタック構造とに分類され、スタック構造の方がプレーナ構造よりもセル面積が小さくなる。スタック構造とは、セル毎に設けられた電界効果トランジスタのドレイン上に形成されたプラグの直上にキャパシタが形成された構造である。即ち、Wプラグの直上にバリアメタル膜、下部電極、強誘電体膜及び上部電極が順次堆積されている。
バリアメタル膜は、上層からWプラグへの酸素の拡散を抑制する役割を担っている。バリアメタル膜の材料としては、TiN、Ir、IrO2、Pt及びSRO(SrRuO3)の組み合わせが用いられている。但し、バリアメタル膜の材料には、そのまま下部電極としても機能しうるものが多く用いられるため、バリアメタル膜と下部電極とを明確に区別することはできない。バリアメタル膜と下部電極膜とを合わせた構造としては、Ir膜、IrO2膜、Pt膜、PtO膜及びPt膜が順次積層されたものがある。
デバイスの微細化の要求に応えるためには、キャパシタを構成する各膜の側面に傾斜をつけずに、垂直に近い形状でエッチングすることが好ましい。このようなエッチングの方法としては、各膜を一括してエッチング方法、上部電極膜及び強誘電体膜を一括してエッチングする方法がある。
一括エッチングを用いてスタック構造の強誘電体キャパシタを形成するためには、ハードマスクを用いたエッチングが必要である。これは、有機系のレジストマスクと強誘電体膜との選択性が低いからである。
一括エッチングで用いるハードマスクの材料としては、SiO2、SiN及びTiN等が広く用いられている。これらのうちでも、TiNは、ハロゲンに酸素が添加されたガスを用いたエッチングにおいて、ほとんどエッチングされないため、強誘電体キャパシタを形成する際のエッチング用マスク材料として適している。
しかしながら、ハロゲンに酸素が添加されたガスを用いたエッチングでは、強誘電体膜のエッチング時に著しくエッチングレートが低下してしまう。このため、強誘電体膜のエッチング時に上記のようなガスを用いることはスループットの面で好ましくない。
これに対し、TiN膜上にSiO2膜が形成された積層構造のハードマスクを形成し、強誘電体膜をエッチングするまでのマスクとしてSiO2膜を用い、下部電極膜のエッチングではTiN膜をマスクとして用いれば、スループットが良好になる。
なお、強誘電体キャパシタを構成する各膜を堆積した後には、コンタクトホール等の形成の際に用いた有機系レジストの残渣を除去するために、ウェハの背面(裏面)を洗浄する必要がある。
しかしながら、上述のような積層構造のハードマスクを用いた一括エッチングを行う場合、スループットは良好になるものの、TEOS(テトラ・エチル・オルソ・シリケート)を形成する時に、ウェハの全面にわたって上部電極膜とハードマスクとの間で剥がれが生じたり、ウェハの縁部において下部電極膜及びバリアメタル膜内で剥がれが生じたりすることがある。
また、一括エッチングする時やハードマスクを除去する時、キャパシタの飛びが発生することもある。即ち、キャパシタを構成する上部電極、キャパシタ誘電体膜等が剥離して完全になくなってしまうことがある。
一方、特開2001−135798号公報には、金属配線を形成した後の熱処理によって強誘電体キャパシタの特性が劣化することを抑制するために、上部電極と接する配線層に金属シリサイド層が用いられた構造が開示されている。この構造では、上部電極として、IrOx膜及びIr膜の積層体が用いられている。また、キャパシタ素子の製造に当たっては、上部電極膜に対してリソグラフィー法(レジストマスク)及びドライエッチング法を用いてパターニングを行い、その後に、強誘電体膜及び下部電極膜に対してリソグラフィー法及びドライエッチング法を用いてパターニングを行っている。
しかしながら、この従来の製造方法では、上部電極膜、強誘電体膜及び下部電極膜の一括エッチングを行っておらず、一括エッチングを行うのであれば、ハードマスクが必要となる。このため、上述のような剥がれの問題を解決することはできない。
本願発明者が従来の製造方法で剥がれが生じる原因を調査したところ、ウェハの背面(裏面)を洗浄した後にも、上部電極膜上に炭素が残留しており、この炭素が原因となって、ウェハの中央部において上部電極膜とハードマスクとの間で剥がれが生じていることを見出した。また、本願発明者は、ウェハの縁部では、PtOx膜とIrOx膜とが直接接する部分が存在し、製造途中でこの部分に比較的大きな応力が作用すると、この部分から剥がれが生じていることも見出した。
例えば、本願発明者は、背面洗浄を行った2種類のウェハに対してTDS(昇温脱離ガス分光法:Thermal Desertion Spectroscopy)による分析を行った。このとき、一方のウェハに対しては、背面洗浄後に200℃の酸素雰囲気中で30秒間のアッシング処理を行ってから分析を行い、他方のウェハについては上記のアッシング処理を行わずに分析を行った。分析の結果を図1A及び図1Bに示す。図1Aは、分子量が28の物質(CO及びC2H2等)についての分析結果を示すグラフであり、図1Bは、分子量が44の物質(CO2等)についての分析結果を示すグラフである。図1A及び図1B中の◆はアッシング処理を行ったウェハについての結果を示し、■はアッシング処理を行わなかったウェハについての結果を示す。
アッシング処理を行わなかったウェハでは、図1A及び図1Bに示すように、350℃付近に炭素を含有するガスの脱出ピークが明確に現れた。これに対し、アッシング処理を行ったウェハでは、図1A及び図1Bに示すように、炭素を含有するガスの脱出ピークがほとんど現れなかった。これらの事実は、背面洗浄を行った後にも、ウェハの表面に炭素が残留していることを意味している。
また、本願発明者は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてウェハの周辺部の断面の観察を行った。図2A及び図2Bは、ウェハの周辺部の断面を示すSEM写真の図である。下部電極及びキャパシタ誘電体膜においては、IrOx膜とPtO膜との界面で剥がれが生じていた。また、上部電極及びハードマスクにおいては、上部電極であるIrOx膜とハードマスクを構成するTiN膜との界面で剥がれが生じていた。
図2A及び図2Bに示すように、熱酸化膜(SiO2膜)(FOX)上にIrOx膜(厚さ:200nm)を形成し、更にその上にハードマスクとしてTiN膜及びTEOS膜を形成した場合には、周辺部において、熱酸化膜とIrOx膜との界面で剥離が生じた。これは、IrOx膜とTiN膜との密着性が低いだけでなく、周辺部でIrOx膜の厚さが40nm程度まで薄くなって比較的強い応力が作用したためでもあると考えられる。
本願発明は、このような実験結果及び認識に基づいてなされたものである。
本発明に係る半導体装置の製造方法では、半導体基板の上方に、強誘電体キャパシタのキャパシタ誘電体膜の原料膜として強誘電体膜を形成する。次に、前記強誘電体膜上に前記強誘電体キャパシタの上部電極の原料膜として上部電極膜を形成する。次いで、前記上部電極膜上に貴金属元素を含有するマスク密着膜を形成する。その後、前記マスク密着膜上にハードマスクを形成する。そして、前記ハードマスクを用いて前記上部電極膜及び前記強誘電体膜をエッチングする。
図2A及び図2Bは、ウェハの周辺部の断面を示すSEM写真の図である。
図3は、本発明の実施形態に係る方法によって製造する強誘電体メモリ(半導体装置)のメモリセルアレイの構成を示す回路図である。
図4A乃至図4Eは、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を示す断面図である。
図6は、スイッチング特性の検査の結果を示すグラフである。
図7は、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を示す断面図である。
このメモリセルアレイには、一の方向に延びる複数本のビット線3、並びにビット線3が延びる方向に対して垂直な方向に延びる複数本のワード線4及びプレート線5が設けられている。また、これらのビット線3、ワード線4及びプレート線5が構成する格子と整合するようにして、複数個の本実施形態に係る強誘電体メモリのメモリセルがアレイ状に配置されている。各メモリセルには、強誘電体キャパシタ1及びMOSトランジスタ2が設けられている。
MOSトランジスタ2のゲートはワード線4に接続されている。また、MOSトランジスタ2の一方のソース・ドレインはビット線3に接続され、他方のソース・ドレインは強誘電体キャパシタ1の一方の電極に接続されている。そして、強誘電体キャパシタ1の他方の電極がプレート線5に接続されている。なお、各ワード線4及びプレート線5は、それらが延びる方向と同一の方向に並ぶ複数個のMOSトランジスタ2により共有されている。同様に、各ビット線3は、それが延びる方向と同一の方向に並ぶ複数個のMOSトランジスタ2により共有されている。ワード線4及びプレート線5が延びる方向、ビット線3が延びる方向は、夫々行方向、列方向とよばれることがある。
このように構成された強誘電体メモリのメモリセルアレイでは、強誘電体キャパシタ1に設けられた強誘電体膜の分極状態に応じて、データが記憶される。
(第1の実施形態)
次に、本発明の第1の実施形態について説明する。図4A乃至図4Eは、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。但し、図4A乃至図4Eは、ビット線3が延びる方向に垂直な断面を示す。また、図4A乃至図4Eには、1本のビット線(図1中のビット線3に相当)を共有する2個のMOSトランジスタに相当する部分を図示する。
第1の実施形態では、先ず、図4Aに示すように、シリコン基板等の半導体基板11の表面にウェル12を形成する。次いで、半導体基板11の表面に、例えばSTI(shallow trench isolation)により素子分離領域13を形成する。続いて、ゲート絶縁膜14、ゲート電極15、キャップ膜16、サイドウォール17、ソース・ドレイン拡散層18及びシリサイド層19をウェル12の表面に形成することにより、スイッチング素子としてMOSトランジスタ20を形成する。このMOSトランジスタ20が、図3におけるMOSトランジスタ2に相当する。なお、各MOSトランジスタ20には、ソース及びドレイン用に2個のソース・ドレイン拡散層18を形成するが、その一方は、2個のMOSトランジスタ20間で共有させる。
次に、全面にシリコン酸窒化膜21を、MOSトランジスタ20を覆うようにして形成し、更に全面に層間絶縁膜としてSiO2膜22を形成し、CMP(化学機械的研磨)等によりSiO2膜22を平坦化する。シリコン酸窒化膜21は、SiO2膜22を形成する際のゲート絶縁膜14等の水素劣化を防止するために形成されている。その後、各シリサイド層19まで到達するコンタクトホールをSiO2膜22及びシリコン酸窒化膜21に形成することにより、プラグコンタクト部を開口する。そして、コンタクトホール内にグルー膜23を形成した後、例えばCVD法によりW膜を埋め込み、CMPを行って平坦化することにより、Wプラグ24を形成する。
続いて、図4Bに示すように、SiO2膜22上にIr膜25をスパッタリングにより形成する。このときの条件としては、例えば基板温度を500℃とし、成膜パワを1kWとし、Arガスの流量を100sccmとし、チャンバ内の圧力を0.35Paとし、成膜時間を176秒間とする。この結果、厚さが250nm程度のIr膜25が得られる。
次に、Ir膜25上にIrOx膜26をスパッタリングにより形成する。このときの条件としては、例えば、基板温度を50℃とし、成膜パワを1kWとし、Arガスの流量を60sccmとし、O2ガスの流量を60sccmとし、チャンバ内の圧力を0.37Paとし、成膜時間を10秒間とする。この結果、厚さが28nm程度のIrOx膜26が得られる。
次いで、IrOx膜26上にPt膜27をスパッタリングにより形成する。このときの条件としては、例えば、基板温度を350℃とし、成膜パワを1kWとし、Arガスの流量を100sccmとし、チャンバ内の圧力を0.38Paとし、成膜時間を8秒間とする。この結果、厚さが15nm程度のPt膜27が得られる。Pt膜27の形成では、Pt膜27と半導体基板(シリコン基板)11とが直接接して反応することを防止するために、クランプリングを用いる。このため、半導体基板11の縁部においては、Pt膜27が形成されない部分が存在する。
その後、Pt膜27上にPtOx膜28をスパッタリングにより形成する。このときの条件としては、例えば、基板温度を350℃とし、成膜パワを1kWとし、Arガスの流量を36sccmとし、O2ガスの流量を144sccmとし、チャンバ内の圧力を6.2Paとし、成膜時間を22秒間とする。この結果、厚さが25nm程度のPtOx膜28が形成される。なお、半導体基板11の縁部においては、Pt膜27が形成されない部分が存在するが、この部分では、IrOx膜26上にPtOx膜28が形成される。
そして、PtOx膜28上にPt膜29をスパッタリングにより形成する。このときの条件としては、例えば基板温度を100℃とし、成膜パワを1kWとし、Arガスの流量を100sccmとし、チャンバ内の圧力を0.4Paとし、成膜時間を32秒間とする。この結果、厚さが50nm程度のPt膜29が形成される。
これらのIr膜25、IrOx膜26、Pt膜27、PtOx膜28及びPt膜29からバリアメタル膜及び下部電極膜が構成される。
なお、Ir膜25及びIrOx膜26は互いに同一のチャンバを用いて形成することができ、Pt膜27、PtOx膜28及びPt膜29は互いに同一のチャンバを用いて形成することができる。
次に、これらの膜に対して、例えば750℃でAr雰囲気中の急速加熱処理を60秒間施すことにより、Pt膜27及び29の結晶化を行う。
次いで、図4Cに示すように、Pt膜29上にPLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O3)膜30をスパッタリングにより形成し、その結晶化アニールを行う。PLZT膜は、例えばMOCVD法により形成することもできるが、MOCVD法を用いる場合には、下部電極の構成を変更することが望ましい。
その後、PLZT膜30上に上部電極膜31をスパッタリングにより形成する。上部電極膜31は、例えば互いに組成の異なる2層のIrOx膜から構成する。1層目のIrOx膜の形成では、例えば基板温度を室温とし、成膜パワを2kWとし、Arガスの流量を100sccmとし、O2ガスの流量を59sccmとする。そして、1層目のIrOx膜は、例えば50nm程度とする。1層目のIrOx膜を形成した後には、アニールを行い、その後、2層目のIrOx膜を形成する。2層目のIrOx膜は、例えば75乃至125nm程度とする。
続いて、半導体基板(ウェハ)11の背面(裏面)の洗浄を行う。
そして、上部電極膜31上にIr密着膜(マスク密着膜)32をスパッタリングにより形成する。このときの条件としては、例えば基板温度を400℃以上とし、Arガスの流量を100sccmとし、成膜パワを1kWとし、成膜時間を7秒間とする。この結果、厚さが10nm程度のIr密着膜32が形成される。また、Ir密着膜32の形成に当たっては、半導体基板11を400℃に設定されたウェハステージ上に30秒間保持した後、成膜を開始する。これは、基板温度を安定させるためである。
Ir密着膜32を形成した後、図4Dに示すように、上部電極膜31、PLZT膜30、Pt膜29、PtOx膜28、Pt膜27、IrOx膜26及びIr膜25をパターニングする際にハードマスクとして用いるTiN膜33及びTEOS膜34を順次形成する。TiN膜33は、例えば200℃で形成し、その厚さは200nm程度である。また、TEOS膜34は、例えば390℃で形成し、その厚さは390nm程度である。
次に、TEOS膜34及びTiN膜33をパターニングすることにより、スタック型の強誘電体キャパシタを形成する予定の領域のみにハードマスクを形成する。
次いで、図4Eに示すように、TEOS膜34及びTiN膜33をハードマスクとして用いたパターニング及びエッチング技術を用いて、上部電極膜31、PLZT膜30、Pt膜29、PtOx膜28、Pt膜27、IrOx膜26及びIr膜25を一括して加工することにより、スタック構造の強誘電体キャパシタを形成する。この強誘電体キャパシタが、図3における強誘電体キャパシタ1に相当する。
その後、ハードマスク(TEOS膜34及びTiN膜33)を除去する。続いて、成膜やエッチングプロセス等によるPLZT膜30へのダメージを回復するために、回復アニールを施す。
次に、強誘電体キャパシタをプロセスダメージから保護する保護膜として、全面にアルミナ膜35を形成する。次いで、層間絶縁膜36を全面に形成し、この層間絶縁膜36の平坦化をCMPにより行う。
その後、パターニング及びエッチング技術を用いてWプラグ24まで到達するコンタクトホールを層間絶縁膜36及びアルミナ膜35に形成する。続いて、このコンタクトホール内にグルー膜37を形成した後、W膜を埋め込み、CMPを行って平坦化することにより、Wプラグ38を形成する。
次に、全面にW酸化防止絶縁膜(図示せず)を形成する。W酸化防止絶縁膜としては、例えばSiON膜を用いる。そして、パターニング及びエッチング技術を用いて、W酸化防止絶縁膜及び層間絶縁膜36に、Ir密着膜32まで到達するコンタクトホールを形成する。続いて、エッチングによる損傷を回復させるためのアニールを施す。このアニールの後、W酸化防止絶縁膜をエッチバックにより除去する。
次に、下層のグルー膜39、配線材料膜40及び上層のグルー膜41を順次堆積する。
次いで、グルー膜40上に反射防止膜(図示せず)を形成し、レジスト膜(図示せず)を塗布する。その後、レジスト膜を配線パターンに整合するように加工し、加工後のレジスト膜をマスクとして、反射防止膜、グルー膜41、配線材料膜40及びグルー膜39をエッチングする。反射防止膜としては、例えばSiON膜を用いる。このようなエッチングにより、図4Eに示すように、所定の平面形状のグルー膜41、配線材料膜40及びグルー膜39からなる配線42が得られる。
その後、更に、層間絶縁膜43の形成、グルー膜44及びWプラグ45のコンタクトホールへの埋め込み及び下から第2層目以降の配線の形成等を行う。そして、例えばTEOS膜及びSiN膜からなるカバー膜を形成して強誘電体キャパシタを有する強誘電体メモリを完成させる。なお、上層配線の形成に際しては、Ir密着膜32を介して上部電極膜31に接続された配線42がプレート線に接続されるようにし、2個のMOSトランジスタ20により共有されたソース・ドレイン拡散層18に接続された配線42がビット線に接続されるようにする。ゲート電極15については、それ自体をワード線としてもよく、また、上層配線において、ゲート電極15がワード線に接続されるようにしてもよい。
このような第1の実施形態によれば、Ir密着膜32を形成するに当たって半導体基板11の温度を400℃以上に保持している間に、背面の洗浄後に上部電極膜31上に残留していた炭素がチャンバ内に放出される。このため、その後に形成されるTiN膜33とIr密着膜32との間の密着性が高くなり、TiN膜33の剥がれが生じにくくなる。
また、Ir密着膜32を形成する際には、Pt膜の形成で必要とされるクランプリングを用いる必要がないため、半導体基板11の全面にわたってIr密着膜32が形成される。更に、Ir密着膜32の成膜温度は400℃であり、この温度で成膜されたIr膜の内部応力は極めて低い。このため、既に形成されている各膜に作用する応力も低くなり、IrOx膜26とPtOx膜28とが直接接していても、これらの間で剥がれは生じない。
実際に、本願発明者が第1の実施形態と同様にしてハードマスクを形成したところ、良好な結果が得られた。ここで、その内容について説明する。また、第1の実施形態(実施例No.1)との比較のために、次の実施例No.2及びNo.3並びに比較例No.4及び5についても、実施例No.1と同様の評価を行った。
なお、実施例No.2では、背面洗浄を行った後に、200℃で2分間、酸素雰囲気中でアッシング処理を行い、その後、ハードマスク(TEOS膜/TiN膜)を形成した。
実施例No.3では、実施例No.2と同様にして、TiN膜を形成した後、半導体基板11の外縁から3mmのリング状の部分を切断により除去した。続いて、TEOS膜を形成した。
比較例No.4では、背面洗浄を行った後に、そのままハードマスクを形成した。従来の方法と同様の方法である。
比較例No.5では、背面洗浄を行った後に、TiN膜を形成し、高い成膜パワの下で成膜温度を340℃としてTEOS膜を形成した。
そして、これらの試料に対して半導体基板(ウェハ)の中央部における剥がれ及び縁部における剥がれの発生状況を評価した。この結果を表1に示す。表1中の分母は試験を行った半導体基板の数であり、分子は剥がれが生じた半導体基板の数である。
表1に示すように、実施例No.1〜3では、中央部における剥がれが全く生じなかった。但し、実施例No.2では、縁部における剥がれが生じた。また、実施例No.3では、剥がれが抑制されているものの、実施例No.1と比較すると工程数が増加してしまう。
これらに対し、比較例No.4及び5では、中央部及び縁部において剥がれが生じた。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図5は、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を示す断面図である。但し、図5は、ビット線3が延びる方向に垂直な断面を示す。
第2の実施形態では、先ず、図5に示すように、第1の実施形態と同様に、ウェル12の形成からWプラグ24の形成までの処理を行う。
次に、全面にIr膜を、例えば400nmの厚さで形成する。次いで、パターニング及びエッチング技術を用いてIr膜をパターニングすることにより、選択的に、強誘電体キャパシタの下部電極に接続されるWプラグ24上にバリアメタル膜51を形成する。
その後、Wプラグ24の酸化を防止すると共に、後の工程で形成する下部電極膜、強誘電体膜及び上部電極膜をエッチングする際のエッチングストッパとなるW酸化防止膜52を全面に形成し、その上に下部電極膜との密着性が高いキャパシタ密着膜53を形成する。W酸化防止膜52としては、例えば厚さが100nm程度のSiN膜又はSiON膜を形成する。キャパシタ密着膜53としては、例えば厚さが800nm程度のTEOS膜を形成する。
続いて、バリアメタル膜51をストッパとするCMPを行う。なお、キャパシタ密着膜53も、Wプラグ24の酸化の防止に寄与する。
そして、第1の実施形態と同様にして、Ir膜25の形成以降の処理を行って、強誘電体キャパシタを有する強誘電体メモリを完成させる。但し、本実施形態では、Ir膜25の下にバリアメタル膜51が形成されているので、Ir膜25の厚さは、第1の実施形態よりも薄く、例えば30nmとする。
このような第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果が得られると共に、バリアメタル膜51、W酸化防止膜52及びキャパシタ密着膜53の存在により、Wプラグ24の酸化がより生じにくくなる。
実際に、本願発明者が第2の実施形態と同様にしてハードマスクを形成したところ、良好な結果が得られた。ここで、その内容について説明する。また、第2の実施形態(実施例No.11)との比較のために、次の実施例No.12及び比較例No.13についても、実施例No.11と同様の評価を行った。
なお、実施例No.12では、背面洗浄を行った後に、200℃で2分間、酸素雰囲気中でアッシング処理を行い、その後、TiN膜を形成した。そして、実施例No.3と同様に、半導体基板11の外縁から3mmのリング状の部分を切断により除去した。続いて、TEOS膜を形成した。
比較例No.13では、背面洗浄を行った後に、比較例No.4と同様に、そのままハードマスクを形成した。従来の方法と同様の方法である。
そして、これらの試料に対して半導体基板(ウェハ)の中央部における剥がれ及び縁部における剥がれの発生状況を評価した。この結果を表2に示す。表2中の分母は試験を行った半導体基板の数であり、分子は剥がれが生じた半導体基板の数である。
表2に示すように、実施例No.11及び12では、中央部における剥がれが全く生じなかった。但し、実施例No.12では、剥がれが抑制されているものの、実施例No.11と比較すると工程数が増加してしまう。
これらに対し、比較例No.13では、中央部及び縁部において剥がれが生じた。
更に、実施例No.11及び12については、ハードマスクを用いた高温化でのエッチングを行った後、欠陥検査装置を用いた有効ショット内のキャパシタ飛びの検査、並びに光学顕微鏡を用いた有効ショット外のキャパシタ飛びの検査及びキャパシタ剥がれの検査を行った。この結果を表3に示す。表3中の分母は試験を行った半導体基板の数であり、分子は剥がれ又はキャパシタ飛びが生じた半導体基板の数である。ここで、キャパシタ飛びとは、キャパシタの上部電極又は強誘電体膜が完全に剥がれてなくなっていることをいう。また、キャパシタ剥がれの検査では、キャパシタを構成する膜のいずれかに部分的に生じた剥がれ(完全には剥がれていない。)の状況を観察した。更に、有効ショット外のキャパシタ飛びは、ハードマスクを構成するTiN膜を除去するためのウェット処理時に発生したものであり、キャパシタ剥がれはウェット処理前に発生したものである。また、有効ショット内とは、ウェハの中央部で所定の矩形の領域が確保された部分を示し、有効ショット外とは、ウェハの周辺部で所定の矩形の領域が確保されなかった部分を示す。なお、キャパシタ剥がれの検査対象は、平面視で一辺の長さが200μmのキャパシタである。
表3に示すように、実施例No.11では、いずれの検査によっても不良が発生しなかった。一方、実施例No.12では、ウェット処理前にキャパシタ剥がれた発生し、ウェット処理後に有効ショット外でのキャパシタ飛びが発生した。この結果から、Ir密着膜の形成が最も有効であることが判る。
更に、本願発明者は実施例No.11及びNo.12について、下から第1層目の配線が形成された状態で、キャパシタのスイッチング特性の検査としてスイッチング電荷量Qswの測定を行った。この測定では、スイッチング電圧を1.8V及び3.0Vとした。この結果を図6に示す。
図6に示すように、実施例No.11では実施例No.12よりも1μm/cm2程度高いスイッチング電荷量が得られた。このことから、Ir密着膜には触媒の副作用がないと考えられる。
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。第1及び第2の実施形態は、本発明をスタック構造の強誘電体キャパシタに適用したものであるが、第3の実施形態は、本発明をプレーナ構造の強誘電体キャパシタに適用したものである。
プレーナ構造の強誘電体キャパシタでも、キャパシタ面積の増大を抑制するために、上部電極膜及び強誘電体膜の一括エッチングを行っている。この一括エッチングでは、一般に、単層のTiN膜、SiON膜、SiN膜又はTEOS膜等がハードマスクとして使われている。このため、スタック構造の強誘電体キャパシタと同様に、ハードマスクを形成する時、一括エッチングを行った後、ハードマスクを除去する時等に、膜の剥がれやキャパシタの飛びが発生しやすい。
本実施形態は、このような課題を解決するものである。図7は、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を示す断面図である。但し、図7は、ビット線3が延びる方向に垂直な断面を示す。
第3の実施形態では、先ず、図7に示すように、第1の実施形態と同様に、ウェル12の形成からWプラグ24の形成までの処理を行う。
次に、全面に下部電極密着膜及びPt膜(図示せず)を順次形成する。下部電極密着膜及びPt膜(下部電極膜)は、例えばスパッタ法により形成する。下部電極密着膜は、例えば20℃で形成し、その厚さは20nm程度である。また、Pt膜は、例えば100℃で形成し、その厚さは175nm程度である。下部電極密着膜としては、例えばTi膜、TiOx膜又はAl2O3膜等を用いることができる。そして、下部電極密着膜及びPt膜のパターニングを行うことにより、下部電極61を形成する。
次いで、Pt膜(下部電極膜)上に強誘電体膜、例えばPLZT膜(図示せず)をスパッタ法により形成する。その後、PLZT膜に対してAr及びO2の雰囲気下で600℃以上の加熱処理をRTA(Rapid Thermal Annealing)法で施す。この結果、強誘電体膜が結晶化すると共に、下部電極膜であるPt膜が緻密化する。このため、Pt膜と強誘電体膜との間の界面近傍におけるPtとOとの相互拡散が抑制される。
その後、結晶化した強誘電体膜上に、厚さが200nm程度のIrO2からなる上部電極膜(図示せず)をスパッタ法により形成する。
続いて、半導体基板(ウェハ)11の背面の洗浄を行う。
次に、上部電極膜上にIr密着膜(図示せず)をスパッタ法により形成する。Ir密着膜は、例えば400℃の基板温度で形成し、その厚さは10nm程度である。そして、第1の実施形態と同様にして、一括エッチング用のハードマスクとして、TiN膜及びTEOS膜を順次形成する。そして、TiN膜及びTEOS膜のパターニングを行う。
次いで、上部電極膜及び強誘電体膜を一括エッチングすることにより、強誘電体膜からなるキャパシタ誘電体膜62及びPt膜からなる上部電極63を形成する。そして、ハードマスクを除去する。その後、回復アニール(650℃、60分間、酸素雰囲気中)を施す。
そして、第1の実施形態と同様にして、アルミナ膜35の形成以降の処理を行って、強誘電体キャパシタを有する強誘電体メモリを完成させる。
このような第3の実施形態によれば、プレーナ構造の強誘電体キャパシタを製造する場合であっても、ハードマスクの剥がれを防止することができる。
なお、マスク密着膜は、Ir膜に限定されるものではなく、例えばRu膜、Rh膜、Pd膜等を用いてもよく、またこれらの元素の酸化膜を用いてもよい。
また、上部電極膜及び下部電極膜の材料も限定されない。上部電極膜としては、例えばIr、Ru、Pt、Rh、Pdの酸化膜を用いてもよく、また、このような酸化膜の積層体を用いてもよい。更に、これらの酸化膜の上にSrRuO3膜が形成されて構成された積層体を用いてもよい。
更に、一括エッチング時の温度は常温又は高温とすることが好ましい。
また、ハードマスクの一部として、TiN膜の代わりにTi膜を用いてもよい。
更に、強誘電体膜としては、PLZT膜の他に、PZT(Pb(Zr,Ti)O3)膜、PZT膜にCa、Sr、Si等を微量添加した膜等のペロブスカイト構造の化合物膜や、SBT(SrBi2Ta2O9)等のBi層状系構造の化合物膜を用いてもよい。更に、強誘電体膜の形成方法は特に限定されるものではなく、ゾルゲル法、スパッタ法、MOCVD法等により強誘電体膜を形成することができる。
次に、本発明の第1の実施形態について説明する。図4A乃至図4Eは、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。但し、図4A乃至図4Eは、ビット線3が延びる方向に垂直な断面を示す。また、図4A乃至図4Eには、1本のビット線(図1中のビット線3に相当)を共有する2個のMOSトランジスタに相当する部分を図示する。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図5は、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を示す断面図である。但し、図5は、ビット線3が延びる方向に垂直な断面を示す。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。第1及び第2の実施形態は、本発明をスタック構造の強誘電体キャパシタに適用したものであるが、第3の実施形態は、本発明をプレーナ構造の強誘電体キャパシタに適用したものである。
Claims (19)
- 半導体基板の上方に、強誘電体キャパシタのキャパシタ誘電体膜の原料膜として強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に前記強誘電体キャパシタの上部電極の原料膜として上部電極膜を形成する工程と、
前記上部電極膜上に貴金属元素を含有するマスク密着膜を形成する工程と、
前記マスク密着膜上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記上部電極膜及び前記強誘電体膜をエッチングする工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記上部電極膜を形成する工程と前記マスク密着膜を形成する工程との間に、前記半導体基板の裏面を洗浄する工程を有す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。
- 前記マスク密着膜を形成する工程は、前記半導体基板を400℃以上に加熱する工程を有す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。
- 前記マスク密着膜を形成する工程は、前記半導体基板を400℃以上に加熱する工程を有す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。
- 前記強誘電体膜を形成する工程の前に、前記半導体基板の上方に、強誘電体キャパシタの下部電極の原料膜として下部電極膜を形成する工程を有し、
前記強誘電体膜を前記下部電極膜上に形成す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。 - 前記強誘電体膜を形成する工程の前に、前記半導体基板の上方に、強誘電体キャパシタの下部電極の原料膜として下部電極膜を形成する工程を有し、
前記強誘電体膜を前記下部電極膜上に形成す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。 - 前記上部電極膜及び前記強誘電体膜をエッチングする工程において、前記ハードマスクを用いて前記下部電極膜をもエッチングす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。
- 前記上部電極膜及び前記強誘電体膜をエッチングする工程において、前記ハードマスクを用いて前記下部電極膜をもエッチングす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。
- 前記マスク密着膜として、Ir膜、Ru膜、Rh膜及びPd膜からなる群から選択された一の膜を形成す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。
- 前記マスク密着膜として、Ir、Ru、Rh及びPdからなる群から選択された一の元素の酸化膜を形成す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。
- 前記ハードマスクを形成する工程は、
前記マスク密着膜上にTi膜又はTiN膜を形成する工程と、
前記TiN膜上にテトラ・エチル・オルソ・シリケート膜を形成する工程と、
前記Ti膜及び前記テトラ・エチル・オルソ・シリケート膜をパターニングする工程と、
を有す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。 - 前記ハードマスクを形成する工程は、
前記マスク密着膜上にTi膜又はTiN膜を形成する工程と、
前記TiN膜上にテトラ・エチル・オルソ・シリケート膜を形成する工程と、
前記Ti膜及び前記テトラ・エチル・オルソ・シリケート膜をパターニングする工程と、
を有す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。 - 前記上部電極膜として、貴金属の酸化物を含有する導電膜を形成す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。
- 前記上部電極膜として、貴金属の酸化物を含有する導電膜を形成す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。
- 前記貴金属の酸化物としてIr、Ru、Pt、Rh及びPdからなる群から選択された一の元素の酸化物を用いることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記貴金属の酸化物としてIr、Ru、Pt、Rh及びPdからなる群から選択された一の元素の酸化物を用いることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記強誘電体膜として、ペロブスカイト構造の化合物膜又はBi層状系構造の化合物膜を形成す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。
- 前記強誘電体膜として、ペロブスカイト構造の化合物膜又はBi層状構造の化合物膜を形成す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。
- 半導体基板の上方に、強誘電体キャパシタのキャパシタ誘電体膜の原料膜として強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に前記強誘電体キャパシタの上部電極の原料膜として上部電極膜を形成する工程と、
前記半導体基板を400℃以上に加熱する工程と、
前記上部電極膜上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記上部電極膜及び前記強誘電体膜をエッチングする工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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