JP2003258201A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Abstract
グすることのできる半導体装置の製造方法を提供する。
垂直に近い側壁を有する強誘電体キャパシタ構造を、ド
ライエッチングを用いて形成することのできる半導体装
置の製造法を提供する 【解決手段】 半導体装置の製造方法は、(a)絶縁表
面内にコンタクト用導電表面を露出した半導体基板上に
酸素バリア導電層、下部電極層、強誘電体層、上部電極
層を積層する工程と、(b)前記上部電極層上に第1
層、第2層を含むハードマスクを形成する工程と、
(c)前記ハードマスクをエッチングマスクとして、プ
ラズマエッチングにより前記上部電極層、強誘電体層、
下部電極層、酸素バリア導電層をエッチングしてキャパ
シタ構造を形成する工程と、を含む。
Description
方法に関し、特に強誘電体キャパシタを有する半導体装
置の製造方法に関する。
用いる強誘電体ランダムアクセスメモリ(FeRAM)
は、1トランジスタ/1キャパシタで不揮発性メモリセ
ルを構成できる。強誘電体として酸化物ペロブスカイト
型強誘電体が多く用いられている。
界効果トランジスタのソース/ドレイン領域上に層間絶
縁膜中に埋め込んだ導電性プラグを形成し、プラグに接
続して層間絶縁膜上に強誘電体キャパシタを形成するプ
レーナスタックキャパシタ構造が検討されている。限ら
れた面積内になるべく電極対向面積の大きなキャパシタ
を形成するためには、キャパシタ構造をなるべく垂直に
近い方向でパターニングすることが望まれる。
誘電体膜は、フォトレジストパターンをマスクとしたエ
ッチングでパターニングしていた。フォトレジストは、
エッチング耐性が十分でないため、垂直性エッチングは
極めて困難であった。
とすると、レジストマスクを用いる代りにハードマスク
を用いることが望まれる。単層のシリコン酸化膜でハー
ドマスクを形成すると、強誘電体や貴金属電極をエッチ
ングする際に必要な高バイアス条件で、ハードマスクと
上部電極との界面で剥がれが発生し易い。又、酸化シリ
コン膜のハードマスクをドライエッチングで除去しよう
とすると、エッチングガスにより上部電極の膜質変化や
ダメージを発生させてしまう。
ドマスクは、エッチング工程終了後は上部電極にダメー
ジを与えないプロセスで除去し易い。但し、酸素が存在
しない条件でエッチングを行なうと、ハードマスクとP
bZrTiO3(PZT)等の強誘電体膜との間に高い
エッチ選択比を得ることが難しい。酸素を添加すると、
エッチ選択比を高くすることができるが、強誘電体のエ
ッチレートが低下し、テーパーが発生し易い。
電体キャパシタ構造を効率的にエッチングすることので
きる半導体装置の製造方法を提供することである。
する強誘電体キャパシタ構造を、ドライエッチングを用
いて形成することのできる半導体装置の製造法を提供す
ることである。
ば、a)絶縁表面内にコンタクト用導電表面を露出した
半導体基板上に酸素バリア導電層、下部電極層、強誘電
体層、上部電極層を積層する工程と、(b)前記上部電
極層上に第1層、第2層を含むハードマスクを形成する
工程と、(c)前記ハードマスクをエッチングマスクと
して、プラズマエッチングにより前記上部電極層、強誘
電体層、下部電極層、酸素バリア導電層をエッチングし
てキャパシタ構造を形成する工程と、を含む半導体装置
の製造方法が提供される。
明の実施例による半導体装置の製造方法の主要プロセス
を示す断面図である。この実施例には複数の変形例が含
まれる。
有するシリコン基板11の表面に、酸化シリコン等の素
子分離領域12を形成する。素子分離領域12は、シリ
コンの局所酸化(LOCOS)又はシャロートレンチア
イソレーション(STI)で形成される。素子分離領域
12は、シリコン基板11表面に複数の活性領域を画定
する。各活性領域表面上に、ゲート絶縁膜13、多結晶
シリコンゲート電極14、シリサイドゲート電極15の
積層により絶縁ゲート電極Gを形成する。絶縁ゲート電
極Gの両側のシリコン基板表面に、n型ソース/ドレイ
ン領域16をイオン注入等により形成する。
より、ゲート電極Gを覆って平坦な絶縁表面を形成す
る。層間絶縁膜18の表面層として窒化シリコン等エッ
チストッパとして機能する層を設けてもよい。層間絶縁
膜18を貫通してスルーホールを形成し、タングステン
等の導電体を埋め込んでソース/ドレイン領域16を表
面に導出する導電体プラグ19を形成する。導電体プラ
グ19の表面を化学機械研磨(CMP)等により層間絶
縁膜18の表面と面一にし、その表面上に強誘電体キャ
パシタ構造を構成する積層を作成する。
層、TiN層、TiAlN層等を作成する。酸素バリア
導電体層1の上に、下部電極層2としてIr、Pt、I
rO、SRO(SrRuOx)等の単層又は積層を形成
する。下部電極2の上に、酸化物強誘電体層3、例えば
PZT(PbZrTiOx)、SBT(SrBiTa
Ox)、BLT(BiLaTiOx)等の酸化物ペロブス
カイト型強誘電体層を形成する。酸化物強誘電体層3の
上に、上部電極層4としてPt、Ir等の貴金属、Ir
O、SRO、PtO等の酸化物導電体層の単層又は積層
を形成する。
1層5、第2層6を含む積層を形成する。例えば、第1
層5は、TiN、TaN、TiAlN等で形成する。第
2層6は、例えばCVD、プラズマCVD、スピンオン
グラス(SOG)等により形成したSiO2膜で形成す
る。
5、6の上にホトレジスト層を形成し、露光、現像する
ことによりホトレジストパターンPRを作成する。ホト
レジストパターンPRは、キャパシタ構造を形成する領
域上に作成される。このホトレジストパターンPRをエ
ッチングマスクとし、その下のハードマスク層5、6を
エッチングする。ハードマスク5、6をパターニングし
た後、ホトレジストパターンPRは除去する。
ク5、6をエッチングマスクとし、その下の上部電極層
4、強誘電体層3、下部電極層2、酸素バリア導電体層
1を連続的に高密度プラズマエッチングでエッチング
し、ハードマスク層5、6の下にそれぞれ強誘電体キャ
パシタ構造を形成する。
う誘導結合プラズマエッチング装置の構成を示す。チャ
ンバ30は、石英製側壁の外側にコイル31を備え、コ
イル31は高周波電源32に接続されている。誘導結合
により、チャンバ内に高周波を印加することができる。
設けられている。下側の電極は、ステージであり、その
上にウエハ等の被加工物8を載置する。ステージ35
は、400〜450kHzの低周波電源37に接続され
ている。さらに、ステージ35は、配管36を備え、水
冷によりステージ35を一定温度に保つことができる。
シタ構造のエッチング中、酸化シリコンで形成された第
2層ハードマスク層5は消滅することもある。ドライエ
ッチングで第2層ハードマスク層6を消滅させ、又はド
ライエッチング後第2層ハードマスク層6を除去して、
第1層ハードマスク層5を露出させる。
l2O3層等水素遮蔽能を有する絶縁層により、強誘電体
キャパシタ構造を覆うエンキャプシュレーション膜8を
形成する。なお、ハードマスク層の第1層の一部とし
て、このようなエンキャプシュレーション機能を有する
絶縁薄層を積層しておいても良い。
レーション層8を覆うように、酸化シリコン層等の層間
絶縁膜9を形成し、表面を平坦化する。層間絶縁膜9表
面から各強誘電体キャパシタの上部電極4に到達するビ
ア孔20を形成し、W層等を埋め込んで導電体プラグ2
1を形成する。層間絶縁膜9の上に配線層を形成し、パ
ターニングすることにより導電体プラグ21に接続され
た配線22を作成する。なお、導電体プラグ21と配線
22とを一体に形成してもよい。
層の一部をそのまま残したが、ハードマスク層を残すこ
とは必須要件ではない。以下、その例を説明する。図3
(G)に示すように、十分なエッチング耐性を有するハ
ードマスク積層5、6を作成し、このハードマスクをエ
ッチングマスクとして強誘電体キャパシタ構造4、3、
2、1を連続的にエッチングし、強誘電体キャパシタ構
造を形成する。
層6、5を除去する。例えば、層間絶縁膜18表面にエ
ッチストッパ層が形成されている場合は、酸化シリコン
層6を希フッ酸で除去し、TiN等の第1ハードマスク
層を(弗化アンモン+過酸化水素)で除去しても良い。
強誘電体キャパシタ構造のエッチングに用いたハードマ
スク積層を全て除去し、強誘電体キャパシタ構造を露出
する。
シタ構造を水素遮蔽能を有するエンキャプシュレーショ
ン膜8で覆い、その上に層間絶縁膜9を形成する。層間
絶縁膜9の表面をCMP等により平坦化する。層間絶縁
膜9表面から強誘電体キャパシタ構造の上部電極に達す
るビア孔20を形成し、導電体プラグ21を埋め込む。
導電体プラグ21の表面上に、配線22を形成する。な
お、配線22と導電体プラグ21は、別々の工程で形成
しても良いが、同一工程で一体に形成しても良い。
温で行なうこともできるが、200℃以上の高温で行
い、エッチレートを促進することもできる。以下、常温
エッチングの例と高温エッチングの例をそれぞれ説明す
る。
m/50nm、 強誘電体層3:PZT層、厚さ220nm(化学溶液堆
積、CSD、により作成)、 上部電極層4:上側IrO2層/下側SRO層、厚さ7
5nm/15nmを用いた。
(スパッタリングにより作成)、 第2層目ハードマスク6:SiO2層、厚さ500nm
(プラズマTEOSのCVDにより作成) を用いた。
し、RF電極に1400Wを投入し、対向電極間に約4
00kHzの低周波を約800W投入し、エッチングガ
ス圧力0.7Paで行なった。
8、エッチ時間65秒 下部電極2+酸素バリア導電層1に対して、 Cl2:O2=流量30:20、エッチ時間80秒 とした。
第2ハードマスク層5は消滅した。強誘電体層3に対す
るエッチングガス中O2が混合されているのは、ハード
マスクに対する強誘電体層のエッチングレート比を増大
させるためである。しかし、O2を添加すると、強誘電
体層のエッチレートは下がり、マイクロローディング効
果も発生する。
9%)/過酸化水素水(31%)=1:5溶液で25℃
で除去した。その後、図3(I)の工程を行い、さらに
Wプラグ、配線層、Wプラグ等を作成した。
す。強誘電体キャパシタ構造の側壁は、水平面に対し約
70度近傍のテーパ角を示している。高温エッチング
高温エッチングは、エッチレートを増大させるが、エッ
チング条件が過酷となるため、ハードマスク層等を強化
することが望まれる。具体的に行った条件は以下の通り
である。
0nm/50nm 強誘電体層3:PZT層、厚さ200nm(スパッタリ
ングで作成)、 上部電極層4:IrO2層、厚さ200nm を用いた。
(スパッタリングで作成)、 第2層目ハードマスク層6:SiO2層、厚さ100n
m(プラズマTEOSのCVDで作成) を用いた。
とし、投入電力は常温エッチングと同様1400W/8
00W、エッチングガス圧力も常温エッチングと同様
0.7Paとした。エッチングガスは、 上部電極層4に対して、 Cl2:O2=流量16:20、エッチ時間20秒 強誘電体層3に対して、 Cl2=流量100、エッチ時間35秒 下部電極2+酸素遮蔽導電層1に対して、 Cl2:O2=流量30:100、エッチ時間60秒 とした。
ッチング直後の形状を示す。第2層目ハードマスクは、
上面が山形に変形しているが、その下の第1層ハードマ
スク層の上面全面を覆っている。上部電極4、強誘電体
層3、株電極2、酸素バリア導電層1がより垂直に近い
一定角度でエッチングされている。強誘電体キャパシタ
構造の側面は、水平面に対し約82〜83度の角度であ
った。このような高温エッチングにより、強誘電体キャ
パシタ構造が80度以上の垂直に近い角度を有する側面
を有する形状にパターニングできる。
と、エッチングの際にハードマスク層と上部電極層との
界面で剥がれが発生するが、TiN層を介在させること
により、剥がれを防止することができた。第1層ハード
マスク層としてTiN層の代りTaN層やTiAlN層
を用いても同様の結果が期待できる。
場合には、第1層目ハードマスク層又はその一部として
TiO2層、Al2O3層等を用いても良い。又、第1層
目ハードマスク層5を作成する際、酸化物強誘電体層の
還元を防止するためには、第1層目ハードマスク層を水
素発生を伴わない方法で作成するのが好ましい。例え
ば、第1層目ハードマスク層はスパッタリングで作成す
る。
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の改良、変更、組み合わせが可能なことは当業者にと
って自明であろう。
電表面を露出した半導体基板上に酸素バリア導電層、下
部電極層、強誘電体層、上部電極層を積層する工程と、
(b)前記上部電極層上に第1層、第2層を含むハード
マスクを形成する工程と、(c)前記ハードマスクをエ
ッチングマスクとして、プラズマエッチングにより前記
上部電極層、強誘電体層、下部電極層、酸素バリア導電
層をエッチングしてキャパシタ構造を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
ング後、残ったハードマスクの少なくとも一部を除去す
る工程を含む付記1記載の半導体装置の製造方法。
接着層の機能を有する層であり、第2層は絶縁層であ
り、前記工程(d)は、第2層を除去する付記2記載の
半導体装置の製造方法。
が、水素遮蔽能を有する薄膜を含む付記3記載の半導体
装置の製造方法。 (付記5) 前記ハードマスクの第1層は接着層の機能
を有する層であり、第2層は絶縁層であり、前記工程
(d)は、ハードマスクを全て除去する付記2記載の半
導体装置の製造方法。
ャパシタ構造を覆う水素バリア絶縁層を形成する工程を
含む付記1〜5のいずれか1項記載の半導体装置の製造
方法。
極が、貴金属元素を含み、前記強誘電体層が酸化物ペロ
ブスカイト型強誘電体を含む付記1〜6のいずれか1項
に記載の半導体装置の製造方法。
物を含む付記7記載の半導体装置の製造方法。 (付記9) 前記下部電極が、貴金属の酸化物電極と貴
金属電極との積層を含む付記7記載の半導体装置の製造
方法。
強誘電体が、PZT,SBT,BLTのいずれかを含む
付記7記載の半導体装置の製造方法。 (付記11)(5) 前記ハードマスクが、TiN、T
aN、TiAlNのいずれかで形成された下側の第1層
と、前記第1層の上に配置され、酸化シリコンで形成さ
れた第2層とを含む付記1〜10のいずれか1項に記載
の半導体装置の製造方法。
Nの下側第1層と酸化シリコンの上側第2層で構成され
ている付記1〜10のいずれか1項記載の半導体装置の
製造方法。
1層をスパッタリングで形成する付記11または12記
載の半導体装置の製造方法。 (付記14) 前記工程(b)は、前記第2層をCV
D、プラズマCVD、塗布法のいずれかで形成する付記
11〜13のいずれか1項記載の半導体装置の製造方
法。
合プラズマを用いて行われる付記1〜14のいずれか1
項に記載の半導体装置の製造方法。 (付記16) 前記工程(c)は、エッチングガスとし
てCl2、SiCl4、BCl3、CF4、C4F8、HBr
のうち少なくとも1つを用いて行われる付記1〜15の
いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
ングガスにO2または(O2+N2)を添加してエッチン
グする工程を含む付記16記載の半導体装置の製造方
法。
またはTiN,TiAlNのいずれかを含む付記1〜1
7のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。 (付記19) 前記酸素バリア層がIr層である付記1
8記載の半導体装置の製造方法。
強誘電体キャパシタ形成用積層を同一マスクを用いた連
続ドライエッチングでパターニングすることができる。
度を急にすることにより、FeRAM装置の集積度を向
上し易くなる。
を説明するための断面図である。
を説明するための断面図である。
を説明するための断面図である。
す概略断面図である。
AM装置の断面構成を示す電子顕微鏡写真である。
パシタ構造パターニング後の構成を示す電子顕微鏡写真
である。
Claims (5)
- 【請求項1】 (a)絶縁表面内にコンタクト用導電表
面を露出した半導体基板上に酸素バリア導電層、下部電
極層、強誘電体層、上部電極層を積層する工程と、 (b)前記上部電極層上に第1層、第2層を含むハード
マスクを形成する工程と、 (c)前記ハードマスクをエッチングマスクとして、プ
ラズマエッチングにより前記上部電極層、強誘電体層、
下部電極層、酸素バリア導電層をエッチングしてキャパ
シタ構造を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方
法。 - 【請求項2】 さらに、 (d)エッチング後、残ったハードマスクの少なくとも
一部を除去する工程を含む請求項1記載の半導体装置の
製造方法。 - 【請求項3】 さらに、 (e)前記キャパシタ構造を覆う水素バリア絶縁層を形
成する工程を含む請求項1または2記載の半導体装置の
製造方法。 - 【請求項4】 前記上部電極、下部電極が、貴金属元素
を含み、前記強誘電体層が酸化物ペロブスカイト型強誘
電体を含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体
装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記ハードマスクが、TiN、TaN、
TiAlNのいずれかで形成された下側の第1層と、前
記第1層の上に配置され、酸化シリコンで形成された第
2層とを含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導
体装置の製造方法。
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