JP2006344749A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 導電性プラグのコンタクト不良を防止することができる半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】 シリコン基板10上のコンタクトプラグ22aの上に酸化防止膜25を形成する工程と、酸化防止膜25上にキャパシタQを形成する工程と、キャパシタQを覆う第2層間絶縁膜44を形成する工程と、第1ホール44aを第2層間絶縁膜44に形成する工程と、第2層間絶縁膜44をブラシスクラバ処理する工程と、第2層間絶縁膜44をウエット処理する工程と、酸化防止膜25をストッパにして第2層間絶縁膜44に第2ホール44cを形成する工程と、第2ホール44c下の酸化防止膜25をエッチングして除去すると共に、第1ホール44a下の上部電極33aを清浄化する工程と、第1、第2ホール44a、44c内に第1、第2導電性プラグ50a、50cを形成する工程とを有する半導体装置の製造方法による。
【選択図】 図9

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
電源を切っても情報を記憶することができる不揮発性メモリとして、フラッシュメモリや強誘電体メモリが知られている。
このうち、フラッシュメモリは、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(IGFET)のゲート絶縁膜中に埋め込んだフローティングゲートを有し、記憶情報を表す電荷をこのフローティングゲートに蓄積することによって情報を記憶する。しかし、このようなフラッシュメモリでは、情報の書き込みや消去の際に、ゲート絶縁膜にトンネル電流を流す必要があり、比較的高い電圧が必要であるという欠点がある。
これに対し、強誘電体メモリは、FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)とも呼ばれ、強誘電体キャパシタが備える強誘電体膜のヒステリシス特性を利用して情報を記憶する。その強誘電体膜は、キャパシタの上部電極と下部電極の間に印加される電圧に応じて分極を生じ、その電圧を取り去っても自発分極が残留する。印加電圧の極性を反転すると、この自発分極も反転し、その自発分極の向きを「1」と「0」に対応させることで、強誘電体膜に情報が書き込まれる。この書き込みに必要な電圧はフラッシュメモリにおけるよりも低く、また、フラッシュメモリよりも高速で書き込みができるという利点がFeARMにはある。
上記したFeRAMのキャパシタは層間絶縁膜で覆われ、上部電極や下部電極の上の層間絶縁膜上には、これらの電極と電気的なコンタクトをとるためのホールが開口される。また、キャパシタから離れた部分の層間絶縁膜にも、例えば半導体基板上のMOSトランジスタのソース/ドレイン領域とコンタクトをとる目的でホールが形成される。これらのホール内に異物が存在したり、或いはホール自身が未開口であったりすると、ホール内に形成される導電性プラグとその下の電極等との間でコンタクト不良が発生する。こうなると、キャパシタに所望の電圧を印加することができず、FeRAMが不良となってその歩留まりが低下する。
なお、本発明に関連する技術が下記の特許文献1〜3に開示されている。
そのうち、特許文献1では、プラズマエッチングによって発生したポリマをブラシスクラバ処理により除去している。
また、特許文献2、3では、CMP(Chemical Mechanical Polishing)の後にブラシスクラバ処理をしている。
特開2001−237236号公報 特開2002−373879号公報 特許第3332831号公報
本発明の目的は、導電性プラグのコンタクト不良を防止することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明の一観点によれば、半導体基板にMOSトランジスタを形成する工程と、前記MOSトランジスタの上に第1層間絶縁膜を形成する工程と、前記MOSトランジスタのソース/ドレイン領域の上の前記第1層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、前記ソース/ドレイン領域と電気的に接続されるコンタクトプラグを前記コンタクトホール内に形成する工程と、前記第1層間絶縁膜と前記コンタクトプラグのそれぞれの上に酸化防止膜を形成する工程と、前記酸化防止膜の上に、下部電極、キャパシタ誘電体膜、及び上部電極を有するキャパシタを形成する工程と、前記キャパシタを覆う第2層間絶縁膜を形成する工程と、前記第2層間絶縁膜をパターニングすることにより、前記上部電極に至る深さの第1ホールを前記第2層間絶縁膜に形成する工程と、前記第2層間絶縁膜をパターニングした後に、該第2層間絶縁膜の表面に対してブラシスクラバ処理を施す工程と、前記ブラシスクラバ処理の後に、前記第2層間絶縁膜の表面をウエット処理する工程と、前記ウエット処理の後に、前記酸化防止膜をエッチングストッパにしながら前記第2層間絶縁膜をパターニングすることにより、前記コンタクトプラグの上の前記第2層間絶縁膜に第2ホールを形成する工程と、前記第1、第2ホールの内面をエッチング雰囲気に曝すことにより、前記第2ホールの下に露出する前記酸化防止膜をエッチングして除去し、前記コンタクトプラグの上面を露出させると共に、前記第1ホールに露出する前記上部電極の表面を清浄化する工程と、前記上部電極と電気的に接続される第1導電性プラグを前記第1ホール内に形成する工程と、前記コンタクトプラグと電気的に接続される第2導電性プラグを前記第2ホール内に形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、第1ホールの形成時に発生したエッチング生成物がブラシスクラバ処理によって物理的に掻き落とされるので、ウエット処理のように化学的にエッチング生成物を溶解する場合と比較して、エッチング生成物を確実に除去することが可能となる。そのため、第2層間絶縁膜をパターニングして第2ホールを形成する際に、エッチング生成物に起因してパターン不良が発生するのが防止されるので、第2ホールが未開口とならず、その第2ホール内に形成される第2導電性プラグとその下のコンタクトプラグとの間でコンタクト不良が発生するのが抑止され、最終的に完成する半導体装置が不良となるのを防ぐことができる。
しかも、コンタクトプラグの上に酸化防止膜を形成するようにしたので、半導体装置の製造時にコンタクトプラグが酸化するのを防ぐことができ、酸化に伴うコンタクト不良を抑止することができる。
その酸化防止膜は、第1、第2ホールの内面をエッチング雰囲気に曝すことで除去される。このとき、第1ホールに露出する上部電極の表面が清浄化されるため、第1ホール内に形成される第1導電性プラグと上部電極とを電気的に良好に接続することができる。
上記した第2層間絶縁膜としては、水素等の還元性物質をブロックし、キャパシタ誘電体膜が還元されるのを防止する機能に優れたアルミナ膜を含む積層膜を形成するのが好ましい。
その場合、第1ホール形成時のエッチング生成物にはアルミナが含まれることになる。このアルミナは、ブラシスクラバ処理の後のウエット処理において、第2層間絶縁膜の表面を温水に曝すことにより、温水中に溶解して容易に除去することが可能である。
本発明によれば、層間絶縁膜のホール形成時に発生するエッチング生成物をブラシスクラバ処理によって物理的に掻き落とすので、化学処理によってのみエッチング生成物を除去する場合と比較して、除去の効率が極めて高い。従って、ブラシスクラバ処理の後に層間絶縁膜に別のホールを形成する場合であっても、エッチング生成物に起因してそのホールが未開口となるのを防止できる。これにより、ホール内に形成される導電性プラグと下層とのコンタクト不良を防止でき、ひいては半導体装置の歩留まりを向上させることが可能となる。
(1)予備的事項の説明
本発明の実施の形態に先立ち、本発明の予備的事項について説明する。
図1〜図6は、本願発明者が作成したFeRAMの製造途中の断面図である。
このFeRAMは次のようにして作成される。
まず、図1(a)に示す断面構造を得るまでの工程を説明する。
最初に、n型又はp型のシリコン(半導体)基板10表面に、トランジスタの活性領域を画定するSTI(Shallow Trench Isolation)用の溝を形成し、その中に酸化シリコン等の絶縁膜を埋め込んで素子分離絶縁膜11とする。なお、素子分離構造はSTIに限られず、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法で素子分離絶縁膜11を形成してもよい。
次いで、シリコン基板10の活性領域にp型不純物を導入してpウェル12を形成した後、その活性領域の表面を熱酸化することにより、ゲート絶縁膜18となる熱酸化膜を形成する。
続いて、シリコン基板10の上側全面に非晶質又は多結晶のシリコン膜及びタングステンシリサイド膜を順に形成し、これらの膜をフォトリソグラフィによりパターニングしてゲート電極15a、15bを形成する。
pウェル12上には、上記の2つのゲート電極15a、15bが間隔をおいてほぼ平行に配置され、それらのゲート電極15a、15bはワード線の一部を構成する。
次いで、ゲート電極15a、15bをマスクにするイオン注入により、各ゲート電極15a、15bの横のシリコン基板10にn型不純物を導入し、第1〜第3ソース/ドレインエクステンション14a〜14cを形成する。
その後に、シリコン基板10の上側全面に絶縁膜を形成し、その絶縁膜をエッチバックしてゲート電極15a、15bの横に絶縁性サイドウォール16として残す。その絶縁膜として、例えばCVD法により酸化シリコン膜を形成する。
続いて、絶縁性サイドウォール16とゲート電極15a、15bをマスクにしながら、シリコン基板10にn型不純物を再度イオン注入することにより、各ゲート電極15a、15bの側方のシリコン基板10に第1〜第3ソース/ドレイン領域13a〜13cを形成する。
ここまでの工程により、シリコン基板10の活性領域には、ゲート絶縁膜18、ゲート電極15a、15b、及び第1〜第3ソース/ドレイン領域13a〜13cによって構成される第1、第2MOSトランジスタTR1、TR2が形成されたことになる。
次に、シリコン基板10の上側全面に、スパッタ法によりコバルト層等の高融点金属層を形成した後、この高融点金属層を加熱してシリコンと反応させ、シリコン基板10上に高融点金属シリサイド層17を形成する。その高融点金属シリサイド層17はゲート電極15a、15bの表層部分にも形成され、それにより各ゲート電極15a、15bが低抵抗化されることになる。
その後、素子分離絶縁膜11の上等で未反応となっている高融点金属層をウエットエッチングして除去する。
続いて、プラズマCVD法により、窒化シリコン(SiN)膜19を厚さ約20nmに形成する。次いで、この窒化シリコン膜19の上に、シランガスを使用するプラズマCVD法により酸化シリコン膜20を厚さ約80nmに形成し、更にその上にTEOSガスを使用するプラズマCVD法により犠牲酸化シリコン膜を約1000nmに形成する。そして、その犠牲酸化シリコン膜の上面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により研磨して平坦化し、残された酸化シリコン膜20と窒化シリコン膜19とを第1層間絶縁膜21とする。上記のCMPの結果、第1層間絶縁膜21の厚さは、シリコン基板10の平坦面上で約700nmとなる。
次に、フォトリソグラフィにより第1層間絶縁膜21をパターニングして、第1〜第3ソース/ドレイン領域13a〜13cのそれぞれの上に第1〜第3コンタクトホール21a〜21cを形成する。そして、各コンタクトホール21a〜21cの内面と第1層間絶縁膜21の上面に、スパッタ法により厚さ約30nmのチタン膜と厚さ約20nmの窒化チタン膜とをこの順にグルー膜として形成する。更に、六フッ化タングステンガスを使用するCVD法により、上記のグルー膜の上にタングステン膜を形成し、そのタングステン膜でコンタクトホール21a〜21cを完全に埋め込む。その後に、第1層間絶縁膜21上の余分なタングステン膜とグルー膜とをCMP法により研磨して除去し、上記の膜をコンタクトホール21a〜21cの中に第1〜第3コンタクトプラグ22a〜22cとして残す。これら第1〜第3コンタクトプラグ22a〜22cは、その下の第1〜第3ソース/ドレイン領域13a〜13cと電気的に接続されることになる。
ところで、その第1〜第3コンタクトプラグ22a〜22cは、タングステンを主に構成されるが、タングステンは非常に酸化され易く、プロセス中で酸化されるとコンタクト不良を引き起こす。
そこで、次の工程では、図1(b)に示すように、上記の第1〜第3コンタクトプラグ22a〜22cを酸化雰囲気から保護するための酸化防止膜25として、プラズマCVD法により酸窒化シリコン(SiON)膜を厚さ約100nmに形成する。更に、この酸化防止膜25の上に、TEOSガスを使用するプラズマCVD法により酸化シリコン膜を厚さ約130nmに形成し、それを絶縁性密着膜26とする。
次いで、図1(c)に示すように、後述の強誘電体キャパシタの下部電極の結晶性を高め、最終的にはキャパシタ誘電体膜の結晶性を改善するために、スパッタ法により第1アルミナ膜27を厚さ約20nmに形成する。
次に、図2(a)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、スパッタ法により貴金属膜、例えばプラチナ膜を厚さ約150nmに形成し、それを第1導電膜31とする。
次いで、強誘電体膜32として、PZT膜をスパッタ法により第1導電膜31上に厚さ約150nmに形成する。その強誘電体膜32の成膜方法としては、スパッタ法の他に、MOCVD(Metal Organic CVD)法やゾル・ゲル法もある。更に、強誘電体膜32の材料は上記のPZTに限定されず、SrBi2Ta2O9、SrBi2(Ta, Nb)2O9等のBi層状構造化合物や、PZTにランタンをドープしたPLZT、或いはその他の金属酸化物強誘電体で強誘電体膜32を構成してもよい。
続いて、酸素が1%でアルゴンが99%の雰囲気中において、強誘電体膜32を構成するPZTをRTA(Rapid Thermal Anneal)により結晶化する。そのRTAの条件は、例えば、基板温度720℃、処理時間120秒、昇温速度100〜150℃/秒である。
その後に、強誘電体膜32の上に、スパッタ法により酸化イリジウム(IrO2)膜を厚さ約250nmに形成し、それを第2導電膜33とする。なお、第2導電膜33は貴金属膜又は酸化貴金属膜で構成さればよく、上記の酸化イリジウム膜に代えて、イリジウム膜やプラチナ膜等の貴金属膜を第2導電膜33として形成してもよい。
次に、図2(b)に示すように、上記した第2導電膜33、強誘電体膜32、及び第1導電膜31をこの順に別々フォトリソグラフィによりパターニングして、上部電極33a、キャパシタ誘電体膜32a、及び下部電極31aを形成し、これらで強誘電体キャパシタQを構成する。なお、第1導電膜31は、下部電極31aのコンタクト領域CRがキャパシタ誘電体膜32aからはみ出るようにパターニングされる。
次に、図2(c)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、水素等の還元性雰囲気からキャパシタQを保護し、キャパシタ誘電体膜32aの劣化を防止するための第2アルミナ膜40をシリコン基板10の上側全面に形成する。その第2アルミナ膜40は、例えばスパッタ法により厚さ約20nmに形成する。
そして、エッチングやスパッタリング等によってここまでの工程でキャパシタ誘電体膜32aが受けたダメージを回復させるため、ファーネス内の酸素100%の雰囲気中で基板温度650℃、処理時間90分の条件で回復アニールを行う。
次に、TEOSガスを反応ガスとするプラズマCVD法により、第2アルミナ膜40の上に酸化シリコン膜41を厚さ約1500nmに形成する。その酸化シリコン膜41の上面には、キャパシタQの形状を反映した凹凸が形成される。そこで、この凹凸を無くすために、酸化シリコン膜41の上面をCMP法により研磨して平坦化し、第2アルミナ膜40の平坦面上での酸化シリコン膜41の厚さを約1000nmにする。
その後、この酸化シリコン膜41の脱水処理として、酸化シリコン膜41の表面をN2Oプラズマに曝す。このようなN2Oプラズマ処理に代えて、炉の中で酸化シリコン膜41をアニールして脱水してもよい。
次いで、後の工程で発生する水素や水分からキャパシタQを保護するための第3アルミナ膜42を、酸化シリコン膜41の上にスパッタ法により厚さ約50nmに形成する。更に、この第3アルミナ膜42の上に、プラズマCVD法で酸化シリコン膜43を厚さ約200nmに形成する。
ここまでの工程により、キャパシタQの上には、酸化シリコン膜41、43と第3アルミナ膜42とで構成される第2層間絶縁膜44が形成されたことになる。
続いて、図3(a)に示すように、第2層間絶縁膜44の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、ホール形状の第1、第2窓45a、45bを備えた第1レジストパターン45を形成する。
次に、図3(b)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、平行平板型のプラズマエッチングチャンバ内にシリコン基板20を入れ、基板温度を−10〜10℃程度に安定させる。そして、C4F8、Ar、O2、及びCOの混合ガスをエッチングガスとして上記のチャンバ内に導入し、チャンバ内の圧力を約4〜7Paにする。その状態で、周波数が27.12MHzでパワーが2200Wの高周波電力をチャンバ内の上部電極(不図示)に印加することによりチャンバ内にプラズマを発生させる。これにより、第1レジストパターン45の第1、第2窓45a、45bを通じて第2層間絶縁膜44とその下の第2アルミナ膜40とがエッチングされ、上部電極33aの上に第1ホール44aが形成されると共に、下部電極31aのコンタクト領域CR上に第2ホール44bが形成される。
なお、このエッチングにおけるガス流量は特に限定されないが、この例ではC4F8を10〜20sccm、Arを300〜500sccm、O2を10〜20sccm、そしてCOを0〜50sccmとする。
次に、図4(a)に示すように、60〜70重量%の硝酸中にシリコン基板20を約30秒間浸して第1、第2ホール44a、44b内を洗浄した後、酸素プラズマを用いるアッシングにより第1レジストパターン45を除去する。そのアッシングの処理時間は、例えば約90秒である。
ところで、エッチングにより既述の第1、第2ホール44a、44bを形成する際、これらのホール44a、44bが未開口になるのを防ぐため、上記のエッチングはオーバーエッチング気味に行われる。そのため、上記のエッチングの際、各ホール44a、44bの下の上部電極33aや下部電極31aの上面が僅かに削れ、各電極33a、31aの構成材料がエッチング雰囲気中に放出される。
その結果、図4(a)に示されるように、上記の材料、例えば酸化イリジウムやプラチナを含んだエッチング生成物38が、第1レジストパターン45を除去した後でも、第1、第2ホール44a、44bの周囲に残ることになる。
図7は、この工程を終了した後における第1、第2ホール44a、44bのSEM(Scanning Electron Microscope)像を元にして描いた図であり、図7の左側が第2ホール44b、右側が第1ホール44aである。
図7に示されるように、上部電極33aが露出する第1ホール44a、及び下部電極31aが露出する第2ホール44bのいずれの周囲にも、既述のエッチング生成物38が発生する。
そこで、このようなエッチング生成物38を除去するため、図4(b)に示すように、60〜70重量%の硝酸中にシリコン基板20を約30秒間浸す。
ところが、エッチング生成物38は、上部電極33aに由来する反応性に乏しい酸化イリジウムを含んでいるため、上記のような硝酸を用いた化学的なウエット処理ではエッチング生成物38を完全に溶解して除去することができない。そのため、エッチング生成物38は、このウエット処理において液中を浮遊し、図4(b)のように第2層間絶縁膜44上に再び付着する。
なお、このエッチング生成物38には、第2ホール38b下に露出する下部電極31aの構成材料、例えばプラチナ等の貴金属や、各ホール38a、38bの側面に露出する第3アルミナ膜42中のアルミナも含まれる。そのアルミナには、各ホール38a、38bの下部の第2アルミナ膜40に起因するものもある。これらの貴金属やアルミナも、反応性に乏しいため、エッチング生成物38を化学的に除去するのを困難にしていると考えられる。
図8は、この工程を終了した後の第1ホール44aのSEM像を元にして描いた図である。これに示されるように、上記のように硝酸でウエット処理をした後でも、第1ホール44aの周囲には一部のエッチング生成物38が残存する。
次に、図5(a)に示すように、第2層間絶縁膜44の上にフォトレジストを再び塗布し、それを露光、現像して、第1〜第3コンタクトプラグ22a〜22cのそれぞれの上にホール形状の第3〜第5窓47c〜47eを備えた第2レジストパターン47を形成する。なお、第1、第2ホール44a、44bは、この第2レジストパターン47により覆われる。
上記のようにエッチング生成物38が第2層間絶縁膜44上に再付着した結果、各窓47c〜47eの中には、エッチング生成物38と重なるものが存在する場合がある。図5(a)の例では、第3窓47cがエッチング生成物38と重なって形成されている。
次いで、図5(b)に示すように、第3〜第5窓47c〜47eを通じて第2層間絶縁膜44、第1、2アルミナ膜27、40、及び絶縁性密着膜26をエッチングすることにより、各コンタクトプラグ22a〜22cの上に第3〜第5ホール44c〜44eを形成する。このようなエッチングは、C4F8、Ar、O2、及びCOの混合ガスをエッチングガスとする平行平板プラズマエッチング装置で行われ、酸化防止膜25がこのエッチングにおけるストッパ膜となり、酸化防止膜25上でエッチングは停止する。なお、このエッチングにおけるガス流量は特に限定されないが、この例ではC4F8を10〜20sccm、Arを300〜500sccm、O2を10〜20sccm、そしてCOを0〜50sccmとする。また、基板温度は−30〜0℃、圧力は4〜7Paに設定される。また、チャンバ内の上部電極(不図示)には、周波数が27.12MHzでパワーが1500〜2200Wの高周波電力が印加され、それにより上記のエッチングガスがプラズマ化される。
このようにして形成された第3〜第5ホール44c〜44eのうち、第4、第5ホール44d、44eは正常に形成される。
しかし、第3ホール44cは、エッチング生成物38がマスクとなるためその直径が細くなり、下部での直径が異常に小さくなる。
この後に、第2レジストパターン47は除去される。
次に、図6(a)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、平行平板プラズマエッチングチャンバ内にシリコン基板10を入れ、エッチングガスとしてCHF3、Ar、及びO2の混合ガスをそのエッチング装置に供給する。これにより、第3〜第5ホール44c〜44eの下の酸化防止膜25がエッチング雰囲気に曝されて除去され、これらのホールの下に第1〜第3コンタクトプラグ22a〜22cが露出すると共に、第1、第2ホール44a、44b内の異物が除去されて、上部電極33aと下部電極31aの上面が清浄化される。
なお、このエッチングの条件は特に限定されないが、この例では、CHF3、Ar、及びO2の流量をそれぞれ30〜50sccm、300〜500sccm、及び10〜20sccmに設定する。また、基板温度は0〜20℃に設定され、チャンバ内の圧力は4〜7Paとされる。更に、チャンバ内においてシャワーヘッドを兼ねる上部電極には、周波数が27.12MHzの高周波電力が1000〜1500Wのパワーで印加される。
このように、この例では、キャパシタQ上の浅い第1、第2ホール44a、44bを形成する工程とは別の工程において、第1〜第3ソース/ドレイン領域13a〜13c上の深い第3〜第5ホール44c〜44eを形成する。
これに対し、全てのホール44a〜44eを同時に形成することも考えられる。しかし、これでは、深い第3〜第5ホール44c〜44eに合わせてエッチング時間を設定しなければならず、第3〜第5ホール44c〜44eよりも浅く短時間で開口する第1ホール44aの下の上部電極33aがエッチング雰囲気に長時間曝されることになる。これでは、上部電極33aの下のキャパシタ誘電体膜32aがエッチング雰囲気によって劣化するので好ましくない。
一方、本実施形態では、上記のように浅い第1、第2ホール44a、44bと深い第3〜第5ホール44c〜44eとを別々に形成し、第3〜第5ホール44c〜44eを形成する際には第1、第2ホール44a、44bが第2レジストパターン47で覆われているので、キャパシタ誘電体膜32aが劣化するのを抑制することが可能となる。
更に、第1〜第3コンタクトプラグ22a〜22cは、本工程が終了するまで酸化防止膜25によって覆われているので、各コンタクトプラグ22a〜22cを構成するタングステンが酸化してコンタクト不良を起こすのが防止される。
次に、図6(b)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第1〜第5ホール44a〜44eの内面を清浄化するために、高周波電力でプラズマ化されたアルゴン雰囲気に各ホール44a〜44eの内面を曝し、その内面をスパッタエッチングする。そのエッチング量は、例えば、酸化シリコン膜の膜厚換算で約10nmとされる。その後に、第1〜第5ホール44a〜44eの内面と第2層間絶縁膜44の上面とに、スパッタ法によりグルー膜として窒化チタン膜を厚さ約75nmに形成する。
そして、CVD法によりグルー膜の上にタングステン膜を形成し、そのタングステン膜で第1〜第5ホール44a〜44eを完全に埋め込む。
その後に、第2層間絶縁膜44の上面上の余分なグルー膜とタングステン膜とをCMP法により研磨して除去し、これらの膜を各ホール44a〜44eの中に残す。第1、第2ホール44a、44b内に残されたこれらの膜は、それぞれ上部電極33aと下部電極31aコンタクト領域CRに電気的に接続される第1、第2導電性プラグ50a、50bとされる。また、第3〜第5ホール44c〜44e内に残されたこれらの膜は、第1〜第3コンタクトプラグ22a〜22cと電気的に接続される第3〜第5導電性プラグ50c〜50eとされる。
以上により、このFeRAMの基本構造が完成したことになる。
このFeRAMの製造方法によれば、図6(b)に示されるように、エッチング生成物38によって第3ホール44cの直径が細くなる。そのため、この第3ホール44c内に形成される第3導電性プラグ50cは、その下の第1コンタクトプラグ22aとのコンタクト面積が狭くなり、コンタクト不良となる恐れがある。こうなると、最終的に出来上がったFeRAMが不良となり、FeRAMの歩留まりを低下させることになる。
このような問題点に鑑み、本願発明者は、以下に説明するような本発明の実施の形態に想到した。
(2)本発明の実施の形態
図9〜図12は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。なお、図9〜図12において、図1〜図6で説明した要素にはこれらと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
まず、予備的事項で説明したように、図1(a)〜図3(b)の工程を行う。
次に、図9(a)に示すように、本体101に複数のブラシ102を設けてなるブラシスクラバ100を第2層間絶縁膜44に押し当てながら移動させ、エッチング生成物38を物理的に除去する。このような処理はブラシスクラバ処理と呼ばれる。そのブラシスクラバ処理の条件は特に限定されないが、本実施形態では、ブラシ加重を10gf/cm2とする。
図13は、この工程を終了した後の第1、第2ホール44a、44bのSEM像を元にして描いた図であり、図13の左側が第2ホール44b、右側が第1ホール44aである。
図7と図13とを比較して明らかなように、上記のブラシスクラバ処理によって、エッチング生成物38の個数が減ると共に、その大きさも小さくなる。
次に、図9(b)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第2層間絶縁膜44に対するウエット処理の第1ステップとして、60〜70重量%の硝酸中にシリコン基板20を約30秒間浸し、上記のブラシスクラバ処理で除去しきれなかったエッチング生成物38を化学的に溶解して除去する。
図14は、このようなウエット処理の第1ステップを終了した後の第1、第2ホール44a、44bのSEM像を元にして描いた図である。
図14と先の図13とを比較すると、硝酸を用いた第1ステップにより、エッチング生成物38の大部分が消失することが分かる。
ところで、既述のように、エッチング生成物38には、第1、第2ホール44a、44b内に露出する第2、第3アルミナ膜40、42をエッチングしたときに発生したアルミナも含まれる。
そこで、このアルミナ成分を除去するために、上記の第1ステップを終了した後は、ウエット処理の第2ステップとして、温度が40℃以上70℃以下、より好ましくは約50℃の温水中にシリコン基板20を約120秒間浸す。アルミナは温水に溶解するので、エッチング生成物38中のアルミナ成分がこの第2ステップにより略完全に除去されることになる。
なお、上記の処理温度の下限を40℃としたのは、温度がこれよりも低いとアルミナが溶解し難くなり、エッチング生成物38のアルミナ成分を除去するのが困難になるためである。また、処理温度の上限を70℃としたのは、これよりも高い温度で処理を行うと、アルミナの溶解の効果が高まりすぎ、第2、第3アルミナ膜40、42が溶解してしまうためである。
また、上記の温水に代えて、希フッ酸を用いることも考えられる。しかし、希フッ酸を用いたのでは、第2層間絶縁膜44を構成する酸化シリコン膜41、43が溶解し、第1、第2ホール44a、44bの直径が拡大してしまう。よって、これらのホール44a、44bが拡大するのが望ましくない場合には、希フッ酸ではなく上記の温水を用いるのが好ましい。
ここで、図9(a)のブラシスクラバ処理や、図9(b)の2ステップのウエット処理を行っても、第2層間絶縁膜44上にエッチング生成物38が未だ残存する場合がある。
そこで、エッチング生成物38を完全に除去するために、次の工程では、図10(a)に示すように、第2層間絶縁膜44に対して再びブラシスクラバ処理を施す。そのブラシスクラバ処理の条件は特に限定されないが、本実施形態ではブラシ加重を10gf/cm2とする。
図15は、このブラシスクラバ処理を行った後の第1、第2ホール44a、44bのSEM像を元にして描いた図である。
図15から明らかなように、ブラシスクラバ処理を再度行ったことにより、各ホール44a、44bの周りのエッチング生成物38がほぼ完全に除去することが可能となる。
この後は、図10(b)に示すように、第2層間絶縁膜44の上にフォトレジストを再び塗布し、それを露光、現像して第2レジストパターン47を形成する。その第2レジストパターン47は、第1、第2ホール44a、44bを覆うと共に、第1〜第3コンタクトプラグ22a〜22cのそれぞれの上にホール形状の第3〜第5窓47c〜47eを有する。
図9(a)のブラシスクラバ処理により、エッチング生成物38が第2層間絶縁膜44の上面から除去されているので、第2レジストパターン47の各窓47c〜47eの中にエッチング生成物38と重なるものは存在しない。
次いで、図11(a)に示すように、第3〜第5窓47c〜47eを通じて第2層間絶縁膜44、第1、2アルミナ膜27、40、及び絶縁性密着膜26をエッチングする。これにより、各コンタクトプラグ22a〜22cの上に、第1、第2ホール44a、44bよりも深い第3〜第5ホール44c〜44eが形成される。なお、このエッチング条件は図5(b)で説明したのと同様なので省略する。
このエッチングでは、マスクとなる第2レジストパターン47の下にエッチング生成物38が存在しないので、第3〜第5ホール44c〜44eにパターン不良は発生せず、これらのホールの直径は設計通りの値となる。
この後に、第2レジストパターン47は除去される。
次に、図11(b)に示すように、第1〜第5ホール44a〜44eの内面をエッチング雰囲気に曝すことにより、第3〜第5ホール44c〜44eの下に露出する酸化防止膜25をエッチングし、コンタクトプラグ22a〜22cの上面を露出させると共に、第1、第2ホール44a、44bのそれぞれに露出する上部電極33aと下部電極31aの表面を清浄化する。このときのエッチング条件としては、例えば、図5(b)で説明したのと同じ条件を採用し得る。
ところで、既述のように、図9(a)のブラシスクラバ処理とその後の図9(b)のウエット処理により、エッチング生成物38はほぼ完全に除去される。しかし、図11(b)の点線円内に示すように、そのエッチング生成物38が除去されずに第3〜第5ホール44c〜44e内に残ることがある。
このような場合でも、上記のように第3〜第5ホール44c〜44eの内面をエッチング雰囲気に曝すことで、ホール内のエッチング生成物38もエッチングされて除去されるので、第3〜第5ホール44c〜44e内に残存するエッチング生成物38に起因してコンタクト不良が発生するのを防止することが可能となる。
続いて、図12(a)に示すように、第1〜第5ホール44a〜44eのそれぞれに、図示のように第1〜第5導電性プラグ50a〜50eを形成する。これらの導電性プラグ50a〜50eの形成方法は、図6(b)で説明したのと同じなので、ここでは省略する。
次に、図12(b)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、第2層間絶縁膜44と第1〜第5導電性プラグ50a〜50eのそれぞれの上に、厚さが約60nmのチタン膜と厚さが約30nmの窒化チタン膜をこの順にスパッタ法により形成し、これらをバリアメタル層とする。次いで、このバリアメタル層の上に、金属積層膜として、スパッタ法により銅含有アルミニウム膜、チタン膜、及び窒化チタン膜をこの順にそれぞれ厚さ約360nm、5nm、70nmに形成する。
次いで、この金属積層膜の上に、不図示の酸窒化シリコン膜を反射防止膜として形成した後、フォトリソグラフィにより上記の金属積層膜とバリアメタル層とをパターニングして、一層目金属配線52a〜52cと導電性パッド52dとを形成する。
続いて、第3層間絶縁膜53としてプラズマCVD法により酸化シリコン膜を形成した後、CMP法によりその第3層間絶縁膜53を平坦化する。その後に、フォトリソグラフィにより第3層間絶縁膜53をパターニングして導電性パッド52dの上にホールを形成し、そのホール内にタングステン膜を主に構成される第6導電性プラグ54を形成する。
この後は、2層目〜5層目金属配線や、これらの金属配線の間に層間絶縁膜を形成する工程に移るが、その詳細については省略する。
以上により、本実施形態に係るプレーナ型のFeRAMの基本構造が完成したことになる。
上記した本実施形態によれば、図9(a)に示したように、パターニングにより第1、第2ホール44a、44bを形成した後の第2層間絶縁膜44に対しブラシスクラバ処理を行う。このブラシスクラバ処理では、上記のパターニングの際に発生したエッチング生成物38がブラシ102によって物理的に掻き落とされるので、ウエット処理のように化学的にエッチング生成物38を溶解する場合と比較して、エッチング生成物38を確実に除去することが可能となる。そのため、図11(a)の工程において層間絶縁膜44に深い第3〜第5ホール44c〜44eを形成するときに、エッチング生成物38によって各ホール44c〜44eが未開口となるのを防止できる。従って、これらのホール44c〜44e内に形成される第3〜第5導電性プラグ50c〜50e(図12(b)参照)が、その下の第1〜第3コンタクトプラグ22a〜22cと電気的に確実にコンタクトするようになる。その結果、第3〜第5導電性プラグ50c〜50eのコンタクト不良を抑止することが可能となり、ひいてはFeRAMの歩留まりを向上させることができる。
更に、上記のブラシスクラバ処理の後に、図9(b)で説明したように、硝酸による表面処理を第1ステップとするウエット処理を第2層間絶縁膜44に対して行うことで、スクラバ処理によって除去しれなかったエッチング生成物38が溶解し、エッチング生成物38をより一層確実に除去することが可能となる。
特に、本実施形態のように、第2、3アルミナ膜40、42を貫いて第1、第2ホール44a、44bを形成する場合には、エッチング生成物38の中にアルミナが含まれる。この場合、上記の第1ステップの後に、第2層間絶縁膜44を温水に曝す第2ステップを行うことで、エッチング生成物38のアルミナ成分を温水中に溶解して除去することができる。
更に、図11(b)の工程において、第1〜第5ホール44a〜44eの内面をエッチング雰囲気に曝す工程では、下部電極31aと上部電極33aの表面の清浄化と共に、第3〜第5ホール44c〜44e内に残存するエッチング生成物38がエッチングされて除去される。これにより、第3〜第5ホール44c〜44e内のエッチング生成物38によって第3〜第5導電性プラグ50c〜50e(図12(b)参照)にコンタクト不良が発生するのを防止できる。
なお、上記では、下部電極31aのコンタクト領域CR上に第2導電性プラグ50bが形成されるプレーナ型のFeRAMについて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、下部電極31aと電気的に接続される導電性プラグが下部電極の直下に形成されるスタック型のFeRAMに対しても本発明を適用し得る。
以下に、本発明の特徴を付記する。
(付記1) 半導体基板にMOSトランジスタを形成する工程と、
前記MOSトランジスタの上に第1層間絶縁膜を形成する工程と、
前記MOSトランジスタのソース/ドレイン領域の上の前記第1層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、
前記ソース/ドレイン領域と電気的に接続されるコンタクトプラグを前記コンタクトホール内に形成する工程と、
前記第1層間絶縁膜と前記コンタクトプラグのそれぞれの上に酸化防止膜を形成する工程と、
前記酸化防止膜の上に、下部電極、キャパシタ誘電体膜、及び上部電極を有するキャパシタを形成する工程と、
前記キャパシタを覆う第2層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2層間絶縁膜をパターニングすることにより、前記上部電極に至る深さの第1ホールを前記第2層間絶縁膜に形成する工程と、
前記第2層間絶縁膜をパターニングした後に、該第2層間絶縁膜の表面に対してブラシスクラバ処理を施す工程と、
前記ブラシスクラバ処理の後に、前記第2層間絶縁膜の表面をウエット処理する工程と、
前記ウエット処理の後に、前記酸化防止膜をエッチングストッパにしながら前記第2層間絶縁膜をパターニングすることにより、前記コンタクトプラグの上の前記第2層間絶縁膜に第2ホールを形成する工程と、
前記第1、第2ホールの内面をエッチング雰囲気に曝すことにより、前記第2ホールの下に露出する前記酸化防止膜をエッチングして除去し、前記コンタクトプラグの上面を露出させると共に、前記第1ホールに露出する前記上部電極の表面を清浄化する工程と、
前記上部電極と電気的に接続される第1導電性プラグを前記第1ホール内に形成する工程と、
前記コンタクトプラグと電気的に接続される第2導電性プラグを前記第2ホール内に形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記2) 前記第2層間絶縁膜として、アルミナ膜を含む積層膜を形成することを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
(付記3) 前記ウエット処理において、前記第2層間絶縁膜の表面を温水に曝すことを特徴とする付記2に記載の半導体装置の製造方法。
(付記4) 前記温水の温度を40℃以上70℃以下に設定することを特徴とする付記3に記載の半導体装置の製造方法。
(付記5) 前記ウエット処理において、前記第2層間絶縁膜の表面を硝酸に曝すことを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
(付記6) 前記ウエット処理の後に、前記第2層間絶縁膜の表面を再びブラシスクラバ処理することを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
(付記7) 前記酸化防止膜として、酸窒化シリコン膜を形成することを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
(付記8) 前記上部電極として、貴金属膜又は酸化貴金属膜を採用することを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記キャパシタを形成する工程において、前記下部電極のコンタクト領域を前記キャパシタ誘電体膜からはみ出して形成し、
前記第2層間絶縁膜に前記第1ホールを形成する工程において、前記下部電極の前記コンタクト領域に至る深さの第3ホールを前記第2層間絶縁膜に形成すると共に、
前記下部電極と電気的に接続される第3導電性プラグを前記第3ホール内に形成する工程を有することを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
(付記10) 前記下部電極として貴金属膜を採用することを特徴とする付記9に記載の半導体装置の製造方法。
(付記11) 前記第2ホールを形成する工程において、前記第1ホールをレジストパターンで覆うことを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
図1(a)〜(c)は、予備的事項におけるFeRAMの製造途中の断面図(その1)である。 図2(a)〜(c)は、予備的事項におけるFeRAMの製造途中の断面図(その2)である。 図3(a)、(b)は、予備的事項におけるFeRAMの製造途中の断面図(その3)である。 図4(a)、(b)は、予備的事項におけるFeRAMの製造途中の断面図(その4)である。 図5(a)、(b)は、予備的事項におけるFeRAMの製造途中の断面図(その5)である。 図6(a)、(b)は、予備的事項におけるFeRAMの製造途中の断面図(その6)である。 図7は、予備的事項の図4(a)の工程を終了した後における、第1ホールと第2ホールのSEM像を元にして描いた図である。 図8は、予備的事項の図4(b)の工程を終了した後における、第1ホールと第2ホールのSEM像を元にして描いた図である。 図9(a)、(b)は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その1)である。 図10(a)、(b)は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その2)である。 図11(a)、(b)は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その3)である。 図12(a)、(b)は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その4)である。 図13は、図9(a)のブラシスクラバ処理を終了した後における、第1ホールと第2ホールのSEM像を元にして描いた図である。 図14は、図9(b)のウエット処理の第1ステップを終了した後における、第1ホールと第2ホールのSEM像を元にして描いた図である。 図15は、図10(a)のブラシスクラバ処理を終了した後における、第1ホールと第2ホールのSEM像を元にして描いた図である。
符号の説明
10…シリコン基板、11…素子分離絶縁膜、12…pウェル、13a〜13c…第1〜第3ソース/ドレイン領域、15a、15b…ゲート電極、16…絶縁性サイドウォール、17…高融点金属シリサイド層、18…ゲート絶縁膜、19…窒化シリコン膜、20…酸化シリコン膜、21…第1層間絶縁膜、22a〜22c…第1〜第3コンタクトプラグ、25…酸化防止膜、26…絶縁性密着膜、27…第1アルミナ膜、31…第1導電膜、31a…下部電極、32…強誘電体膜、32a…キャパシタ誘電体膜、33…第2導電膜、33a…上部電極、38…エッチング生成物、40…第2アルミナ膜、41…酸化シリコン膜、42…第3アルミナ膜、43…酸化シリコン膜、44…第2層間絶縁膜、44a〜44e…第1〜第5ホール、45…第1レジストパターン、45a、45b…第1、第2窓、47…第2レジストパターン、47c〜47e…第3〜第5窓、50a〜50e…第1〜第5導電性プラグ、52a〜52c…一層目金属配線、52d…導電性パッド、53…第3層間絶縁膜、54…第6導電性プラグ、100…ブラシスクラバ、101…本体、102…ブラシ。

Claims (10)

  1. 半導体基板にMOSトランジスタを形成する工程と、
    前記MOSトランジスタの上に第1層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記MOSトランジスタのソース/ドレイン領域の上の前記第1層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、
    前記ソース/ドレイン領域と電気的に接続されるコンタクトプラグを前記コンタクトホール内に形成する工程と、
    前記第1層間絶縁膜と前記コンタクトプラグのそれぞれの上に酸化防止膜を形成する工程と、
    前記酸化防止膜の上に、下部電極、キャパシタ誘電体膜、及び上部電極を有するキャパシタを形成する工程と、
    前記キャパシタを覆う第2層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記第2層間絶縁膜をパターニングすることにより、前記上部電極に至る深さの第1ホールを前記第2層間絶縁膜に形成する工程と、
    前記第2層間絶縁膜をパターニングした後に、該第2層間絶縁膜の表面に対してブラシスクラバ処理を施す工程と、
    前記ブラシスクラバ処理の後に、前記第2層間絶縁膜の表面をウエット処理する工程と、
    前記ウエット処理の後に、前記酸化防止膜をエッチングストッパにしながら前記第2層間絶縁膜をパターニングすることにより、前記コンタクトプラグの上の前記第2層間絶縁膜に第2ホールを形成する工程と、
    前記第1、第2ホールの内面をエッチング雰囲気に曝すことにより、前記第2ホールの下に露出する前記酸化防止膜をエッチングして除去し、前記コンタクトプラグの上面を露出させると共に、前記第1ホールに露出する前記上部電極の表面を清浄化する工程と、
    前記上部電極と電気的に接続される第1導電性プラグを前記第1ホール内に形成する工程と、
    前記コンタクトプラグと電気的に接続される第2導電性プラグを前記第2ホール内に形成する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第2層間絶縁膜として、アルミナ膜を含む積層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。
  3. 前記ウエット処理において、前記第2層間絶縁膜の表面を温水に曝す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。
  4. 前記温水の温度を40℃以上70℃以下に設定することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記ウエット処理において、前記第2層間絶縁膜の表面を硝酸に曝す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。
  6. 前記ウエット処理の後に、前記第2層間絶縁膜の表面を再びブラシスクラバ処理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。
  7. 前記酸化防止膜として、酸窒化シリコン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。
  8. 前記上部電極として、貴金属膜又は酸化貴金属膜を採用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。
  9. 前記キャパシタを形成する工程において、前記下部電極のコンタクト領域を前記キャパシタ誘電体膜からはみ出して形成し、
    前記第2層間絶縁膜に前記第1ホールを形成する工程において、前記下部電極の前記コンタクト領域に至る深さの第3ホールを前記第2層間絶縁膜に形成すると共に、
    前記下部電極と電気的に接続される第3導電性プラグを前記第3ホール内に形成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。
  10. 前記下部電極として貴金属膜を採用することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
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