JP3954667B2 - 強誘電性キャパシタの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は強誘電性の薄膜を有するキャパシタの製造方法に係り、特にFRAM(Ferroelectric Random Access Memory)にメモリセルとして用いられる強誘電性キャパシタの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
強誘電性のキャパシタは電荷の伝達のために伝導性のよい上下電極とこの間の強誘電体を備える。このような強誘電体を用いたキャパシタは先ず基板上に下部電極を形成し、この上に強誘電体を被せ、そしてその上に上部電極を形成した後、所定パターンに加工するようにしている。上部電極を加工するための方法は先ずフォトリソグラフィ法により上部電極上にマスクを形成し、引き続きマスクに覆われない電極の一部位をエッチングする。エッチング法には湿式エッチング、イオンビームエッチング、反応性のイオンエッチング、反応性イオンビームエッチング法などがある。ところが、イオンビームエッチング、反応性イオンエッチング又は反応性イオンビームエッチング工程の場合には上部電極やこの下部の強誘電体の表面または電極と強誘電体の界面にイオンが集中されるようにコアシブ電流(Coercive Current)を増加させる充電現象を誘発させる。
【0003】
一般に強誘電体物質を加工するのには反応性のイオンエッチング法が、電極の加工にはイオンビームエッチング法が適用されるが、電極の加工のためのイオンビームエッチング法は不活性ガスを利用して物理的に物質を加工する方法である。このようなイオンビームエッチング法はプラズマの密度が低いためにエッチング速度が遅く、物理的な衝撃と充電効果によってキャパシタに損傷を与える。反面、強誘電体物質の加工のために広く用いられる反応性のイオンエッチングもエッチングの速度が遅く、マスク物質として主に用いられているフォトレジストに対する選択度が極めて低いため、金属性のマスクを適用しなければならない欠点がある。したがって、強誘電体物質と電極物質の加工のためにより速いエッチング速度と高い選択度などを与える新たなエッチング方法が求められる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、強誘電体物質と電極物質のエッチング速度を向上させ各物質に対する選択度を増加させて高密度の強誘電性のキャパシタを製作する方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の強誘電性のキャパシタの製造方法は、(a)基板に下部Pt電極、PZTよりなる強誘電性薄膜及び上部Pt電極を順次に形成する段階と、(b)前記上部Pt電極上にフォトレジスト膜を形成する段階と、(c)前記フォトレジストを所定の形状にパターニングする段階と、(d)RFコイルが周囲に巻き取られたプラズマエッチング装置のチャンバ内のホールダに前記基板を装着する段階と、(e)前記ホールダに所定のDCセルフバイアス電圧を印加する段階と、(f)前記チャンバ内に所定の組成比のArガス、塩素系ガス及びフッ素系ガスの混合ガスを注入する段階と、(g)前記RFコイルに所定の周波数と電圧のRFパワーを印加して前記チャンバ内に誘導性プラズマを発生させる段階と、(h)前記誘導性プラズマにより前記フォトレジスト膜に覆われない部分から前記上部Pt電極および前記強誘電性薄膜をエッチングする段階とを含み、前記上部Pt電極および前記強誘電性薄膜をエッチングする段階は、前記混合ガスが前記Arガスに対して0〜10%の組成比を有するCl 2 ,C 2 F 6 ガスを前記Cl 2 :前記C 2 F 6 が3:2となるように含み、前記RFパワーが600W以上、前記DCセルフバイアス電圧が300V以上、前記混合ガスが5mTorr以下の圧力となるようにして、前記上部Pt電極をエッチングし、前記混合ガスが前記Arガスに対して30〜40%の組成比を有するCl 2 ,C 2 F 6 ガスを前記Cl 2 :前記C 2 F 6 が3:2となるように含み、前記RFパワーが600W以下、前記DCセルフバイアス電圧が500V以下、前記混合ガスが5mTorr以上の圧力となるようにして、前記前記強誘電性薄膜をエッチングすることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施例をさらに詳細に説明する。
【0009】
本発明の製造方法は既存の製造方法とその工程順序においては同様である。
【0010】
図1に示したように、シリコン基板10の上にSiO2 絶縁層20を形成する。この絶縁層20はFRAMから求められたその下部の素子、例えばトランジスタ(図示せず)との電気的絶縁のためのものである。
【0011】
絶縁層20が形成されれば、後述するPt下部電極40の接着性強化のための接着層30を図2に示したように、Tiなどの素材で形成する。
【0012】
図3に示したように、接着層30の上に下部電極40をPtを蒸着して形成する。下部電極40を形成する方法としては一般的なDCマグネトロンスパッタリング蒸着法が適用される。
【0013】
図4に示したように前記下部電極40の上に強誘電体層50を形成する。この強誘電体層50はPZT(PbZrX Ti1-X O3 ),Y1series(SrBi2 Ta2 O9 ),BST(Bax Sr1-x TiO3 )などの素材が使用されることができ、積層工程はゾル・ゲル(sol−gel)法に依存する。この積層工程においてはスピンコータによる強誘電体溶液の塗布、所定温度帯でのベーキング過程を数回繰り返しながら、最終的にアニーリング工程を経て所望の強誘電層を形成する。
【0014】
図5に示したように前記強誘電体層50の上にPt上部電極60を形成する。この上部電極60の形成は前記下部電極40の形成工程と同様の蒸着法が適用される。
【0015】
上部電極60の形成が完了すれば、フォトリソグラフィ法によるパターニングのために先ず図6に示したようにフォトレジスト層70を形成し、目的の形状にパターニングする。
【0016】
そして、図7に示したように、パターニングされたフォトレジスト層70をマスクとして適用して高密度で誘導されたプラズマを利用したエッチング法によって下部電極40上の強誘電層50までエッチングして目的のキャパシタを得る。
以上の構造において、前記強誘電体層50、上下部電極40,60の間には導電性酸化物電極、例えばRuOx 電極が介されうる。そして、反応ガスとしては塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスを使用する。塩素系ガスとしてはCF4 ,CHF3 ,C2 F6 、フッ素系ガスとしてはCCl2 F2 とCHClFCF3 などがある。しかしながら、望ましくは反応ガスをCl2 +C2 F6 の混合ガスを用いる。
【0017】
以下、高密度で誘導されたプラズマエッチング法による実験結果は次の通りである。
【0018】
先ず、プラズマエッチング装置内のホールダにエッチング対象であるウェーハを装着する。この際にホールダの温度を10℃程度に保たせる。そして、プラズマエッチングのためのチャンバを先ず真空状態に維持させた状態で反応ガスであるAr,C2 F6 ,Cl2 ガスを注入しながらプラズマを発生させてエッチングする。この際、チャンバの周囲を取り囲んでいる磁気場形成装置、即ちRFコイルには13.56MHzのパルスを600W程度のパワーで印加し、ホールダのバイアス電圧は−300Vとする。よく知られたようにホールダのバイアスのため、ホールダに直接的に直流電圧が加えられ、第2のRFパワーを印加することもできる。一方、チャンバは電気的に浮遊状態とすることが望ましい。かつ、プラズマの密度は1011/cm3 とする。
【0019】
図8は反応ガス含量比の変化による各層別のエッチング速度を示す。
【0020】
ここで、トータルガスが25sccmであって、Arガスに対するCl2 ガスとC2 F6 ガスの含量を変化させ、Cl2 ガスとC2 F6 ガスの比は3:2とした場合である。図8において、(a)はフォトレジストのエッチング速度の変化、(b)はPZT、そして(c)はPt下部電極のエッチング速度の変化を示す(以下の図面においても同様)。示したように、純粋アルゴンガスのみが使用された場合にPt電極のエッチング速度が最も速く、PZTのエッチング速度は約60%程度で最も速く、Ptに対するPZTの選択度は約40%で最も高い。かつ、Cl2 +C2 F6 混合ガスの濃度が10%以下のとき、Ptのエッチング速度はPZTに比して高くなる。
【0021】
図9はArガスに対して10%のCl2 +C2 F6 混合ガスが混合された状態で、RFコイルに印加されるパワーの変化によるエッチング速度の変化を示す。示したように、コイルのパワーの増加によりPtとPZT薄膜のエッチング速度は速くなり、PZTよりPt薄膜のエッチング速度がさらに速くなることによりPtに対するPZTの選択度は徐々に減少する。そして、600W以上のRFパワーでPtのエッチング速度はPZTに比して高くなる。
【0022】
図10はArガスに10%のCl2 +C2 F6 混合ガスが混合された状態で、ホールダのバイアス電圧の変化によるエッチング率の変化を示す。示したように、バイアス電圧が300Vの付近でPtとPZTのエッチング率は類似であり、DCバイアス電圧が300V以上に増加することによりPt薄膜のエッチング速度が速くなり、Ptに対するPZTの選択度は減少した。
【0023】
一方、図11はガス圧力変化によるエッチング速度の変化を示す。この際にガス分布はAr:Cl2 :C2 F6 が22.5:1.5:1(sccm)であり、RFコイルには600Wの電力を供給し、そしてホールダのバイアス電圧は−300Vとした。示したように、圧力が増えるほどPt薄膜のエッチング速度は急激に落ちるが、PZTのエッチング速度はあまり変わらない。したがって、以上のような第1実施例の実験結果から分るように、Pt/PZT/Pt強誘電体キャパシタの製造においてPt上部電極のエッチングのためにPZTに対するPtの選択度を高めるための条件は、0乃至10%のCl2 +C2 F6 混合ガスが含まれたアルゴンガス雰囲気下でコイルのパワーを600W以上に調節し、DCバイアス電圧は300V以上、ガス圧力は5mtorr以下を保つことである。
【0024】
図12乃至図14はCl2 +C2 F6 混合ガスをArガスに対して30%を混合した場合のエッチング速度を示す。図12はコイルに対するRFパワーの変化によるエッチング速度の変化を示す。図12に示したように、RFパワーの増加によりPZT、Ptのエッシング速度が速くなり、反面にPtに対するPZTの選択度は減少する。
【0025】
図13はホールダのDCバイアス電圧の変化によるエッチング速度の変化を示す。図13に示したように、DCバイアス電圧の増加によりPZT、Ptのエッチング速度は速くなり、Ptに対するPZTの選択度は減少する。
【0026】
図14はガス圧力の変化によるエッチング速度の変化を示す。図14に示したように、ガス圧力の増加によりPZTのエッチング速度が徐々に落ち、反面にPtのエッチング速度は急激に落ち、Ptに対するPZTの選択度は増加する。
【0027】
以上のような第2実施例の実験結果から分るように、30乃至40%のCl2 +C2 F6 混合ガスの含まれたアルゴンガス雰囲気中でコイルのパワーを600W以下に調節し、DCセルフバイアス電圧は500V以下、そしてガス圧力は5mTorr以上に保つことが最適のエッチング条件である。
【0028】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明の製造方法によると、強誘電体物質と電極物質のエッチング速度を著しく増加させ、特にフォトレジストによる強誘電体物質と電極物質の選択度を向上させ得ることにより、フォトレジストをマスク物質として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による一実施の形態の製造工程を工程順に説明するための図面である。
【図2】 図1に続く製造工程の図面である。
【図3】 図2に続く製造工程の図面である。
【図4】 図3に続く製造工程の図面である。
【図5】 図4に続く製造工程の図面である。
【図6】 図5に続く製造工程の図面である。
【図7】 図6に続く製造工程の図面である。
【図8】 反応ガス含量比の変化による各層別のエッチング率を示す。
【図9】 3:2の混合比のCl2 +C2 F6 混合ガスをアルゴンガスに対して10%を混合した状態でRFコイルに印加されるパワーの変化によるエッチング率の変化を示す。
【図10】 3:2の混合比のCl2 +C2 F6 混合ガスをアルゴンガスに対して10%を混合した状態でホールダのバイアス電圧の変化によるエッチング率の変化を示す。
【図11】 3:2の混合比のCl2 +C2 F6 混合ガスをアルゴンガスに対して10%を混合した状態でガス圧力の変化によるエッチング率の変化を示す。
【図12】 3:2の混合比のCl2 +C2 F6 混合ガスをアルゴンガスに対して30%を混合した状態でRFコイルに印加されるパワーの変化によるエッチング率の変化を示す。
【図13】 3:2の混合比のCl2 +C2 F6 混合ガスをアルゴンガスに対して30%を混合した状態でホールダのバイアス電圧の変化によるエッチング率の変化を示す。
【図14】 3:2の混合比のCl2 +C2 F6 混合ガスをアルゴンガスに対して30%を混合した状態でガス圧力の変化によるエッチング率の変化を示す。
【符号の説明】
10 シリコンウェーハ
20 絶縁層
30 接着層
40 下部電極
50 強誘電体層
60 上部電極
70 フォトレジスト層
Claims (2)
- (a)基板に下部Pt電極、PZTよりなる強誘電性薄膜及び上部Pt電極を順次に形成する段階と、
(b)前記上部Pt電極上にフォトレジスト膜を形成する段階と、
(c)前記フォトレジストを所定の形状にパターニングする段階と、
(d)RFコイルが周囲に巻き取られたプラズマエッチング装置のチャンバ内のホールダに前記基板を装着する段階と、
(e)前記ホールダに所定のDCセルフバイアス電圧を印加する段階と、
(f)前記チャンバ内に所定の組成比のArガス、塩素系ガス及びフッ素系ガスの混合ガスを注入する段階と、
(g)前記RFコイルに所定の周波数と電圧のRFパワーを印加して前記チャンバ内に誘導性プラズマを発生させる段階と、
(h)前記誘導性プラズマにより前記フォトレジスト膜に覆われない部分から前記上部Pt電極および前記強誘電性薄膜をエッチングする段階とを含み、
前記上部Pt電極および前記強誘電性薄膜をエッチングする段階は、
前記混合ガスが前記Arガスに対して0〜10%の組成比を有するCl 2 ,C 2 F 6 ガスを前記Cl 2 :前記C 2 F 6 が3:2となるように含み、前記RFパワーが600W以上、前記DCセルフバイアス電圧が300V以上、前記混合ガスが5mTorr以下の圧力となるようにして、前記上部Pt電極をエッチングし、
前記混合ガスが前記Arガスに対して30〜40%の組成比を有するCl 2 ,C 2 F 6 ガスを前記Cl 2 :前記C 2 F 6 が3:2となるように含み、前記RFパワーが600W以下、前記DCセルフバイアス電圧が500V以下、前記混合ガスが5mTorr以上の圧力となるようにして、前記前記強誘電性薄膜をエッチングすることを特徴とする強誘電性キャパシタの製造方法。 - 前記RFパワーの周波数は13.56MHzであることを特徴とする請求項1に記載の強誘電性キャパシタの製造方法。
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