JP3896123B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラチナ層を有する半導体装置の製造方法に係り、特にプラズマを用いて上記半導体装置をクリーニングする方法に関する。

プラチナ（Ｐｔ）は近年、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）等の電極材料として半導体装置に多く使用されている。ＤＲＡＭやＦｅＲＡＭ等の高密度化に伴い、プラチナ層を微細にエッチングすることが必要になってきている。

ところで、プラチナのような蒸気圧の低い材料からなる薄膜のエッチングにおいては、物理的なエッチングが主体となる。例えば、処理容器内にプラズマを発生させる。そして、被処理基板を載置した電極にバイアス電力を印加してプラズマ中に電界を発生させ、この電界によってプラズマ中のイオンを被処理基板表面に引き寄せてエッチングする。

しかし前述したように、プラチナのように蒸気圧の低い材料をエッチングする際には物理的なエッチングが主体となるため、エッチング生成物が揮発しない。よって、被処理基板表面に直径数ｎｍの極微小なプラチナ粒子が付着する。このようにプラチナからなるエッチング生成物が被処理基板表面に付着することによって、被処理基板を含む半導体装置の電気的特性が劣化してしまう。

また、この種の関連技術として、プラチナのエッチング生成物を再付着なく行う技術が開示されている（特許文献１参照）。
特表２００２−５３７６４５号公報

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、プラチナ層のエッチング工程において半導体装置等に付着したプラチナ粒子を除去することができ、これにより半導体装置の電気的特性の劣化を防止することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一視点に係る半導体記憶の製造方法は、プラチナを主体とする導電層と、この導電層上に設けられかつ絶縁体からなるマスク層とを有する被処理基板を含む半導体装置の製造方法であって、前記マスク層をマスクとして前記導電層をエッチングする工程と、プラズマを発生させ、このプラズマ中のイオンによってエッチング生成物が付着した前記被処理基板をクリーニングする工程とを具備し、前記クリーニングする工程は、前記被処理基板を３００℃以上の温度に加熱する工程と、塩素と窒素とを含み且つ前記塩素と窒素との原子比が９対１乃至５対５であるガスを導入する工程と、前記イオンが前記被処理基板に入射するように、前記被処理基板が載置される電極に電力を印加する工程とから成り、前記電力は、前記電極の単位面積あたり０．０２Ｗ／ｃｍ^２以下である。

本発明によれば、プラチナ層のエッチング工程において半導体装置等に付着したプラチナ粒子を除去することができ、これにより半導体装置の電気的特性の劣化を防止することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本発明の一実施形態に係るクリーニング装置の構成を示す概略断面図である。クリーニング装置は、容器１と、電極２と、コイル３と、ヒータ４と、高周波電源５と、バイアス電源６と、排気ポンプ７と、塩素ガス導入部８と、窒素ガス導入部９とを有している。

容器１は、金属製底板１ａと、石英製円筒状側板１ｂと、金属製天板１ｃとから構成されている。容器１内は、真空に保持される。容器１の外側且つ底面には、底板１ａに接するようにヒータ４が配設されている。ヒータ４は、電極２（具体的には、ウエハ１０）を所定の温度に加熱する。容器１内の底面には、電極２が配設されている。

電極２には、バイアス電源６が接続されている。バイアス電源６は、例えば周波数１３．５６ＭＨｚのバイアス電力を電極２に供給する。電極２の上には、被処理器体としてのウエハ１０が載置されている。なお、ウエハ１０が載置される電極２は、プラズマ中のイオンがウエハ１０に入射する際のエネルギーを制御する役割を持っている。

容器１の周囲には、コイル３が巻かれている。コイル３の一端は、接地されている。コイル３の他端には、高周波電源５が接続されている。高周波電源５は、例えば周波数１．８ＭＨｚの高周波電力をコイル３に供給する。この高周波電力により、容器１内にプラズマが発生する。なお、バイアス電力或いは高周波電力の周波数は一例であり、所定の電力が供給されれば、任意に設定可能である。

容器１の底面には排気孔が設けられており、この排気孔には排気ポンプ７が接続されている。排気ポンプ７は、容器１内のガスを排気する。容器１の上面にはガス導入孔が設けられており、このガス導入孔には塩素ガス導入部８と、窒素ガス導入部９とが接続されている。塩素ガスは、塩素ガス導入部８を介して容器１内に導入される。窒素ガスは、窒素ガス導入部９を介して容器１内に導入される。容器１内の圧力は、排気ポンプ７の排気量と、塩素ガス及び窒素ガスの流量とにより一定圧力に設定される。

ウエハ１０は、プラチナ層を有している。また、プラチナ層の上、或いはプラチナ層の上にマスク層（例えば、ＳｉＯ_２からなる）が設けられている場合には当該マスク層の上には、プラチナ層をエッチングした際に生成されるエッチング生成物（プラチナ粒子）が付着している。図２は、ウエハ１０の一例を示す断面図である。ウエハ１０は、例えばＦｅＲＡＭにより構成されている。

シリコン基板２０上には、ゲート絶縁膜２２を介してゲート電極２３が形成されている。ゲート電極２３の両側のシリコン基板２０内には、ソース及びドレイン領域２１が形成されている。スイッチングトランジスタ（ソース及びドレイン領域２１と、ゲート絶縁膜２２と、ゲート電極２３とからなる）は、層間絶縁膜２５により被覆されている。この層間絶縁膜２５は、例えばＳｉＯ_２により構成される。

スイッチングトランジスタの一方の端子、即ち一方のソース／ドレイン領域２１上には層間絶縁膜２５を貫通してコンタクトプラグ２４が形成されている。このコンタクトプラグ２４は、例えばタングステンにより構成される。コンタクトプラグ２４には、強誘電体キャパシタが接続されている。

強誘電体キャパシタは、下部電極２６と、強誘電体膜２７と、上部電極２８とから構成されている。下部電極２６は、イリジウム層２６ａと、酸化イリジウム層２６ｂと、プラチナ層２６ｃとが順次積層されて構成されている。下部電極２６の上には、強誘電体膜２７が形成されている。強誘電体膜２７は、例えばＰＺＴ（ＰｂＺｒ_ｘＴｉ_１−ｘＯ_３）により構成される。強誘電体膜２７の上には、上部電極２８が形成されている。上部電極２８は、プラチナにより構成される。

このように構成されたウエハ１０を形成する場合、プラチナにより構成された上部電極２８を所望の形状にエッチングする必要がある。このエッチング工程は、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法が用いられる。

具体的には、上部電極２８の上に、マスク層２９を形成する。このマスク層２９は、例えばＳｉＯ_２により構成される。そして、ウエハ１０を高周波電力が印加可能な電極の上に載置する。次に、塩素ガスをプラズマ処理容器内に導入する。そして、プラズマ処理容器内にプラズマを発生させる。かかるプラズマの発生により、上記塩素ガスがプラズマ中において解離し、吸着性の中性粒子やエッチング反応を促進するイオン等が形成される。かかる中性粒子やイオンがウエハ１０に入射することにより、ウエハ１０上において所望のエッチングが実現される。

このような方法でプラチナをエッチングすると、図２に示すように、エッチング生成物としての極微小なプラチナ粒子３０がマスク層２９の上、強誘電体キャパシタの側面、或いは層間絶縁膜２５の上（図示せず）等に付着する。なお、ウエハ１０は、もちろんＦｅＲＡＭに限定されず、プラチナ層を有する被処理基板であればよい。

次に、プラチナ粒子３０をクリーニングする方法について説明する。先ず、プラチナ粒子３０が付着したウエハ１０を電極２の上に載置する。次に、ヒータ４により、電極２を例えば３５０℃に加熱する。この際、電極２の上に載置されたウエハ１０も略３５０℃になっている。

次に、塩素ガスと窒素ガスとを容器１内に導入する。この際、塩素ガスと窒素ガスとの混合ガスの流量を、例えば２００ＳＣＣＭに設定する。また、容器１内の圧力を例えば２Ｐａに保持する。この圧力の設定は、前述したように排気ポンプ７を用いて行う。

次に、高周波電源５の電力を１０００Ｗに設定する。また、バイアス電源６の単位面積当たりの電力（印加電力を電極２の面積で割り、単位面積当たりの電力に換算した値）を０．０２Ｗ／ｃｍ^２に設定する。これにより、容器１内にはプラズマが発生し、さらにプラズマ中のイオンがウエハ１０に入射する。

図３は、ガスと選択比との関係を示す図である。縦軸は、ＳｉＯ_２に対するプラチナのエッチング速度の比（選択比）を表している。横軸は、塩素ガスと窒素ガスとの混合ガスに対する塩素ガスの比、すなわちＣｌ_２／（Ｃｌ_２＋Ｎ_２）を表している。なお、横軸を塩素と窒素との原子比で表しても図３と同様の関係が成り立つ。

塩素ガスと窒素ガスとの比を変化させて、選択比の値を測定した。図３に示すように、塩素ガスと窒素ガスとの比が５対５乃至９対１の範囲で選択比が７以上であることが分かる。この範囲でプラチナ粒子３０が付着したウエハ１０を１分間クリーニング処理したところ、ＳｉＯ_２からなるマスク層２９上の極微小なプラチナ粒子３０を除去することが可能であった。また、強誘電体キャパシタの側面（具体的には、プラチナ層からなる上部電極２８の側面や強誘電体膜２７等）に付着したプラチナ粒子３０についても除去することが可能であった。さらに、プラチナ層が形成されていない部分の基板表面（図２においては、層間絶縁膜２５の上）に付着したプラチナ粒子３０についても除去することが可能であった。その際、マスク層２９及び上部電極２８がエッチングされたり、或いは膜厚が減少することはなかった。

ここで、選択比が７未満の場合、マスク層２９としてのＳｉＯ_２がエッチングされてしまう場合があった。また、選択比が７未満の場合、強誘電体キャパシタの形状が変化してしまう場合があった。よって、本実施形態では、選択比が７以上であることが好ましい。

なお、選択比が７以上であるということは、プラチナとＳｉＯ_２との関係の場合である。マスク層の材料が変われば、当然選択比も変わってくる。マスク層の材料としては、例えば、ＳｉＮ、アルミナ或いはチタン酸化物等がある。これらのマスク層を使用しても、図３と類似した関係があり、塩素ガスと窒素ガスとの比が５対５乃至９対１の範囲であれば、クリーニング工程としては高い選択比が得られた。一例を挙げると、マスク層としてＳｉＮを用いた場合、ＳｉＯ_２よりも高い選択比が得られた。

また、図３に示すように、塩素ガスと窒素ガスとの比が８対２乃至８．５対１．５の範囲であれば、より高い選択比（選択比が９以上）が得られた。この範囲であれば、より精度の高いクリ−ニング処理を行うことができる。また、クリーニング処理時間が長くなっても、マスク層２９及び上部電極２８がエッチングされたり、或いは膜厚が減少することを防止可能である。

次に、電極２に供給するバイアス電力と、ＳｉＯ_２に対するプラチナの選択比との関係について説明する。図４は、塩素ガスと窒素ガスとの比が５対５の場合におけるバイアス電力と選択比との関係を示す図である。なお、バイアス電源６が供給するバイアス電力以外は、前述した条件と同じである。

電極２に供給するバイアス電力は、容器１内に発生したプラズマ中のイオンに対して、イオンが有するエネルギーを制御している。すなわち、バイアス電力を大きくすると、イオンのエネルギーを高めることができる。一方、バイアス電力を小さくすると、イオンのエネルギーを低くすることができる。

バイアス電力を変化させて、上記バイアス電力に対応する選択比の値を測定した。図４に示すように、バイアス電源６が供給するバイアス電力が０．０２Ｗ／ｃｍ^２以下の場合に、選択比が７以上であった。この範囲でプラチナ粒子３０が付着したウエハ１０を１分間クリーニング処理したところ、ＳｉＯ_２からなるマスク層２９上の極微小なプラチナ粒子３０を除去することが可能であった。また、強誘電体キャパシタの側面に付着したプラチナ粒子３０についても除去することが可能であった。さらに、層間絶縁膜２５上に付着したプラチナ粒子３０についても除去することが可能であった。その際、マスク層２９及び上部電極２８がエッチングされたり、或いは膜厚が減少することはなかった。

また、図４に示すように、バイアス電力が０．０１５Ｗ／ｃｍ^２以下であれば、より高い選択比（選択比が９以上）が得られた。この範囲であれば、より精度の高いクリ−ニング処理を行うことができる。また、クリーニング処理時間が長くなっても、マスク層２９及び上部電極２８がエッチングされたり、或いは膜厚が減少することを防止可能である。

また、本実施形態では、ウエハ１０を３５０℃に加熱している。しかし、３００℃以上であれば、上記同様の効果を得ることができる。さらに３５０℃以上であればより好ましく、塩素ガスと窒素ガスとの比が５対５乃至９対１の範囲であれば、選択比を７以上にすることが可能であった。

ところで、本実施形態で使用するガスは、塩素ガス或いは窒素ガスに限定されるものではない。塩素を含むガス或いは窒素を含むガスであれば、上記同様にプラチナ粒子３０のクリーニング処理を行うことが可能である。塩素を含むガスとしては、Ｃｌ_２、ＨＣｌ、ＣｌＦ_３、ＣＣｌ_４、ＢＣｌ_３等がある。また、窒素を含むガスとしては、Ｎ_２、ＮＨ_３、ＮＯ、ＮＯ_２、ＮＦ_３等がある。

塩素を含むガスの上記グループから選ばれた１つのガスと窒素を含むガスの上記グループから選ばれた１つのガスとを使用してプラチナ粒子３０のクリーニング処理を行った。なお、導入するガスの種類以外は、図３の測定条件と同じである。

この場合、塩素を含む上記グループから選ばれたガスと窒素を含む上記グループから選ばれたガスとの容量比が５対５乃至９対１の範囲であれば、図３に示した関係と同様の関係が得られた。すなわち、プラチナ粒子３０のクリーニング処理としては高い選択比が得られ、ＳｉＯ_２からなるマスク層２９上の極微小なプラチナ粒子３０を除去することが可能であった。また、強誘電体キャパシタの側面に付着したプラチナ粒子３０についても除去することが可能であった。その際、マスク層２９及び上部電極２８がエッチングされたり、或いは膜厚が減少することはなかった。

塩素ガスと窒素ガスとの比が８対２乃至８．５対１．５の範囲であれば、より高い選択比が得られた。この範囲であれば、より精度の高いクリ−ニング処理を行うことができる。また、クリーニング処理時間が長くなっても、マスク層２９及び上部電極２８がエッチングされたり、或いは膜厚が減少することを防止可能である。

また、塩素を含むガスと窒素を含むガスとの容量比が５対５の場合におけるバイアス電力と選択比との関係についても、バイアス電源６が供給するバイアス電力が０．０２Ｗ／ｃｍ^２以下の場合に、クリーニング処理としては高い選択比が得られた。さらに、バイアス電力が０．０１５Ｗ／ｃｍ^２以下であれば、より高い選択比が得られた。この範囲であれば、より精度の高いクリーニング処理を行うことができる。

また、ウエハ１０を加熱する温度についても上記同様である。すなわち、本実施形態ではウエハ１０を３５０℃に加熱しているが、３００℃以上であれば、プラチナ粒子３０のクリーニング処理としては高い選択比を得ることができる。さらに３５０℃以上であればより好ましく、選択比を向上することができる。

以上詳述したように本実施形態では、プラズマを発生させてプラチナ層を有するウエハ１０をクリーニングする工程において、導入するガスとして塩素と窒素とを使用し、塩素と窒素との原子比を５対５乃至９対１の範囲にしている。また、ウエハ１０を載置する電極２に供給するバイアス電力を０．０２Ｗ／ｃｍ^２以下にしている。さらに、ウエハ１０を加熱する温度を３００℃以上にするようにしている。

したがって本実施形態によれば、プラチナ層のエッチング工程において半導体装置等に付着したプラチナ粒子を除去することができる。プラチナ粒子を除去する効果としては、例えば以下のようなものがある。

先ず、プラチナは導電性を有するため、ショートする原因となる。このため、半導体装置にプラチナ粒子３０が付着していると、半導体装置の電気的特性が劣化してしまう。しかし、本実施形態では、プラチナ粒子３０を除去することができるため、半導体装置の電気的特性が劣化するのを防止することが可能となる。

また、例えば強誘電体キャパシタの上に層間絶縁膜を形成する場合、層間絶縁膜堆積工程で使用するガスから水素が発生する。この水素は、強誘電体キャパシタへダメージを与えてしまう。プラチナは、水素に対して触媒効果があるため、水素が発生するのを促進してしまう。これにより、強誘電体キャパシタへのダメージがより大きくなってしまう。しかし、本実施形態では、プラチナ粒子３０を除去することができるため、水素が発生するのを抑制することができる。これにより、強誘電体キャパシタへのダメージを抑制することが可能となる。

また、プラチナは、水分から水素を生成してしまう場合もあるため、この水素により強誘電体キャパシタへのダメージが大きくってしまう。しかし本実施形態では、プラチナ粒子３０を除去することができるため、水素が発生するのを抑制することができる。これにより、強誘電体キャパシタへのダメージを抑制することが可能となる。

さらに、プラチナ層の上にマスク層（例えば、ＳｉＯ_２からなる）が形成されている場合には、高い選択比が得られるため、マスク層に付着したプラチナ粒子を除去することが可能である。これにより、上記同様の効果を得ることができる。

この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その他、本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形して実施可能である。

本発明の一実施形態に係るクリーニング装置の構成を示す概略断面図。 図１に示したウエハ１０の一例を示す断面図。 導入ガスと選択比との関係を示す図。 塩素ガスと窒素ガスとの比が５対５の場合におけるバイアス電力と選択比との関係を示す図。

符号の説明

１…容器、１ａ…底板、１ｂ…側板、１ｃ…天板、２…電極、３…コイル、４…ヒータ、５…高周波電源、６…バイアス電源、７…排気ポンプ、８…塩素ガス導入部、９…窒素ガス導入部、１０…ウエハ、２０…シリコン基板、２１…ソース及びドレイン領域、２２…ゲート絶縁膜、２３…ゲート電極、２４…コンタクトプラグ、２５…層間絶縁膜、２６…下部電極、２６ａ…イリジウム層、２６ｂ…酸化イリジウム層、２６ｃ…プラチナ層、２７…強誘電体膜、２８…上部電極、２９…マスク層、３０…プラチナ粒子。

Claims (5)

1. プラチナを主体とする導電層と、この導電層上に設けられかつ絶縁体からなるマスク層とを有する被処理基板を含む半導体装置の製造方法であって、
   前記マスク層をマスクとして前記導電層をエッチングする工程と、
   プラズマを発生させ、このプラズマ中のイオンによってエッチング生成物が付着した前記被処理基板をクリーニングする工程とを具備し、
   前記クリーニングする工程は、
   前記被処理基板を３００℃以上の温度に加熱する工程と、
   塩素と窒素とを含み且つ前記塩素と窒素との原子比が９対１乃至５対５であるガスを導入する工程と、
   前記イオンが前記被処理基板に入射するように、前記被処理基板が載置される電極に電力を印加する工程とから成り、
   前記電力は、前記電極の単位面積あたり０．０２Ｗ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記マスク層は、ＳｉＯ_２或いはＳｉＮからなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記電力は、前記電極の単位面積あたり０．０１５Ｗ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記温度は、３５０℃以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記被処理基板は、下部電極、誘電体層及び上部電極を有するキャパシタを含み、前記導電層が前記上部電極であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

Images