(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜に形成された開口部を介して下部電極の上に誘電体膜と上部電極が順次積層された容量体を有する半導体装置であって、
前記容量体は、前記下部電極と前記誘電体膜との間にＳｉ−Ｃ結合を少なくとも一部に有する酸化抑制膜を備えたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁膜に形成された開口を介して下部電極の上に誘電体膜と上部電極が順次積層された容量体を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化・軽量化・低電力化に伴い、ＶＬＳＩ（Ｖｅｒｙ  Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  ）の高集積化およびデバイスの極微細化が著しく進展してきている。こうしたなか、バイポーラＬＳＩやＢｉＣＭＯＳＬＳＩ（ｂｉｐｏｌａｒ  Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ＭＯＳ  ＬＳＩ  ）の微細化においては、ＬＳＩの面積のなかで大きな割合を占めている容量体（キャパシタ；例えば、ＭＩＳキャパシタ）を微細化することが重要となる。このキャパシタを微細化しつつ現在と同等以上の容量値とするには、新たな高誘電体材料を開発するか、あるいは現在用いられている誘電体膜を薄膜化する必要がある。
【０００３】
従来、キャパシタの形成においては、絶縁膜に対する開口の形成をウエットエッチングによりまたはハロゲンガスを含むエッチングガスを用いたドライエッチングにより行っていた。なお、ドライエッチングにより開口を形成する場合には、コンタクトホールを形成する場合と同様に、ドライエッチングをしたのち、開口により露出された半導体基板の表面における堆積物および損傷層をケミカル・ドライエッチング等により除去するようにしていた。このようにして絶縁膜に開口を形成していた従来の半導体装置では、一般に、開口により露出された半導体基板の表面に自然酸化膜が形成されてしまう。この自然酸化膜はキャパシタの容量値の低下やバラツキの原因となるものであり、誘電体膜の薄膜化が進むにつれその影響が無視できなくなってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置およびその製造方法では、この自然酸化膜の生成を制御することができなかったので、キャパシタを精度良く微細化することが難しく、ＬＳＩの微細化および信頼性の点で問題があった。
【０００５】
また、キャパシタの微細化が進むにつれ絶縁膜に形成する開口の面積も小さくなるので、微小面積をエッチングする必要が生じてきた。更に、ＬＳＩの信頼性を向上させる観点から絶縁膜の開口精度を向上させる必要も生じてきた。よって、絶縁膜に対する開口の形成は、精度良くエッチングすることができる異方性ドライエッチングにより行う必要が生じてきた。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、下部電極と誘電体膜との間に酸化抑制膜を形成することにより、キャパシタの容量値の増加およびバラツキを小さくすることができる半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、絶縁膜に形成された開口を介して下部電極の上に誘電体膜と上部電極が順次積層された容量体を有するものであって、容量体が、下部電極と誘電体膜との間にＳｉ−Ｃ結合を少なくとも一部に有する酸化抑制膜を備えるように構成したものである。
【０００９】
本発明の半導体装置では、絶縁膜に形成された開口を介して下部電極の上に誘電体膜と上部電極が順次積層されて容量体が形成されている。また、下部電極と誘電体膜との間にはＳｉ−Ｃ結合を少なくとも一部に有する酸化抑制膜が形成されており、半導体装置の製造工程中において下部電極と誘電体膜との間に酸化膜が生成されてしまうことを抑制している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の一実施の形態に係る半導体装置の構成を表すものである。この半導体装置は、半導体基板（例えばｐ型シリコン半導体基板）１のキャパシタ形成領域にキャパシタの下部電極として不純物層（例えばＮ＋  不純物拡散層）２が形成されている。この不純物層２の上には二酸化珪素（ＳｉＯ２  ）よりなる絶縁膜（例えばフィールド絶縁膜）３が形成されている。この絶縁膜３には開口３ａが形成されており、不純物層２の表面のうちの一部を絶縁膜３から露出するようになっている。
【００１３】
開口３ａにより露出された不純物層２の上には、不純物層２の表面に酸化膜（自然酸化膜）が生成されるのを抑制するための酸化抑制膜４が形成されている。この酸化抑制膜４は、後述するように有機化合物のハロゲン化誘導体を含むエッチングガスを用いて絶縁膜３を選択的にエッチングすることにより開口３ａと共に形成されるものであって、Ｓｉ−Ｃ結合を少なくとも一部に有する物質により構成されている。なお、図２にこの酸化抑制膜４をＸ線光電子分光法により分析した結果を示す。このように図２からも、酸化抑制膜４を構成する物質が少なくとも一部にＳｉ−Ｃ結合を有していることを確認することができる。
【００１４】
この酸化抑制膜４の上には、窒化珪素（Ｓｉ３  Ｎ４  ）よりなるキャパシタの誘電体膜５が形成されており、この誘電体膜５の上には、アルミニウム（Ａｌ）などの適宜の金属よりなる上部電極６が形成されている。
【００１５】
この半導体装置では、また、絶縁膜３に下部電極である不純物層２とのコンタクトを取るためのコンタクト用開口３ｂが形成されており、不純物層２の表面のうち他の一部を絶縁膜３から露出するようになっている。このコンタクト用開口３ｂにより露出された不純物層２の上には、アルミニウムなどの適宜の金属よりなる下部電極の取り出し電極７が形成されている。
【００１６】
このような構成を有する半導体装置は次のようにして製造することができる。図３および図４は図１に示した半導体装置の各工程毎における断面図である。
【００１７】
まず、図３（ａ）に示したように、半導体基板１の上にフォトレジスト膜１１を塗布形成し、それを選択的に露光してパターニングしたのち、このフォトレジスト膜１１をマスクとして例えばイオン打ち込みにより半導体基板１のキャパシタ形成領域にリン（Ｐ）を埋め込みｎ型の不純物層２を形成する。
【００１８】
次いで、フォトレジスト膜１１を除去したのち、図３（ｂ）に示したように、半導体基板１の上に、例えばアルコキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）ガスを反応ガスとして供給しつつＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ）法により二酸化珪素よりなる絶縁膜３を形成する。そののち、この絶縁膜３の上にフォトレジスト膜１２を塗布形成してそれを選択的に露光することによりパターニングし、開口３ａに対応する開口領域１２ａが開口されたパターンを形成する。
【００１９】
続いて、このフォトレジスト膜１２をマスクとして異方性ドライエッチングを行う。このとき、エッチングガスとしては、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３  ）ガスとテトラフルオロメタン（ＣＦ４  ）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスとの混合ガスを用いる。これにより、図３（ｃ）に示したように、絶縁膜３が選択的にエッチングされ、開口３ａが形成される。また、この開口３ａにより露出された不純物層２の上には、Ｓｉ−Ｃ結合を少なくとも一部に有する物質により構成された酸化抑制膜４が形成されると共に、この酸化抑制膜４の上に炭素系ポリマを主体とする堆積層１３が形成される。
【００２０】
このようにして開口３ａを形成したのち、酸素ガスによるプラズマアッシングを行い、図４（ａ）に示したように、フォトレジスト膜１２を除去する。そののち、硫酸（Ｈ２  ＳＯ４  ）と過酸化水素水（Ｈ２  Ｏ２  ）との混合液により洗浄を行い、更に、水酸化アンモニウム（ＮＨ４  ＯＨ）と過酸化水素水（Ｈ２  Ｏ２  ）と水（Ｈ２  Ｏ）との混合液により洗浄を行う。これにより、開口３ａにより露出された不純物層２の上には酸化抑制膜４のみが残存した状態となる。
【００２１】
洗浄をしたのち、図４（ｂ）に示したように、絶縁膜３および酸化抑制膜４の上に例えばジクロロシラン（ＳｉＨ２  Ｃｌ２  ）ガスとアンモニア（ＮＨ３  ）ガスとを反応ガスとして供給しつつＣＶＤ法により窒化珪素膜１４を形成する。
【００２２】
窒化珪素膜１４を形成したのち、図４（ｃ）に示したように、窒化珪素膜１４の上に図示しないフォトレジスト膜によりパターンを形成し、そのフォトレジスト膜をマスクとしてエッチングを行い窒化珪素膜１４を選択的に除去して誘電体膜５を形成する。そののち、誘電体膜５および絶縁膜３の上に図示しないフォトレジスト膜によりパターンを形成し、そのフォトレジスト膜をマスクとしてエッチングを行い絶縁膜３を選択的に除去してコンタクト用開口３ｂを形成する。
【００２３】
コンタクト用開口３ｂを形成したのち、例えば蒸着によりアルミニウムなどよりなる図示しない金属層を形成し、この金属層を選択的に除去して上部電極６と下部電極の取り出し電極７とを形成する。これにより図１に示した半導体装置となる。
【００２４】
このようにして製造した半導体装置に関しその特性を調べた。まず、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法によって絶縁膜３に開口３ａを形成しフォトレジスト膜１２を除去すると共に洗浄をしたのち（図４（ａ）参照）、開口３ａにより露出された不純物層２の領域に生成された酸化膜（自然酸化膜）の厚さを調べた。その結果を従来の半導体装置と比較して図５に示す。なお、従来例１というのは、開口３ａをウエットエッチングにより形成したことを除き、他は本実施の形態と同様にして製造したものである。また、従来例２というのは、開口３ａをハロゲンガスを含むエッチングガスを用いてドライエッチングにより形成したのちケミカル・ドライエッチングを約１０Å行い、開口３ａにより露出された不純物層２の領域における堆積層と損傷層とを除去したことを除き、他は本実施の形態と同様にして製造したものである。このように、本実施の形態の半導体装置は、従来の半導体装置に比べて酸化膜の膜厚が薄くなり、酸化膜の生成が抑制されることが分かる。
【００２５】
また、この半導体装置において形成した酸化抑制膜４により酸化膜の生成が抑制される事実を検証した。具体的には、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法において開口３ａを形成するのと同様にしてトリフルオトメタンガスとテトラフルオロメタンガスとを含むエッチングガスを用いシリコン半導体基板を３秒間異方性ドライエッチングしてその表面に酸化抑制膜を形成した。そののち、この酸化抑制膜を形成したシリコン半導体基板をなにも処理していないシリコン半導体基板と共に横型拡散炉中に挿入してドライ酸素雰囲気中において９５０℃で熱酸化し、酸化膜の生成状態を観察した。その結果を図６に示す。このように、本実施の形態における酸化抑制膜４を形成したものは、酸化抑制膜を形成しなかったものに比べて酸化膜の生成速度が遅くなる。すなわち、本実施の形態における酸化抑制膜４は酸化膜の生成を抑制することが分かる。
【００２６】
更に、本実施の形態に係る半導体装置におけるキャパシタの容量値および半導体基板の表面に平行な同一面内における容量値の均一性を調べた。なお、誘電体膜５の膜厚は約３２ｎｍとし、開口３ａの直径は約１７０μｍとした。その結果を上述した従来例１および従来例２と共に図７に示す。このように、本実施の形態に係る半導体装置は、従来の半導体装置に比べて容量値が高くなり、かつ容量値のバラツキが小さくなることが分かる。
【００２７】
このように本実施の形態に係る半導体装置によれば、開口３ａにより露出された不純物層２の上に酸化抑制膜４を形成するようにしたので、不純物層２と誘電体膜５との間に酸化膜が生成してしまうことを抑制することができる。よって、キャパシタの容量値を高くすることができると共に、容量値のバラツキを小さくすることができる。
【００２８】
また本実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、トリフルオロメタンガスとテトラフルオロメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスをエッチングガスとして絶縁膜３を異方性ドライエッチングし開口３ａを形成するようにしたので、開口３ａにより露出された不純物層２の上に酸化抑制膜４を形成することができる。よって、不純物層２と誘電体膜５との間に酸化膜が生成してしまうことを抑制することができる。
【００２９】
以上実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、絶縁膜３に開口３ａを形成する際のエッチングガスとしてトリフルオロメタンガスとテトラフルオロメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いるようにしたが、トリフルオロメタンガスまたはテトラフルオロメタンガスのいずれか一方のみを含むエッチングガスを用いて異方性ドライエッチングを行うようにしてもよい。
【００３０】
また、トリフルオロメタンガスおよびテトラフルオロメタンガスに限らず、ジフルオロメタン（ＣＨ２  Ｆ２  ）ガスなどの他の飽和フッ化物ガスのうちの少なくとも１種を含むエッチングガスを用いるようにしてもよく、オクタフルオロブテン（Ｃ４  Ｆ８  ）ガスやヘキサフルオロエタン（Ｃ２  Ｆ６  ）ガスなどの不飽和フッ化物ガスのうちの少なくとも１種を含むエッチングガスを用いるようにしてもよい。なお、飽和フッ化物ガスおよび不飽和フッ化物ガスに限らず、脂肪族フッ化物ガス、更には有機化合物のフッ素誘導体ガスであればエッチングガスとして同様に用いることができる。
【００３１】
更に、有機化合物のフッ素誘導体に限らず、有機化合物のハロゲン誘導体であればエッチングガスとして同様に用いることができる。なお、好ましくは、脂肪族ハロゲン化物ガスがよく、特に好ましくは、飽和ハロゲン化ガスまたは不飽和ハロゲン化ガスがよい。
【００３２】
加えて、上記実施の形態では、絶縁膜３に開口３ａを形成する際のエッチングガスとして有機化合物のハロゲン誘導体とアルゴンガスとの混合ガスを用いるようにしたが、アルゴンガスを含まず有機化合物のハロゲン誘導体のみからなるエッチングガスを用いるようにしてもよい。また、アルゴンガスに限らず、ヘリウム（Ｈｅ）ガスなどの他の不活性ガスを含むエッチングガスを用いるようにしてもよく、一酸化炭素（ＣＯ）ガスや酸素（Ｏ２  ）ガスを含むエッチングガスを用いるようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る半導体装置によれば、容量体が、下部電極と誘電体膜との間にＳｉ−Ｃ結合を少なくとも一部に有する酸化抑制膜を備えるようにしたので、キャパシタの容量値を高くすることができると共に、容量値のバラツキを小さくすることができる。よって、キャパシタを精度良く微細化することができ、半導体装置の微細化を図ると共に信頼性を改善することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体装置を表す構成図である。
【図２】図１に示した半導体装置の酸化抑制膜を説明するための特性図である。
【図３】図１に示した半導体装置の製造方法を表す工程図である。
【図４】図３に続く工程図である。
【図５】図１に示した半導体装置の不純物層と誘電体膜との間に生成された酸化膜に関する特性図である。
【図６】図１に示した半導体装置の酸化抑制膜による酸化抑制効果を表す特性図である。
【図７】図１に示した半導体装置の容量値およびその均一性に関する特性図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…不純物層（下部電極）、３…絶縁膜、３ａ…開口、３ｂ…コンタクト用開口、４…酸化抑制膜、５…誘電体膜、６…上部電極、７…下部電極の取り出し電極、１１，１２…フォトレジスト膜、１３…堆積層、１４窒化珪素膜
【図１】
0003550632.tif 000002
【図２】
0003550632.tif 000003
【図３】
0003550632.tif 000004
【図４】
0003550632.tif 000005
【図５】
0003550632.tif 000006
【図６】
0003550632.tif 000007
【図７】
0003550632.tif 000008