(57)【要約】【課題】  上部電極膜上に形成されるハードマスクを薄膜化できるようにした強誘電体キャパシタの製造方法を提供する。【解決手段】  シリコン基板１０上に層間絶縁膜２０を形成し、当該層間絶縁膜２０上に強誘電体キャパシタ用の下部電極膜３１´と強誘電体膜３３´と上部電極膜３５´とを順次形成する。次に、この上部電極膜３５´上にバリア膜４１´を形成し、このバリア膜４１´上に所定形状のレジストマスク４３を形成する。そして、このレジストマスク４３をマスクにバリア膜４１´と、上部電極膜３５´とをエッチングして除去し、ハードマスク４１と上部電極３５とをそれぞれ形成する。次に、このレジストマスク４３を除去する。そして、ハードマスク４１をマスクに強誘電体膜３３´及び下部電極膜３１´とを順次エッチングして除去し、強誘電体キャパシタの強誘電体と下部電極とをそれぞれ形成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体キャパシタを形成する方法であって、
基板上に絶縁膜を形成し、当該絶縁膜上に前記強誘電体キャパシタ用の下部電極膜と強誘電体膜と上部電極膜とを順次形成する工程と、
前記上部電極膜上にバリア膜を形成する工程と、
前記バリア膜上に所定形状のレジストマスクを形成し、当該レジストマスクをマスクに該バリア膜と、前記上部電極膜とをエッチングして除去し、該バリア膜からなるハードマスクと、前記強誘電体キャパシタの上部電極とをそれぞれ形成する工程と、
前記上部電極の形成後に前記レジストマスクを除去する工程と、
前記ハードマスクをマスクに前記強誘電体膜及び前記下部電極膜とを順次エッチングして除去し、前記強誘電体キャパシタの強誘電体と下部電極とをそれぞれ形成する工程と、を含むことを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項２】
強誘電体キャパシタを形成する方法であって、
基板上に絶縁膜を形成し、当該絶縁膜上に前記強誘電体キャパシタ用の下部電極膜と強誘電体膜と上部電極膜とを順次形成する工程と、
前記上部電極膜上にバリア膜を形成する工程と、
前記バリア膜上に所定形状のレジストマスクを形成し、当該レジストマスクをマスクに該バリア膜と、前記上部電極膜、前記強誘電体膜とをエッチングして除去し、該バリア膜からなるハードマスクと、前記強誘電体キャパシタの上部電極と強誘電体とをそれぞれ形成する工程と、
前記強誘電体の形成後に前記レジストマスクを除去する工程と、
前記ハードマスクをマスクに前記下部電極膜をエッチングして除去し、前記強誘電体キャパシタの下部電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項３】
前記基板上に前記絶縁膜を形成した後で、前記絶縁膜と前記下部電極膜との密着性を高める密着層を当該絶縁膜上に形成し、その後、前記密着層上に前記下部電極膜と前記強誘電体膜と前記上部電極膜とを順次形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項４】
前記バリア膜は、チタンアルミナイトライド（ＴｉＡｌＮ）からなることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項５】
前記ハードマスクをマスクに前記下部電極膜をエッチングして除去し、前記強誘電体キャパシタの下部電極を形成する際に、塩素（Ｃｌ２）と、酸素（Ｏ２）と、アルゴン（Ａｒ）とからなる混合ガスをエッチングガスとして用いることを特徴とする請求項４に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項６】
前記下部電極を形成した後で、塩素（Ｃｌ２）ガスを用いて前記ハードマスクをエッチングし除去する工程を含むことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体キャパシタの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、強誘電体の分極ヒステリシス特性を利用した不揮発性メモリとして、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ：ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍｅｍｏｒｙ）が広く知られている。この強誘電体メモリは、低消費電力で、しかも高速動作が可能なので、その需要はますます高まりつつある。このような強誘電体メモリは、一般に、強誘電体キャパシタと、スイッチング用のＭＯＳトランジスタ等からなるメモリセルが複数個集まって構成される。また、強誘電体キャパシタは、上部電極及び下部電極と、この両電極に挟まれた強誘電体とから構成される。
【０００３】
この上部電極及び下部電極にはプラチナ（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）等の貴金属が、また、強誘電体膜にはＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）やＰＺＴ（ＰｂＺｒ１−ＸＴｉＸＯ３）等の強誘電体材料が用いられることが多い。このような貴金属や、ＳＢＴ等はエッチングガスに対する反応性が乏しく、レジスト膜との間でエッチングの選択比を十分に得ることができない。
【０００４】
つまり、所定のパターンを有するレジスト膜（即ち、レジストマスク）をマスクに用いて上部電極膜や、強誘電体膜、下部電極膜等をエッチングして強誘電体キャパシタを形成すると、この一連のエッチングの過程でレジストマスクの表面が大きく削られて、レジストマスクが基板側に後退してしまう。そこで、このようなマスクの後退を遅らせる方法として、レジストマスクの代わりに、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＴｉＮまたはＴｉＯ２等からなるハードマスクを用いる方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００５】
このような方法によれば、レジストマスクよりもハードマスクの方がエッチングされにくいので、マスクの後退をある程度抑えつつ、上部電極膜と、強誘電体膜と、下部電極膜とを順次ドライエッチングして、強誘電体キャパシタを形成することができる。また、この一連のエッチング工程では、ハードマスクの削れ量をできるだけ抑えるために、エッチングガスのガス種及び混合比等が工夫されている。
【特許文献１】特開２００２−２８０５２４号公報
【特許文献２】特開２００２−９４０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記の特許文献１等に記載された強誘電体キャパシタの形成方法によれば、一つのハードマスクを用いて上部電極膜と、強誘電体膜と、下部電極膜とを順次ドライエッチングするので、下部電極膜のエッチングが終了する頃にはハードマスクの削れ量はかなりの量に達してしまう。また、このハードマスクには、上部電極膜と、強誘電体膜と、下部電極膜のそれぞれのエッチングのばらつきが全て反映されるので、このハードマスクのウエーハ面内やロット間での削れ量のばらつきは大きい。
【０００７】
このため、上記の特許文献１等に記載された方法では、ハードマスクの削れ量とそのばらつきの大きさを考慮して、ハードマスクを特に厚く形成する必要がある。また、このようにハードマスクを厚く形成すると、下部電極膜のエッチングが終了した時点で、このハードマスクは厚く、しかも厚さのバラツキが大きい状態で残されてしまうことが多い。そのため、このハードマスクを除去する工程では、このハードマスクの完全除去を目的に当該ハードマスクを過剰にオーバエッチングするしかなく、このオーバエッチングによって、強誘電体キャパシタ周辺の層間絶縁膜が大きく削られてしまうおそれがあった。
【０００８】
そこで、この発明はこのような問題を解決したものであって、上部電極膜上に形成されるハードマスクを薄膜化できるようにした強誘電体キャパシタの製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した課題を解決するために、本発明に係る第１の強誘電体キャパシタの製造方法は、強誘電体キャパシタを形成する方法であって、基板上に絶縁膜を形成し、当該絶縁膜上に前記強誘電体キャパシタ用の下部電極膜と強誘電体膜と上部電極膜とを順次形成する工程と、前記上部電極膜上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜上に所定形状のレジストマスクを形成し、当該レジストマスクをマスクに該バリア膜と、前記上部電極膜とをエッチングして除去し、該バリア膜からなるハードマスクと、前記強誘電体キャパシタの上部電極とをそれぞれ形成する工程と、前記上部電極の形成後に前記レジストマスクを除去する工程と、前記ハードマスクをマスクに前記強誘電体膜及び前記下部電極膜とを順次エッチングして除去し、前記強誘電体キャパシタの強誘電体と下部電極とをそれぞれ形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、上部電極膜と下部電極膜は、例えばプラチナ（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の高い耐食性をもつ貴金属からなるものである。また、強誘電体膜とは、例えばＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）またはＰＺＴ（ＰｂＺｒ１−ＸＴｉＸＯ３）からなるものである。
本発明に係る第１の強誘電体キャパシタの製造方法によれば、レジストマスクを上部電極膜のエッチング用のマスクとして用い、ハードマスクを強誘電体膜と下部電極膜のエッチング用のマスクとして用いるので、従来方式と比べて、上部電極膜上に形成されるハードマスクを薄膜化することができる。これにより、このハードマスクを除去する際のエッチング条件（例えば、エッチング時間等）を緩和することができる。
【００１１】
本発明に係る第２の強誘電体キャパシタの製造方法は、強誘電体キャパシタを形成する方法であって、基板上に絶縁膜を形成し、当該絶縁膜上に前記強誘電体キャパシタ用の下部電極膜と強誘電体膜と上部電極膜とを順次形成する工程と、前記上部電極膜上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜上に所定形状のレジストマスクを形成し、当該レジストマスクをマスクに該バリア膜と、前記上部電極膜、前記強誘電体膜とをエッチングして除去し、該バリア膜からなるハードマスクと、前記強誘電体キャパシタの上部電極と強誘電体とをそれぞれ形成する工程と、前記強誘電体の形成後に前記レジストマスクを除去する工程と、前記ハードマスクをマスクに前記下部電極膜をエッチングして除去し、前記強誘電体キャパシタの下部電極を形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る第２の強誘電体キャパシタの製造方法によれば、ハードマスクを下部電極膜だけのエッチング用のマスクとして用いるので、第１の強誘電体キャパシタの製造方法と比べて、ハードマスクをより一層薄膜化することができ、このハードマスクを除去する際のエッチング条件（例えば、エッチング時間等）をより一層緩和することができる。
本発明に係る第３の強誘電体キャパシタの製造方法は、上述した第１、第２の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記基板上に前記絶縁膜を形成した後で、前記絶縁膜と前記下部電極膜との密着性を高める密着層を当該絶縁膜上に形成し、その後、前記密着層上に前記下部電極膜と前記強誘電体膜と前記上部電極膜とを順次形成することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係る第３の強誘電体キャパシタの製造方法によれば、ハードマスクをマスクに下部電極膜をエッチングして、強誘電体キャパシタの下部電極を形成する際に、この下部電極の層間絶縁膜上からの剥離を防止することができる。
本発明に係る第４の強誘電体キャパシタの製造方法は、上述した第１から第３の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記バリア膜は、チタンアルミナイトライド（ＴｉＡｌＮ）からなることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明に係る第５の強誘電体キャパシタの製造方法は、上述した第４の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記ハードマスクをマスクに前記下部電極膜をエッチングして除去し、前記強誘電体キャパシタの下部電極を形成する際に、塩素（Ｃｌ２）と、酸素（Ｏ２）と、アルゴン（Ａｒ）とからなる混合ガスをエッチングガスとして用いることを特徴とするものである。
【００１５】
ここで、密着層は例えばチタンオキサイド（ＴｉＯＸ）、またはチタンアルミナイトライド（ＴｉＡｌＮ）等のチタン系化合物からなるものである。塩素（Ｃｌ２）と、酸素（Ｏ２）と、アルゴン（Ａｒ）とからなる混合ガスを用いたドライエッチングでは、このような密着層及びハードマスクと、下部電極との間で高いエッチングの選択比を得ることが可能である。
【００１６】
本発明に係る第４、第５の強誘電体キャパシタの製造方法によれば、下部電極膜をエッチングして下部電極を形成する際に、ハードマスクの削れ量を低く抑えることができる。従って、下部電極を所定の形状に再現性良く形成することが可能である。また、密着層を上記したようなチタン系化合物で構成することにより、この密着層の削れ量も低く抑えることができる。これにより、下部電極を形成する際に、下地の絶縁膜をエッチング雰囲気に晒さずに済む。
【００１７】
本発明に係る第６の強誘電体キャパシタの製造方法は、上述した第４、第５の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記下部電極を形成した後で、塩素（Ｃｌ２）ガスを用いて前記ハードマスクをエッチングし除去する工程を含むことを特徴とするものである。
本発明に係る第６の強誘電体キャパシタの製造方法によれば、ハードマスクと密着層とを同時にエッチングできるので、例えば下部電極の下層にある層間絶縁膜の削れ量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る強誘電体キャパシタの製造方法について説明する。
図１（Ａ）〜図３（Ｃ）は、本発明の実施形態に係る強誘電体メモリ１００の製造方法を示す工程図（その１〜３）である。この工程図は、シリコン基板１０上の層間絶縁膜２０上に強誘電体キャパシタ３０を形成する方法を手順に沿って示したものである。
【００１９】
図１（Ａ）において、まず始めに、図示しないＭＯＳトランジスタ等が形成されたシリコン基板１０上に層間絶縁膜２０を形成する。この層間絶縁膜２０は例えばシリコン酸化膜等であり、その形成は例えばＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で行う。次に、この層間絶縁膜２０上に密着層２３を形成する。この密着層２３は、後述する下部電極３１と層間絶縁膜２０との密着性を高めるための膜である。この密着層２３は、例えばチタンオキサイド（ＴｉＯｘ）、またはチタンアルミナイトライド（ＴｉＡｌＮ）等のチタン系化合物からなるものであり、その膜厚は例えば数１００［Å］程度である。この密着層２３の形成は、例えば（スパッタリング法）で行う。
【００２０】
次に、図１（Ｂ）に示すように、この密着層２３上に例えばプラチナ等からなる下部電極膜３１´を形成する。この下部電極膜３１´の形成は、例えばスパッタリング法で行う。そして、この下部電極膜３１´上に例えばＳＢＴ等からなる強誘電体膜３３´を形成する。この強誘電体膜３３´の形成は、例えば周知技術のゾルーゲル法で行う。さらに、この強誘電体膜３３´上に例えばプラチナ等からなる上部電極膜３５´を形成する。この上部電極膜３５´の形成は、例えばスパッタリング法で行う。
【００２１】
次に、図１（Ｃ）に示すように、この上部電極膜３５´上にチタンアルミナイトライド（ＴｉＡｌＮ）膜４１´を形成する。このＴｉＡｌＮ膜４１´の膜厚は、例えば２０００［Å］程度である。このＴｉＡｌＮ膜４１´の形成は、例えば、（スパッタリング法）で行う。次に、図２（Ａ）に示すように、強誘電体キャパシタを形成する領域を覆い、その他の領域を露出するようにして、このＴｉＡｌＮ膜４１´上に所定形状のレジストマスク４３を形成する。このレジストマスク４３の形成は、例えばフォトリソグラフィ技術を用いて行う。
【００２２】
次に、図２（Ｂ）に示すように、このレジストマスク４３をマスクにＴｉＡｌＮ膜をエッチングして除去し、ＴｉＡｌＮからなるハードマスク４１を形成する。このハードマスク４１の形成は、例えば塩素（Ｃｌ２）を用いたプラズマエッチングで行う。続いて、図２（Ｃ）に示すように、レジストマスク４３をマスクに上部電極膜をエッチングして除去し、上部電極３５を形成する。この上部電極３５の形成は、例えば塩素（Ｃｌ２）と、酸素（Ｏ２）と、アルゴン（Ａｒ）とからなる混合ガス（以下で、Ｃｌ２／Ｏ２／Ａｒガスという）を用いたプラズマエッチングで行う。
【００２３】
ところで、上述したＣｌ２／Ｏ２／Ａｒガスを用いたプラズマエッチングでは、プラチナ等からなる上部電極３５とレジストマスク４３とのエッチングの選択比を十分に得ることができない。このため、図２（Ｃ）に示すように、レジストマスク４３はその上面と側面とからエッチングされてシリコン基板１０側に後退してしまう。また、このＣｌ２／Ｏ２／Ａｒガスを用いたプラズマエッチングは異方性なので、レジストマスク４３はその側面よりも上面からより大きくエッチングされる。
【００２４】
このため、図２（Ｃ）に示すように、上部電極３５を形成した後のレジストマスク４３は、その断面視での形状（以下で、断面形状という）が略台形になっている。また、このレジストマスク４３をマスクにしてＴｉＡｌＮからなるハードマスク４１と、上部電極３５は形成されるので、ハードマスク４１と、上部電極３５の断面形状もそれぞれが略台形になっている。
【００２５】
さらに、上記のＣｌ２／Ｏ２／Ａｒガスを用いたプラズマエッチングでは、プラチナ等からなる上部電極膜をある程度オーバエッチングして、レジストマスク４３下から露出した全ての上部電極膜を除去する。このため、このレジストマスク４３下から露出した領域では、上部電極膜の下地である強誘電体膜３３´もある程度エッチングされる。そのため、上部電極３５の形成後には、図２（Ｃ）に示すように、レジストマスク４３下から露出した強誘電体膜３３´もある程度エッチングされて、膜減りしている。
【００２６】
次に、図３（Ａ）に示すように、このレジストマスク４３をアッシングして除去する。そして、このレジスマスク下から露出したハードマスク４１をマスクに強誘電体膜３３´をエッチングして除去する。これにより、図３（Ｂ）に示すように、強誘電体３３を形成する。この強誘電体３３の形成は、例えばＣＦ４／Ａｒガスを用いたプラズマエッチングで行う。
【００２７】
続いて、このハードマスク４１をマスクに下部電極膜をエッチングして除去し、下部電極３１を形成する。この下部電極３１の形成は、例えばＣｌ２／Ｏ２／Ａｒガスを用いたプラズマエッチングで行う。上述したように、この下部電極３１と層間絶縁膜２０との間にはチタン系化合物からなる密着層２３が形成されているので、当ガス系を用いたエッチングでは密着層との選択比が高く、密着層上でエッチングを防止することができる。このようにして、下部電極３１と、強誘電体３３と、上部電極３５とからなる強誘電体キャパシタ３０を層間絶縁膜２０上に形成する。
【００２８】
次に、このハードマスク４１をマスクに密着層２３をエッチングして、強誘電体キャパシタ３０が形成された領域以外の層間絶縁膜２０上から密着層２３を除去する。この密着層２３のエッチングは、例えばＣｌ２等のガスを用いたプラズマエッチングで行う。これにより、図３（Ｃ）に示すように、上部電極３５上からＴｉＡｌＮからなるハードマスクを除去する。このＣｌ２ガスを用いたプラズマエッチングでは、ＳｉＯ２からなる層間絶縁膜はほとんどエッチングされないのに対して、ＴｉＡｌＮからなるハードマスクは良好にエッチングされる。従って、層間絶縁膜２０をほとんどエッチングすることなくハードマスクだけを除去することができる。
【００２９】
このように、本発明に係る強誘電体メモリ１００の製造方法によれば、レジストマスク４３を上部電極膜３５´のエッチング用のマスクとして用い、ハードマスク４１を強誘電体膜３３´と下部電極膜３１´のエッチング用のマスクとして用いるので、従来方式と比べて、上部電極膜３５´上に形成されるハードマスク４１を薄膜化することができる。これにより、このハードマスク４１を除去する際のエッチング条件（例えば、エッチング時間等）を緩和することができ、層間絶縁膜２０の削れ量を低減することができる。
【００３０】
また、上記のハードマスク４１はＳｉＯ２等で構成しても良いが、このハードマスク４１をＳｉＯ２等ではなくＴｉＡｌＮで構成することで、ハードマスク４１と層間絶縁膜２０とのエッチングの選択比を十分に高くすることができる。これにより、ハードマスク４１をＣｌ２／Ｏ２ガスを用いたプラズマエッチングで除去する際に層間絶縁膜２０のエッチングを抑えることができるので、ハードマスク４１をＳｉＯ２等で構成する場合と比べて、層間絶縁膜２０の削れ量をより一層低減することができる。
【００３１】
この実施形態では、強誘電体キャパシタ３０が本発明の強誘電体キャパシタに対応し、シリコン基板１０が本発明の基板に対応している。また、層間絶縁膜２０が本発明の絶縁膜に対応し、レジストマスク４３が本発明のレジストマスクに対応している。さらに、下部電極膜３１´が本発明の下部電極膜に対応し、下部電極３１が本発明の下部電極に対応している。また、強誘電体膜３３´が本発明の強誘電体膜に対応し、強誘電体３３が本発明の強誘電体に対応している。さらに、上部電極膜３５´が本発明の上部電極膜に対応し、上部電極３５が本発明の上部電極に対応している。また、ＴｉＡｌＮ膜４１´が本発明のバリア膜に対応し、ハードマスク４１が本発明のハードマスクに対応している。さらに、密着層２３が本発明の密着層に対応している。
【００３２】
なお、この実施形態では、ハードマスク４１をマスクに強誘電体膜３３´と下部電極膜３１´とを順次エッチングして、強誘電体３３と下部電極３１とをそれぞれ形成する場合について説明した。しかしながら、本発明は、上記のレジストマスク４３をマスクに、ＴｉＡｌＮ膜４１´と上部電極膜３５´と強誘電体膜３３´とを順次エッチングして除去することにより、上部電極３５とハードマスク４１と強誘電体３３とをそれぞれ形成し、レジストマスク４３を除去した後で、このハードマスク４１をマスクに下部電極膜３１´をエッチングして除去することにより下部電極３１を形成するような構成でも良い。このような構成によれば、ハードマスク４１を下部電極膜３１´だけのエッチング用のマスクとして用いることとなるので、上述の実施形態と比べて、ハードマスク４１の厚さをより一層薄くすることができる。
【００３３】
また、この実施形態では、基板の一例としてシリコン基板を用いる場合について説明したが、本発明の基板はこれに限られることはなく、例えばＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板でも良い。本発明の基板にＳＯＩ基板を用いる場合には、図示しないＭＯＳトランジスタはＳＯＩ基板のトップシリコン層に形成される。また、層間絶縁膜２０は、このトップシリコン層上に形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】強誘電体メモリ１００の製造方法（その１）を示す工程図。
【図２】強誘電体メモリ１００の製造方法（その２）を示す工程図。
【図３】強誘電体メモリ１００の製造方法（その３）を示す工程図。
【符号の説明】
【００３５】
１０  シリコン基板、２０  層間絶縁膜、２３  密着層、３１  下部電極、３１´  下部電極膜、３３  強誘電体、３３´  強誘電体膜、３５  上部電極、３５´  上部電極膜、４１  ハードマスク、４１´バリア膜、４３  レジストマスク、３０  強誘電体キャパシタ、１００  強誘電体メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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