(57)【要約】【課題】  タンタル膜又はその合金膜や酸化膜を酸素が発生する状況下でドライエッチングするとタンタルと酸素が反応し、タンタル酸化物が被エッチング膜の側壁に再付着することを防止する。【解決手段】  基板１００上に形成された被エッチング膜であるタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜のドライエッチング中に酸素が発生する過程を含むドライエッチング方法であって、ドライエッチングはホウ素を含むガスを用いて行う。これにより、タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜として例えばタンタル酸化膜１０５をエッチングする場合やその下地が酸化膜となっている場合など、酸素が発生する状況下でドライエッチングする場合に、ホウ素の還元反応を利用して酸素と反応させ、タンタルと酸素が反応してできるタンタル酸化物層の形成を抑制することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された被エッチング膜であるタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜のドライエッチング中に酸素が発生する過程を含むドライエッチング方法であって、前記ドライエッチングはホウ素を発生させ、前記ホウ素と前記酸素を反応させながら行うことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
基板上に形成された被エッチング膜であるタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜のドライエッチング中に酸素が発生する過程を含むドライエッチング方法であって、前記ドライエッチングはホウ素を含むガスを用いて行うことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項３】
基板上に形成された被エッチング膜であるタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜のドライエッチング中に酸素が発生する過程を含むドライエッチング方法であって、前記ドライエッチングは、前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜上に形成されたホウ素を含む膜をマスクとし、前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を選択的にエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項４】
反応室内で基板上に形成された被エッチング膜であるタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜のドライエッチング中に酸素が発生する過程を含むドライエッチング方法であって、前記ドライエッチングは、前記反応室内の、エッチングガスのプラズマが生成される領域にホウ素を含む部材を設置して行うことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項５】
前記被エッチング膜は、タンタル酸化膜である請求項１，２，３または４記載のドライエッチング方法。
【請求項６】
基板上にタンタル酸化膜を形成する工程と、前記タンタル酸化膜をホウ素を含むガスを用いてエッチングする工程とを含む半導体装置の製造方法。
【請求項７】
基板上にタンタル酸化膜を形成する工程と、前記タンタル酸化膜上にホウ素を含む膜を形成し、前記ホウ素を含む膜をパターン化する工程と、前記パターン化されたホウ素を含む膜をマスクとして、前記タンタル酸化膜を選択的にエッチングする工程とを含む半導体装置の製造方法。
【請求項８】
基板上にタンタル酸化膜を形成する工程と、反応室内のエッチングガスのプラズマが生成される領域にホウ素を含む部材を設置する工程と、前記基板を前記反応室内に設置する工程と、前記反応室内にエッチングガスを導入して前記タンタル酸化膜をエッチングする工程とを含む半導体装置の製造方法。
【請求項９】
基板上に酸化膜を介し、かつ前記酸化膜に接してタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を形成する工程と、前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜をホウ素を含むガスを用いてエッチングする工程とを含む半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
基板上に酸化膜を介し、かつ前記酸化膜に接してタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を形成する工程と、前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜上にホウ素を含む膜を形成し、前記ホウ素を含む膜をパターン化する工程と、前記パターン化されたホウ素を含む膜をマスクとして、前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を選択的にエッチングする工程とを含む半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
基板上に酸化膜を介し、かつ前記酸化膜に接してタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を形成する工程と、反応室内のエッチングガスのプラズマが生成される領域にホウ素を含む部材を設置する工程と、前記基板を前記反応室内に設置する工程と、前記反応室内にエッチングガスを導入して前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜をエッチングする工程とを含む半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、タンタル膜またはその合金膜、化合物膜のドライエッチング方法に関するものである。主に、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等のメモリ素子の電荷蓄積容量部を製造する際に、高誘電率の容量絶縁膜層として使用される酸化タンタルなど化合物膜のドライエッチングを行なって、パターンを形成するドライエッチング方法および半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報化社会の発展は目覚しく、それに伴って半導体記憶装置の需要が急速に拡大している。また機能的には、大規模な記憶容量（キャパシタ）を有し、かつ高速動作が可能なものが要求されている。これに伴って、半導体記憶装置の高集積化および高速応答性あるいは高信頼性に関する技術開発が進められている。
【０００３】
半導体記憶装置の中で、記憶情報のランダムな入出力が可能なものとしてＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）が一般的に知られている。このＤＲＡＭは、多数の記憶情報を蓄積するメモリセルのアレイと、外部との入出力に必要な周辺回路とから構成されている。通常、メモリセルは、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタと、これに接続された１個のキャパシタとから構成されるので１トランジスタ１キャパシタ型のメモリセルとして広く知られており、このような構成を有するメモリセルは構造が簡単なためメモリセルアレイの集積度を向上させることが容易であり、大容量のメモリ記憶装置に広く用いられている。また、メモリセルの高集積化と大容量化を実現する技術として、メモリセルに蓄えられる電荷量を増大するために、キャパシタ部の容量膜にタンタル酸化膜（Ｔａ2Ｏ5膜）などの高誘電体膜が使用されている。
【０００４】
以下、図５の（ａ）〜（ｄ）を用いて従来のキャパシタ構造の形成方法について説明する。図５はＤＲＡＭのメモリセル部の断面図であるが、最初に、図５（ａ）に示すように、キャパシタの下部電極を基板のソース・ドレインと接続するコンタクトホールがパターニングされた第一のシリコン酸化膜１１を、半導体基板１０の上に形成する。次に、パターニングされた第一のシリコン酸化膜１１上にポリシリコン膜を堆積し、パターニング部以外のポリシリコン膜をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）法、又はエッチバック法を用いて除去することによって、キャパシタの下部電極と基板１０のソース／ドレイン領域（図示せず）とを電気的に接続するためのプラグ１２を形成する。
【０００５】
次に、開口状にパターニングされた第二のシリコン酸化膜１３を、ポリシリコン膜で形成されたプラグ１２上に形成する。次に、ポリシリコン膜をパターニングされた第二のシリコン酸化膜１３上に堆積し、パターニング部以外のポリシリコン膜をＣＭＰ法、又はエッチバック法を用いて除去することによって、キャパシタの下部電極１４を形成する。この処理によって下部電極は円筒型となる。
【０００６】
次に、図５（ｂ）に示すように、キャパシタの下部電極１４が形成された第二のシリコン酸化膜１３上に、Ｔａ2Ｏ5膜を堆積してキャパシタ絶縁膜１５を形成する。Ｔａ2Ｏ5膜は、約２０〜３０の非常に高い比誘電率を有しているので、Ｔａ2Ｏ5膜をキャパシタ絶縁膜に用いることにより、キャパシタのキャパシタンスを増大させることができる。次に、キャパシタ絶縁膜１５上にＴｉＮ膜を堆積し、キャパシタの上部電極１６を形成する。次に、キャパシタの上部電極１６上に、フォトリソグラフィー法を用いてレジストパターン１７を形成する。
【０００７】
次に、図５（ｃ）に示すように、レジストパターン１７をマスクとして、キャパシタの上部電極１６とキャパシタ絶縁膜１５をドライエッチングする。その後、アッシング処理、及び洗浄処理を実施することによって、キャパシタの上部電極１６とキャパシタの絶縁膜１５のパターンを形成し、メモリセルを構成するキャパシタ構造体を形成する。
【０００８】
図５に示す上記従来のキャパシタ構造体の形成方法において、パターニングされた第一のシリコン酸膜１１はＣＶＤ法で形成され、例えば５００ｎｍの膜厚を有する。また、パターニングされた第一のシリコン酸化膜１１に堆積されるポリシリコン膜は減圧ＣＶＤ法により堆積される。また、第二のパターニングされたシリコン酸化膜１３はＣＶＤ法で形成され、例えば４００ｎｍの膜厚を有する。また、キャパシタの下部電極１４となるポリシリコン膜は減圧ＣＶＤ法で堆積され、例えば１００ｎｍの膜厚を有する。また、キャパシタ絶縁膜１５となるＴａ2Ｏ5膜はＣＶＤ法で堆積され、例えば１０ｎｍの膜厚を有する。また、キャパシタの上部電極１６となるＴｉＮ膜はＣＶＤ法で堆積され、例えば５０ｎｍの膜厚を有する。
【０００９】
ここで、従来のタンタルを含有するキャパシタ絶縁膜のパターン形成では、特許文献１で述べられているように、Ｃｌ2ガスとＡｒガスの混合ガスを用いたドライエッチングや、特許文献２で述べられているように、Ａｒプラズマによる物理的なスパッタリング、Ｃｌ2やＣＦ4やＳＦ6などのハロゲンを含むガスやその混合ガスや希ガスとの混合ガスを用いたドライエッチングが行なわれている。
【特許文献１】特開２０００−１９６０３２号公報
【特許文献２】特開平９−８３５３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来のようなドライエッチング法を適用すると以下のような問題点があった。すなわち、タンタルを含有する絶縁膜、例えば図５に示すＴａ2Ｏ5膜を、従来のようにＣｌ2、ＣＦ4、ＳＦ6などのハロゲンガスを用いてドライエッチングした場合、確かにＴａ2Ｏ5膜をドライエッチングすることはできる。しかし、Ｔａ2Ｏ5膜がドライエッチングされる際に放出されるＴａとＯがレジストパターン、キャパシタ上部電極、およびＴａ2Ｏ5膜それぞれの側壁に再付着し、図６に示すようにレジストパターン、キャパシタ上部電極、およびＴａ2Ｏ5膜の側壁にＴａ酸化物層１８が形成されてしまうという問題があった。
【００１１】
さらに、図５、６に示すように、Ｔａ2Ｏ5膜１５の下層がシリコン酸化膜１３である場合、Ｔａ2Ｏ5膜をオーバーエッチングする際に、下層のシリコン酸化膜からも過剰のＯが発生する。すると、レジストパターン、キャパシタ上部電極、およびＴａ2Ｏ5膜の側壁に形成されているＴａ酸化物層１８の酸化が加速され、さらに多量のＴａ酸化物層がパターン側壁に形成される。
【００１２】
レジストパターン、キャパシタ上部電極、およびＴａ2Ｏ5膜の側壁に形成されたＴａ酸化物層は化合物としての結合エネルギーが非常に大いためドライエッチング後のアッシング処理や洗浄処理では分解除去することは困難であり、エッチング残渣となってしまう。このＴａ酸化物からなるエッチング残渣はパターン形成不良の要因となるため、メモリセルの歩留り低下を引起してしまう。
【００１３】
したがって、この発明の目的は、以上のような従来の欠点を解決するもので、タンタル膜又はその合金膜や酸化膜を酸素が発生する状況下でドライエッチングするとタンタルと酸素が反応し、タンタル酸化物が被エッチング膜の側壁に再付着することを防止するドライエッチング方法および半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以上の目的を達成するために、この発明の請求項１記載のドライエッチング方法は、基板上に形成された被エッチング膜であるタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜のドライエッチング中に酸素が発生する過程を含むドライエッチング方法であって、前記ドライエッチングはホウ素を発生させ、前記ホウ素と前記酸素を反応させながら行う。
【００１５】
請求項２記載のドライエッチング方法は、基板上に形成された被エッチング膜であるタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜のドライエッチング中に酸素が発生する過程を含むドライエッチング方法であって、前記ドライエッチングはホウ素を含むガスを用いて行う。
【００１６】
請求項３記載のドライエッチング方法は、基板上に形成された被エッチング膜であるタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜のドライエッチング中に酸素が発生する過程を含むドライエッチング方法であって、前記ドライエッチングは、前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜上に形成されたホウ素を含む膜をマスクとし、前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を選択的にエッチングする。
【００１７】
請求項４記載のドライエッチング方法は、反応室内で基板上に形成された被エッチング膜であるタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜のドライエッチング中に酸素が発生する過程を含むドライエッチング方法であって、前記ドライエッチングは、前記反応室内の、エッチングガスのプラズマが生成される領域にホウ素を含む部材を設置して行う。
【００１８】
請求項５記載のドライエッチング方法は、請求項１，２，３または４記載のドライエッチング方法において、前記被エッチング膜は、タンタル酸化膜である。
【００１９】
請求項６記載の半導体装置の製造方法は、基板上にタンタル酸化膜を形成する工程と、前記タンタル酸化膜をホウ素を含むガスを用いてエッチングする工程とを含む。
【００２０】
請求項７記載の半導体装置の製造方法は、基板上にタンタル酸化膜を形成する工程と、前記タンタル酸化膜上にホウ素を含む膜を形成し、前記ホウ素を含む膜をパターン化する工程と、前記パターン化されたホウ素を含む膜をマスクとして、前記タンタル酸化膜を選択的にエッチングする工程とを含む。
【００２１】
請求項８記載の半導体装置の製造方法は、基板上にタンタル酸化膜を形成する工程と、反応室内のエッチングガスのプラズマが生成される領域にホウ素を含む部材を設置する工程と、前記基板を前記反応室内に設置する工程と、前記反応室内にエッチングガスを導入して前記タンタル酸化膜をエッチングする工程とを含む。
【００２２】
請求項９記載の半導体装置の製造方法は、基板上に酸化膜を介し、かつ前記酸化膜に接してタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を形成する工程と、前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜をホウ素を含むガスを用いてエッチングする工程とを含む。
【００２３】
請求項１０記載の半導体装置の製造方法は、基板上に酸化膜を介し、かつ前記酸化膜に接してタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を形成する工程と、前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜上にホウ素を含む膜を形成し、前記ホウ素を含む膜をパターン化する工程と、前記パターン化されたホウ素を含む膜をマスクとして、前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を選択的にエッチングする工程とを含む。
【００２４】
請求項１１記載の半導体装置の製造方法は、基板上に酸化膜を介し、かつ前記酸化膜に接してタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を形成する工程と、反応室内のエッチングガスのプラズマが生成される領域にホウ素を含む部材を設置する工程と、前記基板を前記反応室内に設置する工程と、前記反応室内にエッチングガスを導入して前記タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜をエッチングする工程とを含む。
【発明の効果】
【００２５】
この発明の請求項１記載のドライエッチング方法によれば、ドライエッチングはホウ素を発生させ、ホウ素と酸素を反応させながら行うので、タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜として例えばタンタル酸化膜をエッチングする場合やその下地が酸化膜となっている場合など、酸素が発生する状況下でドライエッチングする場合に、ホウ素の還元反応を利用して酸素と反応させ、タンタルと酸素が反応してできるタンタル酸化物層の形成を抑制することができる。これはドライエッチング中に酸素が発生する過程を含むドライエッチングにおいて、ホウ素と酸素の結合エネルギー（８０８.８ｋＪ／ｍｏｌ）はタンタルと酸素の結合エネルギー（７９９.１ｋＪ／ｍｏｌ）より大きいため、ホウ素はタンタル酸化物層を容易に還元することができ、エッチングによって新たに生じたタンタル酸化物層の形成を抑制することができるためである。
【００２６】
この発明の請求項２記載のドライエッチング方法によれば、ドライエッチングは、例えばＢＦ3、ＢＣｌ3、ＢＢｒ3、ＢＩ3などのようなホウ素を含むガスを用いて行うので、酸素の還元剤となるホウ素をエッチングガスの形で供給し、請求項１と同様にタンタル酸化物層の形成を抑制することができる。
【００２７】
この発明の請求項３記載のドライエッチング方法によれば、ドライエッチングは、タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜上に形成されたホウ素を含む膜をマスクとし、タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を選択的にエッチングするので、酸素の還元剤となるホウ素をエッチングのマスクから供給し、請求項１と同様にエッチング過程で生じたタンタル酸化物層の形成を抑制することができる。
【００２８】
この発明の請求項４記載のドライエッチング方法によれば、ドライエッチングは、反応室内の、エッチングガスのプラズマが生成される領域にホウ素を含む部材を設置して行うものであり、例えばホウ素を含む石英リングや反応室壁面に張り付けられたホウ素を含む石英体などが部材として採用されることで、酸素の還元剤となるホウ素を供給し、請求項１と同様にタンタル酸化物層の形成を抑制することができる。
【００２９】
請求項５では、被エッチング膜は、タンタル酸化膜であるので、非常に高い比誘電率を有し、キャパシタ絶縁膜に用いることにより、キャパシタのキャパシタンスを増大させることができる。
【００３０】
この発明の請求項６記載の半導体装置の製造方法によれば、基板上にタンタル酸化膜を形成する工程と、タンタル酸化膜をホウ素を含むガスを用いてエッチングする工程とを含むので、タンタル酸化膜をエッチングするような、酸素が発生する状況下でドライエッチングする場合に、ホウ素の還元反応を利用して酸素と反応させ、タンタルと酸素が反応してできるタンタル酸化物層の形成を抑制することができる。実際の半導体装置を製造する例でいうとＤＲＡＭ等の半導体記憶素子を構成するキャパシタ構造体の形成工程において、その側壁に付着し、除去困難なタンタル酸化物層に起因するパターン形成不良を防止する事ができるため、高歩留りに半導体記憶素子を製造する事ができる。
【００３１】
この発明の請求項７記載の半導体装置の製造方法によれば、基板上にタンタル酸化膜を形成する工程と、タンタル酸化膜上にホウ素を含む膜を形成し、ホウ素を含む膜をパターン化する工程と、パターン化されたホウ素を含む膜をマスクとして、タンタル酸化膜を選択的にエッチングする工程とを含むので、酸素の還元剤となるホウ素をエッチングのマスクから供給し、請求項６と同様にエッチング過程で生じたタンタル酸化物層の形成を抑制することができる。
【００３２】
この発明の請求項８記載の半導体装置の製造方法によれば、基板上にタンタル酸化膜を形成する工程と、反応室内のエッチングガスのプラズマが生成される領域にホウ素を含む部材を設置する工程と、基板を反応室内に設置する工程と、反応室内にエッチングガスを導入してタンタル酸化膜をエッチングする工程とを含むので、酸素の還元剤となるホウ素を反応室に設置された部材から供給し、請求項６と同様にタンタル酸化物層の形成を抑制することができる。
【００３３】
この発明の請求項９記載の半導体装置の製造方法によれば、基板上に酸化膜を介し、かつ酸化膜に接してタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を形成する工程と、タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜をホウ素を含むガスを用いてエッチングする工程とを含むので、タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜をエッチングし、その下地が酸化膜となっているような、酸素が発生する状況下でドライエッチングする場合に、酸素の還元剤となるホウ素をエッチングガスの形で供給し、請求項６と同様にタンタル酸化物層の形成を抑制することができる。
【００３４】
この発明の請求項１０記載の半導体装置の製造方法によれば、基板上に酸化膜を介し、かつ酸化膜に接してタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を形成する工程と、タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜上にホウ素を含む膜を形成し、ホウ素を含む膜をパターン化する工程と、パターン化されたホウ素を含む膜をマスクとして、タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を選択的にエッチングする工程とを含むので、タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜をエッチングし、その下地が酸化膜となっているような、酸素が発生する状況下でドライエッチングする場合に、酸素の還元剤となるホウ素をエッチングのマスクから供給し、請求項６と同様にタンタル酸化物層の形成を抑制することができる。
【００３５】
この発明の請求項１１記載の半導体装置の製造方法によれば、基板上に酸化膜を介し、かつ酸化膜に接してタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜を形成する工程と、反応室内のエッチングガスのプラズマが生成される領域にホウ素を含む部材を設置する工程と、基板を反応室内に設置する工程と、反応室内にエッチングガスを導入してタンタル膜またはタンタルを主成分とする膜をエッチングする工程とを含むので、タンタル膜またはタンタルを主成分とする膜をエッチングし、その下地が酸化膜となっているような、酸素が発生する状況下でドライエッチングする場合に、酸素の還元剤となるホウ素を反応室に設置された部材から供給し、請求項６と同様にタンタル酸化物層の形成を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
この発明の第１の実施形態を図１および図２に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態においてＤＲＡＭあるいはそれを含む半導体集積回路のメモリセル部の製造工程を示す工程断面図である。第１の実施形態は、タンタル酸化膜をエッチングにより酸素が発生する状況下でドライエッチングする場合に、酸素の還元剤となるホウ素をエッチングガスの形で供給し、タンタル酸化物の形成を抑制するものである。
【００３７】
まず、図１（ａ）に示すように、第一のシリコン酸化膜１０１を、半導体基板１００の上に形成するが、この第一のシリコン酸化膜１０１には半導体基板１００のソース・ドレイン拡散層に達するコンタクトホールがパターニングされている。次に、第一のシリコン酸化膜１０１上にポリシリコン膜を堆積し、パターニング部以外のポリシリコン膜をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）法、又はエッチバック法を用いて除去することによって、キャパシタの下部電極と基板１００のソース／ドレイン領域（図示せず）とを電気的に接続するためのプラグ１０２を形成する。
【００３８】
次に、第二のシリコン酸化膜１０３をポリシリコン膜で形成されたプラグ１０２上に形成し、プラグ１０２を含む領域にキャパシタの下部電極を形成するための開口部を形成する。次に、ポリシリコン膜をパターニングされた第二のシリコン酸化膜１０３上に堆積し、パターニング部以外のポリシリコン膜をＣＭＰ法、又はエッチバック法を用いて除去することによって、キャパシタの下部電極１０４を形成する。こうして形成された下部電極１０４は円筒型となっている。
【００３９】
次に、図１（ｂ）に示すように、キャパシタの下部電極１０４が形成された第二のシリコン酸化膜１０３上に、Ｔａ2Ｏ5膜を堆積してキャパシタ絶縁膜１０５を形成する。次に、キャパシタ絶縁膜１０５上にＴｉＮ膜を堆積し、キャパシタの上部電極１０６を形成する。次に、キャパシタの上部電極１０６上に、フォトリソグラフィー法を用いてレジストパターン１０７を形成する。
【００４０】
ここで、図１（ａ）〜（ｂ）に示されるキャパシタ構造体の形成方法においては、パターニングされた第一のシリコン酸膜１０１はＣＶＤ法で形成され、例えば５００ｎｍの膜厚を有している。また、パターニングされた第一のシリコン酸化膜１０１に堆積されるポリシリコン膜は減圧ＣＶＤ法により堆積される。また、第二のパターニングされたシリコン酸化膜１０３はＣＶＤ法で形成され、例えば４００ｎｍの膜厚を有している。また、キャパシタの下部電極１０４となるポリシリコン膜は減圧ＣＶＤ法で堆積され、例えば１００ｎｍの膜厚を有している。また、キャパシタ絶縁膜１０５となるＴａ2Ｏ5膜はＣＶＤ法で堆積され、例えば１０ｎｍの膜厚を有している。また、キャパシタの上部電極１０６となるＴｉＮ膜はＣＶＤ法で堆積され、例えば５０ｎｍの膜厚を有している。
【００４１】
次に、図１（ｃ）に示すように、レジストパターン１０７をマスクとして、キャパシタ上部電極１０６とキャパシタ絶縁膜１０５をドライエッチングする。ここで、キャパシタ上部電極１０６とキャパシタ絶縁膜１０５のドライエッチングには図２に示すエッチング装置を用いてすることができる。
【００４２】
図２は本発明の第１の実施形態のドライエッチングに用いるドライエッチング装置の概略断面図である。このエッチング装置の構成は次のようになっている。接地されていると共に内壁がセラミック、アルミナ又は石英等の絶縁物で覆われたチャンバ１の上に、第１の高周波電源２から第１の高周波電力が印加される誘導コイル（上部電極）３が設けられており、該誘導コイル３に第１の高周波電力が印加されると、チャンバ１の内部においてエッチングガスなどの誘導結合プラズマが発生する。チャンバ１の底部には、第２の高周波電源４から第２の高周波電力が印加される試料台（下部電極）５が設けられており、第２の高周波電力により試料台５に向かうイオンのエネルギーが制御される。尚、図示は省略しているが、試料台５の内部には、冷媒等によって試料台５の温度を０℃〜＋１００℃程度の範囲で制御する温度制御装置が設けられている。
【００４３】
チャンバ１には、エッチングガスがマスフローコントローラ（図示は省略している）を介して導入口（図示は省略している）から導かれると共に、チャンバ１の圧力はターボポンプ（図示は省略している）により０．１Ｐａ〜１０Ｐａ程度の範囲に制御される。
【００４４】
以上のような構成を有するエッチング装置を用いてキャパシタ上部電極１０６とキャパシタ絶縁膜１０５のドライエッチングを本発明の実施形態の方法で行うとき、同一チャンバ内でエッチング条件を切り替えて行なう。具体的なドライエッチング条件はたとえば以下の通りである。
【００４５】
キャパシタ上部電極１０６（ＴｉＮ膜）のドラエッチング条件
圧力：０．４Ｐａ
第１の高周波電力：４００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
第２の高周波電力：５０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
Ｃｌ2ガス流量：１００ｍｌ／ｍｉｎ
試料台の温度：７０℃
尚、エッチング時間はエッチング中のＴｉＣｌｘの発光を計測することにより、自動終点判定で決定する。
【００４６】
キャパシタ絶縁膜１０５（Ｔａ2Ｏ5膜）のドライエッチング条件
圧力：０．４Ｐａ
第１の高周波電力：４００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
第２の高周波電力：１００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
Ｃｌ2ガス流量：６０ｍｌ／ｍｉｎ
ＢＦ3ガス流量：４０ｍｌ／ｍｉｎ
試料台の温度：７０℃
尚、エッチング時間はエッチング中のＴａＣｌｘの発光を計測することにより、自動終点判定で決定し、エッチング残渣除去のためにオーバーエッチングを適量追加する。
【００４７】
上記の条件では、Ｔａ2Ｏ5膜からなるキャパシタ絶縁膜１０５のドライエッチング時に、ホウ素を含有するＢＦ3を使用しているため、プラズマ中にはホウ素の原子が存在している。すると、キャパシタ絶縁膜１０５自体のドライエッチングと、続くオーバーエッチング時に下層のシリコン酸化膜１０３から発生する酸素がプラズマ中のホウ素によって還元される、すなわちホウ素の酸化物が生成されて酸素濃度が減少するため結合エネルギーが強大なタンタル酸化物層が上部電極１０６とキャパシタ絶縁膜１０５の側壁に付着することが抑制できる。このエッチングでは、反応生成物としてホウ素と反応しなかった酸素とタンタルとが結合してタンタル酸化物が生じるがその量は非常にわずかであり、エッチング反応生成物のほとんどは、ＴａＣｌｘ、ＴａＦｙ、ＴａＢｚなどから構成される。
【００４８】
従って、続くアッシング処理、及び洗浄処理において、キャパシタ上部電極１０６、キャパシタ絶縁膜１０５のドライエッチング時に形成された上記エッチング反応生成物をほぼ完全に除去できるので、キャパシタの上部電極１０６とキャパシタの絶縁膜１０５のパターン形成不良を防ぐ事ができ、高歩留りのキャパシタ構造体を形成することができる。ここで、タンタル酸化物層の形成を抑制するためには、キャパシタ絶縁膜１０５のドライエッチングで用いるＢＦ3の流量は３０ｍｌ／ｍｉｎ〜８０ｍｌ／ｍｉｎであることが好ましい。
【００４９】
また、本実施形態１ではホウ素を含有するガスとしてＢＦ3を用いたが、ＢＦ3の代わりにＢＣｌ3、ＢＢｒ3、ＢＩ3などのガスを使用しても同様の効果を得ることができる。また、本実施形態１では、キャパシタ上部電極とキャパシタ絶縁膜を条件を切り替えてドライエッチングしているが、キャパシタ絶縁膜のドライエッチング条件を用いて、キャパシタ上部電極とキャパシタ絶縁膜を両方連続してドライエッチングしても、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
この発明の第２の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は、本発明の第２の実施形態においてＤＲＡＭあるいはそれを含む半導体集積回路のメモリセル部の製造工程を示す工程断面図である。第２の実施形態は、タンタル酸化膜を酸素が発生する状況下でドライエッチングする場合に、酸素の還元剤となるホウ素をエッチングのマスク材から供給し、エッチング過程で生じたタンタル酸化物の形成を抑制するものである。
【００５１】
本実施形態の製造工程においてキャパシタ下部電極１０４より下層の製造工程は図１に示した工程と同様であるから説明を省略する。また、ドライエッチングは、図２に示したエッチング装置を用いる。まず、図３（ａ）に示すように、図１（ａ）のキャパシタ下部電極１０４が形成された構造体上に、Ｔａ2Ｏ5膜を堆積してキャパシタ絶縁膜２００を形成し、更にキャパシタ絶縁膜２００上にＴｉＮ膜を堆積してキャパシタの上部電極２０１を形成する。次に、キャパシタ上部電極２０１とキャパシタ絶縁膜２００のエッチングマスク材となるホウ素を含有するポリシリコン膜２０２を堆積し、ホウ素を含有するポリシリコン膜２０２上に、フォトリソグラフィー法を用いてレジストパターン２０３を形成する。
【００５２】
次に、図３（ｂ）に示すように、レジストパターン２０３をマスクとしてホウ素を含有するポリシリコン膜２０２のドライエッチングとレジストパターン２０３のアッシング処理、及び洗浄処理を行なうことによって、ホウ素を含有するポリシリコン膜２０２からなるハードマスクパターン２０４を形成する。
【００５３】
ここで、図３（ａ）〜（ｂ）に示されるキャパシタ構造体の形成方法においては、キャパシタ絶縁膜２００となるＴａ2Ｏ5膜はＣＶＤ法で堆積され、例えば１０ｎｍの膜厚を有している。また、キャパシタ上部電極２０１となるＴｉＮ膜はＣＶＤ法で堆積され、例えば５０ｎｍの膜厚を有している。また、キャパシタ上部電極２０１とキャパシタ絶縁膜２００のエッチングマスク材となるホウ素を含有するポリシリコン膜２０２はＣＶＤ法で例えば３００ｎｍ堆積された後に、イオン注入法等を用いてホウ素を１×Ｅ１６個／ｃｍ2注入することによって形成される。
【００５４】
次に、図３（ｃ）に示すように、ハードマスクパターン２０４をマスクとして、キャパシタ上部電極２０１とキャパシタ絶縁膜２００を図２に示すドライエッチング装置を用いて、同一装置内でホウ素を含有するポリシリコン膜２０２とキャパシタ上部電極２０１に対して条件を切り替えてドライエッチングした。具体的条件を以下に示す。
【００５５】
キャパシタ上部電極２０１（ＴｉＮ膜）のドラエッチング条件
圧力：０．４Ｐａ
第１の高周波電力：４００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
第２の高周波電力：５０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
Ｃｌ2ガス流量：１００ｍｌ／ｍｉｎ
試料台の温度：７０℃
尚、エッチング時間はエッチング中のＴｉＣｌｘの発光を計測することにより、自動終点判定で決定する。
【００５６】
キャパシタ絶縁膜２００（Ｔａ2Ｏ5膜）のドライエッチング条件
圧力：０．４Ｐａ
第１の高周波電力：４００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
第２の高周波電力：１００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
Ｃｌ2ガス流量：１００ｍｌ／ｍｉｎ
試料台の温度：７０℃
尚、エッチング時間はエッチング中のＴａＣｌｘの発光を計測することにより、自動終点判定で決定し、エッチング残渣除去のためにオーバーエッチングを適量追加する。
【００５７】
上記の条件下では、キャパシタ絶縁膜２００のドライエッチング時に、ホウ素を含有するポリシリコン膜２０２からなるエッチングマスク材もドライエッチングされるため、プラズマ中にはホウ素原子が存在することになる。すると、キャパシタ絶縁膜２００のドライエッチングと、続くオーバーエッチング時に下層のシリコン酸化膜１０３から発生する酸素がプラズマ中のホウ素に還元され、ホウ素酸化物が生成されるため、結合エネルギーが強大なタンタル酸化物層がキャパシタ上部電極２０１、キャパシタ絶縁膜２００の側壁に再付着するのを抑制できる。このエッチングでも、反応生成物としてホウ素と反応しなかった酸素とタンタルとが結合してタンタル酸化物が生じるがその量は非常にわずかであり、エッチング反応生成物のほとんどは、ＴａＣｌｘ、ＴａＦｙ、ＴａＢｚなどから構成される。
【００５８】
従って、続くアッシング処理、及び洗浄処理において、キャパシタ上部電極２０１、キャパシタ絶縁膜２００のドライエッチング時に形成された上記エッチング反応性生物を完全に除去できるので、キャパシタの上部電極２０１とキャパシタの絶縁膜２００のパターン形成不良を防ぐ事ができ、高歩留りのキャパシタ構造体を形成することができる。ここで、上記実施形態２で述べたエッチングマスク材であるホウ素を含有するポリシリコン膜の膜厚は、キャパシタ上部電極２０１、およびキャパシタ絶縁膜２００のドライエッチング時に消失しない膜厚に設定することが好ましい。ホウ素を含有するポリシリコン膜２０２はＣｌ2ガスによるエッチングではエッチング速度が比較的速いためである。
【００５９】
また、上部電極２０１、キャパシタ絶縁膜２００のエッチングマスクとしてはホウ素を含有するポリシリコン膜のほかホウ素を含むシリコン窒化膜も使用する事ができる。ホウ素を数モル％含有するシリコン酸化膜も使用可能であるが、この場合はエッチング中に酸素を発生させるのであまり望ましいものではない。その他酸素を実質的に含有せずホウ素を含有する絶縁膜を使用しても同様な効果が得られる。上記実施形態２で述べたエッチングマスク材に含有されるホウ素の量は、タンタル酸化物層の形成が抑制されるように、適宜調整することが好ましい。
【００６０】
また、本実施形態２では、キャパシタ上部電極とキャパシタ絶縁膜を条件を切り替えてドライエッチングしているが、キャパシタ絶縁膜のドライエッチング条件を用いて、キャパシタ上部電極とキャパシタ絶縁膜を連続してドライエッチングしても、同様の効果を得ることができる。
【００６１】
この発明の第３の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は、本発明の第３の実施形態のドライエッチングに用いるドライエッチング装置の概略断面図である。第３の実施形態は、タンタル酸化膜を酸素が発生する状況下でドライエッチングする場合に、酸素の還元剤となるホウ素をエッチング装置を構成する絶縁体から供給し、エッチング生成物としてのタンタル酸化物の形成を抑制するものである。
【００６２】
図４において、接地されていると共に内壁がセラミック、アルミナ又は石英等の絶縁物で覆われたチャンバ１の上に、第１の高周波電源２から第１の高周波電力が印加される誘導コイル（上部電極）３が設けられており、該誘導コイル３に第１の高周波電力が印加されると、チャンバ１の内部においてエッチングガスなどの誘導結合プラズマが発生する。チャンバ１の底部には、第２の高周波電源４から第２の高周波電力が印加される試料台（下部電極）５が設けられており、第２の高周波電力により試料台５に向かうイオンのエネルギーが制御される。
【００６３】
チャンバ１には、エッチングガスがマスフローコントローラ（図示は省略している）を介して導入口（図示は省略している）から導かれると共に、チャンバ１の圧力はターボポンプ（図示は省略している）により０．１Ｐａ〜１０Ｐａ程度の範囲に制御される。エッチングガスのプラズマは誘導コイル３と試料台５との間に発生する。そしてＤＲＡＭなどのキャパシタとなる酸化タンタル膜が形成された半導体基板は試料台５上に設置され、たとえばＣｌ2でエッチングされる。
【００６４】
このようなエッチング装置においてプラズマに曝される箇所にホウ素を含有する石英等の絶縁物を配置している。具体的には、エッチング装置のチャンバ１内壁で、かつプラズマに曝される部分にホウ素を含有する石英体３００を導入している。また、試料台（下部電極）５上で、ウェハー外周部に位置する部分にホウ素を含有する石英リング３０１を導入している。
【００６５】
本実施の形態におけるキャパシタ構造体の製造工程は図５の従来の工程と同一工程で実行するのであるが、キャパシタ上部電極、およびキャパシタ絶縁膜のドライエッチングに図４のエッチング装置を用いると、ドライエッチング中にホウ素を含有する絶縁体である石英体３００、石英リング３０１もある程度エッチングされてホウ素が放出され、プラズマ中にホウ素原子が存在することになる。すると、キャパシタ絶縁膜のドライエッチングと、続くオーバーエッチング時に下層のシリコン酸化膜から発生する酸素がプラズマ中のホウ素に還元され、ホウ素酸化物からなるエッチング生成物が生じるため、結合エネルギーが強大なタンタル酸化物層がキャパシタ上部電極とキャパシタ絶縁膜の側壁に再付着することを抑制することができる。従って、結果的にキャパシタの上部電極とキャパシタの絶縁膜のパターン生成不良を防ぐ事ができるので、高歩留りのキャパシタ構造体を形成できる。
【００６６】
ここで、第３の実施形態で述べたホウ素を含有する絶縁体のホウ素の含有量は、タンタル酸化物層の形成が抑制されるように、適宜調整することが好ましい。また、本実施の形態ではホウ素を含有する石英体、石英リングを用いたが、高純度ボロンナイトライドのリングなども使用することができる。
【００６７】
ところで、本発明の各実施形態においては、図２、４に示すＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）方式のドライエッチング装置を用いたが、これに代えて、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）方式、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方式等のプラズマ源を搭載するドライエッチング装置を用いても同様の効果が得られる。また本発明の実施形態によるエッチング方法は、ドライエッチング中に酸素が発生する環境においてタンタル酸化膜またはそれを含む積層膜を、反応生成物の再付着なくエッチングするものであるが、シリコン酸化膜など酸素を含む膜上に形成されたタンタル膜、その合金膜、酸化膜以外の化合物膜などのエッチングにおいてもそのエッチング原理から効果を発揮することは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明に係るドライエッチング方法および半導体装置の製造方法は、エッチング中に酸素が発生する条件においてタンタル膜又はその合金膜をドライエッチングする場合に、タンタルと酸素が反応してできるタンタル酸化物層の形成を抑制することができる等の効果を有し、主に、ＤＲＡＭ等のメモリ素子の電荷蓄積容量部を製造する際に、高誘電率の容量絶縁膜層として使用される酸化タンタルなど化合物膜のドライエッチングを行なって、パターンを形成する方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係るドライエッチング方法を説明するための工程断面図である。
【図２】実施形態１、および２に係るドライエッチングに用いるエッチング装置の概略断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係るドライエッチング方法を説明するための工程断面図である。
【図４】実施形態３に係るドライエッチングに用いるエッチング装置の概略断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、従来のドライエッチング方法を説明するための工程断面図である。
【図６】従来のドライエッチング方法における課題を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  チャンバ
２  第１の高周波電源
３  誘導コイル
４  第２の高周波電源
５  試料台
１０  半導体基板
１１  パターン化された第一のシリコン酸化膜
１２  ポリシリコン膜から形成されるプラグ
１３  パターン化された第二のシリコン酸化膜
１４  ポリシリコン膜から形成されるキャパシタ下部電極
１５  Ｔａ2Ｏ5膜から形成されるキャパシタ絶縁膜
１６  ＴｉＮ膜から形成されるキャパシタ上部電極
１７  レジストパターン
１８  タンタル酸化物層
１００  半導体基板
１０１  パターン化された第一のシリコン酸化膜
１０２  ポリシリコン膜から形成されるプラグ
１０３  パターン化された第二のシリコン酸化膜
１０４  ポリシリコン膜から形成されるキャパシタ下部電極
１０５  Ｔａ2Ｏ5膜から形成されるキャパシタ絶縁膜
１０６  ＴｉＮ膜から形成されるキャパシタ上部電極
１０７  レジストパターン
２００  Ｔａ2Ｏ5膜から形成されるキャパシタ絶縁膜
２０１  ＴｉＮ膜から形成されるキャパシタ上部電極
２０２  ホウ素を含有するポリシリコン膜
２０３  レジストパターン
２０４  パターン化されたホウ素を含有するポリシリコン膜
３００  石英体
３０１  石英リング
【図１】
2005203612.tif 000003
【図２】
2005203612.tif 000004
【図３】
2005203612.tif 000005
【図４】
2005203612.tif 000006
【図５】
2005203612.tif 000007
【図６】
2005203612.tif 000008