專利名稱：半導體器件的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件的制造方法，特別是涉及強電介質、高介電系數(shù)材料和白金的刻蝕方法。
人們知道利用了已形成于半導體襯底上邊的強電介質膜的自然極化的非易失性存儲器。此外，還知道把由高介電系數(shù)材料構成的電容器備于半導體襯底上邊的DRAM(動態(tài)RAM)。在這些種類的存儲器的制造過程中，需要對強電介質和高介電系數(shù)材料和用作它們的電極的白金(Pt)進行微細加工。
人們熟悉用以光刻膠為掩模且應用氯(Cl2)氣體的等離子體的干蝕法加工強電介質和高介電系數(shù)材料的方法。但是，由于強電介質和高介電系數(shù)材料是高熔點且高沸點的金屬的復合氧化物，故刻蝕速度慢。即，由于用這種方法得不到足夠的選擇比，故在現(xiàn)有技術中需要徒勞無益地把光刻膠掩模作厚。因而難于進行微細加工。
本發(fā)明的目的是使得可以容易地實現(xiàn)對強電介質、高介電系數(shù)材料和白金的微細加工。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的做法是先在由強電介質、高介電系數(shù)材料和白金之內的至少一種構成的刻蝕對象膜的上邊把易于氧化的金屬膜形成圖形以作為掩模，然后用氯氣和氧氣的混合氣體的等離子體選擇性地刻蝕刻蝕對象膜。倘采用這種方法，則作為掩模而形成的金屬膜將被等離子體氧化。結果，掩模的刻蝕速度將變小。與此成為對照地，對于刻蝕對象膜來說，將確保大的刻蝕速度。因此，實現(xiàn)刻蝕的高選擇比且刻蝕對象膜的微細加工將變得容易。
此外，倘采用本發(fā)明，則在由強電介質和高介電系數(shù)材料之中的至少一者構成的刻蝕對象膜的上邊使由絕緣物構成的下層掩模和易于氧化的金屬構成的上層掩模形成圖形，并用氯氣與氧氣的混合氣體的等離子體對刻蝕對象膜選擇性地進行刻蝕之后，留下下層掩模的同時除去上層掩模。若采用這種方法，則作為上層掩模而形成的金屬膜將被等離子體氧化。其結果是掩模的刻蝕速度變小。與此形成對照地，對于刻蝕對象膜來說，則可確保大的刻蝕速度。因此，實現(xiàn)刻蝕的高的選擇比且刻蝕對象膜的微細加工將會變得容易。而且，在進行上層掩模的除去時，由于刻蝕對象膜已被下層掩模覆蓋了起來，故該刻蝕對象膜不會暴露于刻蝕氣體之內。因而將抑制強電介質特性和高介電系數(shù)特性的不均一和劣化。此外，為了防止上層掩膜產生殘渣，用具有還原性的氣體的等離子體比如說三氯化硼氣體等離子體對上層掩模進行刻蝕。
此外，倘采用本發(fā)明，則在由強電介質和高介電系數(shù)材料之中至少一者構成的刻蝕對象膜的上邊以絕緣物為掩模形成圖形并用氣體等離子體對刻蝕對象膜選擇性地進行了刻蝕之后，僅僅除去由絕緣物構成的掩模中的上層部分。倘采用這種方法。通過采用應用了由絕緣物構成的掩模的干蝕法，與應用光刻膠掩模的情況相比，刻蝕對象膜的微細加工變得容易了。而且，由于作成為部分地除去掩模，故在除去該掩模時刻蝕對象膜被保護的結果，將抑制強電介質特性和高介電系數(shù)特性的不均一和劣化。


圖1(a)～圖1(e)的斷面圖示出了本發(fā)明的半導體器件的制造方法的工序。
圖2示出的是在實施用氯和氧的混合氣體的等離子體進行的干蝕的情況下的、混合氣體中的氧氣體的體積濃度與白金、強電介質和鈦的各自的刻蝕速度之間的關系。
圖3(a)～圖3(d)的斷面圖示出了本發(fā)明的半導體器件的制造方法的另一種工序。
圖4示出的是在實施用三氯化硼氣體的等離子體進行的干蝕的情況下的、刻蝕室內的壓力與鈦和氧化鈦的各自的刻蝕速度之間的關系。
圖5(a)～圖5(d)的斷面圖示出了本發(fā)明的半導體器件的制造方法的再一種工序。
以下邊參看附圖邊對本發(fā)明的半導體器件的制造方法的具體例子進行說明。
圖1(a)～圖1(e)示出了本發(fā)明的半導體器件的制造方法的工序。在圖1(a)～圖1(e)中，1是由硅(Si)單晶構成的半導體襯底，2是由氧化硅(SiO2)構成的器件絕緣膜，3是下層白金(Pt)膜，4是由SBT即由SrBi2Ta3O9構成的強電介質膜，5是上層的白金(Pt)膜，6是鈦(Ti)膜，7是光刻膠掩模。
若按順序進行說明，則先在半導體襯底1的上邊形成器件絕緣膜2，再在其上邊依次形成下層白金膜3、強電介質膜4、上層白金膜5和鈦膜6，再在其上用光刻技術形成所希望的圖形的光刻膠掩模7(圖1(a))。用CVD法形成器件絕緣膜2，用濺射法形成下層白金膜3、上層白金膜5和鈦膜6，用溶膠凝膠(Solgel)法(詳細地說用旋轉涂敷法、噴霧(mist)法等)來形成強電介質膜4。各自的膜厚，例如器件絕緣膜2為200nm，下層白金膜3為300nm，強電介質膜4為200nm，上層白金膜5為200nm，鈦膜6為200nm，光刻膠掩模7為1200nm。這時，鈦膜6的厚度被設定為大于由上層白金膜5和強電介質膜4和下層白金膜3構成的疊層膜的合計厚度的十分之一。
其次用應用了氯(Cl2)氣體的等離子體的干蝕法刻蝕鈦膜6(圖1(b))，用氧(O2)等離子體進行的灰化處理除去光刻膠掩模7(圖1(c))。
接著，以已圖形化的鈦膜6為掩模，且用應用了氯(Cl2)和氧(O2)的混合氣體的等離子體的干蝕法，對由上層白金膜5和強電介質膜4和下層白金膜3構成的疊層膜進行刻蝕(圖1(d))。這時，使用為進行干蝕的刻蝕室，比如說把氯氣的流量設定為12cc/分，把氧氣的流量設定為8cc/分，把刻蝕室內的壓力保持為2Pa、且以5W/cm2的密度加上13.56MHz的高頻功率，以使之產生氯與氧的混合氣體的等離子體。這時，氧氣在氯與氧混合氣體中所占的體積濃度為40％。
再通過以使用了氯氣的等離子體的干蝕法對鈦膜6進行刻蝕的辦法除去該鈦膜6(圖1(e))。這時，采用比如說把氯氣的流量設定為30cc/分，使刻蝕室內的壓力保持20Pa，且以0.7W/cm2的密度加上13.56MHz的高頻功率的辦法使之產生氯氣的等離子體。借助于以上的工序，介以器件絕緣膜2在半導體襯底1的上邊形成強電介質電容器。接著，在圖1(e)的工序之后，實施沒有畫出來的布線工序。
圖2示出了在實施用氯與氧的混合氣體的等離子體進行的干蝕的情況下的、氧氣在該混合氣體中的體積濃度與白金、強電介質及鈦的各自的刻蝕速度之間的關系。在圖2中，橫軸表示氧氣在氯氣與氧氣的混合氣體中所占的體積濃度，縱軸表示白金、強電介質和鈦的各自的刻蝕速度的相對值。該相對值是以氧氣0％(氯氣100％)時的白金的刻蝕速度為1時的相對值。用于刻蝕的等離子體采用使刻蝕室內的壓力保持2Pa，且以5W/cm2的密度加上13.56MHZ的高頻功率的辦法來生成。
根據(jù)圖2，則當氧氣的體積濃度變成27％以上時，鈦的刻蝕速度將急劇地減少。這表明鈦已被等離子體氧化，變得難于進行刻蝕了，若把氧氣的體積濃度設定為30％以上，則鈦的刻蝕速度將變?yōu)榘捉鸹驈婋娊橘|的刻蝕速度的十分之一以下。即，如果把鈦膜6的厚度如上述那樣預先設定為由上層白金膜5和強電介質膜4和下層白金膜3構成的疊層膜的合計膜厚的十分之一以上的話，則如圖1(d)所示，就可留下已圖形化的鈦膜6和位于其下邊的疊層膜3～5的所需要的部分而用刻蝕法除去該疊層膜3～5的不需要的部分。
如上所述，倘采用本方法，則由于先在白金和強電介質的疊層膜3～5的上邊以鈦膜6為掩模形成圖形。然后再用氯與氧的混合氣體的等離子體選擇性地對疊層膜3～5進行刻蝕，故將提高該疊層膜3～5的加工精度。另外，由于作成為僅僅為了鈦膜6的圖形化才使用光刻膠掩模7，故可以減小光刻膠掩模7的厚度，結果是可以對光刻的析象清晰度的提高和光學系統(tǒng)的焦點深度余量的提高作出貢獻。若能靈活運用這些長處，則就可以使用以往因加工性不好而一直不敢采用的各種強電介質材料并可以改善半導體器件的特性和可靠性、成品率。在器件絕緣膜2和下層白金膜3之間作為粘層也可插入鈦層、氮化鈦層、氧化鈦層中的任何一種層。此外，也可在上層白金膜5與鈦膜6之間先插入同樣的粘結層。把除去了鈦膜6之后剩下的該粘結層用于確保上層白金膜5與在圖1(e)的工序后形成的氧化硅膜之間的貼緊性。
此外，就如從圖2可以弄清楚的那樣，不限于上述Pt和SBT之間的疊層膜，即便是Pt的單層膜或SBT的單層膜也可以得到高的選擇比。把本方法應用到用溶膠凝膠法或濺射法形成的、本身作為一種強電介質的PZT膜即PbTiO3-PbZrO3膜或本身作為一種高介電系數(shù)膜的BST膜即BaTiO3-SrTiO3膜的刻蝕中去也是可能的。在上述的例子中，作為掩模雖然用的是鈦(Ti)膜，但也可以采用由鈦化合物或含鈦的合金構成的掩模?；蛘咭部梢圆捎糜摄t(Cr)、鉭(Ta)、鋁(Al)之類的易于氧化的其他的金屬構成的掩模。作為刻蝕氣體。也可以不用Cl2和O2的混合氣體而代之以選用HBr、SF6、HCl等等其他的鹵族元素氣體與O2的混合氣體。但是，由于白金(Pt)的氯化物與其氟化物相比蒸汽壓高，故在Pt的刻蝕中，用氯系氣體比用氟系氣體更令人滿意。
如上所述，強電介質電容器具有用上層白金膜和下層白金膜把強電介質膜夾在中間的構造。為了防止半導體器件在使用時的強電介質膜的側面上的表層漏電，理想的是把上層白金膜的面積作得比強電介質膜的面積小。以下，對把強電介質膜和下層白金膜與上層白金膜分別開來進行刻蝕的方法進行說明。
圖3(a)～圖3(d)示出了本發(fā)明的半導體器件的制造方法的另一種工序。在圖3(a)～圖3(d)中，11是由單晶硅(Si)構成的半導體襯底，12是由氧化硅(SiO2)構成的器件絕緣膜，13是下層白金(Pt膜)，14是由SBT即由SrBi2Ta3O9構成的強電介質膜，15是上層白金(Pt)膜，16是由本身為一種氧化硅的NSG(non-dopedSilicate glass非摻雜硅酸鹽玻璃)構成的掩模絕緣膜，17是鈦(Ti)膜。
若按照順序進行說明，則先在半導體襯底11的上邊形成器件絕緣膜12，再在其上邊依次形成下層白金膜13、強電介質膜14和上層白金膜15之后，把上層白金膜15刻蝕成所希望的圖形(圖3(a))。用CVD法形成器件絕緣膜12、用濺射法形成下層白金膜13和上層白金膜15，用溶膠凝膠法(詳細地說用旋轉涂敷法、噴霧法等等)形成強電介質膜。各自的膜厚是比如器件絕緣膜12為100nm，下層白金膜13為200nm，強電介質14為200nm，上層白金膜15為200nm。由于在這里僅僅對上層白金膜15進行刻蝕，故在刻蝕中可以應用使用了光刻膠掩模的干蝕法?？涛g氣體比如說是氯(Cl2)氣。光刻膠掩模用氧(O2)等離子體灰化處理除去。
其次，用CVD法形成掩模絕緣膜16使得把已圖形化了的上層白金膜15蓋起來，并在其上邊用濺射法形成了鈦膜17之后，把鈦膜17和掩模絕緣膜16刻蝕成比上層白金膜15大的圖形(圖3(b))。各自的膜厚是，例如掩模絕緣膜16為100nm、鈦膜17為200nm。在該刻蝕中，也可以應用使用了光刻膠掩模的干蝕法?？涛g氣體比如對于鈦膜17為Cl2氣體，對于掩模絕緣膜16為CF4氣體。光刻膠掩模用由氧(O2)等離子體進行的灰化處理除去。
接下來，以已圖形化的鈦膜17和絕緣膜16為掩模，且用使用了氯(Cl2)和氧(O2)的混合氣體的等離子體的干蝕法刻蝕強電介質膜14(圖3(c))。這時，鈦膜17部分地變化為氧化鈦(TiO2)。
此外，通過以使用了具有還原性的三氯化硼(BCl3)氣體的等離子體的干蝕法對鈦膜進行刻蝕的辦法，去掉鈦膜17，留下絕緣膜16(圖3(d))。這時，采用比如說把三氯化硼氣體的流量設定為80cc/分，使刻蝕室內的壓力保持13.3Pa(＝100mTorr)，且加上115W的高頻功率的辦法產生三氯化硼氣體的等離子體。接著，在圖3(d)的工序之后，實施包括絕緣膜16的穿孔在內的沒有畫出來的布線工序。
如上所述，倘采用本方法，由于規(guī)定為在強電介質膜14的上邊以鈦膜17為掩模形成圖形并用氯與氧的混合氣體的等離子體選擇性地對強電介質膜進行刻蝕，故將會提高該強電介質膜14的加工精度。而且，作為掩模使用后的鈦膜17可以完全去掉。
圖4示出的是用三氯化硼氣體的等離子體實施干蝕時的、刻蝕室內的壓力與鈦和氧化鈦的各自的刻蝕速度之間的關系。由圖可知，在壓力為13.3Pa的時候，鈦和氧化鈦的刻蝕速度變得大體上相等。即，在上述條件下刻蝕鈦膜17，不產生鈦和氧化鈦的殘渣。因此，在布線工序中不會產生什么麻煩。而且，由于在除去鈦膜17之際強電介質膜14已被掩模絕緣膜16覆蓋了起來，故強電介質膜14不會曝露于刻蝕氣體之內。因此，可以抑制強電介質特性的不均一和劣化。根據(jù)實驗，作為強電介質膜14的剩余極化可以得到15μc/cm2，作為其耐壓可得到30V。也可在器件絕緣膜12和下層白金膜13之間以及在上層白金膜15與掩模絕緣膜16之間，作為粘結層，分別插入鈦層、氮化鈦層、氧化鈦層之中的任何一層。
另外，在作為一種強電介質的PZT膜和作為一種高介電系數(shù)膜的BST膜的刻蝕中應用本方法也是可能的。掩模絕緣膜16也可以是氮化硅膜(Si3N4膜)。但是，由于在形成氮化硅膜時若應用氨(NH3)之類的含氫氣體時在強電介質膜14上將產生劣化，故成膜方法的選定是重要的。也可以不用鈦膜17而代之以采用鈦化合物或者由含鈦合金構成的掩模?；蛘撸梢圆捎糜摄t(Cr)、鉭(Ta)、鋁(Al)之類的易于氧化的其他的金屬構成的掩模。作為鈦膜17的刻蝕氣體也可以使用Cl2、CHCl3和HCl之類的氯系氣體。但是，以防止產生殘渣的觀點來看，三氯化硼(BCl3)氣體是合適的。在刻蝕上層白金膜15的時候，應用把NSG與鈦的疊層膜作為掩模的干蝕法是可能的。也可僅僅把鈦膜或僅僅把NSG膜作為掩模刻蝕上層白金膜15。但是，選擇比以鈦、NSG和光刻膠的順序變低。即在使用單層掩模的情況下，通過采用由鈦膜構成的掩模，在它們之中可得到最大的選擇比。另外，也可以對強電介質膜14和下層白金膜13同時進行刻蝕。
圖5(a)～圖5(d)示出了本發(fā)明的半導體器件的制造方法的另外一種工序。在圖5(a)～圖5(d)中，21是由硅(Si)單晶構成的半導體襯底，22是由二氧化硅(SiO2)構成的器件絕緣膜，23是下層白金(Pt)膜，24是由SBT即由SrBi2Ta3O9構成的強電介質膜，25是上層白金(Pt)膜，26是由NSG構成的掩模絕緣膜。
若按照先后次序進行說明，則在半導體襯底21的上邊形成器件絕緣膜22，并在其上邊依次形成強電介質膜24和上層白金膜25之后，把上層白金膜25刻蝕成所希望的圖形(圖5(a))。這一工序和圖3(a)的工序一樣。
其次，在用CVD法形成了掩模絕緣膜26使之把已圖形化了的上層白金膜25覆蓋起來之后，把該掩模絕緣膜26刻蝕成比上層白金膜25大的圖形(圖5(b))。掩模絕緣膜26的厚度比如說為500nm。在這種刻蝕中可以應用使用了光刻膠掩模的干蝕法。刻蝕氣體比如說是CF4、CHF3之類的氟系氣體。光刻膠掩模可用由氧(O2)等離子體進行的灰化處理來除去。
接著，以已圖形化了的絕緣膜26為掩模，且用使用氯(Cl2)和氧(O2)的混合氣體的等離子體的干蝕法，對強電介質膜24進行刻蝕(圖5(c))。
此外，通過以使用CF4、CHF3之類的氟系氣體的等離子體的干蝕法刻蝕掩模絕緣膜26的辦法去掉該掩模絕緣膜26的一部分(圖5(d))。這時，對刻蝕時間進行調整，使得掩模絕緣膜26的厚度變?yōu)楸热缯f100nm。接著，在圖5(d)的工序之后，實施包括對絕緣膜26進行穿孔在內的沒有畫出來的布線工序。
倘采用本方法，則通過采用使用了由NSG構成的掩模絕緣膜26的干蝕法，強電介質膜24的微細加工將變得容易起來。而且，在圖5(d)的工序中，由于強電介質膜24已被掩模絕緣膜26覆蓋了起來，故該強電介質膜24不會曝露于刻蝕氣體之內。因此，可以抑制強電介質特性的不均一和劣化。根據(jù)實驗，作為強電介質膜24的剩余極化可以得到13～15μc/cm2，作為其耐壓可以得到25～30V。作為粘結層，在器件絕緣膜22和下層白金膜23之間以及在上層白金膜25和掩模絕緣膜26之間，也可插入鈦層、氮化鈦層和氧化鈦層之中的任何一層。
另外，在作為一種強電介質膜的PZT膜或作為一種高介電系數(shù)膜的BST膜的刻蝕中應用本方法也是可能的。掩模絕緣膜26也可以是氮化硅(Si3N4)。此外，強電介質膜24和下層白金膜23也可以同時刻蝕。
權利要求
1.一種半導體器件的制造方法，其特征是具備在半導體襯底的上邊形成由強電介質、高介電系數(shù)材料和白金三者中至少一者構成的刻蝕對象膜的工序；在上述刻蝕對象膜的上邊形成由易于氧化的金屬構成的已圖形化了的掩模的工序；用具有氧化性和鹵化性的氣體等離子體對上述刻蝕對象膜選擇性地進行刻蝕的工序。
2.如權利要求1的半導體器件的制造方法，其特征是形成上述掩模的工序具有形成由鈦和鈦化物和含鈦合金這三者中至少一者構成的膜的工序。
3.如權利要求1的半導體器件的制造方法，其特征是上述對刻蝕對象膜選擇性地進行刻蝕的工序具備選定氯與氧的混合氣體的等離子體的工序。
4.如權利要求3的半導體器件的制造方法，其特征是上述選定氯與氧的混合氣體的等離子體的工序具備把該混合氣體中的氧氣的體積濃度設定為30％以上的工序。
5.一種半導體器件的制造方法，其特征是具有在半導體襯底的上邊，形成由強電介質和高介電系數(shù)材料二者之中至少一者構成的刻蝕對象膜的工序；在上述刻蝕對象膜的上邊，形成具有由絕緣物構成的下層掩模和由該下層掩模的上邊的易于氧化的金屬構成的上層掩模，且已圖形化的疊層掩模的工序；用具有氧化性和鹵化性的氣體等離子體對上述刻蝕對象膜選擇性地進行刻蝕的工序；留下上述下層掩模組除去上述上層掩模的工序。
6.如權利要求5的半導體器件的制造方法，其特征是上述形成下層掩模的工序具有形成由氧化硅構成的膜工序。
7.如權利要求5的半導體器件的制造方法，其特征是上述形成上層掩模的工序具有形成由鈦和鈦化物和含鈦的合金這三者之中的至少一者構成的膜的工序。
8.如權利要求7的半導體器件的制造方法，其特征是上述除去上層掩模的工序具有在應用具有還原性的氣體等離子體且鈦與氧化鈦的刻蝕速度為相等的條件下對上述上層掩模進行刻蝕的工序。
9.如權利要求8的半導體器件的制造方法，其特征是上述除去上層掩模的工序具有對具有還原性的三氯化硼的氣體等離子體進行選定的工序。
10.一種半導體器件的制造方法，其特征是具備在半導體襯底的上邊，形成由強電介質和高介電系數(shù)材料二者之中至少一者構成的刻蝕對象膜的工序；在上述刻蝕對象膜的上邊，形成由絕緣物構成的已圖形化的掩模的工序；用氣體等離子體對上述刻蝕對象膜選擇性地進行刻蝕的工序；僅僅除去上述掩模之內的上層部分的工序。
11.如權利要求10的半導體器件的制造方法，其特征是上述形成掩模的工序具有形成由氧化硅構成的膜的工序。
全文摘要
在半導體襯底上依次形成器件絕緣膜、下白金膜、強電介質膜、上白金膜、鈦膜和期望圖形的光刻膠掩模。鈦膜厚度設為上白金膜、強電介質膜和下白金膜總厚度的十分之一以上。用干蝕法刻蝕鈦膜并用灰化處理除去光刻膠掩模。用已圖形化的鈦膜為掩模，應用把氧氣的體積濃度設定為40％的氯與氧混合氣體的等離子體的干蝕法刻蝕上白金膜、強電介質膜和下白金膜。由于鈦膜被氧化故可得到高的刻蝕選擇比。再用應用了氯氣的等離子體的干蝕法除去鈦膜。
文檔編號H01L21/311GK1163474SQ9710215
公開日1997年10月29日 申請日期1997年1月24日 優(yōu)先權日1996年1月26日
發(fā)明者中川聰, 伊東豐二, 尾藤陽二, 長野能久 申請人:松下電子工業(yè)株式會社