專利名稱：半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含有以鐵電材料作電容絕緣膜的內(nèi)置電容器的半導(dǎo)體集成電路制造方法;特別涉及用于所述電容器鉑(Pt)電極精細(xì)圖形干法腐蝕工藝。
在半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)朝著更精細(xì)方向發(fā)展的總趨勢中，其發(fā)展活動引人注目的領(lǐng)域乃為能有效地減少不必要的輻射或電磁干擾、含有用高介電常數(shù)材料作電容器的微型計(jì)算機(jī);以及便于低電壓運(yùn)行和高速讀/寫、含有內(nèi)置鐵電電容器的非易失性隨機(jī)存取存儲器(RAM)。鐵電材料主要由金屬氧化物制成，并含有大量非?；顫姷难?。用這樣的電介質(zhì)膜來制作電容器時，用作電容器電極的材料必須是活性最小的，必須采用諸如鉑、鈀一類貴金屬。
圖9示出含有內(nèi)置電介質(zhì)電容器的半導(dǎo)體器件中電容器的典型結(jié)構(gòu)。這里，1a表示上電極，2a表示電容絕緣膜，3a表示下電極，4表示底層，7表示接觸孔，8表示內(nèi)絕緣層(氧化物層)以及9表示引線。
在上面提到的結(jié)構(gòu)中，下電極3a要做得比上電極1a大些;其原因是要在兩個點(diǎn)(即上電極1a和下電極3a)上分別提供與上引線9的接觸。
制作電容器的腐蝕工藝包括對Pt上電極層和電介質(zhì)膜的腐蝕以及對Pt下電極層3的腐蝕;其中，對Pt上電極層和電介質(zhì)膜的腐蝕速度必須不同于對Pt下電極的腐蝕速度。
曾經(jīng)借助王水濕法腐蝕、用氬氣的離子磨削或其他方法來對Pt進(jìn)行腐蝕。然而，濕法腐蝕和離子磨削兩者本質(zhì)上都是各向同性腐蝕，這就意味著對于精細(xì)圖形加工，其精確度等級還不夠高。特別是離子磨削還有這樣的缺點(diǎn)，即它對Pt和底層材料的腐蝕速度差別不很大。
為了克服上面提到的缺點(diǎn)，在用干法腐蝕的Pt精細(xì)圖形加工方面，已經(jīng)作了積極的研究與開發(fā)努力;其中，作為腐蝕氣體，已經(jīng)報(bào)導(dǎo)用氯氣(Cl2)和溴化氫(HBr)(見日本應(yīng)用物理學(xué)會1991年秋季會議詳細(xì)摘要，9p-ZF-17，P.516;日本應(yīng)用物理學(xué)會1993年春季會議詳細(xì)摘要，30a-ZE-3，p.577，等等)?，F(xiàn)就用Cl2氣體作腐蝕氣體時，Pt的腐蝕速度對射頻(RF)電功率的依賴關(guān)系說明如下。
圖10示出以Cl2氣體作腐蝕氣體時，Pt的腐蝕速度以及Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比對RF功率的依賴關(guān)系。這里，水平軸表示RF功率，左邊的垂直軸表示Pt的腐蝕速度，而右邊的垂直軸表示Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比。
腐蝕用的裝置是磁控管反應(yīng)離子腐蝕(RIE)方式的干法腐蝕機(jī)。
腐蝕的條件是Cl2氣體流量為20標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分(SCCM)，氣壓為1帕。由于大園晶片背面用氦(He)來冷卻，因此在腐蝕期間它的溫度低于20℃。
圖10顯示出這樣一個趨勢，即當(dāng)RF功率由200瓦升高到600瓦時，Pt的腐蝕速度從10納米/分增加到100納米/分。
當(dāng)RF功率由200瓦升高到600瓦時，Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比也顯示出從0.2到0.3的上升趨勢;然而，該腐蝕速度比仍然很低。上述引用文獻(xiàn)也報(bào)導(dǎo)了采用Cl2氣體時，Pt的腐蝕速度對RF功率依賴關(guān)系的類似結(jié)果。
此外，上面提到的論文還描述了采用HBr氣體作為腐蝕氣體的情形;此時，按照那些論文，所報(bào)告Pt的腐蝕速度為120納米/分。
在用諸如Cl2或HBr等單一氣體物質(zhì)作為腐蝕氣體的那些通常的情形中，Pt的腐蝕速度很低;這就意味著腐蝕所需厚度(數(shù)百個納米)的Pt，要花費(fèi)很長時間，因而其缺點(diǎn)是生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)效率很低。
再者，腐蝕時間的拖長容易引起腐蝕期間抗蝕劑層被腐蝕的問題。如果抗蝕劑層做得較厚，這將影響光刻圖形分辨率的等級，使精細(xì)圖形的形成十分困難。
增加Pt/抗蝕劑腐蝕速度比的一種可能做法是添加含有碳成份的氣體，并在積聚碳層的同時，借助等離子體的聚合作用進(jìn)行腐蝕。然而，這一過程導(dǎo)致反應(yīng)室內(nèi)成為產(chǎn)生微粒來源的碳層積聚。這就需要時常對裝置進(jìn)行保養(yǎng)，使運(yùn)行效率欠佳。
本發(fā)明的目的是提供一種制造半導(dǎo)體器件的新方法，在該方法中，提高了Pt的腐蝕速度，因此，生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)效率能得以改進(jìn)。
為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明以這樣一種制造半導(dǎo)體器件的方法為特色，即在已經(jīng)完成的電路元件和引線的襯底之上準(zhǔn)備好絕緣層、下電極Pt層、電介質(zhì)膜以及上電極Pt層，接著在選擇性地干法腐蝕上電極Pt層和電介質(zhì)膜之后，再選擇性地干法腐蝕下電極Pt層來制作電容器;
這種方法包括對構(gòu)成下電極或上電極的Pt層進(jìn)行干法腐蝕的工藝，其中或是在組成Pt和S(硫)的化合物的同時對Pt層進(jìn)行干法腐蝕，或是先組成Pt和S的化合物，再對Pt的化合物進(jìn)行干法腐蝕;
這種方法采用含有S成份的氣體作為腐蝕Pt的腐蝕氣體，或者采用含有S成份的腐蝕氣體作為添加氣體;以及這種方法在開始Pt干法腐蝕工藝之前，用離子注入辦法把S注入Pt層以構(gòu)成S和Pt的化合物，然后再對如此組成的Pt化合物進(jìn)行干法腐蝕。
因此，按照本發(fā)明，Pt和S的化合物在腐蝕期間組成。由于這種化合物的沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于Pt的沸點(diǎn);因此可以提高Pt層的腐蝕速度以改進(jìn)生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)效率。由此Pt的腐蝕時間可以縮短而抗蝕劑的腐蝕得以防止。
圖1(A)-(D)示出本發(fā)明的一個實(shí)施例中制作電容器的步驟。
圖2示出本發(fā)明第一個實(shí)施例中以S2Cl2為腐蝕氣體時，Pt的腐蝕速度以及Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比對RF功率依賴關(guān)系的特性曲線圖。
圖3示出本發(fā)明的第二個實(shí)施例中Pt的腐蝕速度對由Cl2氣體和S2Cl2氣體所構(gòu)成腐蝕氣體混合比依賴關(guān)系的特性曲線圖。
圖4示出本發(fā)明的第三個實(shí)施例中Pt的腐蝕速度以及Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比對RF功率依賴關(guān)系的特性曲線圖;在該實(shí)施例中，腐蝕氣體為HBr氣體，添加氣體為硫化氫(H2S)氣體。
圖5示出本發(fā)明的第三個實(shí)施例中Pt的腐蝕速度對HBr氣體和H2S氣體之間混合比依賴關(guān)系的特性曲線圖。
圖6(A)-(D)示出本發(fā)明的第四個實(shí)施例中電容器的制作步驟。
圖7示出本發(fā)明的第四個實(shí)施例中Pt的腐蝕速度對RF功率依賴關(guān)系的特性曲線圖;在該實(shí)施例中，用離子注入把S注入到Pt內(nèi)以構(gòu)成S和Pt的化合物，然后再用Cl2氣體來腐蝕Pt。
圖8是Pt/S合金的相圖。
圖9示出用通常半導(dǎo)體器件制造方法所制造的典型電容器的剖面圖。
圖10示出上述制造方法中Pt的腐蝕速度以及Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比對RF功率依賴關(guān)系的特性曲線圖，其中，只用單一物質(zhì)Cl2氣體來腐蝕氣體。
下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施例;這里，與圖9中所示通常結(jié)構(gòu)中相同的部分以相同的標(biāo)號給出。
在圖1(A)-(D)中，1表示上電極用Pt層，1a表示上電極，2表示電介質(zhì)膜，2a表示電容絕緣膜，3表示下電極用Pt層，4表示絕緣底層，5和6表示抗蝕劑。為簡單起見，襯底上電路元件的區(qū)域未在圖中出現(xiàn)。
在硅半導(dǎo)體襯底上所提供的底層4之上，積聚200納米厚的Pt層3用作下電極;在用作下電極的Pt層3上積聚180納米厚的電介質(zhì)膜2;在電介質(zhì)膜2上積聚200納米厚的Pt層用作上電極。
現(xiàn)在來說明由這樣制造出的多層結(jié)構(gòu)中做出電容器的工藝步驟。
首先，如圖1(A)所示，為制作上電極1a和電容絕緣層2a，把抗蝕劑5置于上電極用Pt層1之上。接著，如圖1(B)所示，對上電極用Pt層1和電介質(zhì)膜2進(jìn)行腐蝕，以形成上電極1a和電容絕緣層2a;當(dāng)露出下電極用Pt層3的表面后就停止腐蝕。然后，如圖1(C)所示，用抗蝕劑6把上電極1a和電容絕緣層2a完全覆蓋，最后，如圖1(D)所示，對下電極用Pt層3進(jìn)行腐蝕，以形成下電極3a。
在制造上述結(jié)構(gòu)電容器的第一個實(shí)施例中，用S2Cl2氣體作為Pt的腐蝕氣體。
圖2示出本實(shí)施例中Pt的腐蝕速度以及Pt/抗腐蝕劑的腐蝕速度比隨RF功率的變化。
比較圖2本實(shí)施例的特性和圖10中通常制造方法的那些特性，可以清楚地看出，隨著RF功率由200瓦增加到600瓦，本實(shí)施例的Pt腐蝕速度是通常方法的兩倍，而Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比則由0.4增加到0.5。而且和通常方法相比，Pt/抗蝕劑腐蝕速度比幾乎加倍。
作為第二個實(shí)施例，圖3示出當(dāng)把Cl2氣體和S2Cl2氣體加以混合而用作腐蝕氣體時，Pt的腐蝕速度對腐蝕氣體混合比的依賴關(guān)系。水平軸表示氣體混合比，垂直軸表示Pt的腐蝕速度。
所用的裝置是磁控管RIE方式的干法腐蝕機(jī)。
腐蝕條件是腐蝕氣體S2Cl2/(S2Cl2+Cl2)的混合比是改變的，RF功率為600瓦，氣壓為1帕。借助大圓晶片背面冷卻的辦法使腐蝕期間大圓晶片的溫度保持低于20℃。
由圖可以清楚地看出，當(dāng)腐蝕氣體的混合比從100%Cl2氣體變?yōu)?00%S2Cl2氣體時，Pt的腐蝕速度按上升趨勢從100納米/分變到200納米/分。
按照本發(fā)明的情形，采用含有S成份的腐蝕氣體可以提高Pt的腐蝕速度，而產(chǎn)生裝置的生產(chǎn)效率也能增加，并且可以使Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比變高些。
在本實(shí)施例的情形中，作為舉例采用諸如S2Cl2氣體等硫的氯化物氣體或采用Cl2和S2Cl2的混合氣體作為腐蝕氣體。然而，作為含有S成份的氣體，可以采用諸如SF6或S2F2一類硫的氟化物氣體以得到相同的結(jié)果。
作為第三個實(shí)施例，將結(jié)合附圖解釋在Pt物腐蝕工藝中把H2S氣體添加到腐蝕氣體中去的情形。
圖4示出當(dāng)HBr氣體用作腐蝕氣體，而H2S氣體作為添加氣體時，Pt的腐蝕速度和Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比對RF功率的依賴關(guān)系。水平軸表示RF功率，左邊的垂直軸表示Pt的腐蝕速度，而右邊的垂直軸則表示Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比。
使用的裝置是磁控管RIE方式的干法腐蝕機(jī)。
腐蝕條件是HBr氣體流量為20SCCM，H2S氣體流量為10SCCM，氣壓為1帕。借助冷卻大圓晶片背面的辦法使腐蝕期間大圓晶片的溫度保持低于20℃。
由圖4可以清楚地看出，當(dāng)RF功率由200瓦增加到600瓦時，Pt的腐蝕速度按上升趨勢由20納米/分變到200納米/分;與圖10所示的通常情形相比，Pt的腐蝕速度差不多增加了一倍。當(dāng)RF功率由200瓦增加到600瓦時，Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比按上升趨勢由0.4變到0.5。與用Cl2作為Pt腐蝕氣體的情形相比，有抗蝕劑的腐蝕速度比幾乎加倍。
圖5示出當(dāng)用HBr氣體作腐蝕氣體，而H2S氣體作為添加氣體時，Pt的腐蝕速度對氣體混合比的依賴關(guān)系。水平軸表示氣體混合比，垂直軸表示Pt的腐蝕速度。
采用的裝置是磁控管RIE方式的干法腐蝕機(jī)。腐蝕條件是H2S/(H2S+HBr)混合比是改變的，RF功率為600瓦，氣壓為1帕。用冷卻晶片背面的辦法使腐蝕期間大圓晶片的溫度保持低于20℃。
由圖5清楚地看出，當(dāng)混合比在30%附近時，Pt的腐蝕速度最快，達(dá)到200納米/分。
按照本實(shí)施例的情形，采用含有S成份的氣體作為添加氣體，可以提高Pt的腐蝕速度，而生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)效率得以提高，并且可使Pt/抗蝕劑的腐蝕速度比較高。
作為舉例，在本實(shí)施例中采用了H2S氣體作為添加氣體。然而，作為含S成份的氣體，可以用SO2氣體以得到相同的結(jié)果。
接下來，作為本發(fā)明的第四個實(shí)施例，將說明這樣一種情形，其中通過離子注入把S注入Pt，以組成S和Pt的化合物;然后再對Pt進(jìn)行干法腐蝕。
圖6(A)-(D)表示在這一實(shí)施例中電容器的制造步驟;這里，1是上電極用Pt層，1a是上電極，2是電介質(zhì)膜，3是下電極用Pt層，4是由絕緣層做成的底層，5是抗蝕劑。
在硅半導(dǎo)體襯底上提供的底層4上積聚200納米厚的下電極用Pt層3;在下電極用的Pt層3上積聚180納米厚的電介質(zhì)膜;在電介質(zhì)膜2上積聚200納米厚的上電極用Pt層1。
現(xiàn)對由這樣制得的多層結(jié)構(gòu)來制造電容器工藝步驟進(jìn)行說明。
首先，如圖6(A)所示，把抗蝕劑5置于作上電極用的Pt層1上。其次，如圖6(B)所示，用離子注入的方法把S離子注入作上電極用的Pt層1內(nèi)，以便在待腐蝕區(qū)內(nèi)組成Pt和S的化合物，如圖6(C)所示。在此步驟中，并不把S注入進(jìn)電介質(zhì)膜2。然后，如圖6(D)所示，把Pt和S的化合物腐蝕掉。
圖7示出Pt的腐蝕速度對RF功率的依賴關(guān)系，其中，用離子注入方法把S注入Pt內(nèi)，以組成S和Pt的化合物，然后再用Cl2作為腐蝕氣體。水平軸表示RF功率，垂直軸表示Pt的腐蝕速度。
所用的裝置是磁控管RIE方式的干法腐蝕機(jī)。離子注入條件是加速電壓為600千電子伏特(KeV)摻雜量為5×1015原子/厘米2。腐蝕條件是Cl2氣體流量為200SCCM，氣壓為1帕。用冷卻大圓晶片背面的辦法使腐蝕期間大圓晶片的溫度保持低于20℃。
由圖7可清楚地看出，當(dāng)RF功率從200瓦升到600瓦時，Pt的腐蝕速度按上升趨勢由15納米/分變至150納米/分。
與圖10通常情形相比，Pt的腐蝕速度增加一半。
按照本實(shí)施例，可以提高上電極用的Pt層1的腐蝕刻速度，其做法是，首先用離子注入的方法把S注入作上電極用的Pt層1內(nèi)以組成S和Pt的化合物，然后再對化合物進(jìn)行干法腐蝕。這樣做了以后，能改進(jìn)生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)效率。
現(xiàn)來考察以下兩種形，其一，采用一含S成份的氣體作為腐蝕氣體，而用一含S成份的氣體作為添加氣體，以及，其二，在Pt和S組成化合物的同時，對Pt進(jìn)行干法腐蝕，或先組成Pt和S的化合物，然后再對Pt進(jìn)行干法腐蝕，之后將對Pt的腐蝕速度如何得以提高的機(jī)制進(jìn)行解釋。
圖8是Pt/S合金的相圖，由圖可以看出，把極少量的S混入Pt，它將在1175℃開始升華。
已知Pt的沸點(diǎn)高至3804℃。然而，如上面所提到的，把極少量的S混入Pt，可以降低Pt的沸點(diǎn)。
S2Cl2氣體和S2F2氣體，兩者都是含S氣體，具有大的S/X比(X＝Cl，F(xiàn))，并且當(dāng)它們在等離子體中分解時，很容易積聚S。
因此，當(dāng)采用含S氣體作為腐蝕氣體和含S氣體作為添加氣體時，在等離子體中分解而得的S成份與Pt作用組成了低沸點(diǎn)的化合物。由于這個原因，與采用Cl2氣體作腐蝕氣體的情形相比，Pt的腐蝕速度得以提高。
因此，在要對上電極用Pt層1和電介質(zhì)膜2進(jìn)行腐蝕的工藝步驟中，應(yīng)以相對慢的Pt腐蝕條件進(jìn)行腐蝕，并在下電極用Pt層3-露出時就停止。在要對下電極用Pt層3進(jìn)行腐蝕的下一步驟中，應(yīng)以快的Pt腐蝕條件進(jìn)行腐蝕。用這種方法，可以做出所需的電容器結(jié)構(gòu)。
由上面所提到的那些實(shí)施例可以清楚地知道，按照本發(fā)明的工藝，采用含S氣體作為Pt的腐蝕氣體，或含S成份的氣體作為添加氣體，以改變電極用Pt為低沸點(diǎn)的S/Pt化合物;并在組成化合物后進(jìn)行腐蝕;因此，可以提高Pt的腐蝕速度。相對于抗蝕劑的腐蝕速度比也可增加。
因此，本發(fā)明完成了一種新的半導(dǎo)體器件制造方法，它能提供高的加工精度以及生產(chǎn)裝置高的生產(chǎn)效率。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于，電容元件由下述方法制成首先，在電路元件和引線等均已完成的襯底上準(zhǔn)備好絕緣層、下電極Pt層、電介質(zhì)膜以及上電極Pt層，然后，選擇性地干法腐蝕所述上電極Pt層和電介質(zhì)膜，此后，選擇性地干法腐蝕下電極Pt層；并在對構(gòu)成下電極或上電極的所述Pt進(jìn)行干法腐蝕時，或是在組成Pt和S化合物的同時進(jìn)行干法腐蝕，或是先組成Pt和S的化合物，再對這樣組成的化合物進(jìn)行干法腐蝕。
2.一種半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于，電容元件由下述方法制成首先，在電路元件和引線等均已完成的襯底上準(zhǔn)備好絕緣層、下電極Pt層、電介質(zhì)膜以及上電極Pt層，然后，選擇性地干法腐蝕所述上電極Pt層和電介質(zhì)膜，此后，選擇性地干法腐蝕下電極Pt層;并在對構(gòu)成下電極或上電極的所述Pt進(jìn)行干法腐蝕時，采用一種含有S成份的氣體作為腐蝕氣體。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于，含有S成份的氣體是從由硫的氟化物氣體和硫的氯化物氣體構(gòu)成的組中選出的一種氣體。
4.一種半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于，電容元件由下述方法制成首先，在電路元件和引線等均已完成的襯底上準(zhǔn)備好絕緣層、下電極Pt層、電介質(zhì)膜以及上電極Pt層，然后，選擇性地干法腐蝕所述上電極Pt層和電介質(zhì)膜，此后，選擇性地干法腐蝕下電極Pt層;并在對構(gòu)成下電極或上電極的所述Pt進(jìn)行干法腐蝕時，采用一種含有S成份的氣體作為添加于Pt腐蝕氣體的氣體。
5.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于，添加氣體至少是從由硫的氟化物、硫的氯化物、H2S和SO2構(gòu)成的組中選出的一種氣體。
6.一種半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于，電容元件由下述方法制成首先，在電路元件和引線等均已完成的襯底上準(zhǔn)備好絕緣層、下電極Pt層、電介質(zhì)膜以及上電極Pt層，然后，選擇性地干法腐蝕所述上電極Pt層和電介質(zhì)膜，此后，選擇性地干法腐蝕下電極Pt層;并且在對構(gòu)成下電極或上電極的所述Pt進(jìn)行干法腐蝕之前，用離子注入的方法把S注入Pt，以組成S和Pt的化合物，然后再對這樣組成的Pt化合物進(jìn)行干法腐蝕。
全文摘要
在已經(jīng)做好電路元件和引線的襯底上，對絕緣底層(4)、下電極用Pt層(3)、電介質(zhì)膜(2)和上電極用Pt層(1)進(jìn)行光刻成型。然后，采用含S成分的腐蝕氣體，在組成Pt和S的化合物的同時腐蝕上電極用Pt層(1)或下電極用Pt層(3)，或首先組成Pt和S的化合物，然后再腐蝕化合物的辦法，來形成上電極(1a)、電容絕緣膜(2a)以及下電極(3a)。
文檔編號H01L21/3213GK1111817SQ9412003
公開日1995年11月15日 申請日期1994年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月28日
發(fā)明者松元省二, 二河秀夫, 中川聰 申請人:松下電子工業(yè)株式會社