特許 6679501 メモリセルおよびソース線を酸化させずにマスキング層のドライエッチングを行う方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6679501

(24)【登録日】2020年3月23日

(45)【発行日】2020年4月15日

(54)【発明の名称】メモリセルおよびソース線を酸化させずにマスキング層のドライエッチングを行う方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20200406BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20200406BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20200406BHJP

   H01L 21/768 20060101ALI20200406BHJP

   H01L 23/532 20060101ALI20200406BHJP

   H01L 45/00 20060101ALI20200406BHJP

   H01L 49/00 20060101ALI20200406BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 105A

   H01L21/302 301M

   H01L27/105 448

   H01L21/90 L

   H01L45/00 Z

   H01L49/00 Z

【請求項の数】8

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-567870(P2016-567870)

(86)(22)【出願日】2015年4月28日

(65)【公表番号】特表2017-520912(P2017-520912A)

(43)【公表日】2017年7月27日

(86)【国際出願番号】JP2015002282

(87)【国際公開番号】WO2015177972

(87)【国際公開日】20151126

【審査請求日】2018年4月10日

(31)【優先権主張番号】14/283,893

(32)【優先日】2014年5月21日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】316005926

【氏名又は名称】ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001357

【氏名又は名称】特許業務法人つばさ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】アクター カムラン

(72)【発明者】

【氏名】デュッタ アシム

(72)【発明者】

【氏名】シュリンスキー アレックス ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】トラップ シェーン ジェイ

【審査官】 鈴木 聡一郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２５２２７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０３１５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１７０５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１４５８７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５１７９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５１９４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０４１２９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０６４１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０１９４１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４３５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０４５０５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２４７６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０１００４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／７６８

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｌ ２３／５３２

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

マスキング層にトレンチを形成し、
前記トレンチ内にセル構造およびソース線を形成し、
前記セル構造および前記ソース線に、前記セル構造および前記ソース線の酸化を防ぐためのパッシベーション工程として、
前記セル構造および前記ソース線の金属層をパッシベートする化合物を用いて、前記セル構造上および前記ソース線上に、前記化合物と前記金属層との反応から保護膜を形成し、
前記パッシベーション工程後に、酸素系プラズマを用いて前記マスキング層を掘削する
メモリセルの製造方法。

【請求項2】

前記トレンチ内に、第１バリア層、前記セル構造、第２バリア層および前記ソース線をこの順に形成する
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記セル構造および前記ソース線は、前記トレンチ内および前記マスキング層上に形成され、
前記マスキング層上の前記セル構造および前記ソース線に平坦化処理を施した後、前記パッシベーション工程を行う
請求項１または請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記トレンチは金属コンタクトを露出させる
請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

前記パッシベーション工程を、反応スパッタリングタイプのプラズマ系処理チャンバ内で行う
請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

更に、前記セル構造から前記保護膜を除去し、前記化合物の後の工程での相互作用を防止することを含む
請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記セル構造からの前記保護膜の除去は、スパッタ除去によってなされる
請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記スパッタ除去は、インサイチュ（in-situ）でのＨ₂またはＨ₂−Ａｒプラズマを用いてなされる
請求項７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[関連出願の相互参照]
本出願は、２０１４年５月２１日に出願されたアメリカ合衆国優先権出願ＵＳ14/283893の利益を主張し、その全ての内容を参照によって援用する。

【0002】

本開示の所定の形態は、セルおよびソース線を酸化させずにドライ掘削を行う方法に関する。

【背景技術】

【0003】

種々の金属膜が代替メモリ技術として、活発に追求されている。銅を含むＣＢＲＡＭ（Conductive Bridge Random Access Memory）セルは、サブトラクティブ法フローとダマシン法フローの両方を用いて開発されている。ＣＢＲＡＭダマシンフローは、カーボンのパターニングを行い、ＣＢＲＡＭセルおよび銅のソース線を設け、続いて、ＣＭＰ（chemical-mechanical planarization）処理とカーボン掘削とを行う。通常のカーボン掘削処理の間、セルおよびソース線の銅表面は酸素プラズマに晒され、そして、高度に酸化される。それにより、銅線の構造が破壊される。場合によっては、キャッピング材料の使用または代替金属ソース線の使用によって酸化が防止される。しかしながら、これはソース線の抵抗を上昇させ、より複雑で高価な構造と処理積分スキームとが必要となる。同様に、銅膜上へのＨＡＲＣ（high aspect ratio contact）形成は、通常の酸素ストリップ（strip）中の酸化から銅を保護するため、マスクストリップの後に、一面を覆うＢＬＯＫ (Barrier Low-k)誘電体の穴あけ（パンチ）を要する。このＢＬＯＫパンチは、最上部のＣＤ（critical dimension）をかなり増加させ、コンタクトＣＤがとても小さい場合には、ＢＬＯＫパンチがスケーリングにとって重大な障壁となる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

それゆえ、当該技術分野では、本発明の例示的な形態にしたがって、銅のソース線または銅のセルを酸化させることなく、また、ソース線の抵抗を上昇させることなくドライ掘削を行う方法が必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

方法は、実質的に少なくとも１つの図面と関連付けて示され、かつ／または、記載されているように、より完全には特許請求の範囲に記載のように、銅を酸化させないドライ掘削のためのものである。

【0006】

本開示のこれらの特徴および他の特徴と、利点とは、本開示の以下の詳細な説明を添付の図面とともに読むことにより認識され得る。図面では、全てにわたって同様の数字が同様の部分を指す。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第１工程を示している。

【図2】図２は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第２工程を示している。

【図3】図３は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第３工程を示している。

【図4】図４は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第４工程を示している。

【図5】図５は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第５工程を示している。

【図6】図６は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第６工程を示している。

【図7】図７は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第１工程を示している。

【図8】図８は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第２工程を示している。

【図9】図９は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第３工程を示している。

【図10】図１０は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第４工程を示している。

【図11】図１１は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第５工程を示している。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本発明の例示的な形態は、セルおよびソース線を酸化させることなくドライ掘削を行う方法に関するものである。１つの形態によれば、典型的なダマシンフローは、ドライ掘削処理で行われるフッ素系プラズマ工程を備えている。フッ素は、セルおよびソース線（例えば、銅のセルおよび銅のソース線）の物質と反応して、薄いフッ化銅（ＣｕＦ_x）の膜を形成する。フッ化銅の膜は、酸素プラズマに基づくカーボン掘削処理の間、銅のセルおよび銅のソース線を酸化から保護する。

【0009】

典型的なダマシン処理技術では、誘電層が半導体表面にわたって設けられる。誘電層は、典型的には酸化物であり、通常ＩＭＤ（intermetal dielectric）と呼ばれる。酸化物層は、平坦な上面が得られるように研磨される。次に、種々の金属層の間での相互接続を形成するために、一連の周知の処理工程が施される。ダマシン処理により、小さい、密接配置された相互接続およびコンタクトを形成することができる。

【0010】

図１−６は、ダマシンフローにおいて、セルおよびソース線を酸化させずにカーボン掘削を行う処理を描写している。

【0011】

図１は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第１工程を示している。金属コンタクト１１０とともに基板１０８を含むデバイス１００が示されている。金属コンタクト１１０は、標準的な処理を用いてデバイス１００内に形成されたものである。カーボンまたはＵＬ（underlayer）の誘電層１０６は、基板１０８上に設けられている。マスキング層１０４は誘電層１０６上に設けられている。フォトレジスト層１０２はマスキング層１０４上に設けられている。フォトレジスト層１０２はパターニングされ、開口１０５が形成されている。当該技術分野の通常の知識を有するものであれば、層１０６が、掘削可能であり、フッ素と反応しないものであれば、カーボン以外のものであってもよいことは理解できるであろう。

【0012】

図２は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第２工程を示している。マスキング層１０４は、パターニングされたフォトレジスト層１０２を用いてエッチングされ、誘電層１０６内にトレンチ２００が形成される。トレンチ２００は金属コンタクト１１０および基板１０８を露出させる。

【0013】

図３は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第３工程を示している。バリアライナー層３０１は、トレンチ２００内に設けられる。バリア層３０１は、いくつかの形態において、限定されないがＣＶＤ/ＡＬＤ（Chemical Vapor Deposition / Atomic Layer Deposition）酸化物および窒化物を含んでいてもよい。続いて、いくつかの形態では、銅（Ｃｕ）のセル原料がトレンチ２００内に設けられ、セル３００が形成される。そして、別の導電性バリア金属（例えば、エレクトロマイグレーションバリア金属 （electromigration barrier metal））層３０２がセル３００上に設けられ、続いて、別の銅を設けて、ソ−ス線３１０を形成する。バリア層３０１、バリア層３０２、セル３００およびソース線３１０は、誘電層１０６の平面上に積みあげられている。

【0014】

図４は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第４工程を示している。積み上げられた部分は、ＣＭＰ（chemical mechanical planarization）処理を用いて平坦化され、セル３００およびソース線３１０の銅表面が露出された状態となる。

【0015】

図５は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第５工程を示している。ＣＭＰの後、露出されたセル３００およびソース線３１０は、パッシベーション工程でフッ素系エッチャントと反応する。インサイチュ（in-situ）でのフッ素反応は、掘削またはストリップ処理の前に、反応スパッタリングタイプのプラズマ系処理チャンバ内で行われ得る。いくつかの形態によれば、フッ素系エッチャントは、ＣＦ₄，ＳＦ₆，ＮＦ₃，ＣＨＦ₃，ＣＨ₂Ｆ₂または、銅をパッシベートする他のフッ素系化合物であってもよい。この形態では、パッシベーションガスは、流量比１：２、全流量が４０mTorrで１５０sccm となるよう、Ａｒ（Ｈｅ）ガスで希釈されている。プラズマは、５００WのＲＦパワー、１３．５６MHzの誘導結合ドライエッチチャンバ内で生成される。この形態によれば、銅セル３００およびソース線３１０は、フッ素系プラズマに２５秒間晒される。当該技術分野において通常の知識を有するものであれば、適宜、異なるエッチャントおよびタイミングを用いてもよいことは理解できる。銅をフッ素に晒すことにより、セル３００およびソース線３１０に保護膜４００が形成される。保護膜４００は例えばＣｕＦ_Xにより構成されている。保護膜４００は、セル３００およびソース線３１０を酸化から保護するバリアとして機能する。誘電層１０６もまたフッ素に晒されるが、フッ素は誘電層１０６の材料とは反応しない。誘電層１０６の材料は、例えば、カーボンまたはＵＬである。

【0016】

図６は、本発明の例示的な形態に係る掘削処理の第６工程を示している。ドライ掘削は、以下のような状況でなされる。誘電層１０６の掘削には酸素系プラズマが用いられるが、このとき、保護膜４００がセル３００およびソース線３１０を酸化から保護している。通常、酸素プラズマ系の掘削は、セル３００およびソース線３１０を酸化する。しかしながら、保護膜４００は酸素を透過させないので、セル３００およびソース線３１０を酸化から保護することができる。掘削の間、バリア層３０１がセル３００の側面を酸素プラズマから保護する。

【0017】

１つの形態によれば、掘削後、セル物質４００が設けられた表面上の保護膜４００は、インサイチュでのＨ₂，Ｈ₂−Ａｒプラズマを用いてスパッタ除去される。この工程は、デバイス１００に加えられる物質がフッ素と相互作用する虞がある場合に、掘削処理後に任意で行われる。

【0018】

図７−１１は、本発明の例示的な形態に従って、ＨＡＲＣエッチングにおいてコンタクトＣＤを変動（blowout）させることなく行う、ビアのエッチング処理を描写している。

【0019】

図７は、本発明の例示的な形態に係るエッチング処理の第１工程を示している。最初のダマシン処理によりデバイス７００を形成する。デバイス７００は、パターニングされたフォトレジスト層７１２とともに、銅膜７０２、バリア誘電膜７０４、誘電層７０６、マスキング層７０８，７１０を含んでいる。１つの形態によれば、膜７０４はＢＬＯＫ膜（例えば、炭化シリコン／窒化シリコン）であり、誘電層７０６は酸化膜または窒化膜である。この形態では、マスキング層７０８は、カーボンポリマーマスクまたはＵＬマスクなどのカーボンマスクである。マスキング層７１０は、ＨＭ（hard mask）または標準的な酸窒化シリコンからなるＤＡＲＣ（Dielectric Anti-Reflection Coating）である。

【0020】

図８は、本発明の例示的な形態に係るエッチング処理の第２工程を示している。ビア８００は、マスキング層７０８、誘電層７０６およびバリア誘電膜７０４内にエッチングされ、銅膜７０２が露出される。

【0021】

図９は、本発明の例示的な形態に係るエッチング処理の第３工程を示している。銅のパッシベーションは、露出された銅膜７０２の一部にフッ素系プラズマを照射することによりなされる。図１−６に示したように、フッ素系化合物は銅膜７０２と反応して保護膜９００を形成する。保護膜９００は、フッ化銅（ＣｕＦ_X）化合物により形成されており、フッ化銅化合物が銅膜７０２のパッシベーション層として機能する。フッ素系エッチャントは、ＣＦ₄，ＳＦ₆，ＮＦ₃，ＣＨＦ₃，ＣＨ₂Ｆ₂または、銅をパッシベートする他のフッ素系化合物であってもよい。フッ素パッシベーション反応は、掘削またはストリップ処理の前に、処理チャンバ内で行われる。いくつかの形態では、ＢＬＯＫエッチングとパッシベーション工程とが組み合わされる。この場合、フッ素系エッチングを用いてなされるＢＬＯＫエッチングが、銅膜７０２をパッシベートする。

【0022】

図１０は、本発明の例示的な形態に係るエッチング処理の第４工程を示している。マスキング層７０８は、酸素プラズマ系掘削処理を用いて、掘削される。これにより、マスキング層７０８が除去され、誘電層７０６で止まる。保護膜９００は、マスキング層７０８を掘削している間に、銅膜７０２が酸化されるのを防ぐ。この処理過程により、選択的なマスクの存在下でのバリア層（ＢＬＯＫ）のエッチングがなされるので、コンタクト上部のＣＤが完全な状態で維持される。これに対し、既存の技術では、銅の酸化を防ぐために、バリア層の存在下でマスクの掘削を行い、続いて、ＢＬＯＫ全面（マスクなし）での穴あけ（パンチ）により銅層を露出させる。これにより、コンタクト上部のＣＤが変動する。

【0023】

図１１は、本発明の例示的な形態に係るエッチング処理の第５工程を示している。保護膜９００は、マスキング層７０８が掘削された後、フッ素と他の化合物との将来的な相互作用を防ぐために、必要に応じて除去される。保護膜９００は、インサイチュでのＨ₂，Ｈ₂−Ａｒプラズマを使用したスパッタ除去で除去される。

【0024】

本開示は、所定の形態を参照して説明してきたが、当該技術分野の通常の知識を有するものであれば、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形をなしてもよく、等価物への置き換えをしてもよいことは理解できるであろう。加えて、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、本開示の内容に対して、特定の状況または特定の材料を採用して、多くの変形例を作成してもよい。そして、本開示は、開示された特定の形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の要旨を逸脱しない範囲の全ての形態を含む。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】