JP2002151468A - ドライエッチング方法及び装置並びにゲート電極形成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エッチングにおけるメタル層の形状制御性に
優れると共に、ＥＲマイクロローディングを十分に抑制
できるドライエッチング方法及び装置並びにゲート電極
形成方法及び装置を提供する。 【解決手段】 ドライエッチング装置１０は、Ｓｉウェ
ハＷが収容されるチャンバ１２に、ガス混合室３０を介
して、それぞれＳＦ₆ガス、Ｎ₂ガス、ＣＦ₄ガス及びＯ₂
ガスの供給源３２，３８，４０，４２が接続されたもの
である。本発明によるドライエッチング方法では、この
装置１０を用い、チャンバ１２内のＳｉウェハＷ上に上
述の混合ガスを供給し、チャンバ１２内にプラズマを形
成させて異方性のドライエッチングを行う。これによ
り、従来のＣｌ₂ガスを用いなくても十分な形状制御性
が達成されると共に、エッチングされたメタル層の側壁
の保護効果が高められ、ＥＲマイクロローディングを改
善できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ドライエッチング
方法及び装置、並びに、ゲート電極形成方法及び装置に
関し、詳しくは、主としてタングステン原子を含むメタ
ル層が形成されて成る基体をエッチングするドライエッ
チング方法及びその装置、並びに、基体上にゲート電極
を形成するゲート電極形成方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体集積回路等の半導体装
置においては、ゲート電極としてポリシリコンを使用す
ることが一般的である。加えて、近年の半導体装置の高
集積化、高性能化に伴い、ゲート電極の配線抵抗値の低
減及び薄膜化の要請から、ポリシリコン層上にタングス
テン（Ｗ）層を重ねた構造のものが実用化段階にある。
このようなゲート電極の一般的な形成方法としては、例
えば、以下のような製造プロセスが挙げられる。

【０００３】まず、シリコン（Ｓｉ）基層上に成膜され
たゲート酸化膜としてのＳｉＯ₂等のシリコン酸化膜上
にポリシリコン層、窒化タングステン（ＷＮ）又は窒化
チタン（ＴｉＮ）から成るバリア層、更にＷ等から成る
導電層を順に積層した後、その上に所望のマスクパター
ンを形成する。なお、Ｗ層をＣＶＤ（化学気相堆積）法
により形成する場合には、バリア層とＷ層との間に、シ
ード層としてのニュークリエーション膜を形成する。

【０００４】次に、マスクパターンが形成されていない
部分のメタル層からバリア層まで、フッ素（Ｆ）を含む
反応性ガスを用いてプラズマ処理によるドライエッチン
グを行い、更に、露出したポリシリコン層を、塩素（Ｃ
ｌ）を含む反応性ガスに切り替えてプラズマ処理による
ドライエッチングを行う。次いで、マスクパターンをア
ッシング等で取り除き、所望のパターンのゲート電極を
得る。

【０００５】このような従来のゲート電極形成における
反応性ガスとしては、例えば、本出願人らによる特開２
０００−４０６９６号公報、特開２０００−４０６９７
号公報等に記載のガスが挙げられる。特に、メタル層か
らバリア層までをエッチングするための反応性ガスとし
ては、六フッ化硫黄（ＳＦ₆）ガス叉は三フッ化窒素
（ＮＦ₃）ガスといったフッ素含有化合物ガスを主成分
とするものが実用上多用されている。

【０００６】ところで、ゲート電極を形成するには、そ
の垂直形状を担保することがエッチングにおける最重要
課題といっても過言ではなく、近年の急速な微細化に対
応するためにも、この形状制御性がエッチングプロセス
のキーテクノロジーの一つとなっている。このような優
れた形状制御性を達成するために、これまでのところ、
上記のフッ素含有化合物ガスに塩素（Ｃｌ₂）ガスを混
合した反応性ガスが、一般的に使用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
なゲート電極の垂直形状を確実に形成するには、プラズ
マエッチングにおける異方性成分の寄与を高める必要が
ある。このためには、例えば、プラズマ中に生成される
エッチャントとしての活性種のエネルギー、密度といっ
た物理パラメータの最適化もさることながら、エッチャ
ントの化学的な性質に左右される面も大きい。また、コ
ストや取扱の容易性に見合った工業上の利用性を考慮す
ると、実用的に使用可能なガスは限られるため、全てに
おいて好都合な反応性ガスを処方することは極めて困難
な傾向にある。

【０００８】本発明者らの知見によれば、かくして、上
記従来のＣｌ₂ガスを含む反応性ガスには、以下のよう
な問題点があることを見出した。すなわち、Ｃｌ₂ガス
を含むガスをメタルエッチング用の反応性ガスとして用
いると、上述の形状制御性に優れるものの、ＥＲ（Etch
rate）マイクロローディングが生じ得るおそれがあっ
た。

【０００９】つまり、ゲート電極領域におけるパターン
密度が高い領域つまりマスク間の距離が小さい密なスペ
ースに比して、パターン密度が低い領域つまりマスク間
の距離が大きい疎なスペース（オープンスペース）での
深度方向のＥＲに有意な差異が生じ易くなる。こうなる
と、オープンスペースのエッチングが比較的速く進み、
その部位のポリシリコン層の表層部が荒れてしまうこと
がある。その結果、ポリシリコン層のエッチングを行う
際に、下層のシリコン酸化膜にいわゆるピッチング（突
抜け）等が生じるおそれがあった。

【００１０】このようなＣｌ₂ガスを含むガスを用いた
場合に生じ得るＥＲマイクローディング現象は、半導体
装置が微細化すればするほど顕著となる懸念があり、そ
の改善が熱望されている。しかし、Ｃｌ₂ガスを反応性
ガスから除いた場合には、エッチングにおいて最も考慮
すべき形状制御性が悪化するという不都合があり、これ
までのところ極めて解決し難い重大な問題であった。

【００１１】そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなさ
れたものであり、エッチングにおけるメタル層の形状制
御性に優れると共に、ＥＲマイクロローディングを十分
に抑制できる新規なドライエッチング方法及び装置を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記従来のＥＲマイクロ
ローディングが生じる機構の反応論的な詳細は今のとこ
ろ十分に解明されてはいないが、本発明者らは、上記目
的を達成するために鋭意研究を重ね、以下に示す知見を
得た。すなわち、従来の反応性ガス組成では、エッチン
グされたメタル層の側壁部に堆積叉は生成し得る化合物
としては、塩化タングステンといった金属の塩化物が殆
どであると考えれられる。

【００１３】このような塩化物で構成される薄層叉は薄
膜は、側壁部の保護膜としての機能をある程度果たし、
エッチングにおける垂直形状の保持（形状制御）に関与
し得るが、その側壁の保護性は必ずしも十分ではないと
推定される。よって、露出面積及び空間容積が異なる部
位における側壁の保護性が一様ではなくなると共に、深
さ方向のＥＲの均一性が乱れ得る。そして、これが一因
となってオープンスペースのＥＲが比較的大きくなり、
ＥＲマイクロローディングが生じ易くなると考えられ
る。

【００１４】そして、本発明者らは、この知見に基づい
て更に研究を進め、本発明を完成するに至った。すなわ
ち、本発明によるドライエッチング方法は、主としてタ
ングステン原子を含むメタル層が形成されて成る基体を
エッチングする方法であって、基体上に、フッ素原子を
含む第１のガスと、炭素原子及びフッ素原子を含む第２
のガスと、窒素原子を含む第３のガスと、を供給するガ
ス供給工程と、これらの各ガスを含む雰囲気中にプラズ
マを形成せしめるプラズマ形成工程と、を備える。

【００１５】このように構成されたドライエッチング方
法では、基体上に供給された第１〜第３のガスがプラズ
マ中で解離、励起等され、それらのガス叉はそれらのガ
ス由来のイオン、ラジカル（励起種を含む）等の活性種
が生じる。基体上のメタル層の少なくとも一部が露出さ
れている場合には、これらの活性種が、メタル層を構成
するタングステン（Ｗ）原子と相互作用（反応）する。

【００１６】これらの活性種のうち、第１のガス由来の
フッ素ラジカルやフッ素イオン等のフッ素活性種は、Ｗ
層の腐食に主として寄与し、メタル層が効果的にエッチ
ングされる。また、第２のガスから生じる炭化水素類
（フロロカーボン系）等の活性種が、エッチングされた
メタル層の側壁上に堆積し、側壁の保護性に優れる共有
結合性の化合物膜が形成される。一般に、メタル層が異
方性エッチングされる場合でも、エッチングが化学的に
行われるため、側壁部が全くエッチングされないわけで
はない。よって、上記のような保護膜は、形状制御性の
向上に極めて有効に寄与する。

【００１７】さらに、第３のガスから生じる窒素原子を
含む窒素活性種は、窒化因子として機能し、側壁上の化
合物膜と結合し得る。これにより、炭素原子、フッ素原
子及び窒素原子を含む複合膜、及び、メタル層の金属原
子と窒素原子とを含む複合膜が形成されると共に、膜厚
が厚くなり、側壁の保護性が高められると推定される
（ただし、作用はこれらに限定されない）。その結果、
パターン密度の異なる部位に対しても、深さ方向のＥＲ
の均一性が保持され得る。また、側壁の保護性が高めら
れるので、エッチングにおける異方性が高められ、垂直
形状が十分に保持される。

【００１８】また、ガス供給工程においては、酸素原子
を含む第４のガスを基体上に更に供給すると好ましい。
このように酸素原子を含む第４のガスを更に基体上に供
給すると、基体がタングステン（Ｗ）を含むメタル層下
にポリシリコン層が形成されたゲート電極用の積層体で
あるときに、ポリシリコン層に対するＷ層の選択比（ポ
リシリコン層のＥＲに対するＷ層のＥＲの比）が十分に
高められる。これに対し、従来のエッチング方法、例え
ばＳＦ₆ガスとＣｌ₂ガスとを反応性ガスとして用いた方
法では、この選択比が０．２〜０．３程度と小さく、メ
タル層のオーバーエッチングを行った場合に、露出した
ポリシリコン層の表層部が荒れることがあった。よっ
て、本発明によれば、このような問題点をも解消でき
る。

【００１９】また、この場合には、メタル層のＥＲも向
上され、しかも、垂直形状が十分に維持される。しか
し、従来の反応性ガス（ＳＦ₆ガスとＣｌ₂ガス等）にＯ
₂ガスを加えると、ＥＲは高められるものの、側壁部の
エッチングも増進されてしまう傾向にあった。このよう
な本発明の優位性は、第１〜第３のガスを反応性ガスと
して用いることにより形成されると考えられる前述の保
護膜が、第４のガスから生じる酸素活性種に対して優れ
た耐性を有することによると推定される。

【００２０】より具体的には、第１のガスとしては、一
フッ化硫黄（Ｓ₂Ｆ₂）、二フッカイオウ（ＳＦ₂）、四
フッ化硫黄（ＳＦ₄）、五フッ化硫黄（ＳＦ₅）、六フッ
化硫黄（ＳＦ₆）といった硫黄のフッ化物のガスが挙げ
られる。また、第２のガスとしては、メタン、エタン、
プロパン等の炭化水素の少なくとも一つの水素原子がフ
ッ素で置換された置換炭化水素系ガス（例えば、ＣＨ₃
Ｆ、ＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨＦ₃、ＣＦ₄等のフロロカーボン系の
ガス）、フッ素を含むエーテル系のガス等が挙げられ
る。さらに、第３のガスとしては、例えば、Ｎ₂ガス、
アンモニア（ＮＨ₃）ガス、有機窒化物系ガス、Ｎ₂Ｏ等
の窒素酸化物ガス等を用いることができる。またさら
に、第４のガスとしては、Ｏ₂ガス、窒素酸化物ガス、
水蒸気（Ｈ₂Ｏ）等を用いることが可能である。

【００２１】特に、ガス供給工程においては、第１のガ
スとしてＳＦ₆ガスを用い、第２のガスとしてＣＦ₄ガス
を用い、第３のガスとしてＮ₂ガスを用い、第４のガス
としてＯ₂ガスを用いると好適である。

【００２２】これらのガスの組み合わせは、メタル層の
エッチングにおいて化学量論的に好適な混合比を達成し
易い。また、上述した各種のガスのなかでも、工業上の
利用性、化学的な安定性、取扱性及び経済性に優れる利
点があり、しかも、半導体製造プロセスにおいて一般的
に使用されるガスなので、使用実績も多く且つ汎用性に
も優れる。また、第２のガスとしてＣＦ₄ガスを用いる
と、分子中により多くの炭素原子を含むものを用いた場
合に比して、基体が収容されるチャンバ等の内部を汚す
おそれが少ない。また、そのようなチャンバ内のセルフ
クリーニングが十分に達成され得る。

【００２３】また、本発明によるゲート電極形成方法
は、本発明のドライエッチング方法を用いて有効に実施
される方法であって、基体上にゲート電極を形成する方
法であり、基体として、基層上にポリシリコン層、バリ
ア層及び主としてタングステンを含むメタル層がこの順
に形成されて成るものを準備する基体準備工程と、メタ
ル層及びバリア層の一部を本発明によるドライエッチン
グ方法によりエッチングする第１のエッチング工程と、
ポリシリコン層の一部をエッチングする第２のエッチン
グ工程とを備えている。

【００２４】或いは、基体上にゲート電極を形成するゲ
ート電極形成方法であって、基体として、基層上にポリ
シリコン層、バリア層及び主としてタングステンを含む
メタル層がこの順に形成されて成るものを準備する基体
準備工程と、基体上に、フッ素原子を含む第１のガス
と、炭素原子及びフッ素原子を含む第２のガスと、窒素
原子を含む第３のガスとを供給し、これらの各ガスを含
む雰囲気中にプラズマを形成せしめることにより、メタ
ル層及びバリア層の一部をエッチングする第１のエッチ
ング工程と、ポリシリコン層の一部をエッチングする第
２のエッチング工程とを備えてもよい。

【００２５】また、本発明によるドライエッチング装置
は、主としてタングステン原子を含むメタル層が形成さ
れて成る基体をエッチングするものであって、基体を収
容するチャンバと、チャンバ内に、フッ素原子を含む第
１のガスと、炭素原子及びフッ素原子を含む第２のガス
と、窒素原子を含む第３のガスと、を供給するガス供給
部と、チャンバ内にプラズマを形成させるプラズマ形成
部とを備えるものである。さらに、ガス供給部が、酸素
原子を含む第４のガスをチャンバ内に更に供給するもの
であると好ましい。

【００２６】またさらに、ガス供給部が、第１のガスと
してＳＦ₆ガスを、第２のガスとしてＣＦ₄ガスを、第３
のガスとしてＮ₂ガスを、第４のガスとしてＯ₂ガスをチ
ャンバ内に供給するものであるとより好ましい。

【００２７】また、本発明によるゲート電極形成装置
は、基体上にゲート電極を形成するものであって、基体
として、基層上にポリシリコン層、バリア層及び主とし
てタングステンを含むメタル層がこの順に形成されて成
るものが収容されるチャンバと、チャンバに接続されて
おり、ＳＦ₆ガス、ＣＦ₄ガス、Ｎ₂ガス、Ｏ₂ガス、及
び、臭化水素（ＨＢｒ）ガスをそれぞれ独立にチャンバ
内に供給するガス供給部と、チャンバ内にプラズマを形
成させるプラズマ形成部と、を備える装置である。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
添付図面を参照して詳細に説明する。なお、同一の要素
には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略
する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限
り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図
面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

【００２９】図１は、本発明によるドライエッチング装
置の好適な一実施形態を示す概略図である。ドライエッ
チング装置１０は、内部が減圧されるチャンバ１２を備
えている。チャンバ１２は、アルミニウムにアルマイト
処理を施した材料等から成る略円筒形の容器本体１４
と、その上部に取り付けられた放電用部品であるドーム
状の蓋体１６とから構成されている。

【００３０】チャンバ１２の内部には、ＳｉウェハＷを
載置するサセプタ１８が配置されている。このサセプタ
１８の上面には、ＳｉウェハＷを固定するための静電チ
ャック２０が設けられている。サセプタ１８は電極とし
ても機能し、インピーダンス整合器２２及び高周波バイ
アス電源２４を介して接地されている。これにより、接
地された容器本体１４に対して高周波バイアス電圧が印
加されると、サセプタ１８がカソードとして機能し、容
器本体１４がアノードとして機能するようになる。

【００３１】また、容器本体１４には、チャンバ１２内
部の排気を行うための真空ポンプ（図示せず）に接続さ
れる排気口２６が設けられており、更に、反応性ガスを
内部に導入するためのガス供給口２８が設けられてい
る。このガス供給口２８には、配管を介してガス混合室
３０が接続されている。このガス混合室３０は各種ガス
が均一となるように混合するための装置である。ガス混
合室３０には、各種のガス供給源３２〜４２がそれぞれ
流量調整バルブ３２ｖ〜４２ｖを介して接続されてい
る。

【００３２】ガス供給源３２〜４２は、それぞれ、ＳＦ
₆ガス（第１のガス）、ＨＢｒガス、ＣＦ₄ガス（第２の
ガス）、Ｎ₂ガス（第３のガス）、Ｃｌ₂ガス、Ｏ₂ガス
（第４のガス）の供給源である。このように、ガス供給
源３２〜４２、流量調整バルブ３２ｖ〜４２ｖ、及び、
ガス混合室３０からガス供給部が構成されている。ま
た、各流量調整バルブ３２ｖ〜４２ｖは、マイクロコン
ピュータ等から成る制御装置５６により、その開閉が制
御され、各ガスの流量が調節される。これにより、反応
性ガスの混合割合等を所定値に設定することが可能とな
っている。

【００３３】また、チャンバ１２の一部である蓋体１６
は、誘電体材料から構成されている。この蓋体１６の外
周には、コイルアンテナ５８が設けられており、コイル
アンテナ５８により蓋体１６を介してチャンバ１２の内
部に電磁界が誘起されてプラズマが発生し、更にこのプ
ラズマ中の電子にエネルギーが供給されてプラズマが高
密度で維持される。なお、コイルアンテナ５８には、イ
ンピーダンス整合器６０を介して高周波電源６２が接続
されている。このように、コイルアンテナ５８、インピ
ーダンス整合器６０及び高周波電源６２からプラズマ形
成部が構成されている。さらに、蓋体１６の外側にはシ
ールド６４が設けられており、発生する高周波が外部に
漏れるのを防止している。

【００３４】またさらに、容器本体１４の適所には透明
窓６６が設けられており、内部を観察できるようになっ
ている。この透明窓６６には光ファイバ６８を介してモ
ノクロメータ７０が接続されている。このモノクロメー
タ７０は、Ｓｉをプラズマにより発光させた場合に生ず
るＳｉ固有の波長帯域の光を検出することができるよう
に設定されている。モノクロメータ７０の出力信号は前
記の制御装置５６に伝送される。

【００３５】このように構成されたドライエッチング装
置１０を用いた本発明によるドライエッチング方法の一
実施形態を適用してゲート電極を形成する場合について
説明する。図２（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明によるドライ
エッチング方法の一実施形態により、Ｓｉウェハをドラ
イエッチングしている状態を示す工程図である。

【００３６】ＳｉウェハＷは、ゲート電極を切り出すた
めのものであり、Ｓｉ基層１の表面にゲート酸化膜であ
るＳｉＯ₂膜２が形成されたものである。さらに、この
ＳｉＯ₂膜２上には、ゲート電極層であるポリシリコン
層３及びメタル層４が形成されている。メタル層４は、
例えば、ＰＶＤ法叉はＣＶＤ法により成膜されており、
窒化チタン（ＴｉＮ）又は窒化タングステン（ＷＮ）か
ら成るバリアメタル層４ａ（バリア層）、及び、その上
のＷ層４ｂから構成されている。Ｗ層４ｂの上には、有
機材料又はＳｉＮ等から成るハードマスク５が所望のパ
ターンで形成されている（図１（Ａ）参照）。

【００３７】まず、チャンバ１２内のサセプタ１８上に
ＳｉウェハＷを載置し、静電チャック２０により固定す
る。次いで、チャンバ１２内を真空ポンプにより所定の
真空度となるように減圧する。次に、制御装置５６から
の制御信号により、流量調整バルブ３２ｖ，３８ｖ，４
０ｖ，４２ｖを所要の開度で開き、ガス供給源３２，３
８，４０，４２のそれぞれからＳＦ₆ガス、Ｎ₂ガス、Ｃ
Ｆ₄ガス、Ｏ₂ガスを導出する。これらのガスは、ガス混
合室３０内で混合され、反応性ガスとしてガス供給口２
８からチャンバ１２内に供給される（ガス供給工程）。

【００３８】この混合ガスのチャンバ１２内への供給が
開始されたならば、高周波バイアス電源２４を投入し、
容器本体１４とサセプタ１８との間に例えば１３．５６
ＭＨｚの高周波バイアス電力を印加する。容器本体１４
は接地されているため、サセプタ１８は、平均的に負電
位とされ、カソードとして機能する。また、コイルアン
テナ５８に高周波電源６２により例えば１２．５６ＭＨ
ｚの高周波電力を印加する。これにより、チャンバ１２
内にプラズマが発生し、このプラズマが高密度で維持さ
れる（プラズマ形成工程）。

【００３９】チャンバ１２内に供給されたＳＦ₆ガス、
Ｎ₂ガス、ＣＦ₄ガス及びＯ₂ガスは、このプラズマ中で
解離、励起等され、これらの化学種の活性種叉はこれら
化学種由来の活性種が生じる。こられの活性種のうち、
ＳＦ₆ガスから生じたフッ素ラジカルやフッ素イオン等
のフッ素活性種が、メタル層４のエッチングに主として
寄与し、エッチングが進行していく。この際、フッ素活
性種は負電位のサセプタ１８に向かって進むため、垂直
方向の異方性エッチングが行われる。

【００４０】このような異方性エッチングによるメタル
層４のエッチングに伴い、エッチングされた部位のバリ
アメタル層４ａ及びＷ層４ｂの側壁部分が露呈するよう
になる。このとき、ＣＦ₄ガスから生じるフロロカーボ
ン系の活性種が、エッチングされたメタル層４の側壁上
で反応し、フロロカーボン系の化合物から成る薄膜が側
壁上に形成される。この薄膜は、共有結合性の化合物か
ら成る耐腐食性を有する膜であり、フッ素活性種のうち
異方性でない成分による側壁部のエッチングが抑止され
る。

【００４１】さらに、Ｎ₂ガスから生じる窒素ラジカル
（Ｎ^*）や窒素イオンといった窒素活性種が、側壁上の
化合物と窒化反応等の反応を生じ、例えば、ＣＦ_xＮ_y膜
のような炭素原子、フッ素原子及び窒素原子を含む複合
膜が形成される。また、メタル層４に含まれるＷ原子と
窒素活性種との反応により、ＷＮ_x膜のような複合膜も
形成される。そして、これらの複合膜により、メタル層
４の側壁部がより強固に保護される。またさらに、Ｏ₂
ガスから生じる酸素ラジカル（Ｏ^*）や酸素イオン等の
酸素活性種の存在により、ポリシリコン層３に対するメ
タル層４の選択比が十分に高められることが確認され
た。また、この場合に、メタル層４のＥＲも向上され、
しかも、上記保護膜によりと考えられるメタル層４の側
壁の保護性も維持されることが確認された。

【００４２】ここで、混合ガス中のＳＦ₆ガス、Ｎ₂ガ
ス、ＣＦ₄ガス及びＯ₂ガスの混合比は、特に限定される
ものではないが、例えば、以下の流量比で各ガス供給源
３２〜４２からガス混合室３０へ供給されると好まし
い。 〈各ガスの流量比条件〉 ・ＳＦ₆ガス：１０〜９０ｖｏｌ％ ・Ｎ₂ガス：５〜８０ｖｏｌ％ ・ＣＦ₄ガス：５〜３０ｖｏｌ％ ・Ｏ₂ガス：０〜３０ｖｏｌ％ なお、Ｏ₂ガスの流量比が０％であるとは、反応性ガス
がＯ₂ガスを含まないことを示す。

【００４３】このようにして、メタル層４のエッチング
が進んでいくと、やがてポリシリコン層３の一部が露出
する状態となる（図１（Ｂ）参照）。このとき、従来の
方法では、ＥＲマイクロローディングにより、活性種が
接しやすい部位、例えばハードマスク５間の間隔が広い
部位や最外周部におけるオープンスペースといったパタ
ーンの密度が疎な部位Ｓｂにおいて顕著であった。これ
に対し、本実施形態では、図２（Ｂ）に示す如く、パタ
ーンの密度が密な部位Ｓａと疎な部位Ｓｂとで、ＥＲに
殆ど差がなく、これらの部位で、略同時にポリシリコン
層３の一部が露出される。

【００４４】これは、おそらく、先述のフロロカーボン
系の化合物膜、叉は、ＣＦ_xＮ_y膜若しくはＷＮ_x膜等の
複合膜による側壁の保護性が十分に高く、且つ、そのよ
うな保護膜が一様に形成されていること、及び、これに
加えて、部位Ｓａ，Ｓｂの空間部における深さ方向のＥ
Ｒの均一性が乱れることが十分に抑制されていること
が、要因の一つと考えられる。ただし、作用は、これに
限定されるものではない。

【００４５】次いで、図１（Ｂ）に示すの状態となる
と、ポリシリコン層３の表層部の一部がエッチングさ
れ、除去されたＳｉ成分がチャンバ１２内を浮遊し、プ
ラズマによって解離され得る。よって、プラズマ中には
ポリシリコン層３の成分であるＳｉの活性種が含まれた
状態となる。そして、このＳｉ種は、プラズマの発光か
らＳｉ固有の波長帯域を検出するよう設定されたモノク
ロメータ７０により検出される。モノクロメータ７０か
らの出力信号は、制御装置５６に入力され、これによ
り、図１（Ｂ）に示す状態となったこと、つまりエッチ
ングがメタル層４を貫通してポリシリコン層３に達した
ことを把握すると共に、このＳｉ検出時をメタル層４の
エッチングのエンドポイントと定める。

【００４６】ここで、従来は、ＥＲマイクロローディン
グの発生により、メタル層４エッチングのエンドポイン
トの際には、メタル層４におけるバリアメタル層４ａが
多量に残存することがあった。そのため、エンドポイン
トから更に一定時間経過するまで、反応性ガスを用いて
メタル層４のエッチングを継続していた。この場合、オ
ーバーエッチングの時間を過度に長くすると、ポリシリ
コン層３の表面が荒れ、その結果、Ｓｉ酸化膜に上述の
ピッチングが生じるおそれがあった。この傾向は、ポリ
シリコン層３に対するメタル層４の選択比が小さい場合
に特に顕著となることがあった。

【００４７】そこで、従来は、バリアメタル層４ａが僅
かに残る程度となるように、オーバーエッチングの時間
を調整するといった手間が掛かり、工程が複雑となって
いた。これに対し、本実施形態では、図２（Ｂ）に示す
如く、エンドポイントにおいてバリアメタル層４ａの残
存を僅かな量とできるので、従来のようなオーバーエッ
チングを行う必要は必ずしもない。また、ポリシリコン
層３に対するメタル層４の選択比が十分に改善されてい
る（高められている）ので、ポリシリコン層３の表面荒
れが生じ難い。

【００４８】次に、図２（Ｂ）に示すエンドポイントと
なったら、流量調整バルブ３２ｖ，３８ｖ，４０ｖ，４
２ｖを閉じ、チャンバ１２内のガスを排気する。そし
て、チャンバ１２内の圧力を調整した後、流量調整バル
ブ３４ｖ，３６ｖ，４０ｖを所要の開度で開き、ガス供
給源３４，３６，４２からＨＢｒガス、Ｃｌ₂ガス及び
Ｏ₂ガスをガス混合室３０に、その混合ガスをチャンバ
１２内へ供給する。このような組成の混合ガスは、従来
より、ポリシリコン層３のエッチングの際に好適に用い
られている反応性ガスである。なお、このとき、Ｃｌ₂
ガスは必ずしも必要なく、用いなくてもよい。

【００４９】この反応性ガスは、チャンバ１２内におい
て、各ガス由来の活性種を生じ、これらの活性種が、平
均的に負にバイアスがかけられたサセプタ１８に向かっ
て進行し、ポリシリコン層３上に達する。このとき、ポ
リシリコン層３上に僅かに残存するバリアメタルは、例
えばイオン性活性種のスパッタリング作用によって除去
される。また、これらの活性種は、ポリシリコン層３の
表面も叩き、一定の時間が経過すると、ポリシリコン層
３の表面は平滑化される（図１（Ｃ）参照）。さらに、
この反応性ガスをそのまま使用し、ポリシリコン層３の
エッチングを継続実施する。ポリシリコン層３のエッチ
ングの終了後、反応性ガスの供給を止め、最後ハードマ
スクをアッシング処理等で除去することにより図２
（Ｄ）に示す形状のゲート電極Ｇを得る。

【００５０】このように構成されたドライエッチング装
置１０及び本発明のドライエッチング方法によれば、Ｓ
Ｆ₆ガス、Ｎ₂ガス、ＣＦ₄ガス及びＯ₂ガスから成る反応
性ガスを用い、プラズマ処理によるドライエッチングに
よってメタル層４をエッチングするので、フッ素活性種
等のエッチャント叉はエッチング因子による効率的な異
方性エッチングが可能となる。

【００５１】また、ＣＦ₄ガスから生じるフロロカーボ
ン系の活性種が、エッチングされたメタル層４の側壁上
で反応し、フロロカーボン系の化合物から成る耐腐食性
を有する薄い保護膜が側壁上に形成されるので、側壁部
がエッチングされて垂直形状が崩れることを防止でき
る。したがって、形状制御性を向上できる利点がある。

【００５２】さらに、この保護膜には、Ｎ₂ガスから生
じる窒素ラジカル（Ｎ^*）や窒素イオンといった窒素活
性種が作用し、ＣＦ_xＮ_y膜のような炭素原子、フッ素原
子及び窒素原子を含むより厚い複合膜が形成されるの
で、側壁の保護性を一層高めることができる。よって、
側壁部がエッチングされて垂直形状が崩れることを更に
防止でき、これにより、形状制御性を一層向上できる。
またさらに、このような保護膜が形成されることが一因
となってＥＲマイクロローディングを従来に比して格段
に改善できる。

【００５３】また、これにより、部位Ｓａ，Ｓｂにおけ
るメタル層４のエッチング深さを殆ど同等とできるの
で、メタル層４のエッチングが終了するエンドポイント
において、特に部位Ｓａにおけるバリアメタル層４ａの
残存量を僅少にできる。よって、オーバーエッチングを
不要とできるので、工程を簡略化できると共に、従来の
オーバーエッチング時に必要であった調整に掛かる手間
を軽減できる。したがって、ゲート電極Ｇの形成するた
めの処理効率を向上できる。

【００５４】またさらに、Ｏ₂ガスから生じる酸素ラジ
カル（Ｏ^*）や酸素イオン等の酸素活性種の寄与によ
り、ポリシリコン層３に対するメタル層４の選択比を十
分に高められることができるので、メタル層４エッチン
グのエンドポイントの際に、ポリシリコン層３の表面を
荒らしてしまうことを十分に防止できる。その結果、ポ
リシリコン層３の下地層であるＳｉＯ₂膜２にピッチン
グ（突抜け）等が生じることを抑止できる。

【００５５】さらにまた、Ｏ₂ガスから生じる酸素活性
種の添加により、メタル層４のＥＲを格別に向上できる
ので、形状を維持したまま、メタル層４のエッチングに
掛かる時間を短縮できる。その結果、ゲート電極Ｇの形
成効率を更に一層向上することが可能となる。

【００５６】また、ＳＦ₆ガス、ＣＦ₄ガス、Ｎ₂ガス及
びＯ₂ガスは、メタル層４のエッチングにおいて化学量
論的に好適な混合比を達成し易いので、反応性ガスの使
用量に対するエッチング効率、つまり材料効率を増大で
きる。さらに、これらのガスは、工業上の利用性、化学
的な安定性、取扱性及び経済性に優れており、しかも、
半導体製造プロセスにおいて一般的に使用されるガスな
ので、汎用性が高い点も有利である。また、第２のガス
としてＣＦ₄ガスを用いるので、分子中により多くの炭
素原子を含むものを用いた場合に比して、ＳｉウェハＷ
が収容されるチャンバ１２内の部材がシリコン、シリコ
ン化合物等で汚れることを防止し易い。よって、チャン
バ１２内のセルフクリーニングを確実に達成できる。

【００５７】図３は、本発明によるドライエッチング装
置の他の実施形態の要部を示す摸式断面図である。この
装置は、図１に示すドライエッチング装置１０における
チャンバ１２内のサセプタ８０の周部に、環状部材８を
有すること以外は、ドライエッチング装置１０と同様に
構成されたものである。環状部材８は、静電チャック２
０の周端部上に配置された環状のキャプチャーリング８
１と、このキャプチャーリング８１の周端部及び側壁上
に当接するように嵌合された環状のフォーカスリング８
２とで構成されている。

【００５８】この環状部材８においては、キャプチャー
リング８１の上壁におけるフォーカスリング８２の内周
位置８２ａと、ＳｉウェハＷの終端位置Ｅとの距離Ｄが
所定の値となるようにされている。ここで、距離Ｄとし
ては、下記式（１）； ０≦Ｄ≦Ｄｃ …（１）、 で表される関係を満たす範囲の値が好ましい。式中、Ｄ
ｃは、キャプチャーリング８１の断面における径方向に
沿った幅を示す。また、フォーカスリング８２の図示高
さＨは、特に限定されず、チャンバ１２の構造及びエッ
チング条件により適宜設定される。

【００５９】このように構成されたドライエッチング装
置によれば、ＳｉウェハＷに対するエッチング速度（Ｅ
Ｒ）の面内均一性をより向上できる。これは、フォーカ
スリング８２がない状態では、ＳｉウェハＷの中心部Ｃ
よりも周端Ｅ側に対して、チャンバ１２内の内側壁側か
らエッチャントである活性種が供給され易い傾向にある
のに対し、フォーカスリング８２によって、そのような
活性種の寄与が抑制されることによると推定される。た
だし、作用がこれに必ずしも限定されない。

【００６０】その結果、ＳｉウェハＷの面方向における
ＥＲを十分に均一化できる（図４参照；図４は、図３に
示す環状部材８を有するドライエッチング装置を用いた
場合のＥＲの分布の一例を模式的に示すグラフであ
る。）。

【００６１】なお、上述した各実施形態においては、メ
タル層４をエッチングするための反応性ガスとしては、
第１のガスとして、Ｓ₂Ｆ₂、ＳＦ₂、ＳＦ₄、ＳＦ₅等の
他のフッ化硫黄ガスを、第２のガスとしては、少なくと
も一つの水素原子がフッ素で置換された置換エタン、置
換プロパン等の他の置換炭化水素系ガス、叉は、フッ素
を含むエーテル系のガス等を、第３のガスとしては、Ｎ
Ｈ₃ガス、有機窒化物系ガス、Ｎ₂Ｏ等の窒素酸化物ガス
等を、第４のガスとしては、窒素酸化物ガス、水蒸気
（Ｈ₂Ｏ）等を用いることもできる。

【００６２】また、メタル層４のエッチングを終了した
後（エンドポイント検出の後）に、必要に応じて、従来
のようなオーバーエッチングを行っても構わない。さら
に、エンドポイントの検出方法は、モノクロメータ以外
の検出手段によってもよい。またさらに、メタル層４が
ＰＶＤ法により形成される場合には、図２（Ａ）〜
（Ｄ）に示す如く、バリアメタル層４ａとＷ層４ｂとの
二層構造であるものの、ＣＶＤ法による場合には、バリ
アメタル層４ａとＷ層４ｂとの間にシード層としてのニ
ュークリエーション膜、例えばタングステンシリサイド
（Ｗ_xＳｉ_y）を含む膜が形成された三層構造となる。

【００６３】なお、シード層は、Ｗ層４ｂを成長させる
ための核となるものであり、ＳｉＨ ₄等のシラン系ガス
とＷＦ₆ガスとを用い、核形成（ニュークリエーショ
ン）ステップで形成される。このシード層は、多孔を有
する膜である場合が多く、このようなシード層を有する
メタル層をエッチングすると、ポリシリコン層の表面の
荒れが増大するおそれがある。そこで、ポリシリコン層
の表面の荒れを十分に回避できる本発明のドライエッチ
ング装置及び方法は、このようなＣＶＤ法により形成さ
れたメタル層のエッチングに対しても特に有効である。

【００６４】

【実施例】以下、本発明に係る具体的な実施例について
説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。

【００６５】〈実施例１〉Applied Materials社製のド
ライエッチング装置（Metal Etch MxP CENTURA（登録商
標））をベースとした図１に示す構成の装置（ただし、
サセプタ部に図２に示す環状部材８を用いたもの）を準
備した。この装置のチャンバ１２内に図２に示すＳｉウ
ェハＷを使用し、反応性ガスとしてＳＦ₆ガス、ＣＦ₄ガ
ス及びＮ₂ガスを供給してメタル層４のエッチングを行
った。そのＳｉウェハＷの断面をＳＥＭにより観察した
ところ、ゲート電極部は十分な垂直形状を有していた。
これより、本発明の装置及び方法が形状制御性に十分に
優れることが確認された。

【００６６】〈実施例２〉反応性ガスとして、ＳＦ₆ガ
ス、ＣＦ₄ガス及びＮ₂ガスの混合ガスの代りに、ＳＦ₆
ガス、ＣＦ₄ガス、Ｎ₂ガス及びＯ₂ガスの混合ガスを用
いたこと以外は、実施例１と同様にしてＳｉウェハＷの
メタル層４に対してエッチングを実施した。そのＳｉウ
ェハＷの断面をＳＥＭにより観察したところ、ゲート電
極部は十分な垂直形状を有していた。このことからも、
本発明の装置及び方法が形状制御性に十分に優れること
が確認された。

【００６７】〈比較例１〉反応性ガスとして、ＳＦ₆ガ
ス、ＣＦ₄ガス及びＮ₂ガスの混合ガスの代りに、ＳＦ₆
ガス及びＣｌ₂ガスを用いたこと以外は、実施例１と同
様にしてＳｉウェハＷのメタル層４に対してエッチング
を実施した。そのＳｉウェハＷの断面をＳＥＭにより観
察したところ、ゲート電極部は垂直形状を有していた。

【００６８】〈ＥＲマイクロローディング評価〉実施例
２及び比較例１において、メタル層４のエッチングをエ
ンドポイントまで実施したＳｉウェハＷの断面をＳＥＭ
により観察し、ＥＲマイクロローディングを評価した。
図５は、このＥＲマイクロローディングの評価指標に係
る状態を示す摸式断面図であり、メタル層をエッチング
している状態を示す。

【００６９】ＥＲマイクロローディングＭ_ERは、Ｓｉウ
ェハＷにおけるパターン密度が密な（dense）部位Ｓａ
におけるエッチング深さｄ１と、パターン密度が疎な部
位Ｓｂ（オープンスペース）におけるエッチング深さｄ
２を側長し、下記式（２）； Ｍ_ER＝（ｄ２−ｄ１）／ｄ２×１００ …（２）、 で表される関係を用いて求めた。その結果、実施例２で
は、Ｍ_ER≒０％、すなわち、部位Ｓａ，Ｓｂにおいて、
メタル層４のエンドポイントが殆ど同じ深さ位置であ
り、ＥＲマイクロローディングが殆ど生じないことが確
認された。これに対し、比較例１では、Ｍ_ER≒２０％で
あり、ＥＲマイクロローディングが有意に生じることが
確認された。

【００７０】〈選択比評価〉実施例２及び比較例１で実
施したのと同一の方法において、ポリシリコン層に対す
るＷ層の選択比（以下、「Ｗ／Ｐｏｌｙ選択比」とい
う）を評価した。その結果、実施例２におけるＷ／Ｐｏ
ｌｙ選択比が約１．０であったのに対し、比較例１にお
けるＷ／Ｐｏｌｙ選択比は約０．３であった。また、実
施例２におけるＥＲは、比較例１に比して有意に増大さ
れることも判明した。これらの結果より、本発明による
Ｏ₂ガスを添加した反応性ガスを用いる方法によれば、
Ｗ／Ｐｏｌｙ選択比を格別に向上できるとともに、エッ
チング効率が有意に高められることが理解される。

【００７１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明のドライエッ
チング方法及び装置によれば、基体上に、フッ素原子を
含む第１のガスと、炭素原子及びフッ素原子を含む第２
のガスと、窒素原子を含む第３のガスとを供給し、これ
らの各ガスを含む雰囲気中にプラズマを形成せしめるこ
とにより、基体上のメタル層に対して異方性のドライエ
ッチングが可能となる。そして、その際に、メタル層の
形状制御性に優れると共に、ＥＲマイクロローディング
を十分に抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるドライエッチング装置の好適な一
実施形態を示す概略図である。

【図２】図２（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明によるドライエ
ッチング方法の一実施形態により、Ｓｉウェハをドライ
エッチングしている状態を示す工程図である。

【図３】本発明によるドライエッチング装置の他の実施
形態の要部を示す摸式断面図である。

【図４】図３に示す環状部材を有するドライエッチング
装置を用いた場合のＥＲの分布の一例を模式的に示すグ
ラフである。

【図５】ＥＲマイクロローディングの評価指標に係る状
態を示す摸式断面図であり、メタル層をエッチングして
いる状態を示す図である。

【符号の説明】

３…ポリシリコン層、４ａ…バリアメタル層（バリア
層）、４ｂ…Ｗ層、４…メタル層、８…環状部材、１０
…ドライエッチング装置、１２…チャンバ、３０…ガス
混合室、３２〜４２…ガス供給源、３２ｖ〜４２ｖ…流
量調整バルブ、８２…フォーカスリング、Ｇ…ゲート電
極、Ｗ…Ｓｉウェハ（基体）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 29/43 Ｈ０１Ｌ 29/62 Ｇ (72)発明者 西澤 孝則 千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内 アプライド マテリアルズ ジャパン 株式会社内 (72)発明者 西木戸 健樹 千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内 アプライド マテリアルズ ジャパン 株式会社内 Ｆターム(参考） 4K057 DA11 DA12 DB06 DB08 DB11 DB12 DB15 DD01 DE01 DE06 DE08 DE11 DE20 DG12 DG13 DN01 4M104 AA01 CC05 DD66 DD71 FF18 GG09 HH20 5F004 AA01 AA02 BA20 BB22 BB23 CB02 DA00 DA01 DA04 DA18 DA25 DA26 DA30 DB00 DB02 DB10 EA13 EB02 5F033 HH04 HH19 HH33 HH34 MM08 MM13 QQ08 QQ10 QQ15 QQ16 QQ21 QQ28 VV06 XX00

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主としてタングステン原子を含むメタル
   層が形成されて成る基体をエッチングするドライエッチ
   ング方法であって、 前記基体上に、フッ素原子を含む第１のガスと、炭素原
   子及びフッ素原子を含む第２のガスと、窒素原子を含む
   第３のガスと、を供給するガス供給工程と、 前記各ガスを含む雰囲気中にプラズマを形成せしめるプ
   ラズマ形成工程と、を備えるドライエッチング方法。
2. 【請求項２】 前記ガス供給工程においては、更に酸素
   原子を含む第４のガスを前記基体上に供給する、ことを
   特徴とする請求項１記載のドライエッチング方法。
3. 【請求項３】 前記ガス供給工程においては、前記第１
   のガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ₆）ガスを用い、前記
   第２のガスとして四フッ化炭素（ＣＦ₄）ガスを用い、
   及び、前記第３のガスとして窒素（Ｎ₂）ガスを用い、
   叉は、前記第４のガスとして酸素（Ｏ₂）ガスを用い
   る、ことを特徴とする請求項１叉は２に記載のドライエ
   ッチング方法。
4. 【請求項４】 基体上にゲート電極を形成するゲート電
   極形成方法であって、 前記基体として、基層上にポリシリコン層、バリア層及
   び主としてタングステンを含むメタル層がこの順に形成
   されて成るものを準備する基体準備工程と、 前記メタル層及び前記バリア層の一部を、請求項１〜３
   のいずれか一項に記載のドライエッチング方法によりエ
   ッチングする第１のエッチング工程と、 前記ポリシリコン層の一部をエッチングする第２のエッ
   チング工程と、を備えるゲート電極形成方法。
5. 【請求項５】 基体上にゲート電極を形成するゲート電
   極形成方法であって、 前記基体として、基層上にポリシリコン層、バリア層及
   び主としてタングステンを含むメタル層がこの順に形成
   されて成るものを準備する基体準備工程と、 前記基体上に、フッ素原子を含む第１のガスと、炭素原
   子及びフッ素原子を含む第２のガスと、窒素原子を含む
   第３のガスとを供給し、該各ガスを含む雰囲気中にプラ
   ズマを形成せしめることにより、前記メタル層及び前記
   バリア層の一部をエッチングする第１のエッチング工程
   と、 前記ポリシリコン層の一部をエッチングする第２のエッ
   チング工程と、を備えるゲート電極形成方法。
6. 【請求項６】 主としてタングステン原子を含むメタル
   層が形成されて成る 基体をエッチングするドライエッチング装置であって、 前記基体を収容するチャンバと、 前記チャンバ内に、フッ素原子を含む第１のガスと、炭
   素原子及びフッ素原子を含む第２のガスと、窒素原子を
   含む第３のガスと、を供給するガス供給部と、 前記チャンバ内にプラズマを形成させるプラズマ形成部
   と、を備えるドライエッチング装置。
7. 【請求項７】 前記ガス供給部が、酸素原子を含む第４
   のガスを前記チャンバ内に供給するものである、 ことを特徴とする請求項６記載のドライエッチング装
   置。
8. 【請求項８】 前記ガス供給部は、前記第１のガスとし
   て六フッ化硫黄（ＳＦ₆）ガスを、前記第２のガスとし
   て四フッ化炭素（ＣＦ₄）ガスを、及び、前記第３のガ
   スとして窒素（Ｎ₂）ガスを、叉は、前記第４のガスと
   して酸素（Ｏ₂）ガスを、前記チャンバ内に供給するも
   のである、ことを特徴とする請求項６叉は７に記載のド
   ライエッチング装置。
9. 【請求項９】 基体上にゲート電極を形成するゲート電
   極形成装置であって、 前記基体として、基層上にポリシリコン層、バリア層及
   び主としてタングステンを含むメタル層がこの順に形成
   されて成るものが収容されるチャンバと、 前記チャンバに接続されており、六フッ化硫黄（Ｓ
   Ｆ₆）ガス、四フッ化炭素（ＣＦ₄）ガス、窒素（Ｎ₂）
   ガス、酸素（Ｏ₂）ガス、及び、臭化水素（ＨＢｒ）ガ
   スをそれぞれ独立に該チャンバ内に供給するガス供給部
   と、 前記チャンバ内にプラズマを形成させるプラズマ形成部
   と、を備えるゲート電極形成装置。