JP2004519838A

JP2004519838A - 窒化チタンをエッチングする方法

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Publication number: JP2004519838A
Application number: JP2002518506A
Authority: JP
Inventors: パドマパニナラン; トンザン
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2004-07-02
Also published as: TW589390B; US6531404B1; EP1307901A2; KR20030022361A; WO2002013241A2; WO2002013241A3

Abstract

本発明は、半導体構造物内に窒化チタンの層をプラズマエッチングする方法に関する。本方法の多くの実施の形態において、窒化チタンの層は、塩素とフルオロカーボンを含むソースガスを用いてエッチングされる。また、主なエッチングステップからなる窒化チタンのゲートをプラズマエッチングするツーステップ方法も開示される。主なエッチングステップにおいてエッチングされなかった窒化チタンの層の一部をエッチングするために、塩素、及び臭素含有化合物を有するソースガスを用いるオーバエッチングが後に続けられる。塩素／臭素のオーバエッチング化学作用が塩素／フルオロカーボンの主なエッチング化学作用と共に用いられるか、または従来知られた他のあらゆる窒化チタンの化学作用と共に用いられる。

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、半導体構造物内の窒化チタンをエッチングする方法に関する。本発明の方法は、パターン化された構造物、例えば窒化チタンをエッチングするのに特に有用であるが、窒化チタンの層の表面のエッチバックにも有用である。
【０００２】
（背景技術の簡単な説明）
半導体構造物内の金属ゲートの使用は、半導体製造技術においては比較的新しいコンセプトである。窒化チタンは、ゲートに使用するための研究中の１つの金属である。ゲート材料としての窒化チタンの使用は、例えば、ＴｈｏｍａｓＴａｎｇｅｔａｌ．（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＤｅｖｉｃｅＭｅｅｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ，ｐｐ．５９−−５９３，１９８５；ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．ＥＤ−３４，Ｎｏ．３，ｐｐ．６８２−６８８，１９８７）；Ｊ．Ｇ．Ｆｌｅｍｉｎｇｅｔａｌ．（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ９ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＶａｃｕｕｍＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．３７５−３７９，１９９６）；Ｄ．Ｂ．Ｋｉｎｇｅｔａｌ．（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ９ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＶａｃｕｕｍＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．４１１−４１４，１９９６）；Ｊ．Ｔ．Ｃ．Ｌｅｅｅｔａｌ．（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ，Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．５，ｐｐ．３２８３−３２９０，１９９６）；及びＤｏｎｇ−ＧｕＬｅｅｅｔａｌ．（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．２，ｐｐ．１０８５−１０８８，２０００）によって説明されている。
【０００３】
窒化チタンは、下層の基板から上層のアルミニウムのメタライゼーション層へのシリコンのマイグレーション（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ：移動）を避けるために、アルミニウムのメタライゼーション構造においてバリア層の材料として過去にしばしば使用されていた。窒化チタンをエッチングするための従来の化学作用は塩素ベースであった。塩素は、窒化チタンに対して非常に高いエッチング速度を提供する。しかし、高いエッチング速度は、１つは非常に薄い（即ち、１０００Å以下）窒化チタンの層をエッチングする場合、特にその薄い層が半導体構造物内のゲートとして用いられる場合は必ずしも望ましくない。従って、窒化チタンの薄い層をエッチングする場合に制御を行なう方法、特に、窒化チタンのパターン化された層のエッチング、例えば、半導体構造物内の窒化チタンの金属ゲートのエッチングにおいて制御を行なう方法を提供することが必要である。
【０００４】
（発明の概要）
我々は、パターン化された構造物のエッチング中に優れたプロフィールの制御を可能にする有利なエチング速度を提供する窒化チタンのプラズマエッチング方法を発見した。この方法は、単一のエッチングステップにおいてのみ用いられか、ツーステッププロセスにおいて主なエッチングステップとして用いられることができる。このツーステップエッチングプロセスは、窒化チタンと隣接する（一般には下層）酸化物に対する窒化チタンのエッチング選択性が重要である場合に一般に用いられる。
【０００５】
窒化チタンをエッチングする方法（又は主なエッチングステップ）は、化学エッチャント種を生成するために塩素とフルオロカーボンガスを含むプラズマソースガスを用いる。塩素は主なエッチャント種であるが、一方、フルオロカーボンは従のエッチャントとして働き、又側壁にパッシベーションを与える。フルオロカーボンは、ｘが１〜４、ｙが０〜３及びｚが１〜１０の範囲にある場合、式Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚを有するフッ素含有化合物から選択される。プラズマソースガスにおいてフッ素に対する塩素の比を変えることによって、エッチング速度を制御することができる。さらに、エッチングがパターン化されたエッチングである場合、エッチングされた窒化チタンのフィーチャ、例えば、ゲート構造のエッチングプロフィールを正確に制御することができる。ソースガスへのフルオロカーボンの追加は、側壁のパッシベーションの量についての制御、したがって、例えば、エッチングされたゲートの側壁のプロフィールの制御を可能にする。また、フルオロカーボンの存在は、窒化チタンのエッチング速度を減少し、塩素が窒化チタンのための唯一のエッチャントとして用いられる場合よりエッチングプロセにわったって大きな制御を可能にする。
【０００６】
例えば、半導体構造物内の窒化チタンの金属ゲートは、塩素とフルオロカーボンを含むソースガスから生成されるプラズマに窒化チタンを曝すことによってエッチングされる。良く動作するために実際に示されている１つのプラズマソースガスは、化学エッチャント種としてＣｌ_２とＣＦ_４を使用している。他の本質的に化学的不活性ガスをこの化学エッチャント種と組合せて用いることができる。一般に、本方法は、１：１０〜１０：１の範囲にある塩素：フッ素の原子比を用いる。窒化チタンの金属ゲートのエッチングの場合は、１：１〜５：１の範囲にある塩素：フッ素の原子比が特に良く働く。
【０００７】
サブミクロンのパターン化をする必要性がなく、窒化チタンの層がエッチバックされる場合、反応性エッチャント種としてＣＦ_４のみを用いることができる。エッチングされたパターンのプロファイル制御は重要なことではなく、重要なことはエッチングプロセスの終わりに向かっての制御であるので、単独のＣＦ_４は、エッチバックの終わりに向かってより優れた制御を可能にする全体でゆっくりしたエッチング速度を提供する。窒化チタンの層が薄い（約１０００Å以下）場合、反応性エッチャントとして単独のＣＦ_４の使用は、簡単なプロセスを提供する。エッチング時間が重要となる程度、窒化チタンの層が厚い場合、エッチバックを完了するために、塩素を含む主なエッチングステップを用いること及びその後単独でＣＦ_４の反応性エッチャントを使用することがひつようである。他の例として、主なエッチングステップの後に、窒化チタンの層がエッチバックされるべきである下層の表面に達するまで、以下に説明する化学作用を用いるオーバエッチングステップを使用することができる。
【０００８】
上述したエッチングの化学作用の使用に加えて、我々は、下層の酸化層（例えば、酸化シリコン、シリコンオキシナイトライド、ベリウムストロンチウムチタネート、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、ジルコニウムシリケート、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート、窒化シリコン、及びそれらの組合わせであるがこれらに限定されない）に対して窒化チタンをエッチングするための改善された選択性がツーステップエッチング方法を使用することによって得られる。ツーステップエッチング方法では、主なエッチングは、上述されたように塩素とフルオロカーボンを含む第１のプラズマソースガス（または窒化チタンをエッチングする技術において従来のエッチング化学）を用い、続いてプラズマソースが化学エッチャント種として働く塩素と臭素を含むオーバエッチングステップによって達成される。他の本質的な化学的不活性ガスが、化学エッチャント種を与えるガスと組合せて用いられても良い。
【０００９】
オーバエッチングステップにおいて、塩素と臭素の種は、約１：４〜約４：１の範囲内の塩素：臭素の原子比を与える濃度で存在する。この原子比は、エッチングされるべき窒化チタン層を含む構造物対してバイアス電力を組合せて調整することができる。特に良く働くように実際に用いられている１つのオーバエッチングステップのプラズマソースガスは、化学エッチャント種を生成するために用いられるプラズマソースガスとしてＣｌ_２とＨＢｒを用いる。
【００１０】
主なエッチングステップの終わりが、例えば、光学的な感知技術を用いてエンドポイントによって決められると、一般に窒化チタンのフィーチャ（例えば、ゲート）の厚さの約９８％が主なエッチングステップ中にエッチングされ、残りはオーバエッチングステップ中にエッチングされる。
【００１１】
主なエッチングステップにおけるエッチング速度を制御することによって、窒化チタンの薄い層（即ち、１０００Å以下）でさえ容易にエッチングされることができる。主なエッチングステップにおいてゲートのエッチングプロファイルを制御することによって、多くのデバイスを半導体構造物の与えられた表面領域に配置されることができる。下層の酸化物層に対して窒化チタンのゲートのエッチングの選択性を制御することによって、下層酸化物層を通してエッチングされる危険性なくゲートをエッチングすることができる。
【００１２】
（好適な実施の形態の詳細な説明）
半導体構造物内の窒化チタンの金属ゲートをエッチングする方法を詳細に説明する。本方法は、特に、ソースガスにおける塩素：フッ素の比が好ましくは約１：５である場合に、塩素とフルオロカーボンを含むソースガスから生成されるプラズマに窒化チタンを曝すステップを有する。主なエッチングステップ、それに続くオーバエッチングステップから成る窒化チタンのゲートをプラズマエッチングするツーステップ方法（ｔｗｏ−ｓｔｅｐｍｅｔｈｏｄ）を以下に説明する。このツーステップ方法は、塩素とフルオロカーボンを含む主なエッチングステップのプラズマソースガス（または窒化チタンのエッチングに有用な既知の他のソースガス）、及び塩素と臭素を含むオーバエッチングステップのプラズマソースガスを用いる。
【００１３】
詳細な説明の前に、特に本文において断らない限り、本明細書及び請求の範囲に用いられている、単数形の“ａ”、“ａｎ”及び“ｔｈｅ”は複数形を含むことが留意されるべきである。
【００１４】
１．本発明を実行するための装置
ここに説明される本実施の形態のエッチングプロセスは、ＳａｎｔａＣｌａｒａ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａにあるＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社から利用可能なＣｅｎｔｕｒａ（登録商標）の統合された処理システムで行われる。このシステムは、米国特許第５，１８６，７１８号において示され、且つ説明されており、その開示は、レファレンスによってここに取り込まれる。ここで示される例に用いられるエッチングのプロセスチャンバは図１に概略示されているけれども、産業上利用できるエッチングプロセスの全てが、他のプロセスパラメータの幾つかを調整することによって、ここで説明されるエッチング化学の利点を得ることができる。図１に概略示された装置は、ｔｈｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＥｌｅｖｅｎｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｆＰｌａｓｍａＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｍａｙ７，１９９６において、ＹａｎＹｅ他によって説明され、ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｖｏｌｕｍｅ９６−１２，ｐｐ．２２２−２３３（１９９６）において発行され、レファレンスによってここに取り込まれる種類の減結合されたプラズマソース（ＤｅｃｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａＳｏｕｒｃｅ：ＤＰＳ）を含む。プラズマ処理チャンバは、８インチ（約２００ｍｍ）直径のウエハの処理を可能にする。
【００１５】
図１は、個々のＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）ＤＰＳ^ＴＭポリシリコンエッチングチャンバ１００の側面図の概略を示す。エッチングチャンバ１００は、セラミックドーム１０６を有する上部チャンバ１０４と下部チャンバ１０８から成っている。下部チャンバ１０８は、単極の静電チャックのカソード（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｃｈｕｃｋ：ＥＳＣ）１１０を有する。ガスが均一なガス分配用ガス注入ノズル１１４を介してチャンバへ導入される。チャンバの圧力がスロットルバルブ１１８を用いて閉ループ圧力制御システム（図示せず）によって制御される。処理中に、基板１２０が入口１２２を通して下部チャンバ１０８へ導かれる。この基板１２０は、チャック表面上の誘電体膜（図示せず）の下に配置された導電性の層（図示せず）にＤＣ電圧を印加することによって静電チャック（ＥＳＣ）のカソード１１０の表面上に発生される静電荷によって正しく保持される。その後、カソード１１０と基板１２０は、ウエハリフト１２４によって上昇され、処理位置において上部チャンバ１０４に対してシールされる。エッチングガスがガス注入ノズル１１４を介して上部チャンバに導入される。エッチングチャンバ１００は誘導的に結合された高密度プラズマを生成し、維持するために１２．５６ＭＨｚで動作するプラズマソース電力１２６及びマッチング回路網１２８を用いる。ウエハは、１３．５６ＭＨｚで動作するＲＦ電源１３０及びマッチング回路網でバイアスされる。プラズマソース電力１２６及び基板バイアス手段１３０は、個別のコントローラ（図示せず）によって制御される。
【００１６】
ここで与えられた例は、ＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）ＤＰＳ^ＴＭエッチングシステムを用いて達成されるけれども、容量性エッチング装置、例えばＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社から利用可能なＭａｘ^ＴＭＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）のエッチングシステムを用いて行なっても良い。
【００１７】
２．窒化チタンの金属ゲートをエッチングする方法
図面を参照すると、図２Ａは、本発明の方法を示す最初の半導体構造物２００を示すが、大きさを示すものではない。半導体構造物２００は、上部から下部へ、ホトレジストのパターン化された層２１０、誘電体ＡＲＣ（ＤＡＲＣ）層２０８、窒化チタンのゲート層２０６、及び酸化物（または窒化シリコン）の層２０４を含み、それらの全ては、一般にシリコンである基板２０２上に堆積される。用語“ＡＲＣ”は、反射防止膜（ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｃｏａｔｉｎｇ）として用いられる材料の層を言う。
【００１８】
ホトレジスト層２１０の厚さ及びそのパターン化方法は、用いられる特定のホトレジスト材料に依存する。ホトレジスト層２１０は、この分野で知られた適当などんなホトレジスト材料でもよい。一般に、ホトレジスト層２１０は、有機の炭素含有材料である。しばしば用いられるホトレジストは、ＪＳＲまたはＳｈｉｐｌｅｙのいずれかから利用可能なＤＵＶホトレジストである。このようなＤＵＶホトレジストの一般的な膜厚は約４０００Å〜約１０，０００Åの範囲にある。
【００１９】
ＤＡＲＣ層２０８は、一般にシリコンオキシナイトライド（ＳｉＯｘＮｙ）を含み、一般に約３００Å〜約６００Åの範囲内の厚さを有するように形成される。シリコンオキシナイトライドのＤＡＲＣ層２０８は、一般にこの分野で知られた従来方法、例えばプラズマ増強された化学気相堆積（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ）を用いて堆積される。また、有機ベースのＡＲＣ層の使用は、この開示の一部として考慮される。
【００２０】
ゲートが形成されるべき窒化チタンの層２０６は、一般に約２００Å〜約１５００Åの範囲内の厚さを示す。窒化チタンのゲート層２０６は、一般にこの分野で知られた従来の方法、例えば物理気相堆積（ＰＶＤ）または化学気相堆積（ＣＶＤ）を用いて堆積される。
【００２１】
酸化物の層が例えば酸化シリコンである場合、酸化物の層の厚さは、一般に約１５Å〜約５０Åの範囲である。この酸化物の層が例えば五酸化タンタルである場合、酸化物の層の厚さは、一般に約３０Å〜約２００Åの範囲である。このような酸化物の層は、一般にこの分野で知られた従来の方法、例えば熱酸化またはＰＥＣＶＤを用いて堆積される。
【００２２】
図２Ａに示された構造を達成するために、ホトレジスト層２１０をパターン化した後に、ＤＡＲＣ層２０８が図２Ｂに示されるようにエッチングされて窒化チタンのゲート層２０６の表面が露出される。しばしば（表２及び表３に示されるように）、ＤＡＲＣの層２０８は、同じエッチング化学作用及びプロセス条件を用いて窒化チタンのゲート層２０６と共に単一の処理ステップでエッチングされる。代わりに、ＤＡＲＣの層２０８は、この分野で知られた従来のエッチング化学作用及び方法を用いて、別々のステップでエッチングすることもできる。
【００２３】
ＤＡＲＣの層２０８をエッチングした後、窒化チタンのゲート層２０６は、本発明の方法により、塩素とフルオロカーボンを含むソースガスから生成されるプラズマを用いてエッチングされる。主な窒化チタンのエッチングステップ用のソースガスは、反応性エチャント種を与えるために、一般にＣｌ_２とフッ素含有化合物用いる。フッ素含有化合物は、好ましくは、ｘが１〜４、ｙが０〜３及びｚが１〜１０の範囲にある場合、式Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚを有するフルオロカーボンである。好適な実施の形態において、主な窒化チタンのエッチングステップ用のソースガスはＣｌ_２とＣＦ_４である。半導体構造物における隣接材料に依存して、反応性塩素種を与えるためにＨＣｌを用いることができる。
【００２４】
主な窒化チタンのエッチングステップ用のソースガスは、全体のガス流量の約７０体積％までの濃度の化学的不活性ガス、例えばアルゴン、ネオン、クリプトン、またはヘリウムを含む。窒素はが全体のガス流量の約７０体積％までの体積濃度で、パッシバント（ｐａｓｓｉｖａｎｔ）として窒素を付加することができる。不活性ガスまたはプラズマソースガスに添加された窒素の量は、化学的反応性エッチングに対して必要とされる物理的エッチング（ボンバードメント（衝撃））の寄与の量によって決められる。
【００２５】
主なエッチングプラズマソースガスにおける塩素：フッ素の原子比は、一般に約１：１０〜約１０：１、好ましくは約１：５〜約５：１の範囲にある。主なエッチングにおいて、塩素／フルオロカーボンの化学作用は、窒化チタンのゲート層２０６の全厚さを通してエッチングするために用いられ、図２Ｄに示されるように酸化物の層２０４の表面を露出する。しかし、下層の酸化物の層２０４は、比較的薄く（一般に、酸化シリコンでは約１５Å〜約５０Å、または五酸化タンタルでは約３０Å〜約２００Å）、窒化チタンのゲート層２０６を通してエッチングを完了する間に酸化物の層までエッチングされるのを防止するために、酸化物に対して窒化チタンをエッチングする選択性が塩素／フルオロカーボンの化学作用に対して適していないかも知れないという危険性がある。塩素／フルオロカーボンの化学作用のために酸化シリコンに対して窒化チタンをエッチングする選択性は、一般に約２：１〜約５：１の範囲にある。酸化物の層の厚さが約５０Åまたはそれ以上の場合、約２：１の選択性が適している。酸化物の層の厚さが約２０Åまたはそれ以下の場合、窒化チタンのゲート層は、ツーステップの主なエッチング／オーバエッチング方法を用いるのが好ましい。
【００２６】
本発明のツーステップの実施の形態は、図示されるように図２Ｃと図２Ｄの組合せによって用いられることができる。ツーステップの実施の形態において、主なエッチングステップは、図２Ｃに示されるように、窒化チタンのゲート層２０６の厚さの約８０％をエッチングするために用いられる時間が定められたエッチングであることができる。代わりに、下層の酸化物の層が充分厚い場合は、主なエッチングは、窒化チタンのゲート層２０６の厚さの約９８％またはそれ以上エッチングするために用いられる計測されたエンドポイントエッチング（例えば、干渉計によるエンドポイント）であることができる。時間が定められたエッチング（時々、“ソフトランディング”エッチングと呼ばれる。）に関して、オーバエッチングステップは、その後、“フィート”２１２の除去を含む窒化チタン層の厚さの残りの２０％をエッチングするため、及び下層の酸化シリコン層２０４を露出するために行われる。測定されたエンドポイントエッチングに関して、オーバエッチングステップは、その後、より保護されるパターン化された領域から残留窒化チタン材料を除去するために行われる（窒化チタン層の全てが多くの露出した領域において除去される）。
【００２７】
オーバエッチングステップにおいて、残りの窒化チタンは、塩素と臭素の反応種を用いてエッチングされる。オーバエッチングステップに用いられるプラズマソースガスは、一般にＣｌ_２と臭素含有化合物、例えばＨＢｒを有する。オーバエッチングステップにおける塩素：臭素の原子比は、一般に約１：４〜約４：１の範囲にある。これは、約５０：１〜約１００：１の範囲にある窒化チタン：酸化シリコンのエッチングに対して選択性を与える。この選択性は、影響が装置に敏感である場合基板バイアス電力の印加によって変えることができる。しかし、当業者は、所望の結果を生じるであろう印加された基板バイアスと塩素：臭素の原子比の組合わせを発展することができる。放射のエンドポイント検出システムが下層の酸化物層２０４へのブレークスルーを検出するために用いられる。
【００２８】
本発明の方法による主なエッチングステップとオーバエッチングステップに対する一般的なプロセス条件が表１に示される。
【００２９】
表１．主な窒化チタンゲートのエッチングとオーバエッチングのための一般的なプロセス条件

【００３０】
用語“バイアス電力”は、基板表面に負の電圧を生じるように基板（一般には基板支持ペデスタル）へ印加される電力をいう。負の電圧は、一般に高いエネルギー種による基板表面の衝撃を制御するために用いられる。用語“ソース電力”は、プラズマを生成し、維持するために印加される電力をいう。
【００３１】
上述したオーバエッチングの化学作用は、表１に示されるように、本発明の主なエッチング化学と共に用いられるか、または従来知られた他の窒化チタンのエッチングの化学作用とともに用いられても良い。
【００３２】
表２及び表３は、本発明の方法の主なエッチング及びオーバエッチングステップの実施中に得られた実験データを提供する。表２及び表３は、ＤＡＲＣエッチング、ＴｉＮの主なエッチング（ＭＥ）及びＴｉＮのオーバエッチング（ＯＥ）ステップ用のプロセス条件を与える。示されたプロセス条件は、以下のものを含む：プロセスガスの流速（ｓｃｃｍ）、プロセスチャンバの圧力（ｍＴｏｒｒ）、プラズマソース電力（Ｗｓ）、基板バイアス電力（Ｗｂ）、エッチング中の基板温度（℃）、及びエンドポイント（秒）。指定された“ＥＰ（エンドポイント）”の場合、干渉計エンドポイント検出システムを用いてそれらが決められないかぎり、全てのエンドポイントは、時間が定められたエンドポイントである。
【００３３】
ラン＃１−６として表２と表３に記載された実験ランは、以下の膜のスタック（上部から下部へリストされた層）を用いて行われた。５５００ÅのＳｈｉｐｌｅｙＤＵＶホトレジスト層（前にパターン化される）；３００ÅのＳｉＯ_ｘＮ_ｙのＤＡＲＣ層；８００ÅのＴｉＮ層；及び５００ÅのＴａ_２Ｏ_５層で、全てのものがシリコン基板上に堆積される。表３の実験ラン番号７及び８は、ＳｉＯ_２の４５Åの厚い層であった酸化物の層を除いて、同じ膜のスタックを用いて行われた。
【００３４】
一般に、以下に用いられる用語“エッチングプロファイル”（または“フィーチャプロファイル”）は、図２Ａ〜図２Ｄに示されたゲート構造物の断面を言うが、それに限定されず、ゲート層のエッチングされた側壁とゲート構造物が立っている表面（即ち、五酸化タンタルの下にある層）間の角度に関して説明される。用語“垂直プロファイル”は、エッチングされたゲート層の側壁がシリコン酸化物の表面に垂直であるエッチングされたゲート層の断面を言う。用語“アンダーカット”プロファイルは、エッチングされた開口の幅が基板表面上の開口からの距離が増加するに従って大きくなる、エッチングされたゲート層の断面を言う。用語“テーパの付けられた”プロファイルは、エッチングされた開口の幅が基板表面上の開口からの距離が増加するに従って小さくなる、エッチングされたゲート層の断面を言う。用語“限界寸法”は、一般に所望の構造を生成するために制御されなければならないフィーチャの最小寸法を言う。
【００３５】
表２．窒化チタンの主なエッチング及びオーバエッチングの開発データ

【００３６】
表３．窒化チタンの主なエッチング及びオーバエッチングの開発データ

【００３７】
発明の概要において述べたように、プラズマソースガスにおける塩素とフッ素の比を変えることによって、窒化チタンのゲートのエッチング速度及びエッチングプロファイルを正確に制御することができる。下の表４は、約５５ｓｃｃｍの全ガス流量、４ｍＴｏｒｒのプロセスチャンバ圧力、４５０Ｗ_ｓ、６０Ｗ_ｂ及び５０℃の基板温度などのプロセス条件を一定にして、いろいろな塩素の流量を用いて得られたＴｉＮのエッチング速度及びエッチングプロファイルを示す。
【００３８】
表４．ＴｉＮのエッチング速度及びエッチングプロファイルに関して塩素：フッ素の原子比を変えたことによる効果

【００３９】
特定の窒化チタンのゲートのエッチングプロセスに用いられる塩素とフッ素の原子比は、ファクターの数、特に、エッチングされる窒化チタンの厚さに依存する。例えば、非常に薄いＴｉＮ（即ち５００Å以下）をエッチングする場合、遅い、より制御可能な窒化チタンのエッチング速度を得るために、プラズマソースガスにおける低い塩素：フッ素の比が必要とされる。半導体製造分野の当業者は、本願の開示を読んだ後日常の実験によって特定の窒化チタンのゲートの厚さをエッチングするのに適した特定の塩素：フッ素の原子比を決定することができるであろう。
【００４０】
表４に示されるように、本発明の主なエッチングステップにおいて塩素：フッ素の原子比を調整することによって、窒化チタンのエッチング速度及びゲートのエッチング速度の両方にわたって優れた制御を行うことができる。
【００４１】
Ｃｌ_２：Ｂｒの１：１の原子比および１０Ｗ_ｂを伴うオーバエッチングステップに関して、五酸化タンタルに対して窒化チタンをエッチングするための選択性は１００：１であるが、しかし窒化チタンのエッチングされたプロファイルは主なエッチング後にテーパが付けられたが、オーバエッチング後にアンダーカットされ、バイアス電力（Ｗ_ｂ）が低すぎたことを示している。バイアス電力が６０Ｗｂに増加されると、これは大きすぎたバイアス電力であり、幾らかの酸化物のロスが観察された（選択性は約１０：１以下に減少された）。バイアス電力は、４０Ｗｂに調整され、五酸化タンタルの明らかにロスのない垂直な窒化チタンのエッチングされたプロファイルを得た。オーバエッチングステップは、下層の酸化物層の厚さの約２５％が除去されるまで行われた。下層の酸化物層の厚さの約１０％除去が適しており、２５％の値は、窒化チタンの主なエッチングステップから残っている全ての“フィート”が除去されることを確かにするために用いられた。一般に、化学的なエッチング効果を増加することが必要である場合に、Ｗ_ｂは低下され、エッチングはより等方性になる。選択性は、低いＷ_ｂを有する下層の酸化物に対して高くなるけれども、窒化チタンの垂直なエッチングされたプロファイルのアンダーカットを避けるために注意が払われなければならない。物理的な衝突のエッチング寄与を増加すること及びより異方性のエッチングを得ることが必要な場合、Ｗ_ｂは増加される。垂直なプロファイルは、オーバエッチング中高いＷ_ｂに保たれる傾向にあるけれども、窒化チタンをエッチングするために選択性は減少され、下層の酸化物はより速くエッチングされる。当業者は、最小の実験でバイアス電力レベルを調整することができ、例えば、酸化シリコン、シリコンオキシナイトライド、バリウムストロンチウムチタネート、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、ジルコニウムシリケート、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート、窒化シリコン、またはそれらの組合せのような与えられた下層を適応させ、窒化チタンの層を下層にすることができる。
【００４２】
主なエッチングステップに有利な塩素：フッ素の原子を塩素：臭素の原子比及びオーバエッチングステップに有利な基板バイアス電力と組合せることによって、与えられたプロセス装置において最適な結果を達成することができる。
【００４３】
上述の好適な実施の形態は、本発明の範囲を限定することを意図していない。当業者は、本発明の開示に照らして、請求項に記載された発明の主題と一致するようにこれらの実施の形態を拡張することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ここで説明されるエッチングを行うために用いることができる装置の一例を示す。
【図２Ａ】
本発明の方法を行なうための最初の半導体構造物２００を示す。半導体構造物２００は、上部より下部へ、ホトレジストのパターン化された層２１０、誘電体ＡＲＣ（ＤＡＲＣ）層２０８、窒化チタンのゲート層２０６、及び酸化物の層２０４を有し、これらの全てはシリコン基板２０２上に堆積される。図示された膜のスタック層の相対的厚さは大きさを示していない。
【図２Ｂ】
ＤＡＲＣ層２０８のエッチング後の半導体構造物２００を示す。
【図２Ｃ】
窒化チタンゲート層２０６の厚さの少なくとも８０％のエッチング後の半導体構造物２００を示す。この構造物は、時間が定められた主なエッチングステップが行われた後で、且つオーバエッチングステップ前のツーステップエッチング方法を表す。
【図２Ｄ】
窒化チタンゲート層２０６の全体の厚さを通してエッチングした後の半導体構造物２００を示す。

Claims

半導体構造物内にパターン化された窒化チタンの層をエッチングする方法であって、塩素とフルオロカーボンを含むソースガスから生成されるプラズマに窒化チタンの層を曝すステップを有し、前記ソースガスにおける塩素：フッ素の原子比が約１：１０〜約１０：１の範囲にあることを特徴とするする方法。
前記フルオロカーボンは、ｘが１〜４、ｙが０〜３及びｚが１〜１０の範囲にある場合、化学式Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記フルオロカーボンは、ＣＦ_４であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記窒化チタンの層の厚さは、約１０００Åより小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の方法。
前記窒化チタンの層の下層にある酸化物または窒化物の層は、約５００Åより小さいことを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記酸化物または窒化物の層の前記厚さは、約５０Åより小さく、且つ、前記ソースガスにおける塩素：フッ素の原子比は約２：１〜約５：１の範囲にあることを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記酸化物または窒化物の層の前記厚さは、約２０Åより小さく、且つ、前記ソースガスにおける塩素：フッ素の原子比は少なくとも約５：１であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記パターンはゲート構造を含むことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３のいずれかに記載の方法。
前記半導体構造物は、前記窒化チタンの層の上層に誘電体ＡＲＣ層を含み、且つ前記誘電体ＡＲＣ層は、前記窒化チタンの層と同じプロセスステップでエッチングされることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３のいずれかに記載の方法。
半導体構造物内にパターン化された窒化チタンをエッチングする方法において、
ａ）窒化チタンの層が前記窒化チタンの層の約９８％以下を通してエッチングするプラズマへ曝される主なエッチングステップと、
ｂ）前記主なエッチングステップ中にエッチングされない窒化チタンの前記層の一部が塩素と臭素を含む化合物を有するソースガスから生成されるプラズマへ曝される、前記主なエッチングステプにづづくオーバエッチングステップと、
を有することを特徴とする方法。
前記ステップａ）におけるエッチングは、窒化チタンの前記層の約８０％以下を通して行われることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
前記オーバエッチングのソースガスは、Ｃｌ_２とＨＢｒを有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
前記オーバエッチングのソースガスは、Ｃｌ_２とＨＢｒを有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
前記第２のソースガスにおける塩素：臭素の原子比は、約１：４〜約４：１の範囲にあることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の方法。
前記塩素：臭素の原子比及び前記オーバエッチングステップ中に前記半導体構造物に印加されるバイアス電力は、下層の酸化物または窒化物及び所望の窒化チタンのエッチングプロファイルに対して選択性を与えるために調整されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記主なエッチングステップのプラズマは、塩素とフルオロカーボンを含むソースガスから生成されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記ソースガスにおける前記塩素と臭素の原子比は、約１：１０〜約１０：１の範囲にあることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
前記パターンは、ゲート構造を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
前記半導体構造物は、前記窒化チタンの層の上層にある誘電体ＡＲＣ層を有し、且つ、前記誘電体ＡＲＣ層は、前記主なエッチングステップにおいてエッチングされることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
半導体構造物内のパターン化された窒化チタンをエッチングするステップにおいて、
ａ）窒化チタンの層が前記窒化チタンの層の約９８％またはそれ以上を通してエッチングするプラズマへ曝される主なエッチングステップと、
ｂ）前記主なエッチングステップ中にエッチングされない窒化チタンの前記層の一部が塩素と臭素を含む化合物を有するソースガスから生成されるプラズマへ曝される、前記主なエッチングステプにづづくオーバエッチングステップとを有することを特徴とする方法。
前記オーバエッチングソースガスは、Ｃｌ_２とＨＢｒを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
前記第２のソースガスにおける塩素：臭素の原子比は、約１：４〜約４：１の範囲にあることを特徴とする請求項２０または請求項２１に記載の方法。
塩素：臭素の前記原子比、及び前記半導体構造へ印加されるバイアス電力の組合せは、下層の酸化物または窒化物層及び所望の窒化チタンのエッチングプロファイルに対して選択性を与えるために、前記オーバエッチングステップ中に調整されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
前記主なエッチングステップのプラズマは、塩素とフルオロカーボンを含むソースガスから生成されることを特徴とする請求項２０または請求項２１に記載の方法。
前記ソースガスにおける前記塩素：フッ素の原子比は、約１：１０〜約１０：１の範囲にあることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
前記半導体構造物は、前記窒化チタンの層の上層にある誘電体ＡＲＣ層を有し、前記誘電体ＡＲＣ層は、前記主なエッチングステップにおいてエッチングされることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
窒化チタンの層をプラズマエッチバックする方法であって、プラズマソースガスがフルオロカーボンガスである単一の化学的反応性種発生器を有することを特徴とする方法。
前記フルオロカーボンは、ｘが１〜４、ｙが０〜３、及びｚが１〜１０の範囲にある場合、化学式Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚを有するフッ素含有化合物から選択されることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
前記フルオロカーボンは、ＣＦ_４であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
窒化チタンの層をプラズマエッチバックする方法であって、プラズマソースガスが化学的エッチャント種を与えるために塩素とフルオロカーボンガスを有することを特徴とする方法。
前記プラズマソースガスにおける塩素：臭素の比は、前記窒化チタン層のエッチング速度を制御するために調整されることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
前記フッ素含有化合物は、ｘが１〜４、ｙが０〜３、及びｚが１〜１０の範囲にある場合、化学式Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚを有するフッ素含有化合物から選択されることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
前記フルオロカーボンは、ＣＦ_４であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
化学的不活性ガスが前記プラズマソースガスの一部として存在することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
前記化学的不活性ガスは、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノンまたはヘリウムからなるグループから選択されることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
塩素：フッ素の原子比は、約１：１０〜約１０：１の範囲にあることを特徴とする請求項３２に記載の方法。