JP3508856B2 - エッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンを主成分
とする下層膜と、タングステン又はタングステン化合物
を主成分とする上層膜とを有する積層膜に対するエッチ
ング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ゲート幅が０．１８μｍルール以下であ
る微細な半導体装置のゲート電極は、トランジスタの高
性能化のために、従来の同極ゲート構造（ｐチャネル型
トランジスタのゲート電極とｎチャネル型トランジスタ
のゲート電極との導電型が同じ構造）から、ｐチャンネ
ル型トランジスタのゲート電極の導電型にはｐ⁺ 型が用
いられ且つｎチャンネル型トランジスタのゲート電極の
導電型にはｎ⁺ 型が用いられる異極ゲート構造へと移行
が進んでいる。

【０００３】また、半導体装置の高速化及び低消費電力
化のために、ゲート電極のさらなる低抵抗化が必要にな
ってきている。

【０００４】さらに、ゲート電極と該ゲート電極に隣接
するコンタクト領域との重ね合わせマージンを確保する
ため、Self Align Contact（ＳＡＣ）プロセスが用いら
れるようになってきた。

【０００５】これらの要求を満足するゲート電極構造と
して、下層のポリシリコン膜及び上層のタングステン膜
を有する積層膜からなるポリメタルゲート電極が開発さ
れてきている。

【０００６】以下、従来のポリメタルゲート電極の形成
方法について、図９（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明
する。

【０００７】まず、図９（ａ）に示すように、半導体基
板１の上にシリコン酸化膜２を形成した後、該シリコン
酸化膜２の上に、例えば１００ｎｍの厚さを有するポリ
シリコン膜３、例えば１０ｎｍの厚さを有しバリア層と
なるタングステン窒化膜４、例えば１００ｎｍの厚さを
有するタングステン膜５、例えば１５０ｎｍの厚さを有
しハードマスクとなるシリコン窒化膜６を順次堆積す
る。その後、シリコン窒化膜６の上に、周知のリソグラ
フィ技術を用いてレジストパターン７を形成する。

【０００８】次に、図９（ｂ）に示すように、シリコン
窒化膜６に対してレジストパターン７をマスクにドライ
エッチングを行なって、シリコン窒化膜６からなるハー
ドマスク６Ａを形成した後、レジストパターン７をアッ
シングにより除去し、その後、洗浄を行なう。

【０００９】次に、図９（ｃ）に示すように、タングス
テン膜５、タングステン窒化膜４及びポリシリコン膜３
に対してハードマスク６Ａをマスクにドライエッチング
を行なって、パターン化された、タングステン膜５Ａ、
タングステン窒化膜４Ａ及びポリシリコン膜３Ａからな
るポリメタルゲート電極８を形成する。

【００１０】この場合、例えば特開平９−２４６２４５
号公報に示されるように、タングステン膜５及びタング
ステン窒化膜４のエッチングにはフッ素（Ｆ）を含むエ
ッチングガス（例えば、ＣＦ₄／Ｏ₂ガス）を用い、ポリ
シリコン膜３のエッチングには塩素（Ｃｌ）を含むエッ
チングガス（例えばＣｌ₂／Ｏ₂ガス）又は臭素（Ｂｒ）
を含むエッチングガス（例えばＨＢｒ／Ｏ₂ ガス）を用
いる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ように、タングステン膜５のエッチングにはフッ素を含
むエッチングガスを用いると共に、ポリシリコン膜３の
エッチングには塩素又は臭素を含むエッチングガスを用
いて、多数のウエハ上に形成されている積層膜に対して
連続的にエッチングを行なうと、ウエハの処理枚数が多
くなるに伴って、パターン化されたタングステン膜５Ａ
の断面が垂直形状からテーパ形状になってくるという問
題に直面した。

【００１２】図１０は、ウエハの処理枚数とタングステ
ン膜５Ａのテーパ角との関係を示しており、図１０か
ら、ウエハの処理枚数が多くなるに伴って、タングステ
ン膜５Ａのテーパ角が小さくなっていくことが分かる。

【００１３】このように、ウエハの処理枚数が多くなる
に伴って、タングステン膜５Ａのテーパ角が小さくなっ
ていくと、ポリメタルゲート電極８の幅寸法が大きくな
っていくので、ポリメタルゲート電極８の寸法制御が非
常に困難になるという問題がある。

【００１４】前記に鑑み、本発明は、シリコンを主成分
とする下層膜と、タングステン又はタングステン化合物
よりなる上層膜とを有する積層膜を、同一のエッチング
チャンバー内において、上層膜にはフッ素を含むエッチ
ングガスを用いると共に、下層膜には塩素又は臭素を含
むエッチングガスを用いるドライエッチングを行なっ
て、積層膜をパターニング処理する際に、処理数が増加
しても、パターン化された上層膜の断面形状がテーパ状
にならないようにすることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本件発明者は、エッチングの処理数が増加するに
伴って、パターン化された上層膜のテーパー角が小さく
なる理由について種々の検討を行なった結果、次のこと
を見出した。

【００１６】まず、図１１（ａ）に示すように、半導体
基板１上のシリコン酸化膜２の上に形成された、ポリシ
リコン膜３（例えば１００ｎｍの厚さ）、タングステン
窒化膜４（例えば１０ｎｍの厚さ）及びタングステン膜
５（例えば１００ｎｍの厚さ）からなる積層膜の上に、
シリコン窒化膜からなるハードマスク６Ａが形成されて
なる１枚目の半導体ウエハをエッチング装置のチャンバ
ー１０に配置した後、チャンバー１０の内部を真空ポン
プ（図示は省略している）により減圧する。

【００１７】次に、図１１（ｂ）に示すように、チャン
バー１０内にフッ素を含むエッチングガス（例えば、Ｃ
Ｆ₄ガスとＯ₂ガスとの混合ガス）を導入して、タングス
テン膜５及びタングステン窒化膜４よりなる上層膜に対
して第１のドライエッチングを行なう。

【００１８】このようにすると、パターン化された、タ
ングステン膜５Ａ及びタングステン窒化膜４Ａが形成さ
れるが、この際、チャンバー１０内において、Ｗ＋ＣＦ
₄＋Ｏ₂→ＷＦ_p↑＋ＣＯ₂↑（但し、１≦ｐ≦６）……
（１）の化学反応が起こり、チャンバー１０内にＷＦ_p
１１が生成される。ＷＦ_p １１は、揮発性が高いので、
真空ポンプにより容易にチャンバー１０の外部に排出さ
れる。

【００１９】次に、図１２（ａ）に示すように、チャン
バー１０内に臭素を含むエッチングガス（例えば、ＨＢ
ｒガスとＯ₂ ガスとの混合ガス）を導入して、ポリシリ
コン膜３よりなる下層膜に対して第２のドライエッチン
グを行なう。

【００２０】このようにすると、パターン化された、タ
ングステン膜５Ａ、タングステン窒化膜４Ａ及びポリシ
リコン膜３Ａからなるポリメタルゲート電極８が形成さ
れるるが、この際、チャンバー１０内において、Ｓｉ＋
ＨＢｒ＋Ｏ₂ →ＳｉＢｒ_x↑＋Ｈ₂Ｏ↑（但し、１≦ｘ≦
４）……（２）の化学反応が起こり、シリコン含有化合
物であるＳｉＢｒ_x １２が生成される。ＳｉＢｒ_x １２
は、揮発性が低いので、チャンバー１０の側壁に付着す
る。

【００２１】次に、半導体基板１上のシリコン酸化膜２
の上に形成された、ポリシリコン膜３、タングステン窒
化膜４及びタングステン膜５からなる積層膜の上にハー
ドマスク６Ａが形成されてなる２枚目の半導体ウエハを
チャンバー１０に配置した後、チャンバー１０内にフッ
素を含むエッチングガス（例えば、ＣＦ₄ガスとＯ₂ガス
との混合ガス）を導入して、タングステン膜５及びタン
グステン窒化膜４よりなる上層膜に対して第１のドライ
エッチングを行なう。

【００２２】このようにすると、パターン化された、タ
ングステン膜５Ａ及びタングステン窒化膜４Ａが形成さ
れるが、この際、前述の（１）の化学反応が起こって、
チャンバー１０内にＷＦ_p １１が生成される。この場
合、前述したように、チャンバー１０の側壁にＳｉＢｒ
_x １２が付着しているため、Ｗ＋ＣＦ₄＋Ｏ₂＋ＳｉＢｒ
_x→ＷＦ_y↑＋ＳｉＦ_z↑＋ＣＯ₂↑（但し、１≦ｙ≦６、
１≦ｚ≦４）……（３）の化学反応が起こる。つまり、
図１２（ｂ）に示すように、エッチングガスに含まれる
ＣＦ₄ （図中において○で示す）と側壁に付着している
ＳｉＢｒ_x １２とが反応してＳｉＦ_z １３が生成され
る。このため、エッチングに寄与するフッ素の量が低減
するので、タングステン膜５に対するサイドエッチング
量が次第に低減し、パターン化されたタングステン膜５
Ａの断面はテーパ形状になる。

【００２３】前述のメカニズムにより、ウエハの処理枚
数の増加に伴って、チャンバー１０の側壁に付着するシ
リコン含有化合物（ＳｉＢｒ_x ）が増加し、これによ
り、パターン化されたタングステン膜５Ａのテーパ角は
次第に小さくなる。このため、ウエハの処理枚数の増加
に伴って、パターン化されたタングステン膜５Ａの断面
形状の制御が次第に困難になっていくのである。

【００２４】本発明は、前記の知見に基づいてなされた
ものであって、下層膜に対する第２のエッチング工程に
おいてチャンバーの側壁に付着したシリコン含有化合物
を、フッ素と反応させてチャンバーの外部に排出するも
のである。

【００２５】具体的には、本発明に係るエッチング方法
は、シリコンを主成分とする下層膜と、タングステン又
はタングステン化合物を主成分とする上層膜とを有する
積層膜に対するエッチング方法を対象とし、チャンバー
内において、上層膜に対してフッ素を含むエッチングガ
スを用いてエッチングを行なう第１のエッチング工程
と、チャンバー内において、下層膜に対して塩素又は臭
素を含むエッチングガスを用いてエッチングを行なう第
２のエッチング工程と、チャンバー内にフッ素を含むク
リーニングガスを導入し、該クリーニングガスから生成
されたプラズマ中のフッ素と、第２のエッチング工程で
チャンバーの側壁に付着したシリコン含有化合物とを反
応させ、該反応により生成された反応生成物をチャンバ
ーの外部に排出するクリーニング工程とを備えている。

【００２６】本発明に係るエッチング方法によると、下
層膜に対する第２のエッチング工程でチャンバーの側壁
に付着したシリコン含有化合物と、プラズマ中のフッ素
とを反応させ、反応生成物をチャンバーの外部に排出し
ておいてから、上層膜に対する第１のエッチング工程を
行なうため、該第１のエッチング工程で導入されるエッ
チングガス中のフッ素が、チャンバー側壁に付着してい
るシリコン含有化合物との反応に消費される事態を防止
できる。このため、パターン化された上層膜の断面を垂
直形状にすることができ、これによりパターン化された
積層膜例えばポリメタルゲート電極の寸法を高精度に制
御することができる。

【００２７】本発明に係るエッチング方法において、ク
リーニングガスは、ＳＦ₆ ガス、ＮＦ₃ ガス又はＣＦ₄
ガスであることが好ましい。

【００２８】このようにすると、クリーニング工程にお
いて、シリコン含有化合物と、プラズマ中のフッ素とを
確実に反応させることができる。

【００２９】本発明に係るエッチング方法は、チャンバ
ー内に存在するプラズマ中の原子又は分子の発光強度を
測定する工程と、測定された発光強度に基づいて、次回
のクリーニング工程を行なうか否かを判定する工程とを
さらに備えていることが好ましい。

【００３０】このようにすると、第２のエッチング工程
によりパターン化された下層膜の断面がテーパ形状にな
る恐れがあるときには、次回のクリーニング処理を行な
うことによって、下層膜の断面がテーパ形状になる事態
を回避でき、また、第２のエッチング工程によりパター
ン化された下層膜の断面がテーパ形状になる恐れがない
ときには、次回のクリーニング処理を行なわないことに
より、スループットの向上を図ることができる。

【００３１】本発明に係るエッチング方法において、ク
リーニング工程は、プラズマ中の原子又は分子の発光強
度の経時変化を測定する工程を含み、測定された発光強
度の経時変化に基づいて、次回に行なうクリーニング工
程の処理時間を算出する工程をさらに備えていることが
好ましい。

【００３２】このようにすると、クリーニング工程にお
けるプラズマ中の原子又は分子の発光強度の経時変化は
飽和状態になるため、飽和状態になったときの時間を次
回に行なうクリーニング工程の処理時間として算出する
と、次回のクリーニング工程の処理時間を最適化でき
る。

【００３３】本発明に係るエッチング方法において、プ
ラズマ中の原子又は分子の発光強度を測定する場合、プ
ラズマ中の原子又は分子は、Ｆ、Ｆ₂ 、Ｃｌ、Ｃｌ₂ 、
Ｂｒ、Ｂｒ₂ 、ＳｉとＦの化合物、ＳｉとＣｌの化合物
又はＳｉとＢｒの化合物であることが好ましい。

【００３４】このようにすると、プラズマ中の原子又は
分子の発光強度又はその経時変化を的確に測定すること
ができる。

【００３５】本発明に係るエッチング方法において、ク
リーニング工程は、プラズマ中の複数種類の原子又は分
子の発光強度を測定する工程を含み、測定された複数の
発光強度の演算結果の経時変化に基づいて、次回に行な
うクリーニング工程の処理時間を算出する工程をさらに
備えていることが好ましい。

【００３６】このようにすると、クリーニング工程にお
けるプラズマ中の原子又は分子の発光強度の経時変化が
小さいときでも、次回に行なうクリーニング工程の処理
時間を的確に算出することができる。

【００３７】本発明に係るエッチング方法において、測
定された複数の発光強度の演算結果を測定する場合、該
演算結果は、測定された複数の発光強度のうち時間の経
過に伴って大きくなる発光強度を、測定された複数の発
光強度のうち時間の経過に伴って小さくなる発光強度で
割ったときの商、測定された複数の発光強度のうち時間
の経過に伴って大きくなる発光強度同士の積、又は測定
された複数の発光強度のうち時間の経過に伴って小さく
なる発光強度同士の積であることが好ましい。

【００３８】このようにすると、クリーニング工程にお
けるプラズマ中の原子又は分子の発光強度の経時変化が
小さいとき、次回に行なうクリーニング工程の処理時間
をより的確に算出することができる。

【００３９】本発明に係るエッチング方法は、チャンバ
ー内において、複数の膜厚を持つ下層膜に対して塩素又
は臭素を含むエッチングガスを用いて複数のテストエッ
チングを行なう工程と、複数のテストエッチングが終了
する度毎に、チャンバー内にフッ素を含むクリーニング
ガスを導入し、該クリーニングガスから生成されたプラ
ズマ中のフッ素と、テストエッチングによりチャンバー
の側壁に付着したシリコン含有化合物とを反応させ、該
反応により生成された反応生成物をチャンバーの外部に
排出する複数のテストクリーニングを行なう工程と、テ
ストクリーニング毎に、プラズマ中の原子又は分子の発
光強度の経時変化を測定し、測定された経時変化に基づ
いて、テストクリーニング毎に最適な処理時間を算出す
る工程と、下層膜の複数の膜厚と、算出された複数の最
適な処理時間との間に成り立つ関係式を求める工程と、
関係式に基づいて、クリーニング工程の処理時間を算出
する工程とをさらに備えている。

【００４０】このようにすると、デバイス特性を向上さ
せる等の目的で下層膜の厚さが変化した場合、その都
度、最適なクリーニング処理時間を算出しなくても、関
係式に基づいて最適なクリーニング処理時間を容易に算
出することができる。

【００４１】

【発明の実施の形態】（エッチング装置）以下、本発明
に係るエッチング方法の実施形態について説明するが、
その前提として、該エッチング方法に用いるエッチング
装置について説明する。

【００４２】図１はエッチング装置の概略断面構造を示
しており、図１に示すように、エッチング装置のチャン
バー２０の側壁は接地されていると共に、チャンバー２
０の側壁の内面はセラミック、アルミナ又は石英などの
絶縁材料で覆われている。チャンバー２０の上には、第
１の高周波電力２１が印加されるコイル状の上部電極２
２が設けられており、チャンバー２０内にエッチングガ
スを導入すると共に、上部電極２２に第１の高周波電力
２１が印加されると、チャンバー２０内にエッチングガ
スからなるプラズマが生成される。この場合、チャンバ
ー２０にはエッチングガスがマスフローコントローラ
（図示は省略している）を介して導入口２０ａから導入
されると共に、チャンバー２０の気体はターボポンプ
（図示は省略している）により排出口２０ｂから外部に
排出され、これによって、チャンバー２０の内部は０．
１Ｐａ〜１０Ｐａの範囲に制御される。

【００４３】チャンバー２０の内部には、第２の高周波
電力２３が印加される下部電極となる試料台２４が配置
されており、該試料台２４に第２の高周波電力２３が印
加されると、プラズマ中のイオンが試料台２４の上に載
置されたウエハ２５に照射され、ウエハ２５の上に形成
された積層膜がエッチングされる。この場合、第２の高
周波電力２３の大きさを調整することにより、ウエハ２
５に照射されるイオンエネルギーの大きさを制御するこ
とができる。

【００４４】また、試料台２４の内部には、冷媒等によ
り試料台２４の温度を制御する機構（図示は省略してい
る）が設けられており、試料台２４の温度は−３０℃〜
＋１０℃の範囲で制御できる。

【００４５】（エッチング方法）以下、本発明の一実施
形態に係るエッチング方法について図面を参照しながら
説明する。尚、本発明に係るエッチング方法は、ポリメ
タルゲート電極を形成するためのものには限定されない
が、本実施形態においては、ポリシリコン膜よりなる下
層膜と、窒化タングステン膜及びタングステン膜よりな
る上層膜との積層膜をエッチングして、ポリメタルゲー
ト電極を形成する場合について説明する。

【００４６】まず、１枚目のウエハが配置されているチ
ャンバー２０内にフッ素を含むエッチングガス（例え
ば、ＣＦ₄ガスとＯ₂ガスとの混合ガス）を導入して、タ
ングステン膜及びタングステン窒化膜よりなる上層膜に
対して第１のエッチングを行なった後、チャンバー２０
内に臭素を含むエッチングガス（例えば、ＨＢｒガスと
Ｏ₂ガスとの混合ガス）を導入して、ポリシリコン膜よ
りなる下層膜に対して第２のエッチングを行なって、ポ
リメタルゲート電極を形成する。これにより、１枚目の
ウエハに対するパターニング処理を完了する。

【００４７】次に、所定枚数例えばｎ枚のウエハに対し
て前述のパターニング処理を行なった後、チャンバー２
０内にフッ素を含むクリーニングガスを導入して、該フ
ッ素を含むクリーニングガスからなるプラズマを発生さ
せる。このようにすると、プラズマ中のフッ素と、下層
膜に対する第２のエッチング工程でチャンバー２０の側
壁に付着しているシリコン含有化合物例えばＳｉＢｒ_x
とが反応して反応生成物が生成されるので、該反応生成
物をチャンバー２０の外部に排出できる。

【００４８】次に、（ｎ＋１）枚目のウエハをチャンバ
ー２０内に配置し、該チャンバー２０内にフッ素を含む
エッチングガスを導入して上層膜に対して第１のエッチ
ングを行なった後、チャンバー２０内に臭素を含むエッ
チングガスを導入して、下層膜に対して第２のエッチン
グを行なって、ポリメタルゲート電極を形成する。これ
により、（ｎ＋１）枚目のウエハに対するパターニング
処理を完了する。

【００４９】図２は、２５枚のウエハに対して連続して
パターニング処理を行なってポリメタルゲート電極をそ
れぞれ形成した後に、前述のプラズマによるクリーニン
グ処理を行ない、その後、２６枚目のウエハに対してパ
ターニング処理を行なってポリメタルゲート電極を形成
した場合における、クリーニング時間（横軸）と、ポリ
メタル電極のタングステン膜のテーパ角（縦軸）との関
係を示している。この場合の条件は以下の通りである。
すなわち、上層膜に対する第１のエッチング工程は、Ｃ
Ｆ₄ ガスの流量：７５ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ₂ ガスの流量：
２５ｍｌ／ｍｉｎ、チャンバー２０の圧力：０．５Ｐ
ａ、第１の高周波電力：６００Ｗ、第２の高周波電力：
１００Ｗ、試料台２４の温度：５０℃に設定した。下層
膜に対する第２のエッチング工程は、ＨＢｒガスの流
量：８０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ₂ ガスの流量：３ｍｌ／ｍｉ
ｎ、チャンバー２０の圧力：０．４Ｐａ、第１の高周波
電力：３００Ｗ、第２の高周波電力：５０Ｗ、試料台２
４の温度：５０℃に設定した。クリーニング処理は、Ｓ
Ｆ₆ ガスの流量：２００ｍｌ／ｍｉｎ、第１の高周波電
力：１０００Ｗ、第２の高周波電力：０Ｗ、試料台２４
の温度：５０℃に設定した。

【００５０】図２から、プラズマによるクリーニング処
理の時間が０の場合（つまり、クリーニングを行なわな
かった場合）には、タングステン膜のテーパ角は７５度
であるが、クリーニング時間が長くなるにつれてテーパ
角は大きくなり、クリーニング時間が２００ｓになると
テーパ角は９０度になることが分かる。

【００５１】クリーニング処理の時間が長くなると、下
層膜に対する第２のエッチング工程で生成されチャンバ
ー２０の側壁に付着したシリコン含有化合物（ＳｉＢｒ
_x ）は、ＳＦ₆ ＋ＳｉＢｒ_x →ＳｉＦ_y ↑＋Ｂｒ₂ ↑＋
ＳＦ_z ↑……（４）の化学反応により完全に除去され
る。このため、前述の（３）の化学反応が起こらなくな
るので、上層膜に対する第１のエッチング工程で導入さ
れるエッチングガス中のフッ素の量が低減せず、ポリメ
タルゲート電極のタングステン膜の形状は垂直形状にな
る。

【００５２】図３は、ウエハに対してパターニング処理
を行なってポリメタルゲート電極を形成する度毎に、ク
リーニング処理を行なった場合における、ウエハの処理
枚数（横軸）と、ポリメタル電極のタングステン膜のテ
ーパ角（縦軸）との関係を示している。クリーニング処
理、第１及び第２のエッチング工程の条件は、図２に結
果を示した場合と同様である。

【００５３】図３から分かるように、ウエハの処理枚数
が増加しても、タングステン膜のテーパ角は小さくなっ
ていない。その理由は、下層膜に対する第２のエッチン
グ工程で生成されチャンバー２０の側壁に付着したシリ
コン含有化合物（ＳｉＢｒ_x）は、前述の（４）の化学
反応により完全に除去されるため、前述の（３）の化学
反応が起こらなくなるので、上層膜に対する第１のエッ
チング工程で導入されるエッチングガス中のフッ素がシ
リコン含有化合物との反応に消費されないからである。

【００５４】以上のように、本実施形態によると、下層
膜に対する第２のエッチング工程でチャンバーの側壁に
付着したシリコン含有化合物と、クリーニングガスより
なるプラズマ中のフッ素とを反応させ、反応生成物をチ
ャンバーの外部に排出しておいてから、上層膜に対する
第１のエッチング工程を行なうため、該第１のエッチン
グ工程で導入されるエッチングガス中のフッ素が、チャ
ンバー側壁のシリコン含有化合物との反応に消費される
事態を防止できる。このため、パターン化された上層膜
の断面を垂直形状にすることができ、これによりパター
ン化された積層膜からなるポリメタルゲート電極の寸法
を高精度に制御することができる。

【００５５】尚、本実施形態においては、クリーニング
ガスとして、ＳＦ₆ ガスを用いたが、これに代えて、Ｎ
Ｆ₃ ガス又はＣＦ₄ ガス等のフッ素を含有するガスを用
いてもよい。

【００５６】また、下層膜に対する第２のエッチング工
程のエッチングガスとしては、ＨＢｒガスとＯ₂ガスと
の混合ガスを用いたが、これに代えて、ＨＢｒガスとＯ
₂ ガスとの混合ガス、又は、Ｃｌ₂ ガスとＨＢｒガスと
Ｏ₂ ガスとの混合ガスを用いてもよい。

【００５７】また、本実施形態においては、図１に示す
ドライエッチング装置により得られるＴＣＰ（Transfer
Coupled Plasma ）方式のプラズマ源を用いたが、これ
に代えて、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）方
式、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方式、又
はＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）方式のプラズマ
源を用いてもよい。

【００５８】さらに、タングステン膜とポリシリコン膜
との間に設けられるバリア層としては、窒化タングステ
ン膜に代えて、タングステンシリサイド膜、窒化タング
ステンシリサイド膜又は窒化チタン膜等を用いてもよ
い。

【００５９】（クリーニングの処理時間の第１の算出方
法）以下、本発明の一実施形態に係るエッチング方法に
おいて、クリーニングの処理時間を算出する第１の方法
について説明する。

【００６０】図４は、エッチングによりポリメタルゲー
ト電極を形成した後に行なったプラズマによるクリーニ
ング処理中のプラズマ発光を分光器を用いて測定した結
果を示している。図４において、横軸は分光波長（２０
０ｎｍ〜８００ｎｍ）を示し、縦軸は発光強度を示し、
実線はクリーニング処理を開始した直後のプラズマ発光
を示し、破線はクリーニング処理を開始してから６０ｓ
を経過したときのプラズマ発光を示している。第１及び
第２のエッチング工程並びにクリーニング処理の各条件
は、図２に結果を示した場合と同様である。

【００６１】図４から分かるように、フッ化シリコン
（ＳｉＦ）（分光波長：４４０ｎｍ）の発光強度は、ク
リーニング処理を開始した直後では高いが、６０ｓを経
過したときでは低くなっている。一方、フッ素（Ｆ）
（分光波長：７０４ｎｍ）の発光強度は、クリーニング
処理を開始した直後では低いが、６０ｓを経過したとき
では高くなっている。

【００６２】図５は、プラズマによるクリーニング処理
中におけるフッ素の発光強度の経時変化を示しており、
図４に示したフッ素の発光強度を時間軸に直したもので
ある。

【００６３】図５から、フッ素の発光強度は、クリーニ
ングの処理時間の経過と共に増加し、処理時間が５５ｓ
を経過する頃から一定になっていることが分かる。この
現象は以下の理由によるものと考えられる。まず、クリ
ーニング処理の開始直後は、クリーニングガス（Ｓ
Ｆ₆ ）から生じるＦと、下層膜に対する第２のエッチン
グ工程でチャンバーの側壁に付着したＳｉＢｒ_x とが反
応することにより、プラズマ中のＦの量が低下し、Ｆの
発光強度は小さくなる。その後、前述の化学反応（４）
により、ＳｉＢｒ_x が除去されるので、これに伴って、
プラズマ中のＦ量は増加し、Ｆの発光強度は大きくなっ
ていく。そして、ＳｉＢｒ_x が完全に除去されると、Ｆ
の発光強度は一定となる。Ｆの発光強度が一定になる時
間、つまり処理時間が５５ｓを経過する時間に、ＳｉＢ
ｒ_x が完全に除去されていることが分かる。従って、ク
リーニング処理を行なう際の最適な処理時間は５５ｓで
あると算出できる。

【００６４】図６は、プラズマによるクリーニング処理
中におけるフッ化シリコンの発光強度の経時変化を示し
ており、図４に示したフッ化シリコンの発光強度を時間
軸に直したものである。

【００６５】図６から、フッ化シリコンの発光強度は、
クリーニングの処理時間の経過と共に減少し、処理時間
が５５ｓを経過する頃から一定になっていることが分か
る。この現象は以下の理由によるものと考えられる。ま
ず、クリーニング処理の開始直後は、クリーニングガス
（ＳＦ₆ ）から生じるＦと、下層膜に対する第２のエッ
チング工程でチャンバーの側壁に付着したＳｉＢｒ_x と
が反応することにより、プラズマ中のＳｉＦの量が増加
し、ＳｉＦの発光強度は大きくなる。その後、前述の化
学反応（４）により、ＳｉＢｒ_x が除去されるので、こ
れに伴って、プラズマ中のＳｉＦ量は減少し、ＳｉＦの
発光強度は小さくなっていく。そして、ＳｉＢｒ_x が完
全に除去されると、ＳｉＦの発光強度は一定となる。Ｓ
ｉＦの発光強度が一定になる時間、つまり処理時間が５
５ｓを経過する時間に、ＳｉＢｒ _x が完全に除去されて
いることが分かる。従って、クリーニング処理を行なう
際の最適な処理時間は５５ｓであると算出できる。

【００６６】以上のように、クリーニング処理中に、プ
ラズマ中のＦの発光強度又はＳｉＦの発光強度の経時変
化をモニターすることにより、次回のクリーニング処理
の最適な処理時間を算出することができる。

【００６７】ところで、Ｆの発光強度の経時変化量及び
ＳｉＦの発光強度の経時変化量が小さくて、クリーニン
グ処理の最適な処理時間を算出し難い場合には、Ｆの発
光強度をＳｉＦの発光強度で割ったときの商を算出し、
算出した商の経時変化に基づいてクリーニング処理の最
適な処理時間を算出することができる。

【００６８】図７は、プラズマによるクリーニング処理
中における、（Ｆの発光強度）／（ＳｉＦの発光強度）
の経時変化を示している。処理時間の経過に伴って、Ｆ
の発光強度は増加する一方、ＳｉＦの発光強度は減少す
るため、図７に示すように、（Ｆの発光強度）／（Ｓｉ
Ｆの発光強度）の変化量は、図５に示すＦの発光強度の
変化量及び図６に示すＳｉＦの発光強度の変化量のいず
れよりも大きくなる。

【００６９】尚、本実施形態においては、クリーニング
処理中において、Ｆの発光強度の変化量又はＳｉＦの発
光強度の変化量をモニターして、次回のクリーニング処
理の処理時間を算出したが、これに代えて又はこれと共
に、第２のエッチング工程の後に、チャンバー内のプラ
ズマのＦ又はＳｉＦの発光強度を測定し、Ｆの発光強度
が所定値以下であるとき又はＳｉＦの発光強度が所定値
以上であるときには、次回のクリーニング処理を行なう
と判定する一方、Ｆの発光強度が所定値よりも大きいと
き又はＳｉＦの発光強度が所定値よりも小さいときに
は、次回のクリーニング処理を行なわないと判定する工
程を付加してもよい。

【００７０】Ｆの発光強度が所定値以下であるとき又は
ＳｉＦの発光強度が所定値以上であるときには、プラズ
マ中のフッ素の量が減少していると考えられ、第１のエ
ッチング工程によりパターン化された上層膜の断面がテ
ーパ形状になる恐れがあるが、次回のクリーニング処理
を行なうことによって、上層膜の断面がテーパ形状にな
る事態を回避できる。また、Ｆの発光強度が所定値より
も大きいとき又はＳｉＦの発光強度が所定値よりも小さ
いときには、プラズマ中のフッ素の量が減少していない
と考えられ、第１のエッチング工程によりパターン化さ
れた上層膜の断面がテーパ形状になる恐れがないので、
次回のクリーニング処理を行なわないことにより、スル
ープットの向上を図ることができる。

【００７１】また、本実施形態においては、Ｆの発光強
度の経時変化又はＳｉＦの発光強度の経時変化をモニタ
ーして次回のクリーニング処理の最適な処理時間を算出
したが、Ｆの発光強度の経時変化に代えて、Ｆ₂ の発光
強度の経時変化をモニターしてもよい。

【００７２】また、本実施形態において、下層膜に対す
る第２のエッチング工程のエッチングガスとして、ＨＢ
ｒガスとＯ₂ ガスとの混合ガスを用いる場合には、Ｆ、
Ｆ₂、Ｂｒ、Ｂｒ₂ 又はＳｉとＢｒとの化合物の発光強
度の経時変化をモニターしてもよい。この場合には、Ｆ
又はＦ₂ の発光強度の経時変化と、Ｂｒ、Ｂｒ₂ 又はＳ
ｉとＢｒとの化合物の発光強度の経時変化とは、互いに
逆の変化をする。

【００７３】また、下層膜に対する第２のエッチング工
程のエッチングガスとして、Ｃｌ₂ガスとＨＢｒガスと
Ｏ₂ ガスとの混合ガスを用いる場合には、Ｆ、Ｆ₂ 、Ｃ
ｌ、Ｃｌ₂ 、Ｂｒ、Ｂｒ₂ 、ＳｉとＣｌとの化合物又は
ＳｉとＢｒとの化合物の発光強度の経時変化をモニター
してもよい。この場合には、Ｆ又はＦ₂ の発光強度の経
時変化と、Ｃｌ、Ｃｌ₂ 、Ｂｒ、Ｂｒ₂ 、ＳｉとＣｌと
の化合物又はＳｉとＢｒとの化合物の発光強度の経時変
化とは、互いに逆の変化をする。

【００７４】例えば、チャンバーの側壁にＳｉＣｌ_x が
付着した状態で、ＳＦ₆ ガスを用いてクリーニング処理
を行なうと、ＳｉＣｌ_x はＳＦ₆ のＦと反応するため、
揮発性の高い、Ｆ、Ｆ₂ 、ＳｉＦ_y 、Ｃｌ又はＣｌ₂ が
生成されるが、これらはチャンバーの外部に排出され
る。従って、クリーニング処理中にプラズマ発光分光測
定を行なって、Ｆ、Ｆ₂ 、ＳｉＦ_y 、Ｃｌ又はＣｌ₂ の
発光強度の経時変化をモニターすると、これらの経時変
化は次のようになる。

【００７５】Ｆ及びＦ₂ の発光強度は、クリーニング開
始時より増大していき、ある時間で飽和するという経時
変化を行なう。一方、ＳｉＦ_y 、Ｃｌ又はＣｌ₂ の発光
強度は、クリーニング開始時より低下していき、ある時
間で飽和するという経時変化を行なう。

【００７６】Ｆ、Ｆ₂ 、ＳｉＦ_y 、Ｃｌ又はＣｌ₂ の発
光強度の経時変化において、発光強度が飽和するという
ことはＳｉＣｌ_x が除去されたことを示しているので、
クリーニング開始時から発光強度が飽和するときまでの
時間は、クリーニングの最適な処理時間となる。

【００７７】また、本実施形態においては、Ｆの発光強
度をＳｉＦの発光強度で割ったときの商の経時変化に基
づいてクリーニング処理の時間を算出したが、これに代
えて、測定された複数の発光強度のうち時間の経過に伴
って大きくなる発光強度（例えば、Ｆ又はＦ₂ の発光強
度）を、測定された複数の発光強度のうち時間の経過に
伴って小さくなる発光強度（例えば、Ｃｌ、Ｃｌ₂ 、Ｂ
ｒ、Ｂｒ₂ 、ＳｉとＣｌとの化合物又はＳｉとＢｒとの
化合物の発光強度）で割ったときの商の経時変化に基づ
いてクリーニング処理の時間を算出してもよいし、測定
された複数の発光強度のうち時間の経過に伴って大きく
なる発光強度同士の積の経時変化に基づいてクリーニン
グ処理の時間を算出してもよいし、又は測定された複数
の発光強度のうち時間の経過に伴って小さくなる発光強
度同士の積の経時変化に基づいてクリーニング処理の時
間を算出してもよい。

【００７８】（クリーニングの処理時間の第２の算出方
法）以下、本発明の一実施形態に係るエッチング方法に
おいて、クリーニングの処理時間を算出する第２の方法
について説明する。

【００７９】まず、下層膜であるポリシリコン膜の厚さ
が、例えば５０ｎｍ、７５ｎｍ、１００ｎｍ、１２５ｎ
ｍ、１５０ｎｍ又は２００ｎｍである６種類の積層膜に
対してそれぞれテストエッチングを行なった後、各テス
トエッチング毎に前述のクリーニング処理と同様のテス
トクリーニングを行ない、その後、第１の算出方法を用
いて、下層膜の厚さ毎にクリーニングの最適な処理時間
を算出する。

【００８０】次に、ポリシリコン膜の厚さとクリーニン
グの最適な処理時間との関係をプロットして、ポリシリ
コン膜の厚さとクリーニングの最適な処理時間との間に
成り立つ関係式を求める。

【００８１】図８は、ポリシリコン膜の厚さとクリーニ
ングの最適な処理時間との関係を示しており、図８から
分かるように、ポリシリコン膜の厚さとクリーニングの
最適な処理時間とは一次関数の関係にある。

【００８２】そこで、図８から、Ｙ＝０．４７６４Ｘ…
…（５）（但し、Ｙ：クリーニングの最適な処理時間、
Ｘ：ポリシリコン膜の厚さ）なる関係式が得られる。

【００８３】このようにして、関係式を求めておくと、
デバイス特性を向上させる目的で、ポリメタルゲート電
極のポリシリコン膜の厚さが変化した場合、その都度、
第１の算出方法により最適な処理時間を算出しなくて
も、関係式に基づいて最適な処理時間を容易に算出する
ことができる。

【００８４】

【発明の効果】本発明に係るエッチング方法によると、
第１のエッチング工程で導入されるエッチングガス中の
フッ素が、チャンバー側壁に付着しているシリコン含有
化合物との反応に消費される事態を防止できるため、パ
ターン化された上層膜の断面を垂直形状にすることがで
きるので、パターン化された積層膜例えばポリメタルゲ
ート電極の寸法を高精度に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るエッチング方法に用
いるエッチング装置の概略断面図である。

【図２】２５枚のウエハに対して連続してエッチング処
理を行なった後、チャンバーに対してクリーニング処理
を行ない、その後、２６枚目のウエハに対してエッチン
グ処理を行なったときにおける、クリーニング時間とタ
ングステン膜のテーパ角との関係を示す図である。

【図３】ウエハに対してエッチング処理を行なう度毎に
クリーニング処理を行なったときにおける、ウエハの処
理枚数とタングステン膜のテーパ角との関係を示す図で
ある。

【図４】クリーニング処理中のプラズマ発光を分光器を
用いて測定した結果を示す図である。

【図５】クリーニング処理中におけるフッ素の発光強度
の経時変化を示す図である。

【図６】クリーニング処理中におけるフッ化シリコンの
発光強度の経時変化を示す図である。

【図７】クリーニング処理中における（Ｆの発光強度）
／（ＳｉＦの発光強度）の経時変化を示す図である。

【図８】ポリシリコン膜の厚さとクリーニングの最適な
処理時間との関係を示す図である。

【図９】（ａ）〜（ｃ）は従来のポリメタルゲート電極
の形成方法の各工程を示す断面図である。

【図１０】ウエハの処理枚数とパターン化されたタング
ステン膜のテーパ角との関係を示す図である。

【図１１】（ａ）、（ｂ）はエッチングの処理数が増加
するに伴って、パターン化された上層膜のテーパー角が
小さくなるメカニズムを説明する断面図である。

【図１２】（ａ）、（ｂ）はエッチングの処理数が増加
するに伴って、パターン化された上層膜のテーパー角が
小さくなるメカニズムを説明する断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ シリコン酸化膜 ３ ポリシリコン膜 ３Ａ パターン化されたポリシリコン膜 ４ タングステン窒化膜 ４Ａ パターン化されたタングステン膜 ５ タングステン膜 ５Ａ パターン化されたタングステン膜 ６ シリコン窒化膜 ６Ａ ハードマスク ７ レジストパターン ８ ポリメタルゲート電極 ２０ チャンバー ２０ａ 導入口 ２０ｂ 排出口 ２１ 第１の高周波電力 ２２ 上部電極 ２３ 第２の高周波電力 ２４ 試料台 ２５ ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 H01L 21/28

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンを主成分とする下層膜と、タン
   グステン又はタングステン化合物を主成分とする上層膜
   とを有する積層膜に対するエッチング方法であって、 チャンバー内において、前記上層膜に対してフッ素を含
   むエッチングガスを用いてエッチングを行なう第１のエ
   ッチング工程と、 前記チャンバー内において、前記下層膜に対して塩素又
   は臭素を含むエッチングガスを用いてエッチングを行な
   う第２のエッチング工程と、 前記チャンバー内にフッ素を含むクリーニングガスを導
   入し、該クリーニングガスから生成されたプラズマ中の
   フッ素と、前記第２のエッチング工程で前記チャンバー
   の側壁に付着したシリコン含有化合物とを反応させ、該
   反応により生成された反応生成物を前記チャンバーの外
   部に排出することによって、前記シリコン含有化合物を
   除去するクリーニング工程とを備え、 前記クリーニング工程は、前記プラズマ中の複数種類の
   原子又は分子の発光強度を測定し、測定された複数の発
   光強度のうち時間の経過に伴って大きくなる発光強度
   を、測定された複数の発光強度のうち時間の経過に伴っ
   て小さくなる発光強度で割ったときの商の経時変化、測
   定された複数の発光強度のうち時間の経過に伴って大き
   くなる発光強度同士の積の経時変化、又は測定された複
   数の発光強度のうち時間の経過に伴って小さくなる発光
   強度同士の積の経時変化に基づいて、次回に行なうクリ
   ーニング工程の処理時間を算出する工程を含むことを 特
   徴とするエッチング方法。
2. 【請求項２】 前記クリーニングガスは、ＳＦ₆ ガス、
   ＮＦ₃ ガス又はＣＦ₄ ガスであることを特徴とする請求
   項１に記載のエッチング方法。
3. 【請求項３】 前記プラズマ中の原子又は分子はＦ、Ｆ
   ₂ 、Ｃｌ、Ｃｌ₂ 、Ｂｒ、Ｂｒ₂ 、ＳｉとＣｌの化合物
   又はＳｉとＢｒの化合物であることを特徴とする請求項
   １に記載のエッチング方法。