JP3732079B2

JP3732079B2 - Sample surface processing method

Info

Publication number: JP3732079B2
Application number: JP2000258120A
Authority: JP
Inventors: 裕昭石村; 元彦吉開; 高男荒瀬; 隆浩下村; 孝則中司
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2020-08-23
Also published as: JP2002075967A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の表面加工方法に係り、特に半導体素子を形成するためのプラズマエッチング処理に好適な試料の表面加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の高速化と低消費電力化に伴い、電極や配線部分などの導体部分は低抵抗化が進み、このような要求に対応するものとして、シリコン酸化膜上に多結晶シリコン膜を形成し、その上に金属膜を形成するポリメタル構造のＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor）素子のゲート電極がある。このようなポリメタル構造を有するゲート電極の形成においては、金属膜の下層にある多結晶シリコン膜に対して高い選択性を有し、かつ垂直に金属膜をエッチングする技術が必要となる。すなわち、金属膜部分のオーバーエッチングにおいて、下層の多結晶シリコンができるだけエッチングされないように選択比の大きいプロセスが必要となる。
【０００３】
この種のポリメタル構造を有するゲート電極のエッチングを行う方法としては、例えば、特開平７−２５４６０６号公報に記載のように、シリコン酸化膜をマスクとして、まず、ＳＦ₆＋Ｃｌ₂＋Ｏ₂ の混合ガスをエッチングガスに用いて、タングステン膜及び窒化タングステン膜をエッチングし、次に、臭化水素をエッチングガスに用いて、下層の多結晶シリコンをエッチングする方法が知られており、高融点導電膜のエッチングにおいて、反応性ガスとしてフッ素原子および塩素原子の少なくとも一方を含むガスと酸素原子を含むガスとを含むものとし、酸素原子を含むガスを酸素ガス（Ｏ₂ ）量に換算した場合、その換算ガス量の全ガス量に対する割合が、５０〜８０体積％となるように導入しエッチングを行うことが記載されている。
【０００４】
また、特開平１１−３３００４８号公報には、タングステン膜と窒化タングステン膜とを塩素（Ｃｌ₂ ）と酸素（Ｏ₂ ）の混合ガスによってエッチングすることが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
多結晶シリコン膜に対し高融点金属膜を選択的にエッチングするに当たっては、上記のように反応性ガスとしてフッ素原子及び塩素原子の少なくとも一つを含むガスと酸素原子を含むガスとの混合ガスを用いることが知られているが、図４により、この場合の問題点を説明する。
【０００６】
図４は試料の断面図を示すもので、エッチング前の初期状態は図４(ａ)に示すようにシリコン基板１０１上にシリコン酸化膜１０２、多結晶シリコン膜１０３，窒化タングステン膜１０４，タングステン膜１０５の多層膜が形成され、最上層に所望のパターンに加工されたマスク１０６が形成されている。マスク１０６はゲート形状に合わせて異なるスペース幅を持ったパターンを有している。
【０００７】
例えば、図１に示されるような、真空容器内にＵＨＦ波を導入してプラズマを発生させるプラズマエッチング装置（詳細は後述）を用い、塩素ガス（Ｃｌ₂ ）、四フッ化炭素（ＣＦ₄ ）、酸素（Ｏ₂ ）の混合ガスをプラズマ化して、タングステン層及び窒化タングステン層のエッチング処理を行う。このときのそれぞれのガス流量は、Ｃｌ₂／ＣＦ₄／Ｏ₂ ＝１５／３０／４５ｍＬ／分、ＵＨＦ波の電力は５００Ｗ、高周波電力は５０Ｗである。
【０００８】
このエッチング処理によりマスク１０６の形状に従って、タングステン層105及び窒化タングステン層１０４がほぼ垂直にエッチングされる。エッチングの進行に伴い、パターン間のスペース幅が広い領域において、タングステン１０５，窒化タングステン層１０４のエッチングが先に終了する（図４（ｂ）の状態）。この時点でパターン間のスペース幅が狭い領域においては、マイクロローディング効果によりエッチング速度が低下するので、タングステン層１０５及び窒化タングステン層１０４のエッチングはまだ終了していない。
【０００９】
さらにエッチングを続けていくと、狭いスペース部でのタングステン層１０５のエッチングは引き続き進むが、これとともに、スペース幅の広い領域においては窒化タングステン層１０４下層の多結晶シリコン層１０３がエッチングされ始める。これにより、シリコンのエッチング生成物（ＳｉＣｌｘ）等が酸素と反応してシリコン酸化物を生成する。
【００１０】
このとき、プラズマ中に過剰な酸素が存在すると、過剰なシリコン酸化物が生成され、シリコン酸化物の一部がエッチングされたパターンの側壁部に再付着する。このため、狭いスペース部のタングステン層１０５及び窒化タングステン層１０４のエッチングが完了した時点では、広いスペース部のパターン側壁には図４（ｃ）に示すようにシリコン酸化物が付着し厚い側壁保護膜１０７が形成される。これにより、側壁保護膜１０７がエッチングマスクとなり、多結晶シリコン層１０３のエッチングが完了した時点では、広いスペース部のパターンと狭いスペース部のパターンに図４（ｄ）に示すようなエッチング形状差、すなわち、広いスペース部でのパターンの太りが生じる。
【００１１】
本発明の目的は、この問題を解決し、半導体基板上に積層した少なくとも金属膜と半導体膜を含む多層膜を有する試料の表面加工において、良好なエッチング形状を得ることのできる試料の表面加工方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、真空容器内に供給した反応性ガスをプラズマ化し、試料台に高周波電圧を印加して、試料台に配置した半導体基板上に積層された少なくともタングステン膜と多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜とを含む多層膜を有する試料をプラズマエッチングする試料の表面加工方法において、タングステン膜の部分のエッチング処理時に、塩素原子または臭素原子を含むガスの少なくともいずれか一方のガスと、フッ素原子を含むガスと、酸素原子を含むガスとの混合ガスであって、酸素原子を含むガスを同等の酸素原子数となるように酸素ガス（Ｏ_２）の量に換算した場合、その換算ガス量の全ガス量に対する割合が２０以上５０体積％未満になる混合ガスを用い、前記多層膜の各膜層で条件を変えてステップエッチングを行い、該ステップの切り換えを少なくとも前記多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜の一部が露出してから、前記タングステン膜のエッチング処理時よりも少ない酸素の換算ガス量を有する次のステップに変えてプラズマエッチングすることにより、達成される。
【００１３】
また、加工される多層膜は少なくともタングステン膜と多結晶シリコン膜もしくは非結晶シリコン（アモルファスシリコン）を含むものである。タングステン膜と多結晶シリコン膜もしくは非結晶シリコンの間に、窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜を有する。
【００１４】
また、多層膜の各膜層で条件を変えてステップエッチングを行い、該ステップの切り換えを少なくとも半導体膜の一部が露出してから、金属膜のエッチング処理時の酸素の換算ガス量よりも少ない次のステップに変更するものである。酸素の換算ガス量が少ないステップへの変更は、発光分光法による金属膜のエッチング終点を判定することによって行なわれる。
【００１５】
また、多層膜の金属膜をエッチングするためのステップの後、半導体膜が部分的に露出する前に、金属膜をエッチングするためのステップよりも酸素の換算ガス量が少ないステップに変更するものである。酸素の換算ガス量が少ないステップへの変更は、金属膜の残りの膜厚を測定し所定の膜厚になったことを検出して行なわれる。
【００１６】
また、半導体膜を−４０℃から８０℃の温度領域でエッチングするものである。また、半導体膜のエッチングに窒素ガスを含む反応ガスを用いるものである。また、混合ガスの圧力は１.０Ｐａ(パスカル）以下である。
【００１７】
また、上記目的は、タングステン膜と、窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜と、多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜とを積層してなるゲート材を、ガスプラズマを用いてエッチング処理する試料の表面加工方法において、少なくとも、タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜の部分をＣｌ₂／ＣＦ₄／Ｏ₂ の混合ガスプラズマによりエッチングし、タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜のオーバーエッチングをＣｌ₂／ＣＦ₄／Ｏ₂ の混合ガスのＯ₂ の流量を下げて行うことにより、達成される。
【００１８】
さらに、上記目的は、タングステン膜と、窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜と、多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜とを積層してなるゲート材を、ガスプラズマを用いてエッチング処理する試料の表面加工方法において、タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜の部分をＣｌ₂／ＣＦ₄／Ｏ₂ の混合ガスプラズマによりエッチングし、下層の多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜の一部が露出してからＣｌ₂／ＣＦ₄／Ｏ₂ の混合ガスのＯ₂ の割合を下げ、タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜のエッチング残りを除去した後、多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜の部分をＣｌ₂／Ｏ₂の混合ガスプラズマによりエッチング処理することにより、達成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１ないし図３により説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施に用いられるプラズマエッチング処理装置の一例を示した図である。本プラズマエッチング処理装置は、プラズマを生成する手段としてＵＨＦ波と磁界との作用を利用したものである。２０１は真空容器２０４内にＵＨＦ波を導入のためのアンテナであり、２０２は真空容器２０４内に磁場を発生させるソレノイドコイルであり、２０３はＵＨＦ波を真空室２０４内に透過させるＵＨＦ波透過窓（例えば石英平板）であり、２０５は真空容器２０４内に設けられ試料であるウエハを配置するための試料台であり、２０６は試料台２０５を上下に移動させる駆動装置であり、２０７は試料台２０５に接続されエッチング処理時に試料台２０５に高周波バイアス電圧を印加するための高周波電源であり、２０８は試料台２０５に接続され試料台２０５に配置されるウエハを静電吸着させるための静電吸着電源である。真空容器２０４の内部にはプラズマ２１０との電気的導通を確保するための接地電位部材であるアース電極２０９が配置される。
【００２１】
エッチング処理に当たっては、真空ポンプおよびターボ分子ポンプ(図示省略)によって減圧された真空容器２０４の内部にプロセスガスを導入し、真空容器２０４内部の圧力はバリアブルバルブ（図示省略）によって所定の処理圧力に調圧し、真空容器２０４内にアンテナ２０１よりＵＨＦ波を導入し、ソレノイドコイル２０２による磁界との作用によってプラズマを生じさせて行われる。
【００２２】
ＵＨＦ波はＵＨＦ波透過窓２０３を介してアンテナ２０１より真空容器２０４内に導入され、導入されたＵＨＦ波と真空容器２０４の外側に巻装された、この場合、３段のソレノイドコイル２０２による磁界との作用によって、真空容器２０４内でプロセスガス中の電子に効率よくエネルギーを与え、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance、以下「ＥＣＲ」と略す）による高密度なプラズマ２１０を発生させる。プラズマ２１０が生成された後、静電吸着電源２０８よりウエハを試料台２０５に吸着させるための直流電圧を出力する。ウエハが試料台２０５に吸着された後、高周波電源２０７より高周波電圧を試料台２０５に印加し、プラズマ中のイオンにウエハへの入射エネルギを与え、プロセス処理を開始する。
【００２３】
なお、上記では、モノポール方式の静電チャックにおける処理手順を述べたが、ダイポール方式の静電チャックの場合はプラズマ生成前に直流電圧を出力して静電吸着を行なっても良い。
【００２４】
上述した構成のプラズマエッチング装置を用いて、エッチングガスとして塩素（Ｃｌ₂ ）と四フッ化炭素（ＣＦ₄ ）と酸素（Ｏ₂ ）の混合ガスを用い、図４（ａ）に示した積層膜構成と同様の窒化シリコン（ＳｉＮ）をマスク１０６とタングステン膜１０５，窒化タングステン膜１０４，多結晶シリコン膜１０３の積層膜のエッチングを行った。
【００２５】
圧力は０.４Ｐａの条件で、この場合、酸素ガス(Ｏ₂）の全ガス量に対する割合を３３〜５０％の間で変化させ、図２に示したように、タングステン膜１０５のエッチング終了時点で太り量ａを定義し、広いスペースに隣接するパターンの太り量ａ１と狭いスペースに隣接するパターンの太り量ａ２の差（ａ１−ａ２）をエッチング形状差として測定した。その結果、図３に示す。図３に示すように酸素ガス比が４０％程度以下の領域で上記エッチング形状差が小さくなることが分かった。以上の結果から、この場合、酸素ガス比は４０％以下が適正と判断した。
【００２６】
本実施例では、タングステン層のエッチングを、▲１▼高い対窒化シリコン（マスク）選択比を維持しながら、タングステン層，窒化タングステン層を垂直に加工するためのステップ、▲２▼下地多結晶シリコンの露出後、エッチング形状差を生じさせずタングステン及び窒化タングステン層のエッチング残りを除去するためのステップ、の２ステップに分けて行った。具体的には、Ｃｌ₂／ＣＦ₄／Ｏ₂ ＝１５／３０／３０ｍＬ／分で圧力０.４Ｐａの条件でタングステン層１０５及び窒化タングステン層１０４をエッチングした。このときの酸素ガスの全ガス量に対する割合は４０体積％である。
【００２７】
また、下層の多結晶シリコン１０３の一部が露出してから、エッチング形状差を低減するために酸素ガス流量を低下させ、上記ガス比をＣｌ₂／ＣＦ₄／Ｏ₂ ＝１５／３０／２５ｍＬ／分に変更した。このときの酸素ガスの全ガス量に対する割合は約３５体積％である。
【００２８】
次に、上記酸素ガス流量を低下させたステップによってタングステン膜１０５及び窒化タングステン膜１０４のエッチング残りを十分に除去した後、塩素（Ｃｌ₂ ）６０ｍＬ／分と酸素（Ｏ₂ ）１０ｍＬ／分との混合ガスを圧力０.４Ｐａの条件し、多結晶シリコン層１０３のエッチングを行った。
【００２９】
この結果、スペース幅によるエッチング形状差は無く、またタングステン膜１０５や窒化タングステン膜１０４のエッチング残りなく高精度の加工を行うことができた。
【００３０】
ここで、露出した多結晶シリコンとプラズマ中の活性種とが反応して反応性生物（ＳｉＣｌｘ）ができ、さらに酸素と反応してシリコン酸化物となってパターンの側壁に再付着するが、下層の多結晶シリコンの一部が露出してから酸素ガス流量を低下させてプラズマ処理することにより、反応性生物（ＳｉＣｌｘ）が生成されても酸素が少なくなっているので、シリコン酸化物の生成が抑制されパターンの側壁に再付着し、厚い側壁保護膜を形成することがないので、エッチング形状差を無くすことができたものと考えられる。
【００３１】
下層の多結晶シリコン１０３の一部が露出してから酸素ガス流量を低下させるプロセス変更は、タングステン膜１０５および窒化タングステン膜１０４のエッチング終点を発光分光法によって検出するか、あるいは下層の多結晶シリコン１０３の一部のエッチング開始による反応性生物の特定波長の発光を発光分光法により検出することによって、プロセス変更の切り換えを行なえば良い。
【００３２】
また、このプロセス変更の他の切り換え方法としては、タングステン膜１０５または窒化タングステン膜１０４のエッチング残りの膜厚を、エッチング面でのプラズマ光の反射光による特定波長の干渉光を用いて、該干渉光の強度変化の値を利用し測定し、所定の膜厚値に達した時点を検出することによって、プロセス変更の切り換えを行なうようにしても良い。
【００３３】
上記の適正な酸素ガスの流量比は、圧力，試料温度等に依存し、また下地多結晶シリコンの膜厚，膜質等にもよるが、エッチング形状，下地多結晶シリコンへの選択比を考慮すると、酸素ガスの全ガス流量に対する割合は概ね２０〜５０％未満の範囲が望ましい。
【００３４】
なお、本実施例では、高融点金属膜部のエッチングにＣｌ₂／ＣＦ₄／Ｏ₂ の混合ガスを用いたが、ＨＢｒ／ＣＦ₄／Ｏ₂の混合ガスを用いても良い。この場合のガス流量比は、まず、ＨＢｒ／ＣＦ₄／Ｏ₂＝１０／３０／２０〜２５ｍＬ／分とし、次にＨＢｒ／ＣＦ₄／Ｏ₂＝１０／３０／１０〜１５ｍＬ／分として、酸素ガスの流量比を低下させる。これにより、同様の効果が得られる。また、多結晶シリコン膜のエッチングでは、Ｃｌ₂／Ｏ₂の一般的な混合ガスを用いたが、これに限られるものではなく、臭素系ガス、例えば、ＨＢｒ／Ｏ₂ の混合ガスを用いても良い。
【００３５】
尚、本技術はＥＣＲプラズマ方式の装置のみならず、ＲＦプラズマ等他方式のプラズマを用いた処理装置にも応用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、タングステン膜と多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜から成る多層膜のエッチングにおいて、タングステン膜のエッチング時に、塩素原子または臭素原子を含むガスの少なくともいずれか一方のガスと、フッ素原子を含むガスと、酸素原子を含むガスの混合ガスで、酸素原子を含むガスを同等の酸素原子数となるように酸素ガス（Ｏ_２）の量に換算した場合、その換算ガス量の全ガス量に対する割合が２０以上５０体積％未満になる混合ガスをとし、酸素ガス量の割合を２０以上５０体積％未満の範囲内で変え、タングステン膜をエッチングすることで、下地の多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜が現れても酸素量を調整することにより、側壁保護膜量を調整でき、広いスペースに隣接するパターンと狭いスペースに隣接するパターンのエッチング形状差無く多層膜をエッチング加工することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するためのプラズマエッチング装置の一例を示す構成図である。
【図２】エッチング形状差の測定部分を示すエッチング断面の図である。
【図３】酸素ガスの割合とエッチング形状差との関係を示した図である。
【図４】従来の多層膜エッチングの処理過程を示す図である。
【符号の説明】
１０１…シリコン基板、１０２…ゲート酸化膜層、１０３…多結晶シリコン層、１０４…窒化タングステン層、１０５…タングステン膜、１０６…マスク、１０７…真空容器、２０１…アンテナ、２０２…ソレノイドコイル、２０３…ＵＨＦ波透過窓、２０４…真空容器、２０５…試料台、２０６…試料台駆動機構、２０７…高周波電源、２０８…静電吸着電源、２０９…アース電極、２１０…プラズマ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sample surface processing method, and more particularly to a sample surface processing method suitable for plasma etching processing for forming a semiconductor element.
[0002]
[Prior art]
As the speed of semiconductor devices increases and power consumption decreases, conductors such as electrodes and interconnects are becoming less resistant. To meet these requirements, a polycrystalline silicon film is formed on the silicon oxide film. There is a gate electrode of a MOS (Metal Oxide Semiconductor) element having a polymetal structure on which a metal film is formed. In forming a gate electrode having such a polymetal structure, a technique is required which has a high selectivity with respect to the polycrystalline silicon film under the metal film and which vertically etches the metal film. That is, in the overetching of the metal film portion, a process with a high selectivity is required so that the underlying polycrystalline silicon is not etched as much as possible.
[0003]
As a method for etching a gate electrode having this type of polymetal structure, for example, as described in JP-A-7-254606, a mixed gas of SF ₆ + Cl ₂ + O ₂ is first used with a silicon oxide film as a mask. Is used to etch the tungsten film and the tungsten nitride film, and then hydrogen bromide is used as the etching gas to etch the underlying polycrystalline silicon. In etching, when a gas containing at least one of a fluorine atom and a chlorine atom and a gas containing an oxygen atom are included as a reactive gas and the gas containing an oxygen atom is converted into an oxygen gas (O ₂ ) amount, the converted gas It describes that etching is performed so that the ratio of the amount to the total gas amount is 50 to 80% by volume.
[0004]
JP-A-11-330048 discloses that a tungsten film and a tungsten nitride film are etched with a mixed gas of chlorine (Cl ₂ ) and oxygen (O ₂ ).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In selectively etching a refractory metal film with respect to a polycrystalline silicon film, a mixed gas of a gas containing at least one of fluorine atoms and chlorine atoms and a gas containing oxygen atoms is used as a reactive gas as described above. Although known to be used, the problem in this case will be described with reference to FIG.
[0006]
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the sample. As shown in FIG. 4A, the initial state before etching is a silicon oxide film 102, a polycrystalline silicon film 103, a tungsten nitride film 104, and a tungsten film on a silicon substrate 101. A multilayer film 105 is formed, and a mask 106 processed into a desired pattern is formed on the uppermost layer. The mask 106 has a pattern having a different space width in accordance with the gate shape.
[0007]
For example, as shown in FIG. 1, using a plasma etching apparatus (details will be described later) that introduces UHF waves into a vacuum vessel to generate plasma, chlorine gas (Cl ₂ ), carbon tetrafluoride (CF ₄ ) Then, the mixed gas of oxygen (O ₂ ) is turned into plasma, and the tungsten layer and the tungsten nitride layer are etched. The gas flow rates at this time are Cl ₂ / CF ₄ / O ₂ = 15/30/45 mL / min, the power of the UHF wave is 500 W, and the high frequency power is 50 W.
[0008]
By this etching process, the tungsten layer 105 and the tungsten nitride layer 104 are etched almost vertically in accordance with the shape of the mask 106. As the etching progresses, the etching of the tungsten 105 and the tungsten nitride layer 104 is finished first in a region where the space width between patterns is wide (state of FIG. 4B). At this time, in the region where the space width between the patterns is narrow, the etching rate is lowered due to the microloading effect, so that the etching of the tungsten layer 105 and the tungsten nitride layer 104 has not been completed yet.
[0009]
As the etching continues further, the etching of the tungsten layer 105 in the narrow space portion continues, but at the same time, the polycrystalline silicon layer 103 under the tungsten nitride layer 104 begins to be etched in the wide space width region. As a result, silicon etching products (SiClx) and the like react with oxygen to generate silicon oxide.
[0010]
At this time, if excessive oxygen is present in the plasma, excessive silicon oxide is generated, and a part of the silicon oxide is reattached to the side wall portion of the etched pattern. For this reason, when the etching of the tungsten layer 105 and the tungsten nitride layer 104 in the narrow space portion is completed, as shown in FIG. 107 is formed. Thereby, the sidewall protective film 107 becomes an etching mask, and when the etching of the polycrystalline silicon layer 103 is completed, the etching shape difference as shown in FIG. That is, pattern thickening occurs in a wide space portion.
[0011]
An object of the present invention is to solve this problem and to provide a surface processing method for a sample capable of obtaining a good etching shape in the surface processing of a sample having a multilayer film including at least a metal film and a semiconductor film laminated on a semiconductor substrate. Is to provide.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The purpose is to make the reactive gas supplied into the vacuum vessel into plasma, apply a high frequency voltage to the sample stage, and at least a tungsten film and a polycrystalline silicon film or non-crystallized on the semiconductor substrate placed on the sample stage In a sample surface processing method for plasma etching a sample having a multilayer film including a silicon film , at least one of a gas containing a chlorine atom or a bromine atom and a fluorine atom are removed during etching of the tungsten film portion. When the gas containing oxygen and the gas containing oxygen atoms is converted to the amount of oxygen gas (O ₂ ) so that the number of oxygen atoms is equivalent to the number of oxygen atoms, using a mixed gas relative to the total gas amount is less than 20 50% by volume or more, the row step etching under different conditions in each layer of the multilayer film , After the switching of the step exposed portion of at least the polysilicon film or amorphous silicon film, instead of the next step with the conversion gas amount of less oxygen than during the etching process of the tungsten film plasma This is achieved by etching.
[0013]
The processed multilayer film contains at least a tungsten film and a polycrystalline silicon film or amorphous silicon (amorphous silicon). A tungsten nitride film or a titanium nitride film is provided between the tungsten film and the polycrystalline silicon film or the amorphous silicon.
[0014]
Also, step etching is performed under different conditions in each film layer of the multilayer film, and the switching of the step is less than the converted gas amount of oxygen during the etching process of the metal film after at least a part of the semiconductor film is exposed. Change to the next step. The change to the step with a small amount of converted gas of oxygen is performed by determining the etching end point of the metal film by emission spectroscopy.
[0015]
In addition, after the step for etching the metal film of the multilayer film, before the semiconductor film is partially exposed, the step is changed to a step having a smaller amount of converted oxygen gas than the step for etching the metal film. is there. The change to the step where the amount of converted gas of oxygen is small is performed by measuring the remaining film thickness of the metal film and detecting that the film thickness has reached a predetermined value.
[0016]
In addition, the semiconductor film is etched in a temperature range of −40 ° C. to 80 ° C. In addition, a reactive gas containing nitrogen gas is used for etching the semiconductor film. The pressure of the mixed gas is 1.0 Pa (Pascal) or less.
[0017]
Another object of the present invention is to perform surface processing of a sample in which a gate material formed by stacking a tungsten film, a tungsten nitride film or a titanium nitride film, and a polycrystalline silicon film or an amorphous silicon film is etched using gas plasma. In the method, at least a portion of the tungsten film and the tungsten nitride film or the titanium nitride film is etched by a mixed gas plasma of Cl ₂ / CF ₄ / O ₂ , and overetching of the tungsten film, the tungsten nitride film, or the titanium nitride film is performed using Cl _2. This is achieved by lowering the O ₂ flow rate of the mixed gas of / CF ₄ / O ₂ .
[0018]
Furthermore, the above object is to provide a surface processing of a sample in which a gate material formed by stacking a tungsten film, a tungsten nitride film or a titanium nitride film, and a polycrystalline silicon film or an amorphous silicon film is etched using gas plasma. In the method, the tungsten film and the tungsten nitride film or the titanium nitride film are etched with a mixed gas plasma of Cl ₂ / CF ₄ / O ₂ to expose a part of the underlying polycrystalline silicon film or amorphous silicon film. Then, the ratio of O ₂ of the mixed gas of Cl ₂ / CF ₄ / O ₂ is decreased to remove the etching residue of the tungsten film and the tungsten nitride film or the titanium nitride film, and then the polycrystalline silicon film or the amorphous silicon film is removed. This is achieved by etching with a mixed gas plasma of Cl ₂ / O ₂ .
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0020]
FIG. 1 is a view showing an example of a plasma etching processing apparatus used for carrying out the present invention. This plasma etching apparatus uses the action of UHF waves and magnetic fields as means for generating plasma. 201 is an antenna for introducing a UHF wave into the vacuum container 204, 202 is a solenoid coil for generating a magnetic field in the vacuum container 204, and 203 is a UHF wave transmission window for transmitting the UHF wave into the vacuum chamber 204. (For example, a quartz flat plate), 205 is a sample stage provided in the vacuum vessel 204 for placing a wafer as a sample, 206 is a driving device for moving the sample stage 205 up and down, and 207 is a sample stage. 205 is a high-frequency power source for applying a high-frequency bias voltage to the sample stage 205 during the etching process, and 208 is an electrostatic adsorption for electrostatically adsorbing a wafer connected to the sample stage 205 and placed on the sample stage 205. It is a power supply. Inside the vacuum vessel 204, a ground electrode 209, which is a ground potential member for ensuring electrical continuity with the plasma 210, is disposed.
[0021]
In the etching process, a process gas is introduced into the vacuum vessel 204 decompressed by a vacuum pump and a turbo molecular pump (not shown), and the pressure inside the vacuum vessel 204 is adjusted to a predetermined processing pressure by a variable valve (not shown). The pressure is adjusted, UHF waves are introduced from the antenna 201 into the vacuum vessel 204, and plasma is generated by the action of the magnetic field generated by the solenoid coil 202.
[0022]
The UHF wave is introduced into the vacuum vessel 204 from the antenna 201 through the UHF wave transmission window 203, and is wound around the introduced UHF wave and the vacuum vessel 204. In this case, the magnetic field generated by the three-stage solenoid coil 202 is used. As a result, energy is efficiently given to electrons in the process gas in the vacuum vessel 204, and high-density plasma 210 is generated by electron cyclotron resonance (hereinafter abbreviated as "ECR"). After the plasma 210 is generated, a DC voltage for adsorbing the wafer to the sample stage 205 is output from the electrostatic adsorption power source 208. After the wafer is adsorbed on the sample stage 205, a high frequency voltage is applied from the high frequency power source 207 to the sample stage 205, and energy incident on the wafer is given to ions in the plasma to start the process.
[0023]
Although the processing procedure in the monopole electrostatic chuck has been described above, in the case of a dipole electrostatic chuck, a DC voltage may be output before the plasma generation to perform electrostatic adsorption.
[0024]
Using the plasma etching apparatus configured as described above, a mixed gas of chlorine (Cl ₂ ), carbon tetrafluoride (CF ₄ ), and oxygen (O ₂ ) is used as an etching gas, and the laminated film shown in FIG. The laminated film of the silicon nitride (SiN) having the same structure as that of the mask 106, the tungsten film 105, the tungsten nitride film 104, and the polycrystalline silicon film 103 was etched.
[0025]
The pressure is 0.4 Pa. In this case, the ratio of the oxygen gas (O ₂ ) to the total gas amount is changed between 33 and 50%, and as shown in FIG. The thickness a was defined as follows, and the difference (a1-a2) between the thickness a1 of the pattern adjacent to the wide space and the thickness a2 of the pattern adjacent to the narrow space was measured as the etching shape difference. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 3, it was found that the etching shape difference is small in the region where the oxygen gas ratio is about 40% or less. From the above results, in this case, the oxygen gas ratio was determined to be appropriate to be 40% or less.
[0026]
In this embodiment, the etching of the tungsten layer is: (1) a step for vertically processing the tungsten layer and the tungsten nitride layer while maintaining a high silicon nitride (mask) selection ratio, and (2) the underlying polycrystalline silicon. After the exposure, the step of removing the etching residue of the tungsten and tungsten nitride layers without causing an etching shape difference was performed in two steps. Specifically, the tungsten layer 105 and the tungsten nitride layer 104 were etched under the conditions of Cl ₂ / CF ₄ / O ₂ = 15/30/30 mL / min and a pressure of 0.4 Pa. The ratio of oxygen gas to the total gas amount at this time is 40% by volume.
[0027]
Further, after a part of the underlying polycrystalline silicon 103 is exposed, the oxygen gas flow rate is lowered to reduce the etching shape difference, and the above gas ratio is set to Cl ₂ / CF ₄ / O ₂ = 15/30/25 mL. Changed to / min. At this time, the ratio of oxygen gas to the total gas amount is about 35% by volume.
[0028]
Next, the etching residue of the tungsten film 105 and the tungsten nitride film 104 is sufficiently removed by the step of reducing the oxygen gas flow rate, and thereafter, chlorine (Cl ₂ ) 60 mL / min and oxygen (O ₂ ) 10 mL / min. The polycrystalline silicon layer 103 was etched under a mixed gas pressure of 0.4 Pa.
[0029]
As a result, there was no etching shape difference due to the space width, and high-precision processing could be performed without etching residue of the tungsten film 105 and the tungsten nitride film 104.
[0030]
Here, the exposed polycrystalline silicon reacts with the active species in the plasma to form a reactive organism (SiClx), and further reacts with oxygen to form silicon oxide and reattach to the sidewall of the pattern. Since a part of the polycrystalline silicon is exposed and plasma treatment is performed by reducing the oxygen gas flow rate, even if reactive organisms (SiClx) are generated, oxygen is reduced. It is considered that the etching shape difference could be eliminated because it was suppressed and reattached to the side wall of the pattern and a thick side wall protective film was not formed.
[0031]
The process change in which the oxygen gas flow rate is lowered after a part of the underlying polycrystalline silicon 103 is exposed may be detected by detecting the etching end point of the tungsten film 105 and the tungsten nitride film 104 by emission spectroscopy or by the underlying polycrystalline silicon. The process change may be switched by detecting light emission of a specific wavelength of the reactive organism due to the start of etching of a part of 103 by emission spectroscopy.
[0032]
Further, as another switching method of this process change, the remaining etching thickness of the tungsten film 105 or the tungsten nitride film 104 is set by using interference light having a specific wavelength by reflected light of plasma light on the etching surface. The process change may be switched by measuring the light intensity change value and detecting the point in time when the predetermined film thickness value is reached.
[0033]
The above flow rate ratio of the appropriate oxygen gas depends on the pressure, the sample temperature, etc., and depends on the film thickness and film quality of the underlying polycrystalline silicon, but considering the etching shape and the selectivity to the underlying polycrystalline silicon. The ratio of oxygen gas to the total gas flow rate is desirably in the range of approximately 20 to less than 50%.
[0034]
In this embodiment, a mixed gas of Cl ₂ / CF ₄ / O ₂ is used for etching the refractory metal film portion, but a mixed gas of HBr / CF ₄ / O ₂ may be used. In this case, the gas flow rate ratio is set to HBr / CF ₄ / O ₂ = 10/30/20 to 25 mL / min, and then HBr / CF ₄ / O ₂ = 10/30/10 to 15 mL / min. Reduce the flow ratio of oxygen gas. Thereby, the same effect is acquired. In the etching of the polycrystalline silicon film, a general mixed gas of Cl ₂ / O ₂ is used, but the present invention is not limited to this, and a bromine-based gas, for example, a mixed gas of HBr / O ₂ is used. Also good.
[0035]
Note that the present technology can be applied not only to an ECR plasma type apparatus but also to a processing apparatus using other types of plasma such as RF plasma.
[0036]
【The invention's effect】
According to the present invention, in etching of a multilayer film composed of a tungsten film and a polycrystalline silicon film or an amorphous silicon film , at the time of etching the tungsten film, at least one of a gas containing a chlorine atom or a bromine atom, and fluorine When a gas containing atoms and a gas containing oxygen atoms is converted into the amount of oxygen gas (O ₂ ) so that the number of oxygen atoms is equivalent to the number of oxygen atoms, By using a mixed gas whose ratio to the gas amount is 20 or more and less than 50 volume%, changing the ratio of the oxygen gas amount within the range of 20 or more and less than 50 volume%, and etching the tungsten film, the underlying polycrystalline silicon film or by amorphous silicon film is adjusted the amount of oxygen can appear, you can adjust the sidewall protective film amount, pattern and a narrow adjacent the large space There is an effect that the etching shape difference without multilayer film pattern adjacent to the space can be etched.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a plasma etching apparatus for carrying out the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an etching showing a portion for measuring an etching shape difference.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the proportion of oxygen gas and the etching shape difference.
FIG. 4 is a diagram illustrating a conventional multilayer film etching process.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Silicon substrate, 102 ... Gate oxide film layer, 103 ... Polycrystalline silicon layer, 104 ... Tungsten nitride layer, 105 ... Tungsten film, 106 ... Mask, 107 ... Vacuum container, 201 ... Antenna, 202 ... Solenoid coil, 203 ... UHF wave transmission window, 204 ... vacuum container, 205 ... sample stage, 206 ... sample stage drive mechanism, 207 ... high frequency power source, 208 ... electrostatic adsorption power source, 209 ... ground electrode, 210 ... plasma.

Claims

The reactive gas supplied into the vacuum vessel is turned into plasma, a high frequency voltage is applied to the sample stage, and at least a tungsten film and a polycrystalline silicon film or an amorphous silicon film stacked on the semiconductor substrate disposed on the sample stage In a sample surface processing method of plasma etching a sample having a multilayer film containing
At the time of etching the portion of the tungsten film, a mixed gas of at least one of a gas containing a chlorine atom or a bromine atom, a gas containing a fluorine atom, and a gas containing an oxygen atom, the oxygen atom When the gas containing oxygen is converted to the amount of oxygen gas (O ₂ ) so as to have the same number of oxygen atoms, a mixed gas in which the ratio of the converted gas amount to the total gas amount is 20 or more and less than 50% by volume, Step etching is performed under different conditions in each film layer of the multilayer film, and the switching of the step is performed from the time of etching the tungsten film after at least a part of the polycrystalline silicon film or the amorphous silicon film is exposed. A surface processing method for a sample, characterized in that plasma etching is performed instead of the next step having a reduced gas amount of oxygen .

2. The surface processing method for a sample according to claim 1, wherein the multilayer film to be processed includes at least a tungsten film and a polycrystalline silicon film or amorphous silicon (amorphous silicon).

3. The sample surface processing method according to claim 2, wherein a tungsten nitride film or a titanium nitride film is provided between the tungsten film and the polycrystalline silicon film or amorphous silicon.

The sample surface processing method according to claim 1, wherein the change to the next step is performed by determining an etching end point of the tungsten film by emission spectroscopy .

The sample surface processing method according to claim 1 , wherein the semiconductor film is etched in a temperature range of −40 ° C. to 80 ° C.

In a sample surface processing method in which a gate material formed by stacking a tungsten film, a tungsten nitride film or a titanium nitride film, and a polycrystalline silicon film or an amorphous silicon film is etched using gas plasma.
At least a portion of the tungsten film and tungsten nitride film or titanium nitride film is etched with a mixed gas plasma of Cl ₂ / CF ₄ / O ₂ , and overetching of the tungsten film and tungsten nitride film or titanium nitride film is performed with the Cl ₂ surface processing method of the sample and performing / CF 4 _/ O lowers the flow rate of O ₂ in the gas mixture _2.

In a sample surface processing method in which a gate material formed by stacking a tungsten film, a tungsten nitride film or a titanium nitride film, and a polycrystalline silicon film or an amorphous silicon film is etched using gas plasma.
The tungsten film and the tungsten nitride film or the titanium nitride film are etched by a mixed gas plasma of Cl ₂ / CF ₄ / O ₂ , and a part of the underlying polycrystalline silicon film or amorphous silicon film is exposed. After reducing the O ₂ ratio of the mixed gas of Cl ₂ / CF ₄ / O ₂ and removing the etching residue of the tungsten film and the tungsten nitride film or the titanium nitride film, the polycrystalline silicon film or the amorphous silicon film A surface processing method for a sample, wherein the portion is etched by a mixed gas plasma of Cl ₂ / O ₂ .