JP3986808B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造におけるドライエッチング方法に係り、特に、ポリシリコン層の上に形成されたバリアメタル層及びタングステン層又はタングステン層を、マスク層を介してエッチングするドライエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば、半導体装置におけるＭＯＳトランジスタのゲート電極では、ポリシリコン層（多結晶シリコン）の上にタングステン等の金属層を積層させた構造のものが多く使用されている。
【０００３】
かかる構造のゲート電極等を製造する場合、図５（ａ）に示すように、シリコン基板２０１上に、ゲート酸化膜（ＳｉＯ2 ）２０２、ポリシリコン層２０３、窒化タングステン等からなるバリアメタル層２０４、タングステン層２０５をこの順で順次形成し、タングステン層２０５の上に、シリコン窒化膜等からなるパターニングされたマスク層２０６を形成する。なお、各層の膜厚は、例えば、ゲート酸化膜２０２が３．５〜６．５ｎｍ、ポリシリコン層２０３が８０ｎｍ、バリアメタル層２０４が４ｎｍ、タングステン層２０５が３５ｎｍ、マスク層２０６が１５０ｎｍ程度とされる。
【０００４】
そして、このマスク層２０６を介して、エッチングを行うことにより、まず、図５（ｂ）に示すように、タングステン層２０５とバリアメタル層２０４とをパターニングするが、かかるエッチング工程では、従来、例えば、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 （流量例えば、２０／２０／２０ｓｃｃｍ）等からなるエッチングガスを使用したプラズマエッチングが一般的に用いられている。なお、かかるエッチング工程では、マスク層２０６もある程度エッチングされ、その厚さが減少する。
以上のようなタングステン層２０５及びバリアメタル層２０４のエッチングの後、ポリシリコン層２０３のエッチングが行われ、ポリシリコン層２０３のパターニングが行われて、所定パターンの電極構造が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したとおり、従来では、例えば、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 （流量２０／２０／２０ｓｃｃｍ）からなるエッチングガスを使用した１ステップのプラズマエッチング等により、タングステン層及びバリアメタル層のエッチングが行われている。
【０００６】
しかしながら、かかる従来の方法では、タングステンと、ポリシリコンとの選択比（タングステンのエッチングレート／ポリシリコンのエッチングレート）が、略１程度であり、かかる選択比を高めることができないという問題がある。
【０００７】
このため、タングステン層及びバリアメタル層を完全に除去するために、下地層であるポリシリコン層が露出し始めた後もある程度の時間エッチングを続行すると、図５（ｂ）に示すように、ポリシリコン層２０３の表面もエッチングされてしまい、同図に示す膜厚Ｔの分だけ、ポリシリコン層２０３の膜厚が減少してしまうという問題が生じる。
【０００８】
上記の問題は、特に、形成されるパターンの形状が、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有する場合に大きな問題となる。
【０００９】
すなわち、パターンが、密に配置された（パターン開孔径：パターン開孔間距離＝１：０．８〜１：１）部分と、疎に配置された（パターン開孔径：パターン開孔間距離＝１：１０〜１：１００００）部分とによって、タングステンのエッチングレートに相違が生じるため、結果として、下地のポリシリコン層が露出するタイミングにずれが生じ、ポリシリコン層が早く露出した部分では、ポリシリコン層のエッチング量が多くなり、その膜厚の減少量が増大してしまうからである。
【００１０】
例えば、かかるポリシリコン層のエッチング量を測定する実験を行ったところ、最もエッチングレートの低いウエハの中央部のパターンが密に配置された部分で完全にポリシリコン層が露出するまでエッチングを行うと、最もエッチングレートが高いウエハの周縁部のパターンが疎に配置された部分では、ポリシリコン層が３６．７ｎｍエッチングされてしまうという実験結果が得られた。
【００１１】
そして、上記のようにポリシリコン層がエッチングされてしまうと、次の工程であるポリシリコン層のエッチング工程において、ポリシリコン層の膜厚が薄い部分では、早く下層のゲート酸化膜が露出し、このゲート酸化膜がダメージを受けるため、ゲート酸化膜がブレイクする等の現象が生じ、歩留まりの低下や品質の低下を招くという問題があった。
【００１２】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、従来に較べてタングステンとシリコンとの選択比を向上させることができ、良質な半導体装置を安定して製造することのできるドライエッチング方法を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ポリシリコン層の上に形成された窒化タングステンからなるバリアメタル層及びタングステン層を、シリコン窒化膜からなるマスク層を介してエッチングし、当該バリアメタル層及びタングステン層を所定のパターンにパターニングするドライエッチング方法であって、
Ｎ2 ガスとＯ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含むエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、前記バリアメタル層及びタングステン層をエッチングすることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１記載のドライエッチング方法において、前記プラズマエッチングが、平行平板型のプラズマエッチング装置によって行われることを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は２項記載のドライエッチング方法において、前記所定のパターンは、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明は、ポリシリコン層の上に形成された窒化タングステンからなるバリアメタル層及びタングステン層を、シリコン窒化膜からなるマスク層を介してエッチングし、当該バリアメタル層及びタングステン層を所定のパターンにパターニングするドライエッチング方法であって、Ｃｌ2 ガスとＯ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含む第１のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第１の工程と、前記第１の工程の後、前記第１のエッチングガスよりＣｌ 2 ガスの量を減少させた、若しくは、Ｃｌ 2 ガスを除いた第２のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第２の工程とを具備し、前記第１の工程において前記ポリシリコン層が露出し始めた時点で前記第２の工程に切り替えることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４記載のドライエッチング方法において、プラズマ中の所定の波長の光を検出することによって、前記ポリシリコン層が露出し始めた時点を検出することを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５記載のドライエッチング方法において、前記所定の波長が、５７８ｎｍ若しくは５４２ｎｍであることを特徴とする。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項４〜６いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記第１及び第２の工程が、平行平板型のプラズマエッチング装置によって行われることを特徴とする。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項７項記載のドライエッチング方法において、前記平行平板型のプラズマエッチング装置は被処理基板が載置される下部電極に高周波電力を供給可能に構成され、前記第２の工程において前記下部電極に供給される高周波電力は、前記第１の工程において前記下部電極に供給される高周波電力よりも増加されることを特徴とする。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項４〜８いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記所定のパターンは、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有することを特徴とする。
【００２３】
請求項１０の発明は、ポリシリコン層の上に形成されたタングステン層を、シリコン窒化膜からなるマスク層を介してエッチングし、当該タングステン層を所定のパターンにパターニングするドライエッチング方法であって、Ｃｌ2 ガスとＯ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含む第１のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第１の工程と、前記第１の工程の後、Ｎ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含む第２のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第２の工程とを具備し、前記第１の工程において前記ポリシリコン層が露出し始めた時点で前記第２の工程に切り替えることを特徴とする。
【００２４】
請求項１１の発明は、請求項１０記載のドライエッチング方法において、前記ポリシリコン層と前記タングステン層との間に窒化タングステンからなるバリアメタル層が形成され、当該バリアメタル層と前記タングステン層を所定のパターンにパターニングすることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態を説明するため、半導体ウエハ（シリコン基板）の縦断面の一部を拡大して模式的に示すものである。同図（ａ）に示すとおり、シリコン基板１０１の上には、ゲート酸化膜（ＳｉＯ2 ）１０２、ポリシリコン層１０３、窒化タングステン等からなるバリアメタル層１０４、タングステン層１０５が、下側からこの順で形成されており、タングステン層１０５上には、所定のパターンにパターニングされたマスク層１０６が形成されている。なお、各層の膜厚は、例えば、ゲート酸化膜１０２が３．５〜６．５ｎｍ、ポリシリコン層１０３が８０ｎｍ、バリアメタル層１０４が４ｎｍ、タングステン層１０５が３５ｎｍ、マスク層１０６が１５０ｎｍ程度とされる。
【００２８】
上記マスク層１０６は、シリコン窒化膜等から構成されており、図中左側部分に示すように、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、図中右側部分に示すように、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有する形状のパターンとされている。
【００２９】
本実施形態においては、図１（ａ）に示す状態から、エッチングガスとして、Ｎ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、プラズマエッチングにより、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチングする。
【００３０】
そして、図１（ｂ）に示す状態のように、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４が完全に除去され、たポリシリコン層１０３が完全に露出した状態となった時点で、エッチング工程を終了する。
【００３１】
これによって、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のエッチングガスを使用した従来の方法と同様に、パターン形状が良好で、残渣が生じることもなく、エッチングを行うことができ、これに加えて、オーバーエッチング時のタングステンとポリシリコンとの選択比（タングステンのエッチングレート／ポリシリコンのエッチングレート）を高めることができるので、ポリシリコン層１０３をほとんどエッチングせずに、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４を完全に除去することができる。
【００３２】
図２は、本発明の他の実施形態を示すもので、同図に示す実施形態においては、前述した実施の形態と同様な構造に形成された半導体ウエハ（シリコン基板）に対して、まず、図２（ａ）に示す状態から、エッチングガスとしてＣｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、プラズマエッチングにより、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチング（メインエッチング）する。
【００３３】
そして、図２（ｂ）に示す状態のように、半導体ウエハ面内の一部で、下層のポリシリコン層１０３が露出し始めた時点で、エッチングガスを、Ｃｌ2 を除いたＯ2 ＋ＮＦ3 のガスとするか、若しくは、Ｏ2 ＋ＮＦ3 に微量のＣｌ2 を添加したガスであって上述した工程よりもＣｌ2 の添加量を減少させたガスとして、エッチング（オーバエッチング）を行う。そして、図２（ｃ）に示すように、半導体ウエハ面内のポリシリコン層１０３が完全に露出した状態となった時点で、エッチング工程を終了する。
【００３４】
なお、上記エッチング工程の切替えは、プラズマを生起したまま、ガスのみを切替えて行っても、プラズマを一旦消してガスを切り換えてから、再度プラズマを生起させて行っても良い。
【００３５】
また、上記のエッチング工程切替えのためのエッチング状態の検出は、プラズマの発光スペクトルを検出することによって行う。すなわち、例えば、図３に示すように、プラズマ光の中の特定波長の光（図３に示す例では５４２ｎｍ）の時間変化を測定することにより、エッチング状態を検出し、図３に示すようにかかる波長の光の強度が低下し始めた時点Ｐ１でエッチング工程を切替え、光の強度が低下し終えて略一定となった時点Ｐ２でエッチング工程を終了する。なお、上記の波長としては、５４２ｎｍの他、５７８ｎｍ等も使用することができる。
【００３６】
上記の実施形態によれば、メインエッチングは、従来方法と同様にエッチングが行われ、オーバーエッチング時のみ、タングステンとポリシリコンとの選択比（タングステンのエッチングレート／ポリシリコンのエッチングレート）を高めることができるので、ポリシリコン層１０３をほとんどエッチングせずに、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４を完全に除去することができる。
【００３７】
次に、参考例について説明する。この実施形態においては、前述した図１（ａ）に示されるようなシリコン基板１０１において、シリコン層１０３上に、直接タングステン層１０５が形成され、タングステン層１０５上に所定のパターンにパターニングされたマスク層１０６が形成され、このタングステン層１０５をエッチングする場合の参考例である。
【００３８】
なお、図１に示した場合と同様に、シリコン層１０３と、タングステン層１０５との間に、窒化タングステン等のバリアメタル層１０４があってもよい。
【００３９】
また、シリコン層１０３は、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコンのいずれでもよい。
【００４０】
そして、この参考例では、図１（ａ）に示すような状態から、エッチングガスとして、Ｎ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、プラズマエッチングにより、タングステン層１０５（若しくは窒化タングステン等のバリアメタル層１０４とタングステン層１０５）をエッチングし、図１（ｂ）に示す状態のように、タングステン層１０５が完全に除去され、シリコン層１０３が完全に露出した状態となった時点で、エッチング工程を終了する。
【００４１】
これによって、パターン形状が良好で、残渣が生じることもなく、エッチングを行うことができ、これに加えて、オーバーエッチング時のタングステンとシリコンとの選択比（タングステンのエッチングレート／シリコンのエッチングレート）を高めることができるので、シリコン層１０３をほとんどエッチングせずに、タングステン層１０５を完全に除去することができる。また、この実施形態の場合、タングステンエッチング後のシリコン表面は、従来のＣｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のエッチングガスを使用した場合に比べてかなり滑らかにすることができる。
【００４２】
次にまた、本発明の他の実施形態について説明する。この実施形態では、上記のＮ2＋ＮＦ3 のガスを使用した参考例において、前述した図２に示した２段階のエッチングのように、比較的エッチングレートが高いＣｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスで途中までエッチングし、図２（ｂ）に示すように半導体ウエハ面内の一部で、下層のポリシリコン層１０３が露出し始めた時点で比較的エッチングレートが低いものの高選択比が得られるＮ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用したエッチングを行うものである。この実施形態では、上記の参考例の効果に加えて、エッチングを速く行うことができるという効果が得られる。
【００４３】
図４は、本発明の実施形態に使用するプラズマ処理装置の構成の一例を模式的に示すものである。同図に示すように、プラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００４４】
このエッチング処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、ウエハＷ（シリコン基板１０１）を載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００４５】
サセプタ支持台４の内部には、温度調節媒体室７が設けられており、導入管８を介して温度調節媒体室７に温度調節媒体が導入、循環され、サセプタ５を所望の温度に制御できるようになっている。
【００４６】
サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在された構成となっており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、クーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００４７】
そして、絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５とウエハＷとの間の熱伝達がなされ、ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００４８】
サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はセラミックス或いは石英などの絶縁性材料からなり、エッチングの均一性を向上させるようになっている。
【００４９】
また、サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２３を有する例えば石英からなる電極板２４と、この電極２４を支持する導電性材料例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体２５とによって構成されている。なお、サセプタ５と上部電極２１との間隔は、調節可能とされている。
【００５０】
上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続され、この処理ガス供給源３０から、プラズマエッチングのためのエッチングガスが供給されるようになっている。なお、図４には、上記の処理ガス供給源３０等からなる処理ガス供給系を１つのみ図示しているが、これらの処理ガス供給系は複数設けられており、例えば、Ｎ2 、Ｃｌ2 、Ｏ2 、ＮＦ3 等のガスを夫々独立に流量制御して、チャンバー２内に供給できるよう構成されている。
【００５１】
一方、チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００５２】
上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、従来より低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この第１の高周波電源４０の周波数は、５０〜８０ＭＨｚが好ましく、典型的には図示した６０ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００５３】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は数百〜十数ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は、典型的には図示した１３．５６ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００５４】
次に、上記構成のプラズマ処理装置１によって、ウエハＷ（シリコン基板１０１）に形成されたタングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチングする工程について説明する。
【００５５】
まず、前述した図１（ａ）の状態とされたウエハＷ（シリコン基板１０１）を、ゲートバルブ３２を開放して、図示しないロードロック室からチャンバー２内へ搬入し、静電チャック１１上に載置する。そして、高圧直流電源１３から直流電圧を印加することによって、ウエハＷを静電チャック１１上に静電吸着する。
【００５６】
次いで、ゲートバルブ３２を閉じ、排気機構３５によって、チャンバー２内を所定の真空度まで真空引した後、バルブ２８を開放し、処理ガス供給源３０からＮ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 等の所定のエッチングガスを、マスフローコントローラ２９によってその流量を調整しつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６、上部電極２１の中空部、電極板２４の吐出孔２３を通じて、図４の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出させる。これとともに、チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持され、第１の高周波電源４０及び第２の高周波電源５０から、上部電極２１及び下部電極としてのサセプタ５に高周波電圧を印加し、エッチングガスをプラズマ化して、ウエハＷのタングステン層１０５及びバリアメタル層１０４のエッチングを行う。
【００５７】
また、エッチングの終点は、図示しない終点検出器によって、上記プラズマの所定波長の発光強度を測定することによって、検出し、前述したようにエッチングの切替えも、かかる検出結果に基づいて行う。
【００５８】
上述の装置を用いて、図１に示した工程、つまり、エッチングガスとして、Ｎ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチングした結果、タングステンのエッチングレートが１７０ｎｍ／分、ポリシリコンのエッチングレートが３３ｎｍ／分、選択比が５．１であり、エッチング終了時のポリシリコン層の減少量は、６ｎｍ以下であった。また、マスク層の窒化シリコンのエッチングレートが３４ｎｍ／分、エッチング終了時の窒化シリコン層の減少量は１２．２ｎｍであった。なお、エッチング条件は、
【００５９】
Ｎ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 ガス流量：２０／２０／２０ｓｃｃｍ、
圧力：０．６７Ｐａ
上部電極印加高周波電力：５００Ｗ
下部電極印加高周波電力：１００Ｗ
電極間距離：１５０ｍｍ
温調用ヘリウムガス圧力：２６６０Ｐａ
サセプタ温度：６０℃
である。一方、比較のために、従来の方法、つまりエッチングガスとして、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチングした結果、タングステンのエッチングレートが３０６ｎｍ／分、ポリシリコンのエッチングレートが３１０ｎｍ／分、選択比が１．０であり、エッチング終了時のポリシリコン層の減少量は、３６．７ｎｍ以下であった。また、マスク層の窒化シリコンのエッチングレートが１６４ｎｍ／分、エッチング終了時の窒化シリコン層の減少量は３６．９ｎｍであった。なお、エッチング条件は、
【００６０】
Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 ガス流量：２０／２０／２０ｓｃｃｍ、
圧力：０．６７Ｐａ
上部電極印加高周波電力：５００Ｗ
下部電極印加高周波電力：１５０Ｗ
電極間距離：１５０ｍｍ
温調用ヘリウムガス圧力：３９９Ｐａ
サセプタ温度：９０℃
である。
【００６１】
以上のとおり、上記実施例によれば、従来方法に比べて、選択比を約５倍、ポリシリコン層の減少量を１／６以下、マスク層の窒化シリコン層の減少量を約１／３とすることができた。したがって、ポリシリコン層をエッチングする際に、下層のゲート酸化膜（ＳｉＯ2 ）がタメージを受けることを抑制することができ、ゲート酸化膜のブレークの発生を抑制することができる。なお、上記実施例において、従来方法に比べてサセプタ温度を低下させ、温調用ヘリウムガス圧力を高くしたのは、エッチング中の半導体ウエハの温度を低下させて、サイドエッチング量を減少させるためであり、かかる温度制御を行うことによって、良好な形状にエッチングを行うことができた。
【００６２】
また、図４に示した装置によって、図２に示した工程、つまり、第１の工程のエッチングガスとして、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、第２の工程のエッチングガスとして、Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用して、２ステップによるタングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチングした結果、Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用した２ステップ目におけるタングステンのエッチングレートが２８１ｎｍ／分、ポリシリコンのエッチングレートが９８ｎｍ／分、選択比が２．９であり、エッチング終了時のポリシリコン層の減少量は６ｎｍ以下であった。この２ステップ目のエッチングでは、Ｃｌ2 の流量比を低下させ、かつＯ2 の流量比を増加させることにより、ポリシリコンのエッチングを抑制し、選択比を向上できた。なお、１ステップ目のエッチング条件は、前記した従来方法と同様であり、２ステップ目のエッチング条件は、
【００６３】
Ｏ2 ＋ＮＦ3 ガス流量：２０／２０ｓｃｃｍ、
圧力：０．６７Ｐａ
上部電極印加高周波電力：５００Ｗ
下部電極印加高周波電力：１５０Ｗ
電極間距離：１５０ｍｍ
温調用ヘリウムガス圧力：３９９Ｐａ
サセプタ温度：９０℃
である。
【００６４】
以上のとおり、図２に示した工程による実施例においても、従来に比べて選択比を向上させることができ、ポリシリコン層の減少量を従来に比べて抑制することができた。
【００６５】
また、エッチング後のウエハを、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、残渣が僅かに生じることがあったが、この場合は、２ステップ目のエッチング時間を長くすることにより低減し、無くすことができた。マスク層の減少量を大きくしないため２ステップ目のエッチング時間は３０秒以下が好ましい。また、上記２ステップ目のエッチングガスに、５ｓｃｃｍ程度の僅かなＣｌ2 ガスを添加することによっても、かかる残渣の発生を防止することができた。Ｃｌ2 ガスの添加量は、選択比を低下させないため、Ｏ2 ガスとＮＦ3 ガスとの合計のガス流量に対して１２．５％以下が好ましい。
【００６６】
さらにまた、上記実施例においては、タングステン層の裾部分が僅かにテーパ状になる所謂裾引きが見られたが、かかる裾引きは、下部電極印加高周波電力を３００Ｗに増やすことによって、防止することができた。
【００６７】
したがって、上述した２ステップ目のエッチングにおいては、５ｓｃｃｍ程度の僅かなＣｌ2 ガスを添加し、また、下部電極印加高周波電力を３００Ｗ程度に増やすことが好ましい。
【００６８】
また、図４に示した装置によって、エッチングガスとして、Ｎ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、タングステン層１０５をエッチングした。なお、エッチング条件は、
【００６９】
Ｎ2 ＋ＮＦ3 ガス流量：１００／２０ｓｃｃｍ、
圧力：１．３３Ｐａ
上部電極印加高周波電力：３００Ｗ
下部電極印加高周波電力：３００Ｗ
電極間距離：１５０ｍｍ
温調用ヘリウムガス圧力：４００Ｐａ
サセプタ温度：６０℃
である。
【００７０】
Ｎ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用した工程による実施例においても、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用した工程に比べて選択比を向上させることができることが確認できた。
【００７１】
なお、上記の例では、平行平板型のエッチング装置を使用した実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、下部電極に高周波電力を印加し、プラズマ生成空間に磁界を形成してプラズマ化を促進するエッチング装置等あらゆるプラズマエッチング装置を使用できることは、勿論である。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のドライエッチング方法によれば、タングステンとシリコンとの選択比を向上させることができ、良質な半導体装置を安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明するためのウエハ断面の構成を模式的に示す図。
【図２】本発明の他の実施形態を説明するためのウエハ断面の構成を模式的に示す。
【図３】本発明の実施形態における終点検出の例を説明するための図。
【図４】本発明の実施形態に使用する装置の構成の例を示す図。
【図５】従来の技術を説明するためのウエハ断面の構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
１０１……シリコン基板、１０２……ゲート酸化膜、１０３……ポリシリコン層、１０４……バリアメタル層、１０５……タングステン層、１０６……マスク層。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造におけるドライエッチング方法に係り、特に、ポリシリコン層の上に形成されたバリアメタル層及びタングステン層又はタングステン層を、マスク層を介してエッチングするドライエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば、半導体装置におけるＭＯＳトランジスタのゲート電極では、ポリシリコン層（多結晶シリコン）の上にタングステン等の金属層を積層させた構造のものが多く使用されている。
【０００３】
かかる構造のゲート電極等を製造する場合、図５（ａ）に示すように、シリコン基板２０１上に、ゲート酸化膜（ＳｉＯ2 ）２０２、ポリシリコン層２０３、窒化タングステン等からなるバリアメタル層２０４、タングステン層２０５をこの順で順次形成し、タングステン層２０５の上に、シリコン窒化膜等からなるパターニングされたマスク層２０６を形成する。なお、各層の膜厚は、例えば、ゲート酸化膜２０２が３．５〜６．５ｎｍ、ポリシリコン層２０３が８０ｎｍ、バリアメタル層２０４が４ｎｍ、タングステン層２０５が３５ｎｍ、マスク層２０６が１５０ｎｍ程度とされる。
【０００４】
そして、このマスク層２０６を介して、エッチングを行うことにより、まず、図５（ｂ）に示すように、タングステン層２０５とバリアメタル層２０４とをパターニングするが、かかるエッチング工程では、従来、例えば、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 （流量例えば、２０／２０／２０ｓｃｃｍ）等からなるエッチングガスを使用したプラズマエッチングが一般的に用いられている。なお、かかるエッチング工程では、マスク層２０６もある程度エッチングされ、その厚さが減少する。
以上のようなタングステン層２０５及びバリアメタル層２０４のエッチングの後、ポリシリコン層２０３のエッチングが行われ、ポリシリコン層２０３のパターニングが行われて、所定パターンの電極構造が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したとおり、従来では、例えば、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 （流量２０／２０／２０ｓｃｃｍ）からなるエッチングガスを使用した１ステップのプラズマエッチング等により、タングステン層及びバリアメタル層のエッチングが行われている。
【０００６】
しかしながら、かかる従来の方法では、タングステンと、ポリシリコンとの選択比（タングステンのエッチングレート／ポリシリコンのエッチングレート）が、略１程度であり、かかる選択比を高めることができないという問題がある。
【０００７】
このため、タングステン層及びバリアメタル層を完全に除去するために、下地層であるポリシリコン層が露出し始めた後もある程度の時間エッチングを続行すると、図５（ｂ）に示すように、ポリシリコン層２０３の表面もエッチングされてしまい、同図に示す膜厚Ｔの分だけ、ポリシリコン層２０３の膜厚が減少してしまうという問題が生じる。
【０００８】
上記の問題は、特に、形成されるパターンの形状が、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有する場合に大きな問題となる。
【０００９】
すなわち、パターンが、密に配置された（パターン開孔径：パターン開孔間距離＝１：０．８〜１：１）部分と、疎に配置された（パターン開孔径：パターン開孔間距離＝１：１０〜１：１００００）部分とによって、タングステンのエッチングレートに相違が生じるため、結果として、下地のポリシリコン層が露出するタイミングにずれが生じ、ポリシリコン層が早く露出した部分では、ポリシリコン層のエッチング量が多くなり、その膜厚の減少量が増大してしまうからである。
【００１０】
例えば、かかるポリシリコン層のエッチング量を測定する実験を行ったところ、最もエッチングレートの低いウエハの中央部のパターンが密に配置された部分で完全にポリシリコン層が露出するまでエッチングを行うと、最もエッチングレートが高いウエハの周縁部のパターンが疎に配置された部分では、ポリシリコン層が３６．７ｎｍエッチングされてしまうという実験結果が得られた。
【００１１】
そして、上記のようにポリシリコン層がエッチングされてしまうと、次の工程であるポリシリコン層のエッチング工程において、ポリシリコン層の膜厚が薄い部分では、早く下層のゲート酸化膜が露出し、このゲート酸化膜がダメージを受けるため、ゲート酸化膜がブレイクする等の現象が生じ、歩留まりの低下や品質の低下を招くという問題があった。
【００１２】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、従来に較べてタングステンとシリコンとの選択比を向上させることができ、良質な半導体装置を安定して製造することのできるドライエッチング方法を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ポリシリコン層の上に形成された窒化タングステンからなるバリアメタル層及びタングステン層を、シリコン窒化膜からなるマスク層を介してエッチングし、当該バリアメタル層及びタングステン層を所定のパターンにパターニングするドライエッチング方法であって、
Ｎ2 ガスとＯ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含むエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、前記バリアメタル層及びタングステン層をエッチングすることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１記載のドライエッチング方法において、前記プラズマエッチングが、平行平板型のプラズマエッチング装置によって行われることを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は２項記載のドライエッチング方法において、前記所定のパターンは、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明は、ポリシリコン層の上に形成された窒化タングステンからなるバリアメタル層及びタングステン層を、シリコン窒化膜からなるマスク層を介してエッチングし、当該バリアメタル層及びタングステン層を所定のパターンにパターニングするドライエッチング方法であって、Ｃｌ2 ガスとＯ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含む第１のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第１の工程と、前記第１の工程の後、前記第１のエッチングガスよりＣｌ 2 ガスの量を減少させた、若しくは、Ｃｌ 2 ガスを除いた第２のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第２の工程とを具備し、前記第１の工程において前記ポリシリコン層が露出し始めた時点で前記第２の工程に切り替えることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４記載のドライエッチング方法において、プラズマ中の所定の波長の光を検出することによって、前記ポリシリコン層が露出し始めた時点を検出することを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５記載のドライエッチング方法において、前記所定の波長が、５７８ｎｍ若しくは５４２ｎｍであることを特徴とする。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項４〜６いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記第１及び第２の工程が、平行平板型のプラズマエッチング装置によって行われることを特徴とする。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項７項記載のドライエッチング方法において、前記平行平板型のプラズマエッチング装置は被処理基板が載置される下部電極に高周波電力を供給可能に構成され、前記第２の工程において前記下部電極に供給される高周波電力は、前記第１の工程において前記下部電極に供給される高周波電力よりも増加されることを特徴とする。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項４〜８いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記所定のパターンは、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有することを特徴とする。
【００２３】
請求項１０の発明は、ポリシリコン層の上に形成されたタングステン層を、シリコン窒化膜からなるマスク層を介してエッチングし、当該タングステン層を所定のパターンにパターニングするドライエッチング方法であって、Ｃｌ2 ガスとＯ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含む第１のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第１の工程と、前記第１の工程の後、Ｎ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含む第２のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第２の工程とを具備し、前記第１の工程において前記ポリシリコン層が露出し始めた時点で前記第２の工程に切り替えることを特徴とする。
【００２４】
請求項１１の発明は、請求項１０記載のドライエッチング方法において、前記ポリシリコン層と前記タングステン層との間に窒化タングステンからなるバリアメタル層が形成され、当該バリアメタル層と前記タングステン層を所定のパターンにパターニングすることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態を説明するため、半導体ウエハ（シリコン基板）の縦断面の一部を拡大して模式的に示すものである。同図（ａ）に示すとおり、シリコン基板１０１の上には、ゲート酸化膜（ＳｉＯ2 ）１０２、ポリシリコン層１０３、窒化タングステン等からなるバリアメタル層１０４、タングステン層１０５が、下側からこの順で形成されており、タングステン層１０５上には、所定のパターンにパターニングされたマスク層１０６が形成されている。なお、各層の膜厚は、例えば、ゲート酸化膜１０２が３．５〜６．５ｎｍ、ポリシリコン層１０３が８０ｎｍ、バリアメタル層１０４が４ｎｍ、タングステン層１０５が３５ｎｍ、マスク層１０６が１５０ｎｍ程度とされる。
【００２８】
上記マスク層１０６は、シリコン窒化膜等から構成されており、図中左側部分に示すように、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、図中右側部分に示すように、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有する形状のパターンとされている。
【００２９】
本実施形態においては、図１（ａ）に示す状態から、エッチングガスとして、Ｎ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、プラズマエッチングにより、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチングする。
【００３０】
そして、図１（ｂ）に示す状態のように、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４が完全に除去され、たポリシリコン層１０３が完全に露出した状態となった時点で、エッチング工程を終了する。
【００３１】
これによって、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のエッチングガスを使用した従来の方法と同様に、パターン形状が良好で、残渣が生じることもなく、エッチングを行うことができ、これに加えて、オーバーエッチング時のタングステンとポリシリコンとの選択比（タングステンのエッチングレート／ポリシリコンのエッチングレート）を高めることができるので、ポリシリコン層１０３をほとんどエッチングせずに、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４を完全に除去することができる。
【００３２】
図２は、本発明の他の実施形態を示すもので、同図に示す実施形態においては、前述した実施の形態と同様な構造に形成された半導体ウエハ（シリコン基板）に対して、まず、図２（ａ）に示す状態から、エッチングガスとしてＣｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、プラズマエッチングにより、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチング（メインエッチング）する。
【００３３】
そして、図２（ｂ）に示す状態のように、半導体ウエハ面内の一部で、下層のポリシリコン層１０３が露出し始めた時点で、エッチングガスを、Ｃｌ2 を除いたＯ2 ＋ＮＦ3 のガスとするか、若しくは、Ｏ2 ＋ＮＦ3 に微量のＣｌ2 を添加したガスであって上述した工程よりもＣｌ2 の添加量を減少させたガスとして、エッチング（オーバエッチング）を行う。そして、図２（ｃ）に示すように、半導体ウエハ面内のポリシリコン層１０３が完全に露出した状態となった時点で、エッチング工程を終了する。
【００３４】
なお、上記エッチング工程の切替えは、プラズマを生起したまま、ガスのみを切替えて行っても、プラズマを一旦消してガスを切り換えてから、再度プラズマを生起させて行っても良い。
【００３５】
また、上記のエッチング工程切替えのためのエッチング状態の検出は、プラズマの発光スペクトルを検出することによって行う。すなわち、例えば、図３に示すように、プラズマ光の中の特定波長の光（図３に示す例では５４２ｎｍ）の時間変化を測定することにより、エッチング状態を検出し、図３に示すようにかかる波長の光の強度が低下し始めた時点Ｐ１でエッチング工程を切替え、光の強度が低下し終えて略一定となった時点Ｐ２でエッチング工程を終了する。なお、上記の波長としては、５４２ｎｍの他、５７８ｎｍ等も使用することができる。
【００３６】
上記の実施形態によれば、メインエッチングは、従来方法と同様にエッチングが行われ、オーバーエッチング時のみ、タングステンとポリシリコンとの選択比（タングステンのエッチングレート／ポリシリコンのエッチングレート）を高めることができるので、ポリシリコン層１０３をほとんどエッチングせずに、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４を完全に除去することができる。
【００３７】
次に、参考例について説明する。この実施形態においては、前述した図１（ａ）に示されるようなシリコン基板１０１において、シリコン層１０３上に、直接タングステン層１０５が形成され、タングステン層１０５上に所定のパターンにパターニングされたマスク層１０６が形成され、このタングステン層１０５をエッチングする場合の参考例である。
【００３８】
なお、図１に示した場合と同様に、シリコン層１０３と、タングステン層１０５との間に、窒化タングステン等のバリアメタル層１０４があってもよい。
【００３９】
また、シリコン層１０３は、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコンのいずれでもよい。
【００４０】
そして、この参考例では、図１（ａ）に示すような状態から、エッチングガスとして、Ｎ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、プラズマエッチングにより、タングステン層１０５（若しくは窒化タングステン等のバリアメタル層１０４とタングステン層１０５）をエッチングし、図１（ｂ）に示す状態のように、タングステン層１０５が完全に除去され、シリコン層１０３が完全に露出した状態となった時点で、エッチング工程を終了する。
【００４１】
これによって、パターン形状が良好で、残渣が生じることもなく、エッチングを行うことができ、これに加えて、オーバーエッチング時のタングステンとシリコンとの選択比（タングステンのエッチングレート／シリコンのエッチングレート）を高めることができるので、シリコン層１０３をほとんどエッチングせずに、タングステン層１０５を完全に除去することができる。また、この実施形態の場合、タングステンエッチング後のシリコン表面は、従来のＣｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のエッチングガスを使用した場合に比べてかなり滑らかにすることができる。
【００４２】
次にまた、本発明の他の実施形態について説明する。この実施形態では、上記のＮ2＋ＮＦ3 のガスを使用した参考例において、前述した図２に示した２段階のエッチングのように、比較的エッチングレートが高いＣｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスで途中までエッチングし、図２（ｂ）に示すように半導体ウエハ面内の一部で、下層のポリシリコン層１０３が露出し始めた時点で比較的エッチングレートが低いものの高選択比が得られるＮ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用したエッチングを行うものである。この実施形態では、上記の参考例の効果に加えて、エッチングを速く行うことができるという効果が得られる。
【００４３】
図４は、本発明の実施形態に使用するプラズマ処理装置の構成の一例を模式的に示すものである。同図に示すように、プラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００４４】
このエッチング処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、ウエハＷ（シリコン基板１０１）を載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００４５】
サセプタ支持台４の内部には、温度調節媒体室７が設けられており、導入管８を介して温度調節媒体室７に温度調節媒体が導入、循環され、サセプタ５を所望の温度に制御できるようになっている。
【００４６】
サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在された構成となっており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、クーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００４７】
そして、絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５とウエハＷとの間の熱伝達がなされ、ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００４８】
サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はセラミックス或いは石英などの絶縁性材料からなり、エッチングの均一性を向上させるようになっている。
【００４９】
また、サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２３を有する例えば石英からなる電極板２４と、この電極２４を支持する導電性材料例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体２５とによって構成されている。なお、サセプタ５と上部電極２１との間隔は、調節可能とされている。
【００５０】
上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続され、この処理ガス供給源３０から、プラズマエッチングのためのエッチングガスが供給されるようになっている。なお、図４には、上記の処理ガス供給源３０等からなる処理ガス供給系を１つのみ図示しているが、これらの処理ガス供給系は複数設けられており、例えば、Ｎ2 、Ｃｌ2 、Ｏ2 、ＮＦ3 等のガスを夫々独立に流量制御して、チャンバー２内に供給できるよう構成されている。
【００５１】
一方、チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００５２】
上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、従来より低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この第１の高周波電源４０の周波数は、５０〜８０ＭＨｚが好ましく、典型的には図示した６０ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００５３】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は数百〜十数ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は、典型的には図示した１３．５６ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００５４】
次に、上記構成のプラズマ処理装置１によって、ウエハＷ（シリコン基板１０１）に形成されたタングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチングする工程について説明する。
【００５５】
まず、前述した図１（ａ）の状態とされたウエハＷ（シリコン基板１０１）を、ゲートバルブ３２を開放して、図示しないロードロック室からチャンバー２内へ搬入し、静電チャック１１上に載置する。そして、高圧直流電源１３から直流電圧を印加することによって、ウエハＷを静電チャック１１上に静電吸着する。
【００５６】
次いで、ゲートバルブ３２を閉じ、排気機構３５によって、チャンバー２内を所定の真空度まで真空引した後、バルブ２８を開放し、処理ガス供給源３０からＮ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 等の所定のエッチングガスを、マスフローコントローラ２９によってその流量を調整しつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６、上部電極２１の中空部、電極板２４の吐出孔２３を通じて、図４の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出させる。これとともに、チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持され、第１の高周波電源４０及び第２の高周波電源５０から、上部電極２１及び下部電極としてのサセプタ５に高周波電圧を印加し、エッチングガスをプラズマ化して、ウエハＷのタングステン層１０５及びバリアメタル層１０４のエッチングを行う。
【００５７】
また、エッチングの終点は、図示しない終点検出器によって、上記プラズマの所定波長の発光強度を測定することによって、検出し、前述したようにエッチングの切替えも、かかる検出結果に基づいて行う。
【００５８】
上述の装置を用いて、図１に示した工程、つまり、エッチングガスとして、Ｎ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチングした結果、タングステンのエッチングレートが１７０ｎｍ／分、ポリシリコンのエッチングレートが３３ｎｍ／分、選択比が５．１であり、エッチング終了時のポリシリコン層の減少量は、６ｎｍ以下であった。また、マスク層の窒化シリコンのエッチングレートが３４ｎｍ／分、エッチング終了時の窒化シリコン層の減少量は１２．２ｎｍであった。なお、エッチング条件は、
【００５９】
Ｎ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 ガス流量：２０／２０／２０ｓｃｃｍ、
圧力：０．６７Ｐａ
上部電極印加高周波電力：５００Ｗ
下部電極印加高周波電力：１００Ｗ
電極間距離：１５０ｍｍ
温調用ヘリウムガス圧力：２６６０Ｐａ
サセプタ温度：６０℃
である。一方、比較のために、従来の方法、つまりエッチングガスとして、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、タングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチングした結果、タングステンのエッチングレートが３０６ｎｍ／分、ポリシリコンのエッチングレートが３１０ｎｍ／分、選択比が１．０であり、エッチング終了時のポリシリコン層の減少量は、３６．７ｎｍ以下であった。また、マスク層の窒化シリコンのエッチングレートが１６４ｎｍ／分、エッチング終了時の窒化シリコン層の減少量は３６．９ｎｍであった。なお、エッチング条件は、
【００６０】
Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 ガス流量：２０／２０／２０ｓｃｃｍ、
圧力：０．６７Ｐａ
上部電極印加高周波電力：５００Ｗ
下部電極印加高周波電力：１５０Ｗ
電極間距離：１５０ｍｍ
温調用ヘリウムガス圧力：３９９Ｐａ
サセプタ温度：９０℃
である。
【００６１】
以上のとおり、上記実施例によれば、従来方法に比べて、選択比を約５倍、ポリシリコン層の減少量を１／６以下、マスク層の窒化シリコン層の減少量を約１／３とすることができた。したがって、ポリシリコン層をエッチングする際に、下層のゲート酸化膜（ＳｉＯ2 ）がタメージを受けることを抑制することができ、ゲート酸化膜のブレークの発生を抑制することができる。なお、上記実施例において、従来方法に比べてサセプタ温度を低下させ、温調用ヘリウムガス圧力を高くしたのは、エッチング中の半導体ウエハの温度を低下させて、サイドエッチング量を減少させるためであり、かかる温度制御を行うことによって、良好な形状にエッチングを行うことができた。
【００６２】
また、図４に示した装置によって、図２に示した工程、つまり、第１の工程のエッチングガスとして、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、第２の工程のエッチングガスとして、Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用して、２ステップによるタングステン層１０５及びバリアメタル層１０４をエッチングした結果、Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用した２ステップ目におけるタングステンのエッチングレートが２８１ｎｍ／分、ポリシリコンのエッチングレートが９８ｎｍ／分、選択比が２．９であり、エッチング終了時のポリシリコン層の減少量は６ｎｍ以下であった。この２ステップ目のエッチングでは、Ｃｌ2 の流量比を低下させ、かつＯ2 の流量比を増加させることにより、ポリシリコンのエッチングを抑制し、選択比を向上できた。なお、１ステップ目のエッチング条件は、前記した従来方法と同様であり、２ステップ目のエッチング条件は、
【００６３】
Ｏ2 ＋ＮＦ3 ガス流量：２０／２０ｓｃｃｍ、
圧力：０．６７Ｐａ
上部電極印加高周波電力：５００Ｗ
下部電極印加高周波電力：１５０Ｗ
電極間距離：１５０ｍｍ
温調用ヘリウムガス圧力：３９９Ｐａ
サセプタ温度：９０℃
である。
【００６４】
以上のとおり、図２に示した工程による実施例においても、従来に比べて選択比を向上させることができ、ポリシリコン層の減少量を従来に比べて抑制することができた。
【００６５】
また、エッチング後のウエハを、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、残渣が僅かに生じることがあったが、この場合は、２ステップ目のエッチング時間を長くすることにより低減し、無くすことができた。マスク層の減少量を大きくしないため２ステップ目のエッチング時間は３０秒以下が好ましい。また、上記２ステップ目のエッチングガスに、５ｓｃｃｍ程度の僅かなＣｌ2 ガスを添加することによっても、かかる残渣の発生を防止することができた。Ｃｌ2 ガスの添加量は、選択比を低下させないため、Ｏ2 ガスとＮＦ3 ガスとの合計のガス流量に対して１２．５％以下が好ましい。
【００６６】
さらにまた、上記実施例においては、タングステン層の裾部分が僅かにテーパ状になる所謂裾引きが見られたが、かかる裾引きは、下部電極印加高周波電力を３００Ｗに増やすことによって、防止することができた。
【００６７】
したがって、上述した２ステップ目のエッチングにおいては、５ｓｃｃｍ程度の僅かなＣｌ2 ガスを添加し、また、下部電極印加高周波電力を３００Ｗ程度に増やすことが好ましい。
【００６８】
また、図４に示した装置によって、エッチングガスとして、Ｎ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用し、タングステン層１０５をエッチングした。なお、エッチング条件は、
【００６９】
Ｎ2 ＋ＮＦ3 ガス流量：１００／２０ｓｃｃｍ、
圧力：１．３３Ｐａ
上部電極印加高周波電力：３００Ｗ
下部電極印加高周波電力：３００Ｗ
電極間距離：１５０ｍｍ
温調用ヘリウムガス圧力：４００Ｐａ
サセプタ温度：６０℃
である。
【００７０】
Ｎ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用した工程による実施例においても、Ｃｌ2 ＋Ｏ2 ＋ＮＦ3 のガスを使用した工程に比べて選択比を向上させることができることが確認できた。
【００７１】
なお、上記の例では、平行平板型のエッチング装置を使用した実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、下部電極に高周波電力を印加し、プラズマ生成空間に磁界を形成してプラズマ化を促進するエッチング装置等あらゆるプラズマエッチング装置を使用できることは、勿論である。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のドライエッチング方法によれば、タングステンとシリコンとの選択比を向上させることができ、良質な半導体装置を安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明するためのウエハ断面の構成を模式的に示す図。
【図２】本発明の他の実施形態を説明するためのウエハ断面の構成を模式的に示す。
【図３】本発明の実施形態における終点検出の例を説明するための図。
【図４】本発明の実施形態に使用する装置の構成の例を示す図。
【図５】従来の技術を説明するためのウエハ断面の構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
１０１……シリコン基板、１０２……ゲート酸化膜、１０３……ポリシリコン層、１０４……バリアメタル層、１０５……タングステン層、１０６……マスク層。
Claims (11)
- ポリシリコン層の上に形成された窒化タングステンからなるバリアメタル層及びタングステン層を、シリコン窒化膜からなるマスク層を介してエッチングし、当該バリアメタル層及びタングステン層を所定のパターンにパターニングするドライエッチング方法であって、
Ｎ2 ガスとＯ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含むエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、前記バリアメタル層及びタングステン層をエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。 - 請求項１記載のドライエッチング方法において、
前記プラズマエッチングが、平行平板型のプラズマエッチング装置によって行われることを特徴とするドライエッチング方法。 - 請求項１又は２項記載のドライエッチング方法において、
前記所定のパターンは、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有することを特徴とするドライエッチング方法。 - ポリシリコン層の上に形成された窒化タングステンからなるバリアメタル層及びタングステン層を、シリコン窒化膜からなるマスク層を介してエッチングし、当該バリアメタル層及びタングステン層を所定のパターンにパターニングするドライエッチング方法であって、
Ｃｌ2 ガスとＯ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含む第１のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第１の工程と、
前記第１の工程の後、前記第１のエッチングガスよりＣｌ2 ガスの量を減少させた、若しくは、Ｃｌ2 ガスを除いた第２のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第２の工程と
を具備し、前記第１の工程において前記ポリシリコン層が露出し始めた時点で前記第２の工程に切り替えることを特徴とするドライエッチング方法。 - 請求項４記載のドライエッチング方法において、
プラズマ中の所定の波長の光を検出することによって、前記ポリシリコン層が露出し始めた時点を検出することを特徴とするドライエッチング方法。 - 請求項５記載のドライエッチング方法において、
前記所定の波長が、５７８ｎｍ若しくは５４２ｎｍであることを特徴とするドライエッチング方法。 - 請求項４〜６いずれか１項記載のドライエッチング方法において、
前記第１及び第２の工程が、平行平板型のプラズマエッチング装置によって行われることを特徴とするドライエッチング方法。 - 請求項７項記載のドライエッチング方法において、
前記平行平板型のプラズマエッチング装置は被処理基板が載置される下部電極に高周波電力を供給可能に構成され、前記第２の工程において前記下部電極に供給される高周波電力は、前記第１の工程において前記下部電極に供給される高周波電力よりも増加されることを特徴とするドライエッチング方法。 - 請求項４〜８いずれか１項記載のドライエッチング方法において、
前記所定のパターンは、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有することを特徴とするドライエッチング方法。 - ポリシリコン層の上に形成されたタングステン層を、シリコン窒化膜からなるマスク層を介してエッチングし、当該タングステン層を所定のパターンにパターニングするドライエッチング方法であって、
Ｃｌ2 ガスとＯ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含む第１のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第１の工程と、
前記第１の工程の後、Ｎ2 ガスとＮＦ3 ガスとを含む第２のエッチングガスを用いたプラズマエッチングを行う第２の工程と
を具備し、前記第１の工程において前記ポリシリコン層が露出し始めた時点で前記第２の工程に切り替えることを特徴とするドライエッチング方法。 - 請求項１０記載のドライエッチング方法において、
前記ポリシリコン層と前記タングステン層との間に窒化タングステンからなるバリアメタル層が形成され、当該バリアメタル層と前記タングステン層を所定のパターンにパターニングすることを特徴とするドライエッチング方法。
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