(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に窒化チタンとタングステンを順に形成する工程と、
前記タングステンと前記窒化チタンに対して、変調周期が１０〜５００μｓｅｃの時間変調された高周波励起プラズマによるエッチングを行い、ゲート電極を形成する工程とを含み、
前記ゲート電極を形成する工程において、前記タングステンのエッチングを行い前記窒化チタンを露出させた後、エッチングガスを切り替えて前記窒化チタンをエッチングし、
前記タングステンのエッチングに用いられるガスはＳＦ6 、ＮＦ3 、ＣＦ4 、ＣＨＦ3、Ｃ2Ｆ6 、Ｃ3 Ｆ8 、Ｃ4 Ｆ8の内少なくともいずれか１種を含み、
前記窒化チタンのエッチングに用いられるガスはＢＣｌ3 、Ｃｌ2 、ＨＣｌ、ＨＢｒの内少なくともいずれか１種を含み、
前記窒化チタンと前記ゲート絶縁膜との選択比が１００程度あり、
前記ゲート電極の幅は０．１５μｍ以下であり、
前記ゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚が４ｎｍ以下であることを特徴とする、ゲート電極の形成方法。
【請求項２】
前記窒化チタンにかえて、窒化タングステンを用いることを特徴とする、請求項１記載のゲート電極の形成方法。
【請求項３】
前記高周波励起プラズマが誘導結合型プラズマである請求項１記載のゲート電極の形成方法。
【請求項４】
前記時間変調された誘導結合型プラズマにおいて、変調におけるオンオフ周期に対するオン時間の割合が１０％〜８０％である請求項３記載のゲート電極の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明は、ドライエッチング方法を用いたゲート電極の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体集積回路のゲート電極材料として、多結晶シリコンが用いられていた。しかしながら、近年の半導体回路の高性能化、高速化のためにゲート電極の低抵抗化が求められている。特に、０．１５μmルール以下の世代では、多結晶シリコンと金属膜（例えばタングステン）の積層膜をゲート電極の材料として用いるポリメタルゲート電極、またはさらに微細なルールにおいては金属膜をゲート電極の材料として用いるメタルゲート電極の採用が提案されている。
【０００３】
メタルゲート電極の材料として広く検討されているものの一つがタングステンである。タングステンはシリコン半導体において配線材料やタングステンポリサイドといった形で利用されており、シリコンプロセスには整合性の良い材料である。
【０００４】
以下、図面を参照しながら、メタルゲート電極の構造とドライエッチング方法によるゲート電極形成方法について説明する。図８はメタルゲート電極形成時の工程断面図である。まず半導体基板１上にゲート絶縁膜２を形成し、ゲート絶縁膜２上にメタルゲート材料としてタングステンを形成するが、タングステンを直接絶縁膜２上に形成するとはがれやすいという問題がある。このためゲート絶縁膜２とタングステンの間に密着層３を形成する。密着層３としては例えば窒化チタンや窒化タングステンが用いられている。
【０００５】
上記のようにゲート絶縁膜２として例えば４ｎｍ以下のシリコン酸化膜を形成し、１０ｎｍの密着層３を形成する。さらに１００ｎｍのタングステン４を形成し、シリコン窒化膜５を形成する。次に図８（ａ）に示すようにリソグラフィーによってレジストパターン６を形成する。
【０００６】
次に、図８（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜５をエッチングする。
【０００７】
次に、図８（ｃ）に示すように、フォトレジスト６を除去した後、シリコン窒化膜５をマスクとして、タングステン膜４のドライエッチングを行なった。ここで、タングステンのエッチングは誘導結合型プラズマ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ、以下ＩＣＰ）を用いたドライエッチング装置で行なった。
【０００８】
タングステンのエッチングガスとしてはＳＦ6 のようなフッ素系ガスあるいはＣｌ2 のような塩素系ガスが一般的に用いられている。次に上記２種類のエッチングガス及び上記窒化チタン、窒化タングステンの２種類の密着層３を用いた際の、ゲート電極エッチングに関する課題について説明する。
【０００９】
密着層３が窒化タングステンでＣｌ2 ガスを用いた場合、次のような課題が存在する。すなわち、例えば下記エッチング条件でエッチングしたとする。
【００１０】
電極温度          ：１０℃
Ｃｌ2 ガス流量    ：２５ｓｃｃｍ
Ｏ2 ガス流量      ：２５ｓｃｃｍ
圧力              ：１Ｐａ
ＩＣＰ電力        ：５００Ｗ
バイアス電力      ：５０Ｗ
この条件下では、タングステン膜４および窒化タングステン３のエッチング速度はほぼ同一であり、下地ゲート酸化膜２との選択比は１０程度と低い。このため、図８（ｄ）に示すようにゲート酸化膜２に破れ８２が生じ、さらに下地シリコン基板１までもエッチングしてしまう。
【００１１】
次に密着層３が窒化タングステンでＳＦ6 ガスを用いた場合には、次のような課題が存在する。すなわち、例えば下記エッチング条件でエッチングしたとする。
【００１２】
電極温度          ：１０℃
ＳＦ6 ガス流量    ：５０ｓｃｃｍ
圧力              ：１Ｐａ
ＩＣＰ電力        ：５００Ｗ
バイアス電力    ：２５Ｗ
この条件下においても、密着層３が窒化タングステンでＣｌ2 ガスを用いた場合と同様に、タングステン膜４および窒化タングステン３のエッチング速度はほぼ同一であり、下地ゲート酸化膜２との選択比は１０程度と低い。このため、図８（ｄ）に示すようにゲート酸化膜２に破れ８２が生じさらに下地シリコン基板１までもエッチングしてしまう。
【００１３】
次に密着層３が窒化チタンでＣｌ2 ガスを用いた場合、次のような課題が存在する。すなわち、例えば下記エッチング条件でエッチングしたとする。
【００１４】
電極温度          ：１０℃
Ｃｌ2 ガス流量    ：２５ｓｃｃｍ
Ｏ2 ガス流量      ：２５ｓｃｃｍ
圧力              ：１Ｐａ
ＩＣＰ電力        ：５００Ｗ
バイアス電力      ：５０Ｗ
この条件下においては、タングステン４のエッチング速度は５０ｎｍ／ｍｉｎであり、窒化チタン３のエッチング速度は２５ｎｍ／ｍｉｎであるため、図８（ｅ）に示すように窒化チタン３にすそ引きが生じてしまう。また下地ゲート酸化膜２との選択比は１０程度と低い。このため、図８（ｅ）に示すようにゲート酸化膜２に破れ８２が生じさらに下地シリコン基板１までもエッチングしてしまう。
【００１５】
さらに密着層３が窒化チタンでＳＦ6 ガスを用いた場合、次のような課題が存在する。この場合Ｃｌ2 ガスを用いた場合に発生したすそ引きを防止するために、まずタングステンのみをＳＦ6 ガスによりエッチングし、窒化チタンを露出させ、次にＣｌ2 ガスを用いて窒化チタンをエッチングする方法をとる。タングステンのエッチング条件は次の通りである。
【００１６】
電極温度          ：１０℃
ＳＦ6 ガス流量    ：５０ｓｃｃｍ
圧力              ：１Ｐａ
ＩＣＰ電力        ：５００Ｗ
バイアス電力      ：２５Ｗ
この時のタングステン膜４のエッチング速度は、５０ｎｍ／ｍｉｎであり、下地窒化チタン３のエッチング速度は３０ｎｍ／ｍｉｎである。すなわち、対窒化チタン選択比（タングステンのエッチング速度／窒化チタンのエッチング速度）は１．７である。続けて次のエッチング条件で窒化チタン３をドライエッチングにより除去する。
【００１７】
電極温度          ：１０℃
Ｃｌ2 ガス流量  ：２５ｓｃｃｍ
Ｏ2 ガス流量    ：２５ｓｃｃｍ
圧力              ：１Ｐａ
ＩＣＰ電力        ：５００Ｗ
Ｂｉａｓ電力      ：５０Ｗ
この時の窒化チタンのエッチング速度は、１００ｎｍ／ｍｉｎであり、下地ゲート酸化膜のエッチング速度は５ｎｍ／ｍｉｎである。すなわち、対酸化膜選択比（窒化チタンのエッチング速度／ゲート酸化膜のエッチング速度）は２０である。
【００１８】
しかしながらこの場合、ＳＦ6 ガスを用いたタングステン４のエッチングにおいて対窒化チタン選択比は、１．７しかなく、タングステン４がエッチングされ窒化チタン３が露出した際には、図８（ｃ）に示すように、窒化チタン３の一部が欠損（窒化チタン破れ）８１した状態になることがある。そして、窒化チタン３のエッチングが行なわれた場合、ゲート酸化膜厚Ｔｏｘは４ｎｍ以下と非常に薄く、しかも窒化チタンエッチング中の対酸化膜選択比は２０程度であるために、窒化チタンエッチング中のゲート酸化膜破れ８２（図８（ｄ））が発生してしまう。このようにタングステンエッチング時に窒化チタン３に対して高い選択比が得られない原因は次の通りである。
【００１９】
タングステン４のドライエッチングにおいて、エッチングガスとして主にＳＦ6 を用いている。ＳＦ6 は、プラズマ中で電子衝突により、次のような多段階の解離をし、
ＳＦ6 ＋  ｅ- →ＳＦ5 -＋Ｆ
ＳＦ5 -＋  ｅ- →ＳＦ4 2-＋Ｆ
ＳＦ4 2-＋  ｅ- →ＳＦ3 3-＋Ｆ
・    ・    ・    ・    ・
多量のフッ素ラジカルを放出する。このＦ（フッ素）ラジカルがタングステン表面に付着し、ＳＦｘイオンのイオン支援によりタングステン４と反応し、
Ｗ  ＋  ６Ｆ  →ＷＦ6 
というようにエッチングが進行する。
【００２０】
一方、ＴｉＮはＦラジカルとは化学的に容易に反応し、
ＴｉＮ  ＋  ４Ｆ  →  ＴｉＦ4 
となる。Ｆラジカルがプラズマ中に多量に存在する状態では、タングステン４、窒化チタン３との反応が進行するため、選択比（タングステンのエッチング速度／窒化チタンのエッチング速度）を確保するのが非常に困難である。
【００２１】
上記のような問題は例えばゲート酸化膜２が５〜１０ｎｍ程度と厚い場合には問題にはならず、実際Ｃｌ2 ガスを用いたゲート電極の加工例が報告されている（例えば、H.Noda et al., Jpn.J.Appl.Phys. Vol.35(1996) pp.807-811 ）。しかし、実施にメタルゲートが適用される世代では、ゲート酸化膜２は３〜４ｎｍ以下と非常に薄くなるため、上記のような酸化膜破れ８２のような問題を生じる。
【００２２】
このようにタングステン４を用いたメタルゲートのエッチングは下地との選択比が低いために非常に困難であり、特にゲート絶縁膜２が薄膜化された際に実用上有効なエッチング手段は見出されていない。そのため、エッチングによらずにメタルゲートを形成する方法（例えばダマシンゲート形成方法、応用物理学会分科会シリコンテクノロジーNo.10(1999) もしくは日経マイクロデバイス７月号(1999)、pp46-51 ）が開発されるまでに至っている。しかしこの方法は工程が複雑であり実用上有効な手法ではない。
【００２３】
さてエッチング時の下地との選択比を向上させる方法として、プラズマに印加する高周波電力を時間変調したパルスプラズマを用いる方法がある。
【００２４】
例えば特開平６−２６７９００号公報には電子サイクロトロン共鳴プラズマを１０ｋＨｚ以上の周波数でパルス変調する方法が開示されている。このパルスプラズマをポリシリコンを用いたゲート電極形成に適用し、ポリシリコンと下地酸化膜との選択比を向上させている。また特開平１１−２６４３３号公報では誘導結合式プラズマにおいてパルス変調を行い、ＢＰＳＧとポリシリコンの選択比を向上させる方法が開示されている。これらはいずれも、酸化膜やポリシリコンといったシリコン系材料へのパルスプラズマの適用例であり、メタルゲートへの適用例ではない。
【００２５】
さらに高融点金属へのパルスプラズマの適用例としては特開平９−２６０３５９号公報に示されている。これはパルス励起されたプラズマにより高融点金属をエッチングしようというものであるが、開示されている高融点金属としてはＮｂ、Ｔａ、Ｍｏであり、タングステンに関する開示は無い。
【００２６】
したがって、本発明の目的は、密着層の種類やエッチングガス種との組み合わせで生じる上記のような酸化膜破れや密着層のすそ引きなどの問題点に鑑み、エッチング時の選択性が高く、良好な形状が得られるゲート電極の形成方法を提供するものである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のゲート電極の形成方法は、基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に窒化チタンとタングステンを順に形成する工程と、
前記タングステンと前記窒化チタンに対して、変調周期が１０〜５００μｓｅｃの時間変調された高周波励起プラズマによるエッチングを行い、ゲート電極を形成する工程とを含み、
前記ゲート電極を形成する工程において、前記タングステンのエッチングを行い前記窒化チタンを露出させた後、エッチングガスを切り替えて前記窒化チタンをエッチングし、
前記タングステンのエッチングに用いられるガスはＳＦ6 、ＮＦ3 、ＣＦ4 、ＣＨＦ3、Ｃ2Ｆ6 、Ｃ3 Ｆ8 、Ｃ4 Ｆ8の内少なくともいずれか１種を含み、
前記窒化チタンのエッチングに用いられるガスはＢＣｌ3 、Ｃｌ2 、ＨＣｌ、ＨＢｒの内少なくともいずれか１種を含み、
前記窒化チタンと前記ゲート絶縁膜との選択比が１００程度あり、
前記ゲート電極の幅は０．１５μｍ以下であり、
前記ゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚が４ｎｍ以下であることを特徴とするものである。
【００２８】
請求項１記載のゲート電極の形成方法によれば、時間変調された高周波励起プラズマを用いてエッチングすることで、半導体基板上の極薄ゲート絶縁膜上に形成された高融点金属膜を含む積層膜をエッチングしてゲート電極を形成する場合でも、下地との選択比を高め、良好なエッチング形状を得ることができる。
【００３３】
請求項２記載のゲート電極の形成方法は、請求項１において、前記窒化チタンにかえて、窒化タングステンを用いることを特徴とする。
【００３４】
請求項２記載のゲート電極の形成方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００４３】
請求項３記載のゲート電極の形成方法は、請求項１において、前記高周波励起プラズマが誘導結合型プラズマであるものである。
【００４４】
請求項３記載のゲート電極の形成方法によれば、請求項１と同様な効果であるほか、特に高周波励起プラズマとして高密度プラズマを低圧力で発生できる誘導結合プラズマを用いるとより効果的である。
【００４７】
請求項４記載のゲート電極の形成方法は、請求項３において、前記時間変調された誘導結合型プラズマにおいて、変調におけるオンオフ周期に対するオン時間の割合が１０％〜８０％である。
【００４８】
請求項４記載のゲート電極の形成方法によれば、請求項３と同様な効果がある。
【００４９】
ここで以下、時間変調プラズマ（以下パルスプラズマと記す）について説明する。
【００５０】
図７は、パルス変調プラズマを発生させるＩＣＰ型ドライエッチング装置の断面図である。図７において、７０はチャンバ、７１は下部電極、７２は排気口、７３は石英板、７４はバイアス高周波電力を印加する高周波電源（０．４〜１３．７６ＭＨｚ）、７５はＩＣＰコイル、７６はＩＣＰ高周波電源（０．４〜１３．７６ＭＨｚ）、７７はガス導入口、７８は半導体基板、７９はパルス変調回路である。本ＩＣＰエッチング装置において、パルス変調回路７９を用いて、高周波電源７６をＯＮ／ＯＦＦ変調し、ＩＣＰコイル７５に時間変調された高周波電力を印加することによって、パルスプラズマをチャンバー７０内で発生させる。そして、バイアス高周波電源７４より下部電極７１に高周波電力を供給し、下部電極７１上に設置された半導体基板７８に、上記ＩＣＰコイル７５により発生したパルスプラズマ中からイオン、電子を下部電極７１の方向に引き込むとともに、プラズマから等方的にラジカルが供給され、反応性イオンエッチングによって半導体基板7８上のエッチングが進行する。
【００５１】
次にパルスプラズマの効果について説明する。図６に連続高周波（以後ＣＷと記す）電力にＯＮ／ＯＦＦ変調を行なった場合に、プラズマ中の電子密度Ｎｅがどのように変化するかを示した概念図である。図６（ａ）に示す１３．５６ＭＨｚの高周波電力に、図６（ｂ）に示すＯＮ／ＯＦＦ変調を行なうと、図６（ｃ）に示すような波形の高周波電力（以後パルス高周波と記す）が得られる。このパルス高周波を、図７に示したＩＣＰエッチング装置のＩＣＰコイルに印加する。このようなパルス高周波を印加した時、ＯＮ時にはＣＷと同様に、ガス分子の解離及び励起が進行し、電子密度Ｎｅは１×１０12ｃｍ-3程度になる。しかし、ＯＦＦ時には、電子は急激にその運動エネルギーを失い、電子密度Ｎｅは減少する（図６（ｄ））。すなわち、パルス的に高周波電力を印加することにより、ＣＷ放電と比較し、平均的な電子密度を小さくすることが可能となる。
【００５２】
次に、パルス変調が負イオン密度に与える影響について説明する。ＣＷプラズマにおいては、高エネルギー電子が母ガスへ電子衝突することによって正イオン、負イオンが生成される。一方、パルスプラズマ中では、ＯＮ時間中には電子衝突によって正イオン、負イオンが生成されるが、ＯＦＦ時間中では、電子は急速にそのエネルギーを失い、分子もしくは原子に付着して負イオンを生成する。このような負イオンは正イオンよりも反応性が大きい。そして、パルス周期、オンオフ周期に対するオン時間の割合（以下、デューティ比）を制御することによってプラズマ中の負イオン密度を制御するとともに、プラズマから供給されるイオン及びラジカルと半導体基板との反応性を制御することが可能となる。
【００５３】
次に、パルス変調がラジカル密度に与える影響について説明する。一般にプラズマ中では、ガス分子への電子衝突によって母ガスの解離が起こり、イオンやラジカルが生成される。すなわち、イオン、ラジカル量は電子密度に比例すると考えられるから、パルス変調により上記のように平均的な電子密度が減少すると、母ガスより生成するラジカル量自体も減少すると考えられる。
【００５４】
このパルス変調プラズマの効果を、ＳＦ６ガスを例にとって具体的に説明する。
【００５５】
ＳＦ6 ガスは、プラズマ中で電子衝突により、
ＳＦ6 ＋  ｅ- →ＳＦ5 -＋Ｆ
ＳＦ5 -＋  ｅ- →ＳＦ4 2-＋Ｆ
ＳＦ4 2-＋  ｅ- →ＳＦ3 3-＋Ｆ
・    ・    ・    ・    ・
というような多段階の解離が起こり、Ｆラジカルが生成される。ＣＷプラズマを用いた時、上記した解離が進行し、Ｆラジカルが多量に発生する。一方、パルスプラズマを用いた場合、ＯＮ時間中に解離は進行するが、ＯＦＦ時間には解離は進行しない。そこで、上記したような多段階の解離が妨げられ、Ｆラジカルの生成量がＣＷプラズマと比べ抑制される。
【００５６】
次に、Ｃｌ2 ガスを用いたプラズマにパルス変調を適用した場合について説明する。Ｃｌ2 ガスの場合でも、上記したＳＦ6 ガスの場合と同様、電子衝突により、
Ｃｌ2   +e- →  Ｃｌ- ＋Ｃｌ*
というような解離が進行するが、パルス変調を行なうことにより、解離が抑制されＣｌラジカルの生成が妨げられ、プラズマ中のＣｌラジカル密度は、ＣＷ放電の場合と比較して、小さくなるのである。
また、パルス変調を行なった場合、イオンの生成においても、ＳＦ6 の場合と同様にＯＦＦ時間に電子の付着が起こり、ＣＷ放電と比較して負イオンがより多く生成される。
【００５７】
以上の述べたように、ＩＣＰプラズマにおいてパルスプラズマを適用することにより、プラズマ中のラジカル密度およびラジカル組成を制御することが可能なのである。
【００５８】
本発明では、以上述べたパルスプラズマの特徴を用いて、以下に示す構成により、パルスプラズマをメタルゲート電極エッチングに適用し、被エッチング物（例えばタングステン）と下地膜（例えば、ＴｉＮもしくはゲート酸化膜）との選択性を向上させようとするものである。
【００５９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について、図１から図４を参照しながら説明する。
【００６０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるゲート電極を形成する高融点金属膜を含む積層膜として、タングステンと窒化チタンによる密着層で構成されたメタルゲート電極をドライエッチングを用いて形成する方法を示す工程断面図である。図１において、１は半導体基板、２はゲート酸化膜、３は窒化チタン（ＴｉＮ）、４はタングステン（Ｗ）、５はシリコン窒化膜、６はフォトレジストである。
【００６１】
まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１上にゲート酸化膜２を形成し、順次窒化チタン３、タングステン４、シリコン窒化膜５を堆積し、リソグラフィによってレジストパターン６を形成する。
【００６２】
次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜５をエッチングする。
【００６３】
次に、図１（ｃ）に示すように、フォトレジスト６を除去した後、シリコン窒化膜５をマスクとして、パルス変調プラズマを用いて、タングステン膜４のドライエッチングを行なう。
【００６４】
エッチング条件は次の通りである。
電極温度            ：１０℃
ＳＦ6 ガス流量      ：５０ｓｃｃｍ
圧力                ：１Ｐａ
ＩＣＰ電力          ：１０００Ｗ
Ｂｉａｓ電力        ：２５Ｗ
デューティ比        ：５０％
パルス周期          ：５０μｓ
タングステン４のドライエッチングにパルス変調を適用した効果を示すために、図２（ａ）にタングステン４（Ｗを黒丸で示す）、窒化チタン３（ＴｉＮを白丸で示す）のエッチング速度のパルス周期依存性を、図２（ｂ）に選択比（タングステンのエッチング速度／窒化チタンのエッチング速度）のパルス周期依存性を示す。パルス周期以外のエッチング条件は第１の実施の形態の実施例中に上記した通りである。なお図２には平均投入パワー（ピークパワー×デューティ比）を一定とした場合のＣＷプラズマのデータも示している。図２（ａ）からわかるようにＣＷからパルス周期が短くなるにつれてタングステン４のエッチング速度は増加するが、ＴｉＮのエッチング速度は、ＣＷプラズマよりパルスプラズマの方が小さく、パルス周期５０〜５００μｓの間では、エッチング速度はほぼ一定である。その結果、図２（ｂ）に示すように、選択比はＣＷプラズマにおいて２以下であるが、パルスプラズマを用いることにより選択比が６以上に向上する。
【００６５】
これは、パルス変調を行なうことにより、プラズマ中でタングステン４のエッチングに寄与する負イオンが増大するために、ＣＷ放電と比較し、エッチング速度が増大するためである。上記したパルスプラズマをタングステン４のドライエッチングに適用することにより、図１（ｃ）に示すように、窒化チタン３（ＴｉＮ）上でタングステン４のエッチングをストップさせることが可能となる。
【００６６】
次に図１（ｄ）に示すように、エッチングガス並びにエッチング条件を変えたパルス変調プラズマを用いて窒化チタン３のドライエッチングを行なう。
エッチング条件は次の通りである。
電極温度            ：１０℃
Ｃｌ2 ガス流量      ：２５ｓｃｃｍ
Ｏ2 ガス流量        ：２５ｓｃｃｍ
圧力                ：１Ｐａ
ＩＣＰ電力          ：１０００Ｗ
Ｂｉａｓ電力        ：５０Ｗ
デューティ比        ：５０％
パルス周期          ：５０μｓ
図３に窒化チタン３のドライエッチング時の選択比（窒化チタンのエッチング速度／ゲート酸化膜２のエッチング速度）のパルス周期依存性を示す。パルス周期以外のエッチング条件は上記した通りである。なお図３には平均投入パワー（ピークパワー×デューティ比）を一定とした場合のＣＷプラズマのデータも示している。図３からわかるように、ＣＷ時では、選択比は２０程度であるが、パルス変調により選択比は増大し、パルス周期が短くなるにつれ選択比は向上していき、パルス周期５０μｓで選択比１００まで向上することがわかった。
【００６７】
これは、パルス変調により塩素ラジカルの生成が抑制されたことによるゲート酸化膜のエッチング阻害および負イオン生成による窒化チタンエッチ反応の促進がなされたためと考えられる。つまり、Ｃｌ2 ガスを用いたパルス変調プラズマでは、窒化チタンのエッチング速度が増大し、ゲート酸化膜のエッチング速度が低下する。そのため、パルスプラズマを用いることにより、選択比（窒化チタンのエッチング速度／ゲート酸化膜のエッチング速度）の増大が図られるのである。
【００６８】
このようにゲート酸化膜２との選択比が１００程度まで向上すると、窒化チタン３のエッチング時には下地酸化膜と十分な選択比を確保することができ、図１（ｄ）に示すように酸化膜破れのないメタルゲート電極を形成することができる。
【００６９】
なお、本実施の形態では、エッチングガスとしてＳＦ6 、Ｃｌ2 を用いたが、ＳＦ6 に代えてフッ素を含むガスとしてＮＦ3 、ＣＦ4 、ＣＨＦ3 、Ｃ2 Ｆ6 、Ｃ3 Ｆ8 、Ｃ4 Ｆ8 のうち少なくとも一種以上のガスを用いることで、またＣｌ2 に代えて塩素を含むガスあるいはハロゲンを含むガスとしてＢＣｌ3 、Ｃｌ2 、ＨＣｌ、ＨＢｒのうち少なくとも一種以上のガスを用いることで同様の効果が得られる。
【００７０】
（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態におけるタングステンと窒化タングステンによる密着層で構成されたメタルゲート電極をドライエッチングを用いて形成する方法を示す工程断面図である。図４において、１は半導体基板、２はゲート酸化膜、７は窒化タングステン（ＷＮｘ）、４はタングステン（Ｗ）、５はシリコン窒化膜、６はフォトレジストである。
【００７１】
まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１上にゲート酸化膜２を形成し、順次窒化タングステン７、タングステン４、シリコン窒化膜５を堆積し、リソグラフィによってレジストパターン６を形成する。
【００７２】
次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜５をエッチングする。
【００７３】
次に、図４（ｃ）に示すように、フォトレジスト６を除去した後、シリコン窒化膜５をマスクとして、パルス変調プラズマを用いて、タングステン膜４、窒化タングステン膜７のドライエッチングを行なう。
【００７４】
エッチング条件は次の通りである。
電極温度            ：７０℃
Ｃｌ2 ガス流量      ：２５ｓｃｃｍ
Ｏ2 ガス流量        ：２５ｓｃｃｍ
圧力                ：１Ｐａ
ＩＣＰ電力          ：１０００Ｗ
Ｂｉａｓ電力        ：２００Ｗ
デューティ比        ：５０％
パルス周期          ：５０μｓ
図５に窒化タングステン７のドライエッチング時の選択比（タングステンのエッチング速度／窒化タングステンのエッチング速度）のパルス周期依存性を示す。パルス周期以外のエッチング条件は上記した通りである。なお図５は平均投入パワー（ピークパワー×デューティ比）を一定とした場合のＣＷプラズマのデータも示している。図５からわかるように、ＣＷ時では、選択比は１０程度であるが、パルス変調により選択比は増大し、パルス周期が短くなるにつれ選択比は向上していき、パルス周期５０μｓで選択比１００まで向上することがわかった。
【００７５】
これは、パルス変調を行なうことにより、プラズマ中でタングステン４のエッチングに寄与する負イオンＣｌ- が増大するために、ＣＷ放電と比較し、エッチング速度が増大した結果、タングステンとゲート酸化膜との選択比が向上するのである。上記したパルスプラズマをタングステンのドライエッチングに適用することにより、ゲート酸化膜との選択比が１００まで向上し、図４（ｃ）に示すように、ゲート酸化膜２上でタングステン４および窒化タングステン７のエッチングをストップさせることが可能となる。
【００７６】
なお窒化タングステンに代えて密着層にタンタルあるいは窒化タンタルを用いても同様の効果が得られる。
【００７７】
なお、本実施の形態では、エッチングガスとしてＣｌ2 を用いたが、塩素を含むガスあるいはハロゲンを含むガスとしてＢＣｌ3 、Ｃｌ2 、ＨＣｌ、ＨＢｒのうち少なくとも一種以上のガスを用いることで同様の効果が得られる。
【００７８】
また、第１の実施の形態及び第２の実施の形態ではパルス変調として、パルス周期５０μｓ、デューティ比５０％を用いたが、パルス周期は１０μｓから５００μｓの間にあればよい。これはプラズマのオン／オフのために約５μｓｅｃが必要なためである。また、デューティ比は１０％から８０％にあれば、ＣＷ放電と比較し、パルス変調プラズマにおける上記したような選択比向上効果が得られる。例えば、パルス周期が一定でデューティ比のオン時間を短くすることで、過剰な解離は抑制できると考えられる。例えば図２においてデューティ比は全て５０％であるが周期を短くすることでオン時間はそれぞれ２５ｍｓ、５０ｍｓ、２５０ｍｓとなる。一方デューティ比をあまり小さくすることは高周波電源およびプラズマの応答性から考えて安定して用いるために限度があると考えられ、上記のデューティ比１０％から８０％が好ましい。
【００７９】
またゲート絶縁膜はシリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、あるいはシリコン窒化膜のいずれかであり、かつゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚が４ｎｍ以下であるのが好ましい。
【００８０】
以上のように本発明は、タングステンを含む金属材料で構成されたメタルゲート電極のドライエッチングにパルス変調プラズマを適用することにより、ゲート酸化膜に損傷を与えないドライエッチング方法を得ることができ、０．１５μｍ以下の極微細なゲート加工が可能となるものである。
【００８１】
【発明の効果】
請求項１記載のゲート電極の形成方法によれば、時間変調された高周波励起プラズマを用いてエッチングすることで、半導体基板上の極薄ゲート絶縁膜上に形成された高融点金属膜を含む積層膜をエッチングしてゲート電極を形成する場合でも、下地との選択比を高め、良好なエッチング形状を得ることができる。
【００８４】
請求項２記載のゲート電極の形成方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００８９】
請求項３記載のゲート電極の形成方法によれば、請求項１と同様な効果であるほか、特に高周波励起プラズマとして高密度プラズマを低圧力で発生できる誘導結合プラズマを用いるとより効果的である。
【００９０】
請求項４記載のゲート電極の形成方法によれば、請求項３と同様な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるタングステンと窒化チタンにより構成されたメタルゲート電極をドライエッチングを用いて形成する方法を示す工程断面図である。
【図２】（ａ）は第１の実施の形態におけるパルス周期に対するタングステン、窒化チタンのエッチング速度を示す図、（ｂ）は同じく選択比のパルス周期依存性を示す図である。
【図３】第１の実施の形態における窒化チタンのドライエッチング時の選択比のパルス周期依存性を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態におけるタングステンと窒化タングステンにより構成されたメタルゲート電極をドライエッチングを用いて形成する方法を示す工程断面図である。
【図５】第２の実施の形態における窒化チタンのドライエッチング時の選択比のパルス周期依存性を示す図である。
【図６】パルスプラズマにおける電子温度、電子密度への影響を説明するための概念図である。
【図７】本発明に用いるパルスプラズマを発生させるチャンバの模式図である。
【図８】従来のタングステンと窒化チタンにより構成されたメタルゲート電極をドライエッチングを用いて形成する方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２  ゲート酸化膜
３  窒化チタン（ＴｉＮ）
４  タングステン（Ｗ）
５  シリコン窒化膜
６  フォトレジスト
７  窒化タングステン（ＷＮｘ）
７０  チャンバ
７１  下部電極
７２  排気口
７３  石英板
７４  高周波電源
７５  ＩＣＰコイル
７６  ＩＣＰ高周波電源
７７  ガス導入口
７８  半導体基板
７９  パルス変調回路
８１  窒化チタンの破れ
８２  ゲート酸化膜破れ
【図１】
0003705977.tif 000002
【図２】
0003705977.tif 000003
【図３】
0003705977.tif 000004
【図４】
0003705977.tif 000005
【図５】
0003705977.tif 000006
【図６】
0003705977.tif 000007
【図７】
0003705977.tif 000008
【図８】
0003705977.tif 000009