(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に多結晶シリコン膜、タングステン窒化膜、および前記多結晶シリコン膜よりも厚いタングステン膜を形成する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記タングステン膜と前記タングステン窒化膜のプラズマエッチングに用いるガスが、ＣＦ3ＩおよびＣ2Ｆ5Ｉの少なくともいずれかのガスに、酸素を１５％〜６０％の範囲で混合したガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の絶縁膜の一部に、少なくともシリコン窒化膜を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法のうち、特にドライエッチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（以下ＤＲＡＭ）に代表される半導体メモリデバイスにおいて、情報の書き込みや読み出しを制御するゲート電極は、メモリデバイスの高集積化に伴い微細化されていく。ＤＲＡＭを例にとると、１６メガビットＤＲＡＭでは０．５μｍ程度の幅であるのが、２５６メガビットＤＲＡＭになると０．２μｍ程度の幅となる。単純に幅のみを微細化するとゲート電極の抵抗が高くなるため、シリサイド膜や金属膜と多結晶シリコン膜を積層したゲート電極を用いることで低抵抗化を図っている。特に金属膜を積層する場合には、多結晶シリコンとの界面でのシリサイド反応を抑えるため、金属膜と多結晶シリコン膜の間にバリア層を入れた３層構造のゲート電極としている。この場合、主に金属膜としてはタングステン、バリア層としてはタングステン窒化膜若しくは窒化チタンが用いられている。
【０００３】
これらの積層膜のエッチングを行う際のエッチングガスとして、タングステンにはＳＦ６やＣｌ２／Ｏ２混合ガス、窒化チタンにはＣｌ２、多結晶シリコンにはＣｌ２やＨＢｒといったガスを用いるのが一般的である。
【０００４】
ゲート電極に用いたタングステンをＳＦ６／Ｃｌ２／ＣＯ混合ガスでエッチングする方法が、特開平０９−２２３６８６に報告されている。この方法では、ＳＦ６／Ｃｌ２／ＣＯの流量比を２０／０．５〜１．５／２〜１０の範囲で行うことによって下地の絶縁膜であるシリコン酸化膜の削れを抑えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
エッチングの試料には、図１（ｂ）に示すようなシリコン基板１０１表面にシリコン酸化膜１０２、多結晶シリコン膜１０３、タングステン窒化膜１０４、タングステン１０５を積層させ、その上のシリコン窒化膜１０６をパターニングしたウェーハを用いる。
【０００６】
ＳＦ６プラズマでタングステンをエッチングした場合を図１（ｃ）に示す。この時、タングステンのエッチング速度はエッチングパターンのスペース幅に依存する（アスペクト比依存性）ため、ウェハ全面でエッチングを完了させるには１０％程度のオーバーエッチングが必要になる。エッチング時のウェーハの温度を−３０℃程度に冷却すると、タングステン１０５とタングステン窒化膜１０４をほぼ垂直にエッチングすることができる。しかし、オーバーエッチングの間に広いスペースのようなエッチング速度が速い部分では、下地の多結晶シリコン膜１０３削れが起こる。このようなアスペクト比依存性による下地多結晶シリコン膜削れは、タングステンの膜厚（ｔ１）より多結晶シリコン膜の膜厚（ｔ２）の方が薄い場合（ｔ１＞ｔ２）に特に問題となってくる。また、パターン側面の多結晶シリコンが露出する部分ではサイドエッチング等の形状異常が発生する。
【０００７】
図には示していないが、同一ウェーハ内でエッチングの均一性が十分でない場合エッチング速度に大きな差が生じるため、オーバーエッチング時間を長くする必要がある。このような場合、エッチング速度が速い部分の多結晶シリコン膜１０３がタングステン１０５のオーバーエッチングの間に全てエッチングされてしまい、絶縁膜のシリコン酸化膜１０２にまでエッチングが及んでしまい、エッチング特性に不良を起こしてしまう。
【０００８】
一方、多結晶シリコン膜１０３のサイドエッチングを防ぐために、エッチング中に発生した反応生成物を側壁保護膜として用いる方法がある。タングステンとタングステン窒化膜のエッチングにＳＦ６ではなく、タングステンとの反応生成物の揮発性の低いＣｌ２を用い、多結晶シリコン膜削れを抑制するためＯ２を混合してエッチングを行った結果が図１（ｄ）である。混合ガス中のＯ２の添加率は２０％程度で、多結晶シリコンに対するタングステンのエッチング速度比（タングステン／多結晶シリコン選択比）は約１．６である。Ｃｌ２とＯ２の混合ガスでタングステン１０５をプラズマエッチングすると、パターン側壁に反応生成物１０８が堆積する。この反応生成物１０８は、純水で希釈した過酸化水素水で除去できる。反応生成物１０８を除去後、多結晶シリコン膜１０３をＨＢｒガスでプラズマエッチングすると、図１（ｅ）に示すようにほぼ垂直にエッチングすることができるが、タングステン１０５、タングステン窒化膜１０４が順テーパ状になっているため、多結晶シリコン膜１０３のパターン幅はエッチングマスクであるシリコン窒化膜１０６のパターン幅に比べ太くなる。このため、高い寸法精度が要求されるトランジスタのゲート電極のエッチングに用いるには適当でない。
【０００９】
上記特開平０９−２２３６８６で報告されているＳＦ６／Ｃｌ２／ＣＯの混合ガスをゲート電極のエッチングに用いた場合を図１（ｆ）に示す。この混合ガスでのエッチングではシリコン酸化膜１０２に対するタングステン１０５のエッチング速度を大きくすることができる。また、上述したＳＦ６のみでエッチングを行った場合と比較して、多結晶シリコン膜１０３へのサイドエッチングを抑制することができるが、エッチング速度にアスペクト比依存性があるため、広いスペース幅のようなエッチング速度が速い所では多結晶シリコン膜１０３削れが発生し、エッチング形状異常の原因となる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述したように、タングステンやタングステン窒化膜のエッチングをＳＦ６のようなフッ素（Ｆ）系のガスを用いて行うとほぼ垂直に寸法精度よくエッチングができるが、アスペクト比依存性に伴う多結晶シリコン膜削れやサイドエッチングのような形状異常が生じてしまう。サイドエッチングの対策としては、エッチング中に発生する反応生成物をパターン側壁へ堆積させ、保護膜として利用する方法があるが、堆積性のあるＣｌ２とＯ２の混合ガスをエッチングに用いた場合、反応生成物の堆積が過剰なためエッチング形状が順テーパとなり、微細なパターンの加工が実現できない。
【００１１】
そこで、本発明ではタングステンとタングステン窒化膜の積層膜のエッチングにおいて、微細なパターンを寸法精度良くエッチングできるフッ素（Ｆ）系のガスを用いることにし、そのＦ系のガスの中でも堆積性のある炭素（Ｃ）を含むガスを用いることにより、多結晶シリコン膜へのサイドエッチングを防止する。
【００１２】
エッチングガスにはフルオロカーボンガス若しくはヨードフルオロカーボンガス、ハイドロフルオロカーボンガス等がある。具体的なガスを挙げると、ＣＦ４，Ｃ２Ｆ６，ＣＦ３Ｉ，Ｃ２Ｆ５Ｉ，ＣＨＦ３等のガスが該当する。
【００１３】
更に、上記のエッチングガスを単独で用いるのではなく、酸素を添加することによってタングステンのエッチング速度に比べて多結晶シリコン膜のエッチング速度を低下できるため、サイドエッチングやオーバーエッチング時の多結晶シリコン膜削れの抑制に効果的である。特に、下地多結晶シリコン膜削れの抑制は、積層膜を構成するタングステンと多結晶シリコン膜の膜厚ｔ１（タングステン）、ｔ２（多結晶シリコン）の関係がｔ１＞ｔ２となる場合に必須である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をタングステンのエッチングに適用した例について説明する。
【００１５】
実験用の試料は、図１（ａ）に示すようにシリコン基板１０１上にシリコン酸化膜１０２を熱酸化により成長させ、燐をドープした多結晶シリコン膜１０３を化学気相成長法で堆積し、さらに、スパッタ法でタングステン窒化膜１０４とタングステン膜１０５を堆積し、プラズマ化学気相成長法でシリコン窒化膜１０６を堆積したウェーハにＫｒＦエキシマレーザ露光装置を用いてフォトレジスト１０７でラインパターンを形成したものを用いた。
【００１６】
エッチング装置はマイクロ波プラズマエッチング装置を用いた。図２にエッチング室周辺の概略図を示す。実験試料に用いたシリコンウェーハ２１１は、エッチングチャンバ２０４内に搬送された後、静電吸着方式の電極２０７のヘッド部に固定される。エッチングガス導入部２０６からのガス導入と排気口２１０からの流出量を調整して、エッチングチャンバ２０４内の圧力を調整した後、マグネトロン２０１から放出されたマイクロ波が導波管２０２を伝搬し、チャンバ上部のマイクロ波導入窓２０３を通して入射し、チャンバ周辺のコイル２０５による磁場と相互作用してプラズマが発生する。シリコンウェーハ２１１に入射するイオンのエネルギーは電極にブロッキングコンデンサ２０９を通して接続された高周波電源２０８の出力により制御した。
【００１７】
まず、フォトレジスト１０７をマスクにしてシリコン窒化膜１０６をエッチングした。このとき、エッチングガスにはＣＨＦ３を用いた。図１（ｂ）は、シリコン窒化膜１０６をエッチングした後、Ｏ２プラズマによるアッシング処理でフォトレジスト１０７を除去したところである。
【００１８】
図１（ｇ）は、図１（ｂ）の状態の試料をシリコン窒化膜１０６をマスクとして図２のマイクロ波プラズマエッチング装置にＯ２の添加率が３０％になるようにしたＣＦ３ＩとＯ２の混合ガスを導入して生成したプラズマによりタングステン１０５、タングステン窒化膜１０４をエッチングしたところである。このエッチング条件でのタングステン／多結晶シリコン選択比は６〜７程度である。
【００１９】
タングステン１０５、タングステン窒化膜１０４のエッチング速度がパターン幅に依存するため、広いスペース幅のようなエッチング速度の速い部分では多結晶シリコン膜１０３がエッチングされているが、タングステン／多結晶シリコン選択比が大きいためデバイス特性へ影響を与えるほど多結晶シリコン膜１０３をエッチングする前にタングステンのオーバーエッチングを完了できる。
【００２０】
パターン側面の多結晶シリコン膜１０３が露出した部分には、非常に薄い反応生成物１０９が堆積している。この反応生成物１０９はＣやＩやＳｉを含み、ラジカルによるサイドエッチングに対して耐性を有しているが、Ｏ２プラズマクリーニングによって簡単に除去できた。また、反応生成物１０９の堆積膜厚が薄いためパターン幅が太くならず、タングステン１０５、タングステン窒化膜１０４の積層膜のエッチングをほぼ垂直に行うことができた。ここでは、シリコン窒化膜１０６のエッチング後にフォトレジスト１０７を除去しているが、タングステン１０５をエッチングした後にフォトレジスト１０７を除去することでマスクであるシリコン窒化膜の削れを抑制することができる。また、反応生成物１０９の除去を同時に行うことも可能である。
【００２１】
ＣＦ３Ｉを用いたときのエッチング反応種の一つであるＩは、従来からタングステンのエッチングに用いられているガスのエッチング反応種であるＦやＣｌに比べイオン半径が大きいため、下地材料への内部欠陥の低減やエッチング精度の向上に効果的である。また、反応生成物であるＷＩｘやＳｉＩｘは揮発性が低いため、サイドエッチングの抑制にも効果的である。
【００２２】
図１（ｈ）は、ＣＦ３ＩとＯ２の混合ガスでタングステン１０５、タングステン窒化膜１０４をエッチングし、反応生成物を除去した後エッチングガスにＨＢｒを用いて多結晶シリコン膜１０３をエッチングしたところである。タングステン１０５、タングステン窒化膜１０４がほぼ垂直にエッチングされているため、多結晶シリコン膜１０３を所望の寸法であるシリコン窒化膜１０６とほとんど変わらない幅でエッチングすることができ、良好な加工形状を実現している。
【００２３】
図３は、ＣＦ３ＩとＯ２の混合ガスでプラズマエッチングを行った場合の、タングステンとシリコンのエッチング速度のＯ２添加率依存性を示したものである。前述のタングステン、タングステン窒化膜のエッチングの実施例は、タングステンとシリコンのエッチング速度比が６〜７程度となるＯ２添加率が３０％の場合を示したが、更に広い範囲での適用も可能である。適用が可能なＯ２添加率の範囲の条件としては、オーバーエッチング時の多結晶シリコン膜のエッチングをできるだけ抑えるため、シリコンに対するタングステンのエッチング速度比が０．５以上確保できること、及び、実用的なスループットの点からエッチング対象であるタングステンのエッチング速度が毎分２５ｎｍ以上得られることが挙げられる。図３にて以上の条件を考えると、Ｏ２添加率の範囲は１５％〜６０％が適当である。
【００２４】
なお、上記のエッチングにはＣＦ３Ｉガスを用いたが、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２Ｆ５Ｉ、ＣＨＦ３でも同様の効果が得られた。即ち、ガス分子中にＣとＦとを含むものを用いることで効果がある。ただし、これらのガスでは、ガス分子中のＣとＦの比が異なるため、Ｏ２を添加する場合、タングステンと多結晶シリコンの選択比が最大となるＯ２添加量はＣが分子中に多いほど多くなる傾向を示した。
【００２５】
また、ゲート絶縁膜にシリコン酸化膜１０２のかわりにシリコン窒化膜をシリコン酸化膜に積層したものやシリコン窒化膜を単体で用いた場合でも、上記に記載したエッチング方法を用いればタングステンエッチングのオーバーエッチング時にゲート絶縁膜がプラズマにさらされる事がないため、多結晶シリコン膜をゲート絶縁膜に対して高選択でエッチングすることによって、ゲート絶縁膜の突き抜けが無い加工ができる。
【００２６】
更に、上記の実施例では多結晶シリコン膜のエッチングにＨＢｒガスを用いているが、ＨＢｒとＯ２の混合ガスやＣｌ２とＯ２の混合ガス、ＨＩ等のガスを用いても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明より、本発明はタングステンとタングステン窒化膜の積層膜の一括エッチングにおいて、炭素（Ｃ）を含むフッ素（Ｆ）系のガスと酸素（Ｏ）との混合ガスを用いることにより、タングステンの積層膜を寸法精度良くエッチングすることが可能であり、オーバーエッチング時の多結晶シリコン膜削れやサイドエッチングを低減できる。
【００２８】
更に、エッチングガス中にヨウ素（Ｉ）を含むガスを用いた場合には、ＦやＣｌに比べイオン半径が大きいため、下地膜へのダメージの低減やエッチング精度を向上することができる。また、反応生成物であるＷＩｘやＳｉＩｘは揮発性が低いため、サイドエッチングの抑制にも効果的である。
【００２９】
多結晶シリコン膜は、エッチングガスにＨＢｒを用いることによって寸法精度良くエッチングすることができ、良好な加工形状を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例を示す断面図。
【図２】本発明に用いたエッチング装置。
【図３】本発明に用いたエッチングガスでのタングステンとシリコンのエッチング速度。
【符号の説明】
１０１…シリコン基板
１０２…シリコン酸化膜
１０３…多結晶シリコン膜
１０４…タングステン窒化膜
１０５…タングステン
１０６…シリコン窒化膜
１０７…フォトレジスト
１０８…反応生成物
１０９…反応生成物
２０１…マイクロ波発生用マグネトロン
２０２…導波管
２０３…マイクロ波導入窓
２０４…エッチングチャンバ
２０５…コイル
２０６…エッチングガス導入部
２０７…電極
２０８…高周波電源
２０９…ブロッキングコンデンサ
２１０…排気口
２１１…シリコンウェーハ。
【図１】
0003570903.tif 000002
【図２】
0003570903.tif 000003
【図３】
0003570903.tif 000004