(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内の基板電極に高周波電力を印加することで前記真空容器内にプラズマを発生させ、タングステン膜が形成された基板を処理する方法であって、前記真空容器内に塩素ガスのみを供給することで前記タングステン膜の最表面に形成された自然酸化膜を除去した後、前記真空容器内に塩素ガスまたは塩化水素ガスを含むガスを供給することで前記タングステン膜をエッチングし、更に前記真空容器内に塩化水素ガスと酸素ガスを含むガスをその流量比が２：１乃至２０：１で供給することでオーバーエッチング処理することを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内の基板電極に高周波電力を印加することで前記真空容器内にプラズマを発生させ、タングステン膜が形成された基板を処理する方法であって、前記真空容器内に塩素ガスのみを供給することで前記タングステン膜の最表面に形成された自然酸化膜を除去した後、前記真空容器内にフッ素を含むガスを含むガスを供給することで前記タングステン膜をエッチングし、更に前記真空容器内に塩化水素ガスと酸素ガスを含むガスをその流量比が２：１乃至２０：１で供給することでオーバーエッチング処理することを特徴とするエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体等の電子デバイスの製造に利用されるドライエッチング方法に関し、特にタングステン膜またはタングステンを主成分とする膜をエッチングする方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ゲート材料として主流となっている多結晶シリコンに代わり、低抵抗化のためにタングステン膜またはタングステンを主成分とする膜が導入されつつある。タングステン膜またはタングステンを主成分とする膜で構成されたゲート電極のエッチングにおいて、ドライエッチング技術が利用されている。
【０００３】
図１は、われわれが既に提案している板状アンテナ式プラズマ処理装置の断面図である
。図１において、真空容器１内にガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ排気装置としてのポンプ３により排気を行い、真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、アンテナ用高周波電源４により１００ＭＨｚの高周波電力を、アンテナ５と真空容器１との間に挟まれ、かつ、アンテナ５と外形寸法がほぼ等しい誘電板６に設けられた貫通穴７を介してアンテナ５に供給すると、真空容器１内にプラズマが発生し、基板電極８上に載置された基板９に対してエッチング、堆積、表面改質等のプラズマ処理を行うことができる。このとき、基板電極８にも基板電極用高周波電源１０により高周波電力を供給することで、基板９に到達するイオンエネルギーを制御することができる。また、アンテナ５の表面は、絶縁カバー１１により覆われている。また、誘電板６と誘電板６の周辺部に設けられた誘電体リング１２との間の溝状の空間と、アンテナ５とアンテナ５の周辺部に設けられた導体リング１３との間の溝状の空間からなるプラズマトラップ１４が設けられている。このような構成により、アンテナ５から放射された電磁波がプラズマトラップ１４で強められ、また、低電子温度プラズマではホローカソード放電が起きやすい傾向があるため、固体表面で囲まれたプラズマトラップ１４で高密度のプラズマ（ホローカソード放電）が生成しやすくなる。したがって、真空容器１内では、プラズマ密度がプラズマトラップ１４で最も高くなり、拡散によって基板９近傍までプラズマが輸送されることで、より均一なプラズマが得られる。
【０００４】
図１に示すエッチング装置を用いてタングステン膜またはタングステンを主成分とする膜で構成されたゲート電極を加工する場合、タングステン膜またはタングステンを主成分とする膜の最表面に形成された自然酸化膜をエッチングする工程（ブレークスルー工程）と、タングステン膜またはタングステンを主成分とする膜をエッチングする工程（メインエッチング工程）と、オーバーエッチング処理する工程が必要である。まず、ブレークスルー工程においては、エッチングガスとして塩素ガスのみを用い、メインエッチング工程及びオーバーエッチング工程において、エッチングガスとして塩素ガス及び酸素ガスが用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方式では、タングステン膜またはタングステンを主成分とする膜と、下地膜（ゲート絶縁膜）であるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜とのエッチング選択比が十分でないという問題点があった。また、エッチング後のゲート絶縁膜表面が荒れてしまうという問題点があった。例えば、メインエッチング工程及びオーバーエッチング工程において、塩素ガス流量＝４０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量＝１０ｓｃｃｍ、圧力＝０．５Ｐａ、アンテナ電力＝１０００Ｗ、基板電極電力＝５０Ｗというエッチング条件でタングステン膜をエッチングした場合、タングステン膜のエッチング速度は６８ｎｍ／ｍｉｎ、下地膜であるシリコン酸化膜との選択比は１４．５であった。このときのエッチング断面形状を図６に示す。マスクはシリコン窒化膜である。酸素流量を増したり、基板電極電力を減らしたりすれば、選択比を増すことができるが、エッチングテーパー角が悪くなるため、これ以上高い選択比を得ることは極めて困難であった。また、エッチング後のシリコン酸化膜表面を図７に示す。表面荒れが発生しており、従来技術ではこれを無くすことができなかった。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、エッチング選択比が高く、かつ、下地膜の表面荒れが生じないエッチング方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の第１発明のエッチング方法は、真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内の基板電極に高周波電力を印加することで前記真空容器内にプラズマを発生させ、タングステン膜が形成された基板を処理する方法であって、前記真空容器内に塩素ガスのみを供給することで前記タングステン膜の最表面に形成された自然酸化膜を除去した後、前記真空容器内に塩素ガスまたは塩化水素ガスを含むガスを供給することで前記タングステン膜をエッチングし、更に前記真空容器内に塩化水素ガスと酸素ガスを含むガスをその流量比が２：１乃至２０：１で供給することでオーバーエッチング処理することを特徴とする。
【０００８】
本願の第２発明のエッチング方法は、真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内の基板電極に高周波電力を印加することで前記真空容器内にプラズマを発生させ、タングステン膜が形成された基板を処理する方法であって、前記真空容器内に塩素ガスのみを供給することで前記タングステン膜の最表面に形成された自然酸化膜を除去した後、前記真空容器内にフッ素を含むガスを含むガスを供給することで前記タングステン膜をエッチングし、更に前記真空容器内に塩化水素ガスと酸素ガスを含むガスをその流量比が２：１乃至２０：１で供給することでオーバーエッチング処理することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態について、図１乃至図３を参照して説明する。
【００１０】
図１に、本発明の第１実施形態において用いたプラズマ処理装置の断面図を示す。図１に示すプラズマ処理装置の基本動作については、従来例で既に説明したので、ここでは省略する。
【００１１】
図１に示す本発明の第１実施形態において用いたプラズマ処理装置において、メインエッチング工程及びオーバーエッチング工程において、塩化水素ガス流量＝９０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量＝１０ｓｃｃｍ、圧力＝０．５Ｐａ、アンテナ電力＝１０００Ｗ、基板電極電力＝５０Ｗというエッチング条件でタングステン膜をエッチングした場合、タングステン膜のエッチング速度は６６ｎｍ／ｍｉｎ、下地膜であるシリコン酸化膜との選択比は３３０であった。このときのエッチング断面形状を図２に示す。マスクはシリコン窒化膜である。従来例に比べて飛躍的に高い選択比を得ることができた。また、エッチング後のシリコン酸化膜表面を図３に示す。表面荒れは全く発生していない。
【００１２】
このように、従来例に比べて飛躍的にエッチング特性が向上した理由については、現在のところまだよくわかっていないが、水素ラジカルまたは塩化水素ラジカルの存在により、シリコン酸化膜表面に効率よくオキシクロライドが形成されたためであると推察される。
【００１３】
以上述べた本発明の第１実施形態において、メインエッチング工程において塩化水素ガスを用いる方法について説明したが、オーバーエッチング工程で十分な選択比が得られるならば、メインエッチング工程において塩素ガスを用いてもよい。
【００１４】
次に、本発明の第２実施形態について、図１、図４及び図５を参照して説明する。
【００１５】
図１に、本発明の第２実施形態において用いたプラズマ処理装置の断面図を示す。図２に示すプラズマ処理装置の基本動作については、従来例で既に説明したので、ここでは省略する。
【００１６】
図１に示す本発明の第２実施形態において用いたプラズマ処理装置において、メインエッチング工程において、６フッ化硫黄ガス流量＝２００ｓｃｃｍ、酸素ガス流量＝５０ｓｃｃｍ、窒素ガス流量＝５０ｓｃｃｍ、圧力＝０．５Ｐａ、アンテナ電力＝１０００Ｗ、基板電極電力＝５０Ｗというエッチング条件でタングステン膜をエッチングした場合、タングステン膜のエッチング速度は３４２ｎｍ／ｍｉｎ、下地膜であるシリコン酸化膜との選択比は２．４であった。また、オーバーエッチング工程において、塩化水素ガス流量＝９０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量＝１０ｓｃｃｍ、圧力＝０．５Ｐａ、アンテナ電力＝１０００Ｗ、基板電極電力＝５０Ｗというエッチング条件でタングステン膜をエッチングした場合、タングステン膜のエッチング速度は６６ｎｍ／ｍｉｎ、下地膜であるシリコン酸化膜との選択比は３３０であった。このときのエッチング断面形状を図４に示す。従来例に比べて飛躍的に高い選択比を得ることができた。また、エッチング後のシリコン酸化膜表面を図５に示す。表面荒れは全く発生していない。
【００１７】
本発明の第２実施形態においては、メインエッチング工程においてフッ素を含むガスを用いることによって、塩素ガスまたは塩化水素ガスを用いる場合に比べて飛躍的にエッチング速度を高めることができた。しかしながら、このメインエッチング工程におけるエッチング条件は、下地膜であるシリコン酸化膜との選択比が低いため、塩化水素ガス及び酸素ガスを用いるオーバーエッチング工程を用いて、シリコン酸化膜のエッチングを防ぐことができた。
【００１８】
以上述べた本発明の第２実施形態において、メインエッチング工程において６フッ化硫黄ガスを用いる方法について説明したが、その他のフッ素を含むガス、例えば４フッ化炭素ガス、８フッ化４炭素ガスなどのパーフロロカーボンガスや、水素を含むハイドロフロロカーボンガスなどを用いてもよい。
【００１９】
以上述べた本発明の実施形態においては、本発明の適用範囲のうち、真空容器の形状、プラズマ発生装置の形態及び配置等に関して様々なバリエーションのうちの一部を例示したに過ぎない。本発明の適用にあたり、ここで例示した以外にも様々なバリエーションが考えられることは、いうまでもない。例えば、高密度プラズマ源を用いない方法や、高密度プラズマ源として、誘導結合型プラズマ源、アンテナ式プラズマ源、２周波励起プラズマ源、電子サイクロトロン共鳴プラズマ源、表面波プラズマ源等を用いる方法なども、本発明の適用範囲であると考えることができる。
【００２０】
また、以上述べた本発明の実施形態においては、タングステン膜をエッチングする方法について説明したが、タングステンを主成分とする膜、例えば、タングステンシリサイド、タングステン窒化膜、チタンタングステン合金膜などのエッチング方法においても、本発明を適用することができる。
【００２１】
また、以上述べた本発明の実施形態においては、メインエッチング工程において、酸素ガスを真空容器内に供給する方法について説明したが、オーバーエッチング工程において十分な選択比が得られる場合には、酸素ガスを用いずにメインエッチング工程を行ってもよい。
【００２２】
また、以上述べた本発明の実施形態においては、オーバーエッチング処理する工程において、塩化水素と酸素の流量比が９：１である場合について説明したが、流量比が大きすぎると十分な選択比が得られず、逆に流量比が小さすぎるとエッチングテーパー角が悪くなるため、流量比は２：１乃至２０：１であることが望ましい。
【００２３】
また、以上述べた本発明の実施形態においては、タングステン膜またはタングステンを主成分とする膜の下地膜が、シリコン酸化膜である場合について説明したが、本発明は、下地膜が、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜である場合にも適用することが可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本願の第１発明のプラズマ処理方法によれば、真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内の基板電極に高周波電力を印加すること
で前記真空容器内にプラズマを発生させ、タングステン膜が形成された基板を処理する方法であって、前記真空容器内に塩素ガスのみを供給することで前記タングステン膜の最表面に形成された自然酸化膜を除去した後、前記真空容器内に塩素ガスまたは塩化水素ガスを含むガスを供給することで前記タングステン膜をエッチングし、更に前記真空容器内に塩化水素ガスと酸素ガスを含むガスをその流量比が２：１乃至２０：１で供給することでオーバーエッチング処理するため、エッチング選択比が高く、かつ、下地膜の表面荒れが生じないエッチング方法を提供することができる。
【００２５】
また、本願の第２発明のプラズマ処理方法によれば、真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内の基板電極に高周波電力を印加することで前記真空容器内にプラズマを発生させ、タングステン膜が形成された基板を処理する方法であって、前記真空容器内に塩素ガスのみを供給することで前記タングステン膜の最表面に形成された自然酸化膜を除去した後、前記真空容器内にフッ素を含むガスを含むガスを供給することで前記タングステン膜をエッチングし、更に前記真空容器内に塩化水素ガスと酸素ガスを含むガスをその流量比が２：１乃至２０：１で供給することでオーバーエッチング処理するため、エッチング選択比が高く、かつ、下地膜の表面荒れが生じないエッチング方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態及び従来例で用いたプラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図２】本発明の第１実施形態におけるエッチング断面形状を示す写真
【図３】本発明の第１実施形態における下地シリコン酸化膜表面を示す写真
【図４】本発明の第２実施形態におけるエッチング断面形状を示す図
【図５】本発明の第２実施形態における下地シリコン酸化膜表面を示す図
【図６】従来例におけるエッチング断面形状を示す図
【図７】従来例における下地シリコン酸化膜表面を示す図
【符号の説明】
１    真空容器
２    ガス供給装置
３    ポンプ
４    アンテナ用高周波電源
５    アンテナ
６    誘電板
７    貫通穴
８    基板電極
９    基板
１０  基板電極用高周波電源
１１  絶縁カバー
１２  誘電体リング
１３  導体リング
１４  プラズマトラップ
【図１】
0003565127.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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