(57)【要約】【課題】タングステン膜を，ウェハ面内方向やパターン深さ方向における高い均一性，ならびに原子層レベルの高い加工寸法制御性でエッチング加工する。【解決手段】タングステン膜をエッチングする方法において，表面の少なくとも一部にタングステン膜が形成された基材をフッ化タングステンの融点以下の温度に冷却した状態でプラズマ中で生成したフッ素を含む反応種を基材上に第１の所定の時間供給して基材の表面に形成されたタングステン膜上に表面反応層を形成する第一工程と，タングステン膜上に表面反応層が形成された基材をフッ化タングステンの沸点以上の温度に第２の所定の時間加熱してタングステン膜上に形成された表面反応層を除去する第二工程とを実行するようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の少なくとも一部にタングステン膜が形成された基材をフッ化タングステンの融点以下の温度に冷却した状態でプラズマ中で生成したフッ素を含む反応種を前記基材上に第１の所定の時間供給して前記基材の表面に形成されたタングステン膜上に表面反応層を生成する第一工程と，
前記タングステン膜上に前記表面反応層が生成された前記基材をフッ化タングステンの沸点以上の温度に第２の所定の時間加熱して前記タングステン膜上に生成された前記表面反応層を除去する第二工程と
を有して前記基材の表面に形成された前記タングステン膜をエッチングすることを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
請求項１に記載のエッチング方法であって，
前記第一工程と前記第二工程との組合せを１サイクルとして複数サイクル繰り返すことを特徴とするエッチング方法。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれか一項に記載のエッチング方法であって，
前記表面反応層が，フッ素と結合したタングステンを主として含有することを特徴とするエッチング方法。
【請求項４】
請求項１又は２のいずれか一項に記載のエッチング方法であって，
前記表面反応層が，六フッ化タングステンであることを特徴とするエッチング方法。
【請求項５】
請求項１又は２のいずれか一項に記載のエッチング方法であって，
前記反応種が，フッ素を構成要素とする物質と，酸素または硫黄を構成要素とする物質を含む処理ガスのプラズマにより生成されることを特徴とするエッチング方法。
【請求項６】
請求項１又は２のいずれか一項に記載のエッチング方法であって，
前記反応種が，フッ素を構成要素とする物質と，酸素または硫黄を構成要素とする物質と，水素を構成要素とする物質を含む処理ガスのプラズマにより生成されることを特徴とするエッチング方法。
【請求項７】
請求項１又は２のいずれか一項に記載のエッチング方法であって，
前記第一工程における基板温度が２℃以下であることを特徴とするエッチング方法。
【請求項８】
請求項１又は２のいずれか一項に記載のエッチング方法であって，
前記第二工程における加熱温度が１７℃以上であることを特徴とするエッチング方法。
【請求項９】
請求項１又は２のいずれか一項に記載のエッチング方法であって，
前記第二工程における加熱時の真空度が１００Ｐａ以下であることを特徴とするエッチング方法。
【請求項１０】
請求項１又は２のいずれか一項に記載のエッチング方法であって，
前記表面反応層の生成量が，前記第一工程の処理時間に対して飽和性を持つことを特徴とするエッチング方法。
【請求項１１】
表面にタングステン膜が形成された基材にプラズマ中で生成したフッ素を含む反応種を供給して前記基材の表面に形成されたタングステン膜上に生成量が自己飽和性を有する六フッ化タングステンの層を生成し、
前記六フッ化タングステンの層が生成された前記基材を加熱して前記タングステン膜上に生成された生成量が自己飽和性を有する前記六フッ化タングステンの層を除去する
ことにより前記基材の表面に形成された前記タングステン膜をエッチングする
ことを特徴とするエッチング方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のエッチング方法であって，
前記基材の前記表面に形成された前記タングステン膜上に生成量が自己飽和性を有する前記六フッ化タングステンの層を生成することを、前記基材をフッ化タングステンの融点以下の温度に冷却した状態で前記プラズマ中で生成したフッ素を含む反応種を前記基材上に第１の所定の時間供給することにより生成することを特徴とするエッチング方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載のエッチング方法であって，
前記タングステン膜上に前記六フッ化タングステンの層が生成された前記基材を加熱して前記タングステン膜上に生成された生成量が自己飽和性を有する前記六フッ化タングステンの層を除去することを、前記タングステン膜上に前記六フッ化タングステンの層が生成された前記基材を前記六フッ化タングステンの沸点以上の温度に第２の所定の時間加熱することにより除去することを特徴とするエッチング方法。
【請求項１４】
タングステン膜をエッチングするエッチング装置であって，
処理室と，
前記処理室の内部に設けられて被処理体を戴置するステージ部と，
前記ステージ部を冷却するための冷却手段と，
前記処理室の内部にフッ素を含むガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部から供給されたガスを励起してプラズマを発生させてフッ素を含むラジカルを前記処理室の内部に供給するプラズマ源と，
前記処理室の内部を排気する排気手段と，
前記ステージ部に載置された前記被処理体を加熱する加熱手段と，
前記冷却手段と前記ガス供給部と前記プラズマ源と前記排気手段と前記加熱手段とを制御する制御部と
を備えたエッチング装置であって、
前記制御部は、前記冷却手段と前記ガス供給部と前記プラズマ源と前記排気手段とを制御して、前記冷却手段で前記ステージ部を冷却した状態で前記ガス供給部から前記プラズマ源に前記フッ素を含むガスを供給して供給されたガスを励起してプラズマを発生させて前記フッ素を含むラジカルを前記処理室の内部に供給することにより前記被処理体の表面に表面反応層を生成することを第１の所定の時間継続させる処理と、前記排気手段と前記加熱手段とを制御して前記排気手段で前記処理室の内部を排気しながら前記加熱手段で前記表面に表面反応層が生成された前記被処理体を加熱することを第２の所定の時間継続させる処理とを実行する
ことを特徴とするエッチング装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載のエッチング装置であって，
前記被処理体を加熱するための前記加熱手段が，赤外線ランプであることを特徴とするエッチング装置。
【請求項１６】
請求項１４記載のエッチング装置であって、前記制御部は前記冷却手段を制御して、前記ステージ部を前記被処理体の表面に生成される前記表面反応層の融点の温度以下に冷却することを特徴とするエッチング装置。
【請求項１７】
請求項１４記載のエッチング装置であって、前記制御部は前記加熱手段を制御して、前記被処理体の表面を前記被処理体に形成された前記表面反応層の沸点の温度異常に前記第２の所定の時間加熱することを特徴とするエッチング装置。
【請求項１８】
請求項１４記載のエッチング装置であって、前記制御部は、前記冷却手段を制御して前記ステージ部を前記被処理体の表面に形成される前記表面反応層の融点の温度以下に冷却することと、前記加熱手段を制御して前記被処理体の表面を前記被処理体に形成された前記表面反応層の沸点の温度異常に前記第２の所定の時間加熱することとを順次繰り返して複数回実行させることを特徴とするエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，タングステン膜のエッチング方法およびエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートフォンに代表されるモバイル機器の普及に牽引されて，半導体デバイスの高集積化が進んでいる。記録用半導体の分野では，メモリセルを三次元方向に多段積層する三次元（３Ｄ）ＮＡＮＤフラッシュメモリが量産されており，現在メモリ積層数は６４層である。また，ロジック用半導体の分野では，三次元構造をもつフィン型ＦＥＴ（Field Effect Transistor）が主流となりつつある。ＦＥＴのゲート長は着実に縮小しており，ゲート長が１０ｎｍ世代を切る時代の到来も予想されている。
【０００３】
このように，素子構造の三次元化と加工寸法の微細化が進むに従って，デバイス製造プロセスでは，等方性と，原子層レベルの高い加工寸法制御性を兼ね備えたエッチング技術の必要性が増している。
【０００４】
従来，等方的なエッチング技術としては，フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合水溶液を用いた二酸化珪素のエッチングや，熱リン酸を用いた窒化珪素のエッチング，フッ化水素酸と硝酸の混合液を用いたタングステンのエッチング等の，ウェットエッチング技術が広く用いられてきた。しかしながら，薬液を用いたこれら従来のウェットエッチング技術では，パターンの微細化に伴って，リンス液の表面張力に起因するパターン倒壊が顕在化するという問題がある。
【０００５】
例えばシリコンの高アスペクト比パターンを用いた場合には，パターン間隔を狭くしていった際に，リンス液乾燥時の表面張力で倒壊が始まるパターン間隔の限界値が，アスペクト比の２乗に比例して大きくなると報告されている。このため，薬液を用いずに各種膜を等方的にエッチングするプロセス手法の開発が強く望まれている。
【０００６】
タングステンは電極や配線材料として，半導体デバイス製造プロセスで広く用いられる材料である。このため，次世代の半導体デバイス製造プロセスでは，等方性と原子層レベルの高い加工寸法制御性，高い選択性を兼ね備えたタングステンのエッチング技術が求められる。
【０００７】
従来の，薬液を用いない等方的なタングステンのエッチング技術としては，ＮＦ３／Ｏ２のプラズマを用いてフッ素ラジカルを供給することにより，タングステンを１６０ｎｍ／分を超えるエッチング速度で等方的にエッチングする手法が，非特許文献１に公開されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Patrick Verdonck, Jacobus Swart, Guy Brasseur, and Pascal De Geyter, Journal of Electrochemical Society, vol. 142, No. 6, 1971 (1995).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
今後，例えば次世代３Ｄ−ＮＡＮＤフラッシュメモリのゲート電極加工では，高アスペクト比の微細溝内に埋め込まれたタングステンを横方向にエッチングして電気的に分離する工程で，タングステン膜を等方的に原子層レベルの制御性でエッチングする技術が求められると考えられる。
【００１０】
そこで発明者等は，一例として，例えば構造体に非特許文献１のプラズマエッチング技術を適用した場合について検討した。その結果を図８に示す。図８は，従来のプラズマエッチングを用いた場合のウェハ断面構造の変化を示す概略図であり,ウェハ断面８１０は,多結晶シリコン膜３３０の溝パターン３３１の内部に形成された，タングステン膜３２１と二酸化珪素膜３７１との積層膜に高アスペクト比の溝パターン８１１が形成された状態（Ｓ８０１）を示し，８２０は，タングステン膜３２１をエッチングするためにフッ素を含有するラジカル（反応種）２２３を供給し反応生成物２８１としてタングステン膜３２１が除去される状態（Ｓ８０２）を示し，ウェハ断面８３０はタングステン膜３２１のエッチングを停止した状態（Ｓ８０３）を示す。なお，多結晶シリコン膜３３０は二酸化珪素膜３７１の上に形成され，多結晶シリコン膜３３０の表面には二酸化珪素膜３７１が形成されている。
【００１１】
図８のウェハ断面８２０に示すように，タングステン膜３２１と二酸化珪素膜３７１が交互に積層された高アスペクト比の溝パターン３３１の内部において，タングステン膜３２１のみを横方向にエッチングしたところ，温度を制御せずに室温でエッチングを連続的に進めるために，タングステン膜３２１の表面に不揮発性の表面反応層が形成されることはなく，反応生成物２８１の連続的な脱離により，エッチングが連続的に進行する。
【００１２】
この場合には，反応種２２３は，溝パターン３３１の開口部付近で消費されて溝パターン３３１の下部の深い領域まで届く反応種２２３の量は少なくなる。このため，エッチング量の分布は反応種２２３の分布を反映して不均一になり，エッチング量は溝パターン３３１の開口部付近で大きく，溝パターン３３１の深い部分では小さくなる。この結果，従来の連続的なエッチング技術では，溝パターン３３１の深さ方向にエッチング量の大きな分布が生じ，エッチング量の寸法制御性に関わる素子歩留まりが低下すると思われる。
【００１３】
また，従来のタングステンの等方性エッチング技術では，タングステンのエッチングが，例えば１６０ｎｍ／分を超えるエッチング速度で連続的に進み，エッチング量はプラズマ処理の時間で制御される。このため，原子層レベルの高い加工寸法制御性でエッチング量を制御することが困難である。
【００１４】
このように，従来の連続的なプラズマエッチング技術では，エッチング量はラジカルの分布を反映して不均一となり，ウェハ面内方向やパターン深さ方向におけるエッチング量の均一性が低く，またエッチング量をプラズマ処理時間で制御しなくてはならない。このため従来の連続的なプラズマエッチング技術は，原子層レベルの高い寸法制御性が求められる次世代以降のデバイス製造工程においては，その適用が制限されると思われる。
【００１５】
本発明の目的は，原子層レベルの高い加工寸法制御性でエッチング量を制御することができ，且つウェハ面内方向やパターン深さ方向におけるエッチング量の均一性が高い，タングステン膜のエッチング方法，ならびにエッチング装置を提供することにある。本発明の前記の目的と新規な特徴は，本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記した課題を解決するために、本発明では、タングステン膜をエッチングするエッチング方法において，表面の少なくとも一部にタングステン膜が形成された基材をフッ化タングステンの融点以下の温度に冷却した状態でプラズマ中で生成したフッ素を含む反応種を基材上に第１の所定の時間供給して基材の表面に形成されたタングステン膜上に表面反応層を生成する第一工程と，タングステン膜上に表面反応層が生成された基材をフッ化タングステンの沸点以上の温度に第２の所定の時間加熱してタングステン膜上に生成された表面反応層を除去する第二工程とを有して、基材の表面に形成されたタングステン膜をエッチングすることを特徴とする。
【００１７】
また、上記した課題を解決するために、本発明では、表面にタングステン膜が形成された基材にプラズマ中で生成したフッ素を含む反応種を供給して基材の表面に形成されたタングステン膜上に生成量が自己飽和性を有する六フッ化タングステンの層を生成し、六フッ化タングステンの層が生成された基材を加熱してタングステン膜上に生成された生成量が自己飽和性を有する六フッ化タングステン層を除去することにより基材の表面に形成されたタングステン膜をエッチングする方法とした。
【００１８】
更に、上記した課題を解決するために、本発明では、タングステン膜をエッチングするエッチング装置を，処理室と，処理室の内部に設けられて被処理体を戴置するステージ部と，ステージ部を冷却するための冷却手段と，処理室の内部にフッ素を含むガスを供給するガス供給手段と、ガス供給部から供給されたガスを励起してプラズマを発生させてフッ素を含むラジカルを処理室の内部に供給するプラズマ源と，処理室の内部を排気する排気手段と，ステージ部に載置された被処理体を加熱する加熱手段と，冷却手段とガス供給部とプラズマ源と排気手段と加熱手段とを制御する制御部とを備えて構成し、制御部は、冷却手段とガス供給部とプラズマ源と排気手段とを制御して、冷却手段でステージ部を冷却した状態でガス供給部からプラズマ源にフッ素を含むガスを供給してこの供給されたガスを励起してプラズマを発生させてフッ素を含むラジカルを処理室の内部に供給することにより被処理体の表面に表面反応層を生成することを第１の所定の時間継続させる処理と、排気手段と加熱手段とを制御して排気手段で処理室の内部を排気しながら加熱手段で表面に表面反応層が生成された被処理体を加熱することを第２の所定の時間継続させる処理とを実行するようにした。
【発明の効果】
【００１９】
本願において開示される発明のうち，代表的のものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。本発明によれば，タングステン膜を，ウェハ面内方向やパターン深さ方向における高い均一性，ならびに原子層レベルの高い加工寸法制御性でエッチング加工する技術（タングステン膜の等方性原子層レベルエッチング技術）を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施例に係るエッチング装置の概略の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係るエッチング方法の処理手順の一例を示す概略素子断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係るエッチング装置におけるパラメータの時間変化の一例を示す概略図であり，上段から順に処理ガス流量，高周波電源電力，赤外線ランプ電力，裏面Ｈｅ流量，ウェハ表面温度を示す。
【図４】本発明の第１の実施例に係るエッチング方法において，基材をフッ化タングステンの融点以下の温度に維持した状態で，タングステン膜へフッ素を含有する反応種（ラジカル）を供給したときに形成された表面反応層をＫα線を用いたＸ線光電子分光法で分析した場合のフッ素１ｓの光電子スペクトルを示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施例に係るエッチング方法において，基材をフッ化タングステンの融点以下の温度に維持した状態で，タングステン膜へフッ素を含有する反応種（ラジカル）を供給したときに形成される表面反応層に起因するフッ素１ｓの光電子スペクトルにおける６８７±eＶのピーク強度のプラズマ処理時間依存性を示すグラフである。
【図６】本発明の第１の実施例に係るエッチング方法において，真空中で表面反応層を各温度で１分間加熱したときの、表面反応層に起因するフッ素１ｓの光電子スペクトルにおける６８７±eＶのピーク強度の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施例に係るエッチング方法において，到達温度５０℃のランプ加熱により表面反応層を加熱したときの、表面反応層に起因するフッ素１ｓの光電子スペクトルにおける６８７±eＶのピーク強度の加熱時間依存性を示すグラフである。
【図８】従来のプラズマエッチング方法を用いてタングステン膜を含む多層構造体を加工したときの処理手順の一例を示す各工程ごとのウェハの断面図である。
【図９】本発明の第２の実施例に係るエッチング方法を用いてタングステン膜を含む多層構造体を加工したときの処理手順の一例を示す各工程ごとのウェハの断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施例に係るエッチング装置の概略の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施例に係るエッチング方法を用いたときの１サイクル当たりのエッチング量の，ラジカル照射工程における基板温度に対する依存性を示すグラフである。
【図１２】本発明の第２の実施例に係るエッチング方法を用いたときのエッチング量のサイクル数依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
発明者等は，各種ガスを用いてタングステンのエッチングを試みた。その結果，（１）基材をフッ化タングステンの融点以下の温度に維持した状態で，タングステン膜へプラズマ中で生成したフッ素を含有する反応種を供給することにより，その表面に不揮発性膜（表面反応層）が形成されること，（２）当該表面反応層の生成量が自己飽和性を有すること，（３）当該表面層は加熱により除去されること，を見出した。
【００２２】
本発明はこの新たな知見に基づいて生まれたものである。具体的には，タングステンの表面へのフッ素を含有する反応種の供給による表面反応層の形成と，当該表面反応層の加熱による除去を行う、また形成と除去とを繰り返すことにより所望の量だけタングステンをエッチングすることができる。
【００２３】
本願発明のエッチング技術によれば，自己飽和性を持つ処理を行うので，ウェハ面内方向およびパターン深さ方向のエッチング量における均一性が高くなる。また，一回のサイクルで除去されるタングステンの膜厚が，原子層レベルの一定の厚みをもち，トータルのエッチング量が，繰り返したサイクル処理の回数で決まるため，エッチング量を原子層レベルの加工寸法精度で精密に制御することができる。すなわち，タングステンの原子層レベルエッチングが実現する。
【００２４】
なお，ここでは，各工程が自己飽和性を持つ，表面反応層の形成工程と除去工程のサイクリックな繰り返しからなるエッチング方法を，原子層レベルエッチングと呼んでいる。この用語には「原子層」という言葉が使われているが，１サイクル当たりのエッチング量が１原子層であるような，狭義の原子層エッチングに限らず，１サイクル当たりのエッチング量がナノメートルのオーダーであっても，各工程が処理時間などに対して自己飽和的傾向を持てば，この名称が用いられる。なお，同じ意味を表現する際に，「デジタルエッチング」，「自己飽和性サイクルエッチング」，「原子層エッチング」などの別の用語が用いられる場合もある。
【００２５】
以下，本発明について，図面を用いて実施例により詳細に説明する。なお，実施例を説明するための全ての図において，同一の機能を有するものは同一の符号を付け，その繰り返しの説明は省略する。また，以下の実施例を説明する図面においては，構成を分かり易くするために，平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【実施例１】
【００２６】
第１実施例について，図１から図７を用いて説明する。本実施例は，ＳＦ６／Ｏ２ガスのプラズマで生成した反応種を用いて，シリコンウェハ上のタングステン膜を等方的に原子層レベルエッチングする例である。
【００２７】
図１は，本実施例に係るエッチング装置１００の構成の概略を示す断面図である。本エッチング装置１００は，処理室１０１の内部に設けられたウェハステージ１０２と，処理室１０１の上部に石英ガラス１０３を挟んで設けられたランプユニット１０４と，ランプユニット１０４内に備えられた赤外線ランプ１０５と，ランプユニット１０４の上部に設けられたプラズマ源１０６と、制御部１５０を具備している。
【００２８】
処理室１０１と石英ガラス１０３，およびランプユニット１０４は図示していないＯリング等の真空シール手段で気密構造となるように構成されており，可変コンダクタンスバルブ１０７を介して接続された真空ポンプ１０８により排気されている。可変コンダクタンスバルブ１０７及び真空ポンプ１０８は、制御部１５０により制御される。
【００２９】
また，本エッチング装置１００には、ガスボンベ１０９やバルブ１１０を含む、ガス供給手段が設けられており，ガスボンベ１０９から供給されるガスはバルブ１１０を介してプラズマ源１０６に導入される。ガスボンベ１０９やバルブ１１０を含む、ガス供給手段は、制御部１５０により制御される。プラズマ源１０６に導入されたガスはプラズマ源１０６で活性化されてラジカルを生成し，生成されたラジカルを含む各種反応種はガス導入管１１１を通って処理室１０１に供給される。
【００３０】
プラズマ源１０６はコイル状アンテナ１１２を備えており，高周波電源１１３の出力が給電点１１４に接続され，接地点１１５により接地されている。高周波電源１１３は、制御部１５０により制御される。
【００３１】
また，ウェハステージ１０２は，サーキュレータ１１６により冷媒を冷却ライン１１７に流すことにより冷却されている。サーキュレータ１１６は、制御部１５０により制御される。また，図示されていないが，ウェハ３１８を効率よく冷却するため，ウェハ３１８の裏面とウェハステージ１０２との間にはヘリウムガスを供給する機構が設けられている。
【００３２】
前記した処理室１０１の材質は，プラズマ耐性に優れ，ウェハに重金属汚染や異物による汚染を発生させにくい材質が望ましい。例えば，表面をアルマイト処理したアルミニウム等が望ましい。もしくは，アルミニウムの基材に，イットリア，アルミナ，二酸化珪素等の材質を溶射したものでも構わない。
【００３３】
また，処理室１０１の圧力は，処理室１０１に接続された可変コンダクタンスバルブ１０７と真空ポンプ１０８により，制御部１５０で制御されて所望の流量の処理ガスを流した状態で，一定に保つことができる。また，ウェハステージ１０２の材質は，表面をアルマイト処理したアルミニウム等が望ましい。
【００３４】
前記した処理室１０１の上部には，図示していないＯリング等の真空シール手段により処理室１０１と気密状態を保つように設置された石英ガラス１０３が具備されている。石英ガラス１０３は，光の透過率が高い素材を用いることが望ましい。例えば，純度の高い原料を用い，酸水素炎で溶融した超高純度溶融石英ガラス等を用いることが望ましい。また，石英ガラス１０３には，整流手段としてガス導入管１１１が接続されており，プラズマ源１０６で活性化された反応種を処理室１０１に供給できるようになっている。
【００３５】
なお，整流手段の形状は，処理室１０１へのラジカルの供給形態を変える目的で適宜選択されるものである。例えば円盤状のシャワープレートや，ドーナツ状の導入管を用いれば，処理室１０１内に均一性良くラジカルを導入することが可能である。その際，整流手段の材質としては，プラズマ耐性が高く，異物や汚染になりにくい材質，すなわち，溶融石英やイットリア焼結体が望ましい。
【００３６】
前記した石英ガラス１０３の上部には，ウェハ加熱用の赤外線ランプ１０５を具備したランプユニット１０４が備えられている。赤外線ランプ１０５としては，ハロゲンランプ等を用いることができる。なお，本実施例ではウェハ加熱の手段として赤外線ランプを用いた例を示したが，抵抗加熱ヒータを用いるなど，別の加熱手段を用いても良い。
【００３７】
プラズマ源１０６に接続された高周波電源１１３の周波数は，４００ｋＨｚから４０ＭＨｚの間で適宜選択されるが，本実施例では１３．５６ＭＨｚを用いた。また，本高周波電源１１３は図示しない周波数マッチング機能を備えている。すなわち，本高周波電源１１３は，中心周波数１３．５６ＭＨｚに対して±５％から±１０％の範囲で出力周波数を変化させることができ，かつ高周波電源１１３の出力部でモニタされる進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒの比率Ｐｒ／Ｐｆが小さくなるように，周波数をフィードバック制御できる機能を有している。
【００３８】
プラズマ源１０６に供給するガスの種類は，フッ素を含有する反応種をウェハに供給するために，フッ素を含有するガス，あるいはフッ素を含有するガスをその他のガスで希釈した混合ガスが用いられる。また，より好ましくは，酸素または硫黄を含んだガスが用いられる。酸素を含んだガスを用いることで，フッ素ラジカルの供給量が増える効果がある。また，酸素や硫黄は，タングステンの表面に結合してタングステン膜中のＷ−Ｗ結合を弱めるので，Ｗ原子が複数のフッ素と結合し易くなり，反応種に酸素や硫黄が無い場合と比較して，六フッ化タングステンの生成を促進する効果がある。
【００３９】
フッ素を含有するガスの例としては，ＨＦ，ＮＦ３，ＣＦ４，ＣＨＦ３，ＣＨ２Ｆ２，ＣＨ３Ｆ，Ｃ２Ｆ６，Ｃ４Ｆ８，ＳＦ６などが挙げられる。また，酸素を含有するガスの例としては，Ｏ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ２，ＮＯ，ＮＯ２などが挙げられる。また，硫黄を含有するガスとしては，ＳＦ６，Ｈ２Ｓ，ＳＯ２などが挙げられる。また，これらのガスに，ＡｒやＨｅ，Ｎ２などのその他ガスを加えて適宜希釈することも可能である。
【００４０】
具体的な組み合わせ例としては，ＳＦ６，ＳＦ６／Ｏ２，ＣＦ４／Ｏ２／Ａｒ，ＣＨＦ３／Ｏ２，ＣＨ２Ｆ２／Ｏ２／Ａｒ，ＣＨ２Ｆ２／Ｎ２，ＮＦ３／ＮＯなどがある。本実施例ではＳＦ６／Ｏ２を用いたが，他の組み合わせを用いても良い。
【００４１】
図２に示す概略図は，本実施例に係る，タングステン膜のエッチング方法における処理手順をあらわすものであり，本エッチングの各工程におけるウェハ断面構造の変化を示している。この処理手順は、制御部１５０によって制御される。
【００４２】
本実施例では，まず図示していない成膜装置（スパッタリング装置や蒸着装置など）を用いて、試料断面１３１に示すように、シリコン層（シリコン基体）３２２の上にタングステン膜３２１を形成する（ステップＳ１０１）。
【００４３】
次に，このタングステン膜３２１が形成された試料（シリコン基体）３２２を図１に示してエッチング装置１００の内部のウェハステージ１０２の上に載置する。この状態で、制御部１５０で制御されたサーキュレータ１１６により冷媒を冷却ライン１１７に流して、試料断面１３２に示すように、このシリコン基体３２２の温度をフッ化タングステンの融点よりも低い２℃以下に維持した状態で，プラズマ源１０６で生成したフッ素のラジカルを含む反応種２２３を処理室１０１の内部に供給し，タングステン膜３２１表面と化学的に反応させて六フッ化タングステンを主たる成分とする表面反応層３２４を形成する（ステップＳ１０２，第一工程）。
【００４４】
タングステン膜３２１表面に所定の時間表面反応層３２４を形成した後、制御部１５０で制御して、高周波電源１１３の出力をＯＦＦにしてプラズマ源１０６によるプラズマの発生を停止してステップＳ１０２を終了する。
【００４５】
次に，制御部１５０で制御して、赤外線ランプ１０５を点灯する。この点灯した赤外線ランプ１０５により赤外光１２５を試料に照射することにより、表面反応層３２４を六フッ化タングステンの２２６の沸点とほぼ同じ１７℃以上に加熱する。これにより、試料断面１３３に示すように、赤外光１２５が照射されて過熱された表面反応層３２４から，その主たる成分である六フッ化タングステン２２６を揮発させてタングステン膜３２７の表面から除去する（ステップＳ１０３，第二工程）。
【００４６】
六フッ化タングステン２２６を揮発させてタングステン膜３２７の表面から除去することを所定の時間継続した後、制御部１５０で制御して、赤外線ランプ１０５を消灯してステップＳ１０３を終了する。
【００４７】
これらの，表面反応層３２４を形成する第一工程と表面反応層３２４を除去する第二工程の組み合わせを１サイクルとして，トータルのエッチング量が目標値となる回数だけサイクルを繰り返すことでエッチングを行う。
【００４８】
図３に示す概略図は，本実施例に係る，タングステン膜のエッチング方法における手順をあらわすものであり，本エッチングの各工程における装置パラメータの変化を示す。ここでは，ガス供給手段からガス導入管１１１を通して処理室１０１に供給される処理ガス流量３０１，高周波電源１１３からプラズマ源１０６に印加する高周波電源電力３０２，赤外線ランプ１０５に印加する電力３０３，図示していない手段によりウェハ３１８の裏面とウェハステージ１０２との間に流すＨｅ流量３０４，およびウェハ表面温度３０５の，サイクルエッチング時における１サイクル目から３サイクル目までの時間変化を示した。これらは、制御部１５０で制御される。以下，図１〜図３を用いて，本実例に係るタングステン膜のサイクルエッチングを詳細に説明する。
【００４９】
まずエッチングすべきタングステン膜が形成されたウェハ３１８が，図示しないウェハ搬送装置によってウェハ搬送口１１９から搬入されて，ウェハステージ１０２の上に戴置される。この時，ウェハステージ１０２の温度は，サーキュレータ１１６で冷媒を冷却ライン１１７に流すことによって−２０℃に制御されており，ウェハステージ１０２の上に戴置されたウェハ３１８の温度は−２０℃に冷却される。その後，ウェハ搬送口１１９が図示していない扉により閉じられて処理室１０１が気密に維持された状態で，処理室１０１の内部が真空ポンプ１０８によって可変コンダクタンスバルブ１０７を介して排気される。
【００５０】
一方，プラズマ源１０６では，ガス供給手段からＳＦ６／Ｏ２ガスが供給されると共に高周波電源１１３からの高周波電力がコイル状アンテナ１１２に供給され，プラズマ１２０が形成される。この時，ＳＦ６ガスの流量は５０ｓｃｃｍ，Ｏ２ガスの流量は５ｓｃｃｍである。
【００５１】
ＳＦ６／Ｏ２からなる原料ガスは，プラズマ源１０６の内部に発生したプラズマ１２０により活性化されてフッ素ラジカルなどを含む反応種２２３となって、ガス導入管１１１から処理室１０１に流れ込む。処理室１０１に流れ込んだフッ素を含む反応種２２３は，処理室１０１の内部全体に均一に拡散し，その一部が−２０℃まで冷却されたウェハステージ１０２に戴置されて冷却されたウェハ３１８の全面に吸着する。
【００５２】
この冷却されたウェハ３１８に吸着した反応種２２３は、ウェハ３１８表面のタングステン膜３２１と反応し，表面反応層３２４を形成する。この表面反応層３２４は，フッ素−タングステン結合を主体とした反応生成物であり，アルミニウムのＫα線を用いてＸ線光電子分光法で測定した場合に，フッ素１ｓスペクトルの結合エネルギーが，６８７±２ｅＶ付近にピークを持つことが大きな特徴である。
【００５３】
図４は，表面反応層３２４が形成されたタングステン膜３２１を，アルミニウムのＫα線を用いたＸ線光電子分光法で分析した場合の，フッ素１ｓの光電子スペクトル４００である。四フッ化タングステンなどの結合に起因する，束縛エネルギー６８４±２ｅＶ付近に観測されるピーク４０１に加えて，束縛エネルギー６８７±２ｅＶ付近に，六フッ化タングステンの存在を示すピーク４０２が観測されている。このピーク４０２が主体となっていることは，表面反応層３２４が，六フッ化タングステンを主成分として含んでいることを示している。
【００５４】
本実施例のＳＦ６／Ｏ２ガスでは，混合ガスに酸素を添加した効果により，酸素がＳＦ６を酸化してフッ素ラジカルの供給量が増す効果があると思われる。また，ガスに酸素および硫黄を含むので，酸素や硫黄がタングステン表面に結合して，タングステン膜中のＷ−Ｗ結合が弱まってＷ原子が浮き上がり，Ｗ原子に結合できるフッ素原子の数が増える効果が期待される。このため，六フッ化タングステンを効率的に生成することができると考える。
【００５５】
なお，この表面反応層３２４の典型的な組成は六フッ化アンモニウムであると思われるが，用いる反応種の組成や反応時間に依存して，単体のフッ素，あるいは四フッ化タングステンなど，フッ素およびタングステンの各種の結合状態が混じりあった状態となる場合や，若干の酸素が含まれる場合もあると思われる。酸素を含んだ結合状態の例は，例えばＷＯＦ４である。
【００５６】
例えば、図４に示した光電子スペクトル４００でも，６８４ｅＶ±２付近にピーク４０１が存在することから，四フッ化タングステンの存在が示唆される。また，上記で六フッ化タングステンと考えた束縛エネルギー６８７±２ｅＶ付近のピーク４０２についても，ピーク位置だけを考えればＷＯＦ４である可能性もある。
【００５７】
ただし，今回観測した６８７ｅＶ±２付近のピーク４０２は，後述するように５０℃の真空加熱で消失することから，ＷＯＦ４ではなく六フッ化タングステンであると考える。ＷＯＦ４は融点が１１０℃，沸点が１８８℃であって，六フッ化タングステンと比較して揮発性が低く，５０℃で揮発するとは考えられないからである。
【００５８】
なお，図４の横軸に示した束縛エネルギーの値は，初期サンプルの表面に観測される表面汚染炭素に起因する炭素１ｓピークの位置が２８４．５ｅＶであるとして校正した値である。
【００５９】
図５は，表面反応層３２４に起因する６８７±２ｅＶのピーク強度（図４のピーク４０２の強度に相当）の，プラズマ処理時間に対する依存性を示すグラフ５０１である。プラズマ処理時間とは，高周波電源１１３からコイル状アンテナ１１２に高周波電力を供給し始めてからの経過時間を示す。図５のグラフ５０１に示す通り，表面反応層３２４に起因する６８７±２ｅＶのピーク強度は，プラズマ処理時間の経過に伴い増大して飽和傾向を示し，プラズマ処理時間が１５秒以上でほぼ一定となった。
【００６０】
このように，反応生成物の生成量が自己飽和性を持つ性質は，金属表面やシリコン表面の自然酸化現象とよく似ている。このように，表面反応層３２４の形成に自己飽和性があるために，飽和に要する時間以上のプラズマ処理をすることで，１サイクル当たりに生成する表面反応層３２４の生成量（膜厚）を一定にすることができる。
【００６１】
なお，本実施例では，表面反応層３２４の生成量が飽和するまでに１５秒を要したが，プラズマ源１０６とウェハステージ１０２に載置したウェハ３１８との距離やウェハ３１８の温度などの装置パラメータに応じて，飽和までに要する時間は変化する。
【００６２】
表面反応層３２４の生成が飽和するために必要なプラズマ処理時間が経過した後は，制御部１５０で制御してバルブ１１０を閉じて原料ガスの供給を停止すると共に，高周波電源１１３からプラズマ源１０６への高周波電力供給も停止する。また，処理室１０１の内部に残留するガスは，可変コンダクタンスバルブ１０７を介して真空ポンプ１０８により排気される。
【００６３】
続いて，制御部１５０で制御して、真空ポンプ１０８で処理室１０１の内部を真空に排気ながら赤外線ランプ１０５を点灯し，ウェハ３１８の表面を真空加熱する。このとき照射時間は５秒であり，ウェハ表面の最大到達温度は５０℃，圧力は１×１０−３Ｐａとした。
【００６４】
この工程は，ウェハ３１８の表面に形成された表面反応層３２４の主成分である六フッ化タングステンを，揮発させる工程である。この揮発反応は，高温で低圧なほど有利である。発明者らは，この揮発反応をすみやかに起こすためには，ウェハ３１８の表面温度を、六フッ化タングステンの沸点以上の温度，すなわち１７℃以上に設定することが効果的であることを見出した。また，処理室１０１の内部の圧力としては１００Ｐａ以下に設定することが効果的であることを見出した。
【００６５】
なお，本実施例では，ウェハ表面の最大到達温度を５０℃，真空度１×１０−３Ｐａとしたが，最大到達温度は六フッ化アンモニウムの沸点以上の温度領域において，適宜適切な値に設定すれば良い。典型的な温度範囲は，２５℃〜１００℃である。また，典型的な加熱時の圧力は，１×１０−５〜１００Ｐａである。
【００６６】
図６は，処理室１０１の内部の真空度１×１０−３Ｐａにおいて，ウェハ３１８を各種温度で１分間加熱した場合の，表面反応層３２４に起因する６８７±２ｅＶのピーク強度６０１（図４のピーク４０２の強度に相当）の変化を示すグラフである。表面反応層３２４に起因する６８７±２ｅＶのピーク強度６０１は，加熱温度が１０℃前後で低下し，４０℃で加熱した場合には消失していることが分かる。真空加熱することにより，１００℃以下の，半導体デバイス作製工程への適用に好適な，低い温度で表面反応層を揮発させることができる。また，５０℃以下とすれば，冷却時間を短くすることができるためエッチング工程におけるスループットが向上する。この効果は，サイクル数が多いほど顕著となる。
【００６７】
ここで，加熱時の処理室１０１の内部の圧力に関して更に説明する。１００Ｐａでは，５０℃で十分な揮発が見られるが，５００Ｐａまで上げるとすみやかな揮発に必要な温度は８０℃程度になる。このため，冷却時間短縮の効果を考慮すると，真空加熱時の圧力は１００Ｐａ以下が望ましい。加熱時の圧力は低いほど望ましいが，１０Ｐａ以下がより望ましく，０．１Ｐａ以下が好適である。但し,圧力の下限値については、 排気設備のコスト増や排気時間の長時間化を考慮すると１×１０−５Ｐａ以上が望ましい。
【００６８】
図７は，ウェハ３１８の表面の到達温度が５０℃となるようにランプ加熱して表面反応層３２４を除去した場合の，表面反応層３２４に起因する６８７±２ｅＶのピーク強度（図４のピーク４０２に相当）の，加熱時間に対する変化を示すグラフ７０１である。
【００６９】
赤外線ランプ１０５により赤外光１２５を照射してウェハ３１８の表面を加熱することにより，表面反応層３２４の残存量を示す６８７±２ｅＶのピーク強度が減少し，加熱時間６秒では完全に消滅していることが分かる。
【００７０】
この加熱工程では，ウェハ３１８の表面に生成した表面反応層３２４のみが揮発し，表面反応層３２４の下部に存在する未反応のタングステン膜３２７は全く変化しないので，表面反応層３２４部分のみを除去することができる。従って，表面反応層３２４を形成する第一工程（Ｓ１０２）に加えて，表面反応層３２４を除去する第二工程（Ｓ１０３）も，自己飽和的である。
【００７１】
なお，この加熱工程に際しては，ウェハ３１８はウェハステージ１０２の上に戴置された状態であるが，ウェハ３１８の裏面の熱伝導を高めるために用いられるヘリウムガスの供給は停止し，ウェハ３１８の表面の温度が速やかに上昇するようにした。
【００７２】
なお，本実施例ではウェハ３１８をウェハステージ１０２の上に戴置したままの状態で処理したが，リフトピンなどを用いてウェハ３１８がウェハステージ１０２と熱的に接触していない状態で赤外光を照射しても良い。表面反応層３２４を除去するために必要な加熱時間が経過した後は，赤外線ランプ１０５が消灯されて，処理室１０１の残留ガスが真空ポンプ１０８を用いて排気される。
【００７３】
その後，図示していないヘリウムガスの供給が再開されてウェハ３１８とウェハステージ１０２の熱伝導が高められ，ウェハ３１８の温度は，サーキュレータ１１６および冷却ライン１１７によって−２０℃まで冷却され，１サイクル目の処理を終了する。
【００７４】
以上のようにフッ素のラジカルを含む反応種２２３を処理室１０１の内部に供給することによって表面反応層３２４を形成する第一工程と，加熱によって表面反応層３２４を揮発除去する第二工程により，タングステン膜３２１の表面の一定量がエッチング除去された。本実施例では，１サイクルにおけるタングステン膜３２１の表面のエッチング量は０．８ｎｍであった。このため，８ｎｍのエッチングが必要な本実施例では，上記のサイクルを１０回繰り返し，エッチングを終了した。
【００７５】
本実施例のエッチング技術によれば，表面反応層３２４を形成する第一工程と，表面反応層３２４を除去する第二工程は，共に自己飽和的な性質を持つため，一回のサイクルを終えた際のタングステン膜３２１の表面のエッチング量は，ウェハ３１８の面内方向，深さ方向の位置によらず一定となる。このため，ウェハ３１８上の位置や深さ方向の位置によってラジカル密度が変化した場合でも，エッチング量が必要以上に大きくなったり不足したりすることが無く，エッチング量を均一にすることができる。
【００７６】
また，トータルのエッチング量はサイクルの繰り返し回数で決まり，１サイクル当たりのエッチング量の整数倍となる。これらの結果として，本実施例のエッチング技術では，従来の連続的なプラズマ処理によるエッチングと比較して，エッチング量の寸法制御性に関わる歩留まりを大幅に向上させることができる。
【００７７】
以上本実施例によれば，タングステンを，ウェハ面内方向やパターン深さ方向における高い均一性，ならびに原子層レベルの高い加工寸法制御性でエッチング加工する技術（タングステンの等方性原子層レベルエッチング技術）を提供することができる。
【実施例２】
【００７８】
本発明の実施例２について，図８，図１０〜図１２を用いて説明する。なお，実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。本実施例は，ＣＨＦ３／Ｏ２プラズマを用いてシリコンウェハ上のタングステン膜を,シリコン層などに対して選択的にエッチングする例について説明する。
【００７９】
図１０は，本実施例に係るエッチング装置２００の概略構成断面図である。本エッチング装置２００は，略円筒状の処理室２０１の内部に設けられたウェハステージ２０２と，石英製の多孔プレート２９１を挟んで処理室２０１と連続的に設けられた略円筒状のプラズマ発生室２９２と，プラズマ発生室２９２の外側に設けられたコイル状アンテナ２１２と，プラズマ発生室２９２の上部に石英ガラス２０３を挟んで設けられたランプユニット２０４と，ランプユニット２０４の内部に設けられた赤外線ランプ２０５と、全体を制御する制御部２５０を具備している。
【００８０】
処理室２０１と多孔プレート２９１，プラズマ発生室２９２，石英ガラス２０３，およびランプユニット２０４は、図示していないＯリング等の真空シール手段で気密構造となるように構成されており，可変コンダクタンスバルブ１０７を介して接続された真空ポンプ１０８により排気されている。可変コンダクタンスバルブ１０７及び真空ポンプ１０８は、制御部２５０により制御される。
【００８１】
また，本エッチング装置２００には、ガスボンベ１０９やバルブ１１０等からなるガス供給手段が設けられており，このガス供給手段は、制御部２５０により制御される。ガスボンベ１０９から供給されるガスはバルブ１１０を介して，ドーナツ状のガス整流器２９４からプラズマ発生室２９２の内部に導入される。導入されたガスは，制御部２５０により制御された高周波電源２１３からコイル状アンテナ２１２に与えられた高周波電力により生成するプラズマ２２０により活性化されてラジカルを生じる。
【００８２】
この、生じたラジカルはプラズマ発生室２９２を拡散して多孔プレート２９１の孔２９１１を通過して処理室２０１に供給され，ウェハ３１８の表面に到達する。また，ウェハステージ２０２には，制御部２５０により制御される熱電モジュール２９５が具備されており，図示しない熱交換器に放熱することによりウェハ３１８の温度を冷却することができる。
【００８３】
プラズマ発生室２９２の材質は，プラズマ耐性が高く，誘電体損失が小さく，異物や汚染の原因になりにくい材質が望ましい。例えば，溶融石英，高純度なアルミナ焼結体，イットリア焼結体等が望ましい。
【００８４】
また，処理室２０１の材質は，プラズマ耐性に優れ，ウェハに重金属汚染や異物により汚染を発生させにくい金属等が望ましい。例えば，表面をアルマイト処理したアルミニウム等が望ましい。また，処理室２０１の圧力は，所望の流量の処理ガスを流した状態で，制御部２５０で制御された可変コンダクタンスバルブ１０７と真空ポンプ１０８により一定に保つことができる。
【００８５】
また，前記したウェハステージ２０２の材質は，表面をアルマイト処理したアルミニウムなどが望ましい。また，ウェハステージ２０２には，図示しないウェハ昇降用のリフトピンが備えられている。
【００８６】
前記した処理室２０１の上部には，図示していないＯリング等の真空シール手段によりプラズマ発生室２９２と気密状態を保つように設置された石英ガラス２０３が具備されている。石英ガラス１０３は，光の透過率が高い素材を用いることが望ましい。例えば，純度の高い原料を用い，酸水素炎で溶融した超高純度溶融石英ガラスなどを用いることが望ましい。
【００８７】
また，プラズマ発生室２９２には，整流手段としてドーナツ状のガス整流器２９４が設けられており，ガス供給手段から供給されたガスをプラズマ発生室２９２の上部に供給できるようになっている。なお，ガス整流器２９４の形状は，処理室２０１へのラジカルの供給形態を変える目的で適宜選択されるものである。
【００８８】
例えば円盤状プレートにガスを通すための小穴を多数設けたシャワープレートを用いれば，処理室２０１の内部に均一性良くラジカルを導入することが可能である。その際，ガス整流器２９４の材質としては，プラズマ耐性が高く，光の透過率が高い材質，すなわち超高純度溶融石英ガラスなどを用いることが望ましい。
【００８９】
前記した石英ガラス２０３の上部には，ウェハ加熱用の赤外線ランプ２０５を具備したランプユニット２０４が備えられている。赤外線ランプ２０５のＯＮ−ＯＦＦは、制御部２５０で制御される。赤外線ランプ２０５としてはハロゲンランプなどを用いることができる。コイル状アンテナ２１２に接続された高周波電源２１３の周波数は，４００ｋＨｚから４０ＭＨｚの間で適宜選択されるが，本実施例では２７．１２ＭＨｚを用いた。
【００９０】
また，本高周波電源２１３は，図示しない周波数マッチング機能を備えている。すなわち，本高周波電源２１３は，中心周波数２７．１２ＭＨｚに対して±５％から±１０％の範囲で出力周波数を変化させることができ，かつ高周波電源２１３の出力部でモニタされる進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒの比率がＰｒ／Ｐｆが小さくなるように周波数をフィードバック制御できる機能を有している。
【００９１】
プラズマ発生室２９２に供給するガスの種類は，シリコン層などに対してタングステン膜を選択的にエッチングするために，フッ素，酸素，および水素を含有するガスの組合せを用いる。
【００９２】
フッ素を含有するガスの例としては，ＨＦ，ＣＦ４，ＣＨＦ３，ＣＨ２Ｆ２，ＣＨ３Ｆ，Ｃ２Ｆ６，Ｃ４Ｆ８，ＮＦ３，ＳＦ６などが挙げられる。酸素を含有するガスの例としては，Ｏ２，ＣＯ，ＣＯ２，ＳＯ２などが挙げられる。水素を含有するガスの例としては，ＨＦ，Ｈ２，ＣＨ４，ＣＨＦ３，ＣＨ２Ｆ２，ＣＨ３Ｆなどが挙げられる。
【００９３】
また，一つの分子内に，フッ素，酸素，水素の内の複数の元素が含まれるガスを用いる場合には，混合するガスの数を減らすことができる。また，これらの混合ガスに，ＡｒやＨｅなどの不活性ガスを加えることで適宜希釈することも可能である。
【００９４】
本実施例では，シリコンなどとの選択性を確保するために，フッ素に加え，酸素および水素を含むガスを用いている。酸素を含むガスを用いれば，被処理体表面にシリコンなどが露出している場合に，その表面が酸化されてエッチングが進まなくなり，高い選択性が得られるからである。また，水素も同時に含むために，タングステン上ではタングステン表面の酸化は完全に抑制され，六フッ化タングステンの生成と脱離によるサイクルエッチングプロセスの進行を妨げることはない。なお，ガス中に酸素を含むことのもう一つの効果は，酸素がＣＨＦ3を酸化することによりフッ素ラジカルの供給量を増大させ，六フッ化タングステンの生成を促進することである。
【００９５】
具体的なガスの組み合わせ例としては，ＣＦ４／Ｈ２／Ｏ２，ＣＨＦ３／Ｏ２，ＣＨ２Ｆ２／Ｏ２，ＣＨ２Ｆ２／ＣＯ２，ＣＨ３Ｆ／Ｏ２，Ｃ２Ｆ６／Ｈ２／ＣＯ２，Ｃ２Ｆ６／ＣＨ４／ＣＯ，ＣＦ４／Ｈ２／ＣＯ２などがあり，各々のプロセスで求められる選択性に応じて，混合するガスとして適切なものが選択される。本実施例では，シリコンおよび二酸化珪素に対して高い選択性を得るという観点からＣＨＦ３／Ｏ２のプラズマを用いたが，他のガス種を用いても良い。
【００９６】
本実施例におけるタングステン膜のエッチングは，タングステン膜が形成されているシリコンウェハにフッ素，酸素，および水素を含むラジカルを供給して前記タングステン膜に吸着させ，化学的に反応させて表面反応層を形成する第一工程と，前記化学反応により生成された表面反応層を加熱により揮発させる第二工程との繰り返しにより進行する。
【００９７】
図９は，本実施例のエッチング技術を用いた場合のウェハ断面構造（タングステン膜を含む多層構造体）の変化を示す概略図である。エッチング前のウェハ断面構造９１０（ステップＳ２０１）は、図８で説明したウェハ断面８１０の構造と同一であるため説明は省略する。本実施例では，タングステン膜３２１と二酸化珪素膜３７１が交互に積層された高アスペクト比の溝パターン３３１の内部において，二酸化珪素膜３７１に対しタングステン膜３２１のみを横方向に選択的にエッチングした（ステップＳ２０１〜Ｓ２０４）。
【００９８】
図９のステップＳ２０２とステップＳ２０３に示すように，本実施例のエッチング技術を用いた場合には，表面反応層９２４（実施例１における表面反応層３２４に相当）の形成量に実施例１で説明したように自己飽和性があるため，ウェハ断面構造９２０に示すような第一工程（ステップＳ２０２）とウェハ断面構造９３０に示すような第二工程（ステップＳ２０３）とを組合せた１サイクルを終了した時点におけるエッチング量が，パターンの深さ方向の位置によらず一定値となる（ステップＳ２０３）。このため，第一工程と第二工程とを組合せた１サイクルを複数回繰り返した後のエッチング量も，パターン深さ方向によらずほぼ一定となり，ウェハ断面構造９４０に示すような均一なエッチング量分布を得ることができる（ステップＳ２０４）。
【００９９】
具体的には，まずエッチングすべきタングステン膜が形成されたウェハ３１８が，図示しないウェハ搬送装置によってウェハ搬送口２１９から搬入されて，ウェハステージ２０２上に戴置される（図９のステップＳ２０１）。この時，ウェハステージ２０２の温度は，制御部２５０で制御された熱電モジュール２９５によって−１０℃に制御されており，ウェハ温度は−１０℃に冷却される。その後，ウェハ搬送口２１９が図示していない扉により閉じられて処理室２０１が気密に維持された状態で，処理室２０１が制御部２５０で制御された真空ポンプ１０８によって可変コンダクタンスバルブ１０７を介して排気される（図１０参照）。
【０１００】
一方，ガスボンベ１０９からはバルブ１１０等を介してＣＨＦ３ガスとＯ２ガスが供給されると共に，制御部２５０で制御された高周波電源２１３からの高周波電力がコイル状アンテナ２１２に供給され，プラズマ２２０が形成される。この時，ＣＨＦ３ガスの流量は５０ｓｃｃｍ，Ｏ２ガスの流量は５０ｓｃｃｍである。これらの原料ガスは，プラズマ２２０により活性化されてラジカルを含む反応種となって多孔プレート２９１を通過して処理室２０１に流れ込む。処理室２０１に流れ込んだラジカルを含む反応種は，処理室２０１の全体に均一に拡散し，ウェハステージ２０２に戴置されたウェハ３１８の全面に吸着する（図１０参照）。
【０１０１】
ウェハ３１８に吸着した反応種２２３はウェハ３１８表面のタングステン膜３２１と反応し，タングステン膜３２１の表面には反応生成物として六フッ化タングステンを主な成分とする表面反応層９２４が形成される。多孔プレート２９１がウェハ３１８とプラズマ２２０の間に設けてあることの効果により，プラズマ中に生成するイオンはウェハ３１８にほとんど入射しない。したがってイオン入射に起因する非選択的なエッチングはほとんど発生しない。特に，そのエッチングにイオン入射が必要な二酸化珪素膜３７１のエッチングは，ほとんど進まない。
【０１０２】
表面反応層９２４を自己飽和的に形成するために設定された処理時間が経過した後は，制御部２５０で制御して、バルブ１１０による原料ガスの供給を停止すると共に，高周波電源２１３も停止する。また，処理室２０１に残留するガスは，可変コンダクタンスバルブ１０７および真空ポンプ１０８により排気される。
【０１０３】
続いて，制御部２５０で制御して、赤外線ランプ２０５を点灯し，赤外光１２５によりウェハ３１８の表面を真空加熱する（図１０及び図９のステップＳ２０３参照）。このとき真空度は０．１Ｐａである。赤外光１２５の照射時間は７秒であり，ウェハ表面の最大到達温度は８０℃である。その結果，ウェハ３１８の表面から六フッ化タングステンを主成分とする表面反応層が揮発し，除去される。
【０１０４】
表面の反応生成物を除去するために設定された処理時間が経過した後は，制御部２５０で制御して、赤外線ランプ２０５が消灯されて，処理室２０１の残留ガスが真空ポンプ１０８を用いて排気される。
【０１０５】
以上のようにラジカルを含む反応種を吸着して表面反応層を形成する第一工程（図９のステップＳ２０２）と，ウェハ加熱によって表面反応層を除去する第二工程（図９のステップＳ２０３）の組み合わせにより，タングステン膜の表面部分がエッチング除去される。この第一工程と第二工程をサイクリックに繰り返し行うことにより，必要な量のエッチングを，制御性良く行うことができる（図９のステップＳ２０４参照）。
【０１０６】
なお，本実施例では，タングステン表面にラジカルを照射して表面反応層を形成する際の基板温度を−１０℃としたが，ラジカル照射時の基板温度は，表面反応層が除去されない十分低い温度とする必要がある。好ましくは，六フッ化タングステンの融点より低い，２℃以下とする必要がある。
【０１０７】
図１１に，1サイクル当たりのタングステンエッチング量の，ラジカル照射時の基板温度に対する依存性１１０１を示す。ラジカル照射時の基板温度が−２０℃から０℃の範囲では，１サイクルあたりのエッチング量は約１ｎｍでほぼ一定であるが，基板温度が１０℃以上では，１サイクルあたりのエッチング量が増大することが分かる。この結果からも分かる通り，表面反応層を自己飽和的に形成して，原子層レベルの制御性でサイクルエッチングを進めるためには，ラジカル照射時の基板温度を，六フッ化タングステンの融点より低い，２℃以下とすることが望ましい。なお，ラジカル照射時の基板温度が−４０℃以下と更に低温になると，フッ素とタングステンの反応速度が著しく低下して六フッ化タングステンが生成しにくくなると推定される。このため，速やかな表面反応層生成に適した温度範囲は，−４０℃〜２℃である。
【０１０８】
図１２に，本実施例のサイクル処理を用いてエッチングした場合の，タングステン膜１２０１、シリコン層１２０２、二酸化珪素膜１２０３など各種膜におけるエッチング量のサイクル数依存性を示す。タングステン膜１２０１のエッチング量測定には，蛍光エックス線膜厚測定装置を用いた。シリコン層１２０２および二酸化珪素膜１２０３のエッチング量の測定には，分光エリプソメータを用いた。タングステン膜１２０１のエッチング量はサイクル数に比例して段階的に増加し，１サイクル毎のエッチング量は１．０ｎｍであった。本実施例では，トータルで５ｎｍのエッチングが必要だったため，上記サイクルを５回繰り返すことで，目標のエッチング量を高精度に得ることができた。
【０１０９】
なお，１サイクル当たりのエッチング量は反応工程の基板温度や用いるガス種を変えることで制御できるので，求められる加工寸法に応じて適宜調整が可能である。また，本実施例では，フッ素，酸素および水素を含むガスとしてＣＨＦ３／Ｏ２を用いたが，これらのガスを用いることによりシリコン層１２０２および二酸化珪素膜１２０３がエッチングされないことが分かる。これにより，シリコン層１２０２や二酸化珪素膜１２０３に対しタングステン膜１２０１を高い選択性をもってエッチングすることができる。
【０１１０】
また，本実施例のプロセスでは反応種に酸素が含まれるため，シリコン表面は酸化され，シリコン表面におけるエッチング反応の進行を更に抑制することができる。これらの効果により，本実施例のガスケミストリとサイクル手順を用いれば，被処理体の表面にシリコン層が露出している場合にも，タングステン膜のみを選択的にエッチングすることができる。なお，本実施例のプロセスでは反応種に水素を含む効果により，タングステン表面の酸化は抑制され，タングステンのサイクルエッチングを進行させることができる。
【０１１１】
図１２に示すように，本実施例のサイクルエッチング技術を用いた場合におけるシリコン層１２０２および二酸化珪素膜１２０３のエッチング量は測定限界以下であり，シリコン層１２０２や二酸化珪素膜１２０３に対して１００対１以上の選択性で，タングステン膜１２０１のみをエッチングすることができた。
【０１１２】
以上，本実施例によれば，実施例１と同様の効果を得ることができる。また，タングステン膜に表面反応層を形成するときの供給ガスに酸素と水素を含めることにより，シリコン層に対してタングステン膜を選択的にエッチングすることができる。また，イオン照射が無いことの効果により，二酸化珪素膜に対してタングステンを選択的にエッチングすることができる。
【０１１３】
なお、実施例２においては、図１０に示したエッチング装置２００を用いてウェハ３１８をエッチング処理した例を示したが、実施例１で説明した図１に示したエッチング装置１００を用いて図９で説明したステップＳ２０１からＳ２０４までのプロセスを経てエッチング処理を行っても、同様な結果を得ることができる。
【０１１４】
なお，本発明は，上記実施例に限定されるものではなく，様々な変形例が含まれる。上記実施例で示した構成と実質的に同一の構成，同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えても良い。例えば，上記においては，赤外線ランプ１０５をプラズマ発生室１９２又は２９２の外部に設けたが，プラズマ発生室１９２または２９２の内部に設けても良い。また，上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり，必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１１５】
１００，２００・・・エッチング装置    １０１，２０１・・・処理室    １０２，２０２・・・ウェハステージ    １０３，２０３・・・石英ガラス    １０４，２０４・・・ランプユニット    １０５，２０５・・・赤外線ランプ    １０６・・・プラズマ源    １０７・・・可変コンダクタンスバルブ    １０８・・・真空ポンプ    １０９・・・ガスボンベ    １１０・・・バルブ    １１１・・・ガス導入管    １１２，２１２・・・コイル状アンテナ    １１３，２１３・・・高周波電源    １１６・・・サーキュレータ    １１７・・・冷却ライン    １１９，２０９・・・ウェハ搬送口    １５０，２５０・・・制御部    ２９１・・・多孔プレート    ２９２・・・プラズマ発生室    ２９５…熱電モジュール    ３１８・・・ウェハ。
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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