(57)【要約】      （修正有）【課題】下層に存在する酸化膜とタングステン、或いはタングステンシリサイドのエッチング速度の選択比を大きくしたプラズマエッチング方法を提供する。【解決手段】被処理物は、シリコン基板１に酸化膜２が形成されており、この酸化膜に被エッチング物質であるタングステン膜３が形成されている。このタングステン膜３をタングステン膜３を被覆したフォトレジスト膜４をマスクとしてエッチングする場合、エッチングガスとして弗素系のガスであるＳＦ６と、ＳｉＦ４とに、Ｏ２及びＣｌ２とＮ２を混合したものが用いられる。上記弗素系および塩素系のエッチング種は、タングステン膜３及び酸化膜２の両方をエッチングする。塩素系エッチング種から生成される反応生成物は弗素系反応生成物の蒸気圧より高いのでエッチング速度は遅く、反応生成物は酸化膜２とタングステン膜３の表面に付着し、形状の制御性を向上させるためにも有効となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被エッチング物質が設置されたエッチングチャンバ内にエッチングガスを導入し、このエッチングガスをプラズマ状態に励起して上記被エッチング物質をエッチングするプラズマエッチング方法において、上記被エッチング物質は酸化膜に積層されたタングステン（Ｗ）或いはタングステンシリサイドであって、上記エッチングガスは弗素系ガスに四弗化シリコン（ＳｉＦ４）を混合した混合ガスに、Ｏ２、Ｎ２、Ｃｌ２、のうちから選ばれる少なくとも１種のガスを添加した混合ガスであることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
被エッチング物質が設置されたエッチングチャンバ内にエッチングガスを導入し、このエッチングガスをプラズマ状態に励起して上記被エッチング物質をエッチングするプラズマエッチング方法において、上記被エッチング物質は酸化膜に積層されたタングステン（Ｗ）或いはタングステンシリサイドであって、上記エッチングガスは弗素系ガスに四弗化シリコン（ＳｉＦ４）を混合した混合ガスに、Ｏ２、Ｎ２、Ｃｌ２、のうちから選ばれる少なくとも１種のガスを添加した混合ガスであり、上記被エッチング物質であるタングステン（Ｗ）を酸化膜に対して選択的にエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項３】
被エッチング物質が設置されたエッチングチャンバ内にエッチングガスを導入し、このエッチングガスをプラズマ状態に励起して上記被エッチング物質上に積層した酸化膜をマスクに上記被エッチング物質をエッチングするプラズマエッチング方法において、上記被エッチング物質はシリコン（Ｓｉ）、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、或いはポリシリコンであって、上記エッチングガスは弗素系ガスに四弗化シリコン（ＳｉＦ４）を混合した混合ガスに、Ｏ２、Ｎ２、Ｃｌ２、ＨＢｒ、のうちから選ばれる少なくとも１種のガスを混合した混合ガスであることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項４】
被エッチング物質が設置されたエッチングチャンバ内にエッチングガスを導入し、このエッチングガスをプラズマ状態に励起して上記被エッチング物質上に積層した酸化膜をマスクに上記被エッチング物質をエッチングするプラズマエッチング方法において、上記被エッチング物質はシリコン（Ｓｉ）、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、或いはポリシリコンであって、上記エッチングガスは弗素系ガスに四弗化シリコン（ＳｉＦ４）を混合した混合ガスに、Ｏ２、Ｎ２、Ｃｌ２、ＨＢｒ、のうちから選ばれる少なくとも１種のガスを混合した混合ガスであり、上記被エッチング物質であるシリコン、アモルファスシリコン或いは、ポリシリコンをマスクである酸化膜に対して選択的にエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項５】
ウエハ処理間にｉｎ−ｓｉｔｕでクリーニングを目的としたプラズマクリーニングをロット内で行うことを特徴した請求項１及び請求項２記載のプラズマエッチング方法。
【請求項６】
ウエハ処理間にｉｎ−ｓｉｔｕでクリーニングを目的としたプラズマクリーニングをロット内で行うことを特徴した請求項３及び請求項４記載のプラズマエッチング方法。
【請求項７】
請求項５及び請求項６におけるクリーニングガスがＳＦ６及びＳＦ６を少なくとも５０％以上含む混合ガスを使用することを特徴としたプラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエッチングガスをプラズマ状態に励起して被エッチング物質をエッチングするプラズマエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの微細加工技術としては、マイクロ波プラズマエッチング、反応性イオンエッチング等が知られている。これらのエッチング技術はエッチングガスを、平行平板電極による高周波電界やサイクロトロン共鳴を使用しプラズマ状態に励起して被エッチング物質をエッチングするものである。たとえば、被エッチング物質としてタングステンをプラズマエッチングする方法としては、特許文献１に記載のように、エッチングガスとしてはＳＦ６を主体としＣｌ２、Ｏ２を含む混合ガス或いはＣｌ２を主体とした混合ガスでエッチングが行われる。また、被エッチング物質としてタングステンシリサイドをプラズマエッチングする方法としては、特許文献２に記載のようにＳＦ６、ＨＢｒ、及びＯ２或いはＮ２の混合ガスが用いられている。
【０００３】
被エッチング物質のエッチングにおいては、エッチング性能として被エッチング物質を選択的にエッチングすることが要求される。つまり、フォトレジスト膜、酸化膜、或いはナイトライド膜等の物質をマスク物質としエッチングする場合は、被エッチング物質をマスク物質に対して選択的にエッチングすることが要求される。言い換えれば、被エッチング物質のエッチング速度とマスク物質のエッチング速度の選択比を大きくすることが要求される。また、同様に被エッチング物質は下地物質に対しても選択的にエッチングすることが要求される。つまり、被エッチング物質のエッチング速度と下地酸化膜のエッチング速度の選択比を大きくすることが要求される。
【０００４】
従来使用されているプラズマエッチング技術では、被エッチング物質として例えば図１に示すようにフォトレジスト膜４をマスクにタングステン膜３をエッチングする場合は、ＳＦ６ガス主体の混合ガスが使用されており、このガスをプラズマ化し、被エッチング物質であるタングステン膜３をエッチングする。また、下地物質である酸化膜２も同様なプラズマに晒されるためエッチングされる。
【０００５】
タングステンは、ＳＦ６主体の混合ガスから生成されるプラズマ中の弗素ラジカル及び弗素イオンとの反応により六弗化タングステンが主に生成されることでエッチングされる。また、下地の酸化膜もこのプラズマに触れることで、弗素ラジカル及び弗素イオンとの反応により四弗化シリコンが主に生成されることでエッチングされる。
この時の分子の結合エネルギーを見ると、反応生成物である六弗化タングステンを構成するＷ−Ｆの結合エネルギーは１３１ｋｃａｌ／ｍｏｌ、下地物質である酸化膜を構成するＳｉ−Ｏの結合エネルギーは１９２ｋｃａｌ／ｍｏｌ、反応生成物である四弗化シリコンを構成するＳｉ−Ｆの結合エネルギーは１３０ｋｃａｌ／ｍｏｌとなっている。化学反応はこの結合エネルギー以上のエネルギーが加えられることにより、結合が切断されより別の結合形態となることで進行する。
この場合、六弗化タングステンを構成するＷ−Ｆの結合エネルギーは四弗化シリコンを構成するＳｉ−Ｆの結合エネルギーと同程度であるが酸化膜のＳｉ−Ｏの結合エネルギーがこれらより大きいため、酸化膜よりタングステンの方のエッチングが進行し易い。つまり、タングステンのエッチング速度の方が酸化膜のエッチング速度より速くなり、タングステンを酸化膜に対して選択的エッチングすることが可能となる。
【０００６】
基本的にはタングステンも酸化膜も他のハロゲンガス、例えば塩素においても反応生成物の結合エネルギーの差で選択的エッチングを実現する。Ｃｌ２ガスでは、Ｗ−Ｃｌ（１０１ｋｃａｌ／ｍｏｌ）、Ｓｉ−Ｃｌ（１５１ｋｃａｌ／ｍｏｌ）、ＨＢｒガスでは、Ｗ−Ｂｒ（７９ｋｃａｌ／ｍｏｌ）、Ｓｉ−Ｂｒ（７０ｋｃａｌ／ｍｏｌ）が想定され、いずれもＳｉ−Ｏの結合ネネルギーとの差にて選択性が得られる。
しかし、マスク物質としてフォトレジストが使用されたり、ガスとしてカーボン（Ｃ）を含むガスが混合された場合は、フォトレジストやガスに含まれるカーボン（Ｃ）と酸素（Ｏ）との結合であるＣ−Ｏの結合エネルギーが２５７ｋｃａｌ／ｍｏｌとＳｉ−Ｏの結合エネルギーより大きいため、プラズマから入射されるイオンのアシストによりカーボンと酸化膜に含まれるＯと反応が進行することでＳｉ−Ｏ結合が容易に切断される。この時、Ｓｉ−Ｆの結合エネルギー（１３０ｋｃａｌ／ｍｏｌ）とＷ−Ｆの結合エネルギー（１３１ｋｃａｌ／ｍｏｌ）はほぼ同じであるため、これらの反応の進行速度差が小さくなる。この為、タングステンを酸化膜に対して選択的にエッチングすることが困難となる。
【０００７】
従って、更に選択性を増加させる手段として、例えばＯ２ガスが添加する手法が用いられる。この場合、添加されたＯ２とカーボン（Ｃ）と反応させることで、カーボンと酸化膜中のＯとの反応確率を低下させたり、生成されたＳｉ−Ｆの結合を再度切断し、Ｓｉ−Ｏ結合を生成させることで、酸化膜のエッチング速度を抑制させ、タングステンとの選択性が増加する。しかし、酸素は同時にタングステンとも反応しＷ−Ｏ（１５５ｋｃａｌ／ｍｏｌ）結合により酸化タングステン（ＷＯ３やＷＯ２）を生成する。これら酸化タングステンは蒸気圧が高くエッチング条件下ではその形態は固体であり、これがタングステン表面に付着することでエッチングが抑制されるため、タングステンと酸化膜エッチング速度の選択比を大きく増加させることはできない。つまり、Ｏ２を添加しＳｉＯ２やＳｉＯを生成させ酸化膜表面に付着させることで実現できるが、生成できるＳｉＯ２やＳｉＯの量は酸化膜をエッチングすることで生成されるＳｉＦ４の量で律され、発生するＳｉＦ４量はＳＦ６等の弗素系ガスから供給されるエッチング種の量つまりエッチング速度で決まるため、酸化膜のエッチング速度を低下させる条件は、タングステンのエッチング速度も低下させることになり、選択比を多きく変えることは困難であった。
【０００８】
プラズマエッチングを行う際には、被エッチング物質がタングステンシリサイドやシリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコンにおいても同様に、マスク物質や下地酸化膜に対してエッチング速度の選択比を大きくすることが要求されるということが生じる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−１７５１７０号公報
【特許文献２】
特開平５−２６７２４０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、被エッチング物質としてタングステン、或いはタングステンシリサイドをその物質の下層に存在する酸化膜とのエッチング速度の選択比を大きくできるようにしたプラズマエッチング方法を提供することにある。
【００１１】
また、この発明は、被エッチング物質としてシリコン、アモルファスシリコン、及びポリシリコンを、その物質を覆うマスク物質の酸化膜とのエッチング速度の選択比を大きくできるようにしたプラズマエッチング方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための第一の発明は、被エッチング物質が設置されたエッチングチャンバ内にエッチングガスを導入し、このエッチングガスをプラズマ状態に励起して上記被エッチング物質をエッチングするプラズマエッチング方法において、上記被エッチング物質は酸化膜に積層されたタングステン或いはタングステンシリサイドであって、上記エッチングガスは弗素系ガスに四弗化シリコンを混合した混合ガスに、Ｏ２、Ｎ２、Ｃｌ２、のうちから選ばれる少なくとも１種のガスを添加した混合ガスであることを特徴とするプラズマエッチング方法である。第二の発明は、被エッチング物質が設置されたエッチングチャンバ内にエッチングガスを導入し、このエッチングガスをプラズマ状態に励起して上記被エッチング物質をエッチングするプラズマエッチング方法において、上記被エッチング物質は酸化膜に積層されたタングステン（Ｗ）或いはタングステンシリサイドであって、上記エッチングガスは弗素系ガスに四弗化シリコン（ＳｉＦ４）を混合した混合ガスに、Ｏ２、Ｎ２、Ｃｌ２、のうちから選ばれる少なくとも１種のガスを添加した混合ガスであり、上記被エッチング物質であるタングステン（Ｗ）を酸化膜に対して選択的にエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法である。第三の発明は、被エッチング物質が設置されたエッチングチャンバ内にエッチングガスを導入し、このエッチングガスをプラズマ状態に励起して上記被エッチング物質上に積層した酸化膜をマスクに上記被エッチング物質をエッチングするプラズマエッチング方法において、上記被エッチング物質はシリコン（Ｓｉ）、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、或いはポリシリコンであって、上記エッチングガスは弗素系ガスに四弗化シリコン（ＳｉＦ４）を混合した混合ガスに、Ｏ２、Ｎ２、Ｃｌ２、ＨＢｒ、のうちから選ばれる少なくとも１種のガスを混合した混合ガスであることを特徴とするプラズマエッチング方法である。第四の発明は、被エッチング物質が設置されたエッチングチャンバ内にエッチングガスを導入し、このエッチングガスをプラズマ状態に励起して上記被エッチング物質上に積層した酸化膜をマスクに上記被エッチング物質をエッチングするプラズマエッチング方法において、上記被エッチング物質はシリコン（Ｓｉ）、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、或いはポリシリコンであって、上記エッチングガスは弗素系ガスに四弗化シリコン（ＳｉＦ４）を混合した混合ガスに、Ｏ２、Ｎ２、Ｃｌ２、ＨＢｒ、のうちから選ばれる少なくとも１種のガスを混合した混合ガスであり、上記被エッチング物質であるシリコン、アモルファスシリコン或いは、ポリシリコンをマスクである酸化膜に対して選択的にエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法である。第五の発明は、ウエハ処理間にｉｎ−ｓｉｔｕでクリーニングを目的としたプラズマクリーニングをロット内で行うことを特徴したプラズマエッチング方法である。第六の発明は、ウエハ処理間にｉｎ−ｓｉｔｕでクリーニングを目的としたプラズマクリーニングをロット内で行うことを特徴した請求項３及び請求項４記載のプラズマエッチング方法である。第七の発明は、クリーニングガスがＳＦ６及びＳＦ６を少なくとも５０％以上含む混合ガスを使用することを特徴としたプラズマエッチング方法である。
【００１３】
（作用）
エッチングガスとして弗素系ガスと四弗化シリコンの混合ガスに、Ｏ２、Ｎ２、Ｃｌ２のうちから選ばれる少なくとも１種のガスを混合したガスを用いれば、その混合割合を制御することで、被エッチング物質をマスク物質或いは下地物質である酸化膜に対して所定のエッチング速度の選択比でエッチングできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の第一の実施例を図１と図２を参照して説明する。
【００１５】
図２は、この発明のプラズマエッチングを行うためのマイクロ波プラズマエッチング装置である。この装置ではエッチング処理室１０にエッチングガス２２を導入し、マイクロ波発生器１１で発信されたマイクロ波を整合器１２及び導波管１３を通しマイクロ波導入窓１５よりエッチング処理室１０に輸送してガスをプラズマ化する。高効率放電のため磁場発生用のソレノイドコイル１４をエッチング処理室周辺に配置し、０．０８７５テスラの磁場をつくり電子サイクロトロン共鳴を用いて高密度プラズマを発生させる。エッチング処理室１０には処理台２０があり、この上に被処理物２１を設置して、ガスプラズマによりエッチングする。エッチング処理室１０に導入されたエッチングガス１５は、排気ポンプ１７及び排気配管１８によりエッチング処理室１０の外に排気される。被処理物を設置する処理台２０には高周波電源１９が接続され、４００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚの高周波バイアスを印加できる構造となっている。
【００１６】
つぎに、上記装置において図２に示す構造の被処理物２１をエッチングする場合を示す。図１に示す被処理物は、シリコン基板１に酸化膜２が形成されており、この酸化膜に被エッチング物質であるタングステン膜３が形成されている。このタングステン膜３をタングステン膜３を被覆したフォトレジスト膜４をマスクとしてエッチングする場合、エッチングガスとして弗素系のガスであるＳＦ６（六弗化硫黄）と、ＳｉＦ４（四弗化シリコン）とに、Ｏ２（酸素）及びＣｌ２（塩素）とＮ２（窒素）を混合したが用いられる。この混合ガスを励起してプラズマ状態にすると、弗素系のエッチング種と塩素系のエッチング種、及び酸素ラジカルと酸素イオン、窒素イオンが混合比に応じた割合で発生させることができる。
【００１７】
上記弗素系のエッチング種は、タングステン及び酸化膜の両方に対してエッチング作用を是する。これに対して、塩素系のエッチング種もタングステン及び酸化膜の両方に対してエッチング作用を呈するが、その反応生成物は蒸気圧が弗素系エッチング種から生成される反応生成物の蒸気圧より高いのでエッチング速度は遅く、反応生成物は酸化膜上に付着し酸化膜のエッチング速度を低下させるだけでなく被エッチング物質のタングステン表面にも付着し、形状の制御性を向上させるためにも有効となる。また、窒素イオンは被エッチング物質のタングステンと反応し弗化タングステン（ＷＮ）を生成し、タングステン表面に付着することで形状の制御性を向上させる。酸素ラジカルや酸素イオンは酸化膜の反応生成物であるＳｉＦ４やエッチングガスとして混入したＳｉＦ４と反応しＳｉＯ２及びＳｉＯを生成する。生成されたＳｉＯ２及びＳｉＯは蒸気圧が低いため、エッチング条件下では容易に酸化膜上に付着し、酸化膜のエッチング速度を抑制する。また、フォトレジストから発生するカーボン（Ｃ）と反応することで、カーボンとＳｉＯ２のＯとの反応を抑制する効果も有する。
【００１８】
本発明の特徴は、弗素系のエッチング種生成のため、ＳＦ６以外にＳｉＦ４を用いることにある。つまり、ＳｉＦ４を構成するＳｉ−Ｆの結合エネルギーが１３０ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、Ｓｉ−Ｏの結合エネルギー１９２ｋｃａｌ／ｍｏｌより小さいことと、タングステンの弗素系ガスとの反応生成物である六弗化タングステンを構成するＷ−Ｆの結合エネルギーが１３１ｋｃａｌ／ｍｏｌとＳｉ−Ｆの結合エネルギーに近いことで、酸化膜をエッチングしてＳｉＦ４を生成させなくとも、ＳｉＯ２及びＳｉＯの生成が可能となり、且つタングステンをエッチングする弗素系のエッチング種を増加できることにある。言い換えれば、エッチングガスとしてＳｉＦ４を用いることで、弗素系のエッチング種の供給と酸素と結合することでＳｉＯ２及びＳｉＯを生成するＳｉを同時に供給できる。これにより、酸化膜がエッチングされ生成されるＳｉＦ４から生成されるＳｉＯ２やＳｉＯの量以外にエッチングガスとして供給されたＳｉＦ４からもＳｉＯ２やＳｉＯが生成されるため酸化膜に付着するＳｉＯ２やＳｉＯの量を増加でき、大きく酸化膜のエッチング速度を低下できる。また、この時、ＳｉＦ４からＳｉＯ２やＳｉＯが生成されると同時に弗素系のエッチング種生成されるためタングステンのエッチング速度の低下が抑制できる。これらの作用により、被エッチング物質であるタングステンと酸化膜とのエッチング速度の選択比を大きくすることが可能となる。
【００１９】
従って、この現象を利用してエッチングを行えば、弗素系のエッチング種でタングステン膜３のエッチングを行いつつ、酸素と四弗化シリコンの反応からＳｉＯ２やＳｉＯを生成させ酸化膜２上に付着させることで、タングステン膜３を酸化膜２に対して選択的にエッチングすることができる。
【００２０】
図３にＳｉＦ４／ＳＦ６／Ｏ２／Ｃｌ２／Ｎ２系のガス組成比とエッチング速度の関係を測定した実験結果を示す。同曲線中ＡはＳＦ６／Ｏ２／Ｃｌ２／Ｎ２の流量をトータル２８０ｍｌ／ｍｉｎで一定とし、ＳｉＦ４を０〜３００ｍｌ／ｍｉｎの範囲で変化させたときのタングステンのエッチング速度を示し、曲線Ｂは同じくＳｉＯ２のエッチング速度を示す。曲線ＣはＷ／ＳｉＯ２のエッチング速度の選択比を示す。
【００２１】
この実験結果から明らかなように、タングステンのエッチング速度をほとんど低下させること無く、酸化膜のエッチング速度を低下させることができるので、Ｗ／ＳｉＯ２のエッチング速度の選択比を大幅に増加できた。
【００２２】
すなわち、エッチングガスとしてＳＦ６にＳｉＦ４とＯ２を混合したガスを用いることで、タングステンと酸化膜とのエッチング速度の選択比を従来に比べて十分大きくすることができる。上記実施例ではＮ２とＣｌ２も混合しているが、これらは形状制御の効果の割合が大きく、選択性に関してはＮ２或いはＣｌ２は混合しなくとも十分な効果が得られる。
【００２３】
なお、この発明は上記実施例に限定されず、種々変形可能である。例えば、被エッチング物質としてタングステンはシリコンであっても良い。この場合は、シリコンとマスク物質となる酸化膜とのシリコン／酸化膜の選択比を大きくすることができる。また、エッチング装置はマイクロ波プラズマエッチング装置に変わり、平行平板型やその他の型式のものであってもいよい。
【００２４】
以上述べたようにこの発明は、エッチングチャンバで被エチング物質をエッチングする際、エッチングガスとして弗素系ガスと四弗化シリコンガスとＯ２の混合ガスを用いるようにした。
【００２５】
そのため、被エッチング物質として酸化膜上に積層したタングステンをエッチングする場合、上記混合ガスの混合比を制御することで、これらのエッチング速度の選択比を大きくすることができた。
【００２６】
また、被エッチング物質がマスク物質として酸化膜を被覆したシリコンをエッチングする場合は、混合ガスの混合比を制御することでマスク物質である酸化膜に対するエッチング速度の選択比を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】タングステン膜構造ウエハの例である。
【図２】本発明の一実施例を示すマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図である。
【図３】本発明での一実施例を示すエッチングガスの混合比に対するタングステンと酸化膜のエッチング速度と、タングステンと酸化膜エッチング速度比（選択比）の測定結果のグラフである。
【符号の説明】
１  Ｓｉ基板
２  酸化膜
３  タングステン膜
４  フォトレジスト膜
１０  エッチング処理室
１１  マイクロ波発信器
１２  整合器
１３  導波管
１４  ソレノイドコイル
１５  マイクロ波導入窓
１６  アース
１７  排気ポンプ
１８  排気配管
１９  高周波電源
２０  処理台
２１  被処理物
２２  エッチングガス
【図１】
2004273532.tif 000003
【図２】
2004273532.tif 000004
【図３】
2004273532.tif 000005