(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導体膜と前記第１の導体膜の下に設けた第２の導体膜とからなる構造のメタルゲートの下に絶縁膜を形成した半導体素子の加工方法において、
前記第１の導体膜は、Ｆ（フッ素）との反応により蒸気圧の高い反応生成物を形成する導体膜であり、
前記第２の導体膜は、前記第１の導体膜の下に設けた半導体素子のオン・オフの動作電圧の閾値を制御する導体膜であり、
前記絶縁膜は、Ｆとの反応により前記メタルゲートを構成する材料よりも低い蒸気圧の反応生成物を形成する絶縁膜であり、
メタルゲート材料をエッチングするＦを含有するエッチングガスが、ＳＦ６、ＮＦ３、ＣＦ４、ＣＨＦ３の少なくとも一つを含むガス、あるいはこれらにＣｌ２、Ｎ２、Ｏ２、希ガスを混合したガスであり、このエッチングガスのプラズマ中にて、前記第１の導体膜と第２の導体膜をエッチングした後、前記Ｆの量を調整して水平方向のエッチング速度と垂直方向のエッチング速度とのバランスをとりながら絶縁膜上のメタルゲート材料の各層を水平方向に等しい線幅でサイドエッチングするとともにメタルゲートをほぼ垂直に加工することを特徴とする半導体素子加工方法。
【請求項２】
第１の導体膜と前記第１の導体膜の下に設けた第２の導体膜とからなる構造のメタルゲートの下に絶縁膜を形成した半導体素子の加工方法において、
前記第１の導体膜は、Ｆ（フッ素）との反応により蒸気圧の高い反応生成物を形成する導体膜であり、
前記第２の導体膜は、前記第１の導体膜の下に設けた半導体素子のオン・オフの動作電圧の閾値を制御する導体膜であり、
前記絶縁膜は、Ｆとの反応により前記メタルゲートを構成する材料よりも低い蒸気圧の反応生成物を形成する絶縁膜であり、
ＳＦ６ガスとＣｌ２ガスとＮ２ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いて前記第１の導体膜と前記第２の導体膜をレジストと反射防止膜とを有する積層膜をマスクとしてプラズマエッチングし、
前記ＳＦ６ガスの流量は、６ｍｌ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする半導体素子加工方法。
【請求項３】
第１の導体膜と前記第１の導体膜の下に設けた第２の導体膜とからなる構造のメタルゲートの下に絶縁膜を形成した半導体素子の加工方法において、
前記第１の導体膜は、Ｆ（フッ素）との反応により蒸気圧の高い反応生成物を形成する導体膜であり、
前記第２の導体膜は、前記第１の導体膜の下に設けた半導体素子のオン・オフの動作電圧の閾値を制御する導体膜であり、
前記絶縁膜は、Ｆとの反応により前記メタルゲートを構成する材料よりも低い蒸気圧の反応生成物を形成する絶縁膜であり、
ＣＨＦ３ガスとＳＦ６ガスとＣｌ２ガスとＮ２ガスとの混合ガスを用いて前記第１の導体膜と前記第２の導体膜をレジストと反射防止膜とを有する積層膜をマスクとしてプラズマエッチングし、
前記ＳＦ６ガスの流量は、６ｍｌ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする半導体素子加工方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体素子加工方法において、
前記第１の導体膜が、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏのいずれかの金属またはこれらの金属のシリサイドあるいは窒化物であり、
前記第２の導体膜が、ＴｉあるいはＴａを含有する導体であり、
前記絶縁膜主成分が、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ａｌの酸化物あるいは窒化物であることを特徴とする半導体素子加工方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体素子加工方法において、
前記エッチングガスの圧力を３Ｐａ以下とし、半導体温度を０℃から５０℃とし、半導体に印加する高周波の電力を５０Ｗ以下としたことを特徴とする半導体素子加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細半導体素子の加工方法にかかわり、とくに通常ｈｉｇｈ−ｋ／メタルゲートと呼ばれる構造の素子の微細化に適した加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＣＭＯＳトランジスタなどの半導体素子の高速化および高集積化を意図して、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ２膜などからなる絶縁膜を設け、この上にＴｉＮあるいはＴａＮなどの半導体素子をｐ型またはｎ型とする仕事関数を制御する金属材料膜を設け、さらにこの金属材料膜の上にＷあるいはＭｏなどの材料からなるゲート電極材料を設けたメタルゲート構造の半導体素子が提案されている。
【０００３】
このような半導体素子の加工方法に関して、レジスト／Ｗ／ＴｉＮ／Ｓｉ（珪素）の構造を持つ配線を、Ｃ４Ｆ８ガスやＳＦ６ガスを用いて圧力０．２７Ｐａにてエッチングする方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
この文献には、加工サイズは５００ｎｍ程度であり、現在必要とされている加工のサイズ（ラインの幅）である６５ｎｍ以下の加工サイズを達成する方法は記載されていない。
【０００５】
一方、このようなメタルゲート半導体素子の加工にあたっては、上記の構造の上にレジストをマスクとして設け、このマスクを用いてエッチングしている。このマスクの線幅は５００ｎｍ程度であり、このマスクの線幅を例えば２００ｎｍほどに減少させるためには、スリミングという加工方法が知られている。
【０００６】
スリミングという加工方法は、下地材料である半導体素子のエッチングを開始する前に、酸素などレジストを削る効果のあるガスでレジストを横方向にエッチングすることであり、レジストマスクのサイズを細らせて、リソグラフィーでパタニングされたマスクサイズより、さらにライン幅を小さくする技術である。このスリミング加工方法では、レジストを細くすると同時に厚さも薄くなるので、下地材料をエッチングする際に、レジストの厚さが不足してしまうという課題がある。レジストマスクの厚み不足を補うためにレジスト層を厚くすると、線幅に対して厚み方向が大きくなりすぎてレジストが倒れてしまうなど自立できなくなる恐れがある。メタルゲート構造を必要とする世代では素子の微細化も６５ｎｍ以下なり、これに伴いレジストの厚さはより薄くなる方向なので、従来からのスリミング技術でも対応が難しくなっている。
【０００７】
従来の、仕事関数制御金属ＴｉＮの下に酸化物膜層が存在する層構造を有する半導体素子の構造および半導体素子の加工方法を、図８を用いて説明する。半導体素子の基板は、Ｓｉ基板１１上に、ＳｉＯ２膜１２０、仕事関数制御金属としてのＴｉＮ膜１３、電極材料としてのＷ膜１４、キャップとしてのＳｉＮ膜１５、反射防止膜（ＢＡＲＣ）１６が堆積され、その上にパタニングされたレジスト層１７が形成された、メタルゲート構造を有している（図８（Ａ））。
【０００８】
このような構造を有する半導体素子のエッチング加工法においては、マスクスリミングでは酸素プラズマによるスリミングによりレジスト１７を細線化するとともにＢＡＲＣ１６のエッチングを行う（図８（Ｂ））。次いで、ＣＦ４などを用いて、キャップＳｉＮ層１５、電極Ｗ層１４、仕事関数制御金属ＴｉＮ層１３をエッチングする。この加工方法では、図８（Ｃ）に示すように、エッチング中にレジストが垂直方向のみにエッチングされ、線幅を細くすることができない。
【０００９】
本発明は、トランジスタのより高速化のために提案されているメタルゲートと呼ばれる半導体素子の微細なドライエッチング加工を目的としている。この構造の加工では、ゲートの絶縁膜（従来はＳｉＯ２）の上にＴｉＮあるいはＴａＮのような仕事関数を制御する目的の金属を堆積して、さらにＷあるいはＭｏなどの高融点金属を堆積させた構造を、レジストをマスクとしてエッチングするものである。現在必要とされている加工のサイズ（ラインの幅）は６５ｎｍ以下となっている。
【００１０】
一方、スリミング加工方法ではレジストは細くなると同時に厚さも薄くなるので、下地材料をエッチングする際に、レジストの厚さが不足してしまう課題がある。メタルゲート構造を必要とする世代では素子の微細化により線幅（ライン幅）も６５ｎｍ以下なり、これに伴いレジストの厚さはより薄くなる方向なので、従来からのスリミング技術でも対応が難しくなっている。
【００１１】
従来のメタルゲート構造で絶縁膜として用いるＳｉＯ２膜では、ＳｉＦ４の蒸気圧が非常に高いことから、第２の導体膜のエッチングが終了してＳｉＯ２膜が露出した後、ごく短時間でＳｉＯ２膜がエッチングされ突き抜けてしまい、Ｆを含むガスでは素子の加工ができないという問題がある。
【非特許文献１】ジャーナル  オブ  バキューム  サイエンス  アンド  テクノロジー（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．）Ａ  １３巻  １９９５年  ８１０頁から８１４頁  アメリカン  バキューム  ソサエティ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｖａｃｃｕｍ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、少なくともＷ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏなどを主成分とする第１の導体膜と仕事関数制御金属ＴｉＮなどの第２の導体からなるメタルゲート構造の下に絶縁層が存在する電極構造を有する半導体素子の加工方法において、従来の絶縁層であるＳｉＯ２膜が露出した後の、絶縁膜の突き抜けを阻止する構造を有するメタルゲート構造半導体素子のレジストおよびレジストの下方に設けたメタルゲートを垂直方向エッチングする際に、従来方法と比較して同じレジストの厚さで、より細いライン幅を得る加工を可能とする加工方法を提供することを目的とする。
【００１３】
すなわち、本発明は、ｈｉｇｈ−ｋ／メタルゲートと呼ばれる構造の素子の微細化に適した加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では、メタルゲート構造の素子をより微細化するために、メタルゲートの下に堆積する絶縁膜を、フッ素と反応したときに蒸気圧が比較的低い、ＨｆやＺｒの酸化物あるいは窒化物（いわいるｈｉｇｈ−ｋ材料）とし、かつ、メタルゲートエッチング時にメタルゲート材料とマスク材料の水平方向のエッチング速度が等しくなるような条件でエッチングすることにより、メタルゲートを垂直方向にエッチングしながら同時に水平方向にもエッチングして線幅を細くして、より薄いレジスト厚で、より細いラインの加工を実現する。
【００１５】
すなわち、本発明の半導体素子加工方法は、第１の導体膜と前記第１の導体膜の下に設けた第２の導体膜とからなる構造のメタルゲートの下に絶縁膜を形成した半導体素子の加工方法において、前記第１の導体膜は、Ｆ（フッ素）との反応により蒸気圧の高い反応生成物を形成する導体膜であり、前記第２の導体膜は、前記第１の導体膜の下に設けた半導体素子のオン・オフの動作電圧の閾値を制御する導体膜であり、前記絶縁膜は、Ｆとの反応により前記メタルゲートを構成する材料よりも低い蒸気圧の反応生成物を形成する絶縁膜であり、メタルゲート材料をエッチングするＦを含有するエッチングガスが、ＳＦ６、ＮＦ３、ＣＦ４、ＣＨＦ３の少なくとも一つを含むガス、あるいはこれらにＣｌ２、Ｎ２、Ｏ２、希ガスを混合したガスであり、このエッチングガスのプラズマ中にて、前記第１の導体膜と第２の導体膜をエッチングした後、前記Ｆの量を調整して水平方向のエッチング速度と垂直方向のエッチング速度とのバランスをとりながら絶縁膜上のメタルゲート材料の各層を水平方向に等しい線幅でサイドエッチングするとともにメタルゲートをほぼ垂直に加工することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の半導体素子加工方法は、第１の導体膜と前記第１の導体膜の下に設けた第２の導体膜とからなる構造のメタルゲートの下に絶縁膜を形成した半導体素子の加工方法において、前記第１の導体膜は、Ｆ（フッ素）との反応により蒸気圧の高い反応生成物を形成する導体膜であり、前記第２の導体膜は、前記第１の導体膜の下に設けた半導体素子のオン・オフの動作電圧の閾値を制御する導体膜であり、前記絶縁膜は、Ｆとの反応により前記メタルゲートを構成する材料よりも低い蒸気圧の反応生成物を形成する絶縁膜であり、ＳＦ６ガスとＣｌ２ガスとＮ２ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いて前記第１の導体膜と前記第２の導体膜をレジストと反射防止膜とを有する積層膜をマスクとしてプラズマエッチングし、前記ＳＦ６ガスの流量は、６ｍｌ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の半導体素子加工方法は、第１の導体膜と前記第１の導体膜の下に設けた第２の導体膜とからなる構造のメタルゲートの下に絶縁膜を形成した半導体素子の加工方法において、前記第１の導体膜は、Ｆ（フッ素）との反応により蒸気圧の高い反応生成物を形成する導体膜であり、前記第２の導体膜は、前記第１の導体膜の下に設けた半導体素子のオン・オフの動作電圧の閾値を制御する導体膜であり、前記絶縁膜は、Ｆとの反応により前記メタルゲートを構成する材料よりも低い蒸気圧の反応生成物を形成する絶縁膜であり、ＣＨＦ３ガスとＳＦ６ガスとＣｌ２ガスとＮ２ガスとの混合ガスを用いて前記第１の導体膜と前記第２の導体膜をレジストと反射防止膜とを有する積層膜をマスクとしてプラズマエッチングし、前記ＳＦ６ガスの流量は、６ｍｌ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の半導体素子加工方法は、前記第１の導体膜が、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏのいずれかの金属またはこれらの金属のシリサイドあるいは窒化物であり、前記第２の導体膜が、ＴｉあるいはＴａを含有する導体であり、前記絶縁膜主成分が、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ａｌの酸化物あるいは窒化物であることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の半導体素子加工方法は、前記エッチングガスの圧力を３Ｐａ以下とし、半導体温度を０℃から５０℃とし、半導体に印加する高周波の電力を５０Ｗ以下としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の加工方法では、図１（Ｄ）のように、メタルゲートのエッチング中にレジストおよびＢＡＲＣならびにメタルゲートは垂直方向と同時に水平方向にもエッチングされ、さらにその後に絶縁膜をオーバーエッチングすることにより、レジストおよびＢＡＲＣならびにメタルゲートは垂直方向と同時に水平方向にもエッチングされる。一方、従来の方法では、図８に示すようにエッチング中にレジストが垂直方向のみにエッチングされる。したがって、本発明では従来方法と比較して同じレジストおよびＢＡＲＣ厚さで、より細いライン幅を得ることができる。
【００２１】
本発明は、メタルゲートをＦ（フッ素）との反応により蒸気圧の高い反応生成物を形成する第１の導体膜と、第１の導体膜の下に設けた半導体素子のオン・オフの動作電圧の閾値を制御する第２の導体膜として構成し、このメタルゲートの下にＦとの反応により前記メタルゲートを構成する材料よりも低い蒸気圧の反応生成物を形成する絶縁膜を設けることにより、メタルゲートと絶縁膜をエッチングする際の選択性が高くなり、メタルゲート材料をオーバーエッチングする間にゲートメタルの横方向のエッチングが行われ線幅をより細くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［実施例１］本発明の第１の実施例である、サイドエッチスリミングによる半導体素子加工方法について、図１を用いて以下に説明する。実施例１における半導体素子は、Ｓｉ基板１１上に、ゲート絶縁膜としてのＨｆＳｉＯＮ膜１２、メタルゲートを構成する仕事関数制御金属としてのＴｉＮ膜１３、メタルゲートを構成する電極材料としてのＷ膜１４、キャップとしてのＳｉＮ膜１５、反射防止膜（ＢＡＲＣ）１６が堆積された、ｈｉｇｈ−ｋ／メタルゲート構造を有しており、ＢＡＲＣ１６の上に、パタニングされたレジスト１７が設けられている。それぞれの膜厚は、ＨｆＳｉＯＮ膜１２が２ｎｍ、ＴｉＮ膜１３が１０ｎｍ、Ｗ膜１４が５０ｎｍ、ＳｉＮ膜１５が５０ｎｍ、ＢＡＲＣ１６が８０ｎｍ、レジスト１７が２００ｎｍである。
【００２３】
以下、本発明にかかる半導体素子の加工方法を説明する。初期状態では、リソグラフィーによりパタニングされたレジスト１７が最上層にある。レジスト層は最終的な線幅より大きい形状にパタニングされる（図１（Ａ））。次に、マスクスリミングでは酸素プラズマによるスリミングによりレジスト１７を細線化するとともにＢＡＲＣ１６のエッチングを行う（図１（Ｂ））。次に、キャップエッチングではＳＦ６ガスとＣＨＦ３ガスとＡｒガスの混合ガスによりキャップＳｉＮ層１５をエッチングする（図１（Ｃ））。ここまでは従来の微細化方法と同様である。
【００２４】
次に、電極Ｗ層１４と仕事関数制御金属ＴｉＮ層１３をエッチングするときのガスとして、レジスト１７、ＢＡＲＣ１６、ＳｉＮ層１５、Ｗ層１４、ＴｉＮ層１３がほぼ等しい速度ｖ１で水平方向にエッチングされて、かつ、Ｗ層１４とＴｉＮ層１３がｖ１より数倍程度大きい速度ｖ２で垂直方向にエッチングされ、さらに、ＨｆＳｉＯＮ層１２に対して高い選択比を持つようなガス系を用いる。このような働きを持つエッチングガスとして、ＳＦ２、Ｃｌ２、ＣＨＦ３、ＮＦ３などのフッ素を含む混合ガスを用いることができる。
【００２５】
すると、エッチング時のスリミングに示されるように、ＷとＴｉＮのエッチングおよびそのオーバーエッチング（ＨｆＳｉＯＮ層１２で垂直方向のエッチングが止まりながら、水平方向のみエッチングが進行する）により、ゲート線幅全体が細くなり、より微細な半導体素子の加工ができる（図１（Ｄ））。
【００２６】
このようなレジスト１７、ＢＡＲＣ１６、ＳＩＮ層１５に対してサイドエッチングする働きを有し、ＨｆＳｉＯＮ層１２に対する選択性を持ち電極Ｗ層１４と仕事関数制御金属ＴｉＮ層１３をエッチングおよびサイドエッチングするエッチング条件は、例えばＳＦ６、ＮＦ３、ＣＦ４、ＣＨＦ３のようなＦ含むガス、あるいはこれらのガスにＣｌ２、Ｎ２、希ガスなどを混合したガスで達成できることを実験的に見出した。
【００２７】
その一例として、図1に示す構造では、ＳＦ２ガスを２０ｍｌ／分、Ｃｌ２ガスを２０ｍｌ／分、ＣＨＦ３ガスを４０ｍｌ／分、Ｎ２ガスを１００ｍｌ／分の流量で、圧力１Ｐａ、ウエハ温度３０℃の条件にて達成できる。この方法によれば、初期１００ｎｍのラインをエッチング後に５０ｎｍ以下に細らせることができる。サイドエッチスリミングを実現するガス条件の詳細は実施例２にて説明する。
【００２８】
［実施例２］本発明の第２の実施例である、サイドエッチスリミングによる半導体素子加工方法について、以下に説明する。図２の加工工程を模式的に示す断面図を用いて、本発明にかかる加工方法が適用される半導体素子の構造と、加工工程を説明する。図２は、メタルゲート構造を表１に示す条件でエッチングした際のメタルゲート部の縦断面のＳＥＭ（電子顕微鏡）写真を基に作成した模式図である。
【表１】
0005248063.tif 000002
【００２９】
この実施例においては、シリコン基板１１の上に、２．５ｎｍのＨｆＳｉＯＮ膜１２、１０ｎｍのＴａＳｉＮ膜１３、５０ｎｍのＷ膜１４を積層してメタルゲート構造とし、さらにこの上に８０ｎｍのＳｉＮ膜１５、５０ｎｍのＢＡＲＣ１６、２００ｎｍのレジスト１７を積層して構成される（図２（Ａ））。図２（Ａ）では、レジスト１７は、パタニングされ、初期線幅は１００ｎｍである。
【００３０】
まず、ＢＡＲＣ１６を、以下の条件でエッチングする。エッチングガス種とその流量は、Ａｒが７５ｍｌ／ｍｉｎ、ＨＢｒが３５ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ２が１０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力０．８Ｐａ、バイアス電力２０Ｗ、ウエハ温度３０℃で、ＳｉＮ膜１５に達するまでエッチングした。この際、レジスト１７は、上面がエッチングされるが、サイドエッチされず、１００ｎｍの線幅を維持する（図２（Ｂ））。
【００３１】
次いで、ＳｉＮ膜１５を、以下の条件でエッチングする。エッチングガス種とその流量は、Ａｒが５０ｍｌ／ｍｉｎ、ＣＨＦ３が１６０ｍｌ／ｍｉｎ、ＳＦ６が１０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力１．２Ｐａ、バイアス電力３０Ｗ、ウエハ温度３０℃で、Ｗ膜１４に達するまでエッチングした。この際、レジスト１７は上面がエッチングされるが、レジスト１７とＢＡＲＣ１６はサイドエッチされず、線幅は１００ｎｍである（図２（Ｃ））。
【００３２】
次に、Ｗ膜１４を、以下の条件でエッチングする。エッチングガス種とその流量は、ＳＦ６が３０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ２が５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｎ２が１１０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ２が２０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力１．０Ｐａ、バイアス電力２０Ｗ、ウエハ温度３０℃で、１５秒間、ＴａＳｉＮ膜１３に達するまでエッチングした。この際、垂直方向のエッチングが進行すると同時に各層の横方向のエッチング（サイドエッチング）が進行して、レジスト１７、ＢＡＲＣ１６、ＳｉＮ膜１５の線幅は細くなる（図２（Ｄ））。
【００３３】
次に、ＴａＳｉＮ膜１３をＨｆＳｉＯＮ膜１２に達するまで、上記Ｗ膜１４のエッチングと同じ条件でエッチングした。すなわち、エッチングガス種とその流量は、ＳＦ６が３０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ２が５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｎ２が１１０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ２が２０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力１．０Ｐａ、バイアス電力２０Ｗ、ウエハ温度３０℃であり、Ｗエッチング開始後２９秒で、ＴａＳｉＮ層１３もエッチングが終了して、下地ＨｆＳｉＯＮ膜１２にてエッチングが止まった状態になっている。この際、サイドエッチングがさらに進行して、レジスト１７、ＢＡＲＣ１６、ＳｉＮ膜１５、Ｗ膜１４の線幅はさらに細くなる（図２（Ｅ））。
【００３４】
その後、ＨｆＳｉＯＮ膜１２を、Ｗ膜１４およびＴａＳｉＮ膜１３と同じ条件でオーバーエッチング（Ｗエッチング開始後３５秒間）する。これにより、ＨｆＳｉＯＮ膜１２はほとんどエッチングされないが、レジスト１７、ＢＡＲＣ１６、ＳｉＮ膜１５、Ｗ膜１４、ＴａＳｉＯＮ膜１３サイドエッチングが進行して、線幅を所望の線幅、例えば３５ｎｍに細くすることができる（図２（Ｆ））。
【００３５】
この実施例で、サイドエッチスリミングを実現するためには、フッ素含有ガスの量を最適化して、レジスト／ＢＡＲＣ／ＳｉＮ／Ｗ／ＴａＳｉＮ各層の水平方向のエッチング速度と垂直方向のエッチング速度のバランスを保ち、各層間で凹凸ができないようにする必要がある。さらに、フッ素含有ガス量をある程度以上必要とするために、下地にはＦではエッチングされにくい絶縁膜を用いる必要がある。
【００３６】
また、この実施例では、レジスト１７およびＢＡＲＣ１６のエッチングにて線幅を細くする従来のスリミングは実施していないが、従来のスリミングを併用すればより細い線幅を実現できる。
【００３７】
次に、サイドエッチスリミングを実現するためのガス条件について説明する。図３を用いて、表１に示すＷ／ＴａＳｉＮ層エッチング条件にてＳＦ６の流量を変えた場合のＷ層のサイドエッチ速度を説明する。Ｃｌ２、Ｎ２、Ｏ２の流量は、それぞれ、５０ｍｌ／ｍｉｎ、１１０ｍｌ／ｍｉｎ、２０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力は１Ｐａである。図３は、横軸にＳＦ６の流量（ｍｌ／ｍｉｎ）を、縦軸にＷ層のサイドエッチレート（ｎｍ／ｍｉｎ）を表す。Ｆの流量を多くすると、サイドエッチ速度が増加する、ここで、負の速度は形状がテーパ状になることを意味している。実施例２では、ＳＦ６を６ｍｌ／ｍｉｎ以上流すことで、サイドエッチングが進行して線幅を細くすることができる。
【００３８】
図４〜図６を用いて、それぞれ、Ｃｌ２、Ｎ２、Ｏ２の流量を変えた場合のサイドエッチ速度を説明する。図４は、Ｃｌ２の流量を変えた場合であり、Ｎ２、Ｏ２、ＳＦ６の流量は、それぞれ、１１０ｍｌ／ｍｉｎ、２０ｍｌ／ｍｉｎ、３０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力は１Ｐａである。図５は、Ｎ２の流量を変えた場合であり、ＣＩ２、Ｏ２、ＳＦ６の流量は、それぞれ、５０ｍｌ／ｍｉｎ、２０ｍｌ／ｍｉｎ、３０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力は１Ｐａである。図６は、Ｏ２の流量を変えた場合であり、ＣＩ２、Ｎ２、ＳＦ６の流量は、それぞれ、５０ｍｌ／ｍｉｎ、１１０ｍｌ／ｍｉｎ、３０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力は１Ｐａである。
【００３９】
これらのガス流量を増加すると、サイドエッチ速度が遅くなる傾向があり、形状を微調整することができる。Ｃｌ２に関してはＷとの反応性生物ＷＣｌ５の蒸気圧があまり高くないために、イオン照射がない側壁に堆積するとサイドエッチングを抑制する働きを有する。したがって、Ｃｌ２単独ではサイドエッチスリミングを実現することができない。
【００４０】
また、サイドエッチスリミングを実現するためには、異なる材料間でサイドエッチ速度のバランスを保ち、段差が生じないようにする必要がある。このためには、ウエハの温度の最適化が重要となる。実施例２では、ウエハの温度を３０℃にしているが、異なる温度にするとサイドエッチング速度のバランスが崩れて、層間に凹凸が生じる。この場合には改めてＳＦ６他のガス比を調整すればよい。
【００４１】
実施例２では、フッ素含有ガスとしてＳＦ６を用いているが、ＣＦ４、ＮＦ３でも同様の効果が得られる。
【００４２】
［実施例３］本発明の第３の実施例を、表２を用いて説明する。実施例３は、メタルゲート材料としてのＷ／ＴｉＮのエッチングをいくつかのステップに分けて行った例である。
【表２】
0005248063.tif 000003
【００４３】
本条件では、ＢＡＲＣ／ＳｉＮのエッチング条件を変えているが、ここはスリミングには関係のない変更である。
【００４４】
実施例３は、Ｓｉ基板１１上に、ＨｆＳｉＯＮ膜１２、ＴｉＮ膜１３、Ｗ膜１４、ＳｉＮ膜１５、ＢＡＲＣ１６、レジスト１７を積層したウエハを用いる。ＢＡＲＣ１６のエッチングガス種とその流量は、Ａｒが７５ｍｌ／ｍｉｎ、ＨＢｒが３５ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ２が１０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力０．８Ｐａ、バイアス電力４０Ｗ、ウエハ温度３０℃で、ＳｉＮ膜１５に達するまでエッチングした。
【００４５】
次いで、ＳｉＮ膜１５を、以下の条件でエッチングする。エッチングガス種とその流量は、Ａｒが５０ｍｌ／ｍｉｎ、ＣＨＦ３が１６０ｍｌ／ｍｉｎ、ＳＦ６が２０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力１．２Ｐａ、バイアス電力４０Ｗ、ウエハ温度３０℃で、Ｗ膜１４に達するまでエッチングした。この際、レジスト１７は上面がエッチングされるが、レジスト１７とＢＡＲＣ１６はサイドエッチされない。
【００４６】
さらに、Ｗ膜１４およびＴｉＮ膜１３を以下の条件で連続してエッチングした。エッチングガスとその流量は、ＣＨＦ３が２０ｍｌ／ｍｉｎ、ＳＦ６が２０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ２が５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｎ２が１１０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力１．０Ｐａ、バイアス電力２０Ｗ、ウエハ温度３０℃で、ＨｆＳｉＯＮ膜１２の近傍までエッチングした。
【００４７】
さらに、ＴｉＮ膜１３を下記の条件でオーバーエッチングした。エッチングガスとその流量は、Ｃｌ２が３０ｍｌ／ｍｉｎ、ＨＢｒが５０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力０．２Ｐａ、バイアス電力２０Ｗ、ウエハ温度３０℃である。このオーバーエッチングによって、ＨｆＳｉＯＮ膜１２はエッチングされることなく、ＴｉＮ膜１３、Ｗ膜１４の形状をより垂直にすることができる。
【００４８】
実施例３では、Ｗ／ＴｉＮのエッチングをＳＦ６／ＣＨＦ３／Ｃｌ２／Ｎ２の混合ガスで行っており、この条件でもＳＦ６の含有量がサイドエッチを生じる領域にあり、サイドエッチスリミングができる。さらに、サイドエッチスリミングで、Ｗ／ＴｉＮをエッチングした後に、ＨＢｒ／Ｃｌ２ガスを用いて追加エッチングしている。このガス条件では、サイドエッチスリミングは生じないが、最後にＴｉＮの形状をより垂直にするために挿入されている。
【００４９】
以上のように、Ｗ／メタル層をいくつかのステップに分けて、より精密な形状制御をすることができる。実施例３では、初期のレジスト線幅は１００ｎｍであり、エッチング後の線幅を２０ｎｍ以下になっている。この微細加工を従来のスリミング方法で行うと、初期のレジスト線幅を２０ｎｍにした時点でレジスト高さも８０ｎｍ減少して、残り１２０ｎｍになる。このレジスト厚さで、ＳｉＮ以下の層を従来のエッチング方でエッチングすると、レジストが途中でなくなってしまい、２０ｎｍの線幅を実現することはできない。
【００５０】
また、実施例３のほかにエッチングをいくつかに分ける例としては、ＨｆＳｉＯＮが露出する直前でバイアス電圧を低下させて、対ＨｆＳｉＯＮ比を向上させることもできる。
【００５１】
［実施例４］本発明の第４の実施例を、表３を用いて説明する。実施例４は、サイドエッチスリミングを行わずに、レジスト線幅と同じにＷ／メタル層をエッチングすることもできる。すなわち、Ｗ／ＴａＳｉＮエッチング時のＳＦ６量をサイドエッチ速度がほぼ０になる５ｍｌ／ｍｉｎにしてエッチングする。このエッチング条件を表３に示す。
【表３】
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【００５２】
実施例４は、Ｓｉ基板１１上に、ＨｆＳｉＯＮ膜１２、ＴａＳｉＮ膜１３、Ｗ膜１４、ＳｉＮ膜１５、ＢＡＲＣ１６、レジスト１７を積層したウエハを用いる。ＢＡＲＣ１６のエッチングガス種とその流量は、Ａｒが７５ｍｌ／ｍｉｎ、ＨＢｒが３５ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ２が１０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力０．８Ｐａ、バイアス電力４０Ｗ、ウエハ温度３０℃で、ＳｉＮ膜１５に達するまでエッチングした。
【００５３】
次いで、ＳｉＮ膜１５を、以下の条件でエッチングする。エッチングガス種とその流量は、Ａｒが５０ｍｌ／ｍｉｎ、ＣＨＦ３が１６０ｍｌ／ｍｉｎ、ＳＦ６が２０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力１．２Ｐａ、バイアス電力４０Ｗ、ウエハ温度３０℃で、Ｗ膜１４に達するまでエッチングした。この際、レジスト１７は上面がエッチングされるが、レジスト１７とＢＡＲＣ１６はサイドエッチされない。
【００５４】
さらに、Ｗ膜１４およびＴａＳｉＮ膜１３を以下の条件で連続してエッチングした。エッチングガスとその流量は、ＣＨＦ３が４０ｍｌ／ｍｉｎ、ＳＦ６が５ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ２が５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｎ２が１０５ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力１．０Ｐａ、バイアス電力２０Ｗ、ウエハ温度３０℃で、ＨｆＳｉＯＮ膜１２の近傍までエッチングした。
【００５５】
さらに、ＴａＳｉＮ膜１３を下記の条件でオーバーエッチングした。エッチングガスとその流量は、Ｃｌ２が３０ｍｌ／ｍｉｎ、ＨＢｒが５０ｍｌ／ｍｉｎであり、圧力０．２Ｐａ、バイアス電力２０Ｗ、ウエハ温度３０℃である。このオーバーエッチングによって、ＨｆＳｉＯＮ膜１２はエッチングされることなく、望みの線幅とすることができる。このように、サイドエッチ速度を０になるように調整すると、線幅の細りなく垂直な形状を得ることができる。
【００５６】
図７を用いて、本発明を実施するエッチング装置全体構造の一例を説明する。このエッチング装置は、電子スピン共鳴（ＥＣＲ）式と呼ばれる方式で、プラズマ電源２１と、電磁波を真空チャンバ内に放出するアンテナ２２と、電磁波を透過する窓２３と、内部にプラズマを生成しウエハ２６をエッチング処理する真空チャンバ２４と、ウエハ２６を保持するウエハ載置台２５と、ウエハへの入射イオンを加速するためのバイアス電源２７と、チャンバ２４内に磁場を発生する電磁コイル２８が設けられている。
【００５７】
プラズマ電源２１から放出された電磁波が、アンテナ２２から石英などの電磁波を透過する窓２３を通して真空チャンバ２４中へ放出される。真空チャンバ２４内はエッチングガスが一定の圧力で保持されており、電磁波によりガスがプラズマ化して反応性イオンがウエハ２６に入射することでエッチングが進行する。ウエハ２６を保持するウエハ載置台２５には、入射イオンを加速するためのバイアス電源２７が接続されている。
【００５８】
このエッチング装置では、電磁コイル２８により真空チャンバ２４内に磁場を発生する。プラズマ中の電子スピン周波数と、プラズマ電源２１の周波数が一致するように磁場強度を設定すると、電力が効率よくプラズマに吸収されて、低圧にて高いプラズマ密度を維持することができる。ＥＣＲを生じる磁場強度は電磁コイル２８に流す電流値を変えることにより、設定できる。したがって、ＥＣＲ方式のプラズマ源は、低圧力を必要とする本発明の実施には適している。
【００５９】
本発明を実施するエッチング装置は、
上記に限らず、誘導結合型（ＩＣＰ）プラズマ装置やヘリコン波を利用したプラズマ装置、並行平板型のプラズマ装置など他のエッチング装置も用いることができる。
【００６０】
以上の実施例を通して、第１の導体膜１４と第２の導体膜１３の下に設ける絶縁膜１２として、ＨｆＳｉＯＮ層を用いたが、絶縁膜１２は、これに限らず、ＨｆＯ２、ＨｆＯＮあるいはＺｒＯ２やＺｒＳｉＯＮなど、Ｚｒ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ａｌの酸化物あるいは窒化物を含む絶縁膜を用いることができる。
【００６１】
また、前記第１の導体膜がＷの例を説明したが、第１の導体膜として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏのいずれかの金属またはこれらの金属のシリサイドあるいは窒化物を用いることができる。また、上記の説明では、前記第２の導体膜１３が、ＴａＳｉＮ、ＴｉＮの例を説明したが、第２の導体膜１３は、ＴｉあるいはＴａの他にＭｏ、Ｒｅを含有する半導体素子のオン・オフの動作電圧の閾値を制御する導体膜であればよい。また、層の構成はＷ／ＴｉＮ／ＴａＳｉＮ／ＨｆＳｉＯＮのようにより多層構造になる場合もある。またマスク／キャップ構造も、アモルファスカーボン層などを含むいわいる多層レジストになる場合でも、本発明は同様に適用できる。
【００６２】
本発明における、メタルゲート材料をエッチングガスとして、ＳＦ６、ＮＦ３、ＣＦ４、ＣＨＦ３を少なくとも一つ含むガス、あるいはこれらにＣｌ２、Ｎ２、Ｏ２，希ガスを混合したガスを用いることができる。さらに、上記メタルゲート材料のエッチングガスの圧力を３Ｐａ以下、ウエハ温度を０℃から５０℃、ウエハに印加する高周波の電力を５０Ｗ以下として、かつサイドエッチ速度と垂直方向エッチ速度のバランスをとりながら、メタルゲートをほぼ垂直に加工する。
【００６３】
以上の説明のように、本発明は、第１の導体膜１４と前記第１の導体膜１４の下に設けた第２の導体膜１３とからなる構造のメタルゲート１３、１４の下に絶縁膜１２を形成した半導体素子の加工方法において、前記第１の導体膜１４は、Ｆとの反応により蒸気圧の高い反応生成物を形成する導体膜であり、前記第２の導体膜１３は、前記第１の導体膜１４の下に設けた半導体素子のオン・オフの動作電圧の閾値を制御する導体膜であり、前記絶縁膜１２は、Ｆとの反応により前記メタルゲートを構成する材料よりも低い蒸気圧の反応生成物を形成する絶縁膜であり、少なくともＦを含有するエッチングガスのプラズマ中にて、前記第１の導体膜１４と第２の導体膜１３をエッチングした後、前記メタルゲート材料１３をオーバーエッチングすることにより、絶縁膜１２上のメタルゲート材料の各層１３、１４を水平方向に等しい線幅でサイドエッチングすることを特徴とする。
【００６４】
本発明は、上記半導体素子加工方法において、前記第１の導体膜１４が、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏのいずれかの金属またはこれらの金属のシリサイドあるいは窒化物であり、前記第２の導体膜１３が、ＴｉあるいはＴａを含有する導体であり、前記絶縁膜１２の主成分が、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ａｌの酸化物あるいは窒化物であることを特徴とする。
【００６５】
本発明は、上記半導体素子加工方法において、メタルゲート材料１４、１３をエッチングするＦを含有するエッチングガスが、ＳＦ６、ＮＦ３、ＣＦ４、ＣＨＦ３の少なくとも一つ含むガス、あるいはこれらにＣｌ２、Ｎ２、Ｏ２、希ガスを混合したガスであり、前記エッチングガスの圧力を３Ｐａ以下とし、半導体温度を０℃から５０℃とし、半導体に印加する高周波の電力を５０Ｗ以下として、前記Ｆの量を調整して水平方向のエッチング速度と垂直方向のエッチング速度とのバランスをとりながら絶縁膜上のメタルゲート材料の各層を水平方向に等しい線幅でサイドエッチングするとともにメタルゲートをほぼ垂直に加工することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施例１にかかるメタルゲート構造および処理工程を説明する断面図。
【図２】本発明の実施例２にかかるメタルゲート構造および処理工程を説明する断面図。
【図３】本発明の実施例２にかかるＷエッチングにおけるＳＦ６の流量とサイドエッチ速度の関係を説明する図。
【図４】本発明の実施例２にかかるＷエッチングにおけるＣｌ２の流量とサイドエッチ速度の関係を説明する図。
【図５】本発明の実施例２にかかるＷエッチングにおけるＮ２の流量とサイドエッチ速度の関係を説明する図。
【図６】本発明の実施例２にかかるＷエッチングにおけるＯ２の流量とサイドエッチ速度の関係を説明する図。
【図７】本発明を実施するためのエッチング装置の構造の一例を説明する図。
【図８】従来の加工方法におけるメタルゲート構造および処理工程を説明する断面図。
【符号の説明】
【００６７】
１１：Ｓｉ基板、１２：ＨｆＳｉＯＮ層、１２０：ＳｉＯ２層、１３：ＴｉＮ層／ＴａＳｉＮ層、１４：Ｗ層、１５：ＳｉＮ層、１６：反射防止膜（ＢＡＲＣ）、１７：レジスト、２１：プラズマ電源、２２：アンテナ、２３：窓、２４：真空チャンバ、２５：ウエハ載置台、２６：ウエハ、２７：バイアス電源、２８：電磁コイル
【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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