(57)【要約】本発明は、半導体構造においてタングステンまたは窒化タングステンをエッチングする方法、特に、エッチングプロセスにわたって正確な制御を必要とするゲート電極のエッチングに関する。我々は、隣接する酸化物層以外のタングステンまたは窒化タングステンをエッチングするために、例えば、少なくとも１７５：１の優れた選択性を与えつつ、正確なエッチングプロフィールの制御を可能にするタングステンまたは窒化タングステンをエッチングする方法を発見した。一般的に、酸化物は、酸化シリコン、シリコンオキシナイトライド、五酸化タンタル、酸化ジルコニウム、及びそれらの組合わせから選択される。本方法は、物理気層堆積（ＰＶＤ）または化学気層堆積（ＣＶＤ）によって堆積されるタングステンまたは窒化タングステンに応用することができる。特に、タングステンまたは窒化タングステンのエッチングプロセスの大部分（主エッチング）の間用いられる最初のエッチング化学作用は、化学的に機能するエッチャント種がＳＦ６およびＮ２の組合わせから、またはそれらの代わりに、ＮＦ３、Ｃｌ２、及びＣＦ４の組合わせから生成されるプラズマソースガスを用いる。主エッチングプロセスの終わりに向かって、化学的に機能するエッチャント種がＣｌ２及びＯ２から生成される第２の化学作用が用いられる。エッチングプロセスのこの最終部分は、エッチングがタングステンまたは窒化タングステンの下層の少なくとも表面まで行われるので、“オーバエッチング”プロセスと呼ばれる。しかし、この第２のエッチング化学作用は、２−ステップに任意に分けられ、第２のステップ中にプラズマソースガスの酸素含有量及びプラズマソース電力が増加される。
2004519102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステンまたは窒化タングステンをプラズマエッチングする方法であって、
プラズマソースガス中のＯ２の体積％が少なくとも３５％であり、プラズマ密度が少なくとも１．６ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３であり、Ｃｌ２及びＯ２から生成される化学的に機能するエッチャント種を含むプラズマソースガスを用いることによって、約７５：１より大きなエッチング選択性が隣接する酸化シリコンの層に対して得られることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記プラズマ密度は、少なくとも１６００Ｗのソース電力を与えることによって得られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エッチング選択性は約１００：１より大きく、前記Ｏ２の体積％は少なくとも４０％であり、且つ、前記プラズマ密度は少なくとも１．６５ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記プラズマ密度は、少なくとも１６５０Ｗのソース電力を与えることによって得られることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記エッチング選択性は約１７５：１より大きく、前記Ｏ２の体積％は少なくとも４５％であり、且つ、前記プラズマ密度は少なくとも１．８ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記プラズマ密度は、少なくとも１８００Ｗのソース電力を与えることによって得られることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
下層の酸化物層に対してタングステンまたは窒化タングステンを選択的にエッチングステ方法であって、
少なくとも１つのハロゲンベースの化学的に機能するエッチャント種を含む第１のガスを用いて前記タングステンまたは窒化タングステンの第１の大部分をプラズマエッチングするステップと、
Ｃｌ２及びＯ２から生成される化学的に機能するエッチャント種を含む第２のプラズマソースガスを用いて前記タングステンまたは窒化タングステンの残りの部分をプラズマエッチングするステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項８】
前記下層の酸化物は、酸化シリコン、シリコンオキシナイトライド、五酸化タンタル、酸化ジルコニウム、及びそれらの組合せから成るグループから選択されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ハロゲンは、フッ素、塩素及びそれらの組合せから成るグループから選択されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記プラズマエッチングの前記第１の大部分は、ＳＦ６及びＮ２の組合せ、及びＮＦ３、Ｃｌ２及びＣＦ４の組み合わせから成るグループから選択された第１のプラズマソースガスを用いて行われることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記下層の酸化物は、酸化シリコンを有し、前記第２のプラズマソースガス中のＯ２の体積％は、２０体積％より大きいことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記Ｏ２の体積％は、２０％以上から約４５％までの範囲にあることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記下層の酸化物は、酸化シリコンを有し、前記エッチャントプラズマのプラズマ密度は、少なくとも８．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記プラズマ密度は、約８．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３法から約３．０ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３でまでの範囲にあることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記プラズマ密度は、約８．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３法から約２．０ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３でまでの範囲にあることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
プラズマソース電力は、約８００Ｗから約３０００Ｗまでの範囲にあることとを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
プラズマソース電力は、約８００Ｗから約２０００Ｗまでの範囲にあることとを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
下層の酸化物は、酸化シリコンを有し、前記Ｃｌ２及びＯ２から生成される化学的に機能するエッチャント種を含む前記プラズマソースガスを用いて行われる前記エッチングは、２−ステップで行われ、第１のステップにおけるＯ２の体積濃度は、２０体積％以上約３５体積％までの範囲にあり、且つ、第２のステップにおけるＯ２の体積濃度は、約３５体積％以上約４５体積％までの範囲にあることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１９】
前記下層の酸化物は、五酸化タンタルを有し、且つ、前記第２のプラズマソースガスにおけるＯ２の体積％は、約２０％から約５０％までの範囲にあることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項２０】
前記下層の酸化物は、五酸化タンタルを有し、且つ、前記エッチャントプラズマのプラズマ密度は、約２．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３から約１．８ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３でまでの範囲にあることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
プラズマソース電力は、約２００Ｗから約１８００Ｗまでの範囲にあることとを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記下層の酸化物は、五酸化タンタルを有し、且つ、基板バイアス電力は、約６０Ｗから約３００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
半導体構造におけるか層の酸化物層に対してタングステンまたは窒化タングステンを選択的にエッチングする方法であって、
フッ素種を含む第１のプラズマソースガスを用いて前記タングステンまたは窒化タングステンの第１の大部分をプラズマエッチングするステップと、
Ｃｌ２及びＯ２から生成される化学的に機能するエッチャント種を含む第２のプラズマソースガスを用いて前記タングステンまたは窒化タングステンの残りの部分をプラズマエチングすることを特徴とする方法。
【請求項２４】
前記下層の酸化物は、酸化シリコン、シリコンオキシナイトライド、五酸化タンタル、酸化ジルコニウム、及びそれらの組合せから成るグループから選択されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記プラズマエッチングの前記第１の大部分は、ＳＦ６及びＮ２の組合せ、及びＮＦ３、Ｃｌ２及びＣＦ４の組み合わせから成るグループから選択された第１のプラズマソースガスを用いて行われることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１のプラズマソースガスは、ＳＦ６及びＮ２を含み、且つ、前記第１のプラズマソースガスにおけるＳＦ６：Ｎ２をの体積比は、約２：１から約６：１までの範囲にあることと特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記下層の酸化物は、酸化シリコンを有し、且つ、前記第２のプラズマソースガスにおけるＯ２の体積％は、２０堆積％より大きいことを特徴とする請求項２４、請求項２５または請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記Ｏ２の体積％は、２０％以上から約４５％までの範囲にあることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記エッチャントプラズマのプラズマ密度は、少なくとも８．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記プラズマ密度は、約８．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３から約３．０ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３でまでの範囲にあることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記プラズマ密度は、約８．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３から約２．０ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３でまでの範囲にあることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
プラズマソース電力は、約８００Ｗから約３０００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
プラズマソース電力は、約８００Ｗから約２０００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記エッチャントプラズマのプラズマ密度は、少なくとも約８．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
前記プラズマ密度は、約８．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３から約２．０ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３でまでの範囲にあることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
プラズマソース電力は、約８００Ｗから約３０００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
下層の酸化物は、酸化シリコンを有し、前記Ｃｌ２及びＯ２から生成される化学的に機能するエッチャント種を含む前記プラズマソースガスを用いて行われる前記エッチングは、２−ステップで行われ、第１のステップにおけるＯ２の体積濃度は、２０体積％以上約３５体積％までの範囲にあり、且つ、第２のステップにおけるＯ２の体積濃度は、約３５体積％以上約４５体積％までの範囲にあることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１のステップ中のプラズマ密度は、約８．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３から約１．６ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３までの範囲にあり、且つ、前記第２のステップ中のプラズマ密度は、約１．６ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３から約３．０ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３までの範囲にあることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１のステップ中のプラズマソース電力は、約８００Ｗから約１６００Ｗまでの範囲にあり、且つ、前記第２のステップ中のプラズマソース電力は、約１６００Ｗから約３０００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記下層の酸化物は、五酸化タンタルを有し、且つ、前記第２のプラズマソースガスにおけるＯ２の体積％は、約２０％から約５０％までの範囲にあることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項４１】
前記下層の酸化物は、五酸化タンタルを有し、且つ、前記エッチャントプラズマのプラズマ密度は、約２．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３から約１．８ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３でまでの範囲にあることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
プラズマソース電力は、約２００Ｗから約１８００Ｗまでの範囲にあることとを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記下層の酸化物は、五酸化タンタルを有し、且つ、基板バイアス電力は、約６０Ｗから約３００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
半導体構造のエッチング中に酸化シリコンに対する窒化タングステンを選択的にエッチングする方法であって、
フッ素種を含むプラズマソースガスを用いて前記窒化タングステンの大部分をプラズマエッチングするステップと、
Ｃｌ２及びＯ２から生成される化学的に機能するエッチャント種を含む第２のプラズマソースガスを用いて前記窒化タングステンの残りの部分をプラズマエッチングするステップと、
を有し、
前記Ｏ２の濃度は、約３５体積％またはそれ以上であり、且つ、前記エッチャントプラズマのプラズマ密度は、約１．６ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３またはそれ以上であることを特徴とす方法。
【請求項４５】
前記プラズマエッチングの前記第１の大部分は、ＳＦ６及びＮ２の組合せ、及びＮＦ３、Ｃｌ２及びＣＦ４の組み合わせから成るグループから選択された第１のプラズマソースガスを用いて行われることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記プラズマ密度は、約１６００Ｗまたはそれ以上のプラズマソース電力の印加によって形成されることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記Ｏ２の濃度は、４０体積％またはそれ以上であり、且つ、前記プラズマエッチャントのプラズマ密度は、約１．８ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３またはそれ以上であることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記プラズマ密度は、約１８００Ｗまたはそれ以上のプラズマソース電力の印加によって形成されることを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
タングステンまたは窒化タングステンをプラズマエッチングする方法であって、
前記Ｃｌ２及びＯ２から生成される化学的に機能するエッチャント種を含むプラズマソースガスを用いることによって、約７５：１より大きな選択性が隣接する５酸化タンタルの層に対して得られ、
前記プラズマソースガスにおけるＯ２の体積％は、約２０％から約５０％までの範囲にあり、且つ、
プラズマ密度は、約２．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３から約１．８ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３までの範囲にあるはそれ以上であることを特徴とする方法。
【請求項５０】
前記プラズマ密度は、約２００Ｗから約１８００Ｗまでの範囲内のソース電力を印加することによって得られることを特徴とする請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
基板バイアス電力は、約６０Ｗから約３００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
基板バイアス電力は、約６０Ｗから約２００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
基板バイアス電力は、約１００Ｗから約２００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
半導体構造のエッチング中に五酸化タンタルに対して窒化タングステンを選択的にエッチングする方法であって、
フッ素の種を含むプラズマソースガスを用いて前記窒化タングステンの大部分部分をプラズマエッチングするステップと、
前記Ｃｌ２及びＯ２から生成される化学的に機能するエッチャント種を含む第２のプラズマソースガスを用いて前記窒化タングステンの残りの部分をプラズマエッチングするステップと、
を有し、前記Ｏ２の濃度は、２０体積％以上約５０体積％までの範囲にあり、且つ、前記エッチャントプラズマのプラズマ密度は、第２のステップにおけるＯ２の体積濃度は、約２．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３から約１．８ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３までの範囲にあることを特徴とする方法。
【請求項５５】
前記プラズマエッチングの前記第１の大部分は、ＳＦ６及びＮ２の組合せ、及びＮＦ３、Ｃｌ２及びＣＦ４の組み合わせから成るグループから選択された第１のプラズマソースガスを用いて行われることを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記プラズマ密度は、約２００Ｗから約１８００Ｗまでの範囲内のソース電力を印加することによって得られることを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
基板バイアス電力は、約６０Ｗから約２００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５８】
基板バイアス電力は、約６０Ｗから約２００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５９】
基板バイアス電力は、約１０Ｗから約２００Ｗまでの範囲にあることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項６０】
シリコン基板上に堆積されたタングステンの層及び五酸化タンタルの下層を有する半導体ゲート構造であって、
前記五酸化タンタルの層は、約１００Åより小さい厚さを有することを特徴とする半導体ゲート構造。
【請求項６１】
前記五酸化タンタルの層は、約３０Åから約５０Åまでの範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項６０に記載の半導体ゲート構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願）
本発明は、米国特許出願番号０９／６１４，３９６の一部継続出願である。
【０００２】
（発明の属する技術分野）
本発明は、半導体構造においてタングステンまたは窒化タングステンの電極ゲートをエッチングする方法に関する。特に、第１のエッチング化学作用がエッチングプロセスの大部分の間用いられ、第２のエッチング化学作用がエッチングプロセスの終わりに向かって用いられる。
【０００３】
（発明の背景）
全体として半導体デバイスは、一般に異なる組成の多重膜層から製造される、自己整合されたコンタクト構造及びゲード電極を含む。以前は窒化タングステン膜がバリア層として用いられており、タングステンがいろいろな半導体デバイス構造における導体として用いられていた。最近は、タングステン及び窒化タングステンは、ゲート材料として開発されており、その結果、小さなデバイス形状が開発されている。
【０００４】
多くの場合、タングステンまたは窒化タングステン膜（層）は薄い（約５０Åより薄い厚さ）酸化シリコンの無機誘電体層上に堆積される。膜の多層構造のパターン化されたエッチング中に、タングステンまたは窒化タングステンの層を通してプラズマドライエッチングすること及び酸化シリコンの層においてエッチングを停止することが望まれる。これによって、タングステンまたは窒化タングステン（酸化シリコンより優先して）のエッチングに対するエッチング選択性が高いことが重要である。（用語“選択性”は、一般に２つの材料のエッチング速度に言及するために用いられる。）
【０００５】
更に、デバイス形状が小さくなるに従って、与えられた表面積にわたって多くのデバイス配置を可能にするプロフィールを備えるために、材料の層のエッチングはより正確でなければならない。タングステンゲートの場合、例えば、ゲートは薄いラインまたはパッドの形状であり、エッチングされたゲートのフィーチャの断面プロフィールは、エッチングされたフィーチャの側壁は、例えば下にある酸化シリコンの基板層に実質的に垂直であるものが好ましい。これは、タングステンが酸化シリコンの基板層の表面まで完全にエッチングされなければならないことを意味する（エッチングされたタングステンの側壁の底に残った“フィート”がない）。エッチングプロセスの制御は、下層の酸化物シリコン膜の基板の臨界的な厚さをエッチングすることを避けつつ、正しくエッチングされたタングステンのフィーチャプロフィールを与える点で重要である。
【０００６】
１つの文献は、タングステン、モリブデン、またはそれらのシリサイドから選択されたものを含む多層膜が第１の層としてエッチングされるドライエッチング方法を開示している。酸化シリコンの絶縁膜上にある多結晶シリコンの第２の層がこの第１の層にある。第１の層に対するエッチングステップは、フッ素、６フッ化フッ素硫黄、及び３フッ化窒素から選ばれた第１のガス、または第１のガス及び塩化水素、臭化水素、塩素、臭素、及び４塩化炭素から選ばれた第２のガスを含む混合ガスから成るプラズマエッチャントのソースガスを用いる。多結晶シリコンの第２の層のエッチングは、第２のガス及び不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、４塩化シリコンガス及び一酸化炭素ガスから選ばれた第３のガスから成るプラズマエッチャントソースガスを用いて達成される。第２のエッチングステップにおいて、第２のガスに加えられる第３のガスの量は、全エッチング混合ガスの０〜１０体積％の範囲にあるこの好ましい。
【０００７】
他の文献は、逆Ｔ型の耐熱金属ゲート構造を有するシリコンベースのＭＯＳトランジスタを製造する方法を開示する。製造されたゲートは主なＣＶＤタングステン部分とＣＶＤ部分の底から外方へ伸びる低いスパッタされたタングステン部分を有する。Ｃｌ２／Ｏ２プラズマエッチングがＣＶＤタングステンの層をエッチングするために用いられ、及び化学エッチング（ＫＨ２ＰＯ４／ＫＯＨ／Ｋ３Ｆｅ（ＣＮ）６）がスパッタされたタングステン部分をエッチングするために用いられる。スパッタされたタングステンの層は製造プロセスを通してイオン損傷から下層のゲート酸化物層を保護するためにシールドとして働くと言われている。特に、スパッタされたタングステンは、ＣＶＤタングステンであるよりＣｌ２／Ｏ２の反応性イオンエッチングに対してより耐えるといわれている。
【０００８】
他の文献は、自己整列されたコンタクトホールに対して側壁スペーサを製造する方法を開示する。金属、例えばタングステンは、プラズマ生成用のＣｌ２−−ＳＦ６−−ＢＣｌ３−−Ａｒのエッチャント混合ガスを用いて、ホトレジストマスキングを使用することなく、従来のエッチバック手順を用いてエッチングされるＲＩＥである。
【０００９】
さらに背景情報として、読者は、Ｈｏｒｉ他に与えられた米国特許第５，２９５，９２３号、Ｄｏｒｌｅａｎｓ他に与えられた米国特許第５，５９９，７２５号及びＪｅｎｇ他に与えられた米国特許第６，０３３，９６２号に向けられるべきである。
【００１０】
（発明の概要）
本発明は、半導体構造においてタングステンまたは窒化タングステンをエッチングする方法に関し、特に、エッチングプロセスにわたって正確な制御を必要とするゲート電極のエッチングに関する。我々は、薄い下層の酸化物層以外のタングステン（または窒化タングステン）をエッチングために優れた選択性を与えるけれども、正確なエッチングプロフィールの制御を可能にするチタンまたは窒化チタンをエッチングする方法を発見した。一般に、酸化物は、酸化チタン、シリコンオキシナイトライド、五酸化タンタル、酸化ジルコニウム及びそれらの組合わせから選ばれる。本方法は、物理気相堆積（ＰＶＤ）または化学気相堆積（ＣＶＤ）によって堆積される場合、タングステンまたは窒化タングステンに応用できるようである。
【００１１】
特に、タングステンまたは窒化タングステンのエッチングプロセス（主エッチング）中に用いられる初期のエッチングかガスは、プラズマソースガスを使用する。ここで、化学的に機能するエッチャント主は、６フッ化硫黄（ＳＦ６）および窒素（Ｎ２）から、または代わりに、３フッ化窒素（ＮＦ３）、塩素（Ｃｌ２）及び４フッ化炭素（ＣＦ４）の組合わせから一般に生成される。主エッチングプロセスの終わりに向かって、化学的なに機能するエッチント主がＣｌ２とＯ２から生成される第２の化学作用が用いられる。この最終部分は、“オーバエッチング”プロセスと呼ばれる。何故ならば、このエッチングはタングステンまたは窒化タングステンエッチングプロセスの下にある少なくとも面まで行なわれるからである。しかし、この第２のエッチング化学作用は、プラズマソースガスの酸素含有量及びプラズマソース電力が第２のステプにおいて増大される場合、任意に２つのステップに分けられる。
【００１２】
我々は、Ｏ２の充分高い濃度が十分高いプラズマ密度との組合わせで用いられると、下層の酸化物層上にあるタングステンに対して予期しない高いエッチングの選択性（例えば、タングステン：酸化シリコンに対して１７５：１の範囲にある）が得られることを発見した。特に、Ｏ２の濃度がプラズマソース（源）ガスにおける体積の約２０％より大きいと、さらにＯ２含有量の増加は、活発な酸素の種を活性化するのに十分な電力の入力があるので、約８ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３より小さなプラズマ密度における限られた影響を有している。下層の酸化物層に対するタングステンまたは窒化タングステンのエッチングの選択性を得るために、プラズマソースガスの酸素含有量及びプラズマを生成し、維持するために印加されたソース電力を増加する必要がある。例えば、約１．６ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３のプラズマ密度及び約−９０Ｖ（約９０Ｗの印加バイアス）の基板バイアス電圧で、約３０体積％から約４０体積％へのプラズマソースガスの酸素含有量の増加は、約４０：１から約７５：１へ酸化シリコンに対するタングステンのエッチングの選択性を増加する。しかし、４０体積％のＯ２において、プラズマ密度が約１．８ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３のヘ増加されると、酸化シリコンに対するタングステンのエッチングの選択性は、約７５：１から約１６０：１へと意外に増加する。
【００１３】
最も高い選択性を生じる条件で“オーバエッチング”ステップを実行することは下層の酸化物層を保護するけれども、エッチングされたタングステンまたは窒化タングステンのフィーチャプロフィールは、得られた急速なエッチング速度によって影響を受ける（１７５：１のタングステン：酸化シリコンの選択性を生じる条件で、約１８００Å／分）。フィーチャのベースにおける残留タングステンの“フィート”を除去するけれどもフィーチャプロフィールの維持を可能にするために、例えば、約３０：１のタングステン：酸化シリコンの低い選択性、及び約１０００Å／分のタングステンのエッチング速度を与える条件の下でエッチングを行ない、その後、一般にエッチングされたフィーチャの周りの酸化物の平らな表面から残留物をクリーニングするために、エッチングの終わりの限られた時間１７５：１のタングステン：酸化シリコンの選択性及び約１０〜１５Å／分のタングステンのエッチング速度を与える条件へプロセス条件を変化することは有利である。
【００１４】
下層の誘電体層が五酸化タンタルを有する場合、我々は、上述のソースガスの組成及びプロセス条件が下層の五酸化タンタル層に対するタングステンのエッチングの選択性は殆ど無限の選択性を与えることを発見した。この並外れて高いタングステン：五酸化タンタルのエッチングの選択性によって、薄い五酸化タンタルの誘電体層（対応する酸化シリコン層に対して）を使用することを可能にする。五酸化タンタルの層は、一般に約１００Åより薄い、好ましくは約３０Å〜約５０Åの範囲内の厚さを有している。酸化物層のこの厚さは、半導体デバイスのスピードを増加するために重要である。
【００１５】
我々は、五酸化タンタルが酸化シリコンよりイオン衝突に対してより抵抗があり、これによって、五酸化タンタルが下層の酸化物層として使用される場合、タングステンのオーバエッチンステップ中に高い基板バイアス電力を使用することができる。オーバエッチンステップ中に高いバイアス電力（約１００Ｗから約３００Ｗまで）を使用することによって、下層の五酸化タンタルに対してタングステンをエッチングするための高い選択性を維持しつつ、改善されたプロフィールの制御を行なうことができる（即ち、より垂直なプロフィールが得られる）。高いバイアス電力が用いられると、低い酸素含有量を有するプラズマソースガスを使用することができる。
【００１６】
下層の酸化物層が五酸化タンタルを有する場合、約２０００Å／分のタングステンのエッチング速度が達成され、一方、約７５：１またはそれより良好なタングステン：五酸化タンタルのエッチングの選択性を維持することができる。特に、１つのエッチングプロセスは、例えば、約４．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３〜約６．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３の範囲内のプラズマ密度と共に約２０％のＯ２の体積％を有するプラズマソースガス、約４００Ｗ〜約６００Ｗの範囲内のプラズマソース電力、約１７５Ｗの基板バイアス電力、及び約４ｍＴｏｒｒのプロセスチャンバ圧力を使用する。フィーチャのベースにおける残留タングステンの“フィート”を除去しつつ、フィーチャプロフィールの維持を可能にするために、エッチングの終わりに向かってエッチング条件を調整することは有利である。例えば、最終エッチング条件は、タングステンのエッチング速度が約１０００Å／分より小さい場合、少なくとも１７５：１のタングステン：五酸化タンタルの選択性を与える。このエッチングの選択性及びエッチング速度は、約２．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３のプラズマ密度と共に約２０％のＯ２の堆積％を有するプラズマソースガス、約２００Ｗのプラズマソース電力、約１７５Ｗの基板バイアス電力、及び約６ｍＴｏｒｒのプロセスチャンバ圧力を使用することによって得ることができる。
【００１７】
（好適な実施の形態の詳細な説明）
本開示は、半導体構造にタングステンまたは窒化タングステンをエッチングする方法に関する。特に、下層の酸化物の薄い層（一般に、約５０Åより小さい）に対してタングステンまたは窒化タングステンのエッチングの選択性の制御が第１に重要である場合、０．５μｍより小さなフィーチャ寸法のエッチングに関する。用語“フィーチャ”は、一般に誘電体層における金属ライン、トレンチ及び開口ばかりでなく、基板表面の形状を形成する他の構造をいう。
【００１８】
特に、タングステンまたは窒化タングステンのエッチングプロセスの大部分の間用いられる初期のエッチング化学が少なくとも１つのハロゲンベースの化学的に機能するエッチャント種を有するプラズマソースガスを用いるものである。このハロゲンは、一般にフッ素、塩素またはそれらの組合わせである。フッ素は、もし、タングステンが処理中に空気に曝されるなら、タングステンの表面上に形成される酸化物及び他の残留物を除去することができるので、フッ素種を含むソースガスを用いるのが好ましい。もし、主なタングステンのエッチングステップ中に用いられるプラズマソースガスがフッ素種を含んでいない（例えば、Ｃｌが用いられる）なら、タングステン層のエッチング前に基板表面からタングステン酸化物を除去するために、フッ素含有ガスから生成されるプラズマを用いるブレークスルー（打開策の）エッチングステップが必要とされるかも知れない。このブレークスルーに対する代表的なプロセス条件は、以下のとおりである：５０〜２００ｓｃｃｍのＣＦ４；４〜１０ｍＴｏｒｒのプロセスチャンバ圧力；３００〜１０００Ｗのソース電力；４０〜２００Ｗの基板バイアス電力；及び５０℃の基板温度である。他のフッ素含有ガス、例えばＳＦ６またはＮＦ３がＣＦ４の代わりにまたはＣＦ４と組合せて使用することができる。非反応性の希釈ガス、例えばアルゴンをフッ素含有ガスと組合せて使用することができる。ブレークスルーエッチングの一般的な期間は約１０秒間である。
【００１９】
タングステンの主なエッチングは、化学的に機能するエッチャント種が６フッ化硫黄（ＳＦ６）と窒素（Ｎ２）から、またはＮＦ３、Ｃｌ２及びＣＦ４の組み合わせから生成される場合、プラズマソースガスを用いて行なわれるのが好ましい。これらのエッチャント化学は、優れたエッチングプロフィール特性を伴って早いタングステンのエッチング速度を提供し、主なタングステンのエッチング前のブレークスルーエッチングの実行を必要としない。
【００２０】
例えば、１つの実施の形態において、主なエッチングは、ＳＦ６とＮ２から成るソースガスを用いて行なわれる。ＳＦ６に対する容積流量（流速）は、一般にＣＥＮＴＵＲＡ ＤＰＳＴＭ処理チャンバにおいて約３０ｓｃｃｍ〜約１００ｓｃｃｍの範囲にある。Ｎ２に対する容積流量は、同様に約３０ｓｃｃｍ〜約１００ｓｃｃｍの範囲にある。ＳＦ６：Ｎ２の好適な容積比は、一般に約２０：５０〜約６０：１０の範囲にある。プロセスチャンバの圧力は、約２ｍＴｏｒｒ〜約２０ｍＴｏｒｒの範囲にあり、好ましくは、約２ｍＴｏｒｒ〜約１０ｍＴｏｒｒの範囲内の圧力に維持される。基板温度は、約２０℃〜約１００℃の範囲にあり、装置のコストは安く、ゲート酸化物への損傷の可能性が減少されるので、低い温度であるのが好ましい。印加されるプラズマソース電力は、約２００Ｗ〜約２０００Ｗの範囲にあり、印加される基板バイアス電力は、約４０Ｗ〜約２００Ｗの範囲にある。（用語“プラズマソース（源）電力”は、一般にチャンバにおける中立種をイオン化するためにエネルギーの大部分を与えることによってプラズマを維持するために役割を果たす電力を言い、一方、用語“基板バイアス電力”は、一般に高エネルギープラズマを基板に向けて引き付けるために、基板に加えられる電力を言う）。装置の変数に対して、上述され、調整された範囲内の条件を使用して、約１５００〜約４０００Å／分の範囲にあるタングステンまたは窒化タングステンのエッチング速度が得られる。細かい（幅が約０．１５μｍ）ラインのエッチング中に、下層の基板表面に対してラインの側壁のプロフィールは約８８°〜９０°の垂直である（側壁のベース近くに形成される“フィート”を無視する）。
【００２１】
エッチングプロセスの終わりに向かって、化学的に機能するエッチャント種がＣｌ２およびＯ２から生成される第２の化学作用が用いられる。エッチングが下層膜の表面に向かって行なわれ、下層膜の表面への限られた距離に対してエッチングするので、タングステンの残りの部分のエッチング中のプロセスは、オーバエッチングプロセスと呼ばれる。しかし、酸素の含有量及びプラズマソース電力が第２のステップ中に増加される場合、この第２のエッチング化学作用は、任意に２つのステップに分けられる。
【００２２】
タングステンまたは窒化タングステンに対する満足なエッチング速度、及び下層のシリコン酸化物のゲート層に対するタングステンをエッチングするために所望の選択性を得るために、Ｃｌ２／Ｏ２のソースガス混合物におけるＯ２容積％は、２０％以上約４５％までの範囲に制御される。好ましくは、Ｃｌ２／Ｏ２のソースガス混合物におけるＯ２容積％は、３５％〜約４５％までの範囲にある。しかし、上に特定されたＯ２含有量の利益を得るために、エッチングプロセスチャンバにおけるプラズマ密度は充分高くなければならない。我々は、２０％以上の酸素の容積％を増加することから利益を得るために、少なくとも約８ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３（カルフォルニア州、サンタクララのアプライドマテリアルズ社から利用できるＣＥＮＴＵＲＡ ＤＰＳＴＭの処理チャンバにおいて約８００Ｗのプラズマソース電力）のプラズマ密度が必要とされることを決定した。（ここで使用される用語“減結合プラズマ源（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ）”すなわち“ＤＰＳ”は、プラズマを発生し、維持するために使用された誘導結合されたＲＦソース電力及び高いエネルギー種を基板に向けるために半導体基板に印加されるバイアス電力に対する離れた制御装置を有するプラズマエッチング装置を言う。）
【００２３】
単一のオーバエッチングを用いることの代わりは、２−ステップオーバエッチングプロセスを使用することである。例えば、主なエッチングステップの後に、Ｏ２容積含有量が２０％より多く約３５％までの範囲にある場合、プラズマソースガスの組成がＣｌ２とＯ２の組合わせである第１のオーバエッチングステップが行なわれる。プラズマ密度は、一般に約８ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３（８００Ｗの印加ソース電力及び４〜６ｍＴｏｒｒのプロセスチャンバ圧力）から約１．６ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３（１６００Ｗの印加ソース電力及び４〜６ｍＴｏｒｒのプロセスチャンバ圧力）までの範囲にある。プロセスチャンバ圧力は、約２ｍＴｏｒｒ〜約１０ｍＴｏｒｒの範囲にあり、好ましくは、約２ｍＴｏｒｒ〜約６ｍＴｏｒｒの間である。基板温度は、約２０℃〜約１００℃の範囲にある。印加された基板バイアス電力は、４０Ｗ〜約２００Ｗの範囲である。装置の変数に対して調整された、これらの範囲内の条件を使用して、細かなラインの底を形成する“フット（ｆｏｏｔ）”が除去されるが、垂直な８８°〜９０°のプロフィールでラインプロフィールを維持する。
【００２４】
続いて、膜に対して著しいエッチングを行うことなく（薄い酸化物の膜厚の１０％以下がエッチングされる）、下層の薄い酸化物の膜の表面からエッチング残留物をクリーニングするために、第２のオーバエッチング即ち終了ステップが行われる。第２のオーバエッチングステップにおいて、下層の酸化物膜に対するタングステンまたは窒化タングステンのエッチンの選択性は臨界的である。薄い酸化物層を通してエッチングすることなくエッチングされたフィーチャの周りにある薄い酸化物層の平らな面からタングステンまたは窒化タングステンの残留物を除去することが必要である。再び、混合物におけるＯ２の容積％が約３６％〜約４１％の範囲にある場合、プラズマソースガスにおける化学エッチャントはＣｌ２とＯ２である。プラズマ密度は、一般に約１．６ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３〜約２．０ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３の範囲にあり、他のプロセス条件は、第１のオーバエッチングステップに対して上述の特定した条件と同じである。これらのプロセス条件の下でタングステンのエッチング速度は、約１７５０Å／分であり、一方選択性（Ｗ：ＳｉＯ２）は約１７５：１である。増大したプラズマソースガスのＯ２含有量及び増大したプラズマ密度は、同様に有用であると期待される。
【００２５】
今説明したプロセス条件を用いて得られた１７５：１の選択性は、ちょっと見には著しく異なっているようには見えないが、驚くべき異なる結果を与える他のプロセス条件を用いて得られる選択性と比較される。例えば、約１．６ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３（１６００Ｗ）のプラズマ密度との組合わせで、３６％のＯ２の容積濃度を与えるＯ２の流量の変化は、約７５：１のＷ：ＳｉＯｘの選択性を与え；及び約１．５ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３（１５００Ｗ）のプラズマ密度との組合わせで、２０％のＯ２の容積濃度を与えるＯ２の流量の変化は、約２８：１のＷ：ＳｉＯｘの選択性を与える。これらのデータが示すように、特定の範囲以上の酸素の流量及びプラズマ密度を同時に増加した結果生じるシリコン酸化物に対するタングステンまたは窒化タングステンのエッチング選択性が予期せず増加する。これは、さらに以下に与えられた例に示されている。
【００２６】
タングステンまたは窒化タングステンの層の下にある酸化物の層は、シリコン酸化物の代わりに五酸化タンタル、酸化ジルコニウム、またはシリコンオキシナイトライドを有することができる。我々は、下層の酸化物層が五酸化タンタルを有するとき、タングステンのオーバエッチングステップの間高い基板バイアス電力を用いることができることを発見した。タングステンのオーバエッチングステップの間高いバイアス電力（約１００Ｗ〜約３００Ｗ）の使用によって、改善されたプロフィール制御（即ち、より垂直なプロフィールが得られる）を行なうことができ、一方下層の五酸化タンタルに対するタングステンの高いエッチング選択性（少なくとも７５：１）を維持する。一般に、約２０％〜約５０％の範囲内のＯ２の容積％を有するプラズマソースガスが、約２．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３〜約１．８ｘ１０１１ｅ−／ｃｍ３の範囲内のプラズマ密度と共に用いられる。適例なＤＰＳシステムにおいて、これは、約２００Ｗ〜約１８００Ｗの範囲内のプラズマソース電力、約１００Ｗ〜約２００Ｗの範囲内の基板バイアス電力、及び約２ｍＴｏｒｒ〜約２００ｍＴｏｒｒの範囲内のプロセスチャンバ圧力を用いて達成されることができる。一般に、１０００Å／分より大きなタングステンのエッチング速度は、下層の五酸化タンタル層上のタングステンをエッチングするこのプロセスレジームを使用して得られる。
【００２７】
これらの例の詳細な説明の始めとして、明細書及び特許請求の範囲に使用されているように、単数形の“１つの”及び“この”は、特に明らかに断らない限り複数形を含むことを留意すべきである。従って、例えば、用語“１つの半導体”は、半導体の振舞いの特徴を有するために知られているいろいろな異なる材料（複数）を含む。
【００２８】
Ｉ．本発明を実施するための装置
ここで説明された実施の形態のエッチングプロセスは、カリフォルニア州、サンタクララのアプライドマテリアルズ社から利用できるＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）の一体化した処理システムにおいて実施される。ここで示した例に用いられたエッチングプロセスチャンバは図１に概略示されているけれども、産業上利用できる如何なるエッチング処理装置でも、他の処理パラメータの幾つかの調整によってここで説明されたエッチング化学をを利用することができる。図１の概略的に示された装置は、Ｙａｎ Ｙｅ他 （ａｌ ａｔ ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｖｅｎｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｍａｙ ７， １９９６， ａｎｄ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， Ｖｏｌｕｍｅ ９６−１２， ｐｐ． ２２２−２３３（１９９６））によって発表された種類の減結合されたプラズマ源（Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ： ＤＰＳ）を含む。このプラズマ処理チャンバは、８インチ（約２００ｍｍ）直径のウエハの処理を可能にする。
【００２９】
図１は、個々のＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）ＤＰＳＴＭポリシリコンエッチングチャンバ１００の概略側面図を示す。エッチングチャンバ１００は、セラミックのドーム１０６を有する上部チャンバ１０４及び下部チャンバ１０８から成る。下部チャンバ１０８は、単極の静電チャック（ＥＳＣ）カソード１１０を有する。ガスは均一なガス分配用のガス注入ノズル１１４を介してチャンバに導入される。チャンバ圧力は、スロットルバルブ１１８を用いて閉ループ圧力制御システム（図示せず）によって制御される。処理の間、１つの基板１２０が入口１２２を通して下部チャンバ１０８へ導入される。基板１２０は、チャック面上の誘電体膜（図示せず）の下に配置された導電性層（図示せず）にＤＣ電圧を印加することによって静電チャック（ＥＳＣ）カソード１１０の面上に発生される静電荷によって正しい位置に保持される。その後、カソード１１０及び基板１２０は、ウエハリフト１２４によって上昇され、処理のための位置で上部チャンバ１０４に対してシールされる。エッチングガスがガス注入ノズル１１４を通して上部チャンバ１０４へ導入される。エッチングチャンバ１００は、媒体に高密度のプラズマを発生し、維持するための１２．５６ＭＨｚで動作する誘導結合されたプラズマソース電力用ＲＦ電源１２６及びマッチング回路網１２８を有する。ウエハは、１３．５６ＭＨｚで動作するＲＦ電源１３０及びマッチング回路網１３２によってバイアスされる。
【００３０】
ＩＩ．本発明の実施の形態の例
図２Ａは、エッチングされたタングステン構造２００の断面の概略図で、エッチングされたパターンは、ライン２０３及びスペース２０５である。ラインの幅は約０．１６５μｍ、スペース幅は約０．２１μｍである。この構造は、シリコン基板２０２上に薄い（ほぼ４５Å）酸化シリコンの層２１３を有し、酸化シリコンの層２１３の上層には、１６５０Åのタングステンの厚い層２０４、４００Åの厚い像の焦点を結ぶ非反射膜（ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ：ＡＲＣ）層２０６及びエッチングされる構造２００をパターン化するために用いられたホトレジスト層の残留物２０８がある。タングステンの層２０４は、酸化シリコンの層２１３へのタングステンの付着の助けをする窒化チタン（図示せず）の薄い（ほぼ１００Å）ウエット層を含む。この窒化タングステンはタングステンと同じエッチングプロセス中にエッチングされる。従って、ここに用いられているように、用語“タングステンの層”は、下層の窒化タングステンの薄い層と任意に組合されたタングステンの層を言う。
【００３１】
図２Ｂはトレンチ（スペース２０５）の底にあるエッチングされたタングステンの表面仕上げ２２２、及び上層のホトレジスト層の残留物２０８の滑らかな上面２２４を示す同じエッチングされた構造２００の三次元斜視図を示す。両図は、酸化シリコンの層２１３の上面２１０の上にあるエッチングされないで残っているタングステンの厚さ２１４を示す。エッチングされないタングステンの厚さ２１４は約０．０２３μｍである。
【００３２】
タングステン２０４のエッチングは、プラズマのエッチャント種が３０ｓｃｃｍのＳＦ６及び５０ｓｃｃｍのＮ２であった単一のエッチング化学作用のみを用いて達成された。（酸化物層２１３の表面２１０へタングステンの層２０４の最終部分をエッチングするために用いられる第２のエッチング化学作用はなかった。即ちオーバエッチングは行われなかった。）他のプロセス条件は以下のとおりである：エッチングプロセスチャンバの圧力は約４ｍＴｏｒｒ；基板温度は約５０℃；プラズマソース電力は約５００Ｗ；基板バイアス電力は約８０Ｗであった。得られたエッチングプロフィールは、酸化シリコン層２１３の表面２１０からエッチングされたライン２０３の側壁の角度は約８９°で良好であった。しかし、タングステンは、酸化シリコンの層２０３の表面２１０までずっとエッチングされなかったので、ラインのベース（基部）に幾らかのテーパのついたプロフィールがあった。タングステンのエッチング速度は約１５００Å／分であった。用語“テーパ”のついたプロフィールは、ライン及びスペースのエッチングされたパターンを参照して、ラインの幅がラインの上面におけるよりラインのベースにおいて広い断面プロフィールを言う。“垂直プロフィール”は、ラインの側壁が酸化シリコンの表面に垂直であるものである。“アンダーカット”プロフィールは、ラインの幅がラインの上面におけるよりもラインのベースにおいて狭いものである。垂直プロフィールは、それが与えられた表面領域に接近したデバイス構造の配置を可能にするので、一般に好適である。
【００３３】
図２Ｂに示されるように、スペース２０５の下部におけるエッチングされたタングステンの表面２２２がライン２０３の上部のホトレジスト残留物２０８の面２２４より粗い仕上りを示した。
【００３４】
図３は、タングステン３０４のエッチングの終わりに向かってエッチング化学作用に変化があり、エッチングが薄い酸化シリコン層３１３の表面にとどまるのを可能にする場合のエッチングされたタングステン３００の顕微鏡写真のスケッチを示す。再び、エッチングされたタングステン構造は、ライン３０３とスペース３０５のパターンであった。ラインの幅は約０．１２０μｍ、スペース幅は約０．１６５μｍである。この構造は、シリコン基板３０２上に薄い（約４５Å）酸化シリコン層３１３、その上にある１６５０Åの厚いタングステンの層３０４（即ち、図２を参照して上述したように、タングステン／窒化タングステン）、４００Åの厚い像の焦点を結ぶ非反射膜（ＡＲＣ）層３０６、及びホトレジスト層の残留物３０８を有した。
【００３５】
タングステン３０４のエッチングは２つのエッチング化学作用を用いて行われた。エッチングの第１の部分の間、プラズマ中の化学的反応性エッチャント種は３０ｓｃｃｍのＳＦ６及び５０ｓｃｃｍのＮ２（即ち３７．５堆積％のＳＦ６、６２．５堆積％のＮ２）であった。他のエッチングプロセス条件は以下のとおりであった：エッチングプロセスチャンバの圧力は約４ｍＴｏｒｒ；基板温度は約５０℃；プラズマソース電力は約５００Ｗ；基板バイアス電力は約８０Ｗであった。得られたエッチングプロフィールは、酸化シリコン層３０２の表面３１０からエッチングされたライン３０３の側壁の角度は約８９°で良好であった。タングステンのエッチング速度は約１６５０Å／分であった。タングステンの層３０４の１６５０Å厚の最初の約１５００Åは第１のエッチング化学作用を用いてエッチングされた。
【００３６】
タングステンの層３０４の残りの１５０Åのエッチングは、化学的反応性エッチャント種が約７０ｓｃｃｍ流量のＣｌ２及び約４０ｓｃｃｍ流量のＯ２のソースガスから生成されたプラズマを使用して行われた。他のエッチングプロセス条件は以下のとおりであった：エッチングプロセスチャンバの圧力は約６ｍＴｏｒｒ；基板温度は約５０℃；プラズマソース（源）電力は約６００Ｗ；基板バイアス電力は約８０Ｗであった。得られたエッチングプロフィールは、酸化シリコン層３０２の表面３１０からエッチングされたライン３０３の側壁の角度は約８９°〜９０°で優れていた。タングステンのエッチング速度は約１５００Å／分であった。エッチングは、酸化シリコン３１０の上面が僅かにエッチングされるまで続けることができた。酸化シリコンのエッチング速度は約１９Å／分であることが決定された。タングステン：酸化シリコンのエッチング速度の選択性は約７９：１であった。タングステンの残留物は、スペース３０５の開口領域からクリーニング除去されたが、ライン間のスペースは図３（より濃い領域）に示されたスペースより小さい領域のタングステンラインの底部に僅かなタングステンの“フット（ｆｏｏｔ）”（図示せず）があった。続く実験は、４５ｓｃｃｍのＯ２の流量、１８００Ｗのプラズマソース電力、及び３ｍＴｏｒｒのプロセスチャンバの調節によってこの“フット”が除去されたことを示した。
【００３７】
図４は、プラズマソースガスである酸素の流量（軸４０２上に示される）の関数として酸化シリコンのエッチング速度（軸４０４に示される）を示すグラフ４００である。グラフ４００に示されたデータは、シリコンウエハ上に堆積された酸化シリコンの層のみをエッチングすることによって得られた。用いられたＣｌ２とＯ２の流量は１１０ｓｃｃｍであり、プラズマソースガス中の酸素の体積％は全ガス流１００ｓｃｃｍによって軸４０２上に示された「ｓｃｃｍ」を割算し、１００を掛けることによって計算された。酸化シリコンのエッチング中に用いられたたのエッチングプロセス条件は以下のとおりであった：エッチングプロセスチャンバの圧力は約６ｍＴｏｒｒ；基板温度は約５０℃；プラズマソース電力は約１６００Ｗ；基板バイアス電力は約８０Ｗであった。グラフ４００は、Ｏ２の約３５ｓｃｃｍと４０ｓｃｃｍの間で約１９Å／分の一様なエッチング速度を有し、Ｏ２の流量を増加することによって得られた減少効果があったことを示している。我々は、約３５ｓｃｃｍ以上のＯ２の流量の増加による全利点を得るために、プラズマ密度（プラズマソース電力）を増加することが必要であることをあとに発見した。
【００３８】
図５Ａは、タングステン（Ｗ）のエッチング速度（曲線５０８によって示される）に関して、及び約２０ｓｃｃｍの一定のＯ２の流量でのＳｉＯｘのエッチング速度（曲線５１０によって示される）に関してプラズマソース電力（軸５０２上にワットで示される）を増加したときの効果を示すグラフ５００である。また、グラフ５００は、２０ｓｃｃｍのＯ２の一定の流量で、曲線５１２によって示されるプラズマ電力の関数としてＷ：ＳｉＯ２に対する選択性を示す。グラフ５００から観察されるように、プラズマソース電力の増加は、エッチング速度の増加、ＳｉＯｘにのエッチング速度の減少、及び選択性の増加をもたらす。しかし、２０ｓｃｃｍのＯ２の流量で、約１６００Ｗのプラズマソース電力まで上げても、Ｗ：ＳｉＯｘの選択性は約４０：１のみである。プロセスチャンバの圧力は約６ｍＴｏｒｒ、基板温度は約５０℃であった。
【００３９】
図５Ｂは、プラズマソース電力及び酸素の流量の関数としてオーバエッチングステップにおけるタングステンのエッチング速度を示す三次元グラフ５３０であり、他の全ての変数は一定に保たれる。特に、エッチングされたウエハは、シリコンウエハの上にあるスパッタされたタングステンの層であった。エッチングプロセスチャンバの圧力は約６ｍＴｏｒｒ；基板温度は約５０℃であった。タングステンのエッチング速度の単位（Å／分）は、軸５３４に示され、プラズマソース電力の単位（Ｗ）は軸５３２上に示され、Ｏ２の流量単位（ｓｃｃｍ）は軸５３６上に示されている。曲線５３８は、プラズマソース電力が約１６００Ｗで一定に保たれ、Ｏ２の流量だけが約３０ｓｃｃｍから約４０ｓｃｃｍに増加すると、タングステンのエッチング速度が約１１７０Å／分から約１５００Å／分へ増加することを明らかに示している。Ｏ２の流量が約３０ｓｃｃｍから約４５ｓｃｃｍへ増加し、プラズマソース電力が約１６００Ｗから１８００Ｗへ同時に増加すると、タングステンのエッチング速度は、約１１７０Å／分から約１７５０Å／分へ増加した。
【００４０】
図５Ｃは、プラズマソース電極及び酸素の流量の関数としてオーバエッチングステップにおける酸化シリコンのエッチング速度を示す三次元グラフ５４０であり、他の全ての変数は一定に保たれた。特に、エッチングされたウエハは、シリコン基板表面上の熱酸化シリコンの層を有するシリコン基板であった。プロセスチャンバの圧力は６ｍＴｏｒｒ、そして基板温度は約５０℃であった。酸化シリコンのエッチング速度の単位（Å／分）は、軸５４４に示され、プラズマソース電力の単位（Ｗ）は軸５４２上に示され、Ｏ２の流量単位（ｓｃｃｍ）は軸５４６上に示されている。曲線５４８は、プラズマソース電力が約１６００Ｗで一定に保たれ、Ｏ２の流量だけが約２０ｓｃｃｍから約４０ｓｃｃｍに増加すると、酸化シリコンのエッチング速度が約３７Å／分から約１９Å／分へ減少したことを示している。Ｏ２の流量が約２０ｓｃｃｍから約４５ｓｃｃｍへ増加し、プラズマソース電力が約１６００Ｗから１８００Ｗへ同時に増加すると、酸化シリコンのエッチング速度は、約３７Å／分から約１０Å／分へ減少した。
【００４１】
図５Ｄは、プラズマソース電極及び酸素の流量の関数として選択性（Ｗ：ＳｉＯ２のエッチング速度比）示す三次元グラフ５５０であり、他の全ての変数は一定に保たれた。図５Ｄは、図５Ｂ及び図５Ｃから引き出され、酸素の流量及びプラズマソース電力を同時に増加することによって達成された選択性の著しい増加を明らかにしている。選択性（Ｗ：ＳｉＯ２）の名目上の単位は軸５５４に示され、プラズマソース電力の単位（Ｗ）は軸５５２上に示され、Ｏ２の流量単位（ｓｃｃｍ）は軸５５６上に示されている。曲線５５８は、プラズマソース電力が約１６００Ｗで一定に保たれ、Ｏ２の流量だけが約３０ｓｃｃｍから約４０ｓｃｃｍに増加すると、選択性はが約５０：１から約８０：１へ増加したことを示している。Ｏ２の流量が約３０ｓｃｃｍから約４５ｓｃｃｍへ増加し、プラズマソース電力が約１６００Ｗから１８００Ｗへ同時に増加すると、選択性は、約５０：１から約１７５：１へ増加した。例えば、Ｏ２の含有量が４０％で、プラズマソース電力が約１６７０Ｗのとき、約１００：１の選択性が得られる。Ｏ２の含有量が４５％で、プラズマソース電力が約１８００Ｗのとき、約１７５：１の選択性が得られる。約１７５：１への選択性の増加は、酸素の流量のみを増加したときに得られる選択性の非常に僅かな増加に照らして、予期しないものであった。
【００４２】
選択性のこの驚くべき増加をよく理解するために、図５Ｄを図５Ａと比較することが助けと成ろう。図５Ａは、酸素の流量が約２０ｓｃｃｍと一定に保たれ、プラズマソース電力が８００Ｗから約１６００Ｗまで増加されると、Ｗ：ＳｉＯ２の選択性は、約１９：１から約４０：１へ増加することを示している。さらに、図５Ｄに示されるように、プラズマソース電力を１６００Ｗに一定に保ち、酸素を約３０ｓｃｃｍから約４０ｓｃｃｍへ増加すると、選択性は約５０：１から約８０：１へ増加する。それは、１７５：１の選択性が得られた増加した酸素の流量とプラズマソース電力の協働作用の組合わせのみによるものであった。
【００４３】
表Ｉは、いろいろなプロセス条件及びこれらの条件で得られることが期待されるタングステン（または窒化タングステン）のエッチング速度の要約を示す。また、表Ｉは、得られることが期待される酸化シリコンに対する選択性及びエッチングされた側壁プロフィールの角度を示す。
【００４４】
【表１】
2004519102.tif 000003
2004519102.tif 000004
【００４５】
タングステンまたは窒化タングステンの下にある誘電体層は、酸化シリコンの代わりに、五酸化タンタル、酸化ジルコニウム、またはシリコンオキシナイトライドを有することができる。
【００４６】
図６は、下層の誘電体層が五酸化タンタルであるとき、タングステンをエッチングするための本発明の方法の実施の形態を示す。図６Ａは、本発明の方法を実施する前の最初の半導体構造６００を示す。この構造６００はシリコン基板６０２上に五酸化タンタルの薄い（５０Å）層６０４を有し、五酸化タンタルの層６０４の上には、窒化タングステンの３００Åの厚いウエット層６０６、タングステンの７００Åの厚い層６０８、３００Åの厚い、像の焦点を結ぶ非反射膜（ＡＲＣ）の層６１０（この場合、シリコンオキシナイトライド）、及びこの構造６００をパターンエッチングするために使用される、１５００Åの厚い窒化シリコンのハードマスク層６１２がある。窒化シリコンのハードマスク６１２とシリコンオキシナイトライドＡＲＣの層６１０は、従来知られた技術を用いて既にパターン化されている。
【００４７】
タングステン６０８／窒化タングステン６０６のエッチングは２つのエッチング化学作用を用いて行われる。エッチングの第１の部分の間、プラズマ中の化学的反応性エッチャント種は、２００ｓｃｃｍのＳＦ６および４５ｓｃｃｍのＮ２（即ち、３１体積％のＳＦ６と６９体積％のＮ２）であった。他のエッチングプロセス条件は以下のとおりである：エッチングプロセスチャンバの圧力は約４ｍＴｏｒｒ；基板温度は約５０℃；プラズマソース電力は２００Ｗ；基板バイアス電力は１７５Ｗであった。タングステン／窒化タングステンのエッチング速度は約２０００Å／分であった。図６Ｂに示されるように、フィーチャの底に残っているタングステン６０８／窒化タングステン６０６残留物のわずかな量を残して、殆ど全ての、タングステン／窒化タングステンの最初の１０００Åの組み合わせた厚さは、第１のエッチング化学作用を用いてエッチングされた。
【００４８】
残りのタングステン６０８／窒化タングステン６０６のエッチングは、化学的反応性のエッチャント種が約７２ｓｃｃｍの流量のＣｌ２及び約１８ｓｃｃｍの流量のＯ２のソースガスから生成されたプラズマを用いて行われた。他のエッチングプロセス条件は以下のとおりである：エッチングプロセスチャンバの圧力は約４ｍＴｏｒｒ；基板温度は約５０℃；プラズマソース電力は４００Ｗ；基板バイアス電力は１７５Ｗであった。タングステン／窒化タングステンのエッチング速度は約１８７１Å／分であった。エッチングは、図６Ｃに示されるように、五酸化タンタルの上面が僅かにエッチングされるまで、続けられた。五酸化タンタルのエッチング速度は約２０Å／分であると決められた。タングステン：五酸化タングステンのエッチング速度の選択性は約９４：１であった。得られたエッチングプロフィールは約８９−９０であった。
【００４９】
下層の酸化物層が五酸化タンタルを有する場合、われわれは、酸化シリコンが下層として用いられたときの条件と同じタングステンのオーバエッチングステップ中のソースガスの組成及びプロセス条件を用いることができることを発見した。五酸化タンタルは、異方性エッチング中に生じるイオン衝突に対して抵抗があるので、我々は、下層の五酸化タンタルの層に対するタングステンのエッチングの殆ど無限の選択性を達成することができる。この並外れて高いタングステン：五酸化タンタルのエッチング選択性によって、薄い五酸化タンタルの層を（対応する酸化シリコンの層に対して）用いることができる。五酸化タンタルの層は、一般に約１０Åより薄い厚さを有し、好ましくは、３０Å〜約５０Åの範囲内である。酸化物層の薄さは、半導体デバイスのスピードを増加するために重要である。
【００５０】
五酸化タンタルが酸化シリコンよりイオン衝突に対して抵抗があると言う我々の発見によって、下層の五酸化タンタルの層上のタングステンのオーバエッチングステップ中に、高い基板バイアス電力を用いることができる。このオーバエッチング中の高いバイアス電力（約１００Ｗから約３００Ｗまで）の使用は、改善されたプロフィールの制御（即ち、より垂直なプロフィールが得られる）を与える一方で、下層の五酸化タンタルに対してタングステンをエッチングするための高い選択性を維持する。高いバイアス電力が用いられた場合、低い酸素含有量を有するプラズマソースガスを用いることができる。
【００５１】
仮想の酸化物が五酸化タンタルを有する場合、約２０００Å／分のタングステンのエッチング速度を達成することができ、一方、約４００Ｗから約６００Ｗの範囲内のプラズマソース電力、約１７５Ｗの基板バイアス電力及び約４ｍＴｏｒｒの範囲内のプロセスチャンバ圧力を用いて、適例のＤＰＳチャンバにおいて達成される約４．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３から約６．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３の範囲内のプラズマ密度を有する約２０％のＯ２の体積％を有するプラズマソースガスを用いて、約７５：１またはそれ以上のタングステン：五酸化タンタルのエッチング選択性を維持する。フィーチャのベースにおける残留タングステンの“フィート”を除去する一方、フィーチャプロフィールの維持を可能にするために、エッチングの終わりに向かってエッチング条件を調整することが有利である。例えば、タングステンのエッチング速度が約１０００Å／分より小さい場合、最終エッチング条件が少なくとも１７５：１のタングステン：五酸化タンタルの選択性を与える。このエッチングの選択性及びエッチング速度は、約２００Ｗのプラズマソース電力、約１７５Ｗの基板バイアス電力及び約６ｍＴｏｒｒのプロセスチャンバ圧力を用いて、適例のＤＰＳチャンバにおいて達成される約２．０ｘ１０１０ｅ−／ｃｍ３のプラズマ密度を有する約２０％のＯ２の体積％を有するプラズマソースガスを用いることによって達成されることができる。
【００５２】
タングステンのオーバエッチング中に特定のプロセスパラメータ（Ｏ２の流量、プロセスチャンバ圧力、プラズマソース電力、基板バイアス電力）を変えることによって得られた実験結果が表ＩＩ示される。
【００５３】
【表２】
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【００５４】
表ＩＩＩは、いろいろなプロセス条件及びこれらのプロセス条件で得られることが期待されるタングステン（または窒化タングステン）の概要を示す。また、表ＩＩＩは、得られることが期待される五酸化タンタルに対するタングステン／窒化タングステンをエッチングするための選択性、及び得られることが記載されるエッチングされた側壁プロフィールの角度を示す。
【００５５】
【表３】
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【００５６】
上記の実施の形態は、本発明の範囲を限定するために意図されたものではなく、本発明に照らして、当業者は、請求項に記載された本発明の主題に相当するこれらの実施の形態を拡張することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ここで説明されるエッチングプロセスを実行するために使用されたプラズマ処理装置の概略図を示す。
【図２Ａ】
オーバエッチングを使用しない、即ちタングステンのエッチングの終わりに向かってエッチング化学作用に変化がない場合のエッチングされたタングステンの断面図の顕微鏡写真のスケッチを示し、エッチングは下層の酸化シリコン基板をエッチングを避けるために充分な時間をかけて停止された。
【図２Ｂ】
オーバエッチングを使用しない、即ちタングステンのエッチングの終わりに向かってエッチング化学作用に変化がない場合のエッチングされたタングステンの斜視図の顕微鏡写真のスケッチを示し、エッチングは下層の酸化シリコン基板をエッチングを避けるために充分な時間をかけて停止された。
【図３】
タングステンのエッチングの終わりに向かってエッチングかガス作用に変化がある場合のエッチングされたタングステンの顕微鏡写真のスケッチを示し、エッチングが酸化シリコン基板の表面にとどまるのを可能にしている。
【図４】
プラズマソースガスの酸素含有量の増加は、全ての他のプロセス変数が一定に保たれる場合、酸化シリコン基板のエッチング速度への影響を減少することを示しているグラフである。
【図５Ａ】
タングステンのエッチング速度；酸化シリコンのエッチング速度に関してのプラズマソース電力の増加による影響、及び酸素濃度が約２０体積％の場合のオーバエッチングステップ中の選択性（酸化シリコンのエッチング速度に対するタングステンのエッチング速度の増加による）に関してのプラズマソース電力の増加による影響を示すグラフである。
【図５Ｂ】
全ての他の変数が一定に保たれる場合、プラズマソース電力及び酸素の流量の関数として、オーバエッチングステップにおけるタングステンのエッチング速度を示す三次元グラフである。
【図５Ｃ】
全ての他の変数が一定に保たれる場合、プラズマソース電力及び酸素の流量の関数として、オーバエッチングステップにおける酸化シリコンのエッチング速度を示す三次元グラフである。
【図５Ｄ】
全ての他の変数が一定に保たれる場合、プラズマソース電力及び酸素の流量の関数として、選択性（Ｗ：ＳｉＯｘのエッチング速度比）を示す三次元グラフである。
【図６Ａ】
下層の誘電体層が五酸化タンタルの場合、タングステンをエッチングするための本発明の方法の実施の形態を実施するための初期の半導体構造を示す。この半導体構造６００は、上部から下部へ、パターン化された窒化シリコンのハードマスク層６１２、パターン化されたシリコンオキシナイトライドＡＲＣ層６１０、タングステンの層６０８、窒化タングステンのウエット層６０６、及び五酸化タンタルの層６０４を示し、全てがシリコン基板６０２上に堆積されている。膜のスタック層の相対的厚さは一定の比率で図示されていない。
【図６Ｂ】
主エッチングステップ中に、タングステン６０８／窒化タングステン６０６の大部分を通してエッチングした後の半導体構造６００を示す。
【図６Ｃ】
オーバエッチングステップを行なった後の半導体構造６００を示す。タングステン６０８／窒化タングステン６０６の全体の厚さが、エッチングされ、五酸化タンタルの層６０４の上面を露出している。
【図１】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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