(57)【要約】【課題】エッチング対象膜、特にシリコン含有膜上に形成されたタングステン含有膜を、高温にすることなく、良好な形状性および下地に対する高い選択比を確保しつつエッチングすること。【解決手段】下地膜上にエッチング対象膜が形成された被処理体を収容する処理容器１と、処理容器１内に主エッチングガスと窒素含有ガスとを導入するガス導入機構５１と、処理容器１内にプラズマを生成するプラズマ生成機構３９，３１と処理容器１内に形成されたプラズマの発光スペクトルを検出する発光スペクトル検出機構７０，７１と、プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるようにプラズマ生成条件を設定する制御部７７とを具備する。【選択図】図１
2007250570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地膜上にエッチング対象膜が形成された被処理体に対して処理容器内においてプラズマの存在下でエッチング処理するエッチング方法であって、
処理ガスとして、主エッチングガスと窒素含有ガスとを用い、プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるような条件でエッチングを行うことを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
シリコン含有膜からなる下地膜上にタングステン含有膜からなるエッチング対象膜が形成された被処理体に対して処理容器内においてプラズマの存在下でエッチング処理するエッチング方法であって、
処理ガスとして、塩素含有ガスと酸素含有ガスと窒素含有ガスを用い、プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるような条件でエッチングを行うことを特徴とするエッチング方法。
【請求項３】
塩素含有ガスはＣｌ２であり、酸素含有ガスはＯ２であり、窒素含有ガスがＮ２であることを特徴とする請求項２に記載のエッチング方法。
【請求項４】
前記シリコン含有膜はポリシリコン膜であり、前記タングステン含有膜はタングステン膜またはタングステンナイトライド膜とタングステン膜との積層体であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のエッチング方法。
【請求項５】
前記プラズマはマイクロ波によって形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエッチング方法。
【請求項６】
前記プラズマは平面アンテナから放射されたマイクロ波によって形成されることを特徴とする請求項４に記載のエッチング方法。
【請求項７】
前記平面アンテナは、ＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｓｌｏｔ  Ａｎｔｅｎｎａ）であることを特徴とする請求項５に記載のエッチング方法。
【請求項８】
マイクロ波のパワーが２０００Ｗ以上、Ｎ２ガス／Ｃｌ２ガスの流量比が２００％以上であることを特徴とする請求項７に記載のエッチング方法。
【請求項９】
下地膜上にエッチング対象膜が形成された被処理体を収容する処理容器と、
前記処理容器内に主エッチングガスと窒素含有ガスとを導入するガス導入機構と、
前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成機構と
前記処理容器内に形成されたプラズマの発光スペクトルを検出する発光スペクトル検出機構と、
プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるようにプラズマ生成条件を設定する制御部と
を具備することを特徴とするエッチング装置。
【請求項１０】
シリコン含有膜からなる下地膜上にタングステン含有膜からなるエッチング対象膜が形成された被処理体を収容する処理容器と、
前記処理容器内に塩素含有ガスと酸素含有ガスと窒素含有ガスとを導入するガス導入機構と、
前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成機構と
前記処理容器内に形成されたプラズマの発光スペクトルを検出する発光スペクトル検出機構と、
プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるようにプラズマ生成条件を設定する制御部と
を具備することを特徴とするエッチング装置。
【請求項１１】
前記発光スペクトル検出機構は、プラズマ光を分光するモノクロメータと、得られた分光光を計測する計測装置を有することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のエッチング装置。
【請求項１２】
前記プラズマ生成機構は、前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波発生装置を有していることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載のエッチング装置。
【請求項１３】
前記プラズマ生成機構は、前記マイクロ波発生装置により発生したマイクロ波を放射して前記処理容器内に導入する平面アンテナを有することを特徴とする請求項１２に記載のエッチング装置。
【請求項１４】
前記平面アンテナは、ＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｓｌｏｔ  Ａｎｔｅｎｎａ）であることを特徴とする請求項１３に記載のエッチング装置。
【請求項１５】
コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法が行われるように、コンピュータにエッチング装置を制御させることを特徴とするコンピュータ読取可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体にプラズマ化された処理ガスを用いてエッチング処理を施すプラズエッチング方法およびエッチング装置、ならびにそのようなエッチング方法を実行させるコンピュータ読取可能な記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハに対して、成膜処理、改質処理、酸化拡散処理、エッチング処理等の各種の処理を行うが、エッチング処理においては、高精度化を図るため、所定パターンのレジストをマスクとしてプラズマによりエッチングを行うプラズマエッチング処理が多用されている。
【０００３】
近年、タングステン（Ｗ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）、タングステンナイトライド（ＷＮ）等のタングステン含有膜がＭＯＳ型半導体のゲート電極として多用されているが、このようなタングステン含有膜をエッチングしてゲート電極を形成する場合には、シリコン基板上にゲート酸化膜、ポリシリコン膜、タングステン含有膜を順次形成し、さらにその上にパターン化されたエッチングマスクを形成した構造を有する半導体ウエハを準備し、タングステン含有膜をエッチングすることにより行われる。
【０００４】
タングステン含有膜のエッチングには、従来、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＳｉＣｌ４等の塩素系ガスや、ＣＦ４やＳＦ６といったフッ素系のガスも用いられ、下地との選択性を高めるためにこれらにＯ２を添加したものも用いられている（例えば、特許文献１、２）。
【０００５】
ところで、このようなタングステン含有膜をエッチングしてゲート電極を形成する際には、エッチングの形状性および下地との選択性が重要となるが、近時の半導体デバイスに対する一層の微細化および高密度化の要求にともない、エッチング形状性や下地に対する選択比を一層良好なものにすることが求められている。
【０００６】
しかしながら、塩素系のガスでは反応性が低く、所望の形状性（垂直形状性）を得ようとすると半導体ウエハを高温にしなければならず不都合である。また、フッ素系のガスを用いた場合には、形状性は良好であるが、下地に対するエッチング選択比が不十分となってしまう。このように従来技術では、エッチングの形状性と下地に対する選択性を両立させることは困難である。
【特許文献１】特開２００４−３９９３５号公報
【特許文献２】特開２０００−２３５９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、エッチング対象膜、特にシリコン含有膜上に形成されたタングステン含有膜を、高温にすることなく、良好な形状性および下地に対する高い選択比を確保しつつエッチングすることができるエッチング方法およびエッチング装置を提供することを目的とする。また、このようなエッチング方法を実施するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、下地膜上にエッチング対象膜が形成された被処理体に対して処理容器内においてプラズマの存在下でエッチング処理するエッチング方法であって、処理ガスとして、主エッチングガスと窒素含有ガスとを用い、プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるような条件でエッチングを行うことを特徴とするエッチング方法を提供する。
【０００９】
本発明の第２の観点では、シリコン含有膜からなる下地膜上にタングステン含有膜からなるエッチング対象膜が形成された被処理体に対して処理容器内においてプラズマの存在下でエッチング処理するエッチング方法であって、処理ガスとして、塩素含有ガスと酸素含有ガスと窒素含有ガスを用い、プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるような条件でエッチングを行うことを特徴とするエッチング方法を提供する。
【００１０】
上記第２の観点において、塩素含有ガスとしてＣｌ２、酸素含有ガスとしてＯ２、窒素含有ガスとしてＮ２を用いることができる。また、前記シリコン含有膜としてポリシリコン膜、前記タングステン含有膜としてタングステン膜またはタングステンナイトライド膜とタングステン膜との積層体を用いることができる。
【００１１】
上記第１および上記第２の観点において、前記プラズマとしてマイクロ波によって形成されるものを用いることができる。この場合に、プラズマは平面アンテナから放射されたマイクロ波によって形成されるものが好ましく、好適な平面アンテナとしては、ＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｓｌｏｔ  Ａｎｔｅｎｎａ）を挙げることができる。また、マイクロ波のパワーが２０００Ｗ以上、Ｎ２ガス／Ｃｌ２ガスの流量比が２００％以上であることが好ましい。
【００１２】
本発明の第３の観点では、下地膜上にエッチング対象膜が形成された被処理体を収容する処理容器と、前記処理容器内に主エッチングガスと窒素含有ガスとを導入するガス導入機構と、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成機構と前記処理容器内に形成されたプラズマの発光スペクトルを検出する発光スペクトル検出機構と、プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるようにプラズマ生成条件を設定する制御部とを具備することを特徴とするエッチング装置を提供する。
【００１３】
本発明の第４の観点では、シリコン含有膜からなる下地膜上にタングステン含有膜からなるエッチング対象膜が形成された被処理体を収容する処理容器と、前記処理容器内に塩素含有ガスと酸素含有ガスと窒素含有ガスとを導入するガス導入機構と、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成機構と前記処理容器内に形成されたプラズマの発光スペクトルを検出する発光スペクトル検出機構と、プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるようにプラズマ生成条件を設定する制御部とを具備することを特徴とするエッチング装置を提供する。
【００１４】
上記第３および第４の観点において、前記発光スペクトル検出機構としては、プラズマ光を分光するモノクロメータと、得られた分光光を計測する計測装置を有するものを用いることができる。また、前記プラズマ生成機構としては、処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波発生装置を有しているものを用いることができる。また、前記プラズマ生成機構としては、マイクロ波発生装置により発生したマイクロ波を放射して処理容器内に導入する平面アンテナを有するものを用いることができる。好適な平面アンテナとしては、ＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｓｌｏｔ  Ａｎｔｅｎｎａ）を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、下地膜上に形成されたエッチング対象膜を、主エッチングガスと窒素含有ガスとでエッチングし、その際に、プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるような条件でエッチングを行うので、Ｎ２＋に代表される窒素イオンによる窒化・還元作用が有効に発揮され、反応生成物の酸化が抑制され、低温においても良好なエッチング形状性と高い選択性を同時に達成することができる。特に、下地膜であるシリコン含有層の上にエッチング対象膜であるタングステン含有膜が形成された被処理体をエッチングする場合に、処理ガスとして、塩素含有ガスと酸素含有ガスと窒素含有ガスを用い、プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるような条件でエッチングを行うことにより、窒素イオンによる窒化・還元作用が発揮されてＷＯ３等の揮発性の低い反応生成物の堆積によるエッチング形状の悪化が防止され、高温にすることなく、良好なエッチング形状性と高い選択性を両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエッチング方法を実施するためのプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図である。このプラズマエッチング装置１００は、複数のスロットを有する平面アンテナであるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるＲＬＳＡマイクロ波プラズマエッチング装置として構成されている。
【００１７】
プラズマエッチング装置１００は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ（処理容器）１を有しており、その中で被処理体である半導体ウエハＷがエッチングされる。チャンバ１の上部には、処理空間にマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入部３０が開閉可能に設けられている。
【００１８】
チャンバ１内には被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ５が、チャンバ１の底部中央に絶縁部材４ａ介して立設された筒状の支持部材４により支持された状態で設けられている。サセプタ５および支持部材４を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等が例示される。
【００１９】
サセプタ５の上面には、半導体ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は、導電膜からなる電極７を絶縁体６ａの内部に設けた構造を有するものであり、電極７には直流電源８が電気的に接続されている。そして、直流電源８からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力により半導体ウエハＷが静電チャック６に吸着保持される。
【００２０】
静電チャック６（半導体ウエハＷ）の周囲でサセプタ５の上面には、エッチングの均一性を向上させるための、例えばシリコンからなる導電性のフォーカスリング（補正リング）９が配置されている。
【００２１】
サセプタ５の内部には、例えば円周状に冷媒室１２が設けられている。この冷媒室１２には、外部に設けられた図示しないチラーユニットより配管１４ａ，１４ｂを介して所定温度の冷媒が循環供給され、冷媒の温度によってサセプタ上の半導体ウエハＷの処理温度を制御することができるようになっている。また、サセプタ５の内部には温度調整用のヒータ１６が埋設されている。ヒータ１６にはヒータ用電源１７が接続され、ヒータ１６はこの電源１７から給電されて発熱する。さらに、図示しない伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給ライン１８を介して静電チャック６の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給されるようになっている。
【００２２】
また、サセプタ５には、整合器１９を介して高周波バイアス電源２０が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源２０からサセプタ５に高周波電力が供給されることにより、半導体ウエハＷ側にイオンが引き込まれる。高周波バイアス電源２０は、例えば３００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数の範囲の高周波電力を出力する。
【００２３】
サセプタ５には、ウエハＷを支持して昇降させるための３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン２１がサセプタ５の表面に対して突没可能に設けられ、これらウエハ支持ピン２１は支持板２２に固定されている。そして、ウエハ支持ピン２１は、チャンバ１の下方に設けられたエアシリンダ等の駆動機構２３により昇降ロッド２３ａおよび支持板２２を介して昇降される。なお、昇降ロッド２３ａのチャンバ１から外方へ突出した部分の周囲にはベローズ２４が設けられている。
【００２４】
チャンバ１の底部には排気管２５が接続されており、この排気管２５には高速真空ポンプを含む排気装置２６が接続されている。そしてこの排気装置２６を作動させることによりチャンバ１内が排気され、チャンバ１内が所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。また、チャンバ１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口８０と、この搬入出口８０を開閉するゲートバルブ８１とが設けられている。
【００２５】
チャンバ１の上部は開口部となっており、この開口部を塞ぐようにマイクロ波導入部３０が気密に配置可能となっている。このマイクロ波導入部３０は、図示しない開閉機構により開閉可能となっている。
【００２６】
マイクロ波導入部３０は、サセプタ５の側から順に、透過板２８、平面アンテナ部材３１、遅波材３３を有している。これらは、シールド部材３４、押えリング３６およびアッパープレート２９によって覆われ、断面視Ｌ字形をした環状の押えリング３５で固定されている。マイクロ波導入部３０が閉じられた状態においては、チャンバ１の上端とアッパープレート２９とがシール部材２９ａによりシールされた状態となるとともに、後述するように透過板２８を介してアッパープレート２９に支持された状態となる。
【００２７】
透過板２８は、誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、サファイヤ、ＳｉＮ等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過しチャンバ１内の処理空間に導入するマイクロ波導入窓として機能する。透過板２８の下面（サセプタ５側）は平坦状に限らず、マイクロ波を均一化してプラズマを安定化させるため、例えば凹部や溝を形成してもよい。この透過板２８は、マイクロ波導入部３０の外周下方に環状に配備されたアッパープレート２９の内周面の突部２９ｃにより、シール部材２９ｂを介して気密状態で支持されている。したがって、マイクロ波導入部３０が閉じられた状態でチャンバ１内を気密に保持することが可能となる。
【００２８】
平面アンテナ部材３１は、円板状をなしており、透過板２８の上方位置において、シールド部材３４の内周面に係止されている。この平面アンテナ部材３１は、例えば表面が金または銀メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、マイクロ波などの電磁波を放射するための多数のスロット孔３２が所定のパターンで貫通して形成され、ＲＬＳＡを構成している。
【００２９】
スロット孔３２は、例えば図２に示すように長溝状をなし、典型的には隣接するスロット孔３２同士が「Ｔ」字状に配置され、これら複数のスロット孔３２が同心円状に配置されている。スロット孔３２の長さや配列間隔は、遅波材３３中のマイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定され、例えばスロット孔３２の間隔は、１／２λｇまたはλｇとなるように配置される。なお、図２においては、同心円状に形成された隣接するスロット孔３２同士の間隔をΔｒで示している。また、スロット孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、スロット孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。
【００３０】
遅波材３３は、真空よりも大きい誘電率を有しており、平面アンテナ部材３１の上面に設けられている。この遅波材３３は、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されており、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。なお、平面アンテナ部材３１と透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、それぞれ密着させても離間させてもよい。
【００３１】
シールド部材３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、シールド部材３４、遅波材３３、平面アンテナ３１、透過板２８を冷却するようになっている。なお、シールド部材３４は接地されている。
【００３２】
シールド部材３４の中央には、開口部３４ｂが形成されており、この開口部３４ｂには導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して上記平面アンテナ部材３１へ伝搬されるようになっている。マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。
【００３３】
導波管３７は、上記シールド部材３４の開口部３４ｂから上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在しており、内導体４１は、その下端部において平面アンテナ部材３１の中心に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ部材３１へ放射状に効率よく均一に伝播される。
【００３４】
チャンバ１内のサセプタ５とマイクロ波導入部３０との間には、エッチングのための処理ガスを導入するためのシャワープレート５１が水平に設けられている。このシャワープレート５１は、図３にも示すように格子状に形成されたガス流路５２と、このガス流路５２に形成された多数のガス吐出孔５３とを有しており、格子状のガス流路５２の間は空間部５４となっている。このシャワープレート５１のガス流路５２にはチャンバ１の外側に延びる配管５５が接続されている。この配管５５は、Ｃｌ２ガス配管５６、Ｏ２ガス配管５７、Ｎ２ガス配管５８に分岐しており、それぞれＣｌ２ガス源５９、Ｏ２ガス源６０、Ｎ２ガス源６１に接続されている。Ｃｌ２ガス配管５６、Ｏ２ガス配管５７、Ｎ２ガス配管５８には、それぞれバルブ６２およびマスフローコントローラ６３が設けられている。そして、Ｃｌ２ガス源５９、Ｏ２ガス源６０、Ｎ２ガス源６１からＣｌ２ガス、Ｏ２ガス、Ｎ２ガスが上記配管およびシャワープレート５１を介して所定流量比でチャンバ１内に導入される。
【００３５】
一方、チャンバ１のシャワープレート５１の上方位置には、リング状のプラズマガス導入部材６５がチャンバ壁に沿って設けられており、このプラズマガス導入部材６５には内周に多数のガス吐出孔が設けられている。このプラズマガス導入部材６５には、プラズマガスとしてのＡｒガスを供給するＡｒガス源６６が配管６７を介して接続されている。配管６７にはバルブ６８およびマスフローコントローラ６９が接続されている。そして、Ａｒガス源６６から配管６７およびガス導入部材６５を介してチャンバ１内に導入されたＡｒガスは、マイクロ波導入部３０を介してチャンバ１内に導入されたマイクロ波によりプラズマ化され、このＡｒプラズマがシャワープレート５１の空間部５４を通過しシャワープレート５１のガス吐出孔５３から吐出されたＣｌ２ガス、Ｏ２ガス、Ｎ２ガスを励起し、これらのプラズマを形成する。
【００３６】
チャンバ１の側壁部には、チャンバ１内に形成されたプラズマからの光を分光するモノクロメータ７０が設けられており、このモノクロメータ７０には計測部７１が接続されている。
【００３７】
エッチング装置１００の構成部は、コンピュータからなるプロセスコントローラ７７に接続されて制御される構成となっている。また、プロセスコントローラ７７には、工程管理者がエッチング装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プロセスコントローラ１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース７８が接続されている。さらに、プロセスコントローラ７７には、エッチング装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ７７の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてエッチング装置１００の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部７９が接続されている。レシピはハードディスクや半導体メモリーに記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性の記憶媒体に収容された状態で記憶部７９の所定位置にセットするようになっていてもよい。さらに、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース７８からの指示等にて任意のレシピを記憶部７９から呼び出してプロセスコントローラ７７に実行させることで、プロセスコントローラ７７の制御下で、エッチング装置１００での所望の処理が行われる。
【００３８】
次に、以上のように構成されたエッチング装置１００を用いて実施される本実施形態のエッチング方法について説明する。
ここでは、図４に示すような、シリコン基板１０１上にゲート酸化膜１０２、ポリシリコン膜１０３、タングステン含有膜１０４を順次形成し、さらにその上にパターン化されたエッチングマスク１０５を形成した構造を有する半導体ウエハＷを準備し、タングステン含有膜１０４を以下のようにしてプラズマエッチングする。なお、タングステン含有膜１０４としてはＷ膜単層であってもよいし、下地にＷＮ膜を形成した後にＷ膜を形成する積層膜であってもよい。またＷ膜とＷＳｉ膜の積層膜等、他の組み合わせであってもよい。
【００３９】
まず、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ５上に載置する。そして、Ａｒガス源６６から配管６７およびガス導入部材６５を介してチャンバ１内にＡｒガスを導入しつつ、マイクロ波発生装置３９からのマイクロ波を、マッチング回路３８を経て導波管３７に導き、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通過させて内導体４１を介して平面アンテナ部材３１に供給し、平面アンテナ部材３１のスロットから透過板２８を介してチャンバ１内に放射させる。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ部材３１に向けて伝搬されていき、平面アンテナ部材３１から透過板２８を経てマイクロ波がチャンバ１に放射され、このマイクロ波によりチャンバ１内で電磁界が形成されて、プラズマ生成ガスであるＡｒガスがプラズマ化する。そして、直流電源８から電極７に給電することによりプラズマを介して半導体ウエハＷが静電チャック６に静電吸着される。
【００４０】
次いで、Ｃｌ２ガス源５９、Ｏ２ガス源６０、Ｎ２ガス源６１からＣｌ２ガス、Ｏ２ガス、Ｎ２ガスが、Ｃｌ２ガス配管５６、Ｏ２ガス配管５７、Ｎ２ガス配管５８およびシャワープレート５１を介してチャンバ１内に吐出される。Ｃｌ２ガス、Ｏ２ガス、Ｎ２ガスはマスフローコントローラ６３を制御することにより所定の流量比で供給される。
【００４１】
吐出されたＣｌ２ガス、Ｏ２ガス、Ｎ２ガスは、シャワープレート５１の空間部５４を通過してきたＡｒプラズマにより励起されてプラズマ化し、これらプラズマによりタングステン含有膜１０４がエッチングされ、図５に示すようにタングステン含有膜からなるゲート電極１０６が形成される。
【００４２】
この際に形成されるプラズマは、マイクロ波が平面アンテナ部材３１の多数のスロット孔３２から放射されることにより、略１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略１．５ｅＶ以下の低電子温度プラズマとなる。
【００４３】
このエッチング処理に際しては、高周波電源２０からサセプタ５に高周波電力を供給して半導体ウエハＷにイオンを引き込む。これによりエッチングの異方性を高め、形状性を極力良好にすることができる。また、チャンバ内圧力は０．６５〜２．６Ｐａの範囲が好ましく。エッチングの際のウエハ温度は５０〜７０℃が好ましい。
【００４４】
タングステン含有膜のエッチングに際して、エッチングガスが従来から用いられていたＣｌ２ガスおよびＯ２ガスのみであると、図６に示すように、エッチングによって形成されるゲート電極１０６の外側にＷＯ３やＷＣｌｘＯｙ等、比較的揮発性の低い反応生成物１０７が堆積する不都合が生じ、そのような堆積物はエッチング選択比を高めるために添加しているＯ２ガスが多いほど増加する。したがって、エッチング選択比を高めようとしてＯ２ガスを多く添加するとエッチング形状が劣化する。このようなことを回避するためにＯ２ガスを減少させるとエッチングの選択性が低下してしまい、また選択比改善に十分なだけＯ２ガスを添加しつつエッチング形状性も良好にするためには、高温での処理が必要となり不都合である。
【００４５】
このような不都合を回避するために、本実施形態では、これらにさらにＮ２ガスを添加する。これにより、このような反応生成物の堆積を抑制することができ、エッチングの形状性および選択性を向上させることができる。ただし、単にＮ２ガスを導入しただけでは、十分な効果が得られない場合もある。
【００４６】
そこで、本発明者らがさらに検討を加えた結果、エッチングの形状性および選択性にとって窒素イオンが重要であることが見出された。そして、プラズマの発光スペクトルを計測した結果、窒素イオンとしてはＮ２＋のみが明確に検出され、そこから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となるプラズマでエッチングを行うことにより、高温にすることなく、エッチングの形状性および選択性を十分に向上させ得ることが判明した。このため、ここでは、プラズマの発光スペクトルから求められるＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上となる条件でエッチングを行う。また、この場合に、マイクロ波発生装置３９からの供給パワーが２０００〜３０００Ｗであることが好ましく、Ｎ２ガス／Ｃｌ２ガスの比率が２００〜４００％であることが好ましい。また、Ｏ２ガス／Ｃｌ２ガスの比率が１０〜２０％であることが好ましい。
【００４７】
上述のようにプラズマ中に窒素イオンが多く存在することにより、窒素イオンによる窒化・還元作用が有効に発揮され、反応生成物の酸化が抑制され、またはＷＯ３等の揮発性の低い酸化物が形成されても以下の式により容易に還元されるため、６０℃程度の低温においても垂直性の高い良好なエッチング形状性と下地に対する高い選択比を同時に達成することができる。
ＷＯ３＋Ｎ２＋＋Ｃｌ２  ＋ｅ  →  ＷＯ２Ｃｌ２＋Ｎ２Ｏ
ＷＯ２Ｃｌ２＋ＮＯ＋Ｎ
ＷＮＯＣｌ＋ＮＯ２＋Ｃｌ
（ｅｔｃ．）
【００４８】
プラズマのＮ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２は、ガス組成およびマイクロ波生成装置の供給電力等の処理条件を変化させることにより変化させることができ、これら条件を適切に制御することにより所望の値とすることができる。
【００４９】
プラズマの発光スペクトルは、プラズマ光をモノクロメータ７０により分光し、得られた分光光をこれに接続された計測装置７１にて計測することにより求めることができる。したがって、このようにして求めたプラズマの発光スペクトルに基づいて、プラズマのＮ２＋／Ｎ２が０．６以上となるように上記処理条件を制御する。典型的には、予めプラズマの発光スペクトルのＮ２＋／Ｎ２が０．６以上となる処理条件の範囲を把握しておき、処理条件がその範囲内となるように制御しつつプラズマエッチングを行う。
【００５０】
Ｎ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上のプラズマを形成するためには、本実施形態のようなＲＬＳＡを用いたマイクロ波プラズマを用いることが好ましい。ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）も高密度プラズマとして広く知られているが、Ｎ２＋の強度とＮ２の強度との比Ｎ２＋／Ｎ２を０．６以上とすることが難しく、あまり適切ではない。
【００５１】
このことを以下に説明する。
ＲＬＳＡプラズマエッチング装置として２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源３９と４００ｋＨｚの高周波バイアス電源１９を有するものを用い、ＩＣＰエッチング装置として１３．５６ＭＨｚの高周波電源を有するものを用いて、ＲＬＳＡプラズマエッチング装置のマイクロ波電源のパワーおよびＩＣＰエッチング装置のパワー（プラズマ形成パワー）を２０００Ｗとした際のプラズマの発光スペクトルは図７に示すようになる。この際に、各ガスの組成比はＣｌ２：Ｎ２：Ｏ２＝２：８：１、チャンバ内圧力は１．３Ｐａとした。この図から明らかなように、同じパワーでありながら、Ｎ２＋のピーク高さが両者で著しく異なっておりＲＬＳＡプラズマエッチング装置のほうが明らかに高くなっている。
【００５２】
次に、ＲＬＳＡプラズマエッチング装置のマイクロ波電源のパワーおよびＩＣＰエッチング装置のパワーを変化させ、パワーとＮ２＋／Ｎ２（強度比）との関係を求めた。その結果を図８に示す。この図に示すように、通常の使用範囲においては、パワーによらず明らかにＲＬＳＡプラズマエッチング装置のほうがＮ２＋／Ｎ２が高いことがわかる。すなわちＲＬＳＡプラズマエッチング装置のほうがイオン化しやすいことがわかる。また、通常の使用範囲において、ＲＬＳＡプラズマの場合にはＮ２＋／Ｎ２が０．６を超えているのに対し、ＩＣＰエッチング装置の場合には０．３未満であることがわかる。
【００５３】
図９はプラズマ形成パワーと電子密度との関係を示し、図１０はプラズマ形成パワーと電子温度との関係を示しているが、これらの図からＲＬＳＡプラズマはＩＣＰと比較して高電子密度、低電子温度であることが明確に示され、これに起因してＲＬＳＡプラズマにおいてイオン化しやすいものと考えられる。なお、図９、１０においては、ガスとしてＮ２ガスを用い、チャンバ内圧力を１．３Ｐａとした。
【００５４】
次に、Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上を規定した根拠となった実験結果について説明する。ここでは、図１に示す構造のＲＬＳＡプラズマエッチング装置を用い、エッチングガスとしてＣｌ２ガス、Ｏ２ガス、Ｎ２ガスを用い、チャンバ内圧力を１．３Ｐａ、サセプタの温度を６０℃としてガス組成およびマイクロ波発生装置のパワーを変化させて図４に示す構造の半導体ウエハのＷ膜のエッチングを行い、下地のポリシリコン膜に対するエッチング選択比およびデポによる形状への影響を把握した。
【００５５】
図１１は、横軸にＮ２／Ｃｌ２をとり、縦軸にＯ２／Ｃｌ２をとってエッチング形状性（ＣＤ変化）およびエッチング選択比を把握した結果について示し、マイクロ波発生装置３９のパワーは、（ａ）が１５００Ｗ、（ｂ）が２０００Ｗ、（ｃ）が２５００Ｗの場合であり、いずれも上段がＣＤ変化（図６における反応生成物１０７の堆積厚み（ｎｍ））、下段が選択比を示している。なお、下段には、デポによるＣＤ変化が５ｎｍ未満でかつ選択比が１．５以上の領域を示している。
【００５６】
また、図１２は、横軸にＮ２／Ｃｌ２をとり、縦軸にＯ２／Ｃｌ２をとって、プラズマの発光スペクトルからＮ２＋／Ｎ２の強度比を把握した結果について示し、マイクロ波発生装置３９のパワーは、（ａ）が１５００Ｗ、（ｂ）が２０００Ｗ、（ｃ）が２５００Ｗの場合である。なお、ここでは、モノクロメータ７０として、Ocean Optics社製  USB2000 Miniature Fiber Optics Spectrometerを用いた。また、これらの図には図１１に示したデポによるＣＤ変化が５ｎｍ未満でかつ選択比が１．５以上の領域を示している。
【００５７】
そこで、Ｎ２／Ｃｌ２の値は、好ましい範囲（２００〜４００％）の中で両特性に最も不利に働く２００％とし、Ｏ２／Ｃｌ２の値は、両特性に対しトレードオフの関係にあるので好ましい範囲（１０〜２０％）の中間である１５％として、図１１，１２より図１３の（ａ）〜（ｃ）を求めた。
【００５８】
図１３は、横軸にマイクロ波電源３９のパワーをとり、縦軸に（ａ）はＣＤ変化、（ｂ）はエッチング選択比、（ｃ）はＮ２＋／Ｎ２比を示している。ここで、選択比が１．５未満であると、図４において下地であるポリシリコン膜１０３の表面が荒れてしまって好ましくない。また、ＣＤ変化については、図６におけるタングステン含有膜１０４の線幅は１００ｎｍであるが、その５％以下（つまり５ｎｍ以下）であれば実用上問題はない。図１３の（ａ）、（ｂ）から、エッチング選択比と形状性が良好な領域、つまり選択比が１．５以上でＣＤ変化が５％以下である領域はマイクロ波パワーが１７００Ｗ以上であり、図１３（ｃ）からその領域はＮ２＋／Ｎ２比≧０．５９ということがわかる。すなわち、Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上でエッチング選択性と形状性とを両立させることができることが確認された。
【００５９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、タングステン含有膜をエッチングしてゲート電極を形成する場合を例にとって説明したが、これに限るものではない。この場合に、タングステン含有膜は特に限定されるものではなく、Ｗ単体であってもよいし、Ｗの化合物であってもよいし、これらの積層体であってもよい。また、ポリシリコン上に形成されたタングステン含有膜のエッチングにおいて、塩素含有ガスとしてＣｌ２ガスを用いたが、これに限定されず、例えばＢＣｌ３等の他の塩素含有ガスを用いてもよい。また、酸素含有ガスとしてはＯ２ガスに限らず、また、窒素含有ガスとしてはＮ２ガスに限らない。また、酸素含有ガスと窒素含有ガスを別個に用いずに、酸素および窒素を同時に含む酸窒化ガスを用いてもよい。このような酸窒化ガスとしては、ＮＯガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯ２ガス等を用いることができる。
【００６０】
また、本発明は、ポリシリコン上に形成されたタングステン含有膜のエッチングに限らず、窒素イオンによる窒化・還元作用で反応生成物の酸化が抑制され、低温においてエッチング形状性と下地に対する高い選択比を同時に達成する可能性のある他の材料にも適用可能である。ここでは、タングステン含有膜の代わりに、例えばタンタル含有膜、チタン含有膜を挙げることができる。
【００６１】
さらに、プラズマとしてＲＬＳＡプラズマを用いたマイクロ波プラズマの例を示したが、アンテナとしてはＲＬＳＡ以外の他の平面アンテナを用いたものであってもよいし、また、平面アンテナを用いないマイクロ波プラズマを用いるものであってもよく、また、Ｎ２＋／Ｎ２が０．６以上を実現できるものであれば、マイクロ波を用いたものに限定されるものでもない、ただし、ＲＬＳＡプラズマは比較的容易にＮ２＋／Ｎ２が０．６以上を実現することができるので好ましい。
【００６２】
さらにまた、上記実施形態では、被処理基板として半導体ウエハを例示したが、これに限らず、液晶表示装置（ＬＣＤ）に代表されるフラットパネルディスプレー（ＦＰＤ）用のガラス基板等、他の基板にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施するためのプラズマエッチング装置の一例を示す断面図。
【図２】図１のプラズマエッチング装置に用いられる平面アンテナ部材の構造を示す図。
【図３】図１のプラズマエッチング装置に用いられるシャワープレートの構造を示す平面図。
【図４】本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法が適用される半導体ウエハの層構造を示す断面図。
【図５】図４の層構造を有する半導体ウエハをエッチングしてゲート電極を形成した状態を示す断面図。
【図６】図４の層構造を有する半導体ウエハをエッチングして形成したゲート電極に反応生成物が堆積した状態を示す断面図。
【図７】ＲＬＳＡプラズマエッチング装置およびＩＣＰエッチング装置を用いた場合のプラズマの発光スペクトルを示す図。
【図８】ＲＬＳＡプラズマエッチング装置のマイクロ波電源のパワーおよびＩＣＰエッチング装置のパワーを変化させ、パワーとＮ２＋／Ｎ２（強度比）との関係を求めた結果を示す図。
【図９】ＲＬＳＡプラズマエッチング装置のマイクロ波電源のパワーおよびＩＣＰエッチング装置のパワーを変化させた場合のプラズマ形成パワーと電子密度との関係を示す図。
【図１０】ＲＬＳＡプラズマエッチング装置のマイクロ波電源のパワーおよびＩＣＰエッチング装置のパワーを変化させた場合のプラズマ形成パワーと電子温度との関係を示す図。
【図１１】ＲＬＳＡプラズマエッチング装置において、横軸にＮ２／Ｃｌ２をとり、縦軸にＯ２／Ｃｌ２をとってエッチング形状性（ＣＤ変化）およびエッチング選択比を把握した結果について示す図。
【図１２】ＲＬＳＡプラズマエッチング装置において、横軸にＮ２／Ｃｌ２をとり、縦軸にＯ２／Ｃｌ２をとって、プラズマの発光スペクトルからＮ２＋／Ｎ２の強度比を把握した結果について示す図。
【図１３】、図１１および図１２から求めた、マイクロ波パワーと選択比、ＣＤ変化、Ｎ２＋／Ｎ２比との関係をそれぞれ示す図。
【符号の説明】
【００６４】
１；チャンバ
４；支持部材
５；サセプタ
２６；排気装置
２８；透過板
３０；マイクロ波導入部
３１；平面アンテナ
３２；スロット孔
３７；導波管
３９；マイクロ波発生装置
４０；モード変換器
５１；シャワーヘッド
５９；Ｃｌ２ガス源
６０；Ｏ２ガス源
６１；Ｎ２ガス源
７０；モノクロメータ
７１；計測部
７７；プロセスコントローラ
７８；ユーザーインターフェース
７９；記憶部
１００；プラズマ処理装置
１０１；シリコン基板
１０２；ゲート酸化膜
１０３；ポリシリコン膜
１０４；タングステン含有膜
１０５；エッチングマスク
１０６；ゲート電極
Ｗ…半導体ウエハ（被処理体）
【図１】
2007250570.tif 000003
【図２】
2007250570.tif 000004
【図３】
2007250570.tif 000005
【図４】
2007250570.tif 000006
【図５】
2007250570.tif 000007
【図６】
2007250570.tif 000008
【図７】
2007250570.tif 000009
【図８】
2007250570.tif 000010
【図９】
2007250570.tif 000011
【図１０】
2007250570.tif 000012
【図１１】
2007250570.tif 000013
【図１２】
2007250570.tif 000014
【図１３】
2007250570.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成18年3月28日(2006.3.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
図１１に示すようにＮ２／Ｃｌ２の値が下がれば、エッチング選択比は減少し、デポによるＣＤ変化は増加して、いずれの特性も悪化するから、Ｎ２／Ｃｌ２の値は、好ましい範囲（２００〜４００％）の中で両特性に最も不利に働く２００％とし、また、図１１に示すようにＯ２／Ｃｌ２の値が下がれば、エッチング選択比は減少するがデポによるＣＤ変化は減少し、両特性に対しトレードオフの関係にあるので、Ｏ２／Ｃｌ２の値は、好ましい範囲（１０〜２０％）の中間である１５％として、図１１，１２より図１３の（ａ）〜（ｃ）を求めた。