(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリシリコン層と、その上に形成されたバリアメタル層及びタングステン層を含むメタル層とを有する被処理基板を反応容器内のサセプタ上に配置する第１のステップと、
前記反応容器内を所定の圧力に減圧する第２のステップと、
前記サセプタに負のバイアス電力を印加する第３のステップと、
前記反応容器内にＮＦ３ガスを含む第１の反応性ガスを供給すると共に、前記反応容器内にプラズマを形成して、前記メタル層をエッチングする第４のステップと、
前記第４のステップの終了後に、前記反応容器内のガスを排気して前記反応容器内に第２の反応性ガスを供給すると共に、前記反応容器内にプラズマを形成して、前記ポリシリコン層をエッチングする第５のステップと
を含むドライエッチング方法であって、
前記第２の反応性ガスにＮＦ３ガスが添加されていることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
前記第１の反応性ガスは、ＮＦ３ガス又はＮＦ３ガス及びＣｌ２ガスから成るものであり、ＮＦ３ガスが２０％〜１００％、Ｃｌ２ガスが８０％〜０％であることを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
【請求項３】
ポリシリコン層と、その上に形成されたバリアメタル層及びタングステン層を含むメタル層とを有する被処理基板を反応容器内のサセプタ上に配置する第１のステップと、
前記反応容器内を所定の圧力に減圧する第２のステップと、
前記サセプタに負のバイアス電力を印加する第３のステップと、
前記反応容器内に第１の反応性ガスを供給すると共に、前記反応容器内にプラズマを形成して、前記メタル層をエッチングする第４のステップと、
前記第４のステップの終了後に、前記反応容器内のガスを排気して前記反応容器内にＮＦ３ガスを含む第２の反応性ガスを供給すると共に、前記反応容器内にプラズマを形成して、前記ポリシリコン層をエッチングする第５のステップと
を含むドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路におけるゲート電極等を形成するためのドライエッチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路においては、ゲート電極としてポリシリコンを使用することが一般的となっている。また、近年の半導体集積回路の高集積化、高性能化に伴うゲート電極の配線抵抗値の低減及び薄膜化の要請から、ポリシリコンの上にタングステン（Ｗ）を重ねたものが開発されている。このようなゲート電極は、従来一般には、次のような工程で形成されている。
【０００３】
まず、ゲート酸化膜であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）上にポリシリコン層、ＷＮ又はＴｉＮから成るバリアメタル層、更にＷ層を順にＰＶＤ法等により成膜した後、その上に所望のマスクパターンを形成する。なお、ＣＶＤ法による場合には、バリアメタル層とＷ層との間に、両層の接着性を向上させるためにＷニュークリエーション層が形成される。
【０００４】
次に、バリアメタル層及びＷ層、又は、バリアメタル層、Ｗニュークリエーション層及びＷ層から成る層、すなわちメタル層に対して、ＳＦ6を主成分とした反応性ガスを用いてドライエッチングする。このエッチングが進行して、ポリシリコン層の表面の一部が露出したならば、その時点をエンドポイントとしてメタル層に対するエッチングを一応終了する。
【０００５】
前記エンドポイントでは、バリアメタル層の下部が完全に除去されていない。このため、従来においては、エンドポイント後にも同じ反応性ガスを用いて所定時間だけオーバーエッチングを行い、メタル層の配線脇の裾引きを取ることとしている。メタル層のオーバーエッチングが終了したならば、Ｃｌ2を主成分とする反応性ガスに切り替えて、ポリシリコン層のドライエッチングを行う。このようして、所望のパターンのゲート電極が形成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のドライエッチング方法においては、次に示すような問題点がある。
【０００７】
まず、ＳＦ6を含む反応性ガスは、ポリシリコンに対するＷの選択比（ポリシリコンのエッチング速度に対するＷのエッチング速度の比）が０．２〜０．３程度と小さいため、メタル層のオーバーエッチングを行うと、既に露出しているポリシリコン層の表面が荒れる、という問題がある。これは、メタル層のオーバーエッチング直後の層状態を示したＳＥＭ顕微鏡写真である図４からも明らかなように、マスクとマスクとの間が広く開いたオープンスペースにおいて顕著に現れる。このようにポリシリコン層の表面が荒れた状態でポリシリコン層のエッチングを開始すると、凹部のエッチングが先に進み、シリコン酸化膜にピッチング（突抜け）が生ずるおそれがあった。
【０００８】
一方、かかる問題点を回避するために、メタル層に対するオーバーエッチングの時間を短縮した場合には、メタル層の配線脇に裾引き部分が残るため、ゲート電極の垂直形状が損なわれ、所望の特性が得られないおそれがある。また、この配線脇の裾引き部分が残っていると、その後のポリシリコン層のエッチング中に、Ｗ層又はバリアメタル層を始点とした激しい残渣が生じる傾向があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題点を解決することのできる新規なドライエッチング方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１に係る本発明は、ポリシリコン層と、その上に形成されたメタル層とを有する被処理基板を反応容器内のサセプタ上に配置する第１のステップと、反応容器内を所定の圧力に減圧する第２のステップと、前記サセプタに負のバイアス電力を印加する第３のステップと、反応容器内にＮＦ3ガスを含む第１の反応性ガスを供給すると共に、反応容器内にプラズマを形成して、メタル層をエッチングする第４のステップと、この第４のステップの終了後に、反応容器内のガスを排気して反応容器内に第２の反応性ガスを供給すると共に、反応容器内にプラズマを形成して、ポリシリコン層をエッチングする第５のステップとを含むドライエッチング方法であって、第２の反応性ガスにＮＦ３ガスが添加されていることを特徴としている。
【００１１】
このように、メタル層のエッチングに使用する反応性ガスにＮＦ3ガスを用いた場合、ＮＦ3含有ガスのポリシリコンに対するＷの選択比が約０．５以上であるため、メタル層のオーバーエッチングに際して、ポリシリコン層の表面の荒れを低減することができる。
【００１２】
第１の反応性ガスは、ＮＦ3ガス単独でも良いし、ＮＦ3ガス及びＣｌ2ガスから成る混合ガスであってもよいが、その割合は、ＮＦ3ガスが２０％〜１００％、Ｃｌ2ガスが８０％〜０％であることが好ましい。
【００１３】
また、第２の反応性ガスにＮＦ3ガスを添加することも有効である。メタル層のオーバーエッチングが足りず、配線脇のメタル層に裾引き部分が残っている場合に、ＮＦ3ガスを添加したならば、この配線脇の裾引き部分を効果的に除去することができる。
【００１４】
また、請求項３に係る本発明は、ポリシリコン層と、その上に形成されたバリアメタル層及びタングステン層を含むメタル層とを有する被処理基板を反応容器内のサセプタ上に配置する第１のステップと、反応容器内を所定の圧力に減圧する第２のステップと、サセプタに負のバイアス電力を印加する第３のステップと、反応容器内に第１の反応性ガスを供給すると共に、反応容器内にプラズマを形成して、メタル層をエッチングする第４のステップと、第４のステップの終了後に、反応容器内のガスを排気して反応容器内にＮＦ３ガスを含む第２の反応性ガスを供給すると共に、反応容器内にプラズマを形成して、ポリシリコン層をエッチングする第５のステップとを含むドライエッチング方法を特徴としている。この方法においても、上述したように、第２の反応性ガスにＮＦ３ガスが添加されているので、メタル層のオーバーエッチングが足りず、配線脇のメタル層に裾引き部分が残っている場合に、この配線脇の裾引き部分を効果的に除去することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明によるドライエッチング方法を説明するためのシリコンウェハ（被処理基板）の構成を概略的に示す断面図であり、（ａ）〜（ｄ）はエッチング開始からエッチング完了までの層の状態を順に示した図である。このシリコンウェハ１はゲート電極を切り出すためのものであり、その表面にはゲート酸化膜であるＳｉＯ2膜２が形成されており、更にこのＳｉＯ2膜２上には、ゲート電極層であるポリシリコン層３及びメタル層４が形成されている。メタル層４は、ＰＶＤ工程により成膜されており、ＴｉＮ又はＷＮから成るバリアメタル層４ａ、その上のＷ層４ｂから構成されている。Ｗ層４ｂの上には、有機材料又はＳｉＮ等から成るマスク５が所望のパターンで形成されている。
【００１７】
また、図２は、本発明によるプラズマ式のドライエッチング装置１０の一実施形態を示す概略図である。図２において、ドライエッチング装置１０は、内部が減圧される反応容器１２を備えている。反応容器１２は、アルミニウムにアルマイト処理を施した材料等からなる円筒形の容器本体１４と、その上部に取り付けられた放電用部品である蓋体１６とから構成されている。
【００１８】
反応容器１２の内部には、シリコンウェハ１を載置するサセプタ１８が配置されている。このサセプタ１８の上面には、シリコンウェハ１を固定するための静電チャック２０が設けられている。サセプタ１８は電極としても機能し、整合器２２及び高周波バイアス電源２４を介して接地されている。従って、接地された容器本体１４に対して高周波バイアス電圧が印加されると、サセプタ１８がカソードとして機能し容器本体１４がアノードとして機能するようになる。
【００１９】
また、容器本体１４には、反応容器１２内部の排気を行うための真空ポンプ（図示せず）に接続される排気口２６が設けられており、更に、反応性ガスを内部に導入するためのガス供給口２８が設けられている。
【００２０】
ガス供給口２８には、配管を介してガス混合室３０が接続されている。このガス混合室３０は各種ガスを均一に混合する装置である。ガス混合室３０には各種のガス供給源３２〜３８がそれぞれ流量調節バルブ４４〜５０を介して接続されている。メタル層４とポリシリコン層３のエッチングに利用可能なガスは種々あるが、この実施形態ではＮＦ3、Ｃｌ2、ＨＢｒ、Ｏ2が用いられ、それぞれのガス供給源３２〜３８が設けられている。
【００２１】
各流量調整バルブ４４〜５０は、マイクロコンピュータ等から成る制御装置５６により、その開閉が制御され、各ガスの流量が調節される。従って、反応性ガスの混合割合等を所定値に設定することが可能となっている。
【００２２】
反応容器１２の一部である蓋体１６は、誘電体材料から構成されている。蓋体１６の外周にはコイルアンテナ５８が配設されており、コイルアンテナ５８により蓋体１６を介して反応容器１２の内部に電磁界が誘起されてプラズマが発生し、更にこのプラズマ中の電子にエネルギが供給されて、プラズマは高密度で維持される。なお、コイルアンテナ５８には、整合器６０を介して高周波電源６２が接続されている。更に、蓋体１６の外側にはシールド６４が設けられており、発生する高周波が外部に漏れるのを防止している。
【００２３】
更に、容器本体１４の適所には透明窓６６が設けられており、内部を観察することが可能となっている。この透明窓６６には光ファイバ６８を介してモノクロメーター７０が接続されている。このモノクロメーター７０は、Ｓｉをプラズマにより発光させた場合に生ずるＳｉ固有の波長帯域の光を検出することができるように設定されている。モノクロメーター７０の出力は前記の制御装置５６に送られる。
【００２４】
次に、上記構成のドライエッチング装置１０を用いて、図１の（ａ）に示す層構成のシリコンウェハ１に対して本発明のドライエッチング方法を適用してゲート電極を形成する場合について説明する。
【００２５】
まず、反応容器１２内のサセプタ１８上にシリコンウェハ１を載置し、静電チャック２０により固定する。次いで、反応容器１２内を真空ポンプにより所定の真空度、例えば４ｍＴｏｒｒ程度に減圧する。
【００２６】
次に、制御装置５６からの信号により流量調節バルブ４４，４６を所要の開度で開き、ガス供給源３２，３４のそれぞれからＮＦ3ガス及びＣｌ2ガスを導出する。これらのガスはガス混合室３０内で混合され、第１の反応性ガスとしてガス供給口２８から反応容器１２内に供給される。この第１の反応性ガスにおける各ガスの割合は、後述の理由から、全ガス流量に対してＮＦ3ガスを２０％〜１００％として、Ｃｌ2ガスの割合を８０％〜０％とするのが好ましい。なお、Ｃｌ2ガスが０％であるとは、第１の反応性ガスがＮＦ3ガスのみから成ることをいう。
【００２７】
第１の反応性ガスの供給が開始されたならば、高周波バイアス電源２４を投入し、容器本体１４とサセプタ１８との間に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波バイアス電力を印加する。容器本体１４は接地されているため、サセプタ１８は負電位とされ、カソードとして機能する。また、コイルアンテナ５８に高周波電源６２により例えば１２．５６ＭＨｚの高周波電力を印加すると、反応容器１２内にプラズマが発生し、且つまた、高密度で維持される。第１の反応性ガスがプラズマにより解離され、このプラズマ中に存在するＦイオンがメタル層４のエッチングに主として寄与し、エッチングが進行していく。この際、Ｆイオンは負電位のサセプタ１８に向かって進むため、垂直方向の異方性エッチングが行われる。
【００２８】
メタル層４のエッチングが進んでいくと、やがてポリシリコン層３の一部が露出する（図１の（ｂ）参照）。図１の（ｂ）の状態となると、ポリシリコン層３もエッチングされ、除去された層材料が反応容器１２内を浮遊し、プラズマにより解離される。従って、プラズマ中にはポリシリコン層３の成分であるＳｉが含まれたものとなる。Ｓｉの存在は、プラズマの発光からＳｉ固有の波長帯域を検出するよう設定されたモノクロメーター７０により検出され、制御装置５６はモノクロメーター７０の出力信号から図１の（ｂ）の状態となったことを把握すると共に、Ｓｉ検出時をメタン層４のエッチングのエンドポイントと定める。
【００２９】
図１の（ｂ）からも明らかなように、このエンドポイントの際には、メタル層４におけるバリアメタル層４ａは未だ多量に残っているため、エンドポイントから更に一定時間経過するまで、第１の反応性ガスを用いてメタル層４のエッチングを継続する。この際、従来では反応性ガス中のＳＦ6の影響により、ポリシリコン層３の露出面の荒れが著しくなるが、本発明によるエッチングではポリシリコン層に対するエッチングは穏やかに進み、ポリシリコン層の表面は平滑な状態を保ったままエッチングされていく。このような状態でエッチングが行われるための条件としては、少なくとも、第１の反応性ガスの、ポリシリコンに対するＷの選択比が０．５以上であることが必要となる。これは、選択比が０．５を下回った場合には、ポリシリコン層の表面に現れる荒れが顕著となるからである。この選択比が０．５以上である反応性ガスとして最適なものが、前述したＮＦ3ガス２０％〜１００％、Ｃｌ2ガス８０％〜０％の混合ガスである。
【００３０】
設定されたオーバーエッチング時間が経過すると、図１の（ｃ）に示すように、メタル層の配線脇の裾引き部分は実質的に除去され、且つ、ポリシリコン層の表面が平滑な状態で露出する。バリアメタル層の配線脇の裾引き部分は、後のポリシリコン層のエッチングにより生ずる残渣の原因となり且つゲート電極の垂直形状を損なう原因となるが、本発明によればこの裾引き部分も、ポリシリコン層に悪影響を与えることなくオーバーエッチングで除去されるので、残渣が大幅に低減され、所望の垂直形状が得られる。
【００３１】
この後、流量調節バルブ４４，４６を閉じ、反応容器１２内のガスを排気する。そして、反応容器１２内の圧力を調整した後、流量調整バルブ４６，４８，５０を開き、ガス供給源３４，３６，３８からそれぞれＣｌ2ガス、ＨＢｒガス、Ｏ2ガスをガス混合室３０を介して第２の反応性ガスとして反応容器１２内に供給する。この第２の反応性ガスの組成は従来から知られたものであり、このガスを用いてポリシリコン層３はエッチングされ、最後にマスクがアッシング処理等で除去されることで図１の（ｄ）に示すような形状のゲート電極が得られる。
【００３２】
なお、第２の反応性ガスにＮＦ3ガスを添加することも有効である。上述したＣｌ2ガス、ＨＢｒガス、Ｏ2ガスはポリシリコン層のエッチングには寄与するが、メタル層に対しては殆どエッチングしない。このため、前記のメタル層に対するオーバーエッチングが少ない場合には、メタル層に裾引き部分が残ってしまう。かかる場合において、ＮＦ3ガスを添加すれば、この裾引き部分を効果的に除去することができる。これにより、オーバーエッチングの時間設定の精度を多少下げても、エッチングの結果は良好なものとなる。
【００３３】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、第１及び第２の反応性ガスの組成は上記のものに限定されず、同作用が得られるならば、他のガスを添加することも可能である。
【００３４】
また、上記実施形態のメタル層４はＰＶＤ法により形成されるとしたため、バリアメタル層４ａとＷ層４ｂの２層構造であるが、ＣＶＤ法による場合は、バリアメタル層とＷ層との間にＷニュークリエーション層を有する３層構造となる。なお、Ｗニュークリエーション層は、ＳｉＨ4とＷＦ6をプロセスガスとして用いて形成され、、多孔性の層となっている。このような多孔性のＷニュークリエーション層を有するメタル層をエッチングした場合、ポリシリコン層の表面の荒れはより顕著となる。従って、ポリシリコン層の表面の荒れを回避する本発明は、かかる３層構造のメタル層に対しては特に有効となる。
【００３５】
【実施例】
次に、本発明によるドライエッチング方法の効果を検証した実施例について説明する。
【００３６】
この実施例では、被処理基板としてシリコンウェハが用いられ、その表面に５ｎｍのＳｉＯ2膜が形成され、その上に１０ｎｍのポリシリコン層、更にその上に１０ｎｍのＴｉＮ層がバリアメタル層として形成されている。また、バリアメタル層の上には１００ｎｍのタングステン層が形成され、その上には膜厚１６０ｎｍ、０．２５μｍ幅のＳｉＮマスクが間隙幅を０．２５μｍとして形成されている。
【００３７】
実施例で用いたドライエッチング装置は図２に示すものであり、用いたガス種も上記実施形態で示したものである。サセプタと容器本体との間に印加した高周波電力は１３．５６Ｍｈｚ、コイルアンテナに印加した高周波電力は１２．５６Ｍｈｚであった。
【００３８】
メタル層のエッチングでは、反応容器内の圧力を４ｍＴｏｒｒとした。また、メタル層に対するエッチングのための第１の反応性ガスとして、ＮＦ3ガスをガス流量４０ｓｃｃｍ（全ガス流量に対して約３３．３％）、Ｃｌ2ガスを８０ｓｃｃｍ（全ガス流量に対して約６６．７％）で反応容器に供給した。メタル層のエッチングを開始してから約３４秒でモノクロメーターによりプラズマ中のＳｉが検出された。また、このＳｉ検出時（エンドポイント）から、同条件で、８秒間、引き続きメタル層のオーバーエッチングを行った。
【００３９】
この後、反応容器内の圧力を４ｍＴｏｒｒに維持し、Ｃｌ2ガス、ＨＢｒガス、ＮＦ3ガス、Ｏ2ガスをそれぞれ６０ｓｃｃｍ（約３３．３％）、１００ｓｃｃｍ（約５５．６％）、１５ｓｃｃｍ（約８．３％）、５ｓｃｃｍ（約２．８％）の流量で、第２の反応性ガスとして反応容器に導入した。この第２の反応性ガスによるポリシリコン層のエッチングを約２０秒間行った。
【００４０】
以上の工程を経て得られたシリコンウェハのエッチングパターンを示したものが図３である。図３の（ａ）は当該シリコンウェハの断面形状を示すＳＥＭ顕微鏡写真であり、図３の（ｂ）はシリコンウェハの表面を俯瞰状態で撮影したＳＥＭ顕微鏡写真である。なお、これらの写真は、アッシング処理及びＨＦ洗浄処理をしてＳｉＮマスクを除去したシリコンウェハを撮影したものである。
【００４１】
この図３と、従来の技術の説明で用いた図４とを比較すれば、本発明による方法によれば、ポリシリコン層の表面が平滑な状態を維持してエッチングがされていることが容易に理解されよう。また、図３から、得られたゲート電極の垂直形状が良好なものとなっていることも分かる。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に従って、ポリシリコン層と、Ｗ層を主層とするメタル層とをドライエッチングを行うことにより、ポリシリコン層の表面を平滑な状態に保ったまま、エッチングを進めることができる。従って、ポリシリコン層の下層に対する悪影響、例えばピッチング等を防止することができる。
【００４３】
また、メタル層の配線脇に裾引き部分が残る状態も回避できるため、メタル層及びポリシリコン層のエッチングが終了した後、得られる断面形状は垂直形状に優れたものとなる。
【００４４】
よって、本発明は、将来の半導体集積回路の微細化、高性能化に対応可能なものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ポリシリコン層及びＷメタル層を有するシリコンウェハに対して本発明のドライエッチング方法を適用した一実施形態を示す概略説明図であり、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれエッチング処理前から処理後までの断面形状の変化を示す図である。
【図２】本発明によるドライエッチング装置の一実施形態を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施例により得られたシリコンウェハのエッチングパターンを示すＳＥＭ顕微鏡写真であり、（ａ）はその断面形状を示し、（ｂ）はシリコンウェハの表面を俯瞰状態で示す顕微鏡写真である。
【図４】従来のドライエッチング方法によって得られたシリコンウェハのエッチングパターンを示す図４と同様なＳＥＭ顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１…シリコンウェハ（被処理基板）、２…ＳｉＯ2膜、３…ポリシリコン層、４…メタル層、４ａ…バリアメタル層、４ｂ…タングステン層、５…マスク、１０…ドライエッチング装置、１２…反応容器、１８…サセプタ、２４…高周波バイアス電源（バイアス手段）、３２…ＮＦ3ガス供給源、３４，３６，３８…ガス供給源、４４〜５０…流量調整バルブ、５６…制御装置、６２…高周波電源（プラズマ発生手段）、７０…モノクロメータ（シリコン検出手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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