(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に供給した反応性ガスをプラズマ化し、試料台に高周波電圧を印加して、前記試料台に配置した半導体基板上に積層された少なくともタングステン膜と多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜とを含む多層膜を有する試料をプラズマエッチングする試料の表面加工方法において、
前記タングステン膜の部分のエッチング処理時に、塩素原子または臭素原子を含むガスの少なくともいずれか一方のガスと、フッ素原子を含むガスと、酸素原子を含むガスとの混合ガスであって、前記酸素原子を含むガスを同等の酸素原子数となるように酸素ガス（Ｏ２）の量に換算した場合、その換算ガス量の全ガス量に対する割合が２０以上５０体積％未満になる混合ガスを用い、前記多層膜の各膜層で条件を変えてステップエッチングを行い、該ステップの切り換えを少なくとも前記多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜の一部が露出してから、前記タングステン膜のエッチング処理時よりも少ない酸素の換算ガス量を有する次のステップに変えてプラズマエッチングすることを特徴とする試料の表面加工方法。
【請求項２】
請求項１記載の試料の表面加工方法において、前記加工される多層膜は少なくともタングステン膜と多結晶シリコン膜もしくは非結晶シリコン（アモルファスシリコン）を含むことを特徴とする試料の表面加工方法。
【請求項３】
請求項２記載の試料の表面加工方法において、前記タングステン膜と前記多結晶シリコン膜もしくは非結晶シリコンの間に、窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜を有することを特徴とする試料の表面加工方法。
【請求項４】
請求項１記載の試料の表面加工方法において、前記次のステップへの変更は、発光分光法による前記タングステン膜のエッチング終点を判定することによって行なわれることを特徴とする試料の表面加工方法。
【請求項５】
請求項１記載の試料の表面加工方法において、前記半導体膜を−４０℃から８０℃の温度領域でエッチングすることを特徴とする試料の表面加工方法。
【請求項６】
タングステン膜と、窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜と、多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜とを積層してなるゲート材を、ガスプラズマを用いてエッチング処理する試料の表面加工方法において、
少なくとも、前記タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜の部分をＣｌ２／ＣＦ４／Ｏ２の混合ガスプラズマによりエッチングし、前記タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜のオーバーエッチングを前記Ｃｌ２／ＣＦ４／Ｏ２の混合ガスのＯ２の流量を下げて行うことを特徴とする試料の表面加工方法。
【請求項７】
タングステン膜と、窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜と、多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜とを積層してなるゲート材を、ガスプラズマを用いてエッチング処理する試料の表面加工方法において、
前記タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜の部分をＣｌ２／ＣＦ４／Ｏ２の混合ガスプラズマによりエッチングし、下層の前記多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜の一部が露出してから前記Ｃｌ２／ＣＦ４／Ｏ２の混合ガスのＯ２の割合を下げ、前記タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜のエッチング残りを除去した後、前記多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜の部分をＣｌ２／Ｏ２の混合ガスプラズマによりエッチング処理することを特徴とする試料の表面加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の表面加工方法に係り、特に半導体素子を形成するためのプラズマエッチング処理に好適な試料の表面加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の高速化と低消費電力化に伴い、電極や配線部分などの導体部分は低抵抗化が進み、このような要求に対応するものとして、シリコン酸化膜上に多結晶シリコン膜を形成し、その上に金属膜を形成するポリメタル構造のＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor）素子のゲート電極がある。このようなポリメタル構造を有するゲート電極の形成においては、金属膜の下層にある多結晶シリコン膜に対して高い選択性を有し、かつ垂直に金属膜をエッチングする技術が必要となる。すなわち、金属膜部分のオーバーエッチングにおいて、下層の多結晶シリコンができるだけエッチングされないように選択比の大きいプロセスが必要となる。
【０００３】
この種のポリメタル構造を有するゲート電極のエッチングを行う方法としては、例えば、特開平７−２５４６０６号公報に記載のように、シリコン酸化膜をマスクとして、まず、ＳＦ6＋Ｃｌ2＋Ｏ2 の混合ガスをエッチングガスに用いて、タングステン膜及び窒化タングステン膜をエッチングし、次に、臭化水素をエッチングガスに用いて、下層の多結晶シリコンをエッチングする方法が知られており、高融点導電膜のエッチングにおいて、反応性ガスとしてフッ素原子および塩素原子の少なくとも一方を含むガスと酸素原子を含むガスとを含むものとし、酸素原子を含むガスを酸素ガス（Ｏ2 ）量に換算した場合、その換算ガス量の全ガス量に対する割合が、５０〜８０体積％となるように導入しエッチングを行うことが記載されている。
【０００４】
また、特開平１１−３３００４８号公報には、タングステン膜と窒化タングステン膜とを塩素（Ｃｌ2 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスによってエッチングすることが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
多結晶シリコン膜に対し高融点金属膜を選択的にエッチングするに当たっては、上記のように反応性ガスとしてフッ素原子及び塩素原子の少なくとも一つを含むガスと酸素原子を含むガスとの混合ガスを用いることが知られているが、図４により、この場合の問題点を説明する。
【０００６】
図４は試料の断面図を示すもので、エッチング前の初期状態は図４(ａ)に示すようにシリコン基板１０１上にシリコン酸化膜１０２、多結晶シリコン膜１０３，窒化タングステン膜１０４，タングステン膜１０５の多層膜が形成され、最上層に所望のパターンに加工されたマスク１０６が形成されている。マスク１０６はゲート形状に合わせて異なるスペース幅を持ったパターンを有している。
【０００７】
例えば、図１に示されるような、真空容器内にＵＨＦ波を導入してプラズマを発生させるプラズマエッチング装置（詳細は後述）を用い、塩素ガス（Ｃｌ2 ）、四フッ化炭素（ＣＦ4 ）、酸素（Ｏ2 ）の混合ガスをプラズマ化して、タングステン層及び窒化タングステン層のエッチング処理を行う。このときのそれぞれのガス流量は、Ｃｌ2／ＣＦ4／Ｏ2 ＝１５／３０／４５ｍＬ／分、ＵＨＦ波の電力は５００Ｗ、高周波電力は５０Ｗである。
【０００８】
このエッチング処理によりマスク１０６の形状に従って、タングステン層105及び窒化タングステン層１０４がほぼ垂直にエッチングされる。エッチングの進行に伴い、パターン間のスペース幅が広い領域において、タングステン１０５，窒化タングステン層１０４のエッチングが先に終了する（図４（ｂ）の状態）。この時点でパターン間のスペース幅が狭い領域においては、マイクロローディング効果によりエッチング速度が低下するので、タングステン層１０５及び窒化タングステン層１０４のエッチングはまだ終了していない。
【０００９】
さらにエッチングを続けていくと、狭いスペース部でのタングステン層１０５のエッチングは引き続き進むが、これとともに、スペース幅の広い領域においては窒化タングステン層１０４下層の多結晶シリコン層１０３がエッチングされ始める。これにより、シリコンのエッチング生成物（ＳｉＣｌｘ）等が酸素と反応してシリコン酸化物を生成する。
【００１０】
このとき、プラズマ中に過剰な酸素が存在すると、過剰なシリコン酸化物が生成され、シリコン酸化物の一部がエッチングされたパターンの側壁部に再付着する。このため、狭いスペース部のタングステン層１０５及び窒化タングステン層１０４のエッチングが完了した時点では、広いスペース部のパターン側壁には図４（ｃ）に示すようにシリコン酸化物が付着し厚い側壁保護膜１０７が形成される。これにより、側壁保護膜１０７がエッチングマスクとなり、多結晶シリコン層１０３のエッチングが完了した時点では、広いスペース部のパターンと狭いスペース部のパターンに図４（ｄ）に示すようなエッチング形状差、すなわち、広いスペース部でのパターンの太りが生じる。
【００１１】
本発明の目的は、この問題を解決し、半導体基板上に積層した少なくとも金属膜と半導体膜を含む多層膜を有する試料の表面加工において、良好なエッチング形状を得ることのできる試料の表面加工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】
上記目的は、真空容器内に供給した反応性ガスをプラズマ化し、試料台に高周波電圧を印加して、試料台に配置した半導体基板上に積層された少なくともタングステン膜と多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜とを含む多層膜を有する試料をプラズマエッチングする試料の表面加工方法において、タングステン膜の部分のエッチング処理時に、塩素原子または臭素原子を含むガスの少なくともいずれか一方のガスと、フッ素原子を含むガスと、酸素原子を含むガスとの混合ガスであって、酸素原子を含むガスを同等の酸素原子数となるように酸素ガス（Ｏ２）の量に換算した場合、その換算ガス量の全ガス量に対する割合が２０以上５０体積％未満になる混合ガスを用い、前記多層膜の各膜層で条件を変えてステップエッチングを行い、該ステップの切り換えを少なくとも前記多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜の一部が露出してから、前記タングステン膜のエッチング処理時よりも少ない酸素の換算ガス量を有する次のステップに変えてプラズマエッチングすることにより、達成される。
【００１３】
また、加工される多層膜は少なくともタングステン膜と多結晶シリコン膜もしくは非結晶シリコン（アモルファスシリコン）を含むものである。タングステン膜と多結晶シリコン膜もしくは非結晶シリコンの間に、窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜を有する。
【００１４】
また、多層膜の各膜層で条件を変えてステップエッチングを行い、該ステップの切り換えを少なくとも半導体膜の一部が露出してから、金属膜のエッチング処理時の酸素の換算ガス量よりも少ない次のステップに変更するものである。酸素の換算ガス量が少ないステップへの変更は、発光分光法による金属膜のエッチング終点を判定することによって行なわれる。
【００１５】
また、多層膜の金属膜をエッチングするためのステップの後、半導体膜が部分的に露出する前に、金属膜をエッチングするためのステップよりも酸素の換算ガス量が少ないステップに変更するものである。酸素の換算ガス量が少ないステップへの変更は、金属膜の残りの膜厚を測定し所定の膜厚になったことを検出して行なわれる。
【００１６】
また、半導体膜を−４０℃から８０℃の温度領域でエッチングするものである。また、半導体膜のエッチングに窒素ガスを含む反応ガスを用いるものである。また、混合ガスの圧力は１.０Ｐａ(パスカル）以下である。
【００１７】
また、上記目的は、タングステン膜と、窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜と、多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜とを積層してなるゲート材を、ガスプラズマを用いてエッチング処理する試料の表面加工方法において、少なくとも、タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜の部分をＣｌ2／ＣＦ4／Ｏ2 の混合ガスプラズマによりエッチングし、タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜のオーバーエッチングをＣｌ2／ＣＦ4／Ｏ2 の混合ガスのＯ2 の流量を下げて行うことにより、達成される。
【００１８】
さらに、上記目的は、タングステン膜と、窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜と、多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜とを積層してなるゲート材を、ガスプラズマを用いてエッチング処理する試料の表面加工方法において、タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜の部分をＣｌ2／ＣＦ4／Ｏ2 の混合ガスプラズマによりエッチングし、下層の多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜の一部が露出してからＣｌ2／ＣＦ4／Ｏ2 の混合ガスのＯ2 の割合を下げ、タングステン膜および窒化タングステン膜あるいは窒化チタン膜のエッチング残りを除去した後、多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜の部分をＣｌ2／Ｏ2の混合ガスプラズマによりエッチング処理することにより、達成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１ないし図３により説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施に用いられるプラズマエッチング処理装置の一例を示した図である。本プラズマエッチング処理装置は、プラズマを生成する手段としてＵＨＦ波と磁界との作用を利用したものである。２０１は真空容器２０４内にＵＨＦ波を導入のためのアンテナであり、２０２は真空容器２０４内に磁場を発生させるソレノイドコイルであり、２０３はＵＨＦ波を真空室２０４内に透過させるＵＨＦ波透過窓（例えば石英平板）であり、２０５は真空容器２０４内に設けられ試料であるウエハを配置するための試料台であり、２０６は試料台２０５を上下に移動させる駆動装置であり、２０７は試料台２０５に接続されエッチング処理時に試料台２０５に高周波バイアス電圧を印加するための高周波電源であり、２０８は試料台２０５に接続され試料台２０５に配置されるウエハを静電吸着させるための静電吸着電源である。真空容器２０４の内部にはプラズマ２１０との電気的導通を確保するための接地電位部材であるアース電極２０９が配置される。
【００２１】
エッチング処理に当たっては、真空ポンプおよびターボ分子ポンプ(図示省略)によって減圧された真空容器２０４の内部にプロセスガスを導入し、真空容器２０４内部の圧力はバリアブルバルブ（図示省略）によって所定の処理圧力に調圧し、真空容器２０４内にアンテナ２０１よりＵＨＦ波を導入し、ソレノイドコイル２０２による磁界との作用によってプラズマを生じさせて行われる。
【００２２】
ＵＨＦ波はＵＨＦ波透過窓２０３を介してアンテナ２０１より真空容器２０４内に導入され、導入されたＵＨＦ波と真空容器２０４の外側に巻装された、この場合、３段のソレノイドコイル２０２による磁界との作用によって、真空容器２０４内でプロセスガス中の電子に効率よくエネルギーを与え、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance、以下「ＥＣＲ」と略す）による高密度なプラズマ２１０を発生させる。プラズマ２１０が生成された後、静電吸着電源２０８よりウエハを試料台２０５に吸着させるための直流電圧を出力する。ウエハが試料台２０５に吸着された後、高周波電源２０７より高周波電圧を試料台２０５に印加し、プラズマ中のイオンにウエハへの入射エネルギを与え、プロセス処理を開始する。
【００２３】
なお、上記では、モノポール方式の静電チャックにおける処理手順を述べたが、ダイポール方式の静電チャックの場合はプラズマ生成前に直流電圧を出力して静電吸着を行なっても良い。
【００２４】
上述した構成のプラズマエッチング装置を用いて、エッチングガスとして塩素（Ｃｌ2 ）と四フッ化炭素（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスを用い、図４（ａ）に示した積層膜構成と同様の窒化シリコン（ＳｉＮ）をマスク１０６とタングステン膜１０５，窒化タングステン膜１０４，多結晶シリコン膜１０３の積層膜のエッチングを行った。
【００２５】
圧力は０.４Ｐａ の条件で、この場合、酸素ガス(Ｏ2）の全ガス量に対する割合を３３〜５０％の間で変化させ、図２に示したように、タングステン膜１０５のエッチング終了時点で太り量ａを定義し、広いスペースに隣接するパターンの太り量ａ１と狭いスペースに隣接するパターンの太り量ａ２の差（ａ１−ａ２）をエッチング形状差として測定した。その結果、図３に示す。図３に示すように酸素ガス比が４０％程度以下の領域で上記エッチング形状差が小さくなることが分かった。以上の結果から、この場合、酸素ガス比は４０％以下が適正と判断した。
【００２６】
本実施例では、タングステン層のエッチングを、▲１▼高い対窒化シリコン（マスク）選択比を維持しながら、タングステン層，窒化タングステン層を垂直に加工するためのステップ、▲２▼下地多結晶シリコンの露出後、エッチング形状差を生じさせずタングステン及び窒化タングステン層のエッチング残りを除去するためのステップ、の２ステップに分けて行った。具体的には、Ｃｌ2／ＣＦ4／Ｏ2 ＝１５／３０／３０ｍＬ／分で圧力０.４Ｐａ の条件でタングステン層１０５及び窒化タングステン層１０４をエッチングした。このときの酸素ガスの全ガス量に対する割合は４０体積％である。
【００２７】
また、下層の多結晶シリコン１０３の一部が露出してから、エッチング形状差を低減するために酸素ガス流量を低下させ、上記ガス比をＣｌ2／ＣＦ4／Ｏ2 ＝１５／３０／２５ｍＬ／分に変更した。このときの酸素ガスの全ガス量に対する割合は約３５体積％である。
【００２８】
次に、上記酸素ガス流量を低下させたステップによってタングステン膜１０５及び窒化タングステン膜１０４のエッチング残りを十分に除去した後、塩素（Ｃｌ2 ）６０ｍＬ／分と酸素（Ｏ2 ）１０ｍＬ／分との混合ガスを圧力０.４Ｐａの条件し、多結晶シリコン層１０３のエッチングを行った。
【００２９】
この結果、スペース幅によるエッチング形状差は無く、またタングステン膜１０５や窒化タングステン膜１０４のエッチング残りなく高精度の加工を行うことができた。
【００３０】
ここで、露出した多結晶シリコンとプラズマ中の活性種とが反応して反応性生物（ＳｉＣｌｘ）ができ、さらに酸素と反応してシリコン酸化物となってパターンの側壁に再付着するが、下層の多結晶シリコンの一部が露出してから酸素ガス流量を低下させてプラズマ処理することにより、反応性生物（ＳｉＣｌｘ）が生成されても酸素が少なくなっているので、シリコン酸化物の生成が抑制されパターンの側壁に再付着し、厚い側壁保護膜を形成することがないので、エッチング形状差を無くすことができたものと考えられる。
【００３１】
下層の多結晶シリコン１０３の一部が露出してから酸素ガス流量を低下させるプロセス変更は、タングステン膜１０５および窒化タングステン膜１０４のエッチング終点を発光分光法によって検出するか、あるいは下層の多結晶シリコン１０３の一部のエッチング開始による反応性生物の特定波長の発光を発光分光法により検出することによって、プロセス変更の切り換えを行なえば良い。
【００３２】
また、このプロセス変更の他の切り換え方法としては、タングステン膜１０５または窒化タングステン膜１０４のエッチング残りの膜厚を、エッチング面でのプラズマ光の反射光による特定波長の干渉光を用いて、該干渉光の強度変化の値を利用し測定し、所定の膜厚値に達した時点を検出することによって、プロセス変更の切り換えを行なうようにしても良い。
【００３３】
上記の適正な酸素ガスの流量比は、圧力，試料温度等に依存し、また下地多結晶シリコンの膜厚，膜質等にもよるが、エッチング形状，下地多結晶シリコンへの選択比を考慮すると、酸素ガスの全ガス流量に対する割合は概ね２０〜５０％未満の範囲が望ましい。
【００３４】
なお、本実施例では、高融点金属膜部のエッチングにＣｌ2／ＣＦ4／Ｏ2 の混合ガスを用いたが、ＨＢｒ／ＣＦ4／Ｏ2の混合ガスを用いても良い。この場合のガス流量比は、まず、ＨＢｒ／ＣＦ4／Ｏ2＝１０／３０／２０〜２５ｍＬ／分とし、次にＨＢｒ／ＣＦ4／Ｏ2＝１０／３０／１０〜１５ｍＬ／分として、酸素ガスの流量比を低下させる。これにより、同様の効果が得られる。また、多結晶シリコン膜のエッチングでは、Ｃｌ2／Ｏ2の一般的な混合ガスを用いたが、これに限られるものではなく、臭素系ガス、例えば、ＨＢｒ／Ｏ2 の混合ガスを用いても良い。
【００３５】
尚、本技術はＥＣＲプラズマ方式の装置のみならず、ＲＦプラズマ等他方式のプラズマを用いた処理装置にも応用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、タングステン膜と多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜から成る多層膜のエッチングにおいて、タングステン膜のエッチング時に、塩素原子または臭素原子を含むガスの少なくともいずれか一方のガスと、フッ素原子を含むガスと、酸素原子を含むガスの混合ガスで、酸素原子を含むガスを同等の酸素原子数となるように酸素ガス（Ｏ２）の量に換算した場合、その換算ガス量の全ガス量に対する割合が２０以上５０体積％未満になる混合ガスをとし、酸素ガス量の割合を２０以上５０体積％未満の範囲内で変え、タングステン膜をエッチングすることで、下地の多結晶シリコン膜あるいは非結晶シリコン膜が現れても酸素量を調整することにより、側壁保護膜量を調整でき、広いスペースに隣接するパターンと狭いスペースに隣接するパターンのエッチング形状差無く多層膜をエッチング加工することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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構成図である。
【図２】エッチング形状差の測定部分を示すエッチング断面の図である。
【図３】酸素ガスの割合とエッチング形状差との関係を示した図である。
【図４】従来の多層膜エッチングの処理過程を示す図である。
【符号の説明】
１０１…シリコン基板、１０２…ゲート酸化膜層、１０３…多結晶シリコン層、１０４…窒化タングステン層、１０５…タングステン膜、１０６…マスク、１０７…真空容器、２０１…アンテナ、２０２…ソレノイドコイル、２０３…ＵＨＦ波透過窓、２０４…真空容器、２０５…試料台、２０６…試料台駆動機構、２０７…高周波電源、２０８…静電吸着電源、２０９…アース電極、２１０…プラズマ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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