(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内において、シリコンを主成分とする下層膜と、タングステン又はタングステン化合物を主成分とする上層膜とを有する積層膜に対してエッチングを行なうエッチング方法であって、
前記チャンバー内において、前記下層膜と同じ組成を有すると共に異なる膜厚を持つ複数のテスト用下層膜に対して塩素又は臭素を含むエッチングガスを用いて複数のテストエッチングを行なう工程と、
前記複数のテストエッチングが終了する度毎に、前記チャンバー内にフッ素を含むテスト用クリーニングガスを導入し、該テスト用クリーニングガスから生成されたプラズマ中のフッ素と、前記テストエッチングにより前記チャンバーの側壁に付着したシリコン含有化合物とを反応させ、該反応により生成された反応生成物を前記チャンバーの外部に排出する複数のテストクリーニングを行なう工程と、
前記複数のテストクリーニング毎に、前記プラズマ中の原子又は分子の発光強度の経時変化を測定し、測定された経時変化に基づいて、前記複数のテストクリーニング毎に最適な処理時間を算出する工程と、
前記複数のテスト用下層膜の各膜厚と、これら各膜厚に対応する前記最適な処理時間との間に成り立つ関係式を求める工程と、
前記関係式に基づいて、前記積層膜を構成する前記下層膜の膜厚と対応するクリーニング処理時間を算出する工程と、
前記チャンバー内において、前記積層膜を構成する前記上層膜に対してフッ素を含むエッチングガスを用いて第１のエッチングを行なう工程と、
前記チャンバー内において、前記積層膜を構成する前記下層膜に対して塩素又は臭素を含むエッチングガスを用いて第２のエッチングを行なう工程と、
前記チャンバー内にフッ素を含むクリーニングガスを前記クリーニング処理時間だけ導入し、該クリーニングガスから生成されたプラズマ中のフッ素と、前記第２のエッチングにより前記チャンバーの側壁に付着したシリコン含有化合物とを反応させ、該反応により生成された反応生成物を前記チャンバーの外部に排出する工程とを備えていることを特徴とするエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンを主成分とする下層膜と、タングステン又はタングステン化合物を主成分とする上層膜とを有する積層膜に対するエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゲート幅が０．１８μｍルール以下である微細な半導体装置のゲート電極は、トランジスタの高性能化のために、従来の同極ゲート構造（ｐチャネル型トランジスタのゲート電極とｎチャネル型トランジスタのゲート電極との導電型が同じ構造）から、ｐチャンネル型トランジスタのゲート電極の導電型にはｐ+ 型が用いられ且つｎチャンネル型トランジスタのゲート電極の導電型にはｎ+ 型が用いられる異極ゲート構造へと移行が進んでいる。
【０００３】
また、半導体装置の高速化及び低消費電力化のために、ゲート電極のさらなる低抵抗化が必要になってきている。
【０００４】
さらに、ゲート電極と該ゲート電極に隣接するコンタクト領域との重ね合わせマージンを確保するため、Self Align Contact（ＳＡＣ）プロセスが用いられるようになってきた。
【０００５】
これらの要求を満足するゲート電極構造として、下層のポリシリコン膜及び上層のタングステン膜を有する積層膜からなるポリメタルゲート電極が開発されてきている。
【０００６】
以下、従来のポリメタルゲート電極の形成方法について、図９（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【０００７】
まず、図９（ａ）に示すように、半導体基板１の上にシリコン酸化膜２を形成した後、該シリコン酸化膜２の上に、例えば１００ｎｍの厚さを有するポリシリコン膜３、例えば１０ｎｍの厚さを有しバリア層となるタングステン窒化膜４、例えば１００ｎｍの厚さを有するタングステン膜５、例えば１５０ｎｍの厚さを有しハードマスクとなるシリコン窒化膜６を順次堆積する。その後、シリコン窒化膜６の上に、周知のリソグラフィ技術を用いてレジストパターン７を形成する。
【０００８】
次に、図９（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜６に対してレジストパターン７をマスクにドライエッチングを行なって、シリコン窒化膜６からなるハードマスク６Ａを形成した後、レジストパターン７をアッシングにより除去し、その後、洗浄を行なう。
【０００９】
次に、図９（ｃ）に示すように、タングステン膜５、タングステン窒化膜４及びポリシリコン膜３に対してハードマスク６Ａをマスクにドライエッチングを行なって、パターン化された、タングステン膜５Ａ、タングステン窒化膜４Ａ及びポリシリコン膜３Ａからなるポリメタルゲート電極８を形成する。
【００１０】
この場合、例えば特開平９−２４６２４５号公報に示されるように、タングステン膜５及びタングステン窒化膜４のエッチングにはフッ素（Ｆ）を含むエッチングガス（例えば、ＣＦ4／Ｏ2ガス）を用い、ポリシリコン膜３のエッチングには塩素（Ｃｌ）を含むエッチングガス（例えばＣｌ2／Ｏ2ガス）又は臭素（Ｂｒ）を含むエッチングガス（例えばＨＢｒ／Ｏ2 ガス）を用いる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のように、タングステン膜５のエッチングにはフッ素を含むエッチングガスを用いると共に、ポリシリコン膜３のエッチングには塩素又は臭素を含むエッチングガスを用いて、多数のウエハ上に形成されている積層膜に対して連続的にエッチングを行なうと、ウエハの処理枚数が多くなるに伴って、パターン化されたタングステン膜５Ａの断面が垂直形状からテーパ形状になってくるという問題に直面した。
【００１２】
図１０は、ウエハの処理枚数とタングステン膜５Ａのテーパ角との関係を示しており、図１０から、ウエハの処理枚数が多くなるに伴って、タングステン膜５Ａのテーパ角が小さくなっていくことが分かる。
【００１３】
このように、ウエハの処理枚数が多くなるに伴って、タングステン膜５Ａのテーパ角が小さくなっていくと、ポリメタルゲート電極８の幅寸法が大きくなっていくので、ポリメタルゲート電極８の寸法制御が非常に困難になるという問題がある。
【００１４】
前記に鑑み、本発明は、シリコンを主成分とする下層膜と、タングステン又はタングステン化合物よりなる上層膜とを有する積層膜を、同一のエッチングチャンバー内において、上層膜にはフッ素を含むエッチングガスを用いると共に、下層膜には塩素又は臭素を含むエッチングガスを用いるドライエッチングを行なって、積層膜をパターニング処理する際に、処理数が増加しても、パターン化された上層膜の断面形状がテーパ状にならないようにすることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本件発明者は、エッチングの処理数が増加するに伴って、パターン化された上層膜のテーパー角が小さくなる理由について種々の検討を行なった結果、次のことを見出した。
【００１６】
まず、図１１（ａ）に示すように、半導体基板１上のシリコン酸化膜２の上に形成された、ポリシリコン膜３（例えば１００ｎｍの厚さ）、タングステン窒化膜４（例えば１０ｎｍの厚さ）及びタングステン膜５（例えば１００ｎｍの厚さ）からなる積層膜の上に、シリコン窒化膜からなるハードマスク６Ａが形成されてなる１枚目の半導体ウエハをエッチング装置のチャンバー１０に配置した後、チャンバー１０の内部を真空ポンプ（図示は省略している）により減圧する。
【００１７】
次に、図１１（ｂ）に示すように、チャンバー１０内にフッ素を含むエッチングガス（例えば、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとの混合ガス）を導入して、タングステン膜５及びタングステン窒化膜４よりなる上層膜に対して第１のドライエッチングを行なう。
【００１８】
このようにすると、パターン化された、タングステン膜５Ａ及びタングステン窒化膜４Ａが形成されるが、この際、チャンバー１０内において、
Ｗ＋ＣＦ4＋Ｏ2→ＷＦp↑＋ＣＯ2↑（但し、１≦ｐ≦６）……（１）の化学反応が起こり、チャンバー１０内にＷＦp １１が生成される。ＷＦp １１は、揮発性が高いので、真空ポンプにより容易にチャンバー１０の外部に排出される。
【００１９】
次に、図１２（ａ）に示すように、チャンバー１０内に臭素を含むエッチングガス（例えば、ＨＢｒガスとＯ2 ガスとの混合ガス）を導入して、ポリシリコン膜３よりなる下層膜に対して第２のドライエッチングを行なう。
【００２０】
このようにすると、パターン化された、タングステン膜５Ａ、タングステン窒化膜４Ａ及びポリシリコン膜３Ａからなるポリメタルゲート電極８が形成されるるが、この際、チャンバー１０内において、
Ｓｉ＋ＨＢｒ＋Ｏ2 →ＳｉＢｒx↑＋Ｈ2Ｏ↑（但し、１≦ｘ≦４）……（２）の化学反応が起こり、シリコン含有化合物であるＳｉＢｒx １２が生成される。ＳｉＢｒx １２は、揮発性が低いので、チャンバー１０の側壁に付着する。
【００２１】
次に、半導体基板１上のシリコン酸化膜２の上に形成された、ポリシリコン膜３、タングステン窒化膜４及びタングステン膜５からなる積層膜の上にハードマスク６Ａが形成されてなる２枚目の半導体ウエハをチャンバー１０に配置した後、チャンバー１０内にフッ素を含むエッチングガス（例えば、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとの混合ガス）を導入して、タングステン膜５及びタングステン窒化膜４よりなる上層膜に対して第１のドライエッチングを行なう。
【００２２】
このようにすると、パターン化された、タングステン膜５Ａ及びタングステン窒化膜４Ａが形成されるが、この際、前述の（１）の化学反応が起こって、チャンバー１０内にＷＦp １１が生成される。この場合、前述したように、チャンバー１０の側壁にＳｉＢｒx １２が付着しているため、
Ｗ＋ＣＦ4＋Ｏ2＋ＳｉＢｒx→ＷＦy↑＋ＳｉＦz↑＋ＣＯ2↑（但し、１≦ｙ≦６、１≦ｚ≦４）……（３）の化学反応が起こる。つまり、図１２（ｂ）に示すように、エッチングガスに含まれるＣＦ4 （図中において○で示す）と側壁に付着しているＳｉＢｒx １２とが反応してＳｉＦz １３が生成される。このため、エッチングに寄与するフッ素の量が低減するので、タングステン膜５に対するサイドエッチング量が次第に低減し、パターン化されたタングステン膜５Ａの断面はテーパ形状になる。
【００２３】
前述のメカニズムにより、ウエハの処理枚数の増加に伴って、チャンバー１０の側壁に付着するシリコン含有化合物（ＳｉＢｒx ）が増加し、これにより、パターン化されたタングステン膜５Ａのテーパ角は次第に小さくなる。このため、ウエハの処理枚数の増加に伴って、パターン化されたタングステン膜５Ａの断面形状の制御が次第に困難になっていくのである。
【００２４】
本発明は、前記の知見に基づいてなされたものであって、下層膜に対する第２のエッチング工程においてチャンバーの側壁に付着したシリコン含有化合物を、フッ素と反応させてチャンバーの外部に排出するものである。
【００２５】
具体的には、本発明に係るエッチング方法は、シリコンを主成分とする下層膜と、タングステン又はタングステン化合物を主成分とする上層膜とを有する積層膜に対するエッチング方法を対象とし、チャンバー内において、上層膜に対してフッ素を含むエッチングガスを用いてエッチングを行なう第１のエッチング工程と、チャンバー内において、下層膜に対して塩素又は臭素を含むエッチングガスを用いてエッチングを行なう第２のエッチング工程と、チャンバー内にフッ素を含むクリーニングガスを導入し、該クリーニングガスから生成されたプラズマ中のフッ素と、第２のエッチング工程でチャンバーの側壁に付着したシリコン含有化合物とを反応させ、該反応により生成された反応生成物をチャンバーの外部に排出するクリーニング工程とを備えている。
【００２６】
本発明に係るエッチング方法によると、下層膜に対する第２のエッチング工程でチャンバーの側壁に付着したシリコン含有化合物と、プラズマ中のフッ素とを反応させ、反応生成物をチャンバーの外部に排出しておいてから、上層膜に対する第１のエッチング工程を行なうため、該第１のエッチング工程で導入されるエッチングガス中のフッ素が、チャンバー側壁に付着しているシリコン含有化合物との反応に消費される事態を防止できる。このため、パターン化された上層膜の断面を垂直形状にすることができ、これによりパターン化された積層膜例えばポリメタルゲート電極の寸法を高精度に制御することができる。
【００２７】
本発明に係るエッチング方法において、クリーニングガスは、ＳＦ6 ガス、ＮＦ3 ガス又はＣＦ4 ガスであることが好ましい。
【００２８】
このようにすると、クリーニング工程において、シリコン含有化合物と、プラズマ中のフッ素とを確実に反応させることができる。
【００２９】
本発明に係るエッチング方法は、チャンバー内に存在するプラズマ中の原子又は分子の発光強度を測定する工程と、測定された発光強度に基づいて、次回のクリーニング工程を行なうか否かを判定する工程とをさらに備えていることが好ましい。
【００３０】
このようにすると、第２のエッチング工程によりパターン化された下層膜の断面がテーパ形状になる恐れがあるときには、次回のクリーニング処理を行なうことによって、下層膜の断面がテーパ形状になる事態を回避でき、また、第２のエッチング工程によりパターン化された下層膜の断面がテーパ形状になる恐れがないときには、次回のクリーニング処理を行なわないことにより、スループットの向上を図ることができる。
【００３１】
本発明に係るエッチング方法において、クリーニング工程は、プラズマ中の原子又は分子の発光強度の経時変化を測定する工程を含み、測定された発光強度の経時変化に基づいて、次回に行なうクリーニング工程の処理時間を算出する工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３２】
このようにすると、クリーニング工程におけるプラズマ中の原子又は分子の発光強度の経時変化は飽和状態になるため、飽和状態になったときの時間を次回に行なうクリーニング工程の処理時間として算出すると、次回のクリーニング工程の処理時間を最適化できる。
【００３３】
本発明に係るエッチング方法において、プラズマ中の原子又は分子の発光強度を測定する場合、プラズマ中の原子又は分子は、Ｆ、Ｆ2 、Ｃｌ、Ｃｌ2 、Ｂｒ、Ｂｒ2 、ＳｉとＦの化合物、ＳｉとＣｌの化合物又はＳｉとＢｒの化合物であることが好ましい。
【００３４】
このようにすると、プラズマ中の原子又は分子の発光強度又はその経時変化を的確に測定することができる。
【００３５】
本発明に係るエッチング方法において、クリーニング工程は、プラズマ中の複数種類の原子又は分子の発光強度を測定する工程を含み、測定された複数の発光強度の演算結果の経時変化に基づいて、次回に行なうクリーニング工程の処理時間を算出する工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３６】
このようにすると、クリーニング工程におけるプラズマ中の原子又は分子の発光強度の経時変化が小さいときでも、次回に行なうクリーニング工程の処理時間を的確に算出することができる。
【００３７】
本発明に係るエッチング方法において、測定された複数の発光強度の演算結果を測定する場合、該演算結果は、測定された複数の発光強度のうち時間の経過に伴って大きくなる発光強度を、測定された複数の発光強度のうち時間の経過に伴って小さくなる発光強度で割ったときの商、測定された複数の発光強度のうち時間の経過に伴って大きくなる発光強度同士の積、又は測定された複数の発光強度のうち時間の経過に伴って小さくなる発光強度同士の積であることが好ましい。
【００３８】
このようにすると、クリーニング工程におけるプラズマ中の原子又は分子の発光強度の経時変化が小さいとき、次回に行なうクリーニング工程の処理時間をより的確に算出することができる。
【００３９】
本発明に係るエッチング方法は、チャンバー内において、複数の膜厚を持つ下層膜に対して塩素又は臭素を含むエッチングガスを用いて複数のテストエッチングを行なう工程と、複数のテストエッチングが終了する度毎に、チャンバー内にフッ素を含むクリーニングガスを導入し、該クリーニングガスから生成されたプラズマ中のフッ素と、テストエッチングによりチャンバーの側壁に付着したシリコン含有化合物とを反応させ、該反応により生成された反応生成物をチャンバーの外部に排出する複数のテストクリーニングを行なう工程と、テストクリーニング毎に、プラズマ中の原子又は分子の発光強度の経時変化を測定し、測定された経時変化に基づいて、テストクリーニング毎に最適な処理時間を算出する工程と、下層膜の複数の膜厚と、算出された複数の最適な処理時間との間に成り立つ関係式を求める工程と、関係式に基づいて、クリーニング工程の処理時間を算出する工程とをさらに備えている。
【００４０】
このようにすると、デバイス特性を向上させる等の目的で下層膜の厚さが変化した場合、その都度、最適なクリーニング処理時間を算出しなくても、関係式に基づいて最適なクリーニング処理時間を容易に算出することができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
（エッチング装置）
以下、本発明に係るエッチング方法の実施形態について説明するが、その前提として、該エッチング方法に用いるエッチング装置について説明する。
【００４２】
図１はエッチング装置の概略断面構造を示しており、図１に示すように、エッチング装置のチャンバー２０の側壁は接地されていると共に、チャンバー２０の側壁の内面はセラミック、アルミナ又は石英などの絶縁材料で覆われている。チャンバー２０の上には、第１の高周波電力２１が印加されるコイル状の上部電極２２が設けられており、チャンバー２０内にエッチングガスを導入すると共に、上部電極２２に第１の高周波電力２１が印加されると、チャンバー２０内にエッチングガスからなるプラズマが生成される。この場合、チャンバー２０にはエッチングガスがマスフローコントローラ（図示は省略している）を介して導入口２０ａから導入されると共に、チャンバー２０の気体はターボポンプ（図示は省略している）により排出口２０ｂから外部に排出され、これによって、チャンバー２０の内部は０．１Ｐａ〜１０Ｐａの範囲に制御される。
【００４３】
チャンバー２０の内部には、第２の高周波電力２３が印加される下部電極となる試料台２４が配置されており、該試料台２４に第２の高周波電力２３が印加されると、プラズマ中のイオンが試料台２４の上に載置されたウエハ２５に照射され、ウエハ２５の上に形成された積層膜がエッチングされる。この場合、第２の高周波電力２３の大きさを調整することにより、ウエハ２５に照射されるイオンエネルギーの大きさを制御することができる。
【００４４】
また、試料台２４の内部には、冷媒等により試料台２４の温度を制御する機構（図示は省略している）が設けられており、試料台２４の温度は−３０℃〜＋１０℃の範囲で制御できる。
【００４５】
（エッチング方法）
以下、本発明の一実施形態に係るエッチング方法について図面を参照しながら説明する。尚、本発明に係るエッチング方法は、ポリメタルゲート電極を形成するためのものには限定されないが、本実施形態においては、ポリシリコン膜よりなる下層膜と、窒化タングステン膜及びタングステン膜よりなる上層膜との積層膜をエッチングして、ポリメタルゲート電極を形成する場合について説明する。
【００４６】
まず、１枚目のウエハが配置されているチャンバー２０内にフッ素を含むエッチングガス（例えば、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとの混合ガス）を導入して、タングステン膜及びタングステン窒化膜よりなる上層膜に対して第１のエッチングを行なった後、チャンバー２０内に臭素を含むエッチングガス（例えば、ＨＢｒガスとＯ2ガスとの混合ガス）を導入して、ポリシリコン膜よりなる下層膜に対して第２のエッチングを行なって、ポリメタルゲート電極を形成する。これにより、１枚目のウエハに対するパターニング処理を完了する。
【００４７】
次に、所定枚数例えばｎ枚のウエハに対して前述のパターニング処理を行なった後、チャンバー２０内にフッ素を含むクリーニングガスを導入して、該フッ素を含むクリーニングガスからなるプラズマを発生させる。このようにすると、プラズマ中のフッ素と、下層膜に対する第２のエッチング工程でチャンバー２０の側壁に付着しているシリコン含有化合物例えばＳｉＢｒx とが反応して反応生成物が生成されるので、該反応生成物をチャンバー２０の外部に排出できる。
【００４８】
次に、（ｎ＋１）枚目のウエハをチャンバー２０内に配置し、該チャンバー２０内にフッ素を含むエッチングガスを導入して上層膜に対して第１のエッチングを行なった後、チャンバー２０内に臭素を含むエッチングガスを導入して、下層膜に対して第２のエッチングを行なって、ポリメタルゲート電極を形成する。これにより、（ｎ＋１）枚目のウエハに対するパターニング処理を完了する。
【００４９】
図２は、２５枚のウエハに対して連続してパターニング処理を行なってポリメタルゲート電極をそれぞれ形成した後に、前述のプラズマによるクリーニング処理を行ない、その後、２６枚目のウエハに対してパターニング処理を行なってポリメタルゲート電極を形成した場合における、クリーニング時間（横軸）と、ポリメタル電極のタングステン膜のテーパ角（縦軸）との関係を示している。この場合の条件は以下の通りである。すなわち、上層膜に対する第１のエッチング工程は、ＣＦ4 ガスの流量：７５ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ2 ガスの流量：２５ｍｌ／ｍｉｎ、チャンバー２０の圧力：０．５Ｐａ、第１の高周波電力：６００Ｗ、第２の高周波電力：１００Ｗ、試料台２４の温度：５０℃に設定した。下層膜に対する第２のエッチング工程は、ＨＢｒガスの流量：８０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｏ2 ガスの流量：３ｍｌ／ｍｉｎ、チャンバー２０の圧力：０．４Ｐａ、第１の高周波電力：３００Ｗ、第２の高周波電力：５０Ｗ、試料台２４の温度：５０℃に設定した。クリーニング処理は、ＳＦ6 ガスの流量：２００ｍｌ／ｍｉｎ、第１の高周波電力：１０００Ｗ、第２の高周波電力：０Ｗ、試料台２４の温度：５０℃に設定した。
【００５０】
図２から、プラズマによるクリーニング処理の時間が０の場合（つまり、クリーニングを行なわなかった場合）には、タングステン膜のテーパ角は７５度であるが、クリーニング時間が長くなるにつれてテーパ角は大きくなり、クリーニング時間が２００ｓになるとテーパ角は９０度になることが分かる。
【００５１】
クリーニング処理の時間が長くなると、下層膜に対する第２のエッチング工程で生成されチャンバー２０の側壁に付着したシリコン含有化合物（ＳｉＢｒx ）は、ＳＦ6 ＋ＳｉＢｒx →ＳｉＦy ↑＋Ｂｒ2 ↑＋ＳＦz ↑……（４）の化学反応により完全に除去される。このため、前述の（３）の化学反応が起こらなくなるので、上層膜に対する第１のエッチング工程で導入されるエッチングガス中のフッ素の量が低減せず、ポリメタルゲート電極のタングステン膜の形状は垂直形状になる。
【００５２】
図３は、ウエハに対してパターニング処理を行なってポリメタルゲート電極を形成する度毎に、クリーニング処理を行なった場合における、ウエハの処理枚数（横軸）と、ポリメタル電極のタングステン膜のテーパ角（縦軸）との関係を示している。クリーニング処理、第１及び第２のエッチング工程の条件は、図２に結果を示した場合と同様である。
【００５３】
図３から分かるように、ウエハの処理枚数が増加しても、タングステン膜のテーパ角は小さくなっていない。その理由は、下層膜に対する第２のエッチング工程で生成されチャンバー２０の側壁に付着したシリコン含有化合物（ＳｉＢｒx ）は、前述の（４）の化学反応により完全に除去されるため、前述の（３）の化学反応が起こらなくなるので、上層膜に対する第１のエッチング工程で導入されるエッチングガス中のフッ素がシリコン含有化合物との反応に消費されないからである。
【００５４】
以上のように、本実施形態によると、下層膜に対する第２のエッチング工程でチャンバーの側壁に付着したシリコン含有化合物と、クリーニングガスよりなるプラズマ中のフッ素とを反応させ、反応生成物をチャンバーの外部に排出しておいてから、上層膜に対する第１のエッチング工程を行なうため、該第１のエッチング工程で導入されるエッチングガス中のフッ素が、チャンバー側壁のシリコン含有化合物との反応に消費される事態を防止できる。このため、パターン化された上層膜の断面を垂直形状にすることができ、これによりパターン化された積層膜からなるポリメタルゲート電極の寸法を高精度に制御することができる。
【００５５】
尚、本実施形態においては、クリーニングガスとして、ＳＦ6 ガスを用いたが、これに代えて、ＮＦ3 ガス又はＣＦ4 ガス等のフッ素を含有するガスを用いてもよい。
【００５６】
また、下層膜に対する第２のエッチング工程のエッチングガスとしては、ＨＢｒガスとＯ2ガスとの混合ガスを用いたが、これに代えて、ＨＢｒガスとＯ2 ガスとの混合ガス、又は、Ｃｌ2 ガスとＨＢｒガスとＯ2 ガスとの混合ガスを用いてもよい。
【００５７】
また、本実施形態においては、図１に示すドライエッチング装置により得られるＴＣＰ（Transfer Coupled Plasma ）方式のプラズマ源を用いたが、これに代えて、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）方式、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方式、又はＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）方式のプラズマ源を用いてもよい。
【００５８】
さらに、タングステン膜とポリシリコン膜との間に設けられるバリア層としては、窒化タングステン膜に代えて、タングステンシリサイド膜、窒化タングステンシリサイド膜又は窒化チタン膜等を用いてもよい。
【００５９】
（クリーニングの処理時間の第１の算出方法）
以下、本発明の一実施形態に係るエッチング方法において、クリーニングの処理時間を算出する第１の方法について説明する。
【００６０】
図４は、エッチングによりポリメタルゲート電極を形成した後に行なったプラズマによるクリーニング処理中のプラズマ発光を分光器を用いて測定した結果を示している。図４において、横軸は分光波長（２００ｎｍ〜８００ｎｍ）を示し、縦軸は発光強度を示し、実線はクリーニング処理を開始した直後のプラズマ発光を示し、破線はクリーニング処理を開始してから６０ｓを経過したときのプラズマ発光を示している。第１及び第２のエッチング工程並びにクリーニング処理の各条件は、図２に結果を示した場合と同様である。
【００６１】
図４から分かるように、フッ化シリコン（ＳｉＦ）（分光波長：４４０ｎｍ）の発光強度は、クリーニング処理を開始した直後では高いが、６０ｓを経過したときでは低くなっている。一方、フッ素（Ｆ）（分光波長：７０４ｎｍ）の発光強度は、クリーニング処理を開始した直後では低いが、６０ｓを経過したときでは高くなっている。
【００６２】
図５は、プラズマによるクリーニング処理中におけるフッ素の発光強度の経時変化を示しており、図４に示したフッ素の発光強度を時間軸に直したものである。
【００６３】
図５から、フッ素の発光強度は、クリーニングの処理時間の経過と共に増加し、処理時間が５５ｓを経過する頃から一定になっていることが分かる。この現象は以下の理由によるものと考えられる。まず、クリーニング処理の開始直後は、クリーニングガス（ＳＦ6 ）から生じるＦと、下層膜に対する第２のエッチング工程でチャンバーの側壁に付着したＳｉＢｒx とが反応することにより、プラズマ中のＦの量が低下し、Ｆの発光強度は小さくなる。その後、前述の化学反応（４）により、ＳｉＢｒx が除去されるので、これに伴って、プラズマ中のＦ量は増加し、Ｆの発光強度は大きくなっていく。そして、ＳｉＢｒx が完全に除去されると、Ｆの発光強度は一定となる。Ｆの発光強度が一定になる時間、つまり処理時間が５５ｓを経過する時間に、ＳｉＢｒx が完全に除去されていることが分かる。従って、クリーニング処理を行なう際の最適な処理時間は５５ｓであると算出できる。
【００６４】
図６は、プラズマによるクリーニング処理中におけるフッ化シリコンの発光強度の経時変化を示しており、図４に示したフッ化シリコンの発光強度を時間軸に直したものである。
【００６５】
図６から、フッ化シリコンの発光強度は、クリーニングの処理時間の経過と共に減少し、処理時間が５５ｓを経過する頃から一定になっていることが分かる。この現象は以下の理由によるものと考えられる。まず、クリーニング処理の開始直後は、クリーニングガス（ＳＦ6 ）から生じるＦと、下層膜に対する第２のエッチング工程でチャンバーの側壁に付着したＳｉＢｒx とが反応することにより、プラズマ中のＳｉＦの量が増加し、ＳｉＦの発光強度は大きくなる。その後、前述の化学反応（４）により、ＳｉＢｒx が除去されるので、これに伴って、プラズマ中のＳｉＦ量は減少し、ＳｉＦの発光強度は小さくなっていく。そして、ＳｉＢｒx が完全に除去されると、ＳｉＦの発光強度は一定となる。ＳｉＦの発光強度が一定になる時間、つまり処理時間が５５ｓを経過する時間に、ＳｉＢｒx が完全に除去されていることが分かる。従って、クリーニング処理を行なう際の最適な処理時間は５５ｓであると算出できる。
【００６６】
以上のように、クリーニング処理中に、プラズマ中のＦの発光強度又はＳｉＦの発光強度の経時変化をモニターすることにより、次回のクリーニング処理の最適な処理時間を算出することができる。
【００６７】
ところで、Ｆの発光強度の経時変化量及びＳｉＦの発光強度の経時変化量が小さくて、クリーニング処理の最適な処理時間を算出し難い場合には、Ｆの発光強度をＳｉＦの発光強度で割ったときの商を算出し、算出した商の経時変化に基づいてクリーニング処理の最適な処理時間を算出することができる。
【００６８】
図７は、プラズマによるクリーニング処理中における、（Ｆの発光強度）／（ＳｉＦの発光強度）の経時変化を示している。処理時間の経過に伴って、Ｆの発光強度は増加する一方、ＳｉＦの発光強度は減少するため、図７に示すように、（Ｆの発光強度）／（ＳｉＦの発光強度）の変化量は、図５に示すＦの発光強度の変化量及び図６に示すＳｉＦの発光強度の変化量のいずれよりも大きくなる。
【００６９】
尚、本実施形態においては、クリーニング処理中において、Ｆの発光強度の変化量又はＳｉＦの発光強度の変化量をモニターして、次回のクリーニング処理の処理時間を算出したが、これに代えて又はこれと共に、第２のエッチング工程の後に、チャンバー内のプラズマのＦ又はＳｉＦの発光強度を測定し、Ｆの発光強度が所定値以下であるとき又はＳｉＦの発光強度が所定値以上であるときには、次回のクリーニング処理を行なうと判定する一方、Ｆの発光強度が所定値よりも大きいとき又はＳｉＦの発光強度が所定値よりも小さいときには、次回のクリーニング処理を行なわないと判定する工程を付加してもよい。
【００７０】
Ｆの発光強度が所定値以下であるとき又はＳｉＦの発光強度が所定値以上であるときには、プラズマ中のフッ素の量が減少していると考えられ、第１のエッチング工程によりパターン化された上層膜の断面がテーパ形状になる恐れがあるが、次回のクリーニング処理を行なうことによって、上層膜の断面がテーパ形状になる事態を回避できる。また、Ｆの発光強度が所定値よりも大きいとき又はＳｉＦの発光強度が所定値よりも小さいときには、プラズマ中のフッ素の量が減少していないと考えられ、第１のエッチング工程によりパターン化された上層膜の断面がテーパ形状になる恐れがないので、次回のクリーニング処理を行なわないことにより、スループットの向上を図ることができる。
【００７１】
また、本実施形態においては、Ｆの発光強度の経時変化又はＳｉＦの発光強度の経時変化をモニターして次回のクリーニング処理の最適な処理時間を算出したが、Ｆの発光強度の経時変化に代えて、Ｆ2 の発光強度の経時変化をモニターしてもよい。
【００７２】
また、本実施形態において、下層膜に対する第２のエッチング工程のエッチングガスとして、ＨＢｒガスとＯ2 ガスとの混合ガスを用いる場合には、Ｆ、Ｆ2 、Ｂｒ、Ｂｒ2 又はＳｉとＢｒとの化合物の発光強度の経時変化をモニターしてもよい。この場合には、Ｆ又はＦ2 の発光強度の経時変化と、Ｂｒ、Ｂｒ2 又はＳｉとＢｒとの化合物の発光強度の経時変化とは、互いに逆の変化をする。
【００７３】
また、下層膜に対する第２のエッチング工程のエッチングガスとして、Ｃｌ2 ガスとＨＢｒガスとＯ2 ガスとの混合ガスを用いる場合には、Ｆ、Ｆ2 、Ｃｌ、Ｃｌ2 、Ｂｒ、Ｂｒ2 、ＳｉとＣｌとの化合物又はＳｉとＢｒとの化合物の発光強度の経時変化をモニターしてもよい。この場合には、Ｆ又はＦ2 の発光強度の経時変化と、Ｃｌ、Ｃｌ2 、Ｂｒ、Ｂｒ2 、ＳｉとＣｌとの化合物又はＳｉとＢｒとの化合物の発光強度の経時変化とは、互いに逆の変化をする。
【００７４】
例えば、チャンバーの側壁にＳｉＣｌx が付着した状態で、ＳＦ6 ガスを用いてクリーニング処理を行なうと、ＳｉＣｌx はＳＦ6 のＦと反応するため、揮発性の高い、Ｆ、Ｆ2 、ＳｉＦy 、Ｃｌ又はＣｌ2 が生成されるが、これらはチャンバーの外部に排出される。従って、クリーニング処理中にプラズマ発光分光測定を行なって、Ｆ、Ｆ2 、ＳｉＦy 、Ｃｌ又はＣｌ2 の発光強度の経時変化をモニターすると、これらの経時変化は次のようになる。
【００７５】
Ｆ及びＦ2 の発光強度は、クリーニング開始時より増大していき、ある時間で飽和するという経時変化を行なう。一方、ＳｉＦy 、Ｃｌ又はＣｌ2 の発光強度は、クリーニング開始時より低下していき、ある時間で飽和するという経時変化を行なう。
【００７６】
Ｆ、Ｆ2 、ＳｉＦy 、Ｃｌ又はＣｌ2 の発光強度の経時変化において、発光強度が飽和するということはＳｉＣｌx が除去されたことを示しているので、クリーニング開始時から発光強度が飽和するときまでの時間は、クリーニングの最適な処理時間となる。
【００７７】
また、本実施形態においては、Ｆの発光強度をＳｉＦの発光強度で割ったときの商の経時変化に基づいてクリーニング処理の時間を算出したが、これに代えて、測定された複数の発光強度のうち時間の経過に伴って大きくなる発光強度（例えば、Ｆ又はＦ2 の発光強度）を、測定された複数の発光強度のうち時間の経過に伴って小さくなる発光強度（例えば、Ｃｌ、Ｃｌ2 、Ｂｒ、Ｂｒ2 、ＳｉとＣｌとの化合物又はＳｉとＢｒとの化合物の発光強度）で割ったときの商の経時変化に基づいてクリーニング処理の時間を算出してもよいし、測定された複数の発光強度のうち時間の経過に伴って大きくなる発光強度同士の積の経時変化に基づいてクリーニング処理の時間を算出してもよいし、又は測定された複数の発光強度のうち時間の経過に伴って小さくなる発光強度同士の積の経時変化に基づいてクリーニング処理の時間を算出してもよい。
【００７８】
（クリーニングの処理時間の第２の算出方法）
以下、本発明の一実施形態に係るエッチング方法において、クリーニングの処理時間を算出する第２の方法について説明する。
【００７９】
まず、下層膜であるポリシリコン膜の厚さが、例えば５０ｎｍ、７５ｎｍ、１００ｎｍ、１２５ｎｍ、１５０ｎｍ又は２００ｎｍである６種類の積層膜に対してそれぞれテストエッチングを行なった後、各テストエッチング毎に前述のクリーニング処理と同様のテストクリーニングを行ない、その後、第１の算出方法を用いて、下層膜の厚さ毎にクリーニングの最適な処理時間を算出する。
【００８０】
次に、ポリシリコン膜の厚さとクリーニングの最適な処理時間との関係をプロットして、ポリシリコン膜の厚さとクリーニングの最適な処理時間との間に成り立つ関係式を求める。
【００８１】
図８は、ポリシリコン膜の厚さとクリーニングの最適な処理時間との関係を示しており、図８から分かるように、ポリシリコン膜の厚さとクリーニングの最適な処理時間とは一次関数の関係にある。
【００８２】
そこで、図８から、Ｙ＝０．４７６４Ｘ……（５）（但し、Ｙ：クリーニングの最適な処理時間、Ｘ：ポリシリコン膜の厚さ）なる関係式が得られる。
【００８３】
このようにして、関係式を求めておくと、デバイス特性を向上させる目的で、ポリメタルゲート電極のポリシリコン膜の厚さが変化した場合、その都度、第１の算出方法により最適な処理時間を算出しなくても、関係式に基づいて最適な処理時間を容易に算出することができる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明に係るエッチング方法によると、第１のエッチング工程で導入されるエッチングガス中のフッ素が、チャンバー側壁に付着しているシリコン含有化合物との反応に消費される事態を防止できるため、パターン化された上層膜の断面を垂直形状にすることができるので、パターン化された積層膜例えばポリメタルゲート電極の寸法を高精度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエッチング方法に用いるエッチング装置の概略断面図である。
【図２】２５枚のウエハに対して連続してエッチング処理を行なった後、チャンバーに対してクリーニング処理を行ない、その後、２６枚目のウエハに対してエッチング処理を行なったときにおける、クリーニング時間とタングステン膜のテーパ角との関係を示す図である。
【図３】ウエハに対してエッチング処理を行なう度毎にクリーニング処理を行なったときにおける、ウエハの処理枚数とタングステン膜のテーパ角との関係を示す図である。
【図４】クリーニング処理中のプラズマ発光を分光器を用いて測定した結果を示す図である。
【図５】クリーニング処理中におけるフッ素の発光強度の経時変化を示す図である。
【図６】クリーニング処理中におけるフッ化シリコンの発光強度の経時変化を示す図である。
【図７】クリーニング処理中における（Ｆの発光強度）／（ＳｉＦの発光強度）の経時変化を示す図である。
【図８】ポリシリコン膜の厚さとクリーニングの最適な処理時間との関係を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は従来のポリメタルゲート電極の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図１０】ウエハの処理枚数とパターン化されたタングステン膜のテーパ角との関係を示す図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）はエッチングの処理数が増加するに伴って、パターン化された上層膜のテーパー角が小さくなるメカニズムを説明する断面図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）はエッチングの処理数が増加するに伴って、パターン化された上層膜のテーパー角が小さくなるメカニズムを説明する断面図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２  シリコン酸化膜
３  ポリシリコン膜
３Ａ  パターン化されたポリシリコン膜
４  タングステン窒化膜
４Ａ  パターン化されたタングステン膜
５  タングステン膜
５Ａ  パターン化されたタングステン膜
６  シリコン窒化膜
６Ａ  ハードマスク
７  レジストパターン
８  ポリメタルゲート電極
２０  チャンバー
２０ａ  導入口
２０ｂ  排出口
２１  第１の高周波電力
２２  上部電極
２３  第２の高周波電力
２４  試料台
２５  ウエハ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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