JP2004503106A - 半導体構造内のタングステンまたは窒化タングステン電極ゲートをエッチングする方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体構造内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方法に関し、特定的には、エッチングプロセスに精密な制御が要求されるゲート電極のエッチングに関する。我々は、精密なエッチングプロファイル制御を可能にしながら、例えばタングステンまたは窒化タングステンのエッチングがそれに隣接する酸化物層のエッチングに対して１７５：１という優れた選択度を呈するようなタングステンまたは窒化タングステンのエッチング方法を発見した。典型的には、この酸化物は、酸化シリコン、酸窒化シリコン、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、タングステンまたは窒化タングステンが物理蒸着（ＰＶＤ）または化学蒸着（ＣＶＤ）の何れによって堆積されていようとも、それらに適用可能であることは明白である。詳述すれば、タングステンまたは窒化タングステンのエッチングの主要部分（主エッチング）中に使用される初期エッチング用化学物質は、化学的に作用するエッチャント種が六フッ化硫黄（ＳＦ_６）及び窒素（Ｎ_２）の組合わせから、または代替として、三フッ化窒素（ＮＦ_３）、塩素（Ｃｌ_２）、及び四フッ化炭素（ＣＦ_４）の組合わせから生成されるプラズマ源ガスを使用する。主エッチングプロセスの終わりに向かって、化学的に作用するエッチャント種がＣｌ_２及びＯ_２から生成される第２の化学物質を使用する。エッチングプロセスのこの最終部分においては、少なくともタングステンまたは窒化タングステンの下側に位置する表面までエッチングが遂行されることから、この最終部分を“オーバーエッチング”プロセスと呼ぶことができる。しかしながら、オプションとして、この第２のエッチング化学物質を２ステップに分け、その第２のステップにおいてプラズマ源ガスの酸素含量及びプラズマ源電力を増加させることができる。

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、半導体構造内のタングステンまたは窒化タングステン電極ゲートをエッチングする方法に関する。詳述すれば、エッチングプロセスの主要部分中には１つのエッチング用化学物質（ケミストリ）を使用し、エッチングプロセスの終わりに向かって第２のエッチング用化学物質を使用する。
【０００２】
（従来の技術）
一般的な半導体デバイスは、典型的に、自己位置合わせされた異なる組成の多重フィルム層から製造された接続構造（コンタクトストラクチャ）及びゲート電極を含んでいる。以前は、窒化タングステンフィルムがバリヤ層として使用され、タングステンが種々の半導体デバイス構造内の導体として使用されていた。近年になってデバイスのジオメトリがより小さくなった結果として、タングステン及び窒化タングステンの両方がゲート材料として開発されてきた。
【０００３】
多くの場合、タングステンまたは窒化タングステンフィルム（層）は、薄い（約５０Å より薄い）酸化シリコンの無機誘電体層の上に堆積される。多重フィルム層構造のパターン化エッチング中、タングステンまたは窒化タングステン層をプラズマ乾式エッチングし、酸化シリコン層の表面においてエッチングを停止させることが望ましい。そのため、タングステンまたは窒化タングステンのエッチングのエッチングの選択度（酸化シリコンに対する優先度）を高くすることが重要である。（“選択度”という用語は、典型的には、２つの材料のエッチング速度の比を表すために使用される。）更に、デバイスのジオメトリがより小さくなるにつれて、与えられた表面積上により多くのデバイスを配置することができるプロファイルが得られるように、材料の層のエッチングはより精密でなければならない。例えばタングステンゲートの場合には、ゲートは薄いラインまたはパッドの形状であることができ、エッチングされたゲートフィーチャの断面プロファイルは、エッチングされたフィーチャの側壁が、下側に位置する例えば酸化シリコン基体層に本質的に直角であるようなプロファイルであることが好ましい。これはタングステンを、酸化シリコン基体層の表面まで完全にエッチングしなければならない（エッチングされたタングステン側壁の底に “足”（フィート）が残留しない）ことを意味する。エッチングプロセスの制御は、下側に位置する酸化シリコンフィルム基体の臨界的な厚みをエッチングしないようにしながら、正しくエッチングされたタングステンフィーチャプロファイルを得る上で重要である。
【０００４】
１９９３年１１月９日付Ｈｏｒｉらの米国特許第５，２９５，９２３号に開示されている乾式エッチング方法では、タングステン、モリブデン、及びそれらのケイ化物から選択されたものを含む多層フィルムを第１の層としてエッチングする。この“第１の層”の下側に位置するのは、酸化シリコン絶縁フィルム上に位置する多結晶シリコンの第２の層である。第１の層のためのエッチングステップは、フッ素、六フッ化硫黄、及び三フッ化窒素から選択された第１のガス、またはこの第１のガスと、塩化水素、臭化水素、塩素、臭素、及び四塩化炭素から選択された第２のガスとを含む混合ガスで作られたプラズマエッチャント源ガスを使用する。多結晶シリコンの第２の層のエッチングは、第２のガスと、不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、四塩化シリコンガス、及び一酸化炭素ガスから選択された第３のガスとで作られたプラズマエッチャント源ガスを使用して遂行される。第２のエッチングステップにおいて第２のガスに添加される第３のガスは、好ましくは、合計エッチングガス混合体の０乃至１０体積％の範囲にすべきである。
【０００５】
１９９７年２月４日付Ｄｏｒｌｅａｎｓらの米国特許第５，５９９，７２５号には、逆Ｔ字形耐熱金属ゲート構造を有するシリコン基ＭＯＳトランジスタの製造方法が開示されている。この発明によって製造されるゲートは、主ＣＶＤタングステン部分と、このＣＶＤ部分の底から外向きに伸びるようにスパッタされた下側タングステン部分とからなる。ＣＶＤタングステン層をエッチングするためにはＣｌ_２／Ｏ_２プラズマエッチングが使用され、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は化学エッチング（ＫＨ_２ＰＯ_４／ＫＯＨ／Ｋ_３Ｆｅ（ＣＮ）_６）が使用される。スパッタされたタングステン層は、全製造プロセス中に下側に位置するゲート酸化物層をイオン破壊から保護するシールドとして働くと述べられている。即ち、スパッタされたタングステンは、Ｃｌ_２／Ｏ_２反応性イオンエッチングに対してＣＶＤタングステンよりも耐性があると記述されている。
【０００６】
Ｊｅｎｇらの米国特許第６，０３３，９６２号は、自己位置合わせされた接続孔（コンタクトホール）のための側壁スペーサの製造方法を開示している。この発明の主目的はゲート構造の側の上に窒化シリコンのスペーサを形成することに関するものであるが、プラズマ生成のためにＣｌ_２−ＢＣｌ_３−Ａｒエッチャントガス混合体を使用し、フォトレジストマスキングを使用せずに普通のエッチバック手順を使用してＲＩＥエッチングされるタングステンのような金属の堆積をも記述している。
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、半導体構造内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方法に関し、特定的には、エッチングプロセスに精密な制御を要求するゲート電極のエッチングに関する。我々は、精密なエッチングプロファイル制御を可能にしながら、タングステン（または窒化タングステン）に対して、薄い下側の酸化物層に対するよりも優れた選択度を呈するような、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。典型的には、酸化物は、酸化シリコン、酸窒化シリコン、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。この方法は、タングステンまたは窒化タングステンが物理蒸着（ＰＶＤ）または化学蒸着（ＣＶＤ）の何れによって堆積されていようとも、それらに適用できることは明白である。
【０００８】
詳述すれば、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主要部分（主エッチング）中に使用される初期エッチング化学物質は、化学的に作用するエッチャント種が六フッ化硫黄（ＳＦ_６）及び窒素（Ｎ_２）の組合わせから、または代替として、三フッ化窒素（ＳＦ_３）、塩素（Ｃｌ_２）、及び四フッ化炭素（ＣＦ_４）の組合わせから生成されるようなプラズマ源ガスを使用する。主エッチングプロセスが終わりに向かって、化学的に作用するエッチャント種がＣｌ_２及びＯ_２から生成されるような第２の化学物質が使用される。エッチングプロセスのこの最終部分においては、少なくともタングステンまたは窒化タングステンの下側に位置する表面までエッチングが遂行されるので、この最終部分を“オーバーエッチング”プロセスと呼ぶことができる。しかしながら、オプションとして、この第２のエッチング用化学物質を２ステップに分け、第２のステップにおいてプラズマ源ガスの酸素含量及びプラズマ源電力を増加させることができる。
【０００９】
我々は、十分に高い濃度のＯ_２を十分に高いプラズマ密度と組合わせて使用した場合、酸化シリコンに対するよりもタングステンに対して予測しなかったような高い（例えば１．７５：１の範囲にわたる）エッチング選択度が得られることを発見した。詳述すれば、Ｏ_２濃度がプラズマ源ガス内で約２０体積％より大きい場合にＯ_２含量を更に増加させても、約８×１０^１０ｅ⁻以下のプラズマ密度においては活性酸素種を付勢するための電力入力が不十分であるので、限定された効果しか呈さない。下側に位置する酸化物に対してタングステンまたは窒化タングステンの方にエッチング選択度を得るためには、プラズマ源ガスの酸素含量、及びプラズマを発生させて維持するために印加される源電力の両者を増加させる必要がある。例えば、約１．６×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３のプラズマ密度において、プラズマ源ガスの酸素含量を約３０体積％から約４０体積％まで増加させると、選択度は約４０：１から約７５：１まで増加する。しかしながら、４０体積％のＯ_２において、もしプラズマ密度を約１．８×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３まで増加させれば、選択度は約７５：１から約１６０：１まで増加する。
【００１０】
“オーバーエッチング”ステップは、下側に位置する酸化物層を保護する最高の選択度を発生するような条件で遂行されるが、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ァイルは、得られる大きいタングステンエッチング速度（１７５：１の選択度を発生する条件において、約１，８００Å ／分）によって影響を受け得る。フィーチャのベースに残留するタングステンの“足”を除去しながら、フィーチャのプロファイルを維持できるようにするためには、例えば約３０：１の低めの選択度と、約１，０００Å ／分のタングステンエッチング速度とを与える条件の下でエッチングし、次いでエッチングされたフィーチャを取囲んでいる酸化物の平坦な表面から残留物を清浄化するために、エッチングの終わりの限定された時間にわたって１７５：１の選択度を与えるプロセス条件に変化させてエッチングすると有利である。
【００１１】
（実施の形態）
以下の説明は、半導体構造内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方法に関する。詳述すれば、本方法は、０．５μｍより小さいフィーチャサイズのエッチングに関し、下側に位置する酸化物の薄い層（典型的には、約５０Å より薄い）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度の制御が主として重要である。“フィーチャ”とは、典型的に、金属ライン、トレンチ、及び誘電体層内の開口、並びに基体表面のトポグラフィを形成する他の構造のことをいう。
【００１２】
詳述すれば、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主要部分中に使用される初期エッチング用化学物質はプラズマ源ガスを使用するものであることが好ましく、化学的に作用するエッチャント種は六フッ化硫黄（ＳＦ_６）及び窒素（Ｎ_２）の組合わせから、またはＳＦ_３、Ｃｌ_２、及びＣＦ_４の組合わせから生成される。このエッチング用化学物質は、大きいタングステンエッチング速度を提供しながら、優れたエッチングプロファイル特性を伴う。
【００１３】
例えば、一実施の形態においては、主エッチングはＳＦ_６及びＮ_２からなる源ガスを使用して遂行される。ＳＦ_６の体積流量は、ＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標） ＤＰＳ^ＴＭ処理チャンバにおいて典型的に約３０ ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍまでの範囲にわたる。Ｎ_２の体積流量も同様に、典型的に約３０ ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍまでの範囲にわたる。ＳＦ_６：Ｎ_２の好ましい体積比は、約２０：５０から約６０：１０までの範囲である。処理チャンバ圧は、約２ミリトルから約２０ミリトルまでの範囲であり、約２ミリトルから約１０ミリトルまでの範囲の圧力に維持することが好ましい。基体温度は約２０℃から約１００℃までの範囲であるが、低めの温度が好ましい。それは、装置のコストが低くなり、またゲート酸化物の破壊の可能性が低くなるからである。印加されるプラズマ源電力は約２００Ｗから約２，０００Ｗまでの範囲であり、印加される基体バイアス用電力は約４０Ｗから約２００Ｗまでの範囲である。（“プラズマ源電力”とは、典型的には、エネルギの主要部分を供給することによってチャンバ内の中性種をイオン化し、プラズマを持続させる責を負う電力のことであり、一方“基体バイアス電力”とは、典型的には、高エネルギプラズマ種を基体に向かって引きつけるために基体に印加される電力のことである。）上述した範囲内の条件で使用すると、タングステンまたは窒化タングステンに対して約１，５００Å／分 から約４，０００Å／分までの範囲のエッチング速度が得られる。細い（約０．１５μｍ幅）ラインのエッチング中、下側に位置する基体表面に対するライン側壁のプロファイルは約８８°乃至９０°で垂直である（側壁のベース付近に形成され得る“足”は度外視する）。
【００１４】
エッチングプロセスの終わりに向かって、化学的に作用するエッチャント種がＣｌ_２及びＯ_２から生成されるような第２の化学物質を使用する。残余のタングステンの部分のエッチング中のプロセスにおいては、下側に位置するフィルムの表面に対してエッチングが遂行され、下側に位置するフィルム表面内の限定された距離までエッチングされ得るから、このプロセスをオーバーエッチングプロセスと呼ぶことができる。しかしながら、オプションとして、この第２のエッチング用化学物質を２ステップに分け、第２のステップにおいて酸素含量及びプラズマ源電力を増加させることができる。
【００１５】
タングステンまたは窒化タングステンに対する満足できるエッチング速度と、下側に位置する酸化物ゲート層に対するよりもタングステンに対するエッチングに対して所望の選択度を得るためのＣｌ_２／Ｏ_２源ガス混合体内のＣｌ_２及びＯ_２の体積百分率は、２０％以上から約４５％までの範囲である。好ましくは、Ｃｌ_２／Ｏ_２源ガス混合体内のＣｌ_２及びＯ_２の体積百分率は、約３５％より大きい百分率から約４５％までの範囲である。しかしながら、上述したＯ_２含量の便益を得るためには、エッチング処理チャンバ内のプラズマ密度を十分に高くしなければならない。我々は、酸素の体積百分率を２０％以上に増加させることによる便益を得るためには、少なくとも約８×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３のプラズマ密度（カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．製ＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標） ＤＰＳ^ＴＭ処理チャンバにおいて、約８００Ｗのプラズマ源電力）が必要であると決定した。（本明細書において使用している“ＤＰＳ”（“デカップルドプラズマ源”）とは、プラズマを点弧させて維持するために使用される誘導結合ＲＦ源電力、及び半導体基体に印加して高エネルギ種を基体に向かって導くバイアス電力のための分離した制御装置を有するプラズマエッチング装置のことである。）
【００１６】
単一のオーバーエッチングステップを使用することの代替は、２ステップオーバーエッチングプロセスを使用することである。例えば、主エッチングステップの後に、プラズマ源ガス組成がＣｌ_２及びＯ_２の組合わせであって、Ｏ_２の体積含量が２０％以上から約３５％までの範囲であるような第１のオーバーエッチングステップを遂行することができる。プラズマ密度は、典型的には、約８×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３（８００Ｗの源電力を印加）から約１．６×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３（１，６００Ｗの源電力を印加）までの範囲である。処理チャンバ厚は、約２ミリトルから約１０ミリトルまでの範囲であるが、好ましくは約２ミリトル乃至６ミリトルである。基体温度は約２０℃から約１００℃までの範囲である。印加する基体バイアス用電力は約４０Ｗから約２００Ｗまでの範囲である。これらの範囲内の条件を装置変数に対して調整して使用すると、細いラインの底に形成される“足”を除去することができ、同時にラインプロファイルを８８°乃至９０°の垂直に維持することができる。
【００１７】
その後に、下側に位置する薄い酸化物フィルムの表面からエッチング残留物を清浄化するために、フィルムに重大なエッチングを生じないような（エッチングされる薄い酸化物フィルムは、その厚みの１０％より少ない）第２のオーバーエッチング、即ち仕上げステップが遂行される。第２のオーバーエッチングステップにおいては、下側に位置する酸化物フィルム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度は重要である。エッチングされたフィーチャを取囲む薄い酸化物層をエッチングすることなく、薄い酸化物層の平らな表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望ましい。この場合も、プラズマ源ガス内の化学的エッチャントはＣｌ_２及びＯ_２であり、混合体内のＯ_２の体積含量は、典型的には約３６％から約４１％までの範囲である。プラズマ密度は、他のプロセス条件を第１のオーバーエッチングステップについて上述した条件と同一に保って、典型的には約１．６×１０^１１から約２．０×１０^１１までの範囲である。これらのプロセス条件の下でのタングステンのエッチング速度は約１，７５０Å ／分であり、一方選択度（Ｗ：ＳｉＯ_ｘ）は約１７５：１である。プラズマ源ガスのＯ_２含量を増加させ、プラズマ密度を増加させることも、同様に有用であることが期待される。
【００１８】
上述したプロセス条件を使用して得られる１７５：１の選択度を、他のプロセス条件を使用して得られる選択度と比較すると、一見したところでは重大な相違は見出されないが、驚く程異なる結果をもたらしている。例えば、Ｏ_２流量を変化させてＯ_２の体積濃度を３６％にし、それと１．６×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３（１，６００Ｗ）のプラズマ密度とを組合わせると、約７５：１のＷ：ＳｉＯ_ｘ選択度が得られ、またＯ_２の体積濃度を２０％として、１．５×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３（１，５００Ｗ）のプラズマ密度と組合わせた場合には、約２８：１のＷ：ＳｉＯ_ｘ選択度が得られる。このデータが示すように、酸素の流量を増加させ、同時にプラズマ密度を特定の範囲以上に高めると、酸化シリコンに対するタングステンまたは窒化タングステンの選択度が予測しなかった程増加する。これを、以下に幾つかの例で更に示す。
【００１９】
これらの例を説明する前に、本明細書において使用している単数形の用語は、特に「複数の」と断らずとも複数の参照を含むことを文脈から判断されたい。例えば、単に「半導体」と記述してある場合、それは半導体の挙動特性を有する公知の種々の異なる材料を含むことを理解されたい。
【００２０】
Ｉ．本発明を実現するための装置
以下に説明するエッチングプロセスの実施例は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．製のＣｅｎｔｕｒａ（登録商標）統合処理システム内において遂行されたものである。このシステムは、本明細書が参照する米国特許第５，１８６，７１８号に開示されている。これらの実施例のために使用したエッチング処理チャンバを図１に示してあるが、当分野において利用可能などのようなエッチング処理装置も、他の処理パラメータに対する調整を行って上述したエッチング化学物質を利用できるであろう。図１に概要を示す設備は、１９９６年５月７日のＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｖｅｎｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇに掲載され、１９９６年に出版されたＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， Ｖｏｌｕｍｅ ９６−１２の２２２−２２３ページに記述されているＹａｎ Ｙｅらの論文に示されている種類のデカップルドプラズマ源（ＤＰＳ）である。このプラズマ処理チャンバは、８インチ（２００ｍｍ）直径のウェーハを処理することができる。
【００２１】
図１は、個々のＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標） ＤＰＳ^ＴＭポリシリコンエッチングチャンバ１００の概要を示す側面図である。エッチングチャンバ１００は、セラミックドーム１０６を有する上側チャンバ１０４と、下側チャンバ１０８とからなる。下側チャンバ１０８は、単極静電チャック（ＥＳＣ）陰極１１０を含んでいる。ガスは、ガスを均一に分配するためのガス注入ノズル１１４を介してチャンバ内へ導入される。チャンバ圧は、絞り弁１１８を使用する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。処理に際して、基体２０は入口１２２を通して下側チャンバ１０８内へ導入される。基体１２０は、静電チャック（ＥＳＣ）表面上の誘電体フィルム（図示せず）の下に位置する導電層（図示せず）に直流電圧を印加することによって、ＥＳＣ陰極１１０の表面に生成される静電荷によって定位置に保持される。次いで、陰極１１０及び基体１２０がウェーハリフト１２４によって上昇させられ、処理のための位置において上側チャンバ１０４に対してシールされる。エッチング用ガスは、ガス注入ノズル１１４を介して上側チャンバ１０４内へ導入される。エッチングチャンバ１００は、誘導結合されたプラズマ源電力１２６と、１２．５６ＭＨｚで動作するマッチング回路網１２８とを使用して高密度プラズマを生成させ、維持する。ウェーハは、ＲＦ源１３０及び１３．５６ＭＨｚで動作するマッチング回路網１３２とを用いてバイアスされる。プラズマ源電力１２６及び基体バイアス手段１３０は、別々のコントローラ（図示せず）によって制御される。
【００２２】
ＩＩ ．本発明の実施例
図２Ａは、エッチングされたタングステン構造２００の概要側断面図であって、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。ライン幅は約０．１６５μｍであり、スペース幅は約０．２１μｍである。この構造は、シリコン基体２０２上の薄い（≒４５Å ）酸化シリコン層２１３を含み、酸化シリコン層２１３の上に位置しているのは１，６５０Å 厚のタングステン２０４と、４００Å の厚いイメージ集束用反射防止被膜層２０６と、エッチングされた構造２００をパターン化するのに使用されたフォトレジスト層の残留物２０８とである。図２Ｂは同じエッチングされた構造２００の三次元的表現であって、トレンチの底（スペース２０５）のエッチングされたタングステンの表面仕上げ２２２と、上に位置するフォトレジスト層残留物２０８のより滑らかな上面２２４とを示している。両図は、酸化シリコン層２１３の上面に残されているエッチングされなかったタングステンの厚み２１４を示している。このエッチングされなかったタングステンの厚み２１４は、約０．０２３μｍである。
【００２３】
タングステン２０４のエッチングは、プラズマ内のエッチャント種が３０ｓｃｃｍのＳＦ_６と、５０ｓｃｃｍのＮ_２である単一エッチング化学物質だけを使用して遂行された。（酸化物層２１３の表面までタングステン層２０４の最終部分をエッチングするために使用される第２のエッチング用化学物質は存在していない、即ち、オーバーエッチングは遂行されなかった。）他のエッチングプロセス条件は次の通りであった。即ち、エッチング処理チャンバ圧は約４ミリトルであり、基体温度は約５０℃であり、プラズマ源電力は約５００Ｗであり、基体バイアス電力は約８０Ｗであった。得られたエッチングプロファイルは良好であり、エッチングされたライン２０３の側壁の角度（酸化シリコン層２１３の表面２１０に対する）は約８９°であったが、タングステンが全面的に酸化シリコン層２０３の表面２１０までエッチングされなかったので、ラインのベースにおけるプロファイルに若干のテーパーリングが見られた。タングステンエッチング速度は、約１，５００Å ／分であった。エッチングされたライン及びスペースに関して使用した“テーパー”したプロファイルとは、ラインのベースにおけるライン幅がラインの上面におけるライン幅よりも広い断面プロファイルのことをいう。“垂直プロファイル”とは、ラインの側壁が酸化シリコン基体の表面に直角であることをいう。“アンダーカット”プロファイルとは、ラインのベースにおけるライン幅がラインの上面におけるライン幅よりも狭い断面プロファイルのことである。典型的には、垂直プロファイルが好ましい。それは、与えられた表面積上にデバイス構造をより接近させて配置することができるからである。
【００２４】
図２Ｂに示すように、スペース２０５の底のエッチングされたタングステン表面２２２は、フォトレジスト残留物２０８の表面２２４の上側のライン２０３よりも粗い仕上げを呈している。
【００２５】
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用化学物質を変化させ、エッチングを薄い酸化シリコン層３１３の表面３１０まで継続できるようにした場合の、エッチングされたタングステン３００の側断面の概要を示している。この場合も、エッチングされたタングステン構造はライン３０３及びスペース３０５のパターンであった。ライン幅は約０．１２０μｍであり、スペース幅は約０．１６５μｍである。この構造は、シリコン基体３０２上の薄い（≒４５Å ）酸化シリコン層３１３と、その上に位置する１，６５０Å 厚のタングステン３０４と、４００Å の厚いイメージ集束用反射防止被膜層３０６と、フォトレジスト層の残留物３０８とを含む。
【００２６】
タングステン３０４のエッチングは、２つのエッチング用化学物質だけを使用して遂行された。エッチングの第１の部分中、プラズマ内の化学的に反応性のエッチヤント種は、３０ｓｃｃｍのＳＦ_６及び５０ｓｃｃｍのＮ_２であった。他のエッチングプロセス条件は次の通りであった。即ち、エッチング処理チャンバ圧は約４ミリトルであり、基体温度は約５０℃であり、プラズマ源電力は５００Ｗであり、基体バイアス電力は約８０Ｗであった。得られたエッチングプロファイルは良好であり、エッチングされたライン３０３の（酸化シリコン層３０２の表面３１０に対する）側壁の角度は約８９°であった。タングステンエッチング速度は、約１，６５０Å ／分であった。タングステン層３０４の初期の１，６５０Å厚の中のほぼ１，５００Åは、この第１のエッチング用化学物質を使用してエッチングされた。
【００２７】
タングステン層３０４の残余の１５０Åのエッチングは、約７０ｓｃｃｍの流量のＣｌ_２及び約４０ｓｃｃｍの流量のＯ_２から生成された化学的に反応性のエッチヤント種のプラズマを使用して遂行された。他のエッチングプロセス条件は次の通りである。即ち、エッチング処理チャンバ圧は約６ミリトルであり、基体温度は約５０℃であり、プラズマ源電力は６００Ｗであり、基体バイアス電力は約８０Ｗであった。得られたエッチングプロファイルは優れており、エッチングされたライン３０３の（酸化シリコン層３０２の表面３１０に対する）側壁の角度は約８９°乃至９０°であった。タングステンエッチング速度は、約１，５００Å ／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許容された。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選択度は、約７９：１であった。タングステン残留物は、スペース３０５の開放領域からは除去されたが、ライン３０３間の間隔が図３に示すよりも小さい領域（より稠密な領域）においては、タングステンライン３０３の底に僅かなタングステン“足”が存在した（図示せず）。その後の実験によれば、Ｏ_２の流量を４５ｓｃｃｍに、プラズマ源電力を１，８００Ｗに、そして処理チャンバ圧を３ミリトルに調整すると、“足”が除去されることが分かった。
【００２８】
図４のグラフ４００は、酸化シリコンのエッチング速度（軸４０４上に示す）を、プラズマ源の酸素流量（軸４０２上に示す）の関数として示している。グラフ４００に示されているデータは、シリコンウェーハ上に堆積された酸化シリコンの層だけをエッチングすることによって得たものである。使用したＣｌ_２及びＯ_２の合計流は１１０ｓｃｃｍであり、プラズマ源ガス内の酸素の体積％は、軸４０２上に示されているｓｃｃｍを合計ガス流の１１０ｓｃｃｍで除し、１００倍することによって計算することができる。酸化シリコンをエッチング中の、他のエッチングプロセス条件は以下の通りであった。即ち、エッチング処理チャンバ圧は約６ミリトルであり、基体温度は約５０℃であり、プラズマ源電力は約１，６００Ｗであり、基体バイアス電力は約８０Ｗであった。グラフ４００が示すように、Ｏ_２流量を増加させることによってエッチング速度が減少する効果が存在し、Ｏ_２の約３５ｓｃｃｍと４０ｓｃｃｍとの間の約１９Å ／分において平坦になる。後になって、我々は、約３５ｓｃｃｍを超えてＯ_２の流量を増加させて得られる利点の全てを享受するためには、プラズマ密度（プラズマ源電力）を増加させる必要があることを発見した。
【００２９】
図５Ａのグラフ５００は、Ｏ_２流量を約２０ｓｃｃｍに一定に保った場合に、プラズマ源電力（軸５０２上にＷ（ワット）で示す）の増加がタングステン（Ｗ）のエッチング速度（曲線５０８によって示す）及びＳｉＯ_ｘのエッチング速度（曲線５１０によって示す）に及ぼす効果を示している。各場合のエッチング速度の単位は、軸５０４に示されている。グラフ５００には、２０ｓｃｃｍに一定としたＯ_２流量における、プラズマ源電力の関数としてのＷ：ＳｉＯ_ｘ選択度も曲線５１２によって示されている。選択度の値は、軸５０６上に示されている。グラフ５００から明らかなように、プラズマ源電力を増加させると、タングステンのエッチング速度が増加し、ＳｉＯ_ｘのエッチング速度が低下し、そして選択度が増加する。しかしながら、２０ｓｃｃｍのＯ_２流量では、約１，６００Ｗまでのプラズマ源電力でＷ：ＳｉＯ_ｘ選択度は約４０：１にしか過ぎない。処理チャンバ圧は約６ミリトルであり、基体温度は約５０℃であった。
【００３０】
図５Ｂのグラフ５３０は、他の全ての変数は一定のままとした場合の、オーバーエッチングステップ中のタングステンのエッチング速度を、プラズマ源電力及び酸素流量の関数として示す三次元グラフである。詳述すれば、エッチングされたウェーハは、上側にタングステン層がスパッタされたシリコンウェーハである。処理チャンバ圧は６ミリトルであり、基体温度は約５０℃であった。タングステンのエッチング速度単位（Å ／分）は軸５３４上に示され、プラズマ源電力単位（Ｗ）は軸５３２上に示され、そしてＯ_２流量単位（ｓｃｃｍ）は軸５３６上に示されている。曲線５３８から明らかなように、Ｏ_２流量だけを約３０ｓｃｃｍから約４０ｓｃｃｍまで増加させ、プラズマ源電力を約１，６００Ｗに一定に保った時に、タングステンのエッチング速度は、約１，１７０Å ／分から約１，５００Å ／分まで増加している。Ｏ_２流量を約３０ｓｃｃｍから約４５ｓｃｃｍまで増加させ、同時にプラズマ源電力を約１，６００Ｗから約１，８００Ｗまで増加させると、タングステンのエッチング速度は約１，１７０Å ／分から約１，７５０Å ／分まで増加した。
【００３１】
図５Ｃのグラフ５４０は、他の全ての変数を一定のままとした場合の、オーバーエッチングステップ中の酸化シリコンのエッチング速度を、プラズマ源電力及び酸素流量の関数として示す三次元グラフである。詳述すれば、エッチングされたウェーハは、その表面上に熱酸化シリコンの層を有するシリコン基体であった。処理チャンバ圧は６ミリトルであり、基体温度は約５０℃であった。酸化シリコンのエッチング速度単位（Å ／分）は軸５４４上に示され、プラズマ源電力単位（Ｗ）は軸５４２上に示され、そしてＯ_２流量単位（ｓｃｃｍ）は軸５４６上に示されている。曲線５４８は、Ｏ_２流量だけを約２０ｓｃｃｍから約４０ｓｃｃｍまで増加させ、プラズマ源電力を約１，６００Ｗに一定に保った時に、酸化シリコンのエッチング速度は約３７Å ／分から約１９Å ／分まで減少したことを示している。Ｏ_２流量を約２０ｓｃｃｍから約４５ｓｃｃｍまで増加させ、同時にプラズマ源電力を約１，６００Ｗから約１，８００Ｗまで増加させると、酸化シリコンのエッチング速度は約３７Å ／分から約１０Å ／分まで減少した。
【００３２】
図５Ｄのグラフ５５０は、他の全ての変数を一定のままとした場合の、選択度（Ｗ：ＳｉＯ_ｘのエッチング速度比）を、プラズマ源電力及び酸素流量の関数として示す三次元グラフである。図５Ｄは、図５Ｂ及び５Ｃから導出したものであって、酸素流量及びプラズマ源電力を同時に増加させることによって達成できる選択度の顕著な増加を明らかにしている。選択度（Ｗ：ＳｉＯ_ｘ）の値は軸５５４上に示され、プラズマ源電力単位（Ｗ）は軸５５２上に示され、そしてＯ_２流量単位（ｓｃｃｍ）は軸５５６上に示されている。曲線５５８は、Ｏ_２流量だけを約３０ｓｃｃｍから約４０ｓｃｃｍまで増加させ、プラズマ源電力を約１，６００Ｗに一定に保った時には、選択度が約５０：１から約８０：１まで増加していることを示している。酸素流量を約３０ｓｃｃｍから約４５ｓｃｃｍまで増加させ、同時にプラズマ源電力を約１，６００Ｗから約１，８００Ｗまで増加させると、選択度は約５０：１から約１７５：１まで増加した。例えば、Ｏ_２含量を約４０％にしてプラズマ源電力を約１，６７０Ｗにすると、約１００：１の選択度が得られる。Ｏ_２含量を約４５％にしてプラズマ源電力を約１，８００Ｗにした場合には、約１７５：１の選択度が得られる。酸素流量だけを増加させた場合に得られる選択度の増加が遙かに小さかったことから、この１７５：１までの選択度の増加は予測されないものであった。
【００３３】
選択度のこの驚くべき増加は、図５Ｄと図５Ａとを比較すると更に理解することができる。図５Ａでは、酸素流量を約２０ｓｃｃｍに一定のままとして、プラズマ源電力を約８００Ｗから約１，６００Ｗまで増加させた時に、Ｗ：ＳｉＯ_ｘの選択度が約１９：１から約４０：１まで増加することを示している。また図５Ｄでは、酸素流量を約３０ｓｃｃｍから約４０ｓｃｃｍまで増加させ、プラズマ源電力を１，６００Ｗに一定に保つと、選択度は約５０：１から約８０：１まで増加している。酸素流量の増加と、プラズマ源電力の増加とを相乗的に組合わせだけで、１７５：１の選択度が達成されているのである。
【００３４】
以下の表Ｉは、種々のプロセス条件と、これらのプロセス条件において得られることが予測されるタングステン（または窒化タングステン）のエッチング速度を要約したものである。表Ｉには、酸化シリコンに対して得られることが予測される選択度、及び得られることが予測されるエッチングされた側壁プロファイル角度も示されている。
【００３５】
【表１】
表Ｉ
タングステンまたは窒化タングステンの最終部分エッチング（オーバーエッチング）中の典型的なプロセス条件

【００３６】
上述した実施の形態は、本発明の範囲を限定する意図の下になされたものではなく、当業者ならば、特許請求の範囲に記載されている本発明の思想から逸脱することなくこれらの実施の形態を拡張することが可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
エッチングプロセスを遂行するために使用されたプラズマ処理装置の概要図である。
【図２Ａ】
タングステンのエッチングの終わりに向かってもエッチング用化学物質を変化させず、且つ下側に位置する酸化シリコン基体をエッチングしないように十分な時間でエッチングを停止させるような、オーバーエッチングステップを使用しない場合の、エッチングされたタングステンの断面図である。
【図２Ｂ】
タングステンのエッチングの終わりに向かってもエッチング用化学物質を変化させず、且つ下側に位置する酸化シリコン基体をエッチングしないように十分な時間でエッチングを停止させるような、オーバーエッチングステップを使用しない場合の、エッチングされたタングステンの顕微鏡写真の概要である。
【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用化学物質を変化させ、且つ酸化シリコン基体の表面までエッチングの継続を許容した場合の、エッチングされたタングステンの断面図である。
【図４】
他の全てのプロセス変数を一定のままとし、プラズマ源ガスの酸素含量を増加させた場合に、酸化シリコン基体のエッチング速度が低下する効果を示すグラフである。
【図５Ａ】
酸素濃度を約２０体積％に保った時の、オーバーエッチングステップ中のプラズマ源電力の増加が、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、及び選択度（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で表す）に及ぼす効果を示すグラフである。
【図５Ｂ】
他の全ての変数を一定に保った時の、オーバーエッチングステップ中のタングステンのエッチング速度を、プラズマ源電力及び酸素流量の関数として示す三次元グラフである。
【図５Ｃ】
他の全ての変数を一定に保った時の、オーバーエッチングステップ中の酸化シリコンのエッチング速度を、プラズマ源電力及び酸素流量の関数として示す三次元グラフである。
【図５Ｄ】
他の全ての変数を一定に保った時の、選択度（Ｗ：ＳｉＯ_ｘのエッチング速度比）を、プラズマ源電力及び酸素流量の関数として示す三次元グラフである。

Claims (37)

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において、Ｃｌ_２及びＯ_２から生成された化学的に作用するエッチャント種からなるプラズマ源ガスを使用することによって隣接する酸化物層に対して約７５：１より大きいエッチング選択度が得られ、前記プラズマ源ガス内のＯ_２の体積百分率は少なくとも３５％であり、そしてプラズマ密度は少なくとも１．６×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３であることを特徴とする方法。
2. 前記酸化物は、酸化シリコン、酸窒化シリコン、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なるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記プラズマ密度は、少なくとも１，６００Ｗの源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１に記載の方法。
4. 前記エッチング選択度は約１００：１より大きく、前記Ｏ_２の体積百分率は少なくとも４０％であり、そして前記プラズマ密度は少なくとも１．６５×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記プラズマ密度は、少なくとも１，６５０Ｗの源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４に記載の方法。
6. 前記エッチング選択度は約１７５：１より大きく、前記Ｏ_２の体積百分率は少なくとも４５％であり、そして前記プラズマ密度は少なくとも１．８×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記プラズマ密度は、少なくとも１，８００Ｗの源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６に記載の方法。
8. 半導体構造内のタングステンまたは窒化タングステンを、その下側に位置する酸化物層に対して選択的にエッチングする方法において、
   少なくとも１つのハロゲンをベースとする化学的に作用するエッチャント種からなる第１のプラズマ源ガスを使用して前記タングステンまたは窒化タングステンの第１の主要部分をプラズマエッチングするステップと、
   Ｃｌ_２及びＯ_２から生成された化学的に作用するエッチャント種からなる第２のプラズマ源ガスを使用して前記タングステンまたは窒化タングステンの残余の部分をプラズマエッチングするステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
9. 前記ハロゲンは、フッ素、塩素、及びそれらの組合わせからな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。
10. 前記プラズマエッチングの前記第１の主要部分は、ＳＦ_６及びＮ_２の組合わせ、及びＮＦ_３、Ｃｌ_２、及びＣＦ_４の組合わせからなるグループから選択された第１のプラズマ源ガスを使用して遂行されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記第２のプラズマ源ガス内のＯ_２の体積百分率は、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。
12. 前記Ｏ_２体積百分率は、２０％より大きい百分率から約４５％までの範囲にわたることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 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８．０×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. 前記プラズマ密度は、約８．０×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３から約３．０×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３までの範囲にわたることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記プラズマ密度は、約８．０×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３から約２．０×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３までの範囲にわたることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記プラズマ源電力は、約８００Ｗから約３，０００Ｗまでの範囲にわたることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 前記プラズマ源電力は、約８００Ｗから約２，０００Ｗまでの範囲にわたることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記Ｃｌ_２及びＯ_２から生成された化学的に作用するエッチャント種からなるプラズマ源ガスを使用して遂行される前記エッチングは２ステップで遂行され、第１のステップにおけるＯ_２の体積濃度は２０体積％より大きい濃度から約３５体積％までの範囲にわたり、そして第２のステップにおけるＯ_２の体積濃度は３５体積％より大きい濃度から約４５体積％までの範囲にわたることを特徴とする請求項９に記載の方法。
19. 半導体構造内のタングステンまたは窒化タングステンを、その下側に位置する酸化物層に対して選択的にエッチングする方法において、
    ＳＦ_６及びＮ_２から生成された化学的に作用するエッチャント種からなる第１のプラズマ源ガスを使用して前記タングステンまたは窒化タングステンの第１の主要部分をプラズマエッチングするステップと、
    Ｃｌ_２及びＯ_２から生成された化学的に作用するエッチャント種からなる第２のプラズマ源ガスを使用して前記タングステンまたは窒化タングステンの残余の部分をプラズマエッチングするステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
20. 前記第１のプラズマ源ガス内のＳＦ_６：Ｎ_２の体積比は、約２：５から約６：１の範囲にわたることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記第２のプラズマ源ガス内のＯ_２の体積濃度は２０体積％より大きいことを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の方法。
22. 前記Ｏ_２の体積濃度は２０体積％より大きい濃度から約４５体積％までの範囲にわたることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 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８．０×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
24. 前記プラズマ密度は、約８．０×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３から約３．０×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３までの範囲にわたることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 前記プラズマ密度は、約８．０×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３から約２．０×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３までの範囲にわたることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 前記プラズマ源電力は、約８００Ｗから約３，０００Ｗまでの範囲にわたることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
27. 前記プラズマ源電力は、約８００Ｗから約２，０００Ｗまでの範囲にわたることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. 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８．０×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
29. 前記プラズマ密度は、約８．０×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３から約３．０×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３までの範囲にわたることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
30. 前記プラズマ源電力は、約８００Ｗから約３，０００Ｗまでの範囲にわたることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
31. 前記Ｃｌ_２及びＯ_２から生成された化学的に作用するエッチャント種からなるプラズマ源ガスを使用して遂行される前記エッチングは２ステップで遂行され、第１のステップにおけるＯ_２の体積濃度は２０体積％より大きい濃度から約３５体積％までの範囲にわたり、そして第２のステップにおけるＯ_２の体積濃度は約３５体積％から約４５体積％までの範囲にわたることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
32. 前記第１のステップ中のプラズマ密度は約８．０×１０^１０ｅ⁻／ｃｍ^３から約１．６×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３までの範囲にわたり、前記第２のステップ中のプラズマ密度は約１．６×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３から約３．０×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３までの範囲にわたることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
33. 前記第１のステップ中のプラズマ源電力は約８００Ｗから約１，６００Ｗまでの範囲にわたり、前記第２のステップ中のプラズマ源電力は約１，６００Ｗから約３，０００Ｗまでの範囲にわたることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
34. 半導体構造のエッチング中に酸化シリコン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において、
    ＳＦ_６及びＮ_２から生成された化学的に作用するエッチャント種からなるプラズマ源ガスを使用して前記窒化タングステンの主要部分をプラズマエッチングするステップと、
    Ｃｌ_２及びＯ_２から生成された化学的に作用するエッチャント種からなる第２のプラズマ源ガスを使用して前記窒化タングステンの残余の部分をプラズマエッチングするステップと、
    を含み、
    前記Ｏ_２の濃度は約３５体積％またはそれ以上であり、前記エッチャントプラズマのプラズマ濃度は約１．６×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３またはそれ以上である、
    ことを特徴とする方法。
35. 前記プラズマ密度は、１，６００Ｗまたはそれ以上のプラズマ源電力を印加することによって発生させることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
36. 前記Ｏ_２の濃度は約４０体積％またはそれ以上であり、前記エッチャントプラズマのプラズマ濃度は約１．８×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ^３またはそれ以上であることを特徴とする請求項３４方法。
37. 前記プラズマ密度は、１，８００Ｗまたはそれ以上のプラズマ源電力を印加することによって発生させることを特徴とする請求項３６に記載の方法。

Images