JP2001196355A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体基板上に有機材料膜を有する半導体装置
において、良好な側壁保護効果、対下地選択性の向上並
びにエッチングレートの向上を達成し、パターン寸法に
パターン密度依存がない半導体装置のゲート電極形成方
法、有機材料膜エッチング方法、並びにパターン依存性
のないレジストマスクパターンの寸法調整方法の提供。 【解決手段】半導体基板上に少なくとも有機材料膜を有
する半導体装置をエッチングしてゲート電極を形成し、
又は有機材料膜をエッチングするにあたり、若しくはレ
ジストマスクパターンの寸法を調整するにあたり、酸素
含有ガスと塩素含有ガスと臭素含有ガスとを含むエッチ
ングガス雰囲気を用いて、この有機材料膜をエッチング
する工程を含むことにより、上記課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置のエッチ
ング工程に関し、特に有機材料系膜のエッチング工程に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化に伴って、
微細パターンを高精度かつ高選択比でエッチング加工す
ることが求められるようになってきている。エッチング
加工とは、被エッチング膜に合わせたプロセスガスをエ
ッチング槽内に導入し、各放電形式により、マイクロ波
や１３．５６ＭＨｚ、２７ＭＨｚあるいは６０ＭＨｚ等
の高周波でプラズマを生成し、その一方で半導体ウエハ
が設置される電極にバイアス電圧を印加することによ
り、プラズマからウエハに入射するイオンエネルギーを
制御しつつ、被エッチング膜の異方性加工を実現するも
のである。

【０００３】高精度なエッチングを実現するためには、
エッチングの前工程である写真製版技術を用いたフォト
リソグラフィ工程でのフォトレジストマスク形成の精度
が重要である。また、一方で、高精度化するほど被エッ
チング物の形状を正確に制御しつつエッチングする必要
がある。このため、エッチングによって形成された被エ
ッチング物の側壁を保護することが必要である。

【０００４】０．２５μｍ世代以降のフォトリソグラフ
ィプロセスでは、下地からの反射光を抑えるために、反
射防止膜すなわちＢＡＲＣ（Bottom Anti Reflection C
oating) を用いたプロセスが行われている。このプロセ
スでフォトリソグラフィ工程の際に用いるレジストのさ
らに下層に有機系の物質であるＢＡＲＣをコーティング
する。ＢＡＲＣ層は、下地からの反射を防止するととも
に平坦化作用も有し、フォトリソグラフィ工程の高精度
化が実現できる。ＢＡＲＣプロセスでは、レジストの現
像後に、レジストをマスクとして酸素をメインのエッチ
ャントとしてエッチングを行い、ＢＡＲＣ層をパターニ
ングする。そしてその後に、レジスト及びＢＡＲＣのパ
ターンをマスクとして、被加工物のエッチングを行う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来、有機系膜のエッ
チング、例えば上述したＢＡＲＣエッチングとして、Ｃ
ｌ₂ −Ｏ₂ −Ａｒ系や、Ｏ₂ −ＨＢｒ系プロセスガスが
主として用いられており、メインエッチングガスである
酸素と他の添加ガスの流量比を調整することにより、フ
ォト寸法からの加工変換差を制御している。

【０００６】図３は、Ｃｌ₂ −Ｏ₂ −Ａｒ系プロセスガ
スを使用した従来のＢＡＲＣエッチングにおける半導体
基板の断面形状の概略図である。ＢＡＲＣエッチングの
工程においては、主たるエッチング種である酸素ラジカ
ルはレジストおよびＢＡＲＣを比較的等方的にエッチン
グする。このため、基板バイアス電圧が小さい場合、図
３（ｂ）のように、等方性のエッチングが優勢となるた
め、レジストおよびＢＡＲＣが等法的にエッチングさ
れ、ＣＤ（CriticalDimension・・・寸法) ｌｏｓｓを
引き起こす。これを防ぐためウェハ側のバイアス電圧を
増加し、イオンのスパッタリング効果でエッチングされ
たレジスト成分を側壁に付着させ、保護膜を形成する方
法がある。しかし、これが強過ぎると逆に、図３（ａ）
に示すように、ＣＤ ｇａｉｎが顕著になったり、レジ
スト形状が鋭角なテーパーとなり、被エッチング層の形
状異常（肩落ち等）を引き起こす。このように、エッチ
ングと側壁保護は微妙なバランスの上に成り立っている
ため、高いエッチングレートと充分な側壁保護とを両立
させることは困難であった。

【０００７】また、Ｃｌ₂ −Ｏ₂ −Ａｒ系プロセスガス
を使用する場合、Ｏ₂ はＣＯやＣＯ ₂ の形で、Ｃｌ₂ は
ＣＣｌ_x の形でレジストを消費する。これらの生成物は
比較的揮発性が高く、エッチング反応は速やかに進行す
るため、相対的に非エッチング面積（体積）の小さい疎
パターンほど、ＣＤ ｌｏｓｓが大きくなり、デバイス
特性に悪影響を及ぼす。従来のガス雰囲気では、Ｃ＋２
Ｃｌ₂ →ＣＣｌ₄ の反応によって生成されたＣＣｌ₄ を
側壁の保護のために使用している。しかし、酸素ラジカ
ルの等方的なエッチング作用を抑制可能なほどの側壁保
護効果を得るためには、酸素の量を減らすことが必要で
ある。その結果、高いエッチング速度と高い寸法精度と
を両立することが困難であった。また塩素ラジカルが下
地のシリコンに対するエッチング作用を有するため、下
地選択性も低くなるという問題があった。

【０００８】また、ＣＣｌ₄ を生成して側壁の保護のた
めに使用する場合、エッチング系内での生成物の側壁へ
の拡散は等方的に行われるため、パターンの密度によっ
て保護膜の形成状態が異なる。一定の密度のパターンの
みをエッチングするのであれば、Ｃｌ₂ とＯ₂ との比率
およびオーバーエッチング量を調整することにより、所
望のパターン寸法縮小量を得ることは可能であろう。ま
た、オーバーエッチング量を少なくして、パターン寸法
縮小量を所望の値以下にすることも可能かも知れない。
しかし、さまざまな密度のパターンに対して実質的に同
一のパターン縮小量を得ることは困難である。

【０００９】一方、Ｏ₂ −ＨＢｒ系においては、ＨＢｒ
が側壁保護の役目を果たす。これはレジストの炭素とエ
ッチングガスの臭素が結合し、レジスト表面や側壁に沸
点の低いＣＢｒ_x を付着させる。これが酸素の側壁アタ
ックによるＣＤ ｌｏｓｓを抑える効果があるが、Ｏ₂
とＨＢｒの適性比の領域が狭く、Ｏ₂ が多ければ疎パタ
ーンは細り、ＨＢｒが多ければ疎パターンは太ることに
なる。量産の場合にはレジストの開口率が変動するた
め、Ｏ₂ とＨＢｒの適性比も変動し、常に最適な状態で
エッチングすることは困難である。このため、ＢＡＲＣ
やレジスト等の有機系膜のエッチングに、Ｃｌ₂ −Ｏ₂
−Ａｒ系や、Ｏ₂ −ＨＢｒ系ガスを用いた場合、疎パタ
ーンと密パターンで加工変換差が異なってしまうという
問題があった。

【００１０】本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされ
たものであり、半導体基板上に有機材料膜を有する半導
体装置において、極端なレジストのスパッタエッチング
を行うことなく良好な側壁保護効果を実現でき、対下地
選択性の向上ならびにエッチングレートの向上を達成
し、かつ、疎パターンと密パターンとでパターン寸法の
差が生じない半導体装置のゲート電極形成方法および有
機材料膜のエッチング方法、ならびにパターン依存性の
ないレジストマスクパターンの寸法調整方法を提供する
ものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記問題を
解決するために鋭意検討した結果、半導体基板上に有機
材料膜を有する半導体装置をエッチングするにあたり、
酸素含有ガス、塩素含有ガスおよび臭素含有ガスを含む
エッチングガス雰囲気を用いて、この有機材料膜をエッ
チングすることにより、ＣＢｒ_x を生成させ、このＣＢ
ｒ_x あるいはその派生物を被加工物の表面の必要な部分
に堆積させることにより上記問題を解決できることを見
出し、本発明を完成させた。

【００１２】即ち、本発明のゲート電極形成方法は、半
導体装置のゲート電極を形成する方法であって、有機材
料膜と導電材料膜と絶縁膜とが積層された半導体基板上
にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパ
ターンをマスクとして、酸素含有ガスと塩素含有ガスと
臭素含有ガスとを含むエッチングガス雰囲気を用いて前
記有機材料膜をエッチングすることにより、前記レジス
トパターンの寸法を縮小すると共に縮小された前記レジ
ストパターンの寸法に対応する寸法を有する前記有機材
料膜のパターンを形成する工程と、縮小された寸法を有
する前記レジストパターンと前記有機材料膜のパターン
とをマスクにして前記導電材料膜をエッチングし、縮小
された寸法を有する前記レジストパターンの寸法によっ
て決定される寸法を有する前記導電材料膜のパターンを
形成する工程とを含むことを特徴とするものである。

【００１３】ここで、前記有機材料膜エッチングのオー
バーエッチング量を、前記レジストパターンの寸法の所
要の縮小量が得られるように設定することが好ましい。

【００１４】また、本発明の有機材料膜のエッチング方
法は、半導体基板上の有機材料膜をエッチングする方法
であって、前記有機材料膜上にマスクパターンを形成す
る工程と、前記マスクパターンをマスクとして、酸素含
有ガスと塩素含有ガスと臭素含有ガスとを含むエッチン
グガス雰囲気を用いて前記有機材料膜をエッチングする
工程とを含むことを特徴とするものである。

【００１５】ここで、前記エッチング工程が、前記マス
クパターンの寸法と略同一の寸法を有する前記有機材料
膜のパターンを形成する工程と、その後に、形成された
前記有機材料膜のパターンを横方向にエッチングする工
程とを含むことが好ましい。また、前記マスクパターン
が孤立したマスクパターンと密集したマスクパターンと
を含み、前記孤立したマスクパターンの前記エッチング
工程前の寸法と、前記孤立したマスクパターンをマスク
としたエッチングによって形成される前記有機材料膜の
パターンの前記エッチング工程後の寸法との差が、前記
密集したマスクパターンの前記エッチング工程前の寸法
と、前記密集したマスクパターンをマスクとしたエッチ
ングによって形成される前記有機材料膜のパターンの前
記エッチング工程後の寸法との差と略等しいことが好ま
しい。

【００１６】また、前記孤立したマスクパターンの前記
エッチング工程前の寸法と、前記孤立したマスクパター
ンをマスクとしたエッチングによって形成される前記有
機材料膜のパターンの前記エッチング工程後の寸法との
差が、前記密集したマスクパターンの前記エッチング工
程前の寸法と、前記密集したマスクパターンをマスクと
したエッチングによって形成される前記有機材料膜のパ
ターンの前記エッチング工程後の寸法との差と略等しく
なるように、前記エッチングガス雰囲気の前記酸素含有
ガスと前記塩素含有ガスとの比率を調整することが好ま
しい。

【００１７】また、本発明のレジストマスクパターン寸
法の調整方法は、半導体基板上のマスクパターンの寸法
を調整する方法であって、前記半導体基板上にレジスト
マスクパターンを形成する工程と、酸素含有ガスと塩素
含有ガスと臭素含有ガスとを含むエッチングガス雰囲気
を用いて前記レジストマスクパターンを横方向にエッチ
ングして、所要の寸法のレジストマスクパターンを形成
する工程とを含むことを特徴とするものである。

【００１８】ここで、前記レジストマスクパターンが孤
立したマスクパターンと密集したマスクパターンとを含
み、前記孤立したマスクパターンの前記エッチング工程
での横方向のエッチング量が、前記密集したマスクパタ
ーンの前記エッチング工程での横方向のエッチング量が
略等しいことが好ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる半導体装置
のゲート電極形成方法、有機材料膜エッチング方法およ
びレジストマスクパターンの寸法調整方法について、添
付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。

【００２０】まず、本発明において特徴的なプロセスで
ある、半導体基板上の有機材料膜を、酸素含有ガス、塩
素含有ガスおよび臭素含有ガスを含むエッチングガス雰
囲気を用いてエッチングするプロセスについて説明す
る。

【００２１】本発明に使用されるプラズマエッチング装
置の一実施形態の概略図を示す図１を用いて、本発明に
おいて、エッチングを実現するためのプラズマエッチン
グ装置の概略を説明する。図１において、放電管１０の
上部には、マグネトロン１２で発生されたマイクロ波を
放電管１０に導く導波管１４が接続され、放電管１０の
外側周囲には、ソレノイドコイル１６が配設されてい
る。また、放電管１０の内部（エッチングチャンバ）に
はエッチングを受ける基板（ウエハ）１８を置く載置台
２０が設けられている。本装置は、マグネトロン１２に
よって発生されるマイクロ波とソレノイドコイル１６に
よって発生される磁場の相互作用によって放電管１０内
に高密度プラズマを発生させ、載置台２０上に置かれた
基板１８上に照射し、エッチングを行うものである。な
お、載置台２０は下部電極を兼ねており、基板１８への
入射イオンをコントロールするためにＲＦバイアスが印
加されている。

【００２２】基板１８は、ロードロック室２２より搬送
手段２４ａにより放電管１０内の載置台２０上に搬送さ
れ、エッチングを受ける。このとき、放電管１０内のプ
ラズマの発生状態を監視するために発光分光センサ２６
が、放電管１０の測部近傍に設けられている。エッチン
グの済んだ基板１８は、搬送手段２４ｂにより次工程に
送られる。なお、図１で符号３２はサーキュレータ、３
４ａ、３４ｂは補助ポンプである。サーキュレータ３２
は、ウェハステージ温度を＋５０℃〜−５０℃の範囲で
制御し、ウェハステージとウェハ間を熱伝導性のよいヘ
リウムで満たすことにより、ウェハの温度制御を行う。
補助ポンプ３４ａ、３４ｂは、ターボ分子ポンプ（ＴＭ
Ｐ）の背圧を排気することにより、ターボポンプを適正
な圧力範囲で動作させるものである。

【００２３】本発明において、半導体基板上に有機材料
膜を有する半導体装置のエッチングに、酸素含有ガスと
塩素含有ガスと臭素含有ガスとを含むエッチングガス雰
囲気を用いることを特徴としている。本発明におけるエ
ッチング工程について、ＢＡＲＣエッチングを例にとっ
て、図２を参照しながら説明する。図２は、本発明にお
ける、半導体基板上に有機材料膜を有する半導体装置の
エッチングプロセスを説明するための基板断面概略図で
あり、（ａ）は、エッチング前の断面概略図であり、
（ｂ）は、ＢＡＲＣエッチング中の断面概略図であり、
（ｃ）は、ＢＡＲＣエッチングが終了したジャストエッ
チング時の断面概略図であり、（ｄ）は、オーバーエッ
チング中の断面概略図である。

【００２４】まず、図２（ａ）に示すように、エッチン
グ前は、ＢＡＲＣ上には、ほぼＢＡＲＣに対して垂直
（約８５°以上）の側壁をもつ、特定の寸法のレジスト
パターンが形成されている。続いて、酸素含有ガスと塩
素含有ガスと臭素含有ガスを含むエッチングガス雰囲気
を用いて、このレジストパターンをマスクとして、ＢＡ
ＲＣをエッチングする。このとき、図２（ｂ）に示すよ
うに、Ｃｌ₂ がレジストおよびＢＡＲＣをエッチング
し、エッチング系内にＣＣｌ_x （ｘ＝１〜４）の形で炭
素を供給する。例えば、Ｃ＋２Ｃｌ₂ →ＣＣｌ₄ という
反応が考えられる。

【００２５】このようにレジストやＢＡＲＣといった有
機材料膜をエッチングすることにより供給された炭素
と、例えばＨＢｒといった臭素含有ガスから供給される
臭素とによってＣＢｒ_x が生成される。ここで、ｘは１
〜４の整数である。このＣＢｒ _x あるいはその派生物を
被加工物の表面の必要な部分に堆積させる。ところで、
このＣＢｒ_x 系の化合物、中でもＣＢｒ₄ は、沸点が１
８９．５℃（１atm)であり、次の表１に示すように、通
常のエッチング系の反応生成物では最も沸点の高い生成
物の一つである。

【００２６】

【００２７】このため本発明では、このような沸点の高
い生成物をレジスト表面やウエハ表面の必要な部分に堆
積させることにより、被エッチング物の側壁保護効果や
下地選択性等を大幅に向上させることができる。しか
も、ＣＢｒ₄ はアッシング等の酸素プラズマによりＣＯ
Ｂｒ₂ （沸点６４．５℃）に変化する。ＣＯＢｒ₂ は真
空雰囲気で揮発しやすく、かつ水溶性であることから、
アッシングとその後の洗浄プロセスで除去が容易であ
る。これらの点において、他の堆積物、例えば、従来の
ＣＦ系のポリマー（アッシングや洗浄で除去が困難）よ
り優れた性質を有する。また、上述のようにＣＢｒ_x は
沸点が高いため、ガス状でエッチングチャンバに導入す
ることが困難である。従って、エッチングチャンバ内で
生成されるようにガス系を選択することが好ましい。

【００２８】このようにして、本発明においては、従
来、側壁保護に使用していたＣＣｌ₄の場合と異なり、
ＣＢｒ_x 堆積物によって側壁および下地が保護されるた
め、酸素の量を増やしてＢＡＲＣエッチング速度を高く
できるとともに、寸法精度および下地選択性を高めるこ
とができる。

【００２９】また、本発明においては、側壁を保護する
ＣＢｒ_x 生成の原料となる炭素と臭素を個別にエッチン
グ系に供給している。すなわち、臭素は、例えばＨＢｒ
ガス等の臭素含有ガスとして、炭素は、Ｃｌ₂ 等の塩素
含有ガスがレジストもしくはＢＡＲＣをエッチングした
ＣＣｌ_x として、エッチング系に供給している。従っ
て、Ｃｌ₂ 等の塩素含有ガス、ＨＢｒ等の臭素含有ガス
およびメインエッチングガスであるＯ₂ 酸素含有ガスの
比率を適切に設定することにより、パターン密度の差に
依存しないエッチングを実現することが可能である。例
えば、Ｏ₂ とＨＢｒとの比率を一定にしてＯ₂ とＣｌ₂
との比率を調整することにより、パターン密度依存性を
実質的に無くすることが可能である。

【００３０】なお、レジストおよびＢＡＲＣと酸素との
反応によってもＣＯ、ＣＯ₂ 等の炭素含有物がエッチン
グ系内に供給される。しかしこれら炭素酸化物は反応性
が低く、また蒸気圧が高く速やかに系外に排気される。
従ってＣＢｒ_x 生成の原料としてはＣＣｌ_x の方が効果
的である。このように、ＢＡＲＣエッチングが進行しつ
つあるメインエッチング時には、レジストおよびＢＡＲ
Ｃのエッチングによって充分な量のＣＢｒ_x 生成原料が
エッチング系内に供給される。このため、レジストおよ
びＢＡＲＣの側壁が充分に保護され、エッチング工程
前、即ち、フォトリソグラフィ工程後のレジストパター
ンの寸法にほぼ等しい寸法のＢＡＲＣパターンを形成す
ることができる。

【００３１】また、Ｃｌ₂ から生成される塩素ラジカル
（図中、Ｃｌ^* で示す）は、エッチング系内の酸素ラジ
カル（図中、Ｏ^* で示す）を捕獲することによって、酸
素ラジカルによる等方的なエッチング作用を抑制する作
用も有する。従って、エッチングガス雰囲気に供給する
Ｏ₂ とＣｌ₂ との比率は、エッチング特性に大きな影響
を与える。このようにＣＣｌ_x の形で炭素を供給し、酸
素ラジカルを捕獲する塩素ラジカルを供給する塩素含有
ガスとしては、Ｃｌ₂ の他に、ＨＣｌ等が使用できる。
また、臭素を供給する臭素含有ガスとしては、ＨＢｒの
他に、Ｂｒ₂ 、ＢｒＣｌ、ＩＢｒ等が使用できる。

【００３２】また、上記例のように、必要に応じてエッ
チングガス雰囲気中にＡｒやＨｅ等の希ガスを供給する
ことができる。このような希ガスの供給は、後述するよ
うにレジストマスクを細らせていく場合に、裾引き形状
を発生させることがないという点で好ましい。また、上
記例では、有機材料膜であるＢＡＲＣ上にレジストのマ
スクパターンが形成されている例を挙げたが、本発明に
おいて、同様のエッチングは、ＢＡＲＣ層に限られず、
レジストや低誘電率絶縁膜等の有機物を主成分とする膜
のエッチングに一般的に適用することが可能である。少
なくとも低誘電率絶縁膜をエッチングする場合には、主
たるエッチング種を供給する主エッチングガスとして
は、酸素ガスの他に、水素ガス等も使用可能である。

【００３３】本発明のエッチングプロセスにおいて、上
述したように、異方性の強いメインエッチングでレジス
トのパターンをほぼそのままの寸法で下層の有機材料膜
パターンに転写することができる。この際に、パターン
変換差を極めて少なくするように、基板に印加するバイ
アスを適切に調整することが重要である。

【００３４】ところで、図２（ｃ）のジャストエッチン
グ時を経て、（ｄ）のオーバーエッチング工程に入るに
あたり、オーバーエッチング量を増やすにつれて、エッ
チング後に残されたレジストおよびＢＡＲＣの寸法が減
少することが観察された。すなわち、ＢＡＲＣのエッチ
ングがほぼ終了した後に行われるオーバーエッチング時
には、ＢＡＲＣのエッチングによるＣＣｌ_x の供給が行
われず、エッチング系内への炭素供給量が減少し、充分
な量のＣＢｒ_x が生成できなくなる。このため、酸素ラ
ジカルによるレジストおよびＢＡＲＣの側壁の横方向の
エッチングが進行するものと考えられる。オーバーエッ
チング量を増やしながら、レジストおよびＢＡＲＣの寸
法の減少を観察したところ、この両者の関係はほぼ比例
関係であることがわかった。

【００３５】このような、オーバーエッチング時にオー
バーエッチング量に応じてパターン寸法の減少が発生す
るエッチングは、パターン寸法を調整するいわゆるトリ
ムエッチングとして好適に使用できる。例えば、ＢＡＲ
Ｃのオーバーエッチングを適切な条件で行い、レジスト
およびＢＡＲＣパターン寸法を縮小し、この寸法縮小後
のレジストおよびＢＡＲＣをマスクとしてｐｏｌｙＳｉ
のエッチングを行うことにより、使用する露光装置の限
界よりもさらに細い線幅のゲート構造を形成することが
できる。もしくは、フォト工程のばらつきによって所定
の寸法よりも太いレジストパターンが形成された場合
に、必要なだけパターン寸法を縮小し、所定寸法のゲー
ト構造を形成することができる。このような目的のため
に重要なことは、パターン寸法縮小量の制御範囲が広
く、制御性が高いこと、および、レジストパターン側壁
の傾斜が変化しないことである。

【００３６】本発明においては、このように、ＢＡＲＣ
エッチングにおいては、最初から横方向のエッチングが
行われるのではなく、異方性の強いメインエッチングで
レジストのパターンをほぼそのままの寸法でＢＡＲＣパ
ターンに転写してから、オーバーエッチングにおいて、
横方向のエッチングによるパターン寸法の縮小が行われ
る。このため、メインエッチング中に不可避的に発生す
る寸法減少による、寸法減少量制御範囲の下限値が小さ
い。従って、オーバーエッチング量を調整することによ
って広い範囲の寸法縮小量を得ることができる。また、
この場合もエッチングガス雰囲気のガスの比率を調整す
ることにより、パターン密度依存性の抑制が可能であ
る。即ち、パターン密度依存性を実質的に無くし、寸法
減少量の制御性を高くすることが可能である。さらに、
後から述べるように、パターン側壁の傾斜に顕著な変化
が見られないことも確認されている。また、本発明にお
いて、オーバーエッチングの際に、横方向のエッチング
によりパターン寸法の縮小が行われる場合、上述したメ
インエッチング時と同様に、寸法減少量の制御性を高い
ものとすべく、基板バイアスを適切に調整することが重
要である。

【００３７】従来のトリムエッチング技術の例として
は、米国特許US5965461 に開示されたようなＯ₂ −ＨＢ
ｒ系のエッチングがある。しかしこの系においても、Ｏ
₂ −Ｃｌ₂ 系の場合と同様の理由で、パターン密度依存
性の解消が困難である。

【００３８】本発明において、エッチングの対象となる
半導体装置のデバイス構造は、半導体基板上にレジスト
やＢＡＲＣ、低誘電率層間膜等の有機材料膜を少なくと
も１種有していればよく、特に限定されない。

【００３９】本発明は、以上説明したエッチングプロセ
スを採用して、ゲート電極を形成し、または有機材料膜
をエッチングし、またはレジストマスクパターン寸法を
調整するものである。

【００４０】本発明の一の態様である半導体装置のゲー
ト電極形成方法は、有機材料膜と導電材料膜と絶縁膜と
が積層された半導体上にレジストパターンを形成する工
程と、このレジストパターンをマスクとして、酸素含有
ガスと塩素含有ガスと臭素含有ガスとを含むエッチング
ガス雰囲気を用いて前記有機材料膜をエッチングするこ
とにより、前記レジストパターンの寸法を縮小すると共
に縮小された前記レジストパターンの寸法に対応する寸
法を有する前記有機材料膜のパターンを形成する工程
と、縮小された寸法を有する前記レジストパターンと前
記有機材料膜のパターンとをマスクにして前記導電材料
膜をエッチングし、縮小された寸法を有する前記レジス
トパターンの寸法によって決定される寸法を有する前記
導電材料膜のパターンを形成する工程とを含むものであ
る。ここで、有機材料膜のパターンを形成する工程の説
明は、上述したエッチングプロセスの説明と同様であ
る。また、導電材料膜は特に制限がなく、シリコン膜、
ＷＳｉ_x 、ＴｉＳｉ_x 等のシリコンを含む導電材料膜、
Ｗ、ＴｉＮ_x 、ＷＮ_x 等を挙げることができる。また、
絶縁膜も特に制限はなく、酸化膜、酸化窒化膜等を挙げ
ることができる。また、前述したように、有機材料膜エ
ッチングのオーバーエッチング量を、レジストパターン
の寸法の所要縮小量が得られるように設定することが好
ましい。

【００４１】また、本発明の他の形態である半導体基板
上の有機材料膜のエッチングする方法は、有機材料膜上
にマスクパターンを形成する工程と、このマスクパター
ンをマスクとして、酸素含有ガスと塩素含有ガスと臭素
含有ガスとを含むエッチングガス雰囲気を用いて前記有
機材料膜をエッチングする工程とを含むものである。上
記ＢＡＲＣエッチングの例に加え、例えば、レジストの
ドライ現像や、有機材料からなる層間絶縁膜のエッチン
グに適用した場合がこれに当たる。ここで、有機材料膜
をエッチングする工程の説明は、上述したエッチングプ
ロセスの説明と同様である。

【００４２】また、本発明のその他の態様である半導体
基板上のマスクパターンの寸法調整方法は、半導体基板
上にレジストマスクパターンを形成する工程と、酸素含
有ガスと塩素含有ガスと臭素含有ガスとを含むエッチン
グガス雰囲気を用いて前記レジストマスクパターンを横
方向にエッチングして、所要の寸法のレジストマスクパ
ターンを形成する工程とを含むものである。ここで、レ
ジストマスクパターンを横方向にエッチングする工程の
説明は、上述したエッチングプロセスの説明と同様であ
る。上記のＢＡＲＣエッチングの例もこの態様に含まれ
る。しかし、例えば、有機系のＢＡＲＣに代えて無機材
料からなる反射防止膜を使用した場合、上述したエッチ
ングプロセスによるＢＡＲＣエッチングを行う必要はな
い。その場合にも、同様のエッチングガス雰囲気を使用
したエッチングを行うことにより、レジストマスクパタ
ーンの寸法調整を行うことができる。また、例えば、Ｂ
ＡＲＣ層の利用が必要なエキシマ光での露光を使用する
代わりに、ｉ線光での露光と、上述したエッチングプロ
セスによるレジストマスクパターンの寸法調整を組み合
わせて行えば、高価なエキシマ露光用マスクを使用せず
に、微細パターンの形成を実現することができる。

【００４３】

【実施例】以下、本発明における、ゲート電極形成方
法、有機材料膜のエッチング方法およびレジストマスク
パターンの寸法調整方法を実施例に基づいて具体的に説
明する。図１に示すプラズマエッチング装置を用いたゲ
ートエッチングへの本発明の適用例を説明する。マグネ
トロン１２から放射されたマイクロ波（2.45GHz)は、導
波管１４内の大気中を伝播し、放電管１０内（エッチン
グチャンバ）に投射される。放電管１０周辺に配置され
たソレノイドコイル１６は、磁場（0.0875T)を形成し、
この磁場中で、電子のサイクロトロン運動とマイクロ波
との共鳴により高密度プラズマが発生する。なお、下部
電極には、基板１８への入射イオンをコントロールする
ためにＲＦバイアスが印加されている。

【００４４】エッチングに用いたサンプルは、レジスト
（800nm)／ＢＡＲＣ（100nm)／ｐｏｌｙＳｉ(220nm) ／
Ｇａｔｅ Ｏｘｉｄｅ(5nm) ／Ｓi 基板の構造を有す
る。本実施例は、本発明において採用されるエッチング
工程を、ＢＡＲＣ層のエッチングに対し、適用したもの
である。実際には、本発明をＢＡＲＣエッチング工程の
みに適用して、従来の場合と比較を行った。

【００４５】まず、０．３５μｍのマスクを使用してフ
ォト工程を行った後、表２に記載したエッチング条件で
ＢＡＲＣエッチングを行った。このときのＢＡＲＣエッ
チング特性について表３に示す。エッチングガス雰囲気
は、メインエッチングガスであるＯ₂ と、臭素源である
ＨＢｒと、レジストおよびＢＡＲＣをエッチングして炭
素をエッチングガス雰囲気に供給するＣｌ₂ と、希釈ガ
スであるＡｒとを含んでいる。ＢＡＲＣエッチングに続
いてｐｏｌｙＳｉをＣｌ₂ −Ｏ₂ −ＨＢｒ系でエッチン
グし、Ｏ₂ −ＨＢｒ系でｐｏｌｙＳｉのオーバーエッチ
ングを行った後のパターン寸法測定結果を表４に示す。
ＢＡＲＣエッチングのオーバーエッチング量は、５０％
に設定した。即ち、発光分光によってジャストエッチン
グ状態を検出し、同一のエッチング条件のままで、ジャ
ストエッチングまでの時間に対して５０％の時間、オー
バーエッチングを行った。パターン寸法は、ウエハ内５
点で測定し、平均値およびばらつき（３σ）、並びに、
平均値のフォト工程後の値からの減少量を求めた。測定
は、同一のウエハ上の孤立パターンと密集パターンの両
方について行い、電子ビーム測長装置を使用して実施し
た。

【００４６】

【００４７】

【００４８】

【００４９】表３から、本実施例は、ＢＡＲＣエッチン
グレートと下地選択性（ＢＡＲＣ／ｐｏｌｙＳｉ選択
比）の大幅改善を同時に実現していることがわかる。ま
た、表４から、本実施例において、孤立パターンである
か、密集パターンであるかによらず、エッチング後の寸
法のばらつきは少ないことが分かる。しかも、孤立パタ
ーンと密集パターンとの寸法差もほとんど発生しない。
従って、加工変換差にパターン依存性がほとんどないこ
とがわかる。また、断面形状観察から、側壁傾斜の顕著
な変化が発生しないことが確認されている。形成された
ＢＡＲＣパターンの側壁傾斜も、エッチング前のレジス
ト側壁の傾斜と同程度であった。また、孤立パターンと
密集パターンとで、側壁傾斜角度の顕著な差もみられな
った。一方、従来条件では、エッチング後の寸法のばら
つきが大きくなり、かつ、孤立パターンと密集パターン
とでの顕著な寸法差が発生する。従って、加工変換差が
パターンに大きく依存することがわかる。

【００５０】次に、ＢＡＲＣエッチング工程でレジスト
マスクを故意に細らせ、微細加工に応用した例を示す。
０．２５μｍのマスクを使用してフォト工程を行った
後、表５に示すエッチング条件でＢＡＲＣエッチングを
行い、続いてｐｏｌｙＳｉをＣｌ₂ −Ｏ₂ −ＨＢｒ系で
エッチングし、Ｏ₂ −ＨＢｒ系でｐｏｌｙＳｉのオーバ
ーエッチングを行った後のパターン寸法測定結果を表６
に示す。ＢＡＲＣエッチングのオーバーエッチング量
は、１２５％および１６０％に設定した。即ち、発光分
光によってジャストエッチング状態を検出し、同一のエ
ッチング条件のままで、ジャストエッチングまでの時間
に対して１２５％および１６０％の時間、オーバーエッ
チングを行った。パターン寸法は、ウエハ内５点で測定
し、平均値およびばらつき（３σ）、並びに、平均値の
フォト工程後の値からの減少量を求めた。測定は、同一
のウエハ上の孤立パターンと密集パターンの両方につい
て行い、電子ビーム測長装置を使用して実施した。また
表７には、従来条件で１６０％のオーバーエッチングを
行った後のばらつきと平均値の減少量の測定結果を示し
た。

【００５１】

【００５２】

【００５３】

【００５４】表６から、オーバーエッチング量が増える
につれて、パターン寸法が減少していることが分かる。
この両者のリニアな関係は少なくとも３００％程度のオ
ーバーエッチングまで続くことがわかった。また、表６
のデータからオーバーエッチング量ゼロにおける縮小量
を求めると、０．０１μｍ程度未満と極めて小さいこと
がわかった。従って、ＢＡＲＣエッチング中には顕著な
寸法減少は起きず、主としてオーバーエッチング時に寸
法減少が起きていると解釈できる。

【００５５】また、表６から、本発明において、オーバ
ーエッチング量を増やして寸法減少量を大きくしても、
寸法のばらつきは増大しないことが分かる。しかも、孤
立パターンと密集パターンとの寸法差も発生しない。例
えば、上記例のように０．０５μｍ以上細らせる場合で
も、パターン依存性は極めて低く抑えられていることが
わかる。従って、パターン縮小量の制御性が高いことが
わかる。寸法のばらつきが増大しないことは、側壁傾斜
の変化が小さいことも示唆する。断面形状観察からも、
側壁傾斜の顕著な変化が発生しないことが確認されてい
る。形成されたＢＡＲＣパターンの側壁傾斜も、エッチ
ング前のレジスト側壁の傾斜と同程度であった。また、
孤立パターンと密集パターンとで、側壁傾斜角度の顕著
な差もみられなった。一方、従来条件では、表７に示さ
れたように、パターン寸法が減少するのみではなく、ば
らつきが大きくなり、かつ、孤立パターンと密集パター
ンとでの顕著な寸法差が発生する。従って、パターン縮
小量の制御性に劣ることがわかる。

【００５６】以上、本発明のエッチング方法について詳
細に説明したが、本発明は、上述の例には限定されず、
本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や
変更等を行ってもよいのはもちろんである。本発明の要
点はＣＢｒ_x を生成し被加工物表面の必要な部分に堆積
させることにある。被エッチング物質も上の例に限定さ
れるものではない。また、エッチングガス雰囲気内に要
求特性を損なわない範囲で上記に例示した以外の原子や
遊離基が存在してもかまわない。また、ゲートのＢＡＲ
Ｃエッチングに限定されるものではなく、ドライ現像や
有機系（低誘電率）の層間絶縁膜エッチングに適用が可
能である。また、例えば、上述の例では、ＢＡＲＣのメ
インエッチングの後に同一の条件でオーバーエッチング
を行っているが、ジャストエッチング後にガス流量比、
基板バイアス等の条件を変更してオーバーエッチングを
行うことも可能である。メインエッチングの条件とオー
バーエッチングの条件とを個々に最適化することによ
り、短い処理時間、ほぼ垂直な側壁形状、パターン密度
依存性のない寸法縮小等を、より高いレベルで実現する
ことが可能である。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、半導体基板上に有機材
料膜を有する半導体装置において、良好な側壁保護効果
を実現でき、対下地選択性の向上ならびにエッチングレ
ートの向上を達成し、かつ、疎パターンと密パターンと
でパターン寸法の差が生じない、信頼性の高い半導体装
置のゲート電極形成方法および有機材料膜のエッチング
方法を提供することができる。また、本発明によれば、
所要の寸法に調整することができ、かつパターン依存性
のないレジストマスクパターンの寸法調整方法を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明において、エッチングに使用されるプ
ラズマエッチング装置の一実施形態の概略構成図であ
る。

【図２】 本発明において、半導体基板上に有機材料膜
を有する半導体装置のエッチング工程を説明するための
基板断面概略図であり、（ａ）は、エッチング前の断面
概略図であり、（ｂ）は、ＢＡＲＣエッチング中の断面
概略図であり、（ｃ）は、ＢＡＲＣエッチングが終了し
たジャストエッチング時の断面概略図であり、（ｄ）
は、オーバーエッチング中の断面概略図である。

【図３】 Ｃｌ₂ −Ｏ₂ −Ａｒ系プロセスガスを使用し
た従来のＢＡＲＣエッチングにおける半導体基板の断面
形状の概略図であり、（ａ）は、基板バイアス電圧が大
きい場合の概略図であり、（ｂ）は、基板バイアス電圧
が小さい場合の概略図である。

【符号の説明】

１０ 放電管 １２ マグネトロン １４ 導波管 １６ ソレノイドコイル １８ 基板（ウエハ） ２０ 載置台 ２２ ロードロック室 ２４ａ、２４ｂ 搬送手段 ２６ 発光分光モニタ ３２ サーキュレータ ３４ａ、３４ｂ 補助ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M104 BB01 BB18 BB25 BB28 BB30 BB33 CC05 DD65 DD67 GG08 GG14 HH14 5F004 AA01 BA15 BB14 BB18 BB25 BB26 CA04 CB02 DA00 DA04 DA26 DB00 EA22 EB02 5F040 EC04 FC21 FC22

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体装置のゲート電極を形成する方法で
   あって、 有機材料膜と導電材料膜と絶縁膜とが積層された半導体
   基板上にレジストパターンを形成する工程と、 前記レジストパターンをマスクとして、酸素含有ガスと
   塩素含有ガスと臭素含有ガスとを含むエッチングガス雰
   囲気を用いて前記有機材料膜をエッチングすることによ
   り、前記レジストパターンの寸法を縮小すると共に縮小
   された前記レジストパターンの寸法に対応する寸法を有
   する前記有機材料膜のパターンを形成する工程と、 縮小された寸法を有する前記レジストパターンと前記有
   機材料膜のパターンとをマスクにして前記導電材料膜を
   エッチングし、縮小された寸法を有する前記レジストパ
   ターンの寸法によって決定される寸法を有する前記導電
   材料膜のパターンを形成する工程とを含むことを特徴と
   するゲート電極の形成方法。
2. 【請求項２】前記有機材料膜エッチングのオーバーエッ
   チング量を、前記レジストパターンの寸法の所要の縮小
   量が得られるように設定することを特徴とする請求項１
   に記載のゲート電極の形成方法。
3. 【請求項３】半導体基板上の有機材料膜をエッチングす
   る方法であって、 前記有機材料膜上にマスクパターンを形成する工程と、 前記マスクパターンをマスクとして、酸素含有ガスと塩
   素含有ガスと臭素含有ガスとを含むエッチングガス雰囲
   気を用いて前記有機材料膜をエッチングする工程とを含
   むことを特徴とする有機材料膜のエッチング方法。
4. 【請求項４】前記エッチング工程が、前記マスクパター
   ンの寸法と略同一の寸法を有する前記有機材料膜のパタ
   ーンを形成する工程と、その後に、形成された前記有機
   材料膜のパターンを横方向にエッチングする工程とを含
   むことを特徴とする請求項３に記載の有機材料膜のエッ
   チング方法。
5. 【請求項５】前記マスクパターンが孤立したマスクパタ
   ーンと密集したマスクパターンとを含み、前記孤立した
   マスクパターンの前記エッチング工程前の寸法と、前記
   孤立したマスクパターンをマスクとしたエッチングによ
   って形成される前記有機材料膜のパターンの前記エッチ
   ング工程後の寸法との差が、前記密集したマスクパター
   ンの前記エッチング工程前の寸法と、前記密集したマス
   クパターンをマスクとしたエッチングによって形成され
   る前記有機材料膜のパターンの前記エッチング工程後の
   寸法との差と略等しいことを特徴とする請求項３または
   ４に記載の有機材料膜のエッチング方法。
6. 【請求項６】前記孤立したマスクパターンの前記エッチ
   ング工程前の寸法と、前記孤立したマスクパターンをマ
   スクとしたエッチングによって形成される前記有機材料
   膜のパターンの前記エッチング工程後の寸法との差が、
   前記密集したマスクパターンの前記エッチング工程前の
   寸法と、前記密集したマスクパターンをマスクとしたエ
   ッチングによって形成される前記有機材料膜のパターン
   の前記エッチング工程後の寸法との差と略等しくなるよ
   うに、前記エッチングガス雰囲気の前記酸素含有ガスと
   前記塩素含有ガスとの比率を調整することを特徴とする
   請求項５に記載の有機材料膜のエッチング方法。
7. 【請求項７】半導体基板上のマスクパターンの寸法を調
   整する方法であって、 前記半導体基板上にレジストマスクパターンを形成する
   工程と、 酸素含有ガスと塩素含有ガスと臭素含有ガスとを含むエ
   ッチングガス雰囲気を用いて前記レジストマスクパター
   ンを横方向にエッチングして、所要の寸法のレジストマ
   スクパターンを形成する工程とを含むことを特徴とする
   レジストマスクパターン寸法の調整方法。
8. 【請求項８】前記レジストマスクパターンが孤立したマ
   スクパターンと密集したマスクパターンとを含み、前記
   孤立したマスクパターンの前記エッチング工程での横方
   向のエッチング量が、前記密集したマスクパターンの前
   記エッチング工程での横方向のエッチング量が略等しい
   ことを特徴とする請求項７に記載のマスクパターン寸法
   の調整方法。