JP2009026888A - 半導体装置の製造方法および半導体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板面内におけるエッチング変換差の面内ばらつきを小さく抑えるとともに、製品たる半導体装置の製造効率を高めることができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板Ｗの表面へのリソグラフィプロセスによるエッチングマスクの形成に用いられる半導体装置の製造方法であって、それぞれ所定の開口率を有する第１パタン部と第２パタン部とが一定位置に配置されてなるエッチングマスクを用いたエッチング処理によって、このエッチングマスク下の被エッチング膜に生じるエッチング変換差を第２パタン部の開口率と関係付けたデータとして予備的に求める（ＳＴ１〜５）。被エッチング膜におけるエッチング変換差の面内ばらつきが小さくなるように、基板に実処理のためのエッチングマスクを形成する際の第２パタン部の開口率を先に求めたデータに基づいて決定する（ＳＴ６）。
【選択図】図３

Description

本発明は、特に半導体装置の製造プロセスの１つであるドライエッチングプロセスにおいて半導体基板の面内で均一なエッチング変換差を得るための半導体装置の製造方法およびこの製造方法により製造される半導体基板に関する。

半導体装置の高集積化が進む中、半導体微細加工にはますます高い精度が要求されている。半導体微細加工の中心的プロセスには、基板上に塗布した感光膜にフォトマスク上の回路パタンを転写するリソグラフィ技術と、こうして転写された回路パタンを有する感光膜をエッチングマスクとしてその下地に形成されている被エッチング膜を加工するドライエッチング技術とがあり、これら両技術の寸法制御性の向上が求められている。

このうちドライエッチング技術においては、半導体基板面内のエッチング変換差の均一性を高める技術の実現が切望されている。“エッチング変換差”とは、エッチングマスクの配線寸法（線幅）と、被エッチング膜がエッチングされてその後に残る配線部の配線寸法（線幅）との差である。そのためには、エッチング装置における反応室内の反応性ガス濃度やプラズマ密度，プラズマにより生じたラジカルやイオンが被エッチング膜と反応することによって生成する反応生成物の密度の均一化制御等が必要となる。

そこで、エッチング装置メーカ側からのアプローチとして、反応性ガスの給気や反応生成物の排気等のガスの流れの構造的制御やプラズマ密度の均一化のための電極構造の最適化等が検討されている。

しかし、半導体基板は円形であるために、エッチング装置の構造面からのアプローチのみによって半導体基板の中央部と外周部とでエッチング環境を同じとすることは極めて困難である。そのため、同心円分布を代表としたエッチング変換差の不均一が発生してしまう。

このようなエッチング変換差の面内ばらつきの問題を解決する方法として、エッチングマスクのパタンとして、半導体基板の全面にわたり所定距離内に少なくともレジストで被覆されていない開口部（捨てパタン）が存在するパタンを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この方法では、半導体基板面内の一定距離毎に必ず捨てパタンを設けなければならないので、製品たる半導体装置の製造効率が低下する。
特開２０００−９１３１９号公報（段落［００２４］、図１、図２等）

本発明は、半導体基板面内におけるエッチング変換差の面内ばらつきを小さく抑えるとともに、製品たる半導体装置の製造効率を高めることができる半導体装置の製造方法およびこの製造方法により製造される半導体基板を提供することを目的とする。

本発明によれば、半導体基板表面へのリソグラフィプロセスによるエッチングマスクの形成に用いられる半導体装置の製造方法であって、
それぞれ所定の開口率を有する第１パタン部と第２パタン部とが一定位置に配置されてなるエッチングマスクを用いたエッチング処理によって、当該エッチングマスク下の被エッチング膜に生じるエッチング変換差を、前記第２パタン部の開口率と関係付けたデータとして予備的に求め、
被エッチング膜におけるエッチング変換差の面内ばらつきが前記第１パタン部と第２パタン部の開口率が同じ場合よりも小さくなるように、半導体基板に実処理のためのエッチングマスクを形成する際の第２パタン部の開口率を前記データに基づいて決定することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

また、本発明によれば、被エッチング膜と、当該被エッチング膜上に設けられたエッチングマスクとを備えた半導体基板であって、
前記エッチングマスクは、半導体基板の外周部に形成された第２パタン部と、当該第２パタン部の内側に形成された第１パタン部とを有し、
前記被エッチング膜のエッチング変換差の面内ばらつきが前記第１パタン部と第２パタン部の開口率が同じ場合よりも小さくなるように、前記第２パタン部の開口率が前記第１パタン部の開口率とは異なっていることを特徴とする半導体基板が提供される。

本発明によれば、半導体装置の製造工程におけるエッチングプロセスにおいて、エッチング変換差の面内ばらつきを小さく抑えるとともに、製品たる半導体装置の製造効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に半導体基板の概略構造を示す断面図を示し、図２にこの半導体基板に設けられたエッチングマスクの開口率分布構成の一例を模式的に示す。

この半導体基板（以下「基板」という）Ｗには、図１に示すように、図示しない絶縁性薄膜を介して被エッチング膜３０が形成されている。この被エッチング膜３０上には下層反射防止膜３１が設けられており、下層反射防止膜３１上にエッチングマスク１０が形成されている。エッチングマスク１０は所定のパタンを有し、基板Ｗの主面全体に形成されている。ここでは、被エッチング膜３０をポリシリコン膜とし、エッチングマスクをフォトレジスト膜とする。

エッチングマスク１０は、図２に示されるように、基板Ｗの外周部に形成された第２パタン部１４と、第２パタン部１４の内側に形成された第１パタン部１２とを有している。図２に示す長方形の各領域は、第１パタン部１２と第２パタン部１４を形成するための１ショット分の露光領域（以下「１ショット露光領域」という）を示している。

第１パタン部１２は、その領域が基板Ｗ内に完全に納まるように、設けられている。第１パタン部１２は、最終的に半導体装置（製品）を得るための領域として用いられ、所定の開口率を有する回路パタン（回路の詳細は図示せず）を備えている。

一方、第２パタン部１４を形成するための露光（ショット）は、その露光領域の一部が基板Ｗから外れるように行われている。図２では、実際に形成される第２パタン部１４の領域と第２パタン部１４の形成のための１ショット露光領域と区別するために、第２パタン部１４の領域をドットハッチングで示している。

第２パタン部１４もまた、所定の開口率を有する回路パタン（回路の詳細は図示せず）を備えている。第２パタン部１４は、後述するように、被エッチング膜３０におけるエッチング変換差の面内ばらつきを小さく抑えるために設けられる。そのため、第１パタン部１２の開口率と第２パタン部１４の開口率は異なる値に設定されている。

基板の中央部と外周部とで開口率の異なるパタン部を備えたエッチングマスクを用いてエッチング処理を行うと、このような開口率の差に起因して例えば反応生成物の量に差が生じることにより、基板Ｗの中央部と外周部とでは、エッチング性能に差が生じる。

そこで、エッチングマスク１０を用いたエッチング処理では、逆にこの現象を利用して、基板Ｗの中央部と外周部とのエッチング性能を制御し、エッチング変換差に面内ばらつきが生じることを抑制する。つまり、エッチング処理後に被エッチング膜３０のエッチング変換差の面内ばらつきが小さくなるように、第１パタン部１２と第２パタン部１４の配置パタンおよび第２パタン部１４の開口率が設定される。

エッチング変換差は、エッチングマスク１０の配線の寸法（線幅）と被エッチング膜３０がエッチングされて形成される配線の寸法との差である。例えば、被エッチング膜３０から形成される配線がゲート配線である場合、エッチング後の配線寸法として、ボトム寸法が好適に用いられる。また多層配線層でスペースパタン部が配線部となるような場合には、ボトム寸法に代えて、エッチングした中央の深さでの配線寸法であるミドル寸法が用いられる場合もある。これらボトム寸法やミドル寸法はエッチングの深さとテーパ角度によって変化するため、テーパ角度が一定という条件の下で用いることができる。このような場合のエッチング変換差には間接的にエッチング深さが考慮されることとなる。

次に、エッチングマスク１０のように開口率の異なるパタン部が所定位置に配置されてなるエッチングマスクを形成するための、開口率の異なるパタン部の配置および開口率の決定方法について説明する。

図３にエッチングマスクが備えるパタン部の開口率決定方法を表したフローチャートを示す。また、図４Ａに図３に示されるＳＴ１〜ＳＴ４で用いる基板と１ショット露光領域との対応を表した平面図を示し、図４Ｂに図３に示されるＳＴ５〜（ＳＴ２〜ＳＴ４）〜ＳＴ６で用いる基板と１ショット露光領域との対応を表した平面図を示す。

最初に、レジスト膜が一様に被エッチング膜上に形成された基板２０を準備する。この基板２０としては、製品たる半導体装置を製造するプロセスと同じプロセスで製造されたものを用いる。そして、実際に製造する半導体装置の回路パタン（以下「回路パタンα」とする）が形成されたフォトマスクを用い、フォトリソグラフィプロセスによりレジスト膜へのパタン転写を、図４Ａに長方形で示されている１ショット露光領域２１ごとに縦横に行う。その後、現像処理を経ることにより、１ショット露光領域２１ごとにパタン部２２が形成されたエッチングマスクが形成される（ＳＴ１）。以下、パタン部２２の開口率を‘Ｑ’とする。

続いて、ＳＴ１で形成したエッチングマスクを用いて被エッチング膜のドライエッチング処理を行う（ＳＴ２）。その後、エッチングマスクをアッシング処理または剥離用薬液処理等によって除去する（ＳＴ３）。

こうして得られた基板２０におけるエッチング変換差の動径方向依存性、すなわち、基板２０の中心から外周にかけてエッチング変換差がどのように変化しているかを調べる（ＳＴ４）。ここでは、被エッチング膜がエッチングされることにより形成された配線のボトム寸法を用いてエッチング変換差を求めることとする。

ＳＴ４においてエッチング変換差を求める具体的な手法は、図４Ａに併記されている。すなわち、基板２０の中心Ｏと基板２０の外周の任意の点とを結ぶ線分上に一定間隔で測定点ａ_１，ａ_２，・・・ａ_ｎを設け、各測定点での配線のボトム寸法を測定してエッチング変換差を算出し、その測定値を基板２０の中心Ｏからの距離に対してプロットする。この測定は複数の位置（線分）について行い、その平均を求めることが好ましい。

なお、ＳＴ４における測定点の設定方法としては、基板２０上に格子状に測定点ａ_{（Ｘ，Ｙ）}（基板２０の中心Ｏに測定点ａ_{（０，０）}を配置する）を設けて、各測定点ａ_{（Ｘ，Ｙ）}でのエッチング変換差を求めることによっても行うことができる。

図５にこうして得られたエッチング変換差の動径方向依存性を表したグラフを示す。図５では、横軸に基板Ｗの中心Ｏから動径方向の距離に代替する測定点を取り、縦軸にエッチング変換差を取っている。この図５における縦軸の単位は、例えばナノメートル（ｎｍ）であるが、エッチング変換差を求めるための配線のボトム寸法はエッチング条件（ガス組成やプラズマ励起のための電圧、周波数）によって変化することに鑑み、図５では縦軸への数値表記は行っていない。

図５に示されるように、基板２０の中心から外周に向かうにしたがってエッチング変換差が増加していることがわかる。このことは、基板２０の全面に開口率が同じパタン部からなるエッチングマスクを設けて行ったエッチング処理では、エッチングマスクの線幅が同じであっても、エッチング後の配線寸法であるボトム寸法が基板２０の外周部では中央部よりも短くなっているということ、つまり、エッチング後の配線が基板２０の外周部では中央部よりも細くなっていることを示している。

次に、エッチング変換差の面内ばらつきがエッチングマスクの開口率の分布にどのように依存しているかを調べるために、先に使用した基板２０と実質的に同等の別の基板２０を準備し、図４Ｂに示すように、内部領域２３と外周領域２４とを範囲分けするための境界線Ｓを設定する。この境界線Ｓは、例えば、所望される必要最小限の製品の製造に必要な面積を内部領域２３として確保するという観点から、定めることができる。この境界線Ｓにまたがる露光領域は、内部領域２３に含めてもよいし、外周領域２４に含めてもよい。

また１ショット露光領域内に複数個の製品が製造される場合には、予め製品個数を決めておき、この境界線Ｓより外周に出る製品個数で内部領域２３と外周領域２４への振り分けを定めてもよい。例えば、1ショット露光領域に３×３＝9個が搭載される製品おいて、５個を振り分け個数に設定した場合、５個以上境界線Ｓから外周にはみ出すショット露光領域を外周領域２４とし、５個未満のショット露光領域を内部領域２３に定めるとしてもよい。

ここでは、境界線Ｓにまたがる露光領域を外周領域２４に組み入れることとする。図４Ｂでは、内部領域２３と外周領域２４との区別のために外周領域２４にドットハッチングを施している。

図４Ｂに示した内部領域２３には、製品たる半導体装置の回路パタンαが形成されたフォトマスクを用いて露光処理を行い、外周領域２４には回路パタンαとは異なる回路パタン（以下「回路パタンβ」とする）が形成されたフォトマスクで露光処理を行う（ＳＴ５）。この回路パタンβは精密なパタンである必要はない。

そして、ＳＴ５後には先に述べたＳＴ２〜ＳＴ４と同じ処理（エッチング処理（ＳＴ２）→エッチングマスク除去（ＳＴ３）→エッチング変換差の動径方向依存性の測定（ＳＴ４））を行う。

さらに新しい基板２０を準備して、内部領域２３に転写する回路パタンαは変更せずに、外周領域２４に転写する回路パタンとして回路パタンα，βと開口率の異なるさらに別の回路パタン（以下「回路パタンγ」とする）を用いて、ＳＴ５処理をその基板２０に対して行い、その後ＳＴ２→ＳＴ３→ＳＴ４の処理を行う。

このようにして被エッチング膜におけるエッチング変換差の動径方向依存性を調べた結果を図６に示す。図６では、３種類の回路パタンβ，γ、δ（回路パタンδの開口率は回路パタンα，β，γの開口率と異なる）を用いて外周領域２４に形成したパタン部の開口率をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃで示しており、図５に示したデータ（実線）を併記している。

図６に示すように、全面に同一開口率Ｑのパタン部を形成した図５の場合に対し、開口率Ａの条件ではエッチング変換差の基板外周部での増加がさらに大きくなってエッチング変換差の面内ばらつきが大きくなっていること、つまりエッチング変換差の面内均一性が低下していることがわかる。

外周領域２４に形成するパタン部の開口率をＢ、Ｃと変えることによって、基板外周部のエッチング変換差が基板中央部の値に近付いており、エッチング変換差の面内ばらつきが小さくなっていることがわかる。また、エッチング変換差の面内ばらつきが最も小さくなる開口率は、開口率Ｂと開口率Ｃの間にあることが予測される。

例えば、図６に示すデータに基づいて、縦軸にａ_ｎ点でのエッチング変換差の値を、横軸に開口率を取ったグラフを作成し、そのグラフから基板中央部のエッチング変換差と同じ値を示す開口率（以下「開口率Ｒ」という）を求める（ＳＴ６）。

上述したＳＴ１〜ＳＴ６の工程は製品製造のための準備プロセスであり、ＳＴ６において決定された開口率Ｒを有するパタン部を外周領域２４に形成することにより製品を製造する（ＳＴ７）。すなわち、内部領域２３に製品となる回路パタンのパタン部を備え、外周領域２４に開口率Ｒのパタン部を備えたエッチングマスクを被エッチング膜上に形成し、エッチング処理を行い、そのごエッチングマスクを除去する。こうして、エッチング変換差の面内ばらつきを抑え、所望の寸法の配線が形成された基板を得ることができる。

なお、外周領域２４に形成するパタン部の開口率を変化させることのみでは、エッチング変換差の面内ばらつきを所望されるレベルにまで抑え込むことができない場合には、さらに、基板２０に設定する内部領域２３と外周領域２４の広さの比を変更してエッチング変換差の面内ばらつきを調べる。これによって、エッチングマスクの構成条件を導き出すことができる。

先に図１，２を参照して説明したエッチングマスク１０では、第１パタン部１２が製品製造に用いられ、第２パタン部１４がエッチング変換差調整のために用いられている。１ショット露光領域から１個の製品が製造される場合には、第２パタン部１４からは製品を得ることができないため、第２パタン部１４のみをエッチング変換差調整のために用いることによって、１枚の基板から製造することができる製品数を維持しながら、その品質のばらつきを小さく抑えることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。

例えば、図４Ｂに示した外周領域２４に形成するパタン部の開口率を決定するために、内部領域２３に製品の回路パタンが転写されたパタン部を形成するとしたが、この製品の回路パタンに代えて、同じ開口率を有する別のテストパタンを用いることができ、この場合のテストパタンは製品の回路パタンのような精密なパタンである必要はない。

また、上述したＳＴ１，ＳＴ５で使用する露光装置は、設定した開口率のパタン部が形成される限りにおいて、実際の製品の製造に用いる露光装置よりも精度の劣ったものを用いても構わない。

ＳＴ１，ＳＴ５では、開口率の異なる種々のパタン部を形成することができる複数のパタンを１枚のフォトマスクに搭載しておけば、被エッチング膜の材料（材質）や膜構造、エッチング条件等の異なる工程に対して、設定した開口率に応じてショット領域を変えることができ、１枚のフォトマスクを有効に使うことができる。

上記実施形態では、図５に示したようにエッチング変換差が同心円状に分布する形で発生する場合において、エッチング変換差の調整のために形成するパタン部の開口率決定方法を採り上げたが、これに限られず、例えば、エッチング装置の吸気部や排気部周辺のガスの乱れを起因とする同心円分布以外のエッチング変換差の面内ばらつきに対しても、ＳＴ１〜ＳＴ７の手法を適用して、この面内ばらつきを小さく抑えることができるようになる。

この場合、同一開口率のパタン部を形成した場合のエッチング変換差の分布を求めてエッチング変換差の調整が必要な部分を特定し、その近傍にエッチング変換差調整用のパタン部を形成してエッチング変換差の分布にどのような変化が現れるかを確認し、そのデータからエッチング変換差の調整のために形成するパタン部の開口率を決定することができる。

半導体基板の概略断面図。 半導体基板に設けられたエッチングマスクの開口率分布構成を模式的に示す平面図。 エッチングマスクに形成されるパタン部の開口率を決定する方法のフローチャート。 図３中のＳＴ１〜ＳＴ４で用いる基板と１ショット露光領域との対応を示す平面図。 図３中のＳＴ５〜（ＳＴ２〜ＳＴ４）〜ＳＴ６で用いる基板と１ショット露光領域との対応を示す平面図。 開口率一定のパタン部を有するエッチングマスクを用いたエッチングによる，被エッチング膜のエッチング変換差の動径方向依存性を示すグラフ。 内部領域と外周領域とで開口率の異なるパタン部を有するエッチングマスクを用いたエッチングによる，被エッチング膜のエッチング変換差の動径方向依存性を示すグラフ。

符号の説明

１０…エッチングマスク、１２…第１パタン部、１４…第２パタン部、２０…基板、２１…１ショット露光領域、２２…パタン部、２３…内部領域、２４…外周領域、３０…被エッチング膜、３１…下層反射防止膜、Ｗ…基板。

Claims (5)

1. 半導体基板表面へのリソグラフィプロセスによるエッチングマスクの形成に用いられる半導体装置の製造方法であって、
   それぞれ所定の開口率を有する第１パタン部と第２パタン部とが一定位置に配置されてなるエッチングマスクを用いたエッチング処理によって、当該エッチングマスク下の被エッチング膜に生じるエッチング変換差を、前記第２パタン部の開口率と関係付けたデータとして予備的に求め、
   被エッチング膜におけるエッチング変換差の面内ばらつきが前記第１パタン部と第２パタン部の開口率が同じ場合よりも小さくなるように、半導体基板に実処理のためのエッチングマスクを形成する際の第２パタン部の開口率を前記データに基づいて決定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第２パタン部を半導体基板の外周部に設け、その内側に前記第１パタン部を設けることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記データの収集は、
   半導体基板の外周部に形成された所定開口率の第２パタン部と当該第２パタン部の内側に形成された所定開口率の第１パタン部とからなるエッチングマスクを用いて当該エッチングマスク下の被エッチング膜をエッチング処理したときの当該被エッチング膜におけるエッチング変換差の基板動径方向に対する依存性を求める第１ステップと、
   開口率の異なる第２パタン部を備えたエッチングマスクを用いて前記第１ステップと同様の処理を行うことにより、被エッチング膜におけるエッチング変換差の第２パタン部の開口率に対する依存性を求める第２ステップと、
   により行われ、
   実処理に用いるエッチングマスクの第２パタン部の開口率は、前記エッチング変換差の基板動径方向依存性および第２パタン開口率依存性に基づいて決定されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 実処理に用いるエッチングマスクの第２パタン部を形成するためのパタン転写ショットを、ショットの一部が半導体基板から外れる不完全ショットとすることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 被エッチング膜と、当該被エッチング膜上に設けられたエッチングマスクとを備えた半導体基板であって、
   前記エッチングマスクは、半導体基板の外周部に形成された第２パタン部と、当該第２パタン部の内側に形成された第１パタン部とを有し、
   前記被エッチング膜のエッチング変換差の面内ばらつきが前記第１パタン部と第２パタン部の開口率が同じ場合よりも小さくなるように、前記第２パタン部の開口率が前記第１パタン部の開口率とは異なっていることを特徴とする半導体基板。

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