JP2017135414A - イオンビームエッチング装置及び制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＣＭＰ工程後の基板面内に存在する膜厚分布を解消するイオンビームエッチング装置を提供する。【解決手段】プラズマ発生室１０２と、基板を処理する処理室と、該プラズマ発生室１０２と処理室との間に配置されたグリッド１０９を有し、該グリッド１０９から処理室内にイオンを引き出してイオンビームを形成し、基板の表面をエッチング処理するイオンビームエッチング装置において、プラズマ発生室１０９の天井部の外部に、外側コイル１０６ｂと内側コイル１０６ａとを設け、制御部に入力された、基板の面内膜厚分布の測定結果に応じて、外側コイル１０６ｂ及び内側コイル１０６ａに流す電流を独立して制御することにより、プラズマ発生室１０２内にプラズマ密度分布を形成し、該プラズマ密度に応じてグリッド１０９から引き出されるイオンビーム量を変化させる。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法とこれに用いるイオンビームエッチング装置及び制御装置に関する。
金属−絶縁膜（酸化膜）−半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ｏｘｉｄｅ）−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＩＳＦＥＴ或いはＭＯＳＦＥＴ）は、半導体装置の基本的な素子である。ＭＯＳＦＥＴを応用したＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路は、消費電力が少なく、また微細化や高集積化が容易で高速動作が可能であることから、多くのＬＳＩを構成するデバイスとして広く用いられている。
従来、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜にはシリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ2）或いは酸化シリコンを熱やプラズマ中で窒化した膜（ＳｉＯＮ）が広く用いられてきた。また、ゲート電極としては、燐（Ｐ）或いは砒素（Ａｓ）をドープしたｎ型ポリシリコン層及びホウ素（Ｂ）をドープしたｐ型ポリシリコン層がそれぞれ広く用いられてきた。
しかし、スケーリング則に従って、ゲート絶縁膜の薄膜化やゲート長の縮小化を行う場合には、ＳｉＯ2膜或いはＳｉＯＮ膜の薄膜化に伴ったゲートリーク電流の増大や信頼性の低下が生じる。また、ゲート電極に形成された空乏層によるゲート容量の低下などが生じるため、ゲート絶縁膜に高誘電率を持つ絶縁材料（高誘電体膜）を用いる方法及びゲート電極に金属材料を用いる方法が提案されている。
高誘電体膜材料としては例えばハフニウム系の化合物などがあり、中でも酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）は高い誘電率を持ちながら、電子移動度及びホール移動度の劣化が抑制できる点で有望な材料である。しかしながら、ソース及びドレインの活性化アニール処理などの高温処理工程を行うことによってキャリア移動度劣化などの特性劣化が生じる問題がある。
そこで、ゲート絶縁膜及びゲート電極形成後に上記したソース及びドレインの高温処理工程を施す従来の製造方法に対して、高温処理を行った後にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する製造方法が提案されている。ここで、前者の製造方法で形成されたトランジスタ構成をゲートファースト構造、後者の製造方法で形成されたトランジスタ構成をゲートラスト構造と称する。
例えば特許文献１には、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴをゲートファースト構造とし、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴをゲートラスト構造としたＣＭＯＳ回路が開示されている。係るＣＭＯＳ回路は、先ず、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ及びｐチャネルＭＯＳＦＥＴの両方をゲートファースト構造で形成した後、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴのみゲート電極を除去して新たに導電層を堆積させてゲートラスト構造のＭＯＳＦＥＴを形成している。係る工程においては、それぞれのゲート電極材料を選択することにより、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴのそれぞれに適切な仕事関数（Ｗｏｒｋ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：ＷＦ）のゲート電極を形成することができる。
特許文献１に開示されたＣＭＯＳ回路のゲートラスト構造のｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート電極を形成するにあたり、先ず化学的機械研磨（ＣＭＰ）に対するストッパ膜を形成し、先に形成したゲートファースト構造のｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート電極と該ゲート電極上のＣＭＰストッパ膜を除去して開口部を形成し、該開口部に窒化チタンとアルミニウムを充填する。その後、上記ＣＭＰストッパ膜まで余剰な窒化チタンとアルミニウム膜をＣＭＰ工程で研磨して除去している。
また、特許文献１のＣＭＯＳ回路では、引張応力や圧縮応力のシリコン窒化膜（ストレスライナー膜）をソース及びドレイン上に形成することにより、トランジスタのチャネル領域の応力を変調し、キャリアの移動度を向上させている。
特許文献２には、ＳｉＣ等の硬い基板表面をＣＭＰ処理により平坦化した後、基板表面にアルゴンのガスクラスター照射と窒素のガスクラスター照射を施すことにより、ＣＭＰ処理後の研磨キズを取り除いて平坦化する方法が開示されている。
特開２０１２−４４５５号公報 特開２０１１−２４６７６１号公報
特許文献１に開示された発明における、上記ＣＭＰ工程においては、基板面内において研磨量の差が生じ易い。一般には基板面内の中心部では研磨量が小さく、基板面内の外周部では研磨量が大きくなる。即ち研磨後の基板面内の膜厚は、中心が厚く、周辺が薄くなる傾向にある。このようなＣＭＰ工程における研磨量の差は、製造された半導体装置の歩留まりを悪化させる。
特許文献２に開示された発明においては、ＣＭＰ処理により生じた基板面内の微小な研磨キズをガスクラスターイオンビームエッチングにより平坦化しているが、係る方法では、ＣＭＰ処理により生じた基板中心部と周辺部との研磨量の差を解消するには至らない。
本発明は上述した課題を解決するために成されたものであり、半導体装置の製造工程においてＣＭＰにより生じた基板面内の膜厚分布を簡便に補正し、基板面内において均一な半導体装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために本発明は、プラズマ発生室と、
基板を処理する処理室と、
前記処理室と前記プラズマ発生室との間に設けられ、前記プラズマ発生室からイオンを引き出しイオンビームを形成するためのグリッドと、
前記プラズマ発生室に放電用ガスを導入するためのガス導入部と、
前記処理室内を排気するための排気手段と、
前記処理室内に設けられた基板を載置するための基板ホルダと、
前記基板の処理が行われる前の面内膜厚分布の測定結果が入力される制御部と、
前記プラズマ発生室の外部であって、前記プラズマ発生室の前記グリッドと対向する天井部に設けられた電磁コイルと、を備えたイオンビームエッチング装置であって、
前記電磁コイルは前記天井部の外周に設けられた外側コイルと、前記天井部の内周に設けられた内側コイルとを有し、前記外側コイル及び前記内側コイルは互いに独立して電流値が制御可能であり、
前記制御部は、前記制御部に入力された前記測定結果に応じて前記外側コイル及び前記内側コイルに流す電流を制御することを特徴とする。
さらに本発明は、上記本発明のイオンビームエッチング装置に用いられる制御装置であって、
基板面内の膜厚分布の測定結果が入力され、
該測定結果に基づき、プラズマ発生室の外部であり前記プラズマ発生室のグリッドと対向する天井部の外周に設けられた外側コイルと、前記天井部の内周に設けられた内側コイルとの各々の電流値を制御することを特徴とする制御装置である。
本発明によれば、ＣＭＰ工程の後にエッチングレートに分布を設けたイオンビームエッチング処理を行うことによって、ＣＭＰにより生じた基板面内の膜厚分布を簡便に補正することが可能となる。よって、本発明によれば、基板面内で均一な半導体装置を製造することが可能となり、半導体装置の製造歩留まりを向上させることができる。
本発明のイオンビームエッチング装置の構成を模式的に示す断面図である。 図１のイオンビームエッチング装置におけるプラズマ発生室近傍の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態によるゲートラスト構造の電界効果トランジスタの製造プロセスの一部を説明するための断面模式図である。 本発明のイオンビームエッチング装置において、プラズマ発生室に設けられた外側コイルと内側コイルの電流値を変化させた場合の、基板面内の位置によるエッチングレートの違いを示す図である。 本発明のイオンビームエッチング装置のプラズマ発生室に設けられた電磁コイルに流す電流の向き及び永久磁石の磁極を示す断面模式図である。 本発明の第２の実施形態においてグリッドに用いる電極の平面模式図である。 本発明の第３の実施形態におけるイオンビームエッチング装置のグリッドの構成を示す断面模式図である。 本発明の第４の実施形態におけるイオンビーム入射角とエッチングレートとの関係を示す図である。 本発明に用いられる制御装置の説明図である。 本発明の第５の実施形態によるゲートラスト構造の電界効果トランジスタの製造プロセスの一部を説明するための断面模式図である。 本発明に用いられる膜厚測定装置の構成を示す断面模式図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。尚、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
（第１の実施形態）
図１に本実施形態に係るイオンビームエッチング（ＩＢＥ）装置の概略図を示す。ＩＢＥ装置は、処理室１０１と、該処理室１０１内にイオンビームを照射するように設けられたイオンビーム発生装置１００とを備える。イオンビーム発生装置１００と処理室１０１とは連結されており、イオンビーム発生装置１００から発生されたイオンビームは処理室１０１内に導入される。
処理室１０１内には、基板１１１を保持可能な基板ホルダ１１０がイオンビーム発生装置１００から照射されたイオンビームが入射されるように設けられており、基板１１１が静電吸着（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｃｈｕｃｋ：ＥＳＣ）電極１１２上に載置される。また、処理室１０１には排気手段１０３が設置されている。処理室１０１内にはニュートラライザ（不図示）が設けられており、該ニュートラライザによりイオンビーム発生装置１００から導入されたイオンビームを電気的に中和することができる。よって、電気的に中和されたイオンビームを基板１１１に照射することができ、該基板１１１のチャージアップが防止される。基板ホルダ１１０は、イオンビームに対して任意に傾斜することができる。また、基板ホルダ１１０は、基板１１１をその面内方向に回転（自転）できる構造となっている。
イオンビーム発生装置１００は、プラズマ発生室１０２を備えている。放電チャンバとしての該プラズマ発生室１０２は、中空部及び開口を有する部材としてのベルジャ１０４を有しており、該中空部である内部空間１０２ａが、プラズマ放電が生成される放電空間となる。本実施形態では、図１に示すように、例えば石英からなるベルジャ１０４を、例えばステンレス等からなる処理室１０１に取り付けることにより、処理室１０１とプラズマ発生室１０２とが連結されている。即ち、処理室１０１に形成された開口とベルジャ１０４の開口（プラズマ発生室１０２の開口１０２ｂ）とが重なるようにベルジャ１０４を処理室１０１に設けている。
上記内部空間１０２ａは開口１０２ｂを介して外部と連通しており、内部空間１０２ａで生成されたイオンは開口１０２ｂから引き出される。また、プラズマ発生室１０２には、ガス導入部１０５が設けられており、該ガス導入部１０５によりプラズマ発生室１０２内の内部空間にエッチングガスが導入される。また、整合器１０７に接続され、高周波（ＲＦ）場を生成するためのＲＦアンテナ１０８が、内部空間にプラズマ放電を生成するようにプラズマ発生室１０２の周囲に配置されている。ベルジャ１０４の天井部（グリッド１０９の対向側）には電磁コイル１０６が設けられている。このような構成において、ガス導入部１０５から放電用ガスを導入し、ＲＦアンテナ１０８に高周波を印加することでプラズマ発生室１０２内に放電用ガスのプラズマを発生させることができる。ＲＦアンテナ１０８の外周には永久磁石１１８がさらに設けられている。
本実施形態では、図１に示すように、処理室１０１とプラズマ発生室１０２とを連結しているが、イオンビーム発生装置１００は、処理室１０１とプラズマ発生室１０２との境界に設けられた、内部空間１０２ａにて発生したプラズマからイオンを引き出すための引き出し手段としてのグリッド１０９をさらに備えている。本実施形態では、該グリッド１０９に直流電圧を印加し、プラズマ発生室１０２内のイオンをビームとして引き出し、引き出されたイオンビームを基板１１１に照射することで基板１１１の処理が行われる。尚、グリッド１０９は図１においては不図示の締結部材により装置に取り付けられ、不図示の連結部により各電極が連結されている。
グリッド１０９は、プラズマ発生室１０２のイオン放出側に形成された開口１０２ｂに設けられる。グリッド１０９は少なくとも３つの電極を備え、各電極は内部空間１０２ａにて発生したイオンを通過させるためのイオン通過孔を多数有する。これらグリッド１０９の構成要素である少なくとも３つの電極は、開口１０２ｂにおいて、内部空間１０２ａから開口１０２ｂの外側に向かって、即ち、グリッド１０９から引き出されたイオンビームの進行方向に沿って、内部空間１０２ａからのイオンがイオン通過孔を通過してプラズマ発生室１０２の外部へと放出されるように、互いに離間して配列されている。即ち、上記少なくとも３つの電極のそれぞれは板状の電極であり、これら少なくとも３つの電極のうち、最も内部空間１０２ａ側の電極が開口１０２ｂにおける放電空間を区画する部材として機能し、各電極のイオン通過孔が形成された面が対向している。
本発明においてグリッドとは、複数の電極及び該複数の電極の各々を固定し連結する固定部材、電極間の絶縁材等を備えた電極アセンブリを言う。
本実施形態では、グリッド１０９は、プラズマ発生室１０２と処理室１０１との連結部分であるこれら２つの境界において、プラズマ発生室１０２の側から、第１電極１１５（プラズマ側グリッド）、第２電極１１６、第３電極１１７（基板側グリッド）を備えている。第１電極１１５に形成されたイオン通過孔の各々、第２電極１１６に形成されたイオン通過孔の各々、及び第３電極１１７に形成されたイオン通過孔の各々が対向するように、第１電極１１５、第２電極１１６、及び第３電極１１７はプラズマ発生室１０２から処理室１０１に向かう方向Ｐに配列されている。通常、第１電極１１５〜第３電極１１７の各点におけるイオン通過孔は直径が等しく、それぞれのイオン通過孔が重なって配置される。各電極は固定部材１２０により連結され、処理装置に固定される。
本実施形態においては第１電極１１５、第２電極１１６は不図示の電源に接続され、各電極の電位を制御可能である。第３電極１１７は接地されている。第３電極１１７に電源を接続して、電位を制御してもよい。
第１電極１１５は、プラズマ発生室１０２の開口１０２ｂにおいて最も内部空間１０２ａ側（最もプラズマ発生室１０２側）に設けられており、開口１０２ｂにおいて、内部空間１０２ａを区画する部材としても機能する。第２電極１１６は、第１電極１１５よりも第１電極１１５から第３電極１１７への配列方向Ｐに沿った、内部空間１０２ａの外側（第１電極１１５よりも処理室１０１側）に設けられている。第３電極１１７は、第２電極１１６よりも第１電極１１５から上記配列方向Ｐに沿った、内部空間１０２ａの外側に設けられた電極であって、グリッド１０９の構成要素としての電極のうち、上記配列方向Ｐに沿ったプラズマ発生室１０２の最も外側に設けられた電極、即ち、最も処理室１０１側に設けられた電極である。
図２において上述したイオンビーム発生装置１００におけるプラズマ発生室１０２近傍についてより詳細に説明する。
プラズマ発生室１０２の外部であって、ベルジャ１０４の天井部に設けられた電磁コイル１０６は、内周部分に取り付けられた環状の内側コイル１０６ａと、外周部分に取り付けられた環状の外側コイル１０６ｂとから構成される。内側コイル１０６ａ及び外側コイル１０６ｂはそれぞれ不図示の電源に接続され、各々のコイルに流す電流値を相互に独立して制御可能に構成される。尚、ベルジャ１０４の天井部とは、プラズマ発生室１０２を構成するベルジャ１０４においてグリッド１０９と対向する部分を言う。
本発明の半導体装置の製造方法の一例として、図３を用いてゲートラスト構造の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を有する半導体装置の製造に係るプロセスを説明する。係るプロセスは、例えば、特許文献１に開示されたＣＭＯＳ回路のｐチャネルＭＯＳＦＥＴの製造プロセスに適用される。図３（ａ）において２０１はｎ型ウェル、２０２はゲート電極の両側部における基板中に導電性不純物を導入して作製されたｐ型ソース及びｐ型ドレイン、２０３はＮｉＳｉ膜からなる高融点金属シリサイド膜、２０４は基板に所定の応力を印加するためのＳｉＮからなるストレスライナー膜、２０５はＳｉＯ2などからなる絶縁膜、２０６はＳｉＮからなるＣＭＰストッパ膜である。２０７、２０８、２０９はサイドウォール絶縁膜であり、２０７はＳｉＮ、２０８はＳｉＯ2、２０９はＳｉＮから構成されている。
次に図３（ｂ）に示されるように、トレンチ２００の内壁及びＣＭＰストッパ膜２０６上にゲート絶縁膜２１０が形成される。ゲート絶縁膜２１０は比誘電率が少なくとも８．０より大きな誘電率を持つ絶縁材料により形成されることが好ましい。次いで、ゲート絶縁膜２１０の上にＴｉＮからなる拡散防止膜２１１、アルミニウム（Ａｌ）からなる導電膜２１２が形成される。これらの膜はスパッタリング法などで形成される。導電膜２１２としては、Ａｌの他に銅（Ｃｕ）やタングステン（Ｗ）などを好ましく用いることができる。
その後、従来は、図３（ｃ）に示されるように、ＣＭＰストッパ膜２０６上に形成された導電膜２１２と拡散防止膜２１１とゲート絶縁膜２１０とをＣＭＰ工程によって除去し、トレンチ内に導電膜２１２からなるゲート電極が形成されていた。
このＣＭＰ工程において、一般に基板面内の中心部よりも外周部の方が研磨速度が速く、基板面内の中心部と外周部において研磨後に膜厚に差が生じてしまう。具体的には、ＣＭＰストッパ膜２０６上に膜厚分布を有するゲート絶縁膜２１０が残留する。これはＣＭＰに用いるスラリの粒径、基板面内の各点における単位面積当たりの加圧及び研磨パッドの動作等によるものと考えられる。この基板面内の膜厚分布はゲート電極のゲートしきい値電圧（Ｖｔ）に影響し、ＦＥＴの素子特性のばらつきの原因となる。
本発明はこのようなＣＭＰ工程において生じる基板面内の膜厚分布、特に基板の直径方向に生じる膜厚分布をＩＢＥ工程によって補正するものであり、図３に示したＦＥＴの製造プロセスにおいては、ＣＭＰ工程によってゲート絶縁膜２１０が露出する、或いは露出直前まで研磨を行い、その後、ＩＢＥ工程によってゲート絶縁膜２１０をエッチングする。このＩＢＥ工程において、基板面内方向においてエッチングレートを異ならせることによって、ゲート絶縁膜２１０の膜厚分布を補正しながらエッチングを行い、膜厚分布を解消することができる。本発明において、「膜厚分布を補正する」とは、ＩＢＥ工程後に基板の膜厚分布が解消していることを意味する。よって、膜厚分布が解消されれば、ＩＢＥ工程によって膜厚分布を有する膜を全て除去しなくてもよいが、膜厚分布を有する膜を全て除去し、さらに必要に応じてその下層の膜まで除去しても構わない。
従って、図３のＦＥＴの製造プロセスにおいては、ＩＢＥ工程において、少なくともゲート絶縁膜２１０の膜厚分布を解消すれば良く、ＩＢＥ工程によって、膜厚の均一なゲート絶縁膜２１０を残しても、ゲート絶縁膜２１０を全て除去してもよく、さらにはＣＭＰストッパ膜２０６の一部或いは全部を除去しても構わない。
本発明に係るＩＢＥ装置は、プラズマ発生室１０２の外部であり前記プラズマ発生室１０２のグリッド１０９と対向する天井部の外周に設けられた外側コイル１０６ｂと、前記天井部の内周に設けられた内側コイル１０６ａとを備え、各々独立して電流値を制御可能である。この２つのコイルの各々の電流値を制御することで、プラズマ発生室１０２内のプラズマ密度の面内分布を調整することが可能となる。プラズマ発生室１０２内のプラズマ密度を変化させると、各点におけるプラズマ密度に応じてグリッド１０９から引き出されるイオンビーム量も変化する。即ち、プラズマ密度が高い点では引き出されるイオンビーム量も大きくなり、プラズマ密度が低い点では引き出されるイオンビーム量も小さくなる。
本発明では、プラズマ発生室１０２内において基板１１１面内の中心部に対向する位置ではプラズマ密度分布を高くし、プラズマ発生室１０２内において基板１１１面内の外周部に対向する位置ではプラズマ密度分布を低くする。これにより基板１１１面内の中心部のイオンビームによるエッチングレートを基板１１１面内の外周部よりも大きくし、ＣＭＰ工程で生じた基板１１１面内の膜厚分布を補正してエッチングを行う。
通常、プラズマ発生室１０２内において基板１１１面内方向で均一なプラズマ密度分布を得るためには、内側コイル１０６ａと外側コイル１０６ｂに流す電流を同一とする。これに対し、本実施形態では中央部のエッチングレートを大きくするために、外側コイル１０６ｂの電流値を内側コイル１０６ａに対して大きくする。
図４に、内側コイル１０６ａと外側コイル１０６ｂに流す電流を変化させた時の、基板１１１の各点におけるエッチングレートの変化を示す。エッチング対象としてＳｉＯ2を用いた。図４の縦軸はエッチングレートを、横軸は基板１１１面内の中心部を０として、該中心部から半径方向の距離を示す。また、各プロットを結ぶ線に示す数値は内側コイル１０６ａ及び外側コイル１０６ｂに流す電流値を示しており、数値の左側が内側コイル１０６ａに流す電流、数値の右側が外側コイル１０６ｂに流す電流を示している。図４から分かるように、内側コイル１０６ａと外側コイル１０６ｂに流す電流値が等しい場合（５０／５０）、基板１１１中心部と基板１１１外周部におけるエッチングレートはほぼ等しいが、外側コイル１０６ｂに流す電流を増加させた場合（５０／６０）には、基板１１１中心部におけるエッチングレートが上昇していく。
尚、この時の他の条件としては以下の通りである。エッチングガスとしてＡｒガスを用い、プラズマ発生室２内に流すＡｒガスの流量を２０ｓｃｃｍとした。第１電極１１５に印加する電圧は２００Ｖ、第１電極１１５に流れる電流は４００ｍＡになるように設定した。グリッド１０９から引き出されたイオンビームは、試料表面に対して垂直に入射するように設定した。イオンビームの照射と同時にニュートラライザから基板１１１に向けて電子を放出した。ニュートラライザは、ホローカソード型の陰極でプラズマを生成し、陽極との電位差により電子を引き出した。
内側コイル１０６ａ及び外側コイル１０６ｂに流す電流の向きについて図５を用いて説明する。内側コイル１０６ａはプラズマ発生室１０２の中心において、プラズマ発生室１０２から基板１１１に向かう方向と反対方向の磁場を形成し、外側コイルはプラズマ発生室１０２から基板１１１に向かう方向と同方向の磁場を形成する。また永久磁石１１８はプラズマ発生室１０２側がＮ極となるように設けられている。
プラズマ発生室１０２内で放電を開始した後に、上述したようにプラズマ発生室１０２内にプラズマ密度分布を形成してイオンビームを引き出し、基板１１１に照射する。このＩＢＥ工程により、ＣＭＰ工程後の基板１１１上の膜を数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さでエッチングすることで、基板１１１面内における膜厚分布を補正することができ、その結果、基板１１１に形成されたＦＥＴのＶｔのばらつきを低減することができる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、ＣＭＰ工程後の基板面内の膜厚分布をプラズマ発生室１０２内のプラズマ密度を調整することで補正した。これに対して本実施形態では、グリッド１０９におけるイオン通過孔の開口密度をグリッドの面内で異ならせることで基板面内の膜厚分布の補正を行う。
グリッド１０９に形成されるイオン通過孔は、その数が多いほど、もしくはイオン通過孔の直径が大きいほど、多くのイオンビームが引き出される。従って、グリッド１０９のイオン通過孔の開口密度を、基板１１１中心部と対向する位置においては大きく、基板１１１面内の外周部に対向する位置では小さくすることで基板１１１面内の中心部と外周部のエッチングレートを異ならせることができる。
尚、本発明においてグリッド１０９のイオン通過孔とは、第１電極１１５、第２電極１１６及び第３電極１１７を含む電極アセンブリであるグリッド１０９のイオン通過孔を言う。例えば、第１電極１１５と第２電極１１６のイオン通過孔が同じ直径で同じ位置に形成されており、第３電極１１７のイオン通過孔が同じ位置に形成されているが、その直径が他の電極に対して小さい場合を考える。この時グリッド１０９のイオン通過孔は実質的に第３電極１１７のイオン通過孔により規定される。反対に第２電極１１６と第３電極１１７のイオン通過孔が同じ直径で同じ位置に形成されており、第１電極１１５のイオン通過孔が同じ位置に形成されているが直径が他の電極に対して小さい場合は、グリッド１０９のイオン通過孔は実質的に第１電極１１５のイオン通過孔により規定される。
イオン通過孔の開口密度とは、グリッド１０９の各点における、電極部分に対するイオン通過孔の面積の割合を言う。イオン通過孔の開口密度が周辺に比べて中心部の方が大きい例としては以下の態様がある。１つ目は、中心部と外周部でイオン通過孔の直径が等しく、中心部と外周部では単位面積当たりのイオン通過孔の数が中心部の方が多い場合である。２つ目は中心部と外周部では単位面積当たりのイオン通過孔の数が等しく、中心部と外周部ではイオン通過孔の直径が中心部の方が大きい場合である。３つ目はこれらの両方の条件を備える場合である。尚、イオン通過孔は通常、円形であるため、面積の大小は直径の大小で示されるが、本発明においてイオン通過孔は円形には限定されない。
ＣＭＰ工程後の基板面内の膜厚分布は一定の再現性があるため、本実施形態のようにグリッド１０９のイオン通過孔を該膜厚分布を補正するように調整することが可能である。
図６に本実施形態のグリッド１０９の構成例を示す。図６は第１電極１１５及び第１電極１１５に形成されたイオン通過孔を示す。第２電極１１６及び第３電極１１７にも同様のイオン通過孔が形成され、各点におけるイオン通過孔が重なるように第１電極１１５〜第３電極１１７が組み立てられる。図６に示す第１電極１１５は中心部と外周部でイオン通過孔１１５ａの数が異なる。具体的には、イオン通過孔１１５ａの直径は同じであるが、イオン通過孔１１５ａが形成されている間隔が外周部では中心部の１．５倍となっている。
このような図６に示す形態に限らず、例えばグリッド１０９の中心部から外周部にかけて段階的にイオン通過孔の開口密度を変化させていってもよい。
（第３の実施形態）
上述した第２の実施形態では、グリッド１０９におけるイオン通過孔の開口密度をグリッドの面内で変化させることで基板１１１面内の膜厚分布の補正を行った。本実施形態も第２実施形態と同様にグリッド１０９におけるイオン通過孔の開口密度をグリッド１０９の面内で異ならせるが、加えてグリッド１０９におけるイオン通過孔の開口密度を変化させる機構を備えることを要旨とする。
図７は本実施形態に係るＩＢＥ装置を説明するための図であり、本実施形態の要旨を説明するためにプラズマ発生室１０２周辺を拡大して図示し、上記実施形態で述べた構成と同様のものは一部記載を省略している。
固定部材１２３は第１電極１１５と第２電極１１６を連結し、処理室１０１の内壁に固定している。支持部材１２１は第３電極１１７を、第１電極１１５と第２電極１１６から独立して支持している。回転駆動部１２２は第３電極１１７を面内で回転させるための装置であり、支持部材１２１上に設けられる。第３電極１１７を回転させるための機構としては、例えば第３電極１１７の外縁に鋸溝が形成されており、回転駆動部１２２のギアと嵌合し、該ギアが回転駆動部１２２のモータによって回転可能に構成される。
第３電極１１７を面内において周方向に回転させると、第１電極１１５と第２電極１１６とのイオン通過孔の位置ずれは、中心部においては大きくないが、外周部に行くほど大きくなる。即ち外周部に行くほど、グリッド１０９のイオン通過孔の開口密度が低下する。従ってグリッド１０９から引き出されるイオンビームも、基板１１１面内の外周部に対向する位置よりも基板１１１面内の中心部に対向する位置の方が多くなり、基板１１１面内の外周部よりも中心部でエッチングレートが大きくなる。
本実施形態によれば、所望のプロセスに応じて第３電極１１７を回転させることで、基板１１１面内の外周部と中心部とのエッチングレートの割合を適宜変更することが可能となる。また後述するＣＭＰ工程後の膜厚測定結果を受けての制御によって、より均一な加工が可能となる。尚、回転させる電極としては、ＩＢＥ工程後の基板１１１面内の膜厚分布及びイオンビーム特性の観点から第３電極１１７が望ましいが、第１電極１１５及び第２電極１１６を回転させることでも基板１１１面内の膜厚分布の補正を行うことが可能である。
（第４の実施形態）
本発明の要旨はＣＭＰ工程後に存在する基板１１１面内の膜厚分布をＩＢＥ工程により補正することであるが、ＩＢＥは対象とする物質によってエッチングレートが異なる。上述したとおり、図３に示したＦＥＴの製造プロセスにおいては、ＣＭＰ工程によりゲート絶縁膜２１０が露出するまで加工した後にＩＢＥ工程を行ってゲート絶縁膜２１０をエッチングするが、この時、ＳｉＯ2からなるゲート絶縁膜２１０やＳｉＮからなるＣＭＰストッパ膜２０６といった構成材料がＳｉ系化合物からなる膜は、ＴｉＮなどのＴｉ系化合物からなる拡散防止膜２１１よりもエッチングレートが大きい。そのため、ＩＢＥ工程後にトレンチ（図３（ａ）中の２００）内の拡散防止膜２１１がゲート絶縁膜２１０やＣＭＰストッパ膜２０６よりも突出する恐れがある。このような導電性の突起部は、その後に例えばＳｉＮからなるキャップ膜を成膜し、高融点金属シリサイド膜へのコンタクトプラグを形成する際に、コンタクトプラグ形成ポイントの位置ズレが生じた際の隣接するコンタクトプラグとの接触等の問題を引き起こす可能性がある。
図８に各物質のＩＢＥ工程におけるイオンビーム入射角とエッチングレートの関係を示す。なお、被エッチング材に垂直方向にイオンビームが入射した際の入射角度を０度としている。例えば入射角４５度においてＳｉＯ2は約１４５Å／ｍｉｎであるのに対してＴｉＮは約６０Å／ｍｉｎである。
このためＩＢＥ工程を行う際に、ゲート絶縁膜２１０であるＳｉＯ2が削れやすい。特にＩＢＥ工程においては、ＣＭＰ工程で生じた基板１１１面内の膜厚分布以外にも、面粗さを補正するためにある程度の傾きをもって基板１１１にイオンビームを入射させることが望ましい。しかし、図８によると、平坦化のために好ましい４５度以上の角度になると、ＳｉＯ2とＴｉＮのエッチングレートの差も大きくなってしまう。
本実施形態ではこのようなゲート絶縁膜２１０とＴｉ系金属のエッチングレートの差を低減し、ＣＭＰ工程により生じた基板１１１面内の膜厚分布を補正するにあたっての自由度を向上させることを目的とする。
上述した実施形態のいずれも、プラズマ発生室１０２内には不活性ガスを導入して放電させ、不活性ガスのイオンを引き出していた。これに対して本実施形態ではプラズマ発生室１０２内に、不活性ガスに加えて塩素（Ｃｌ2）含有ガスを導入する。ＳｉＯ2とＴｉＮでは、ＴｉＮの方がＣｌ2ガスとの反応性が高いため、不活性ガスとＣｌ2ガスとの混合ガスを用いて塩素イオンを含んだイオンビームを基板１１１に照射することで、ＴｉＮのエッチングレートを向上させることができ、トレンチ内での拡散防止膜２１１の突出を防止することができる。
ＴｉＮからなる拡散防止膜２１１を設けない場合や該拡散防止膜２１１にＳｉＯ2に対して選択的にエッチング可能な材料を用いる場合は、ＳｉＯ2と導電膜２１２とのエッチング選択性を得るためにＡｒとＯ2の混合ガス、もしくはＡｒとＮ2の混合ガスを用いてＩＢＥ工程を行ってもよい。
次に、本発明に係る実施形態を実行するために用いられる制御装置について図９を用いて説明する。
本発明に係るＩＢＥ装置を動作させるための制御装置３０１は主制御部（不図示）及び記憶装置（不図示）を備え、本発明に係る種々の基板処理プロセスを実行する制御プログラムが格納されている。例えば、制御プログラムは、マスクＲＯＭとして実装される。或いは、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などにより構成される記憶装置に、外部の記録媒体やネットワークを介して制御プログラムをインストールすることも可能である。
制御装置３０１の主制御部は、内側コイル１０６ａや外側コイル１０６ｂに接続された電源３０２，３０３、放電用電力を印加する電源３０４、第１電極１１５や第２電極１１６に接続された電源３０５，３０６や、基板ホルダ１１０、排気手段、ガス導入系の駆動機構３０７，３０８，３０９、及びゲートバルブ３１０等とそれぞれ電気的に接続されている。このように本発明に係るＩＢＥ装置の各要素と接続することでＩＢＥ装置の動作を管理し、制御できるように構成されている。
（第５の実施形態）
本実施形態について図１０を用いて説明する。本実施形態では、図３に示したＦＥＴの製造プロセスにおいて、図１０（ａ）に示すようにＣＭＰストッパ膜２０６の下にハードマスク２１３が挿入されている。
第４の実施形態で述べたように、ＣＭＰ工程後のＩＢＥ工程で基板１１１面内におけるゲート絶縁膜２１０の膜厚分布を補正する際に、トレンチ内に形成されているＴｉＮからなる拡散防止膜２１１とその外部のＳｉ系化合物、具体的にはＳｉＯ2からなるゲート絶縁膜２１０やＳｉＮからなるＣＭＰストッパ膜２０６とではイオンビームによるエッチングレートが大きく異なり、ＩＢＥ工程後に拡散防止膜２１１が突出する恐れがある。
そこで、本実施形態では、ＣＭＰストッパ膜２０６の下層にＴｉ系化合物よりもエッチングレートが小さい材料からなるハードマスク２１３を設けておく。ハードマスク２１３は例えばＡｌ2Ｏ3やカーボン膜などから構成され、イオンビームを照射した際のエッチングレートがＴｉ系化合物よりも小さい材料が用いられる。
本実施形態では、ハードマスク２１３を設けることにより、ＩＢＥ工程においてＣＭＰストッパ膜２０６が除去されてハードマスク２１３が露出すると、トレンチ内に残されたＴｉＮからなる拡散防止膜２１１が選択的にエッチングされ、図１０（ｂ）に示すように、隣接するトレンチ内のゲート絶縁膜２１０や絶縁膜２０５よりも突出するのが防止される。よって、ＳｉＮからなるキャップ膜２１４を成膜した際にも、図１０（ｃ）に示すように拡散防止膜２１１が突出せずに平坦な表面が得られ、上記した隣接するコンタクトプラグ間での接触等の問題が回避される。
ハードマスク２１３は、コンタクトプラグ間の絶縁を採るために絶縁材で構成されることが望ましいが、炭素膜などの導電性膜で構成し、ＩＢＥ工程による膜厚分布補正の際もしくは補正後に除去するようにしてもよい。
さらにゲート絶縁膜２１０と導電膜２１２とのエッチング選択性を得るためにＡｒとＯ2の混合ガス、もしくはＡｒとＮ2の混合ガスを用いてＩＢＥ工程を行ってもよい。
（第６の実施形態）
本実施形態では、ＣＭＰ工程後に基板面内の膜厚分布を測定し、その後のＩＢＥ工程における膜厚分布補正の強度を調整することを特徴とする。即ち、本実施形態は、第１の実施形態、第３の実施形態もしくは第４の実施形態において、ＣＭＰ工程後にゲート絶縁膜２１０の膜厚分布の測定を行い、その測定結果に応じて、ＩＢＥ工程を制御することを特徴とする。
ＣＭＰ工程後の膜厚測定は、ゲート絶縁膜２１０の膜厚を、図１１に示す光学式計測装置を用いることで行う。膜厚計測装置は検出光学系４００、光学系移動部５００、ステージ部６００、膜厚計測処理部（不図示）で構成される。
ステージ部６００は基板６０４を載置する回転ステージ６０１、回転ステ−ジ６０１の特定位置の通過を検出する光電センサ６０２、回転ステージ６０１を回転する駆動モータ６０３から構成される。ＣＭＰ工程後の基板６０４表面の分光波形を検出する検出光学系４００は対物レンズ４０１、ハーフミラー４０２、結像レンズ４０３、リレーレンズ４０４、空間フィルタ４０５、視野絞り４０６、照明光源４０７、分光器４０８から構成される。
照明光源４０７はキセノンランプ又はハロゲンランプ等の白色照明光源で白色照明光をハーフミラー４０２、対物レンズ４０１を介して基板６０４に照射する。基板６０４からの反射光は対物レンズ４０１、ハーフミラー４０２、結像レンズ４０３、リレーレンズ４０４、空間フィルタ４０５、視野絞り４０６、を介して分光器４０８に導かれる。
分光器４０８で分光された分光波形は電気信号として不図示の膜厚計測処理部に入力され、膜厚を算出して基板６０４面内の膜厚分布を求める。光学系移動部５００は光学系移動ガイド５０１、駆動モータ５０２で構成され、検出光学系４００を回転ステージ６０１の半径方向に移動することによって基板６０４全面の分光波形を検出する。膜厚計測処理部における周波数・位相解析処理部では波形補正された分光波形の横軸を波長の逆数に変換し、分光波形の周波数・位相解析を行う。その解析結果に基づいて膜厚算出を行う。
上述した膜厚計測装置により、ＣＭＰ工程後の基板面内の膜厚分布を求め、該測定結果を図９の制御装置３０１に入力し、該測定結果に応じてＩＢＥ工程を制御することでより精度良く基板面内の膜厚分布を補正することが可能となる。
該測定結果に応じて制御を行うＩＢＥ工程におけるパラメータとしては以下の態様が挙げられる。
第１の実施形態においては外側コイル１０６ｂ及び内側コイル１０６ａに流す電流値、第３の実施形態においては第３電極１１７の電極板面内の回転量、第４の実施形態においてはＣｌ2ガスの導入量である。また各実施形態においてグリッド１０９を構成する各電極に印加する電圧を制御してもよい。
以上、上述した実施形態では全てＣＭＰ工程後の基板面内の膜厚分布は、基板面内の中心部の膜厚が外周部より厚い場合であった。本発明はこれに限らず、基板面内の中心部の膜厚が外周部より薄い場合にも適用可能である。例えばＣＭＰ工程において中心部のパッド圧力を高くして研磨した場合や、予め中心部のみを研磨した後に基板全体を研磨した場合などである。
このような場合は基板１１１面内の外周部におけるエッチングレートが、基板１１１面内の中心部よりも高くなるようにＩＢＥ工程を行う。上述した第１実施形態においては基板１１１面内の外周部に対向する位置における、プラズマ発生室１０２内のプラズマ密度を、基板１１１面内の中心部に対向する位置よりも大きくすることで達成可能である。また、第２実施形態では基板１１１面内の外周部に対向する位置のグリッド１０９のイオン通過孔の開口密度を、基板１１１面内の中心部に対向する位置よりも大きくすることで達成可能である。
以上、ゲートラスト構造のＦＥＴの製造において、ＣＭＰ工程によってゲート絶縁膜に膜厚分布が生じる場合を例に挙げて本発明の実施形態を説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、ＣＭＰ工程によって膜厚分布が生じる場合であれば、いかなる半導体装置の製造方法にも好ましく適用される。
１０１：イオンビーム発生装置、１０１：処理室、１０２：プラズマ発生室、１０２ａ：プラズマ発生室の内部空間、１０２ｂ：プラズマ発生室の開口、１０３：排気手段、１０４：ベルジャ、１０５：ガス導入部、１０６：電磁コイル、１０６ａ：内側コイル、１０６ｂ：外側コイル、１０７：整合器、１０８：ＲＦアンテナ、１０９：グリッド、１１０：基板ホルダ、１１１：基板、１１２：ＥＳＣ電極、１１５：第１電極、１１５ａ：イオン通過孔、１１６：第２電極、１１７：第３電極、１１８：永久磁石、１２０：固定部材、１２１：支持部材、１２２：回転駆動部、１２３：固定部材、２００：トレンチ、２０１：ｎ型ウェル、２０２：ｐ型ソース領域又はｐ型ドレイン領域、２０３：高融点金属シリサイド膜、２０４：ストレスライナー膜、２０５：絶縁膜、２０６：ＣＭＰストッパ膜、２０７：ＳｉＮ膜、２０８：ＳｉＯ2膜、２０９：ＳｉＮ膜、２１０：ゲート絶縁膜、２１１：拡散防止膜、２１２：導電膜、２１３：ハードマスク、２１４：キャップ膜、３０１：制御装置、３０２：外側コイル接続電源、３０３：内側コイル接続電源、３０４：放電用電源、３０５：第１電極接続電源、３０６：第２電極接続電源、３０７：基板ホルダ駆動機構、３０８：排気手段、３０９：ガス導入系、３１０：ゲートバルブ、４００：検出光学系、４０１：対物レンズ、４０２：ハーフミラー、４０３：結像レンズ、４０４：リレーレンズ、４０５：空間フィルタ、４０６：視野絞り、４０７：照明光源、４０８：分光器、５００：光学系移動部、５０１：光学系移動ガイド、５０２：駆動モータ、６００：ステージ部、６０１：回転ステージ、６０２：光電センサ、６０３：駆動モータ、６０４：基板

Claims (3)

  1. プラズマ発生室と、
    基板を処理する処理室と、
    前記処理室と前記プラズマ発生室との間に設けられ、前記プラズマ発生室からイオンを引き出しイオンビームを形成するためのグリッドと、
    前記プラズマ発生室に放電用ガスを導入するためのガス導入部と、
    前記処理室内を排気するための排気手段と、
    前記処理室内に設けられた基板を載置するための基板ホルダと、
    前記基板の処理が行われる前の面内膜厚分布の測定結果が入力される制御部と、
    前記プラズマ発生室の外部であって、前記プラズマ発生室の前記グリッドと対向する天井部に設けられた電磁コイルと、を備えたイオンビームエッチング装置であって、
    前記電磁コイルは前記天井部の外周に設けられた外側コイルと、前記天井部の内周に設けられた内側コイルとを有し、前記外側コイル及び前記内側コイルは互いに独立して電流値が制御可能であり、
    前記制御部は、前記制御部に入力された前記測定結果に応じて前記外側コイル及び前記内側コイルに流す電流を制御することを特徴とするイオンビームエッチング装置。
  2. 前記内側コイルは前記プラズマ発生室の中心において、前記プラズマ発生室から前記基板に向かう方向と反対方向の磁場を形成し、前記外側コイルは前記プラズマ発生室から前記基板に向かう方向と同方向の磁場を形成することを特徴とする請求項１に記載のイオンビームエッチング装置。
  3. 請求項１又は２に記載のイオンビームエッチング装置に用いられる制御装置であって、
    基板の面内膜厚分布の測定結果が入力され、
    該測定結果に基づき、プラズマ発生室の外部であり前記プラズマ発生室のグリッドと対向する天井部の外周に設けられた外側コイルと、前記天井部の内周に設けられた内側コイルとの各々の電流値を制御することを特徴とする制御装置。
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