JP3445886B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法及び半導体装置の製造装置に係り、特にドライエッ
チング工程の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造工程において、ドライエッ
チングは、主として被加工物をパターニングする際に使
用される加工方法である。パターニングの代表的な工程
は、残存部と開口部とからなる所定のパターンを有する
レジスト膜を被加工物の上に形成するフォトリソグラフ
ィー工程と、このレジスト膜の開口部下方の被加工物を
除去するドライエッチング工程とからなる。

【０００３】ここで、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極のパタ
ーニング工程を例にとって説明する。図１８（ａ）に示
すように、シリコン基板６上にゲート酸化膜となるシリ
コン酸化膜７と、ゲート電極となるポリシリコン膜４と
を順次堆積した後、その上にレジストを塗布してレジス
ト膜５を形成する。そして、フォトリソグラフィー工程
によってレジスト膜５に残存部と開口部とからなるパタ
ーンを形成する。このレジスト膜５をエッチングマスク
として、ポリシリコン膜４のドライエッチングを行う。
なお、同図（ａ）において、符号１は活性種、２はイオ
ン、３はエッチング生成物を示す。

【０００４】その際、レジスト膜５の開口部下方のポリ
シリコン膜に凹部９が形成され、レジスト膜５の残存部
下方のポリシリコン膜４に凸部８が形成される。また、
図１８（ａ）に示す凸部８には、隣接する凸部との間の
距離が大きい孤立した凸部８ａ（以下、孤立凸部とい
う）と、各凸部間の距離が小さい密集した凸部８ｂ（以
下、密集凸部という）があり、同様に、各凸部８ａ，８
ｂの両側には孤立凹部９ａと密集凹部９ｂとがある。そ
して、レジスト膜５の開口部下方のポリシリコン膜４を
すべて除去することにより、各凸部８ａ，８ｂがゲート
電極となり、これによってゲート電極のパターニングが
終了する。エッチャントとして反応性ガスを用いるドラ
イエッチングは、被加工物の除去によって形成される凸
部８ａ，８ｂの側壁に、被加工物とエッチングガスとの
反応やエッチングガスの分解等によって生じるエッチン
グ生成物を付着させて、横方向へのエッチングの進行を
妨げることにより、専ら下方へのエッチング作用のみを
発揮させるいわゆる異方性エッチングを行うことができ
る。このような異方性エッチングによって、ほぼ垂直な
側壁を有する凸部８ａ，８ｂを形成することができ、凸
部８ａ，８ｂの横方向寸法をレジスト膜５の残存部の横
方向寸法にほぼ一致させることができるので、現在で
は、ドライエッチングは半導体の微細加工において必要
不可欠な技術となっている。

【０００５】ところで、近年、半導体装置の微細化技術
が進むにつれて、フォトリソグラフィー工程及びドライ
エッチング工程を含むパターニング工程において、マス
ターパターンと被加工物のパターンとの間に生じる寸法
変換差（ＣＤゲイン（Critical Dimension Gain ）又は
ＣＤロス（Critical Dimension Loss ））が問題となっ
ている。フォトリソグラフィー工程ではレジスト膜が被
加工物であるので、寸法変換差とは、レチクルのパター
ンとレジスト膜のパターンとの寸法差である。ドライエ
ッチングにおける寸法変換差とは、レジスト膜のパター
ンとドライエッチング後の被加工物のパターンとの寸法
差であり、具体的には、レジスト膜の残存部と被加工物
に形成される凸部の下端部との横方向寸法差である。こ
のような寸法変換差を生ぜしめる主な要因としては、 １）フォトリソグラフィー工程：ポストベーク時でのパ
ターン用のレジスト材料の熱的な伸縮・膨脹や露光時の
焦点のずれ等による解像の違い ２）ドライエッチング工程：エッチング中に凸部の側壁
の付着物が過剰であることによって生じる凸部の下端部
寸法の増大や、凸部の側壁の付着部が過少なためにサイ
ドエッチングが進むことによって生じる凸部の下端部寸
法の減小などがある。

【０００６】まず、ドライエッチングにおける寸法変換
差について説明する。例えば、従来のＲＩＥ（Reactive
Ion Etching ）によるポリシリコン膜のエッチング
では、特にＨＢｒガスを使用すると寸法変換差が発生し
易いことが知られている。特に、図１８（ａ）に示す凸
部８のうち孤立凸部８ａでは密集凸部８ｂよりも寸法変
換差が大きい。例えば、ゲート長０．５μｍ程度に対応
するポリシリコン膜のパターニングの際、孤立凸部８ａ
では、図１８（ｂ）に示すように、レジスト膜の残存部
の幅Ｗ1 に対する凸部８ａの下端部の幅Ｗ2 の寸法増大
量が０．０５μｍ程度となり、密集凸部８ｂでは、図１
８（ｃ）に示すように、レジスト膜５の残存部の幅Ｗ1
に対する凸部８ｂの下端部の幅Ｗ2 の寸法増大量はほぼ
０．００μｍとなる傾向がある（つまり、０．００５μ
ｍよりも小さい）。一般的に、１つの半導体装置内に
は、トランジスタが密集したメモリセルアレイ等と各ト
ランジスタが孤立した周辺回路等とが混在しているの
で、トランジスタの存在場所によって、ゲート等のマス
クからの寸法変換差がばらつくことになる。その結果、
例えば周辺回路内のＭＯＳＦＥＴのゲート長の精度が悪
化するので、デバイスの電気特性のばらつきや歩留りに
問題が生じていた。

【０００７】このような大きな寸法変換差の発生を防止
すべく、ドライエッチング工程では、ＨＢｒを使用しな
いプロセスも行われている。例えば高真空エッチャー
（電子サイクロトロン共鳴を利用したＥＣＲや、ヘリコ
ン波を利用したプラズマソースなど）が導入され、寸法
変換差を低減することが試みられてきた。

【０００８】一方、フォトリソグラフィー技術において
は、寸法変換差を低減する１つの方法として、露光用光
源の短波長化や光学系の機械的精度の改善がある。現
在、露光用光源の波長と同じ程度の加工精度が得られる
程度にまで、機械的精度が向上している。例えば０．３
５μｍルールのデバイスに対して、現状の標準的な加工
精度は、ｉ線露光によれば約±０．０４μｍ程度であ
る。

【０００９】また、フォトリソグラフィー工程における
寸法変換差も、パターンの種類によってばらつくことが
知られている。一般に、孤立凸部における寸法変換差の
方が、密集凸部における寸法変換差よりも大きい。フォ
トレジスト工程において生じる寸法変換差に対しては、
これまでフォトリソグラフィー工程における寸法変換差
を予め考慮してフォトリソグラフィー用のレチクルパタ
ーンのサイズを縮小しておくことによって、ある程度寸
法変換差を解消するようにしている。

【００１０】さらに、米国をはじめ、国内各社は、将来
の半導体製造工場の形態が、各々の製造プロセスをコン
ピューター管理により制御する形態が主流となると予想
し、実際にその形態を実現する試みもなされている。す
なわち、各製造プロセスにおける被加工物の基本特性を
向上させるだけではなく、ウエハ一枚一枚を管理するこ
とにより、将来の半導体事業に要望されている多品種少
量生産に対応するためである。したがって、ウエハ間の
寸法変換差のばらつきを管理することにより、デバイス
特性のばらつきを低減することが重要視されつつある。
また、各プロセスを制御し、ウエハ毎の情報を管理し、
個々の製品の特性のばらつきをできるだけ抑制して、均
一な性能をもった製品を製造する試みもなされている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ド
ライエッチング工程やフォトリソグラフィー工程におい
ては、以下のような問題があった。

【００１２】ドライエッチング工程においては、高真空
エッチャー等でも、現実には、孤立凸部の寸法変化差が
大きくなり、孤立凸部と密集凸部との間における寸法変
換差のばらつきが生じており、現在の技術ではこのよう
な寸法変換差のばらつきの解消は困難である。今後、さ
らに微細化が進むと、寸法変換差のばらつきは、歩留り
低下をもたらす主原因の一つになると予想されるが、以
上のように、従来のＲＩＥタイプのエッチャーはもとよ
り高真空エッチャーにおいても寸法変換差のばらつきを
抑制することは非常に困難であった。

【００１３】また、トランジスタの所望の特性を得るた
めに、エッチングにより形成される凸部例えばゲート電
極等の断面形状を自由に制御することが今後重要になる
と予想されるが、ドライエッチングにより形成される被
加工物の断面形状の制御は極めて困難であった。

【００１４】一方、フォトリソグラフィー工程において
は、露光光の短波長化も限界に近付き、機械的精度例え
ばレンズの精度や部品の位置決め精度なども限界に近づ
いている。したがって、それほど大幅な加工精度の向上
は困難な現状にある。加えて、上述のごとくレチクルパ
ターンの縮小等によって寸法変換差を低減できたとして
も、フォトリソグラフィー工程においてもウエハ間にお
ける寸法変換差のばらつきが生じる。この寸法変換差の
ばらつきが生じていることは認識されているものの、フ
ォトリソグラフィー技術におけるウエハ間の寸法変換差
のばらつきは、機械的な制約からの部分が大きく、根本
的に解消することは困難である。一方、デバイスのサイ
ズの微細化にともない、従来では問題にならなかった程
度の寸法変換差のばらつきが問題となってきている。

【００１５】そこで、仮に、ウエハレベルでの情報管理
を行ない、フォトリソグラフィー工程でのウエハ毎の寸
法変換差の情報に基づいて、ドライエッチング工程での
寸法変換差を制御し、できるだけ最終的な寸法変換差
を、ウエハ間で一定になるようにできれば、均一な特性
をもったデバイスを製造することができる。あるいは、
上記した、フォトリソグラフィー用マスクの縮小などに
より、孤立凸部と密集凸部の仕上がりサイズを同じ程度
にすることも可能になる。

【００１６】すなわち、フォトリソグラフィー工程での
寸法変換差とドライエッチング工程での寸法変換差の
“和”を一定にすることにより、最終的なウエハ間の寸
法変換差の“ばらつき”を低減することができる。

【００１７】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、フォトリソグラフィー工程で発生し
た寸法変換差とドライエッチング工程の寸法変換差との
和、つまりエッチングマスク形成用レチクルのマスター
パターンと最終的な被加工物のパターンとの間の寸法変
換差が一定となるように、ドライエッチング工程での寸
法変換差を制御することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】

（寸法変換差の発生メカニズムの解明）まず、発明の実
施の過程において解明された寸法変換差の発生のメカニ
ズムについて説明する。

【００１９】一般に、ドライエッチングの過程におい
て、プラズマ化されたガスと被エッチング部の分解物と
の反応等によってエッチング生成物が生じる。そして、
このエッチング生成物が凹部の側部に付着して、側部の
エッチングが進行するのを適度に妨げることで、適正な
異方性エッチングが行われる。しかし、特に、被エッチ
ング部の各凸部が互いに孤立した部分では、凸部の下端
部がエッチングマスクの残存部の幅よりも広くなる現象
が生じやすい。これは、各凸部間の距離つまり凹部の幅
が広いので凹部で発生するエッチング生成物が多くな
り、過度に多くのエッチング生成物が側壁に付着しエッ
チングの妨害作用が強すぎる結果を招くと考えられる。
このような寸法変換差のばらつきが生じるメカニズムに
ついて、本発明の過程において解明された点を上記図１
８（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。

【００２０】図１８（ａ）に示すように、一般的に、凹
部９では活性種１が被エッチング部であるポリシリコン
膜４に付着し、イオン２が入射して、その運動エネルギ
ーにより反応が促進されてエッチングが進行する。とこ
ろが、エッチングによって生成されるエッチング生成物
３の凸部８の側壁への付着量は、孤立凸部８ａと密集凸
部８ｂとでは異なる。つまり、孤立凸部８ａの両側の孤
立凹部９ａの幅は広いので、エッチングされる領域の面
積も広く、孤立凸部８ａの側壁に付着するエッチング生
成物３の量が多くなる。その結果、側壁を保護する堆積
物の膜厚が大きくなり、横方向へのエッチングを妨害す
る作用が大きくなる。したがって、孤立凸部８ａにおい
ては、図１８（ｂ）に示すように、孤立凸部８ａの下端
部の幅Ｗ2 がレジスト膜５の残存部の寸法つまり孤立凸
部８ａの上端部の幅Ｗ1 よりも大きくなる。一方、密集
凸部８ｂ間の密集凹部９ｂの幅は狭いので、エッチング
される領域の面積も小さく、各密集凸部８ｂの側壁に付
着するエッチング生成物の量が少なくなる。その結果、
側壁方向へのエッチング作用を妨害する作用が小さくな
る。したがって、図１８（ｃ）に示すように、密集凸部
８ｂの下端部の幅Ｗ1 が上端部の寸法Ｗ1 よりもほとん
ど増大することがない。このようにして、孤立凸部８ａ
の寸法変換差は、密集凸部８ｂの寸法変換差より大きく
なる。

【００２１】以上のメカニズムによって、１つのチップ
内に配置されるトランジスタ等のデバイスにおいて、寸
法変換差のばらつきが発生してしまうと推測される。

【００２２】 （本発明が講じた手段） 上記寸法変化差のばらつきの発生のメカニズムに着目
し、本発明では、凸部の断面形状を制御するとともに、
フォトリソグラフィー工程におけるエッチングマスク寸
法のばらつきに対応した寸法変換差をドライエッチング
工程で生ぜしめることにより、被エッチング部の仕上が
り寸法の精度を向上させ、かつ仕上がり寸法のばらつき
を解消すべく、以下の手段を講じている。

【００２３】 本発明の半導体装置の製造方法は、半導
体ウエハの被エッチング部の上にエッチングマスクを形
成するフォトリソグラフィー工程と、上記エッチングマ
スクの残存部の横方向寸法を測定する工程と、上記測定
結果に基づき上記反応室内のガスの圧力及び流量を決定
する工程と、上記半導体ウエハを反応室内に設置し、上
記反応室内にエッチング用ガスを導入する工程と、上記
ガスを用いてドライエッチングを行い、上記被エッチン
グ部における上記エッチングマスクの残存部下方には凸
部を上記エッチングマスクの開口部下方には凹部をそれ
ぞれ形成する工程とを備え、上記ドライエッチングを行
う工程では、上記ガスの圧力と流量とを決定する工程で
決定された条件に従いガスの圧力と流量とを調整するこ
とにより、上記ドライエッチングにより発生するエッチ
ング生成物の上記凹部外への排出割合と上記凸部側壁へ
の付着割合とを制御して、上記凸部の下端部と上記エッ
チングマスクの上記残存部との間における横方向寸法差
である寸法変換差を所定範囲に収める方法である。

【００２４】 本発明の半導体装置の製造方法のように
ガス圧力とガス流量とを制御することにより、被エッチ
ング部の寸法変換差を制御できる。この機構は解明され
ていないが、下記の作用によるものと推測される。

【００２５】ガスの圧力を増大させた場合、図１（ａ）
に示す活性種１及びエッチング生成物３の平均自由行程
λ（λはおもにエッチング圧力ｐにより決定される。）
が、反応室の寸法ｄ（あるいはウエハサイズ）に比べて
十分小さくなり（例えば、Ｐ＝１００ｍＴｏｒｒ、ｄ＝
２０ｃｍなど）、ガスの流れは、粘性流と呼ばれる領域
になる。このとき、中性ガスは、エッチング生成物が凸
部の側壁に付着しようとする際の抵抗として作用する。
さらに、ガス圧力とガス流量とが大きくなると、凹部９
に強い乱流が生じエッチング生成物が側壁に付着するの
を妨げる作用が強くなる。以上の２つの作用により、ガ
スの圧力及び流量が増大すると、エッチング生成物の凸
部側壁への付着割合が減小する。

【００２６】また、ガス圧力が高くなると単位体積当た
りのガスの重量が大きくなる（粘性が大きくなる）の
で、エッチング生成物の輸送効率が高くなり、エッチン
グ生成物を上方の空間に排出させる作用が大きくなる。
つまり、凸部の側壁の保護に寄与するエッチング生成物
３粒子は、バルクのガスの流速に引きこまれて排出され
る。加えて、反応室内では、流れがほとんどなく静圧状
態である凹部の底部付近や側壁付近に対してガスが流れ
る上方の空間が負圧になるが、ガス流量が大きくなると
負圧と正圧との圧力差が大きくなるので、エッチング生
成物の排出が促進される。すなわち、ガスの圧力又は流
量が増大すると、以上の作用と強い乱流の発生による作
用とによって、エッチング生成物３の上方空間への排出
割合が大きくなる。

【００２７】また、以上の逆の作用として、ガスの圧力
または流量を低減することにより、エッチング生成物３
の凸部側壁への付着割合が増大する。

【００２８】したがって、ガスの圧力と流量とを制御す
ることによって、以上の各作用のいずれかが主となり各
作用が互いに関連しあって、エッチング生成物の上方空
間への排出割合と側壁への付着割合とを制御することが
可能となる。さらに、エッチングマスクの寸法と被エッ
チング部の最終寸法との差を考慮して、ドライエッチン
グにおける寸法変換差を制御することが可能となり、被
エッチング部の最終仕上がり精度が向上する。

【００２９】すなわち、エッチングマスクを形成するフ
ォトリソグラフィー工程において、レチクル寸法とエッ
チングマスク寸法との差つまり寸法変換差のウエハ間の
ばらつきは、統計的ばらつきを含んでいる。それは、一
般に正規分布をなしている。その正規分布の中心値が、
一般に言われるフォトリソグラフィー工程での平均的な
寸法変換差である。一方、ドライエッチング工程におい
ても、レジストパターン寸法とエッチング後寸法の差、
すなわち寸法変換差のウエハ間のばらつきも、統計的な
ばらつきを含んでいる。それは同様に正規分布で与えら
れる。

【００３０】したがって、フォトリソグラフィー工程と
ドライエッチング工程とを何の関連をもたせることなく
行っていた従来の半導体装置の製造方法では、被エッチ
ング部の仕上がり寸法の平均値は、それぞれの工程の寸
法変換差の和だけ所望寸法よりもずれることになる。ま
た、被エッチング部の仕上がり寸法のばらつき（ウエハ
間のばらつき）は、統計学上、フォトリソグラフィー工
程及びドライエッチング工程における寸法変換差のばら
つきが重畳した大きなバラツキとなる。

【００３１】それに対し、この方法では、フォトリソグ
ラフィーにおいて生じた寸法変換差を是正するようにド
ライエッチング工程における寸法変換差が制御されるの
で、被エッチング部の仕上がり寸法の平均値が所望の寸
法にほぼ一致する。また、フォトリソグラフィー工程に
おいて生じたエッチングマスクの寸法のばらつきを解消
するようにドライエッチング工程における寸法変換差が
制御されるので、被エッチング部の仕上がり寸法のばら
つきが低減されることになる。被エッチング部の仕上が
り寸法の平均値が所望の寸法にほぼ一致する。また、フ
ォトリソグラフィー工程において生じたエッチングマス
クの寸法のばらつきを解消するようにドライエッチング
工程における寸法変換差が制御されるので、被エッチン
グ部の仕上がり寸法のばらつきが低減されることにな
る。

【００３２】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、上記ドライエッチングを行う工程では、予め上記反
応室内のガスの圧力を一定とし、上記ガス流量を外部パ
ラメータとして上記ガス流量を調整することが好まし
い。

【００３３】この方法により、圧力の制御よりも流量の
制御の方が容易かつ正確に行えることから、反応室内の
ガスの状態を被エッチング部の所望の仕上がり寸法を得
るために必要な状態に制御することが容易となる。

【００３４】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、上記エッチングマスクの残存部の寸法を測定する工
程と，上記ガスの圧力及び流量を決定する工程と、上記
ドライエッチング工程におけるガスの流量の制御は、各
ウエハごとに行うことが好ましい。

【００３５】この方法により、被エッチング部の仕上が
り寸法のばらつきを低減しながら、各ウエハの履歴を考
慮したドライエッチングを行うことができ、多品種少量
生産に適した半導体装置の製造方法となる。

【００３６】 この場合に、上記ガス流量とガス圧力と
を決定する工程では、一定のガス圧力下で上記寸法変換
差とガス流量とを双曲線関数で近似して、ガス流量を決
定することが好ましい。

【００３７】この方法により、寸法変換差とガス流量と
の関係が双曲線関数で近似し得るという実験的事実に基
づいて、ドライエッチング時の適正なガス流量が極めて
迅速に決定されるので、製造工程の進行がスムーズとな
る。すなわち、本発明の過程において、実験的に、一定
のガス圧力下で、寸法変換差ｄとガス流量ｆとは、下記
の双曲線関数 （ｄ−ｄo ）（ｆ−ｆo ）＝Ａ （ｄo ，ｆo 及びＡはガス圧力によって定まる定数）に
より近似できることが実験的に認められた。したがっ
て、予め、各被エッチング部の材種やガスの種類及び所
定のガス圧力下における寸法変換差とガス流量の関係を
上記双曲線関数により把握しておくことで、エッチング
マスクの残存部の寸法を測定すると、ドライエッチング
における適正なガス流量を即座に決定することが可能と
なる。

【００３８】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、上記エッチングマスクを形成する工程では、被エッ
チング部の孤立凸部上のエッチングマスクの残存部の横
方向寸法を被エッチング部の最終仕上がり寸法よりも一
定値だけ小さくなるようにエッチングマスクを形成する
ことが好ましい。

【００３９】この方法により、ドライエッチング工程で
は、被エッチング部の孤立凸部の下端部の横方向寸法を
エッチングマスクの横方向寸法よりも一定値だけ大きめ
にすることで、被エッチング部の仕上がり寸法を所望の
寸法に収めることができる。従って、寸法変換差を０に
するような厳しいドライエッチング条件が不要となり、
半導体装置の製造工程における管理が容易となる。

【００４０】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、上記反応室におけるガスの圧力が５ｍＴｏｒｒ以上
でガスの流量が１００ｓｃｃｍ以上であることが好まし
い。

【００４１】この方法により、ガスの粘性が高まり、か
つ凹部の側壁と上方空間との圧力差や乱流の強さが大き
くなるので、ガスによってエッチング生成物を凹部の上
方空間に輸送する効率が高められ、寸法変換差が確実に
低減される。

【００４２】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、上記被エッチング部内の上記凸部のうち少なくとも
１つを、下端部の横方向寸法が０．４μｍ以下で、両側
の凹部の横方向寸法がいずれも１μｍ以上となる孤立凸
部とすることが好ましい。

【００４３】この方法により、特に寸法変換差の大きい
孤立凸部の形状が改善されることになる。

【００４４】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、上記被エッチング部内の上記凸部のうち少なくとも
１つを、両側の凹部の横方向寸法がいずれも１μｍ以上
となる孤立凸部とし、上記被エッチング部内の上記凸部
のうちの他の複数個を、各凸部間の凹部の横方向寸法が
１μｍ以下である密集凸部とすることが好ましい。

【００４５】この方法により、以下の作用が得られ、被
エッチング部内における孤立凸部と密集凸部との間の寸
法変化差のばらつきが抑制される。すなわち、ガスの流
速を次第に増大させていくと、上述のように図１（ａ）
に示すエッチング生成物３の排出速度も増大し、エッチ
ング生成物３のエッチング表面での滞在時間が短くな
る。しかし、その滞在時間の短縮効果は、エッチングパ
ターンによって異なってくる。孤立凹部９ａにおいて
は、エッチング生成物３はガスの流れに左右されやす
く、その滞在時間の短縮効果は大きいのに対し、密集凹
部９ｂにおいては、凹部９ｂが狭く入りくんだ形状とな
っているために、エッチング生成物３の滞在時間がガス
の流れに左右されにくい。以上の理由により、エッチン
グ生成物３の側壁保護効果による密集凸部の寸法変換差
はほとんど変化しないのに対し、孤立凸部では、ガスの
流れの増大とともに寸法変換差が減少してゆくことにな
る。したがって、寸法変換差のばらつきが低減される。

【００４６】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、上記被エッチング部を、単結晶シリコン，ポリシリ
コン，Ａｌ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｍｏ及びＮ
ｉのうち少なくともいずれか１つを含む材料により構成
することが好ましい。

【００４７】この方法により、各種デバイスの電極や配
線の形状精度が向上し、電気的特性が良好となる。

【００４８】 本発明の半導体装置の製造装置は、被エ
ッチング部が残存部と開口部とからなるパターンを有す
るエッチングマスクで覆われた半導体ウエハを収納する
ための反応室と、上記反応室内にエッチング用ガスを供
給するガス供給手段と、上記ガスをプラズマ化して上記
被エッチング部の上記エッチングマスクの残存部下方に
凸部を形成する一方エッチングマスクの開口部下方に凹
部を形成するようドライエッチングを行うプラズマ発生
手段と、上記凸部の下端部と上記エッチングマスクの残
存部との横方向寸法差である寸法変換差を所定の範囲に
収めるように、上記反応室内のガスの圧力及び流量のう
ち少なくとも一方を制御する制御手段とを備えている。

【００４９】 この構成により、上述の本発明の半導体
装置の製造方法と同様の作用が得られる。

【００５０】 本発明の半導体装置の製造装置におい
て、上記ガス供給手段を上記反応室内に所定圧力のエッ
チングガスを供給するものとし、上記制御手段を上記反
応室内のガス流量を変化させるものとすることが好まし
い。

【００５１】この構成により、寸法変換差を容易に制御
することが可能となり、被エッチング部の仕上がり寸法
の精度の高い半導体装置が製造されることになる。

【００５２】 本発明の半導体装置の製造装置におい
て、上記制御手段を、上記ガス圧力及びガス流量のうち
少なくともいずれか一方を調整する調整手段と、ドライ
エッチングを行う前に予め当該被エッチング部と同じ材
質及び同じパターンを有する既エッチング物について測
定された寸法変換差とガス圧力及びガス流量との関係を
データベース化して記憶させておく記憶手段と、上記記
憶手段に記憶される上記寸法変換差と上記ガス圧力及び
ガス流量との関係を用いて、上記凸部の下端部の寸法を
所望の値にするための上記ガス圧力及びガス流量とを演
算する演算手段と、上記演算手段で演算された上記ガス
圧力及びガス流量の条件を上記調整手段に転送する転送
手段とにより構成することが好ましい。

【００５３】 この場合に、上記演算手段は、ガス圧力
が一定の条件下で寸法変換差とガスの流量との関係を双
曲線関数で近似して、ガス流量を決定することが好まし
い。

【００５４】 このようにすると、ドライエッチング工
程におけるガス流量の適正な条件を迅速に決定すること
が可能となり、被エッチング部の仕上がり寸法精度の高
い半導体装置が低コストで製造されることになる。

【００５５】 本発明の半導体装置の製造装置におい
て、上記ガス供給手段を、ハロゲンガス，ハロゲン化物
ガスのうち少なくともいずれか１つを含むガスを供給す
ることが好ましい。

【００５６】 この場合に、上記ハロゲンガスを、臭化
水素ガス，臭化水素ガスと塩素ガスの混合ガス，及び臭
化水素ガスと塩化水素ガスの混合ガスのうちのいずれか
１つとすることが好ましい。

【００５７】 本発明の半導体装置の製造装置におい
て、上記被エッチング部は、単結晶シリコン，ポリシリ
コン，Ａｌ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｍｏ及びＮ
ｉのうち少なくともいずれか１つを含む材料で構成する
ことが好ましい。

【００５８】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）次に、本発明の第１の実施形態に
ついて説明する。図２は本発明の第１の実施の形態にお
ける中真空領域マグネトロンＲＩＥ装置の構成を概略的
に示す断面図である。図２において、符号と部材名との
関係は以下の通りである。２１は反応室であるチャン
バ、２２は電磁コイル、１０はＬＳＩ用半導体ウエハ等
の試料、１１は高周波電源（例えば１３．５６ＭＨｚ工
業用電源）、１２はカップリングコンデンサ、１３はカ
ソード電極、１４はアノード電極、１５はターボ分子ポ
ンプ、１６はロータリーポンプ、１７はマスフローコン
トローラ、２０はプラズマ発生領域をそれぞれ示す。ア
ノード電極１４は接地されており、ターボ分子ポンプ１
５及びロータリーポンプ１６でチャンバ１内のガスが排
気口から排出される。また、マスフローコントローラ１
７により、チャンバ２１内で流入されるガス流量を調整
するようになされている。

【００５９】また、図３は被エッチング部の断面図であ
って、シリコン基板６上にゲート酸化膜７を介して被エ
ッチング部であるポリシリコン膜４が堆積されており、
このポリシリコン膜からゲート電極である凸部８が形成
される。そのとき、トランジスタの配置場所によって、
孤立凸部８ａと密集凸部８ｂとが形成される。

【００６０】ドライエッチングを行う際には、図２に示
すように、チャンバサイズとしてチャンバ半径を約２０
ｃｍとし、ガス圧力を１００ｍＴｏｒｒの粘性領域にお
いて、ガスをチャンバ２１に充填する。その後、高周波
電源１１から出力された電力（２１５Ｗ）はカップリン
グコンデンサ１２を介してカソード電極１３に伝達され
る。この伝達された電力と電磁コイル２２で発生する磁
界により、チャンバ２１内に導入されたＨＢｒガス，Ｃ
ｌ2 ガスからなるエッチングガスが電離し、プラズマ領
域２０が形成される。そして、ＨＢｒガスから解離した
活性種であるＢｒラジカルとＣｌ2 から解離したＣｌラ
ジカルとが、イオンアシストのもとで、ポリシリコンを
エッチングする。エッチングによって生成されたＳｉＢ
ｒx （x＝1 、 2 、 3 、 4)は、エッチング側壁に
付着し、サイドエッチを防止する。

【００６１】本実施例の方法によれば、ＨＢｒガス及び
Ｃｌ2 ガスの合計流量が増大するに伴い、孤立凸部８ａ
と密集凸部８ｂとでは側壁へのエッチング生成物の付着
量の差は減少する。図４（ａ）は、ガス圧力１００ｍＴ
ｏｒｒ下におけるトータルのガス流量に対する寸法変換
差の変化を示す。ガス圧力１００ｍＴｏｒｒのもとで、
トータルのガス流量が１００ｓｃｃｍ以上であれば、寸
法変換差のばらつきは平均で０．０４μｍまで低減でき
る。その結果、従来の５０ｓｃｃｍ程度のガス流量で行
なっていた方法に比べ、寸法変換差ばらつきは半減で
き、デバイスの歩留りを向上できる。また、図４（ｂ）
は、ガス圧力５０ｍＴｏｒｒ下におけるトータルのガス
流量に対する寸法変換差の変化を示す。ガス圧力が５０
ｍＴｏｒｒ下においても、同図に示すように、寸法変換
差のばらつきを低減することができる。

【００６２】さらに、注目すべきは、孤立したパターン
の寸法変換差が、トータルのガス流量と反比例に近い関
係にあることである。つまり、ガス流量をコントロール
することで、孤立凸部の寸法変換差のみ制御することが
できる。仮に、フォトレジスト膜のパターニングの際
に、残存部の寸法が大きくなったときには、ガス流量を
コントロールして、仕上がりの寸法を規格内におさめる
ことが可能となる。

【００６３】また、エッチング中において、ガス流量を
時間的に変動させ側壁への付着量を変化させることによ
り、各凸部８ａ，８ｂの断面形状を自由に制御できる。

【００６４】本実施形態では、図３に示すように、孤立
凸部８ａのみの形状を台形状にしており、この場合、ガ
ス流量をエッチング途中で７５ｓｃｃｍから１５０ｓｃ
ｃｍに増大させている。

【００６５】（第２の実施の形態）次に、第２の実施形
態について説明する。

【００６６】図５は、本発明の第２の実施の形態に係る
中真空ＲＩＥ装置の構成を概略的に示す断面図である。
図５において、符号と部材名との関係は以下の通りであ
る。２１はチャンバ、２２はＬＳＩ用半導体ウエハ等の
試料、１１は高周波電源（例えば１３．５６ＭＨｚ工業
用電源）、１２はカップリングコンデンサ、１３はカソ
ード電極、１４はアノード電極、１５はターボ分子ポン
プ、１６はロータリーポンプ、１７はマスフローコント
ローラ、２０はプラズマ発生領域をそれぞれ示す。アノ
ード電極１４は接地されており、ターボ分子ポンプ１５
及びロータリーポンプ１６でチャンバ２１内のガスが排
気口から排出される。また、マスフローコントローラ１
７により、チャンバ２１内で流入されるガス流量を調整
するようになされている。本実施形態に係るＲＩＥ装置
では、上記第１の実施形態に係る中真空領域マグネトロ
ンＲＩＥ装置とは異なり、チャンバ２１の側方に電磁コ
イルが付設されていない。

【００６７】ドライエッチングを行う際、図５に示すよ
うに、チャンバサイズ（チャンバ半径）が約１８ｃｍ、
ガス圧力領域が１８０ｍＴｏｒｒの粘性領域において、
ガスをチャンバ２１に充填する。その後高周波電源１１
から出力された電力（２００Ｗ）はカップリングコンデ
ンサ１２を介してカソード電極１３に伝達される。この
伝達された電力により、チャンバ２１内に導入されたＨ
Ｂｒガス，ＨＣｌガス、Ｏ2 ガスからなるエッチングガ
スが電離しプラズマ領域２０が形成される。そして、Ｈ
Ｂｒから解離した活性種であるＢｒラジカルとＨＣｌか
ら解離したＣｌラジカルとが、イオンアシストのもと
で、ポリシリコンをエッチングする作用は、基本上記第
１の実施形態における作用とほぼ同様である。

【００６８】図６は、本実施形態におけるトータルのガ
ス流量と寸法変換差との関係を示し、ガス圧力を１８０
ｍＴｏｒｒとしている。本実施形態では、図６に示すよ
うに、ガス圧力１８０ｍＴｏｒｒのもとで、トータルの
ガス流量が１００ｓｃｃｍ以上であれば、寸法変換差の
ばらつきは平均で０．０４μｍまで低減できる。その結
果、従来の４５ｓｃｃｍ程度のガス流量で行なっていた
方法に比べ、寸法変換差のばらつきを大幅に低減でき、
デバイスの歩留りを向上できる。

【００６９】また、第１の実施の形態の場合と同様に、
第２の実施の形態においても、トータルのガス流量と孤
立凸部の寸法変換差とは反比例に近い関係にあるので、
この関係を利用して、ガス流量をコントロールすること
で、孤立凸部の寸法変換差のみ制御することができる。
また、エッチング中にガス流量を時間的に変動させエッ
チング生成物の側壁への付着量を変化させることによ
り、凸部の断面形状を自由に制御することができる。

【００７０】（第１及び第２の実施形態のまとめ及び追
加実験のデータ）次に、上記第１及び第２の実施形態に
おけるデータに追加するデータを得るために行った実験
の結果と、各実施形態のまとめとについて説明する。な
お、ここでの実験は上記第１の実施形態と同様の中真空
領域マグネトロンＲＩＥ装置を使用して行った。

【００７１】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、ガス圧力を一
定値１００ｍＴｏｒｒとし、ガス流量を３０，７５，１
５０ｓｃｃｍと変えたときの孤立凸部の断面形状をそれ
ぞれ示すＳＥＭ写真である。また、図８（ａ）〜図８
（ｃ）は、ガス圧力を一定値１００ｍＴｏｒｒとし、ガ
ス流量を３０，７５，１５０ｓｃｃｍにしたときの密集
凸部の断面形状をそれぞれ示すＳＥＭ写真である。図７
（ａ）〜図７（ｃ）に示されるように、ガス流量が５０
ｓｃｃｍのときには孤立凸部の下端部の寸法が上端部の
寸法より増大しており、寸法変換差が大きい。一方、ガ
ス流量が７５ｓｃｃｍのときには寸法変換差はかなり小
さくなっているが、０ではない。そして、ガス流量が１
５０ｓｃｃｍのときには孤立凸部の下端部の寸法は上端
部の寸法とほぼ等しく寸法変換差はほとんど０に近い。
一方、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示されるように、ガス
圧力がいずれの条件であっても、密集凸部の下端部の寸
法は上端部の寸法とほとんど等しく、寸法変換差はガス
流量の変化にかかわらずほぼ０である。

【００７２】また、図９（ａ），図９（ｂ）は、ガス流
量を一定値７５ｓｃｃｍとし、ガス圧力を２０，１００
ｍＴｏｒｒに変化させたときの孤立凸部の断面形状を示
すＳＥＭ写真である。図９（ａ），図９（ｂ）に示され
るように、ガス圧力が２０ｍＴｏｒｒのときには、孤立
凸部の下端部の寸法は上端部の寸法よりも増大してお
り、寸法変換差が大きい。一方、ガス圧力が１００ｍＴ
ｏｒｒのときには寸法変換差がかなり小さくなってい
る。

【００７３】図１０は、ガス流量が７５ｓｃｃｍの条件
下とガス流量が１５０ｓｃｃｍの条件下とにおける孤立
凸部の寸法変換差のガス圧力依存性を示す図である。同
図に示されるように、ガス流量が７５ｓｃｃｍの場合に
はこのデータを外挿することによってガス圧力が約１３
０ｍＴｏｒｒ以上のときに寸法変換差を０．０４μｍ以
下に抑制し得る。また、ガス流量が１５０ｓｃｃｍのと
きには、ガス圧力が約９０ｍＴｏｒｒ以上のときに寸法
変換差を０．０４μｍ以下に抑制し得る。

【００７４】図１１は、本発明のドライエッチング方法
と従来のドライエッチング方法とにおけるガス流量とガ
ス圧力との関係を示すマップである。

【００７５】初期のドライエッチング技術では、同図に
示す領域Ｒe Ａの条件つまり比較的低真空（高圧力）で
比較的少ないガス流量下で行われてきた。一方、最近で
は、同図に示す領域Ｒe Ｂの条件つまり高真空（低圧
力）で比較的少ないガス流量下に移行してきている。例
えば高真空エッチャーであるＥＣＲタイプにおいて、排
気速度を変化させ、活性種のエッチング側壁への付着量
を制御する試みが行なわれている（例えば特開平5 ―
259119、 5 ― 267227、 5 ― 267249、 5― 275
376）。しかし、ガスの流れが粘性領域でないためと考
えられるが、孤立凸部における寸法変換差を解消するま
でには至っておらず、寸法変換差のばらつきを低減する
ことは困難であった。

【００７６】それに対し、本発明では、同図に示す領域
Ｒe Ｃの条件つまり比較的低真空（高圧力）で比較的多
いガス流量下で行っている。このような条件下でドライ
エッチングを行うことにより、上述のように、孤立凸部
においても寸法変換差をほぼ解消し得るのである。

【００７７】経験上、本発明の効果を確実に生ぜしめる
ためのガスの圧力Ｐの範囲は、径ｄが３０ｃｍのチャン
バ内では、５ｍＴｏｒｒ以上である。すなわち、圧力Ｐ
とチャンバ径ｄとの積Ｐ・ｄが以下の範囲であることが
好ましい。

【００７８】 Ｐ・ｄ≧５（ｍＴｏｒｒ）×３０（ｃｍ） ＝１．５×１０^-3（Ｔｏｒｒ・ｍ） ＝１．５×１０^-3×１．３３Ｐａ・ｍ ＝１．５×１０^-3×１．３３（Ｋｇ／ｍ）・ｓｅｃ 2 ・ｍ ＝０．２Ｋｇ／ｓｅｃ² また、本発明によりパターニング可能な被エッチング部
の材料は、Ｓｉ，ｐｏｌｙ−Ｓｉ（ドープト及びアンド
ープトを含む），アモルファスＳｉ，ＧａＡｓ，Ｇａ
Ｎ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，
ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ等の半導体材料，Ａｌ，Ｃ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｌ合金，Ｗ，Ｔ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｍｏ，
Ｎｂ等の金属材料、ＷＳｉx ，ＴｉＳｉx ，ＣｏＳｉx
等のシリサイドである。

【００７９】また、上記各実施形態におけるデータに示
される寸法変換差のガス流量依存性に着目すると、ガス
流量を制御することで、特に孤立凸部の側壁保護効果を
制御し、孤立凸部の断面形状を自由に制御できる。

【００８０】（第３の実施形態）次に、第３の実施形態
について説明する。まず、第３の実施形態によって寸法
変換差を制御する原理について、図１２及び図１３を参
照しながら説明する。

【００８１】図１２は、フォトリソグラフィー工程とド
ライエッチング工程とにおいて寸法変換差を制御する原
理を説明する図である。図１３は、ウエハ上の半導体装
置の部材（例えばＭＯＳＦＥＴのポリシリコンゲート）
を形成する際の手順を示すフローチャートであって、上
記各実施形態で示された寸法変換差のガス流量依存性に
着目してドライエッチング工程におけるガス流量制御を
行う場合の手順を示している。

【００８２】図１３に示すように、まず、ステップＳＴ
１において、ウエハ一枚ずつについてフォトリソグラフ
ィープロセスが実施され、所定のパターンを有するフォ
トレジスト膜（エッチングマスク）が形成される。その
際、後のドライエッチング工程における寸法変換差（Ｃ
Ｄゲイン）を考慮して、孤立凸部となるゲート電極に対
しては、最終仕上がり寸法０．４μｍ（ゲート長）より
も０．０４μｍ小さめにレジスト膜を形成しておく。な
お、このようなレジスト膜寸法は、レチクルパターンの
孤立凸部に相当する部位の寸法を、ドライエッチング工
程における寸法変換差０．０４μｍと、フォトリソグラ
フィー工程において生じる寸法変換差とを加算した分だ
け細目にしておくことで容易に実現される。

【００８３】その後、ステップＳＴ２で、そのレジスト
膜の残存部の寸法が測定され、その測定結果が個々のウ
エハに対して記録される。後述のように、フォトリソグ
ラフィー工程においてもレチクルパターンとレジスト膜
のパターンとの間で寸法変換差があり、しかも、その寸
法変換差のばらつきが生じるので、図１２に示すよう
に、各ウエハ上の同じ部位のＭＯＳＦＥＴのゲート電極
形成領域上を覆うレジスト膜の残存部の寸法は所定のば
らつきをもっている。

【００８４】次に、ステップＳＴ３で、レジスト膜寸法
の測定データが制御システムに転送され、ステップＳＴ
４で、コンピュータによってデータベース化される。

【００８５】次に、ステップＳＴ５で、各ウエハに対し
てドライエッチングプロセスが実施される。ドライエッ
チングプロセスでは、ステップＳＴ２における寸法の測
定結果に基づいて、ウエハ毎のエッチング条件（ガス流
量）が、制御システムを通して設定される。つまり、図
１２に示すように、各ウエハの孤立凸部上のレジスト膜
の残存部の寸法と、ゲート電極の最終仕上がりゲート長
０．４μｍとの差を算出すると、その差がドライエッチ
ング工程における望ましい寸法変換差となる。したがっ
て、ドライエッチング工程における条件、具体的にはガ
スの圧力と流量とを各ウエハごとに変えて寸法変換差を
制御することにより、ポリシリコンゲートの仕上がり寸
法をより正確に規格値０．４μｍに収めることができる
はずである。

【００８６】図１４は、ドライエッチングを行うための
マグネトロンＲＩＥ装置の構成を概略的に示す断面図で
ある。ただし、本実施形態では、上記第１の実施形態と
同様に、素子分離，ゲート酸化工程を経てゲート電極材
料であるポリシリコンが堆積されたＬＳＩ半導体ウエハ
上に、フォトレジスト膜が塗布され、フォトリソグラフ
ィー工程でレジスト膜からなるエッチングマスクが形成
されたものを加工試料とする（図３参照）。この時、露
光用の光源には、ｉ線を利用している。

【００８７】図１４において、符号と部材名との関係は
以下の通りである。２１は反応室であるチャンバ、２２
は電磁コイル、１０はＬＳＩ用半導体ウエハ、１１は高
周波電源（例えば１３．５６ＭＨｚ工業用電源）、１２
はカップリングコンデンサ、１３はカソード電極、１４
はアノード電極、１５はターボ分子ポンプ、１６はロー
タリーポンプ、１７はマスフローコントローラ、２０は
プラズマ発生領域をそれぞれ示す。アノード電極１４は
接地されており、ターボ分子ポンプ１５及びロータリー
ポンプ１６でチャンバ２１内のガスが排気口から排出さ
れる。また、マスフローコントローラ１７により、チャ
ンバ２１内で流入されるガス流量を調整するようになさ
れている。ここまでの構成は上記第１の実施形態におい
て使用したマグネトロンＲＩＥ装置と同じである。

【００８８】ここで、本実施形態では、フォトリソグラ
フィー工程での寸法データに基づきマスフローコントロ
ーラ１７を制御して、ガス流量を変化させる制御用コン
ピュータ１８が配設されている。つまり、制御用コンピ
ュータ１８によって、フォトリソグラフィー工程におい
て得られたレジスト膜の寸法に関するデータ信号Ｓdata
を受け、マスフローコントローラ１７に制御信号Ｓcont
を送るように構成されている。

【００８９】ドライエッチングを行う際には、、ガス圧
力を１００ｍＴｏｒｒの粘性領域において、ガスをチャ
ンバ２１に充填する。その後、高周波電源１１から出力
された電力（２１５Ｗ）はカップリングコンデンサ１２
を介してカソード電極１３に伝達される。この伝達され
た電力と電磁コイル２２で発生する磁界により、チャン
バ２１内に導入されたＨＢｒガス，Ｃｌ2 ガスからなる
エッチングガスが電離し、プラズマ領域２０が形成され
る。そして、ＨＢｒガスから解離した活性種であるＢｒ
ラジカルとＣｌ2 から解離したＣｌラジカルとが、イオ
ンアシストのもとで、ポリシリコンをエッチングする。

【００９０】そのとき、本実施形態では、寸法変換差と
ガス流量との関係を以下の双曲線関数で近似している。
図１５は、第１の実施形態における図４（ａ），（ｂ）
に示す寸法変換差のガス流量依存性のデータを整理して
示すものである。同図に示されるように、寸法変換差ｄ
とガス流量ｆとの関係は、ガス流量が所定の範囲では双
曲線関数で近似することができる。より単純には、ガス
圧力によっては、寸法変換差ｄはガス流量ｆに反比例す
ると近似することも可能である。

【００９１】例えば、圧力１００ｍＴｏｒｒ下における
寸法変換差ｄ（μｍ）とガス流量ｆ（ｓｃｃｍ）との関
係は、 ｄ＝Ａ／ｆ （Ａ＝４） で近似し得る。

【００９２】この関係を利用して、最終的なポリシリコ
ンゲートの仕上がり寸法がウエハ間で一定になるように
ガス流量を制御する。例えば、目標の仕上がり寸法を
０．４μｍと設定した場合、ウエハ内のレジスト膜の平
均寸法が０．３８μｍのウエハでは、ドライエッチング
工程において０．０２μｍの寸法変換差（ＣＤゲイン）
が生じるようにガス流量を設定する。ウエハ内のレジス
ト膜の平均寸法が０．３６μｍの場合は、ドライエッチ
ング工程における寸法変換差（ＣＤゲイン）が０．０４
μｍになるように設定する。以下、各ウエハについて、
上述と同様の手続きで、ウエハ毎にガス流量を制御し
て、エッチングを行う。

【００９３】図１６（ａ），（ｂ）は、フォトリソグラ
フィー工程におけるレジスト膜の孤立凸部上の残存部の
寸法を示す。同図（ａ）が本発明の製造方法によりドラ
イエッチングを行なうサンプルについて得られたデータ
であり、同図（ｂ）は従来の方法によって加工するサン
プルについて得られたデータである。

【００９４】図１７（ａ），（ｂ）は、最終的に形成さ
れたポリシリコンゲート（孤立凸部）の下端部の寸法
（つまりゲート長の仕上がり寸法）を各ウエハについて
示す。図１７（ａ）は本発明のドライエッチング方法に
よってガス流量を制御した場合、図１７（ｂ）はガス流
量を変化させない従来の方法により行った場合のデータ
をそれぞれ示す。

【００９５】本発明のドライエッチング方法によれば、
フォトリソグラフィーにおいて生じた寸法変換差を是正
するようにドライエッチング工程における寸法変換差が
制御されるので、被エッチング部（ポリシリコンゲー
ト）の仕上がり寸法の平均値が所望の寸法にほぼ一致す
る。また、図１６（ａ）に示すドライエッチング前のレ
ジスト膜における寸法のばらつきが、標準偏差に換算し
て０．００９７４μｍで、図１７（ａ）に示すドライエ
ッチング後のゲート長の仕上がり寸法のばらつきが標準
偏差に換算して０．０１０９０７μｍである。すなわ
ち、ガス流量を制御することにより、ドライエッチング
後の仕上がり寸法のばらつきは、殆どフォトリソグラフ
ィー工程でのばらつきと変わらない程度まで低減できて
いる。すなわち、フォトリソグラフィー工程において生
じたエッチングマスクの寸法のばらつきを解消するよう
にドライエッチング工程における寸法変換差が制御され
るので、被エッチング部の仕上がり寸法のばらつきが低
減されるのである。

【００９６】一方、従来の方法によるサンプルでは、図
１６（ｂ）に示すドライエッチング前におけるレジスト
膜の寸法のばらつきが標準偏差に換算して０．００６８
２μｍで、図１７（ｂ）に示すドライエッチング後の仕
上がり寸法のばらつきが標準偏差に換算して０．０１７
２９μｍである。すなわち、フォトリソグラフィー工程
における寸法のばらつきに、ドライエッチング工程にお
けるばらつきが重畳された結果、被エッチング部の寸法
のばらつきがレジスト膜寸法のばらつきの２．５倍程度
に拡大されている。

【００９７】それに対し、本実施形態のごとくガス流量
を制御しながらドライエッチングを行うことにより、フ
ォトリソグラフィー工程におけるレジスト膜寸法のばら
つきをほぼ解消させて、被エッチング部の仕上がり寸法
のばらつきを低減することができ、高い加工精度を得る
ことができる。そのため、デバイス性能の均一性の向上
と製品歩留りの向上とを図ることができる。

【００９８】なお、ガス流量制御による他のエッチング
特性変化、エッチング速度変動、チャージアップ損傷は
見られなかった。

【００９９】なお、図１５に示すガス圧力が５０ｍＴｏ
ｒｒの条件下においては、ガス流量が７５〜２００ｓｃ
ｃｍの付近では、寸法変換差ｄとガス流量ｆとの関係
を、下記各双曲線関数 （ｄ−ｄo ）（ｆ−ｆo ）＝Ａ により近似することが可能である。その場合、データを
上記双曲線関数に代入し、最小２乗法等を利用すると、 ｄo ＝０．００７５（μｍ） ｆo ＝３７．５（ｓｃｃｍ） Ａ＝２．８１ が得られる。

【０１００】その場合、ｄ＝ｄo は、双曲線関数の漸近
線となるので、この圧力下でかつ７５〜２００ｓｃｃｍ
付近のガス流量ではｄo 以下の寸法変換差を得ることが
困難であることを示している。反面、一定の寸法変換差
の値ｄ1 を得たい場合には、ｄ1 に近いかつｄ１以下の
ｄo となるようなガス圧力に設定することで、ガス流量
が多少変動しても余り寸法変換差ｄが変化しないので、
安定した寸法変換差を得ることができる。

【０１０１】

【発明の効果】本発明の半導体装置の製造方法によれ
ば、被エッチング部のエッチングマスクの残存部下方に
は凸部をエッチングマスクの開口部下方には凹部をそれ
ぞれ形成するドライエッチングを行う際、エッチングマ
スクの残存部の寸法を測定し、その結果に基づいてフォ
トリソグラフィーにおいて生じた寸法変換差を是正する
ようにドライエッチング工程における寸法変換差をガス
の圧力と流量との調整により制御するようにしたので、
被エッチング部の仕上がり寸法精度の向上とぞのばらつ
きの低減とを図ることができる。

【０１０２】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、ドライエッチングを行う工程では、ガス圧力を一定
とし、ガス流量を制御するようにしたので、制御の容易
化を図ることができる。

【０１０３】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、各工程を各ウエハごとに行うようにしたので、各ウ
エハの履歴を考慮したドライエッチングを行うことがで
き、多品種少量生産に適した半導体装置の製造方法の提
供を図ることができる。

【０１０４】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、一定のガス圧力下で上記寸法変換差とガス流量とを
双曲線関数で近似して、ガス流量を決定するようにした
ので、ドライエッチング時の適正なガス流量を極めて迅
速に決定することができ、よって、製造工程の進行の円
滑化を図ることができる。

【０１０５】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、被エッチング部の孤立凸部上のエッチングマスクの
残存部の横方向寸法を被エッチング部の最終仕上がり寸
法よりも一定値だけ小さくなるようにエッチングマスク
を形成するようにしたので、容易に被エッチング部の仕
上がり寸法を所望の寸法に収めることができる。

【０１０６】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、反応室におけるガスの圧力を５ｍＴｏｒｒ以上と
し、ガスの流量を１００ｓｃｃｍ以上としたので、ガス
によるエッチング生成物の凹部上方空間への輸送効率を
向上させることができ、よって、寸法変換差を確実に低
減することができる。

【０１０７】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、被エッチング部内の凸部のうち少なくとも１つを孤
立凸部としたので、特に寸法変換差の大きい孤立凸部の
形状が改善されることになる。

【０１０８】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、被エッチング部内の凸部のうち少なくとも１つを孤
立凸部とし、他の複数個を密集凸部としたので、被エッ
チング部内における孤立凸部と密集凸部との間の寸法変
化差のばらつきを抑制することができる。

【０１０９】 本発明の半導体装置の製造方法におい
て、被エッチング部を、単結晶シリコン，ポリシリコ
ン，Ａｌ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｍｏ及びＮｉ
のうち少なくともいずれか１つを含む材料により構成す
るようにしたので、各種デバイスの電極や配線の形状精
度の向上により、電気的特性の改善を図ることができ
る。

【０１１０】 本発明の半導体装置の製造装置によれ
ば、ドライエッチングを行って被エッチング部に凸部と
凹部とからなるパターンを形成するための半導体装置の
製造装置において、寸法変換差を所定の範囲に収めるよ
うに、反応室内のガスの圧力及び流量のうち少なくとも
一方を制御する制御手段を設けたので、上記請求項１と
同様の効果を発揮することができる。

【０１１１】 本発明の半導体装置の製造装置におい
て、反応室内にガス圧力を一定とし、制御手段によりガ
ス流量を制御するようにしたので、寸法変換差の制御の
容易化を図り、被エッチング部の仕上がり寸法の精度の
高い半導体装置の製造を図ることができる。

【０１１２】 本発明の半導体装置の製造装置におい
て、制御手段を、ガス流量を調整する調整手段と、予め
測定された寸法変換差とガス圧力及びガス流量との関係
をデータベース化して記憶させておく記憶手段と、その
記憶内容を用いて適正なガス圧力及びガス流量とを演算
する演算手段と、演算された条件を調整手段に転送する
転送手段とにより構成するようにしたので、ガス流量の
適正な条件を迅速に決定することが可能となり、製造工
程の円滑化を図ることができる。

【０１１３】 本発明の半導体装置の製造装置におい
て、ガス供給手段をハロゲンガス，ハロゲン化物ガスの
うち少なくともいずれか１つを含むガスを供給するもの
により構成したので、高いエッチング機能を発揮しなが
ら高い寸法精度を得ることができる。

【０１１４】 本発明の半導体装置の製造装置におい
て、被エッチング部を、単結晶シリコン，ポリシリコ
ン，Ａｌ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｍｏ及びＮｉ
のうち少なくともいずれか１つを含む材料で構成したの
で、請求項９と同様の効果を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドライエッチング方法によるエッチン
グを行う際のシリコン基板、孤立凸部，密集凸部の断面
形状をそれぞれ示す断面図である。

【図２】第１の実施形態におけるドライエッチング装置
の構造を概略的に示す断面図である。

【図３】第１の実施形態における被エッチング部の断面
図である。

【図４】第１の実施形態によって得られた寸法変換差の
ガス流量依存性のデータを示す図である。

【図５】第２の実施形態におけるドライエッチング装置
の構造を概略的に示す断面図である。

【図６】第２の実施形態によって得られた寸法変換差の
ガス流量依存性のデータを示す図である。

【図７】追加の実験によるガス圧力１００ｍＴｏｒｒ，
ガス流量３０，７５，１５０ｓｃｃｍの時の孤立凸部の
断面形状をそれぞれ示すＳＥＭ写真図である。

【図８】追加の実験によるガス圧力１００ｍＴｏｒｒ，
ガス流量３０，７５，１５０ｓｃｃｍの時の密集凸部の
断面形状をそれぞれ示すＳＥＭ写真図である。

【図９】追加の実験によるガス圧力２０，１００ｍＴｏ
ｒｒ，ガス流量７５ｓｃｃｍの時の孤立凸部の断面形状
をそれぞれ示すＳＥＭ写真図である。

【図１０】追加の実験によって得られた寸法変換差のガ
ス圧力依存性のデータを示す図である。

【図１１】本発明のドライエッチングと従来のドライエ
ッチングとによるガスの圧力及び流量の領域の相違を示
すマップ図である。

【図１２】第３の実施形態におけるフォトリソグラフィ
ー工程での寸法変化差とドライエッチング工程での寸法
変換差との関係を説明する図である。

【図１３】第３の実施形態に係るフォトリソグラフィー
工程及びドライエッチング工程の手順を示すフローチャ
ートである。

【図１４】第３の実施形態に係るドライエッチング装置
の構成を概略的に示す断面図である。

【図１５】第３の実施形態に係るガス流量の制御を行う
ための寸法変換差とガス流量との関数関係を示す特性図
である。

【図１６】第３の実施形態に係るドライエッチングを行
うための各半導体ウエハサンプル上のレジスト膜の寸法
と、従来の方法によるドライエッチングを行うための半
導体ウエハサンプル上のレジスト膜の寸法のデータを示
す図である。

【図１７】第３の実施形態に係るドライエッチングによ
り得られたポリシリコンゲートの仕上がり寸法と、従来
の方法によるドライエッチングによって得られたポリシ
リコンゲートの仕上がり寸法のデータを示す図である。

【図１８】従来のドライエッチング方法によるエッチン
グを行う際のシリコン基板、孤立凸部，密集凸部の断面
形状をそれぞれ示す断面図である。

【符号の説明】

１ 活性種 ２ イオン ３ エッチング生成物 ４ ポリシリコン膜 ５ レジスト膜（エッチングマスク） ６ シリコン基板 ７ シリコン酸化膜 ８ 凸部 ８ａ 孤立凸部 ８ｂ 密集凸部 ９ 凹部 ９ａ 孤立凹部 ９ｂ 密集凹部 １０ 試料 １１ 高周波電源 １２ カップリングコンデンサ １３ カソード電極 １４ アノード電極 １５ ターボ分子ポンプ １６ ロータリーポンプ １７ マスフローコントローラー ２０ プラズマ領域 ２１ チャンバ（反応室） ２２ 電磁コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハの被エッチング部の上にエ
   ッチングマスクを形成するフォトリソグラフィー工程
   と、 上記エッチングマスクの残存部の横方向寸法を測定する
   工程と、 上記測定結果に基づき反応室内のガスの圧力及び流量を
   決定する工程と、 上記半導体ウエハを上記反応室内に設置し、上記反応室
   内にエッチング用ガスを導入する工程と、 上記ガスを用いてドライエッチングを行い、上記被エッ
   チング部における上記エッチングマスクの残存部下方に
   は凸部を上記エッチングマスクの開口部下方には凹部を
   それぞれ形成する工程とを備え、上記ガスの圧力及び流量を決定する工程では、上記反応
   室内のガスの圧力を一定とした条件下で、上記凸部の下
   端部と上記エッチングマスクの上記残存部との間におけ
   る横方向寸法差である寸法変換差と、上記ガスの流量と
   の関係が近似された双曲線関数に基づいて、上記反応室
   内のガスの流量を決定し、 上記ドライエッチングを行う工程では、上記ガスの圧力
   及び流量を決定する工程で決定された条件に従って、上
   記反応室内のガスの圧力を一定に調整すると共に上記反
   応室内のガスの流量を調整することにより、上記ドライ
   エッチングにより発生するエッチング生成物の上記凹部
   外への排出割合と上記凸部側壁への付着割合とを制御し
   て、上記寸法変換差を所定範囲に収めることを特徴とす
   る半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体の製造方法におい
   て、 上記エッチングマスクの残存部の寸法を測定する工程
   と，上記ガスの圧力及び流量を決定する工程と、上記ド
   ライエッチング工程とにおけるガスの流量の制御は、各
   半導体ウエハごとに行うことを特徴とする半導体装置の
   製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体装置の製造方法に
   おいて、 上記エッチングマスクを形成する工程では、被エッチン
   グ部の孤立凸部上のエッチングマスクの残存部の横方向
   寸法を被エッチング部の最終仕上がり寸法よりも一定値
   だけ小さくなるようにエッチングマスクを形成すること
   を特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載のドライエッチング方法に
   おいて、 上記反応室におけるガスの圧力が５ｍＴｏｒｒ以上でガ
   スの流量が１００ｓｃｃｍ以上であることを特徴とする
   ドライエッチング方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載のドライエッチング方法に
   おいて、 上記被エッチング物内の上記凸部のうち少なくとも１つ
   は、下端部の横方向寸法が０．４μｍ以下で両側の凹部
   の横方向寸法がいずれも１μｍ以上となる孤立凸部であ
   ることを特徴とするドライエッチング方法。
6. 【請求項６】 請求項１記載のドライエッチング方法に
   おいて、 上記被エッチング物内の上記凸部のうち少なくとも１つ
   は、両側の凹部の横方向寸法がいずれも１μｍ以上とな
   る孤立凸部であり、 上記被エッチング物内の上記凸部のうちの他の複数個
   は、各凸部間の凹部の横方向寸法が１μｍ以下である密
   集凸部であることを特徴とするドライエッチング方法。
7. 【請求項７】 請求項１記載の半導体装置の製造方法に
   おいて、 上記被エッチング部は、単結晶シリコン，ポリシリコ
   ン，Ａｌ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｍｏ及びＮｉ
   のうち少なくともいずれか１つを含む材料により構成さ
   れていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 残存部と開口部とからなるパターンを有
   するエッチングマスクを用いて、被エッチング物に凸部
   と凹部とからなるパターンを形成するための半導体装置
   の製造装置において、 上記被エッチング物を収納するための反応室と、 上記反応室内にエッチング用ガスを供給するガス供給手
   段と、 上記ガスをプラズマ化して上記被エッチング物の上記エ
   ッチングマスクの残存部下方に凸部を形成する一方エッ
   チングマスクの開口部下方に凹部を形成するようドライ
   エッチングを行うプラズマ発生手段と、 上記凸部の下端部と上記エッチングマスクの残存部との
   横方向寸法差である寸法変換差を所定の範囲に収めるよ
   うに、上記反応室内のガスの圧力及び流量のうち少なく
   とも一方を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、 上記ガス圧力及びガス流量のうち少なくとも一方を調整
   する調整手段と、 ドライエッチングを行う前に、予め当該被エッチング部
   と同じ材質及び同じパターンを有する既エッチング物に
   ついて測定された寸法変換差とガス圧力及びガス流量と
   の関係をデータベース化して記憶させておく記憶手段
   と、 上記記憶手段に記憶される上記寸法変換差と上記ガス圧
   力及びガス流量との関係を用いて、上記凸部の下端部の
   寸法を所望の値にするための上記ガス圧力及びガス流量
   とを演算する演算手段と、 上記演算手段で演算された上記ガス圧力及びガス流量の
   条件を上記調整手段に転送する転送手段とにより構成さ
   れており、 上記演算手段は、ガス圧力が一定の条件下で寸法変換差
   とガスの流量との関係を双曲線関数で近似して、ガス流
   量を決定することを特徴とする半導体装置の製造装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の半導体装置の製造装置に
   おいて、 上記ガス供給手段は、上記反応室内に所定圧力のエッチ
   ングガスを供給するものであり、 上記制御手段は、上記反応室内のガス流量を変化させる
   ものであることを特徴とする半導体装置の製造装置。
10. 【請求項１０】 請求項８記載の半導体装置の製造装置
    において、 上記ガス供給手段は、ハロゲンガス，ハロゲン化物ガス
    のうち少なくともいずれか１つを含むガスを供給するも
    のであることを特徴とする半導体装置の製造装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載の半導体装置の製造装
    置において、 上記ハロゲンガスは、臭化水素ガス，臭化水素ガスと塩
    素ガスの混合ガス，及び臭化水素ガスと塩化水素ガスの
    混合ガスのうちのいずれか１つであることを特徴とする
    半導体装置の製造装置。
12. 【請求項１２】 請求項８記載の半導体装置の製造装置
    において、 上記被エッチング部は、単結晶シリコン，ポリシリコ
    ン，Ａｌ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｍｏ及びＮｉ
    のうち少なくともいずれか１つを含む材料で構成されて
    いることを特徴とする半導体装置の製造装置。