JP5063535B2

JP5063535B2 - プラズマ処理方法

Info

Publication number: JP5063535B2
Application number: JP2008221413A
Authority: JP
Inventors: 尚輝安井; 謙一桑原; 豊高妻
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: JP2010056389A

Description

本発明は、プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法に係わり、プラズマを用いて半導体基板等の表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法に関する。特にダブルパターニング技術で形成されたフォトレジストパターンに対して、フォトレジストパターンよりマスク寸法の小さいマスクパターンを形成するトリミング工程を適用する場合に好適なプラズマ処理方法に関する。

一般に、半導体製造工程では、フォトリソグラフィー技術が用いられる。半導体基板上に形成した積層化された薄膜上にフォトレジスト材料を塗布し、露光装置によって紫外線等を照射する。これにより、フォトレジスト材料にフォトマスクの回路パターンを露光により転写し、さらに現像を行う。その後、プラズマを用いたエッチング処理により所望の回路パターンを形成している。

ＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）の微細化の加速に対応するため、露光装置による回路パターンの転写プロセスでは、露光装置の解像度向上が進められてきた。一般に微細化を進めるためには、露光波長（λ）、レンズ開口数（ＮＡ）、レジスト性能や転写プロセスによって決まるプロセス定数（ｋ_１）を改善する必要がある。最近では、ＡｒＦレーザ（１９３ｎｍ）の採用による露光波長の短波長化、液浸露光技術によるレンズ開口数（ＮＡ）の改善が実施されている。さらに回路パターンのマスクを２枚のマスクに分割し、露光パターンの最小ピッチを拡大しプロセス定数（ｋ_１）を改善するダブルパターニング技術が採用され始めた。

ダブルパターニング技術に関しては、露光や現像に様々な方法が提案されている。例えば露光を続けて２回行う２重露光法、１回目の露光後にエッチング処理を実施しその後２回目の露光を行う方法、回路パターン形成後にスペーサを成膜しそのスペーサをマスクパターンとする自己整合法などがある。しかし、これらのダブルパターニング技術は、工程数の増加、スループットの低下、製造コストの増大という課題が発生する。そこでフリージング法によるダブルパターニング技術が採用され始めている。フリージング法は、１回目の露光により形成されたフォトレジストパターンをフリージング（固化）し、その後２回目の露光を行う。フリージング法によるダブルパターニング技術は、ダブルイメージング技術とも呼ばれる。フリージング法によるダブルパターニング技術に関しては、非特許文献１などが知られている。

また、プラズマエッチング処理により所望の回路パターンを形成する場合、エッチング後の回路パターン寸法は、露光、現像によって転写されるフォトレジスト材料の寸法により決定する。露光されるフォトレジスト材料の最小寸法、すなわち回路パターンの最小寸法は、露光装置の性能で決まる。しかし最近ではＬＳＩの微細化に伴い、露光できるフォトレジスト材料の寸法よりさらに小さい回路パターンを形成しなければならなくなってきた。そこで露光装置での露光限界寸法よりさらに小さい寸法の回路パターンを得るため、プラズマエッチング処理において、露光、現像されたフォトレジストパターンよりマスク寸法の小さいマスクパターンを形成することを目的としたトリミング工程が使用される。なお、トリミング工程は、スリミング工程、シュリンク工程とも呼ばれる。トリミング工程に関しては、特許文献１などが知られている。

現像されたフォトレジストの回路パターンを下地の積層化された薄膜に転写するエッチング処理は、一般にプラズマ処理装置を用いる。プラズマ処理装置では、真空処理室、これに接続されたガス供給装置、真空処理室内の圧力を所望の値に維持する真空排気系、半導体基板である被処理材を載置する電極、真空処理室内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生手段などから構成されており、プラズマ発生手段により、シャワープレート等から真空処理室内に供給された処理ガスをプラズマ状態とすることで、半導体基板載置用電極に保持された被処理材のエッチング処理が行われる。

このようなエッチング処理には、大きく分類すると、アイソレーションやトレンチ型キャパシタを形成するための基板シリコンエッチング、コンタクト用のホールやトレンチを形成する絶縁膜エッチング、ＭＯＳトランジスタのゲート電極を形成するポリシリコンエッチングやシリサイドエッチング、Ｈｉｇｈ−ｋ/メタルゲートトランジスタを形成するメタル層エッチングや高誘電率ゲート絶縁膜（Ｈｉｇｈ−ｋ）エッチング、配線工程におけるメタルエッチング等がある。
特開平６−２４４１５６号公報ＭａｓａｆｕｍｉＨ、"Ｓｕｂ−４０ｎｍＨａｌｆ−ＰｉｔｃｈＤｏｕｂｌｅＰａｔｔｅｒｎｉｎｇｗｉｔｈＲｅｓｉｓｔＦｒｅｅｚｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ"、Ｐｒｏｃ. ｏｆＳＰＩＥＶｏｌ．６９２３、６９２３０Ｈ、２００８.

前述のように最近のＬＳＩの微細化に伴い、回路パターンの転写プロセスにフリージング法によるダブルパターニング技術が採用され、プラズマエッチング処理にトリミング工程を用いることで所望寸法の微細回路パターンを形成している。フリージング法によるダブルパターニング技術では、１回目の露光によるフォトレジストパターンにフリージング材を塗布し、１回目の露光によるフォトレジストパターンの表面を被覆することで、２回目のフォトレジストパターンの露光と現像の際に１回目露光のフォトレジストパターンが影響を受けないようにしている。よって１回目露光のフォトレジストパターンの表面にのみフリージング材の被覆層が形成され、２回目露光のフォトレジストパターンの表面にはフリージング材の被覆層は形成されない。このような回路パターンに対して、プラズマエッチング処理おいてトリミング工程を適用すると、フリージング材に被覆されたフォトレジストマスクパターンとフリージング材に被覆されていないフォトレジストマスクパターンのトリミングレートが異なり、フリージング材の被覆の有無によりプラズマエッチング後の回路パターン寸法に差が生じるという問題がある。これによりプラズマエッチング後のウエハ面内の回路パターン寸法の均一性の低下や回路パターンの寸法制御性能の低下という課題が生じている。実際、半導体製造工程におけるＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型トランジスタのゲート電極の加工では、ＬＳＩの微細化に伴い、ゲート長３２ｎｍにまで縮小する際、許容できるプラズマエッチング後のウエハ面内のゲート長のばらつきは１．６ｎｍ以下となってきている。ゲート長のばらつきが大きくなるとリーク電流のばらつきやしきい値電圧のばらつきが生じる。このようなばらつきは、トランジスタ性能のゆらぎを生じ半導体デバイス特性に大きな影響を与え、歩留まりの低下を招く。

上では、フリージング法を用いたトリミング工程におけるＭＯＳ型トランジスタのゲート長の均一性の課題について述べたが、次世代ＭＯＳトランジスタの構造として挙げられるｈｉｇｈ−ｋ／メタルゲート、３次元構造ＭＯＳＦＥＴ（例えばフィン型ＦＥＴ）についても同様の課題がある。

また、上ではフリージング法を用いたトリミング工程におけるＭＯＳ型トランジスタのゲート長の均一性の課題について例を示したが、同様にホール加工、ＤｅｅｐＴｒｅｎｃｈ加工、ＳＴＩ加工、ダマシン加工等でもトリミング工程における均一性の問題があり、回路パターンを高精度にエッチング加工することができず、所定の性能の半導体デバイスを製造できないという課題がある。

そこで、本発明では、プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法に係わりプラズマを用いて半導体基板等の表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法に関し、特に、ダブルパターニング露光技術で形成されたフォトレジストパターンに対して、得られる回路パターン寸法のウエハ面内の均一性を改善し、半導体デバイス特性の劣化を防ぐ高精度なエッチング処理が可能なプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、特にダブルパターニング露光技術で形成されたフォトレジストパターンに対して、フリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクパターンとフリージング材料に被覆されていないフォトレジストマスクパターンとのトリミングレートを同じとしたトリミング工程を適用することで、得られる回路パターン寸法のウエハ面内の均一性を改善することができる。

また、本発明では、トリミング工程に用いるガスに酸素ガス（Ｏ_２）を含むことによって、フリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクパターンとフリージング材料に被覆されていないフォトレジストマスクパターンとのトリミングレートを同じとし、前記トリミング工程を適用することで、得られる回路パターン寸法のウエハ面内の均一性を改善することができる。

さらに、本発明では、トリミング工程に用いるガスに酸素ガス（Ｏ_２）と臭化水素ガス（ＨＢｒ）のいずれかまたは両方を含むことによって、フリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクパターンとフリージング材料に被覆されていないフォトレジストマスクパターンとのトリミングレートを同じとし、前記トリミング工程を適用することで、得られる回路パターン寸法のウエハ面内の均一性を改善することができる。

加えて、本発明では、トリミング工程に用いるガスに酸素ガス（Ｏ_２）、または酸素ガスに臭化水素ガス（ＨＢｒ）と窒素ガス（Ｎ_２）の中から少なくとも１つ以上のガスを含むことによって、フリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクパターンとフリージング材料に被覆されていないフォトレジストマスクパターンとのトリミングレートを同じとし、前記トリミング工程を適用することで、得られる回路パターン寸法のウエハ面内の均一性を改善することができる。

また、本発明では、トリミング工程に用いるガスに酸素ガス（Ｏ_２）、または酸素ガスに臭化水素ガス（ＨＢｒ）と窒素ガス（Ｎ_２）の中から少なくとも１つ以上のガスを含み、酸素ガスの流量が全混合ガス流量の１０％以上とすることによって、フリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクパターンとフリージング材料に被覆されていないフォトレジストマスクパターンとのトリミングレートを同じとし、前記トリミング工程を適用することで、得られる回路パターン寸法のウエハ面内の均一性を改善することができる。

また、前記トリミング工程は、フリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクパターンの前記被覆層をトリミング（エッチング）する間にのみ用いることによって、フリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクパターンとフリージング材料に被覆されていないフォトレジストマスクパターンとのトリミングレートを同じとし、前記被覆層のエッチングが終了した後、次のトリミング工程に用いるガスとして酸素ガス（Ｏ_２）を含む混合ガスを用いることで、得られる回路パターン寸法を高精度に制御でき、半導体デバイス特性を改善することができる。

また、前記トリミング工程の処理圧力は、０．１Ｐａ以上１００Ｐａ以下が最適で、トリミング工程中に印加するＲＦバイアス電力に関しては０Ｗ以上１００Ｗ以下とすることで得られる回路パターン寸法のウエハ面内の均一性を改善することができる。

さらに、前記トリミング工程における被処理材の処理温度を２０℃以上でかつ２００℃以下とすることで得られる回路パターン寸法のウエハ面内均一性を改善することが可能となり、半導体デバイス特性を改善することができる。

また、前記プラズマエッチング装置については、ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング装置を用いることで、主要なプラズマ生成領域であるＥＣＲ面、例えばマイクロ波発振周波数として２．４５ＧＨｚの場合は磁束密度８７５Ｇである領域を磁場コイル電流により任意に制御でき、主要なプラズマ生成領域と被処理材であるウエハとの距離を最適化することで、得られる回路パターン寸法のウエハ面内の均一性を改善することができ、半導体デバイス特性を改善することができる。他のＩＣＰ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）エッチング装置、平行平板プラズマエッチング装置等では、主要なプラズマ生成領域と被処理材であるウエハとの距離を変更できない。上述のようにＥＣＲエッチング装置では、前記トリミング工程に最適なコイル電流、前記プラズマエッチング処理に最適なコイル電流を設定でき、最良のエッチング特性を得ることができる。

以下、本発明の一実施例であるマイクロ波ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング装置を用いたプラズマ処理方法を図１〜図６により説明する。図１に本実施例で使用するプラズマ処理装置を示す。上部が開放された真空容器１０１の上部に、真空容器１０１内にエッチングガスを導入するためのシャワープレート１０２（例えば石英製）、誘電体窓１０３（例えば石英製）を設置し、密封することにより処理室１０４を形成する。シャワープレート１０２にはエッチングガスを流すためのガス供給装置１０５が接続される。また、真空容器１０１には真空排気口１０６を介し真空排気装置（図示省略）が接続されている。

プラズマを生成するための電力を処理室１０４に伝送するため、誘電体窓１０３の上方には電磁波を放射する導波管１０７（またはアンテナ）が設けられる。導波管１０７（またはアンテナ）へ伝送される電磁波（プラズマ生成用高周波）は電磁波発生用電源１０９から発振させる。電磁波（プラズマ生成用高周波）の周波数は特に限定されないが、本実施例では２．４５ＧＨｚのマイクロ波（プラズマ生成用高周波）を使用する。処理室１０４の外周部には、磁場を形成する磁場発生コイル１１０が設けてあり、電磁波発生用電源１０９より発振された電力は、形成された磁場との相互作用により、処理室１０４内に高密度プラズマを生成する。

また、シャワープレート１０２に対向して真空容器１０１の下部にはウエハ載置用電極１１１が設けられる。ウエハ載置用電極１１１は電極表面が溶射膜（図示省略）で被覆されており、高周波フィルター１１５を介して直流電源１１６が接続されている。さらに、ウエハ載置用電源１１１には、マッチング回路１１３を介して高周波電源（バイアス用高周波電源）１１４が接続される。ウエハ載置用電極１１１には、温度調節器（図示省略）が接続されている。

処理室１０４内に搬送されたウエハ１１２は、直流電源１１６から印加される直流電圧の静電気力でウエハ載置用電極１１１上に吸着、温度調節され、ガス供給装置１０５よって所望のエッチングガスを供給した後、真空容器１０１内を所定の圧力とし、処理室１０４内にプラズマを発生させる。ウエハ載置用電極１１１に接続された高周波電源１１４からバイアス用高周波電力を印加することにより、プラズマからウエハへイオンを引き込み、ウエハ１１２がエッチング処理される。

次に、フリージング法を用いたダブルパターニング技術によりフォトレジストマスクパターンを形成する方法と、前記フォトレジストマスクパターンを用いてトリミング工程を適用し半導体基板等のエッチング処理を行う従来のプラズマ処理方法を図２と図３を用いて説明する。図２と図３は、特にＭＯＳトランジスタのゲート電極の一般的な形成方法を示す。図２に示すように、半導体基板２０１にゲート絶縁膜層２０２を形成し、その上にゲート電極材料を堆積させた導電膜層２０３を形成する。さらに導電膜層２０３上に、フォトレジスト材料とは感光特性、現像特性、エッチング特性の異なるマスク層２０４（例えば、ハードマスク層）を形成する。続いて、フォトレジストを露光する際の反射防止膜として、マスク層２０４の上に、有機系材料を塗布し反射防止膜２０５（例えば、ＢＡＲＣ（ＢｏｔｔｏｍＡｎｔｉ−ＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＣｏａｔｉｎｇ）層、または無機系材料を用いたＢＡＲＬ（ＢｏｔｔｏｍＡｎｔｉ−ＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＬａｙｅｒ）でも良い）を形成する。

次に、この反射防止膜２０５上にフォトレジストマスクパターンを形成する。すなわち、スピンコートにより反射防止膜２０５上にレジスト材料（レジスト材料の主成分としては、例えば、ポリメタクリル酸エステル、フェノール樹脂、フッ素ポリマー、ポリメタクリル酸メチル、エポキシ樹脂、ポリｔ−ブトキシカルボニルオキシスチレン、ポリフタルアルデヒド、ヘキサフルオロイソプロピルアルコール、ノルボルネンヘキサフルオロアルコール、ポリヒドロキシスチレン、ナフトキノンジアジド-ノボラック等が挙げられる。）を塗布し、ＡｒＦレーザ等を用いた投影露光法により１回目の回路パターンを露光し、現像することでフォトレジストマスクパターン（Ｌ_１）２０６を形成する。フォトレジストマスクパターン(Ｌ_１)２０６に対してフリージング材（フリージング材の主成分としては、例えば、樹脂、架橋剤、溶剤などが挙げられる）を塗布し、前記フォトレジストマスクパターン（Ｌ_１）２０６の表面に被覆層２０７を形成する。その後に再度反射防止膜２０５上にレジスト材料（レジスト材の主成分としては、前述と同様）を塗布し、ＡｒＦレーザ等を用いた投影露光法により２回目の回路パターンを露光し、現像することでフォトレジストマスクパターン（Ｌ_２）２０８を形成する。前記フォトレジストマスクパターン（Ｌ_２）２０８を露光、現像する際、前記フォトレジストマスクパターン(Ｌ_１)２０６は表面の被覆層２０７を有することで影響を受けず、前記ダブルパターニング技術により微細回路パターンマスクを形成できる。

次に、トリミング工程を適用し半導体基板のエッチング処理を行う従来のプラズマ処理方法を、図３を用いて説明する。前記ダブルパターニング技術で形成されたマスクパターン（Ｌ_１）２０６とマスクパターン（Ｌ_２）２０８よりさらに小さい寸法のパターンを得るためプラズマエッチング処理においてトリミング工程を適用する。従来のトリミング工程を適用した場合、図３に示すように、フリージング材で被覆されたフォトレジストマスクパターン(Ｌ_１)２０６とフリージング材で被覆されていないフォトレジストマスクパターン(Ｌ_２)２０８のトリミングレートが異なり、トリミング工程後のマスクパターン寸法に差が生じていた。このようにフォトレジストマスクパターン寸法に差がある状態で、フォトレジストマスクパターンより下層の積層化された薄膜のエッチング処理を行っていた。例えば、フォトレジストマスクパターンで覆われていない部分に対して、直下の反射防止膜２０５に最適なエッチング処理条件（ガス種、圧力、マイクロ波出力、コイル電流、高周波電源出力等）を用いてプラズマ処理を行う。この場合、最初に反射防止膜２０５に最適なエッチング処理条件を用いてエッチング処理を行い、その後に前記トリミング工程を適用してもよい。さらに、反射防止膜２０５より下層のマスク層２０４、導電膜層２０３に最適なエッチング処理条件を用いて、順次エッチング処理を行う。このとき、マスク層２０４をエッチング処理した後、アッシング処理によりフォトレジストマスクパターン２０６、２０８と反射防止膜２０５を除去し、さらにマスク層２０４を用いて導電膜層２０３をエッチング処理しても良い。前記エッチング処理が完了すると図７のように、ゲート寸法の異なるＭＯＳトランジスタが形成され、ウエハ面内の回路パターン寸法の均一性が低下する。これによりトランジスタ性能のゆらぎを生じ半導体デバイス特性に大きな影響を与え、歩留まりの低下を招いていた。

次に、本発明の一実施例であるフリージング法を用いたダブルパターンニングリソグラフィにより形成されたフォトレジストマスクパターンに対して、プラズマエッチング装置を用いてトリミング工程を実施するプラズマ処理方法を図４から図６を用いて示す。

本発明のプラズマ処理方法では、図２で示したフォトレジストマスクパターン(Ｌ_１)２０６の表面にのみ被覆層２０７がある状態に対して、フォトレジストマスクパターン(Ｌ_１)２０６とフォトレジストマスクパターン(Ｌ_２)２０８をより小さい寸法のゲート電極を形成するためにトリミングするトリミング工程を適用する。図４に本発明の一実施例であるトリミング工程実施後の被処理材の形状を示す。酸素ガス（Ｏ_２）と臭化水素ガス（ＨＢｒ）と窒素ガス（Ｎ_２）とを含んだ混合ガスを用い、酸素ガスの流量が全混合ガス流量の１０％以上としたトリミング処理を行った。図４に示すように前記トリミング処理によりフリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクパターン(Ｌ_１)２０６の寸法とフリージング材料に被覆されていないフォトレジストマスクパターン(Ｌ_２)２０８の寸法とが同じとなっている。前記トリミング工程を適用することで、フリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクパターン(Ｌ_１)２０６とフリージング材料に被覆されていないフォトレジストマスクパターン(Ｌ_２)２０８とのトリミングレートを同じとすることができる。酸素（Ｏ_２）ガス＋臭化水素（ＨＢｒ）ガス＋窒素（Ｎ_２）ガスは、被覆層とフォトレジスト層に対して同じレートを得ることができる。すなわち、前述のように、一般的なフォトレジスト材料（被覆層を含む）は、ポリマーを主体としており、ドライエッチングする場合の主な使用ガスは酸素（Ｏ_２）である。本発明では、酸素（Ｏ_２）を主体として、臭化水素（ＨＢｒ）＋窒素（Ｎ_２）の添加、さらに酸素（Ｏ_２）ガスの流量％を調整することで、被覆層とフォトレジスト層に対して同じレートを得ることができる。

トリミング工程は、図１のプラズマ処理装置を用いて行われ、処理室内に酸素ガスと臭化水素ガスと窒素ガスとを含む混合ガスを所定の圧力に封入し、処理室内にマイクロ波を印加、処理室内にプラズマを生成することで、半導体基板上のフォトレジストマスクがトリミング処理される。トリミング処理におけるプラズマ処理の条件は、圧力は０．１Ｐａ以上１００Ｐａ以下、マイクロ波（プラズマ生成用高周波）の出力は１００Ｗ以上２０００Ｗ以下、被処理材に印加するＲＦバイアス（バイアス用高周波）出力は０Ｗ以上１００Ｗ以下である。またコイル電流による主要なプラズマ生成領域（ＥＣＲ面）とウエハの距離を調節することにより、トリミング処理を最適化できる。

図５に、前記トリミング工程を実施した後、フォトレジストマスクパターン２０６、２０８より下層の積層化された薄膜をエッチング処理した被処理材の形状を示す。前記トリミング工程の実施後、各薄膜である反射防止膜２０５、マスク層２０４、導電膜層２０３のエッチング処理を行う。実際には、トリミング工程を適用し、続けて直下の反射防止膜２０５に最適なエッチング処理条件（ガス種、圧力、マイクロ波出力、コイル電流、高周波電源出力等）を用いてエッチング処理を行う。この場合、最初に反射防止膜２０５に最適なエッチング処理条件を用いてエッチング処理を行い、その後に前記トリミング工程を適用してもよい。さらに反射防止膜２０５より下層のマスク層２０４と導電膜層２０３に最適なエッチング処理条件を用いて、順次各薄膜層のエッチング処理を行う。これにより得られる回路パターン寸法のウエハ面内均一性を改善することが可能となり、半導体デバイス特性を改善することができる。またトリミング工程により、フォトレジストマスクパターン直下の反射防止膜２０５の一部がエッチングされても問題無く、同様の効果が得られる。

図６に、フリージング材料に被覆されたマスクパターン（Ｌ_１）とフリージング材料に被覆されていないマスクパターン（Ｌ_２）のトリミングレート差の酸素添加量依存性を示す。トリミング工程では臭化水素ガス（ＨＢｒ）、窒素ガス（Ｎ_２）、酸素ガス（Ｏ_２）を含んだ混合ガスを用いた。酸素添加量が２％ではＬ_１とＬ_２のトリミングレート差は大きいが、酸素添加量を１０％とするとＬ_１とＬ_２のトリミングレート差は小さくなる。これはフリージング材料による被覆層２０７を形成するポリマーとフォトレジスト材料を形成するポリマーの側鎖基が異なり、エッチング反応に必要な酸素ラジカル量のしきい値が異なるためと考えられる。

また、トリミング工程におけるウエハの処理温度は、ラジカル反応や側鎖基の脱離を考慮すると２０℃以上であることが望ましい。さらに、フォトレジスト材料のガラス転移による相変化を考慮するとトリミング工程におけるウエハの処理温度は回路パターン形成後のフォトレジスト材料のガラス転移温度以下、例えば２００℃以下であることが望ましい。しかしながら、トリミング工程とプラズマエッチング処理に最適なウエハの処理温度が同じとは限らないため、トリミング工程とプラズマエッチング処理中のウエハ処理温度を変化させても構わない。

図６のように、酸素添加量が大きいほどＬ_１とＬ_２のトリミングレート差は小さい。よって、前記トリミング工程においては、酸素単体ガスを用いても同様の効果を得ることができる。酸素単体ガスを用いて前記トリミング工程を適用した場合、一般的にはトリミングレートの絶対値が増加する。よって、トリミングレートを高精度に制御したい場合は、前記トリミング工程においては、酸素ガスと臭化水素ガスとを含んだ混合ガスを用い、トリミングレートの絶対値を低下させ、寸法制御性能を向上させても良い。この場合でも同様の効果を得ることができる。さらに、形成されるパターンの側面の凹凸の低減、ＬＷＲ（ＬｉｎｅＷｉｄｔｈＲｏｕｇｈｎｅｓｓ）の低減のため前記トリミング工程に窒素ガスを添加してもよい。この場合、Ｌ_１とＬ_２のトリミングレート差が小さくなる効果だけでなく、形成されるパターンの側面の凹凸の低減、ＬＷＲ低減の効果も得られる。

さらに、フォトレジストマスクパターンに対して酸素ガスと臭化水素ガスと窒素ガスとを含む混合ガスを用いてトリミング処理を実施することで、半導体基板の面内全体で同等のトリミング性能を確保することができるという効果がある。

さらに、前記トリミング処理をフリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクパターン（Ｌ_１）２０６の前記被覆層２０７のトリミング（エッチング）の間のみに適用し、その後次のトリミング処理に用いるガスとして酸素ガス（Ｏ_２）を含む混合ガスとすることで、得られる回路パターン寸法を高精度に制御でき、半導体デバイス特性を改善できる。この場合、前記次のトリミング処理に用いる酸素ガス添加量は、最初のトリミング工程の酸素ガス添加量より少なくしトリミングレートの絶対値を低下させることで高精度にパターン寸法を管理できる。

ここでは、トリミング工程を行う場合のプラズマ処理圧力は、プラズマ生成の効率により大気圧以下であることが重要であるため１００Ｐａ以下が望ましい。また極低圧でもプラズマ生成の効率が低下し、さらにレジストポリマーと反応する反応性ラジカル濃度も低下するため０．１Ｐａ以上が望ましい。よって、トリミング工程の効果が顕著に現れるのは、０．１Ｐａ以上１００Ｐａ以下である。

さらに、トリミング処理を行う場合の被処理材に印加するＲＦバイアス電力は、０Ｗ以上１００Ｗ以下である必要がある。特にＲＦバイアス電力は０Ｗが望ましい。これは高いエネルギーを持ったイオンが入射するとフォトレジスト材料がスパッタエッチングされ回路パターンが消滅するためであり、スパッタエッチングを抑制するためにＲＦバイアス電力を１００Ｗ以下とする必要がある。特に、本実施例におけるトリミング工程では、フォトレジスト材料のスパッタエッチングを抑制するためＲＦバイアス電力は０Ｗとした。

以上の実施例によれば、フリージング法を用いたダブルパターニング技術を用いて形成されたフォトレジストマスクパターンに対して、酸素ガス、臭化水素ガス、窒素ガスの中から少なくとも１つ以上のガスを含むトリミング工程を行い、前記フリージング材料に被覆された前記フォトレジストマスクパターンと前記フリージング材料に被覆されていないフォトレジストマスクパターンとのトリミングレートを同じとする。これにより得られる回路パターン寸法のウエハ面内の均一性を改善することができるという効果がある。また高精度なエッチング処理が可能となり、半導体デバイス特性が改善、歩留まりが向上するという効果がある。

以上、本実施例の各効果について、特にＭＯＳトランジスタのゲート電極のエッチング処理を例とし、代表的な薄膜層、プラズマエッチング条件、エッチング形状を用いて具体的に説明したが、類似の特性を示す薄膜材料や半導体製造工程であれば、同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。

また、上述の実施例では半導体デバイスの前工程を中心に各効果を説明したが、半導体デバイスの後工程（配線接続、スーパーコネクト）、マイクロマシン、ＭＥＭＳ分野（ディスプレイ分野、光スイッチ分野、通信分野、ストレージ分野、センサー分野、イメージャ分野、小型発電機分野、小型燃料電池分野、マイクロプローバ分野、プロセス用ガス制御システム分野、医学バイオ分野の関係含む）等の分野でのエッチング加工技術に適用しても同様の作用効果が得られる。

また、以上の実施例ではマイクロ波ＥＣＲ放電を利用したエッチング装置を用いたプラズマ処理方法を例に説明したが、他の放電（有磁場ＵＨＦ放電、容量結合型放電、誘導結合型放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、トランスファー・カップルド放電）を利用したドライエッチング装置においても同様の作用効果がある。ただし、ＥＣＲ放電を用いた場合、主要なプラズマ生成領域とウエハとの距離の制御性、高解離度のプラズマによる反応性ラジカルの密度増加等によって、より高精度の効果を得ることができることから、より最適な効果を得るためにはＥＣＲ放電がより好ましい。

本発明の一実施例であるマイクロ波ＥＣＲエッチング装置の縦断面図。フリージング法を用いたダブルパターニング技術により形成されたフォトレジストパターン形状を模式的に説明する図。従来の方法でトリミング処理されたパターン形状を模式的に説明する図。本発明の一実施例であるトリミング処理を実施したフォトレジストパターン形状を模式的に説明する図。本発明の一実施例であるトリミング処理とプラズマエッチング処理とを実施した回路パターン形状を模式的に説明する図。本発明の一実施であるトリミング工程においてＬ_１とＬ_２のエッチングレート差の酸素ガス添加量依存性を示す図。従来の方法でエッチング処理されたパターン形状を模式的に説明する図。

符号の説明

１０１…真空容器、１０２…シャワープレート、１０３…誘電体窓、１０４…処理室、１０５…ガス供給装置、１０６…真空排気口、１０７…導波管、１０９…電磁波発生用電源、１１０…磁場発生コイル、１１１…ウエハ載置用電極、１１２…ウエハ、１１３…マッチング回路、１１４…高周波電源、２０１…半導体基板、２０２・・・絶縁膜層、２０３・・・導電層、２０４・・・マスク層、２０５・・・反射防止層、２０６・・・１回目の露光によるフォトレジストマスクパターン（Ｌ_１）、２０７・・・被覆層、２０８・・・２回目の露光によるフォトレジストマスクパターン（Ｌ_２）

Claims

半導体基板上の積層化された薄膜と、前記積層化された薄膜上にフリージング法を用いたダブルパターンニング技術により形成されたフォトレジストマスクと、を有する被処理材をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
酸素（Ｏ _２）ガス単体、または、酸素（Ｏ _２）ガスと臭化水素（ＨＢｒ）ガスとを含んだ混合ガス、または、酸素（Ｏ _２）ガスと臭化水素（ＨＢｒ）ガスと窒素（Ｎ _２）ガスとを含んだ混合ガス、のいずれかのガスをエッチングガスとして用いることにより、
フリージング材料に被覆された前記フォトレジストマスクと前記フリージング材料に被覆されていないフォトレジストマスクとのトリミングレートを同じにする第一のトリミング工程を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１記載のプラズマ処理方法において、
前記ガスが酸素（Ｏ _２）ガスと臭化水素（ＨＢｒ）ガスとを含んだ混合ガス、または、酸素（Ｏ _２）ガスと臭化水素（ＨＢｒ）ガスと窒素（Ｎ _２）ガスとを含んだ混合ガス、のいずれかである場合、その酸素（Ｏ _２）ガスのガス流量が全混合ガス流量の１０％以上であることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
さらに、前記第一のトリミング工程によって前記フリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクの前記フリージング材料を除去した後、酸素（Ｏ _２）ガスを含む混合ガスを用いてトリミングを行う第二のトリミング工程を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法において、
さらに、前記薄膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング工程を有し、
前記第一のトリミング工程の被処理材の処理温度と前記プラズマエッチング工程の被処理材の処理温度が異なることを特徴とするプラズマ処理方法。
半導体基板上の積層化された薄膜と、前記積層化された薄膜上にフリージング法を用いたダブルパターンニング技術により形成されたフォトレジストマスクとを有する被処理材をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
フリージング材料に被覆されたフォトレジストマスクパターンをマスクとしてエッチング処理されたパターン寸法と前記フリージング材料に被覆されていないフォトレジストマスクパターンをマスクとしてエッチング処理されたパターン寸法とが同じパターン寸法となるようなトリミング処理は、酸素（Ｏ _２）ガス単体、または、酸素（Ｏ _２）ガスと臭化水素（ＨＢｒ）ガスとを含んだ混合ガス、または、酸素（Ｏ _２）ガスと臭化水素（ＨＢｒ）ガスと窒素（Ｎ _２）ガスとを含んだ混合ガス、のいずれかのガスをエッチングガスとして用いることにより行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項５記載のプラズマ処理方法において、
前記ガスが酸素（Ｏ _２）ガスと臭化水素（ＨＢｒ）ガスとを含んだ混合ガス、または、酸素（Ｏ _２）ガスと臭化水素（ＨＢｒ）ガスと窒素（Ｎ _２）ガスとを含んだ混合ガス、のいずれかである場合、その酸素（Ｏ _２）ガスのガス流量が全混合ガス流量の１０％以上であることを特徴とするプラズマ処理方法。