(57)【要約】【課題】半導体基板に形成されたパターンを、反応性ガスとの化学反応により加工する場合に、当該パターンの疎密差に伴う加工寸法差を低減することができる仕組みを提供する。【解決手段】本発明の半導体製造方法は、第１のパターン部とそれよりもパターン密度が高い第２のパターン部を有する半導体基板に対して、反応性ガスを供給することにより、各パターン部を反応性ガスとの化学反応により加工する加工工程ＰＦ２と、この加工工程ＰＦ２の前に、第１のパターン部に対する反応性ガスの吸着確率が、第２のパターン部に対する反応性ガスの吸着確率よりも低くなるように、反応性ガスの吸着確率を実効的に変える吸着確率制御処理を行なう加工前工程ＰＦ１とを含む。【選択図】図５
2010010404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のパターン部と当該第１のパターン部よりもパターン密度が高い第２のパターン部を有する半導体基板に対して、反応性ガスを供給することにより、前記各パターン部を前記反応性ガスとの化学反応により加工する加工工程と、
前記加工工程の前に、前記第１のパターン部に対する前記反応性ガスの吸着確率が、前記第２のパターン部に対する前記反応性ガスの吸着確率よりも低くなるように、前記反応性ガスの吸着確率を実効的に変える吸着確率制御処理を行なう加工前工程と
を含む半導体製造方法。
【請求項２】
前記吸着確率制御処理は、前記第１のパターン部と前記第２のパターン部を有する前記半導体基板に対して、非反応性ガスを供給することにより、前記各パターン部の表面に前記非反応性ガスを付着させる処理である
請求項１記載の半導体製造方法。
【請求項３】
前記加工前工程と前記加工工程を複数回繰り返す
請求項１又は２記載の半導体製造方法。
【請求項４】
第１のパターン部と当該第１のパターン部よりもパターン密度が高い第２のパターン部を有する半導体基板が収容される反応室と、
前記反応室内にガスを供給するガス供給手段と、
前記反応室に前記半導体基板を収容した状態で、前記ガス供給手段から非反応性ガスを供給することにより、前記各パターン部の表面に前記非反応性ガスを付着させた後、前記ガス供給手段から反応性ガスを供給することにより、前記各パターン部を前記反応性ガスとの化学反応により加工するように、前記ガス供給手段を制御する制御手段と
を備える半導体製造装置。
【請求項５】
被加工膜種、パターン立体角及びパターン開口率をインプットパラメータとして、前記第１のパターン部に対する反応性ガスの吸着確率が、前記第２のパターン部に対する反応性ガスの吸着確率よりも低くなる条件を満たす非反応性ガスのガス照射時間及びガス種を、データ補間処理によって決定するデータ補間手段を備え、
前記制御手段は、前記データ補間手段から与えられるガス照射時間及びガス種に関する情報に基づいて、前記ガス供給手段を制御する
請求項４記載の半導体製造装置。
【請求項６】
前記反応室内のプラズマ状態を示すモニタリング信号をインプットパラメータの一つとして、前記第１のパターン部及び前記第２のパターン部を含むパターンの形状をシミュレーションによって予測するシミュレータを備え、
前記データ補間手段は、パターン加工中に前記シミュレータのシミュレーション結果として与えられるパターン立体角に関する情報に基づいて、前記ガス照射時間を決定する
請求項５記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造方法及び半導体製造装置に関する。詳しくは、半導体基板に形成されたパターンを、プラズマを用いて加工する半導体製造方法及び半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の急速な半導体デバイスの微細化に伴い、数nmレベルでのエッチング加工制御、リソグラフィー寸法精度が要求されている。半導体基板（ウエハ）のパターン加工に際して、パターン側壁に付着する反応生成物量は、パターン密度に依存する。即ち、パターン密度が相対的に高い「密パターン部」と、パターン密度が相対的に低い「疎パターン部」で比較すると、疎パターン部の方が密パターン部よりも上記反応生成物量が多くなる。このため、例えばエッチングマスクとしてフォトマスクを用いたドライエッチングでは、次のような現象が生じる。即ち、被加工パターンの形状に合わせてパターニングされたフォトマスクの密パターン部を基準に、エッチング加工の形状及び寸法を合わせこむと、フォトマスクの疎パターン部では、所望の寸法よりも溝幅が太く（線幅が細く）加工されてしまう。特に、高アスペクト比のパターン加工では、そうした現象が顕著に現れる。
【０００３】
上述のようにパターン密度の差（疎密差）によって生じる加工寸法差（以下、「加工寸法疎密差」とも記す）の制御に関しては、従来技術では、ガス・スプリット（split）比や半導体基板温度の調整によって寸法制御を行なっている。半導体基板の中央領域と外周領域レベル(cmオーダー)での寸法制御は可能であるが、従来のエッチング技術単独ではμmオーダーのローカルパターンの加工寸法疎密差制御は非常に困難である。実際のプロセス条件出しにおいては、リソグラフィーによるマスク寸法の合わせこみとエッチングの双方を用いて、疎密パターン部の寸法調整を行なうことになる。そのため、エッチング加工とリソグラフィー調整が複数回必要になり、開発コスト、評価期間、評価ウエハ枚数の増大が大きな問題となっている。
【０００４】
また、マスクの生成・寸法調整においては、液浸露光装置を用いれば、形状及び寸法の点で、精度の良いマスクを形成することは可能であるが、装置が非常に高価であることが新規技術導入の最大のネックになる。より安価な方法として、ドライエッチングを利用したマスクシュリンク方法がある（特許文献１を参照）。この方法では、マスクのパターン表面に反応生成物を堆積させる工程とそれをエッチングする工程を交互に行なうことで、マスクのパターンを徐々に太らせるため、所望のアスペクト比のマスクを形成することができる。ただし、マスクパターンの太り量（以下、「シュリンク量」と記す）は、マスクパターンの疎密差に依存したものとなる。このため、マスクパターンの疎密差による形状・シュリンク量の加工寸法差を低減することは困難である。
【０００５】
以上のことから、次世代、次々世代の半導体デバイスの加工には、安価でかつ原子/分子レベルでの高精度な疎密パターン加工・マスク形成における寸法制御技術の確立が強く求められている。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６３６８９７４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、半導体基板に形成されたパターンを、反応性ガスとの化学反応により加工する場合に、当該パターンの疎密差に伴う加工寸法差を低減することができる仕組みを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る半導体製造方法は、第１のパターン部と当該第１のパターン部よりもパターン密度が高い第２のパターン部を有する半導体基板に対して、反応性ガスを供給することにより、前記各パターン部を前記反応性ガスとの化学反応により加工する加工工程と、前記加工工程の前に、前記第１のパターン部に対する前記反応性ガスの吸着確率が、前記第２のパターン部に対する前記反応性ガスの吸着確率よりも低くなるように、前記反応性ガスの吸着確率を実効的に変える吸着確率制御処理を行なう加工前工程とを含むものである。
【０００９】
本発明に係る半導体製造装置は、第１のパターン部と当該第１のパターン部よりもパターン密度が高い第２のパターン部を有する半導体基板が収容される反応室と、前記反応室内にガスを供給するガス供給手段と、前記反応室に前記半導体基板を収容した状態で、前記ガス供給手段から非反応性ガスを供給することにより、前記各パターン部の表面に前記非反応性ガスを付着させた後、前記ガス供給手段から反応性ガスを供給することにより、前記各パターン部を前記反応性ガスとの化学反応により加工するように、前記ガス供給手段を制御する制御手段とを備えるものである。
【００１０】
本発明に係る半導体製造方法及び半導体製造装置においては、第１のパターン部でパターン表面に吸着する反応性ガスの吸着量と、第２のパターン部でパターン表面に吸着する反応性ガスの吸着量が、均一化される。このため、各々のパターン部で、パターン表面に生成される反応生成物量がほぼ等しくなる。したがって、各々のパターン部での加工寸法差が小さくなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、半導体基板に形成されたパターンを、反応性ガスとの化学反応により加工する場合に、当該パターンの疎密差に伴う加工寸法差を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明の技術的範囲は以下に記述する実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。
【００１３】
本発明に係る半導体製造装置及び半導体製造方法は、半導体基板に形成されるローカルなパターンを加工の対象（ターゲット）とする。ローカルパターンとは、ターゲットとなるパターンと、当該パターンと同一の基板面内で隣り合うパターンとの間の間隔に対して、ターゲットとなるパターンの側壁に入射するフラックスの量が依存関係（相関）を示す位置関係で形成されたパターンをいう。ローカルパターンは、加工のターゲットとなるパターン（以下、「ターゲットパターン」とも記す）と、当該パターンに隣り合うパターンとの間の間隔が、２μｍ以内に設定されたパターンと定義することができる。フラックスとは、反応性ガスを原料とするラジカルフラックスやイオンフラックスをいう。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置の概念図である。第１の実施の形態に係る半導体製造装置１は、反応性ガスプラズマを利用してエッチング加工を行なうドライエッチング装置である。この半導体製造装置１は、大きくは、データ補間部２と、プロセス制御部３と、エッチングチャンバー４とを備えた構成となっている。エッチングチャンバー４は、反応性ガスによるプラズマを用いてエッチングを行なうためのチャンバーであり、例えば、ＣＣＰ（Capacitive Coupled Plasma）エッチングチャンバーによって構成される。
【００１５】
なお、本発明を適用可能なドライエッチング装置は、反応性ガスプラズマを利用してエッチングを行なうドライエッチング装置であれば、その種類を問わない。このため、本発明は、上記ＣＣＰドライエッチング装置に限らず、例えば、ＩＰＣ(Inductive Coupled Plasma)ドライエッチング装置にも適用可能である。また本発明は、ＥＣＲ(Electro Cycrotoron Resonance)ドライエッチング装置や、ＣＤＥ(Chemical Dry Etching)装置にも適用可能である。
【００１６】
データ補間部２は、被エッチング膜種、パターン立体角及びパターン開口率をインプットパラメータとして、後述する補間アルゴリズムに基づくデータ補間処理を行ない、その処理結果をプロセス制御部３に通知するものである。データ補間部２では、上記データ補間処理の結果として、非反応性ガスのガス照射時間及びガス種を決定し、その情報をプロセス制御部３に送信する。
【００１７】
被エッチング膜種は、被加工膜種に該当するものである。被エッチング膜種は、ドライエッチングでエッチングされる膜材料の種類である。パターン立体角は、ドライエッチングのターゲット（加工対象）となるパターンの構造を示すパラメータであり、次のように定義される。即ち、パターン立体角とは、ターゲットとなるパターンの基部（下端部）を基準点として、当該基準点からターゲットパターンの側壁に沿う直線と、当該ターゲットパターンに隣り合うパターンの先端（上端）に接する直線とを含む錘体がなす３次元の角度である。パターン立体角は、錘体の頂点（基準点）を中心とする単位球面（半径直径１の球面）を考えたときに、その球面が錘によって切り取られる部分の大きさで規定され、その単位はsr（ステラジアン）で表される。パターン立体角は、パターン密度が高いほど（パターンの配置が密になるほど）小さく、逆にパターン密度が低いほど（パターンの配置が疎になるほど）大きくなる。パターン密度は、基板表面におけるパターンの密度（単位面積あたりに含まれる実パターンの割合）である。パターン開口率は、半導体基板の基板面（基板表面）に占めるパターン開口の面積比率である。このため、パターン開口率が高くなると、その分だけ基板面に占める実パターンの占有面積率が低くなる。
【００１８】
データ補間部２には、データ補間処理に使用するデータベースが設けられている。データベースには、図２に示すように、パターン開口率、被エッチング膜種、ガス照射時間、ターゲットとなるパターン構造から計算されるパターン立体角、ガス吸着確率を含む情報が登録されている。ガス吸着確率は、ターゲットとなるパターンの側壁に吸着（付着）するガス（ラジカル）の確率を表す。データベースに登録される情報は、実測値によるものでもよいし、分子動力学計算に基づくシミュレーション値によるものでもよい。
【００１９】
プロセス制御部３は、エッチングチャンバー４に対して、当該エッチングチャンバー４を動作させる動作信号を送信することにより、エッチングチャンバー４によって行なわれるプロセス（本形態例ではドライエッチングプロセス）を制御するものである。その際、プロセス制御部３は、データ補間部２から送信されたガス照射時間及びガス種に関する情報を取り込み、当該情報に含まれるガス照射時間及びガス種に基づいて、後述するガス供給装置を制御すべく、エッチングチャンバー４に動作信号を送信する。また、プロセス制御部３は、例えば、データ補間部２から送信された情報（ガス照射時間、ガス種）に基づく処理（加工前処理）の実施回数及び実施間隔を予めプロセスレシピにて登録しておくことで、当該実施回数及び実施間隔の設定に基づいて、上記処理（加工前処理）の実行を指示する実行動作信号をエッチングチャンバー４に送信する。
【００２０】
エッチングチャンバー４は、ドライエッチングの被加工物となる半導体基板を収容する反応室を有するものである。また、エッチングチャンバー４は、図示はしないが、当該チャンバーの反応室内にガスを供給（導入）するガス供給装置と、当該チャンバー内にプラズマを発生させるプラズマ発生装置とを備えるものである。プラズマ発生装置は、バイアス電力の供給によってプラズマを発生させる。ガス供給装置は、少なくとも、非反応性ガスの供給系と、反応性ガスの供給系を含む、複数系統のガス供給系を有する。
【００２１】
半導体基板は、第１のパターン部と当該第１のパターン部よりもパターン密度が高い第２のパターン部を、同一の基板表面に有する。基板表面とは、各種のパターンが形成される半導体基板の一方の面をいう。基板表面で隣り合う２つのパターンの間隔は、パターン密度が高くなるほど狭くなり、逆に、パターン密度が低くなるほど広くなる。このため、相対的にパターン密度が低い第１のパターン部は、第２のパターン部よりも疎なパターンとなり、相対的にパターン密度が高い第２のパターン部は、第１のパターン部よりも密なパターンとなる。以降の説明では、第１のパターン部を「疎パターン部」と記し、第２のパターン部を「密パターン部」と記す。疎パターン部と密パターン部は、半導体基板の同一面内に形成・配置される。
【００２２】
図３は本発明の第１の実施の形態においてデータ補間部に適用される補間アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。まず、データ補間処理のためのインプットパラメータとして、例えばプロセス管理者の入力操作により与えられる被エッチング膜種、パターン立体角及びパターン開口率を取り込む（ステップＳ１）。被エッチング膜種は、被エッチング膜が単層膜であれば一種、積層膜であれば２種以上が、インプットパラメータとして取り込まれる。パターン立体角は、疎パターン部と密パターン部で異なる角度となる。このため、パターン立体角は、疎パターン部と密パターン部で、それぞれ個別のインプットパラメータとして取り込まれる。パターン開口率は、疎パターン部と密パターン部を含む半導体基板全体のパターン開口率（ウエハ開口率）となる。このため、パターン開口率は、疎パターン部と密パターン部の両方に共通に適用されるインプットパラメータとして取り込まれる。
【００２３】
次に、上記ステップＳ１で取得したパターン開口率を検索キーとして、当該検索キーとしたパターン開口率と同一のパターン開口率で登録されている情報を、データベースからの検索によって取得する（ステップＳ２）。これにより、データベースに登録されているすべての情報の中から、上記ステップＳ１で取得したパターン開口率に適合する情報が抽出される。
【００２４】
次に、上記ステップＳ２で抽出されたデータベースの情報の中から、上記ステップＳ１で取得した被エッチング膜種と同一のエッチング膜種で登録されている情報を、データベースからの検索によって取得する（ステップＳ３）。これにより、上記ステップＳ１で取得したパターン開口率及び被エッチング膜種に適合する情報が抽出される。
【００２５】
次に、上記ステップＳ３で抽出されたデータベースの情報の中から、上記ステップＳ１で取得したパターン立体角と同一のパターン立体角で登録されている情報を、データベースからの検索によって取得する（ステップＳ４）。これにより、上記ステップＳ１で取得したパターン開口率、被エッチング膜種及びパターン立体角に適合する情報が抽出される。
【００２６】
次に、上記ステップＳ４で抽出されたデータベースの情報を用いて、パターン立体角とガス吸着確率の積が疎パターン部と密パターン部で等しくなる条件を満たす、ガス照射時間とガス種の組み合わせを、データベースからの検索とスプライン補間の補間計算によって決定する（ステップＳ５）。
【００２７】
次に、上記ステップＳ５で決定したガス照射時間とガス種に関する情報をプロセス制御部３に受け渡す（ステップＳ６）。ガス照射時間は、半導体基板に照射する非反応性ガスの時間である。ガス種は、半導体基板に照射する非反応性ガスの種類である。
【００２８】
図４はターゲットとなるパターンに入射する反応性ガス（ラジカル）の概念を示す図である。図４においては、パターン間隔が相対的に狭い密パターン部の立体角を“Ｓ１”とし、当該立体角Ｓ１を有する密パターン部のパターン側壁に吸着する反応性ガスの吸着確率を“Ｐ１”としている。また、パターン間隔が相対的に広い疎パターン部の立体角を“Ｓ２”とし、当該立体角Ｓ２を有する疎パターン部のパターン側壁に吸着する反応性ガスの吸着確率を“Ｐ２”としている。さらに、パターン開口率を“Ｒ”としている。そうした場合、プラズマ化した反応性ガスとの化学反応によって密パターン部のパターン側壁に生成される反応生成物量Γ１は、パターン立体角Ｓ１とパターン開口率Ｒに依存したものとなる。また、プラズマ化した反応性ガスとの化学反応によって疎パターン部のパターン側壁に生成される反応生成物量Γ２は、パターン立体角Ｓ２とパターン開口率Ｒに依存したものとなる。
【００２９】
そこで、上記ステップＳ５においては、“Ｐ１×Γ１＝Ｐ２×Γ２”の条件を満たすガス照射時間とガス種の組み合わせを補間計算によって決定する。例えば、密パターン部の立体角が「立体角Ａ」で、疎パターン部の立体角が「立体角Ｃ］であったとする。その場合は、「立体角Ａ」に対応するガス吸着確率「Ｐ１ａ、Ｐ２ａ、Ｐ３ａ、Ｐ４ａ、Ｐ５ａ、…」と、「立体角Ｃ」に対応するガス吸着確率「Ｐ１ｃ、Ｐ２ｃ、Ｐ３ｃ、Ｐ４ｃ、Ｐ５ｃ、…」で、両者の大小関係が逆転するところのガス照射時間を特定する。ガス吸着確率は、ターゲットパターンの表面（パターン側壁）に吸着する反応性ガスの確率である。ガス吸着確率は、非反応性ガスのガス照射時間が長くなるにつれて低下する。また、ガス照射時間の増加に伴ってガス吸着確率が低下する割合は、疎パターン部の方が密パターン部よりも高くなる。このため、上記図２において、例えば、ガス照射時間がＴ２からＴ３に変わるところで、上記大小関係が逆転する場合は、次のようにしてガス照射時間を決定する。即ち、「立体角Ａ」で上記大小関係が逆転する２つのガス吸着確率Ｐ２ａ、Ｐ３ａの値と、「立体角Ｃ」で上記大小関係が逆転する２つのガス吸着確率Ｐ２ｃ、Ｐ３ｃの値から、各立体角でガス吸着確率が等しくなるガス照射時間Ｔを補間計算によって求める。こうして決定されるガス照射時間Ｔは、“Ｔ２≦Ｔ≦Ｔ３”の関係を満たすものとなる。なお、ガス種に関しては、被エッチング膜種をインプットパラメータとして一意に決定される。このため、ステップＳ４で抽出されるデータベースの情報は、被エッチング膜種に対応して決定されたガス種に関する情報となる。
【００３０】
上記ステップＳ１〜Ｓ６に基づく補間アルゴリズムにしたがってデータ補間部２でデータ補間処理が行なわれると、プロセス制御部３は、データ補間部２から送信されるガス照射時間とガス種に関する情報に基づいてエッチングチャンバー４に動作信号を送信する。エッチングチャンバー４は、この動作信号にしたがって動作する。このため、データ補間処理で決定されたガス照射時間及びガス種に関する情報にしたがって、ガス供給装置から非反応性ガスが供給されることになる。
【００３１】
図５はエッチングチャンバー４で行なわれる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。ドライエッチング工程は、エッチングチャンバー４の反応室に半導体基板を収容した状態で行なわれる。ドライエッチング工程は、加工前工程ＰＦ１と加工工程ＰＦ２を有する。加工工程ＰＦ２は、疎パターン部と密パターン部を有する半導体基板に対して、反応性ガスを供給することにより、各パターン部を反応性ガスとの化学反応により加工する工程である。加工前工程ＰＦ１は、疎パターン部に吸着する反応性ガスの吸着確率が、密パターン部に吸着する反応性ガスの吸着確率よりも低くなるように、半導体基板の各パターン部に吸着する反応性ガスの吸着確率を実効的に変える吸着確率制御処理を行なう工程である。加工前工程ＰＦ１は、加工工程ＰＦ２の前に行なわれる。
【００３２】
（加工前工程ＰＦ１に関して）
加工前工程では、上記吸着確率制御処理として、疎パターン部と密パターン部を有する半導体基板に対して、非反応性ガスを供給することにより、各パターン部の表面に非反応性ガスを付着させる処理を行なう。非反応性ガスの供給は、エッチングチャンバー４のガス供給装置によって行なわれる。非反応性ガスは、ドライエッチングのターゲットとなるパターンの表面に付着しても化学反応を示さない性質のガスである。非反応性ガスとしては、不活性ガスを用いることができる。例えば、ターゲットパターンがシリコンのパターンであるとすると、非反応性ガスとして、不活性ガスの一例である窒素ガスを用いる。
【００３３】
より具体的に記述すると、ドライエッチングにおけるシリコンの加工条件は次の通りとする。即ち、レジストマスクの膜厚＝２００nm、シリコンの膜厚＝１５０nm、レジスト線幅＝１２０nm、疎パターン部のパターン立体角＝５．８sr（ステラジアン）、密パターン部のパターン立体角＝１．５srとする。レジストマスクは、ドライエッチングでエッチングマスクに用いられるフォトレジスト製のマスクである。疎パターン部のパターン間隔（スペース幅）は２０００nmとし、密パターン部のパターン間隔は２００nmとする。各パターン部の立体角は、全立体角を２πsrとする。パターン開口率（ウェハ開口率）は７３％とする。エッチングのステップ実施間隔は１０secとし、ステップ実施回数は１２回とする。
【００３４】
そうした場合、加工前工程は、例えば、以下の条件で吸着確率制御処理を行なう。
窒素ガスの流量：１０sccm
ソース電力：３００W（６０MHz）
バイアス電力：０W
圧力：３０mT
下部電極温度：４０℃
ガス照射時間（窒素ガスの供給時間）：１０sec
【００３５】
上記の加工前工程においては、ターゲットとなるシリコンのパターン表面に、原子１層程度分の窒素ガス（ラジカル）を降り積もらせるように、窒素ガスをゼロバイアスの状態で基板表面に照射する。この場合、窒素ガスは、シリコンパターン表面に対して、反応性ガスの吸着確率を低下させる（換言すると、反応性ガスの吸着を阻害させる）ものとなる。
【００３６】
（加工工程ＰＦ２に関して）
加工工程では、上記加工前工程を終えた後、エッチングチャンバー４の反応室に収容されたままの状態の半導体基板に対して、反応性ガスを供給することにより、疎パターン部と密パターン部をそれぞれ反応性ガスとの化学反応により加工する。反応性ガスの供給は、エッチングチャンバー４のガス供給装置によって行なわれる。反応性ガスは、バイアス電圧の供給によってプラズマ発生装置が発生させるプラズマの状態で、ドライエッチングのターゲットとなるパターンの表面に付着したときに化学反応を示す性質のガスである。反応性ガスは、ドライエッチングのエッチングガスとなる。
【００３７】
加工工程では、例えば、以下の条件でシリコンのエッチング加工を行なう。
臭化水素ガス（反応性ガス）の流量：４００sccm
酸素ガス（反応性ガス）の流量：２sccm
ソース電力：２００W（６０MHz）
バイアス電力：８０W（１３．５６MHz）
圧力：２０mT
下部電極温度：６０℃
【００３８】
上記の加工前工程と加工工程を含むドライエッチング方法においては、加工前工程で吸着確率制御処理を行なったときに、ターゲットとなるシリコンパターンの表面に付着する非反応性ガスの面密度が、半導体基板の基板表面に形成されたパターン部の疎密度に応じて異なるものとなる。即ち、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、密パターン部でシリコンパターンの表面に付着する非反応性ガス（図例では窒素ガス）の面密度は、疎パターン部でシリコンパターンの表面に付着する非反応性ガスの面密度よりも低くなる。つまり、疎パターン部の方が、密パターン部よりも高い面密度で窒素（Ｎ）ガスのラジカルが付着した状態となる。シリコンパターンの表面に付着した非反応性ガスは、加工前工程の後に行なわれる加工工程で、シリコンパターンの表面に反応性ガスが付着することを阻害する作用をなす。このため、疎パターン部と密パターン部では、反応性ガスの吸着確率が実効的に変わる。具体的には、疎パターン部での反応性ガスの吸着確率が、密パターン部での反応性ガスの吸着確実よりも低くなる。
【００３９】
したがって、例えば図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、シリコン膜１１を覆う反射防止膜１２の上に形成されたフォトレジストのマスクパターン１３を用いて、反射防止膜１２及びシリコン膜１１をドライエッチングでパターン加工する場合は、次のようになる。まず、加工前工程を行なった段階では、図７（Ａ）に示すように、マスクパターン１３の表面と、当該マスクパターン１３を用いてエッチングされた反射防止膜１２及びシリコン膜１１のパターン側壁に、それぞれ窒素ガスが付着した状態となる。この場合、図中右側の疎パターン部と図中左側の密パターン部を比較すると、疎パターン部の方に、より多くの窒素ガスが付着する。その後、加工工程を行なった段階では、図７（Ｂ）に示すように、疎パターン部と密パターン部の双方のパターン側壁に反応性ガス（ＳｉＢｒｘ）が吸着した状態となる。この場合、疎パターン部と密パターン部では、それぞれ非反応性ガスの面密度の高低差に応じて、当該面密度が高い疎パターン部の方が、当該面密度が低い密パターン部よりも、反応性ガスが吸着されにくくなる。ただし、各々のパターン部の立体角の違いにより、疎パターン部の開口部分（開口スペース）に入射する反応性ガスの入射量は、密パターン部の開口部分に入射する反応性ガスの入射量よりも多くなる。このため、それらの相殺作用により、疎パターン部のパターン表面（側壁）に吸着する反応性ガスの吸着量と、密パターン部のパターン表面（側壁）に吸着する反応性ガスの吸着量が、均一化（理想的には同一化）される。
【００４０】
その結果、反応性ガスとの化学反応によってパターンの表面に生成される反応生成物量（本形態例では臭化シリコン：ＳｉＢｒｘ）は、疎パターン部と密パターン部でほぼ等しくなる。これにより、疎パターン部と密パターン部で同量ずつパターンが加工（エッチング加工）されるため、パターンの疎密差による加工寸法差を低減することができる。また、シリコン加工条件、要求する疎密でのゲート変換差スペックやシリコン膜厚に応じて、加工前工程と加工工程の実施回数を設定し、この実施回数にしたがって加工前工程と加工工程を複数回繰り返すことにより、寸法制御精度を向上させることができる。
【００４１】
また、従来のドライエッチングでは困難であったローカルパターンの原子/分子レベルの疎密差制御をパターン開口率・ローカルパターン構造、膜種、加工プロセス条件の制約なく行なうことができる。これにより、トランジスタゲートやＳＴＩ及びダマシン加工寸法のバラツキを抑制でき、デバイスの特性や信頼性の大きな向上につながる。また本発明により、エッチング単独でパターン疎密差に伴う加工寸法差を低減し、寸法及び形状の合わせ込みが可能となる。そのため、従来に比較して、開発評価工数や評価ウエハ枚数を大幅に削減することができる。また、従来のリソグラフィー技術による露光の難しい高アスペクト比のマスクパターン形成に対して、既存のマスクシュリンク法に本発明を適用することで、アスペクト比依存性（疎密差）を低減した寸法形成を実現することができる。
【００４２】
なお、ドライエッチングで生成される反応生成物（本形態例では、臭化シリコン系や炭素系）の吸着確率を低下させ得るものであれば、非反応性ガスは窒素ガスに限らず、他のガスであってもよい。また、上記第１の実施の形態においては、シリコン膜のエッチングについて記述したが、被エッチング膜はシリコン膜に限らず、例えば、酸化膜、有機膜、窒化シリコン膜、その他の金属膜であってもよい。ただし、加工前工程で適用される非反応性ガスのガス種は、エッチングによって生じる反応生成物に応じて選択する必要がある。また、被エッチング膜の膜種が変わると、エッチングによって生じる反応生成物が変わる。そのため、加工前工程に適用する非反応性ガスのガス種は、被エッチング膜のエッチングによって生じる反応生成物に応じて選択する（変える）必要がある。
【００４３】
（第２の実施の形態）
図８は本発明の第２の実施の形態に係る半導体製造装置の概念図である。図示した半導体製造装置１は、上記第１の実施の形態と同様に、反応性ガスプラズマを利用してエッチング加工を行なうドライエッチング装置である。ただし、上記第１の実施の形態で採用している装置構成に加えて、シミュレータ５を備えた点が異なっている。シミュレータ５は、エッチングチャンバー４に設けられたモニター（不図示）から出力されるモニタリング信号を用いて、エッチング加工中のパターン構造（形状）を計算によってシミュレーションするものである。ここでは、エッチング加工中のパターン構造として、パターン立体角に関する情報が、シミュレーション結果として生成されるものとする。
【００４４】
ただし、シミュレータ５でシミュレーションされる項目は、パターン立体角に限らない。例えば、他のシミュレーション項目として、パターンの加工量（エッチング量を含む）、パターンの加工速度（エッチングレートを含む）、パターンの加工寸法（仕上がり寸法）、被加工パターンの材料（被エッチング膜種を含む）と反応性ガスとの化学反応によって生成される反応生成物量などがある。シミュレータ５は、モニターから出力されるモニタリング信号と、プロセス管理者によって設定されるプロセスレシピ値を、それぞれインプットパラメータとして、所定のアルゴリズムにしたがってシミュレーションを行なう。
【００４５】
モニターは、エッチングチャンバー４内に発生するプラズマの状態（例えば、電子密度、電子温度、発光強度、ラジカル・イオン種、イオンエネルギー等）を、エッチング中に随時、モニタリング（検出）するものである。モニターは、例えば、プラズマ密度を測定するプローブ（例えば、ラングミュアプローブ等）、エッチング雰囲気中のラジカル・イオン種を測定する質量分析器（例えば、四重極質量分析器等）、ラジカル・イオンの発光強度を測定する発光分光計（ＯＥＳ）、プラズマのシース領域でのイオンの加速エネルギーを測定するイオンエネルギースペクトルアナライザーなどを用いて実現されるものである。
【００４６】
シミュレータ５は、出願人が先に出願した特願２００７−３２６９６６号明細書に記載された「形状シミュレータ」を用いることができる。シミュレータ５のシミュレーション結果は、例えば図９のようなＧＵＩ（Graphical User Interface）画面でエッチング中にリアルタイムに表示される。図示したＧＵＩ画面は、エッチング条件を設定するプロセスウィンドウ、シミュレーション計算に必要な初期条件やエッチング終点検知（ＥＰＤ）の設定を行なうパラメータウィンドウ、ＥＰＤの波形を表示するＥＰＤウィンドウ、シミュレーション計算の結果（パターン予測形状）を表示する計算表示ウィンドウ、各ウィンドウを操作するコントロールウィンドウを含むものとなっている。プロセス管理者は、シミュレーション結果としてＧＵＩ画面内に表示されたエッチングパターンの予想形状を目視で確認しながらエッチングプロセスを管理することが可能となっている。
【００４７】
シミュレータ５は、エッチングチャンバー４のモニターから与えられるモニタリング信号とプロセスレシピの設定値に基づくシミュレーション結果として、前述したパターン立体角に関する情報を生成し、当該情報をデータ補間部２に送信する。シミュレーションでは、エッチング中に刻々と変化するターゲットパターンに関する立体角を計算する。その際、シミュレーションモデルのインプットパラメータとして、モニターを構成する各々の測定器により検出される、プラズマ状態を示すモニタリング信号を用いる。これにより、エッチング中のプラズマ状態の遷移として、例えば、プラズマ組成（イオン、ラジカル、反応生成物）の変化を検出し、それを反映したシミュレーション計算を行なうことで、エッチング中にリアルタイムでパターン形状のシミュレーション結果が得られる。データ補間部２は、エッチング前は、インプットパラメータ（プロセスレシピ）として与えられるパターン立体角を適用してデータ補間処理を行ない、エッチング中は、シミュレータ５から与えられるパターン立体角を適用してデータ補間処理を行なう。
【００４８】
図１０は本発明の第２の実施の形態においてデータ補間部に適用される補間アルゴリズムを含むプロセス制御の一例を示すフローチャートである。まず、上記のステップＳ１でインプットパラメータ（被エッチング膜種、パターン立体角、パターン開口率）を取り込んだ後、ステップＳ２〜Ｓ５の処理にしたがってガス照射時間とガス種をデータ補間計算により決定した後、それらの情報をステップＳ６でプロセス制御部３に受け渡す。ここまでの処理は、上記第１の実施の形態の場合と同様である。
【００４９】
その後、プロセス制御部３が、データ補間部２から受け取ったガス照射時間及びガス種の情報に基づいて、エッチングチャンバー４に動作信号を送信すると、当該チャンバー内に収容された半導体基板に対して、非反応性ガスが照射される（ステップＳ７）。この場合、エッチングチャンバー４のガス供給装置は、プロセス制御部３からの動作信号により指定された種類の非反応性ガスを、指定のガス照射時間にわたって、当該チャンバー内に供給する。このステップＳ７の工程は、加工前工程に相当するものとなる。
【００５０】
ここで、疎パターン部と密パターン部を有する半導体基板を対象としたエッチングプロセスの一例として、ＳＴＩ（シャロー・トレンチ・アイソレーション）プロセスで窒化シリコンのパターンをマスクとし、シリコンを３００nmの深さで掘り込み加工する場合を想定する。
【００５１】
そうした場合、加工前工程は、例えば、以下の条件で吸着確率制御処理を行なう。
窒素ガスの流量：１０sccm
ソース電力：３００W（６０MHz）
バイアス電力：０W
圧力：３０mT
下部電極温度：４０℃
ガス照射時間（窒素ガスの供給時間）：１５sec
【００５２】
次に、エッチングチャンバー４内で反応性ガスを用いたターゲットパターンのエッチングを行なう（ステップＳ８）。反応性ガスは、エッチングチャンバー４のガス供給装置によって当該チャンバー内に供給される。このステップＳ８の工程は、加工工程に相当するものとなる。
【００５３】
加工工程では、例えば、以下の条件でシリコンのエッチング（掘り込み）加工を行なう。
臭化水素ガス（反応性ガス）の流量：１６０sccm
酸素ガス（反応性ガス）の流量：３０sccm
塩素ガス（反応性ガス）の流量：２００sccm
ソース電力：２００W（６０MHz）
バイアス電力：８０W（１３．５６MHz）
圧力：２０mT
下部電極温度：３０℃
【００５４】
次に、シミュレータ５は、エッチング中にモニターから出力されるモニタリング信号に基づくシミュレーションによって、リアルタイムに変化するパターン立体角とエッチング量を予測する。そして、予測したエッチング量が、上記ステップＳ８でエッチングを開始（又は再開）した時点から、予め設定された変動範囲内であるかどうかを確認する（ステップＳ９）。設定変動範囲は、例えば２０nmに設定し、当該設定変動範囲内であれば、上記ステップＳ８に戻ってエッチングを継続する。
【００５５】
これに対して、予測エッチング量が設定変動範囲外となった場合は、一旦、ステップＳ８のエッチングを停止（エッチングチャンバー４の動作を停止）し、シミュレータ５がシミュレーション計算で予測したパターン立体角に関する情報をデータ補間部２に送信する（ステップＳ１０）。
【００５６】
そうすると、データ補間部２は、シミュレータ５から与えられたパターン立体角を適用して、上記ステップＳ４の処理を行なうことにより、当該パターン立体角に適用する情報をデータベースからの検索により取得する。その後は、エッチングの終点が検知されるまで、上記同様の処理を繰り返すことになる。
【００５７】
このような手順（半導体製造方法）にしたがってドライエッチングのプロセス制御を行なうことにより、エッチングの開始から終了（終点検知）までの間に、加工前工程と加工工程が繰り返し実施される。また、その繰り返しの中で、シミュレータ５によるパターン立体角の予測に基づいて、ガス照射時間が自動的に決定される。このため、加工前工程に適用される非反応性ガスの照射時間を、その時々のパターン構造（立体角）に合わせて最適化することができる。その結果、エッチングが進行するにつれてパターン立体角が刻々と変化する状況であっても、当該立体角とエッチング量を予測し、その予測に基づいて、ガス照射時間を決定することにより、さらに高精度な寸法制御が可能となる。特に、高アスペクト比のパターンをエッチングする場合は、寸法制御の高精度化により、パターンの疎密差による加工寸法差を効果的に低減することが可能となる。
【００５８】
なお、上記第２の実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様に、ドライエッチングで生成される反応生成物の吸着確率を低下させ得るものであれば、非反応性ガスは窒素ガスだけに限定されるものではない。また、被エッチング膜の膜種に関しても、シリコン膜だけに限定されるものではない。
【００５９】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態においては、上記第２の実施の形態と同様の半導体製造装置（図８）を用いて、ドライエッチングを利用したマスクシュリンク法により、半導体基板のパターン加工を行なう。マスクシュリンク法とは、フォトリソグラフィー工程によって形成されたフォトマスク（レジストマスク）のパターン（疎パターン部、密パターン部を含む）を、後述する堆積工程と整形工程の繰り返しにより、徐々に太らせて（線幅を広げて）、当該マスクパターンを用いてエッチングされる溝幅を狭める方法である。
【００６０】
堆積工程は、マスクパターンの表面に反応性ガスを用いて反応生成物を堆積させる工程である。整形工程は、堆積工程でマスクパターンの表面に堆積させた反応生成物を含むパターンの形状をドライエッチングによって整える工程である。
【００６１】
本発明の第３の実施の形態においては、上記の堆積工程と整形工程を含むマスクシュリンク法に対して、堆積工程のみ、又は当該堆積工程と整形工程の両方を、加工工程とみなして、前述したデータ補間処理と加工前工程を組み合わせる。以下に、具体的なプロセス制御の例を記述する。
【００６２】
図１１は本発明の第３の実施の形態においてデータ補間部に適用される補間アルゴリズムを含むプロセス制御の一例を示すフローチャートである。まず、上記第１の実施の形態と第２の実施の形態で記述したステップＳ１〜Ｓ７と同様の内容で、ステップＳ１１〜Ｓ１７の処理を行なう。その場合、データ補間処理のインプットパラメータとなる被加工膜種としては、マスクシュリンク法で加工の対象となる膜材料の種類がプロセス管理者によって指定される。したがって、例えば、フォトレジストからなるマスクパターンを加工対象とする場合は、当該レジスト材料の種類が被加工膜種として取り込まれることになる。
【００６３】
ステップＳ１７のガス照射工程（加工前工程）は、例えば、以下の条件で行なう。
窒素ガスの流量：１０sccm
ソース電力：３００W
バイアス電力：０W
圧力：３０mT
下部電極温度：４０℃
ガス照射時間（窒素ガスの供給時間）：２５sec
【００６４】
これにより、図１２（Ａ）に示すように、例えば、シリコン膜２１を覆う反射防止膜２２の上に形成されたフォトレジストのマスクパターン２３を、マスクシュリンクのターゲットパターンとする場合は、マスクパターン２３の表面（側壁を含む）に非反応性ガス（窒素ガスなど）が付着した状態となる。
【００６５】
次に、エッチングチャンバー４の反応室で堆積工程を行なう（ステップＳ１８）。堆積工程は、例えば、以下の条件で行なう。
ＣＨ3Ｆガス（反応性ガス）の流量：１００sccm
アルゴンガスの流量：１００sccm
Ｃ4Ｆ6ガス（反応性ガス）の流量：２０sccm
ソース電力：２００W
バイアス電力：２００W
圧力：１００mT
下部電極温度：２０℃
【００６６】
これにより、図１２（Ｂ）に示すように、マスクシュリンク法でターゲットとなるパターン２３の表面に、反応性ガス（ＣＨ3Ｆガス、Ｃ4Ｆ6ガスなど）が付着するとともに、当該反応性ガスとの化学反応により、反応生成物２４が堆積した状態となる。なお、堆積工程では、反応性ガスとして、ＳｉＢｒ4を使用してもよい。
【００６７】
次に、エッチングチャンバー４の反応室で整形工程を行なう（ステップＳ１９）。整形工程は、例えば、以下の条件で行なう。
ＣＦ4ガスの流量：１００sccm
ソース電力：４００W
バイアス電力：４００W
圧力：３０mT
下部電極温度：２０℃
【００６８】
これにより、図１２（Ｃ）に示すように、反応生成物２４が堆積しているパターン２３の表面が、エッチングガス（ＣＦ4ガスなど）との化学反応によるエッチングで整形される。ここでは一例として、マスクシュリンク法で所望するパターン加工量（シュリンク量）を３００nmとし、堆積工程と整形工程の繰り返し回数を８回とする。繰り返し回数は、予めプロセスレシピで登録してもよいし、シミュレータ５を用いて制御してもよい。
【００６９】
次に、プロセス制御部３は、エッチングチャンバー４での整形工程を停止させて、シミュレータ５で予測したパターンの加工寸法が所望の寸法となったかどうかを確認する（ステップＳ２０）。そして、予測したパターンの加工寸法が所望の寸法になっていない場合（パターンの加工量が不足している場合）は、シミュレータ５がエッチング中にモニターから出力されるモニタリング信号を用いて予測したパターンの加工量が、予め設定された変動範囲内であるかどうかを確認する（ステップＳ２１）。そして、シミュレータ５で予測したパターン加工量が設定変動範囲内であれば、上記ステップＳ１７に戻ってガス照射工程（加工前工程）からの処理を繰り返す。
【００７０】
これに対して、シミュレータ５で予測したパターン加工量が設定変動範囲外となった場合は、シミュレータ５がシミュレーション計算で予測したパターン立体角に関する情報をデータ補間部２に送信する（ステップＳ２２）。
【００７１】
そうすると、データ補間部２は、シミュレータ５から与えられたパターン立体角を適用して、上記ステップＳ１４の処理を行なうことにより、当該パターン立体角に適用する情報をデータベースからの検索により取得する。その後は、ステップＳ１４〜Ｓ２２の処理を繰り返す。そして、その繰り返しの中で、上記ステップＳ２０において、シミュレータ５で予測したパターンの加工寸法が所望の寸法となると、その段階で一連の処理（マスクパターンのシュリンク加工）が終了となる（ステップＳ２３）。
【００７２】
このような手順（半導体製造方法）にしたがってマスクシュリンクのプロセス制御を行なうことにより、ターゲットとなるパターンの寸法が、予め設定された所望の寸法になるまでの期間内に、ガス照射工程、堆積工程及び整形工程が繰り返し実施される。また、その繰り返しの中で、シミュレータ５によるパターン立体角の予測に基づいて、ガス照射時間が自動的に決定される。このため、加工前工程に適用される非反応性ガスの照射時間を、その時々のパターン構造（立体角）に合わせて最適化することができる。その結果、マスクシュリンクが進行するにつれてパターン立体角が刻々と変化する状況であっても、当該立体角とパターン加工量を予測し、その予測に基づいて、ガス照射時間を決定することにより、マスクシュリンク法で高精度な寸法制御が可能となる。また、マスクシュリンク法でパターンの疎密差による加工寸法差を効果的に低減することが可能となる。
【００７３】
また、上記のガス照射工程（加工前工程に相当）と堆積工程（加工工程に相当）を含むマスクシュリンク法においては、ターゲットとなるパターンの表面に付着する非反応性ガスの面密度が、半導体基板の基板表面に形成されたパターン部の疎密度に応じて異なるものとなる。即ち、密パターン部でパターン表面に付着する非反応性ガスの面密度は、疎パターン部でパターン表面に付着する非反応性ガスの面密度よりも低くなる。つまり、疎パターン部の方が、密パターン部よりも高い面密度で窒素（Ｎ）ガスのラジカルが付着した状態となる。パターン表面に付着した非反応性ガスは、その後に行なわれる堆積工程で、パターン表面に反応性ガスが付着することを阻害する作用をなす。このため、疎パターン部と密パターン部では、反応性ガスの吸着確率が実効的に変わる。具体的には、疎パターン部での反応性ガスの吸着確率が、密パター部での反応性ガスの吸着確実よりも低くなる。
【００７４】
したがって、上記ガス照射工程の後に堆積工程を行なうと、疎パターン部と密パターン部では、それぞれ非反応性ガスの面密度の高低差に応じて、当該面密度が高い疎パターン部の方が、当該面密度が低い密パターン部よりも、反応性ガスが吸着されにくくなる。ただし、各々のパターン部の立体角の違いにより、疎パターン部の開口部分に入射する反応性ガスの入射量は、密パターン部の開口部分に入射する反応性ガスの入射量よりも多くなる。このため、それらの相殺作用により、疎パターン部のパターン表面に吸着する反応性ガスの吸着量と、密パターン部のパターン表面に吸着する反応性ガスの吸着量が、均一化（理想的には同一化）される。
【００７５】
その結果、反応性ガスとの化学反応によってパターンの表面に堆積される反応生成物量は、疎パターン部と密パターン部でほぼ等しくなる。これにより、疎パターン部と密パターン部で同量ずつパターンが加工（シュリンク加工）されるため、パターンの疎密差による加工寸法差を低減することができる。また、ガス照射工程、堆積工程及び整形工程を一つの処理ステップとして、当該処理ステップを複数回繰り返すことにより、マスクシュリンク法の寸法制御精度を向上させることができる。
【００７６】
なお、上記第３の実施の形態においては、半導体製造装置１がシミュレータ５を備える場合について説明したが、これに限らない。即ち、上記第１の実施の形態のようにシミュレータ５を使用しない場合でも、マスクシュリンク法でのパターンの疎密差による加工寸法差を低減することは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置の概念図である。
【図２】データベースに登録されている情報を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態においてデータ補間部に適用される補間アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。
【図４】ターゲットとなるパターンに入射する反応性ガスの概念を示す図である。
【図５】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６】パターンの疎密差に伴う非反応性ガスの付着状態の違いを説明する概念図である。
【図７】加工前工程と加工工程の処理内容を示す概念図である。
【図８】発明の第２の実施の形態に係る半導体製造装置の概念図である。
【図９】シミュレータのＧＵＩ画面の表示例を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態においてデータ補間部に適用される補間アルゴリズムを含むプロセス制御の一例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第３の実施の形態においてデータ補間部に適用される補間アルゴリズムを含むプロセス制御の一例を示すフローチャートである。
【図１２】マスクシュリンク法に適用した場合のパターン形状の遷移を示す概念図である。
【符号の説明】
【００７８】
１…半導体製造装置、２…データ補間部、３…プロセス制御部、４…エッチングチャンバー、５…シミュレータ
【図１】
2010010404.tif 000003
【図２】
2010010404.tif 000004
【図３】
2010010404.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010010404.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010010404.tif 000009
【図８】
2010010404.tif 000010
【図９】
2010010404.tif 000011
【図１０】
2010010404.tif 000012
【図１１】
2010010404.tif 000013
【図１２】
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