(57)【要約】【課題】マイクロローディング効果の制限を受けることなく、さらにサイドエッチの少ない良好な形状を得ることのできるドライエッチング方法を提供する。【解決手段】プラズマを用いて、疎部および密部を有するパターンを表面に形成した試料をエッチングするドライエッチング方法において、パターンの疎部のエッチング速度に比べてパターンの密部のエッチング速度が速いＣＦ系ガスと窒素ガスを含むエッチングガスを用いた第１のエッチングステップと、パターンの密部のエッチング速度に比べてパターンの疎部のエッチング速度が速い第２のエッチングステップとを用いる。【選択図】図２
2010245101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを用いて、シリコン基板上に少なくとも一層で、疎部および密部を有するマスクパターンを形成した試料ウェハをエッチングするドライエッチング方法において、
パターンの疎部のエッチング速度に比べてパターンの密部のエッチング速度が速い第１のエッチングステップと、
パターンの密部のエッチング速度に比べて、パターンの疎部のエッチング速度が速い第２のエッチングステップを有する
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
プラズマを用いて、シリコン基板上に少なくとも一層で、疎部および密部を有するマスクパターンを形成した試料ウェハをエッチングするドライエッチング方法において、
パターンの疎部のエッチング速度に比べてパターンの密部のエッチング速度が速い第１のエッチングステップと、
パターンの密部のエッチング速度に比べてパターンの疎部のエッチング速度が速い第２のエッチングステップを有し、
第１のエッチングステップがＣＦ系ガスと窒素原子を有するガスとの混合ガスであり、
第１のエッチングステップと第２のエッチングステップとのエッチング時間比を選択することによりパターンの疎部と密部のエッチング深さを所定の値とする
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項３】
請求項２記載のドライエッチング方法において、
第１エッチングステップが、ＣＦ系ガスと窒素原子を有するガスと酸素原子とを有するガスとの混合ガスである
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載のドライエッチング方法において、
窒素原子含有ガスの流量はＣＦ系ガス流量の１０％〜５０％の範囲に制御される
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項５】
請求項３記載のドライエッチング方法において、
酸素原子を含有するガスの流量は窒素ガス流量以下に制御される
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のドライエッチング方法において、
第１のエッチングステップにおける処理圧力は０．２Ｐａ〜３Ｐａの範囲内に制御される
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項７】
請求項１または請求項２記載のドライエッチング方法において、
前記第１のエッチングステップが逆マイクロローディング効果が発生するエッチングステップであり、
前記第２のエッチングステップがマイクロローディング効果が発生するエッチングステップであり、
前記第１のエッチングステップと前記第２のエッチングステップとを交互に行う
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項８】
請求項１または請求項２記載のドライエッチング方法において、
前記第１のエッチングステップがＣＦ系ガスと窒素原子を有するガスとの混合ガスを用いた第１のエッチングステップであり、
前記第２のエッチングステップがハロゲンガスを用いたエッチングステップである
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項９】
プラズマを用いて、シリコン基板上に、少なくとも一層で、疎部および密部を有するマスクパターンを形成した試料ウェハをエッチングするドライエッチング方法において、
疎部におけるエッチャントによるエッチングレートよりもデポジターによる堆積レートが勝る第１のエッチングステップと、
疎部におけるエッチャントによるエッチングレートがデポジターによる堆積レートよりも勝る第２のエッチングステップを有する
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項１０】
請求項９記載のドライエッチング方法において、
第１のエッチングステップのエッチングガスとして、エッチャントとしての成分と反応により堆積成分を生成する成分を有するガスを用いる
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項１１】
請求項１０記載のドライエッチング方法において、
第１のエッチングステップのエッチングガスがＣＦ系ガスとＮ系ガスを有する
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項１２】
プラズマを用いて、シリコン基板上に少なくとも一層で、疎部および密部を有するマスクパターンを形成した試料ウェハをエッチングするドライエッチング方法において、
前記試料ウェハと同様なマスクパターンを有するダミーウェハを用いて、
パターンの疎部のエッチング速度に比べてパターンの密部のエッチング速度が速い逆マイクロローディング効果を生じる第１のエッチング処理を行い、第１のエッチングステップにおけるパターン密部のエッチングレートとパターン疎部のエッチングレートのデータを取得する工程と、
パターンの疎部のエッチング速度に比べてパターンの密部のエッチング速度が遅いマイクロローディング効果を生じる第２のエッチング処理を行い、第２のエッチングステップにおけるパターン密部のエッチングレートとパターン疎部のエッチングレートのデータを取得する工程と、
前記第１のエッチングステップにおけるデータと第２のエッチングステップにおけるデータを用いて疎密バイアスが所望の値となるように第１のエッチングステップの処理時間と第２のエッチングステップの処理時間を算出する工程を有し、
試料ウェハを、算出した第１のエッチングステップの処理時間だけ逆マイクロローディング効果を生じるエッチング処理を行い、算出した第２のエッチングステップの処理時間だけマイクロローディング効果を生じるエッチング処理を行う
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドライエッチング方法に係り、特に半導体デバイスの製造におけるシリコン基板のドライエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスにおいて、低消費電力化、動作速度向上、高集積化に伴い、半導体素子分離や、メモリ・セル容量面積の確保が課題の一つとしてあげられている。その課題に対する解決手段の一つとして、シリコン基板にトレンチを形成するプロセスがあり、素子分離では溝分離方法（シャロー・トレンチ・アイソレーション法（shallow Trench Isolation）法。以下、ＳＴＩ法という）と呼ばれている。
【０００３】
このＳＴＩ法は、まず半導体基板にトレンチを形成するプロセスと、次にそれを絶縁膜で埋め込み平坦化するプロセスで構成される。したがって、ＳＴＩ法で素子分離を行う場合は、まず、半導体基板にトレンチを形成する必要がある。
【０００４】
通常、フォトリソグラフィ法およびエッチング法においては、レジストパターンを形成し、該パターン形成されたレジストをマスクにしてエッチングを行っている。しかしながら、トレンチが形成される基板のような堅い層（ここで「堅い」とは一般的に用いられる被エッチング材質の中で比較的エッチングレートが小さいという表現を形容する）のエッチングにおいては、レジスト自体が脆弱であり、単独ではマスクとして使用できない。そこで、窒化膜や酸化膜といった、所謂ハードマスクと呼称されるエッチングマスクが用いられる。
【０００５】
なお、ハードマスクも、フォトリソグラフィ法とエッチング法を用いてパターンニングする必要がある。そして、ハードマスクの上にレジストを残したまま、もしくは除去後に、そのハードマスクを用いて半導体基板にトレンチを形成する。該トレンチ形成後に、ＣＶＤ法等により絶縁膜、例えば酸化シリコン膜を該トレンチに埋め込み、さらに、化学的機械研磨法（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）で、基板表面を平坦化するプロセスを行ってＳＴＩ法が実現される。
【０００６】
この様にして形成されるＳＴＩ法において、図４（ａ）に示すようなシリコン基板２０の上にパターンニングされたマスク２１が施されたウェハをエッチングする際、基板材料であるシリコンが露出する寸法幅（または面積）の狭い所（マスクパターンが密な部分）は、広い所（マスクパターンが疎な部分）と比べてエッチングレートが遅くなってしまう、所謂マイクロローディング効果（Micro loading effect）がある。結果的に、図４（ｂ）に示すようにこのマイクロローディング効果は、パターンの密な部分の削れ量が疎な部分の削れ量より小さくなってしまい、所望の深さのトレンチの実現を困難にさせる。
【０００７】
マイクロローディング効果の仕組みは、マスクパターンが疎な部分と密な部分のところでパターン間に単位時間で入射するラジカルの量（ラジカルは等方的自由運動のため）に差が出ることが主な原因と考えられている。即ち、マスクパターンが密の部分では周りのマスクにラジカルの入射が遮られ、マスクパターンが疎な部分に比べ、エッチングレートが極度に下がってしまう。
【０００８】
この問題を解決するための一つ技術として、特許文献１記載の技術が提案されている。該技術は、シリコン基板をエッチングする前段階で不活性イオンをシリコンが露出した部分に打ち込み、一部をアモルファス化し、その部分を主にエッチングする方法である。これは、イオンが異方性入射するので、エッチングにおけるマスクパターンの疎密依存性（ここでパターンの疎密とはマスクパターンが「疎」である、またはマスクパターンが「密」であるという性質を抽出する抽象的概念の表現を形容する。）が殆どない。したがって、本来エッチングするべき部分だけをアモルファス化して、除去することができる。
【０００９】
また、他の技術として、特許文献２に提案されているように、シリコン基板をエッチングする前段階でレジストマスクを取り除き、パターン間のアスペクト比を下げ、イオン・アシストエッチングによって異方エッチングする技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−０５３１３８号公報
【特許文献２】特表２００４−５０７０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、これら上記の技術は、多少の改善はできるもののどちらも荷電粒子の異方性入射を主に利用したエッチングのため、マイクロローディング効果による制限を完全に撤廃する程までには至らず、さらに高いアスペクト比の場合に対しては、十分配慮されていないので、イオンの入射速度のウェハ面に平行な方向の速度成分を無視することができず、やはりマイクロローディング効果による制限を受ける。
【００１２】
従って、より高精度でエッチングを行うにはマイクロローディング効果による制限を解決することが必要とされる。
【００１３】
本発明の目的は、疎密のマスクパターンを有するウェハのエッチングにおいて、マイクロローディング効果の制限を受けることなく、サイドエッチの少ない良好な形状を得ることのできるドライエッチング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的はプラズマを用いて、疎部および密部のマスクパターンを有する試料をエッチングするドライエッチング方法において、疎部のパターンのエッチング速度に比べて密部パターンのエッチング速度が速い逆マイクロローディングエッチングステップ（以下、第１のエッチングステップということがある）と、密部パターンのエッチング速度に比べて疎パターン部のエッチング速度が速いマイクロローディングステップ（以下、第２のエッチングステップということがある）とを用いることにより、達成される。本明細書において、第１のエッチングステップおよび第２のエッチングステップにおける第１または第２は、必ずしも順番を意味していない。
【００１５】
すなわち、本発明は、プラズマを用いて、シリコン基板上に少なくとも一層で、疎部および密部を有するマスクパターンを形成した試料ウェハをエッチングするドライエッチング方法において、パターンの疎部のエッチング速度に比べてパターンの密部のエッチング速度が速い第１のエッチングステップと、パターンの密部のエッチング速度に比べてパターンの疎部のエッチング速度が速い第２のエッチングステップを有することにより構成される。
【００１６】
本発明は、プラズマを用いて、シリコン基板上に少なくとも一層で、疎部および密部を有するマスクパターンを形成した試料ウェハをエッチングするドライエッチング方法において、パターンの疎部のエッチング速度に比べてパターンの密部のエッチング速度が速い第１のエッチングステップと、パターンの密部のエッチング速度に比べてパターンの疎部のエッチング速度が速い第２のエッチングステップを有し、第１のエッチングステップがＣＦ系ガスと窒素原子を有するガスとの混合ガスであり、第１のエッチングステップと第２のエッチングステップとのエッチング時間比を選択することによりパターンの疎部と密部のエッチング深さを所定の値とすることにより構成される。
【００１７】
本発明は、上記ドライエッチング方法において、第１エッチングステップが、ＣＦ系ガスと窒素原子を有するガスと酸素原子とを有するガスとの混合ガスであることにより構成される。
【００１８】
本発明は、さらに、第１のエッチングステップにおいて、窒素原子含有ガスの流量は、ＣＦ系ガス流量の１０％以上でかつ５０％以下の範囲に制御されることにより構成される。
【００１９】
また、本発明は、第１のエッチングステップにおいて、酸素原子を含有するガスの流量は、窒素ガス流量以下に制御されることにより構成される。
【００２０】
本発明は、第１のエッチングステップにおける処理圧力は、０．２Ｐａ〜３Ｐａの範囲内に制御されることにより構成される。
【００２１】
本発明は、上記ドライエッチング方法において、前記第１のエッチングステップが逆マイクロローディング効果が発生するエッチングステップであり、前記第２のエッチングステップがマイクロローディング効果が発生するエッチングステップであり、前記第１のエッチングステップと前記第２のエッチングステップとを交互に行うことにより構成される。
【００２２】
本発明は、上記ドライエッチング方法において、前記第１のエッチングステップがＣＦ系ガスと窒素原子を有するガスとの混合ガスを用いた第１のエッチングステップであり、前記第２のエッチングステップがハロゲンガスを用いたエッチングステップであることにより構成される。
【００２３】
本発明は、プラズマを用いて、シリコン基板上に、少なくとも一層で、疎部および密部を有するマスクパターンを形成した試料ウェハをエッチングするドライエッチング方法において、疎部におけるエッチャントによるエッチングレートよりもデポジターによる堆積レートが勝る第１のエッチングステップと、疎部におけるエッチャントによるエッチングレートがデポジターによる堆積レートよりも勝る第２のエッチングステップを有することにより構成される。
【００２４】
本発明は、上記ドライエッチング方法において、第１のエッチングステップのエッチングガスとして、エッチャントとしての成分と反応により堆積成分を生成する成分を有するガスを用いることにより構成される。
【００２５】
本発明は、上記ドライエッチング方法において、第１のエッチングステップのエッチングガスがＣＦ系ガスとＮ系ガスを有することにより構成される。
【００２６】
本発明は、プラズマを用いて、シリコン基板上に少なくとも一層で、疎部および密部を有するマスクパターンを形成した試料ウェハをエッチングするドライエッチング方法において、前記試料ウェハと同様なマスクパターンを有するダミーウェハを用いて、パターンの疎部のエッチング速度に比べてパターンの密部のエッチング速度が速い逆マイクロローディング効果を生じる第１のエッチング処理を行い、第１のエッチングステップにおけるパターン密部のエッチングレートとパターン疎部のエッチングレートのデータを取得する工程と、パターンの疎部のエッチング速度に比べてパターンの密部のエッチング速度が遅いマイクロローディング効果を生じる第２のエッチング処理を行い、第２のエッチングステップにおけるパターン密部のエッチングレートとパターン疎部のエッチングレートのデータを取得する工程と、前記第１のエッチングステップにおけるデータと第２のエッチングステップにおけるデータを用いて疎密バイアスが所望の値となるように第１のエッチングステップの処理時間と第２のエッチングステップの処理時間を算出する工程を有し、試料ウェハに対して算出した第１のエッチングステップの処理時間だけ逆マイクロローディング効果を生じるエッチング処理を行い、算出した第２のエッチングステップの処理時間だけマイクロローディング効果を生じるエッチング処理を行うことにより構成される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のドライエッチング方法を実施するためのプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図。
【図２】本発明の一実施例であるドライエッチング方法を示すフロー図。
【図３】本発明の逆マイクロローディング効果を生じさせるエッチングステップにおけるエッチング状態を示すシリコン基板の縦断面図。
【図４】マイクロローディング効果が生じるエッチングステップにおけるエッチング状態を示すシリコン基板の縦断面図。
【図５】本発明のエッチングによるエッチングが完了した後のシリコン基板の断面図。
【図６】本発明の効果として予測されるマスクパターンの疎部および密部のエッチング量と第１のステップと第２のステップの総合エッチング時間に対する第１のステップのエッチング時間の割合との関係を示す相関図。
【図７】本発明のドライエッチング方法による逆マイクロローディング効果とその処理圧力との関係を示す相関図。
【図８】本発明のドライエッチング方法による逆マイクロローディング効果とその窒素ガス流量比率との関係を示す相関図。
【図９】本発明のドライエッチング方法による逆マイクロローディング効果とその酸素ガス流量比率との関係を示す相関図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明は、マイクロローディング効果の影響を受けやすい形状の被エッチング物を処理する際に、マイクロローディング効果とは逆に疎部のエッチングレートよりも密部のエッチングレートの方が速くなる現象の効果（以下、逆マイクロローディング効果と呼ぶ）が発生するエッチングステップを用い、この逆マイクロローディング効果の生じるエッチングステップと、マイクロローディング効果が生じるエッチングステップとを行って、エッチング処理する。これにより、両者がエッチング速度の遅い部分を補い合って最終的に疎部および密部で偏りのないエッチング形状を得ることができる。
【実施例１】
【００２９】
以下、本発明の一実施例を、図１乃至図９を用いて説明する。図１は、本発明のドライエッチング方法を実施するためのエッチング装置の一例を示す概略断面図であり、プラズマ生成手段にマイクロ波と磁場を利用したマイクロ波プラズマエッチング装置である。図１において、プラズマエッチング装置は、被処理物である試料のウェハ１０を配置する試料台１と、試料台１を内部に設置する真空容器２と、真空容器２を支える架台３と、真空容器２の上面に設けられたシャワープレート４と、シャワープレート４の上方に設けられた導波管５と、導波管５の先端に設けられたマグネトロン６と、真空容器２の周りに設けられたソレノイドコイル７と、試料台１に設けた静電チャックに接続された静電吸着電源８と、試料台１に接続された高周波電源９とから成る。
【００３０】
このように構成されたプラズマエッチング装置においては、ウェハ１０はウェハ搬入口１１から真空容器２内に搬入された後、静電吸着電源８によって試料台１に設けられた静電チャックに直流電圧を印加して、ウェハ１０を静電吸着させる。次に、プロセスガスがシャワープレート４を介して真空容器２に導入される。また、真空容器２内は、排気口１２を介して真空ポンプ（図示省略）により減圧排気され、所定の圧力（例えば、０．１Ｐａ〜１０Ｐａ）に調整される。次に、マグネトロン６から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が発振され、導波管５を通して真空容器２内に伝播される。真空容器２内では導波管５から伝播されたマイクロ波とソレノイドコイル７によって発生された磁場との作用によって処理ガスが励起され、ウェハ１０上部の空間にプラズマ１３が形成される。
【００３１】
一方、試料台１には、高周波電源９によってバイアス電圧が印加され、プラズマ１３中のイオンをウェハ１０上に垂直入射させる。これにより、プラズマ１３からのラジカルとイオンの作用によってウェハ１０がエッチングされる。
【００３２】
次に、上記のプラズマエッチング装置を用いた本発明のドライエッチング方法を、図２を用いて説明する。図２は、本発明の一実施例であるドライエッチング方法における処理を示す。まず、第１のステップとして逆マイクロローディング効果が生じるエッチングをウェハ処理の途中まで実施する（ステップＳ１）。次に、第２のステップとしてマイクロローディング効果が生じるエッチングをウェハ処理の終了まで実施する（ステップＳ２）。
【００３３】
なお、本発明は、逆マイクロローディング効果を生じる第１のエッチングステップとマイクロローディング効果を生じる第２のエッチングステップとは必ず第１のエッチングステップを先にしなければならないわけではなく、第２のエッチングステップを実行した後に第２のエッチングステップを実行してもよいし、第１のエッチングステップと第２のエッチングステップを複数回交互に入れ替えてもよい。
【００３４】
ここで、逆マイクロローディング効果が生じる第１のエッチングステップ（Ｓ１）は、次のようにして行われる。図１のプラズマエッチング装置を用いてシャワープレート４からＣＦ系ガスと窒素ガスを含んだ混合ガスを注入し、試料ウェハ１０のエッチングを行う。この時のエッチング条件を、表１に示す。なお、本実施例においてはＣＦ系ガスとしてＣＦ４ガスを用いたが、ＣＦ４ガスの代わりにＣＨＦ３などＣＦ４以外のＣＦ系ガスでもよく、また窒素ガスの代わりにＮＦ３など炭素と結合してシアン化化合物を生成する窒素原子含有のガスを用いてもよい。すなわち、ＣＦ系ガスとしては、上記ガスのほかに、Ｃ４Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ５Ｆ８、ＣＨ３Ｆ、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨＦ３などの窒素と反応して堆積性成分（シアン化化合物：デポジター）を生成する原子（Ｃ）と、ラジカルやイオンを生成してエッチング成分（フッ素ラジカル：エッチャント）を生成する成分（Ｆ）を有するガスを用いることができる。
【００３５】
第１のエッチングステップに用いたエッチング条件を表１に示す。
【表１】
2010245101.tif 000003
【００３６】
この時のエッチング状態を、図３を用いて説明する。図３（ａ）は処理をする前の試料ウェハ１０の構造を示す。シリコン基板２０の上にマスク２１のパターンが備えられており、そのパターンは疎な部分（パターンの疎部）と密の部分（パターンの密部）が存在する。ここで、マスク２１はフォトレジストなどのソフトマスクであっても、窒化シリコン層や酸化シリコン層などのハードマスクであってもよく、また、それが複数層で構成されていてもよい。
【００３７】
本実施例における、シリコン基板２０のエッチング量の目標値と密部開口幅の設定を表２に示す。
【表２】
2010245101.tif 000004
【００３８】
図３（ｂ）に、表１に示す条件で途中までエッチングした後のシリコン基板２０の断面形状を示す。図３（ｂ）に示される形状には特徴が二つある。第1の特徴は、パターンの密部の方がパターンの疎部よりも深いトレンチが形成されることである。このような形状になる理由は、エッチングが始まった時、プラズマ１３内部のＣＦ４分子と窒素が反応し、窒素原子と炭素原子で構成される堆積性成分であるシアン化化合物（デポジター）とエッチング成分であるフッ素ラジカル（エッチャント）またはフッ素イオン（エッチャント）が発生する。ここで、フッ素ラジカルとシアン化化合物を取り出して考えれば、フッ素ラジカルによるエッチングレートよりもシアン化化合物による堆積レートの方が勝っている場合、ウェハ表面ではエッチングが進行せず、シアン化化合物が堆積し、特に、パターンの疎部の方がパターンの密部に比べて多く堆積する。そこにフッ素イオンなどによるイオン・アシストエッチングの効果が入ると、パターンの疎部およびパターンの密部の両方でエッチングが進行するが、パターンの疎部の方はシアン化化合物の堆積にイオン・アシストエッチングが阻害されやすいため、パターンの密部の方がパターンの疎部よりも深く進行しエッチングレートが速くなる。これが逆マイクロローディング効果である。これによりパターンの密部の方がパターンの疎部より深くエッチングされる。
【００３９】
第２の特徴は、窒素がシリコンパターンの表面および主に溝の上部側面を窒化物でコーティングするため、サイドエッチが抑えられ、良好な形状でエッチングが進むことである。
【００４０】
表３に、表１に示す第１のエッチングステップの条件においてパターンの各疎部密部でのエッチングレートを示す。
【表３】
2010245101.tif 000005
【００４１】
すなわち、表１の条件で、表２に示す疎部および密部を有するマスクパターンを形成したシリコンウェハをエッチングすると、パターンの密部のエッチングレートは８９．４７ｎｍ／ｍｉｎ（１．４９ｎｍ／ｓ）であり、パターンの疎部のエッチングレートは７４．４ｎｍ／ｍｉｎ（１．２４ｎｍ／ｓ）となって、逆マイクロローディング効果を生じている。
【００４２】
次に、シリコンパターンの表面および主に溝の上部側面を窒化物でコーティングしたシリコンウェハを第２のエッチングステップによりエッチングすることにより、サイドエッチが０であり、マイクロローディング効果を生じさせることができる。第２のエッチングステップを、表４に示すエッチング条件で行う。
【００４３】
【表４】
2010245101.tif 000006
【００４４】
この時のエッチング状態を図４に示す。比較のため、図３（ａ）と同じエッチングが開始される前の状態を図４（ａ）に示す。表４のエッチング条件により、図４（ｂ）に示されるようなパターンの疎分の方がパターンの密部よりも深く掘れるマイクロローディング効果が発生し、これを第１のエッチングステップ後に行うことで、その効果が第１のエッチングステップで生じた疎密バイアスを埋める方向に働く。ここで、ＩＤバイアスとも呼ばれる疎密バイアスは、パターンの疎部のエッチング量とパターンの密部のエッチング量の差の絶対値で表される。
【００４５】
表５に、表４に示した第２のエッチングステップの条件における各疎部密部でのエッチングレートを示す。
【表５】
2010245101.tif 000007
【００４６】
すなわち、上記条件化での第２のエッチングステップでは、パターンの密部のエッチングレートは９２．４ｎｍ／ｍｉｎ（１．５４ｎｍ／ｓ）であり、パターンの疎部のエッチングレートは１３５．６ｎｍ／ｍｉｎ（２．２６ｎｍ／ｓ）となって、マイクロローディング効果を生じている。
【００４７】
シリコンのエッチングレートがシリコンの深さに対し、一律に変化しないと仮定し、エッチング後の密部の深さを目標値である３００ｎｍに固定した場合、表３の結果と表５の結果から疎部の深さを計算によって導くことができる。それを、図６に示す。
【００４８】
図６の横軸は、第１のエッチングステップと第２のエッチングテップの総合エッチング時間に対する第１のエッチングステップのエッチング時間の割合を示す。また、縦軸は、エッチング終了後に予測されるパターンの密部のエッチング量（ｂ）とパターンの疎部のエッチング量（ａ）を示す。パターンの疎部および密部共に３００ｎｍ削れる場合、第1のエッチングステップのエッチング時間の割合は７４．２％と導き出される。そして密部を３００ｎｍエッチングするときの第１のエッチングステップと第２のエッチングステップの総合時間は、
総合時間＝３００÷{１．４９×０．７４２＋１．５４×（１−０．７４２）}
上記の式から、２００秒となる。つまり、第１のエッチングステップは１４８秒で、第２のエッチングステップの時間は５２秒となる。
【００４９】
しかし、実際は、エッチング時、シリコンの深さが増していくとエッチングレートも下がるのでそれを考慮して、１０％ほど時間を延ばして与えるとよいと考える。つまり、第１のエッチングステップは１６３秒で、第２のエッチングステップは５７秒となる。このようにしてエッチングステップ時間を求め、実際にエッチング処理を行った時の結果が表６である。
【００５０】
【表６】
2010245101.tif 000008
【００５１】
すなわち、パターンの密部のエッチング深さは３０１ｎｍであり、パターンの疎部のエッチング深さは２９９ｎｍとなり疎密バイアスは２ｎｍとなり、エッチング深さに対する疎密バイアスの割合は、０．７％と、きわめて精度のよいエッチングを行うことができる。以上、本発明によって、疎密バイアスが改善し、かつ良好な形状を得ることができた。
【００５２】
なお、この説明では、疎密バイアスを無くすことを目的としたが、疎密バイアスを所定の範囲でつけたい場合には、本実施例同様の手法で予めエッチングレートを見積もり、そこから所望する疎密バイアスになるような第１のエッチングステップと第２のエッチングステップの時間配分を割り出し、本発明を実施することで達成できる。
【００５３】
本発明は、上記条件に限らず、他のガスの組み合わせなどエッチング条件の変更があっても、同様に、第１のエッチングステップと第２のエッチングステップとの関係を割り出して最適な疎密バイアスを有するエッチング処理を行うことができる。
【００５４】
次に、図７乃至図９を用いて、逆マイクロローディング効果を発するエッチング条件の相関関係を説明する。図７乃至図９において、曲線（イ）はパターンの疎の部分のシリコンのエッチングレートとパターンの密の部分のシリコンのエッチングレートの差分値（つまり、パターンの疎部のシリコンのエッチングレート−パターンの密部のエッチングレート）であり、右縦軸による。曲線（ロ）はパターンの疎部とパターンの密部のシリコンのエッチングレートの平均値（つまり、（パターンの疎部のシリコンのエッチングレート＋パターンの密部のエッチングレート）／２）であり、左縦軸による。
【００５５】
逆マイクロローディング効果によって形成される形状は、上記エッチングレートの差分値と上記エッチングレートの平均値の比から相似の関係で比較評価できる。
【００５６】
図７は、逆マイクロローディング効果とその処理圧力依存性について調べたものである。これは、表１の条件を基準とし、ウェハバイアスとマイクロ波パワーとＣＦ４ガスの流量と窒素ガスの流量を固定し、処理圧力（横軸による。）を変動させたときのそれに伴い疎の部分のシリコンのエッチングレートと密の部分のシリコンのエッチングレートの差分値と平均値の変動を示している。処理圧力は、０．１Ｐａ〜３．０Ｐａについて測定した。
【００５７】
図８は、逆マイクロローディング効果とその窒素ガス流量依存性について調べたものである。これは、表１の条件を基準とし、処理圧力とウェハバイアスとマイクロ波パワーとガス全体の流量を固定し、ＣＦ４ガスの流量に対する窒素ガスの流量の比（横軸による。）を変動させたときのそれに伴いパターンの疎部のシリコンのエッチングレートとパターンの密部のシリコンのエッチングレートの差分値と平均値の変動を示している。すなわち、表１の処理条件において、処理圧力を高くするほどエッチングレートの差が負側に大となり、逆マイクロローディングの効果が顕著となる。
【００５８】
図９は、逆マイクロローディング効果と酸素ガス流量依存性について調べたものである。これは、表１の条件を基準とし、処理圧力とウェハバイアスとマイクロ波パワーとガス全体の流量とＣＦ４ガスと窒素ガスの流量比を固定し、それに対し酸素ガスを添加し、ガス全体の流量に対する酸素ガスの流量の比（酸素ガス流量比は横軸による。）を変動させたときのそれに伴いパターンの疎部のシリコンのエッチングレートとパターンの密部のシリコンのエッチングレートの差分値と平均値の変動を示している。すなわち、この場合には、ＣＦ４ガスに対する窒素ガスの流量比を２０％程度としたときにエッチングレートの差分は負側に大となり、その前後の流量比ではエッチングレートの差分は少なくなる。
【００５９】
これらの結果によれば、図７の逆マイクロローディング効果とその圧力依存性において、逆マイクロローディング効果が強くでるのは高圧の条件であることが分かる。これは高圧に向かうにつれ、シアン化化合物の堆積絶対量が増えたため、パターンの疎部がパターンの密部に比べさらに削られにくくなったためと考えられる。結果から逆マイクロローディング効果は０．２Ｐａ〜３．０Ｐａならば少なくとも発生することがわかる。
【００６０】
図８の逆マイクロローディング効果とその窒素ガス流量比依存性においては、ＣＦ４ガスの流量に対して、流量比約２０％前後が最良の条件であることがわかる。最良条件ではない窒素ガス流量が少ない領域では、シアン化化合物堆積量が少なく、逆マイクロローディング効果が弱まるため、また多い領域では、シアン化化合物が密部分にも十分に堆積し、全体的にシリコンのエッチングレートが下がったためと考えられる。結果から、逆マイクロローディング効果は、窒素ガス流量がＣＦ４ガス流量に対して１０％から５０％ならば少なくとも発生することがわかる。
【００６１】
図９の逆マイクロローディング効果とその酸素ガス流量比依存性においては、酸素ガスを添加するとパターンの疎部密部両方ともシリコンのエッチングレートが上がるが、逆マイクロローディング効果が弱まる。この理由はＣＦ４が窒素だけでなく酸素とも反応し、フッ素ラジカルまたはフッ素イオンを生成するため、シアン化化合物のデポジターに対し、エッチャントが増加したからである（ちなみに炭素と酸素が反応して形成するＣＯ系分子は揮発性が強くデポジターにはならない）。ＣＦ４ガスと窒素ガスだけではエッチングレートが遅く、スループットに問題が発生する可能性が考えられる。これに対し、酸素ガスの注入が解決策として考えられるが、この結果から示される通り、酸素ガスを添加すると、エッチングレートが速くなる分、逆マイクロローディング効果は弱まる。実際に本発明を用いる際はこの性質を考慮に入れる必要がある。なお、本実施例において酸素ガスを用いたが、酸素ガスの代わりに酸素原子を含有するガスを用いても同じ傾向が見られる。結果とその原因を考慮して、逆マイクロローディング効果は、酸素ガスの流量が窒素ガス流量以下ならば少なくとも発生することがわかる。
【００６２】
以上の結果から、逆マイクロローディング効果を引き出す最も望ましい条件は、高圧がよく、窒素ガスはＣＦ４ガス流量に対し、２０％前後がよいことが判る。
【００６３】
本一実施例によれば、ＣＦ４ガスと窒素ガス、そして酸素ガスを含むガス系でのシリコンエッチングステップ（第１のエッチングステップ）と、ハロゲン系ガスでのシリコンエッチングステップ（第２のエッチングステップ）を組み合わせ、かつそのエッチング時間比を選択することで、深さにおける疎密バイアスを所定の値に制御することができ、結果疎密バイアスが解決される。
【００６４】
以上のように、本発明は、プラズマを用いて、シリコン基板上に少なくとも一層で、疎部および密部を有するマスクパターンを形成した試料ウェハをエッチングするドライエッチング方法において、前記試料ウェハと同様なマスクパターンを有するダミーウェハを用いて、パターンの疎部のエッチング速度に比べてパターンの密部のエッチング速度が速い逆マイクロローディング効果を生じる第１のエッチング処理を行い、第１のエッチングステップにおけるパターン密部のエッチングレートとパターン疎部のエッチングレートのデータを取得し、パターンの疎部のエッチング速度に比べてパターンの密部のエッチング速度が遅いマイクロローディング効果を生じる第２のエッチング処理を行い、第２のエッチングステップにおけるパターン密部のエッチングレートとパターン疎部のエッチングレートのデータを取得し、前記第１のエッチングステップにおけるデータと第２のエッチングステップにおけるデータを用いて疎密バイアスが所望の値となるように第１のエッチングステップの処理時間と第２のエッチングステップの処理時間を算出し、試料ウェハを、算出した第１のエッチングステップの処理時間だけ逆マイクロローディング効果を生じるエッチング処理を行い、算出した第２のエッチングステップの処理時間だけマイクロローディング効果を生じるエッチング処理を行うことにより、疎密バイアスを所望の値に制御することができる。
【００６５】
このドライエッチング方法における、第１のエッチングステップに用いるエッチングガスは、ＣＦ系ガスと窒素を含有するガスの混合ガスとすることができ、さらにこの混合ガスに酸素原子を含むガスとすることができる。また、第１のエッチングステップにおいて、窒素原子含有ガスの流量は、ＣＦ系ガス流量の１０％から５０％の範囲に制御され、酸素原子を含有するガスの流量は、窒素ガス流量以下に制御される。第１のエッチングステップにおける処理圧力は、０．２Ｐａ〜３Ｐａの範囲内に制御される。第１のエッチングステップと第２のエッチングステップとを交互に行うことができる。さらに、本発明は、第２のエッチングステップにハロゲンガスを用いることができる。
【符号の説明】
【００６６】
１…試料台
２…真空容器
３…架台
４…シャワープレート
５…導波管
６…マグネトロン
７…ソレノイドコイル
８…静電吸着電源
９…高周波電源
１０…ウェハ
１１…ウェハ搬入口
１２…排気口
１３…プラズマ
１５…第１のステップ
１６…第２のステップ
２０…シリコン基板
２１…マスク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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