(57)【要約】【課題】パターニング精度、高速性を維持しつつ他の領域へのエッチングダメージを防止する半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供を提供する。【解決手段】素子領域１１においてゲート絶縁膜（酸化膜）１３が形成され、その上にゲート電極となるポリシリコン層１４を形成する。次にポリシリコン層１４に対し、素子分離絶縁膜１２上の所定領域を露出させるレジストパターン１５を形成する。その後、露出しているポリシリコン層１４に不純物をドープし他の領域よりもエッチングレートをより高めたモニタ領域１６を形成する。ポリシリコン層１４のエッチング時、形状精度の高いメインエッチ工程を、モニタ領域１６におけるポリシリコン層１４の除去検知で終了する。その後、エッチングされるべき残りのポリシリコン層１４をゲート絶縁膜（酸化膜）１３との選択比を高めた低速エッチングで行い、最終的なエッチング形態とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板主表面上の被エッチング物の一部に予め他の領域より早くエッチングされ得るモニタ領域を設ける工程と、
前記モニタ領域における被エッチング物の除去を検知することで前記被エッチング物を最終エッチング形態の前の段階で残留させる第１のエッチング工程と、
少なくとも前記被エッチング物を最終的なエッチング形態とする第２のエッチング工程と、
を具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１のエッチング工程は前記第２のエッチング工程より前記被エッチング物に対するエッチングレートを高く維持することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記モニタ領域は素子領域以外の領域に設けられることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記モニタ領域は他の領域よりもエッチングレートを高めるため不純物をドープすることによる前記被エッチング物の一部改質領域が含まれることを特徴とする請求項１〜３いずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記モニタ領域は他の領域よりも前記被エッチング物の厚さを選択的に小さくした前記被エッチング物の一部除去部分が含まれることを特徴とする請求項１〜３いずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記モニタ領域における前記検知は発光強度の変化を検出することにより達成することを特徴とする請求項１〜５いずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記請求項１〜６いずれかの半導体装置の製造方法の利用を含んで形成された半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置製造に係り、特に多結晶シリコンを含むゲート電極または配線を構成する場合のパターンエッチングに適用される半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳトランジスタのゲート電極パターンは微細化が進み、相当の形状精度が要求される。形状を良好とするためには、例えばドライエッチング（プラズマエッチング）においては、エッチングレートの高い反応ガス、かつ相当の圧力、パワー（エネルギー）でエッチングする必要がある。被エッチング物である例えばポリシリコンのエッチングの場合、エッチング中に終点検出を行い、その後、ある時間だけオーバーエッチングに切替える。一般に、終点検出を行うまではエッチング速度を高く保つメインエッチ工程であり、終点検出後は、エッチングレートを低くして下地膜（ここでは薄い酸化膜）が全てなくならない程度に時間制御でオーバーエッチングを終了する。
【０００３】
上記エッチングの終点検出はプラズマ発光強度の観測による。Ｓｉ系発光の有無を利用することが多く、上記エッチング終点検出は、ゲート絶縁膜に相当する下地の薄い酸化膜の検出をもって達成される。しかしながら、このエッチング終点判定方法では、終点検出時点ではすでに下地膜、つまり薄い酸化膜が露出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記エッチングの終点検出までは、イオン性が強く、かつスパッタ的要素の強いメインエッチ工程であって下地選択比はかなり低い。よって、エッチング終点検出時点ですでに下地膜の一部が、最悪全てが除去されてしまっている領域が現出する危険性がある。その後さらに時間制御のオーバーエッチングを行うので、下地膜、基板（素子領域）へのエッチングダメージが懸念される。このようなエッチングダメージは、結晶欠陥ひいてはリーク不良、素子分離能力（耐圧）の低下を招く原因となる。
【０００５】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、パターニング精度、高速性を維持しつつ他の領域へのエッチングダメージを防止する半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、
半導体基板主表面上の被エッチング物の一部に予め他の領域より早くエッチングされ得るモニタ領域を設ける工程と、
前記モニタ領域における被エッチング物の除去を検知することで前記被エッチング物を最終エッチング形態の前の段階で残留させる第１のエッチング工程と、
少なくとも前記被エッチング物を最終的なエッチング形態とする第２のエッチング工程と、
を具備したことを特徴とする。
【０００７】
上記本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、被エッチング物に対するエッチングが、モニタ領域除去の時点まで行われる第１のエッチング工程を有する。これにより、被エッチング物をエッチング領域全体にわずかに残した状態を確実に検知する。その後は下地へのダメージがないよう第２のエッチング工程で最終的なエッチング形態までもっていく。
【０００８】
なお、上記本発明に係る好ましい、実施態様は次のようである。
前記第１のエッチング工程は前記第２のエッチング工程より前記被エッチング物に対するエッチングレートを高く維持することを特徴とする。エッチングの速度、形状を優先する。
前記モニタ領域は素子領域以外の領域に設けられることを特徴とする。
前記モニタ領域は他の領域よりもエッチングレートを高めるため不純物をドープすることによる前記被エッチング物の一部改質領域が含まれることを特徴とする。
前記モニタ領域は他の領域よりも前記被エッチング物の厚さを選択的に小さくした前記被エッチング物の一部除去部分が含まれることを特徴とする。
前記モニタ領域は素子領域以外の領域に設けられる不純物をドープすることによる前記被エッチング物の改質領域を含むことを特徴としている。
前記モニタ領域における前記検知は発光強度の変化を検出することにより達成することを特徴とする。
【０００９】
すなわち、被エッチング物を積極的に早くなくする箇所を不純物ドープあるいは選択的な一部のエッチングによって容易に形成する。このようなモニタ領域は、例えば素子分離領域やスクライブ領域への形成が有用である。そして、モニタ領域における検知は発光強度の変化を検出する。
【００１０】
本発明の半導体装置は、上述したいずれかの半導体装置の製造方法の利用を含んで形成されることによって、高信頼性の微細なゲート電極パターンを有することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部を工程順に示す断面図である。
図１（ａ）に示すように、半導体基板１０上の素子領域１１に隣接して素子分離絶縁膜１２が形成されている。素子分離絶縁膜１２はＬＯＣＯＳ（選択酸化分離）法、セミリセスＬＯＣＯＳ法、トレンチ素子分離法等により形成される。素子領域１１においてゲート絶縁膜（酸化膜）１３が形成され、その上にゲート電極となるポリシリコン層１４を形成する。次に、フォトリソグラフィ工程を経てこのポリシリコン層１４に対し、素子分離絶縁膜１２上の所定領域を露出させるレジストパターン１５を形成する。その後、露出しているポリシリコン層１４に不純物をドープする。例えばＰ（リン）のイオン注入であり、エッチングレートをより高めるための改質工程である。ここでのＰのイオン注入は、例えば加速電圧６０ｋｅＶ程度、ドーズ量は５×１０１５ｃｍ−２程度である。これにより、ポリシリコン層１４の一部改質領域として、他の領域よりもエッチング速度の大きいモニタ領域１６を形成する。
【００１２】
次に、図１（ｂ）に示すように、レジストパターン１５を除去した後、再度フォトリソグラフィ工程を経て、ポリシリコン層１４にゲート加工用のレジストパターン１７を形成する。
【００１３】
次に、図１（ｃ）に示すように、レジストパターン１７をマスクとしたドライエッチング工程によりポリシリコン層１４をエッチングする。例えば、ＨＢｒ、Ｃｌ２、Ｏ２のうちのいずれかを組み合わせたプラズマガス雰囲気でのエッチングである（Ｃｌ２＋Ｏ２やＨＢｒ＋Ｃｌ２＋Ｏ２が有用）。相当の圧力、パワー（エネルギー）でエッチングすることにより形状精度の高いエッチングが可能である（メインエッチ工程）。
ここで、上記モニタ領域１６におけるポリシリコン層１４がほぼ除去された状態を検知することでポリシリコン層１４を最終エッチング形態の前の段階で残留させる。このとき、エッチングされるべきポリシリコン層１４は理想的には９０〜９８％くらいエッチングが終了しており、ゲート絶縁膜１３上に薄く被覆された状態である。
【００１４】
次に、図１（ｄ）に示すように、エッチングされるべき残りのポリシリコン層１４をエッチングし、最終的なエッチング形態とする。このエッチングは、上記メインエッチ工程に比べて下地、つまりゲート絶縁膜（酸化膜）１３との選択比を高めた低速エッチングとする。従来技術で述べたオーバーエッチングと同様に時間制御でエッチングが可能である。例えば、上記メインエッチ工程で例示したガスでいえばＨＢｒ＋Ｏ２が有用である。その後、レジストパターン１７を除去する。これにより、ポリシリコン層１４のゲートパターンが構成される。
【００１５】
上記実施形態の方法によれば、被エッチング物であるポリシリコン層１４に対する形状重視、高速のメインエッチ工程は、モニタ領域１６のほぼ除去をもって切替えられ、その後は下地（酸化膜）との選択比が高い低速のエッチ工程となる。これにより、ポリシリコン層１４をエッチング領域全体にわずかに残した状態を確実に検知する。その後は下地へのダメージがないよう最終的なエッチング形態までもっていけばよい。
【００１６】
図２は、ドライエッチング装置の概略構成を示している。処理室２１内には、アノード電極２２、カソード電極２３が配されている。カソード電極２３には上述の被エッチング物であるポリシリコン層１４等が形成される半導体ウェハＷａｆの載置される。カソード電極２３には高周波電源２５からの高周波（ＲＦ）電力が整合回路部２４を介して印加される。カソード電極２３に対するアノード電極２２はここでは処理室２１の上壁であり、接地されている。この処理室２１の上壁には導入される反応ガス等のガス供給口２６も設けられている。処理室２１の側面下部にはガス排出口２７が設けられている。処理室２１の外側の所定箇所に分光検出機構２８が設けられている。分光検出機構２８は、分光検出器２８２を含み、処理室２１処内が監視可能なように窓２８１を設けている。分光検出器２８２は、窓２８１から少なくともプラズマ中のイオンが被エッチング表面に衝突した際に反応粒子としてプラズマ領域中に出る発光スペクトルを検出する。なお、処理室２１が石英製の場合、別段、窓２８１を設けなくても分光検出器２８２の検出に支障がないということも考えられる。モニタ制御部２９は分光検出器２８２からの情報を判断し高周波電源２５の供給を制御するインターロック回路３０に繋がっている。
【００１７】
上記カソード電極２３、アノード電極２２間において高周波電源２５からの高周波電力が整合回路部２４を介して印加される。これにより、通常、グロー放電領域を保ちつつ供給される所定の反応ガスによるプラズマが発生され、半導体ウェハＷａｆへのエッチング処理がなされる。すなわち、前記第１実施形態の方法で示したようなポリシリコン層１４のパターニングが達成される。
【００１８】
図３は、図２に示したようなドライエッチング装置において、前記第１実施形態の方法によるエッチング工程を経た場合のプラズマ発光強度を示す特性図である。図３（ａ）は実波形モデル、図３（ｂ）は微分波形モデルを示している。図１を参照しながら説明する。Ａの変化点を判定することで、モニタ領域１６におけるポリシリコン層１４がほぼ除去された状態が検知できる。すなわち、最終的なエッチング形態に先がけてモニタ領域１６のポリシリコン層１４が除去されると発光スペクトルに変化が現れる。分光検出機構２８はこの変化点をフィルタ検出して図３（ｂ）のように発光強度の変化を容易に捉えることができる。その後は上述したように低速エッチングに切替えて時間制御でエッチング終了判定する。これにより、基板へのダメージはほとんどなく、形状精度の高いパターニングが可能である。因みに図３（ａ），（ｂ）における破線は、仮にメインエッチ工程でオーバーエッチングを続けた場合の特性曲線として例示した。
【００１９】
図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部を工程順に示す断面図である。第１実施形態の方法に比べて、モニタ領域４６の形成が異なっている。すなわち、図４（ａ）に示すように、レジストパターン１５から露出しているポリシリコン層１４に対し、時間制御でエッチングをする。これにより、選択的に一部除去部分を作る。これにより、他の領域よりもポリシリコン層１４の厚さを小さくしたモニタ領域４６が形成される。これにより、第１実施形態と同様に図４（ｂ）に示す状態が達成される。その他の方法それに伴う構成は前記第１実施形態と同様であるため、図１で用いた符号を付し詳細説明は省略する。また、この第２実施形態の方法の実現に関し、前記図２、図３を参照しての説明と同様の技術を利用することができる。
【００２０】
図５は、上述の第１、第２実施形態で用いるモニタ領域１６または４６の形成箇所について例を示す概略図である。図に示すように半導体ウェハＷａｆのスクライブ領域５１に設けることが考えられる。これにより、基板へのダメージはほとんどなく、形状精度の高いゲート等のパターニングが可能である。
【００２１】
以上、上記実施形態の方法によれば、モニタ領域における被エッチング物の除去を検知することで、実質的な領域の被エッチング物を最終エッチング形態の直前で残留させる。すなわち、被エッチング物であるポリシリコン層１４に対する形状重視、すなわち高速のメインエッチ工程は、モニタ領域１６のほぼ除去をもって切替えられ、その後は下地（酸化膜）との選択比が高い低速のエッチ工程となる。これにより、ポリシリコン層１４をエッチング領域全体にわずかに残した状態を確実に検知する。その後は下地へのダメージがないよう最終的なエッチング形態まで正確に速度の遅いエッチングをする。この結果、パターニング精度、高速性を維持しつつ他の領域へのエッチングダメージを防止する半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部を示す断面図。
【図２】ドライエッチング装置の概略構成図。
【図３】本発明方法の実施に係るプラズマ発光強度を示す特性図。
【図４】第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部を示す断面図。
【図５】モニタ領域の形成箇所について例を示す概略図。
【符号の説明】
１０…半導体基板、１１…素子領域、１２…素子分離絶縁膜、１３…ゲート絶縁膜（酸化膜）、１４…ポリシリコン層、１５，１７…レジストパターン、１６，４６…モニタ領域、２１…処理室、２２…アノード電極、２３…カソード電極、２４…整合回路部、２５…高周波電源、２６…ガス供給口、２７…ガス排出口、２８…分光検出機構、２８１…窓、２８２…分光検出器、２９…モニタ制御部，３０…インターロック回路、５１…スクライブ領域、Ｗａｆ…半導体ウェハ
【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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