(57)【要約】【課題】  高アスペクト比のコンタクトホールを安定して形成することができる半導体デバイスの製造方法を提供する。【解決手段】  半導体デバイスの製造方法は、複数個のガス導入孔が形成された電極板に対向させて膜が形成された基板を真空室内に設置する工程と、前記電極板に形成された前記複数個のガス導入孔を通して前記真空室内にガスを導入する工程と、前記基板に形成された前記膜をプラズマ処理するためのプラズマを発生させるために、前記電極板に高周波電力を印加する工程とを包含しており、前記複数個のガス導入孔の直径の前記電極板面上における分布は、前記基板の表面上におけるプラズマ処理特性が所定の許容範囲内となるように、前記プラズマ処理特性の前記基板の表面上における分布に対応する分布に調整されている。【選択図】  図１
2005175294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のガス導入孔が形成された電極板に対向させて膜が形成された基板を真空室内に設置する工程と、
前記電極板に形成された前記複数個のガス導入孔を通して前記真空室内にガスを導入する工程と、
前記基板に形成された前記膜をプラズマ処理するためのプラズマを発生させるために、前記電極板に高周波電力を印加する工程とを包含しており、
前記複数個のガス導入孔の直径の前記電極板面上における分布は、前記基板の表面上におけるプラズマ処理特性が所定の許容範囲内となるように、前記プラズマ処理特性の前記基板の表面上における分布に対応する分布に調整されていることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記基板の表面上における前記プラズマ処理特性を計測する工程と、
前記計測されたプラズマ処理特性が前記所定の許容範囲を超える分布を有している場合に、前記複数個のガス導入孔の直径の前記電極板面上における分布が、前記計測されたプラズマ処理特性の前記基板の表面上における分布に対応する分布に調整された電極板に交換する工程とをさらに包含する、請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
複数個のガス導入孔が形成された電極板に対向させて膜が形成された基板を真空室内に設置する工程と、
前記電極板に形成された前記複数個のガス導入孔を通して前記真空室内にガスを導入する工程と、
前記基板に形成された前記膜をプラズマ処理するためのプラズマを発生させるために、前記電極板に高周波電力を印加する工程とを包含しており、
前記電極板の面上における比抵抗分布は、前記基板の表面上におけるプラズマ処理特性が所定の許容範囲内となるように、前記基板に形成された前記膜の膜厚分布に対応する分布に調整されていることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記高周波電力の周波数は、５０ＭＨｚ以上になっている、請求項１と請求項３とのいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記プラズマ処理は、エッチングであり、
前記プラズマ処理特性は、エッチング特性である、請求項１と請求項３とのいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記基板に形成された前記膜は、絶縁膜であり、
前記エッチング特性は、前記絶縁膜のエッチング速度を含んでいる、請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記エッチングは、前記絶縁膜にコンタクトホールを形成するためのエッチングであり、
前記エッチング特性は、前記絶縁膜に形成された前記コンタクトホールの寸法シフト量をさらに含んでいる、請求項６記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記コンタクトホールの寸法シフト量がプラスになっている領域に対応する前記ガス導入孔の直径は、前記コンタクトホールの寸法シフト量がマイナスになっている領域に対応する前記ガス導入孔の直径よりも小さくなっている、請求項７記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記絶縁膜のエッチング速度が小さい領域に対応する前記ガス導入孔の直径は、前記絶縁膜のエッチング速度が大きい領域に対応する前記ガス導入孔の直径よりも大きくなっている、請求項６記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記基板に形成された前記膜は、絶縁膜であり、
前記エッチング特性は、前記絶縁膜に形成されたコンタクトホールの寸法シフト量を含んでいる、請求項３に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記コンタクトホールの寸法シフト量がプラスになっている領域に対応する前記電極板の比抵抗は、前記コンタクトホールの寸法シフト量がマイナスになっている領域に対応する前記電極板の比抵抗よりも大きくなっている、請求項１０記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１２】
膜が形成された基板が設置された真空室と、
前記基板に対向するように複数個のガス導入孔が形成された電極板と、
前記電極板に形成された前記複数個のガス導入孔を通して前記真空室内にガスを導入するガス導入手段と、
前記基板に形成された前記膜をプラズマ処理するためのプラズマを発生させるために、前記電極板に高周波電力を印加する高周波電力印加手段とを具備しており、
前記複数個のガス導入孔の直径の前記電極板面上における分布は、前記基板の表面内におけるプラズマ処理特性が所定の許容範囲内となるように、前記プラズマ処理特性の前記基板の表面上における分布に対応する分布に調整されていることを特徴とする半導体デバイスの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体デバイスの製造方法および半導体デバイスの製造装置に関し、詳しくは、高密度にプラズマを生成するために周波数５０ＭＨｚ以上の高周波電力を印加する平行平板型プラズマ処理装置を用いたドライエッチングにより、高アスペクト比のコンタクトホールを形成するために好適な方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体デバイスの製造工程において、プラズマ処理技術を用いてドライエッチングを行う方法は、高集積化された半導体デバイス内の素子パターンを形成するために不可欠な技術となっている。
【０００３】
図１３は、従来の平行平板型プラズマ装置９０の構成を示す図である。この構造の平行平板型プラズマ装置は、例えば、特開平０９―１３４９０７号公報（特許文献１）に記載されている。図１３において、１０１はソース電力生成用の周波数６０ＭＨｚの高周波電源である。１０２は高周波電源１０１と負荷とのインピーダンス整合をとるための整合回路であり、１０３は上部電極板であり、高周波電源１０１から整合回路１０２を介して高周波電圧が印加される。上部電極板１０３の材料としては単結晶シリコンが使用されている。
【０００４】
１０４は真空室であり、内壁１０４ａによって囲まれて構成されている。１０４ａの内壁としては石英、シリコン、表面にイットリア溶射を施したアルミ等の材料が用いられている。１０５はエッチングなどのプロセスガス導入孔であり、ここからエッチングガスが真空室１０４内に導入される。１０６はドライエッチングを行う半導体基板であり、下部電極１０７上に載置されている。１０８はバイアス電力生成用の周波数２ＭＨｚの高周波電源であり、下部電極１０７に整合回路１０２ａを介して高周波電圧を印加する。１０９は真空室１０４内を減圧する真空ポンプである。また、上部電極板１０３（円形）と半導体基板１０６（円形）は、それぞれの中心が垂直方向に沿って一致するように配置されている。
【０００５】
このように構成された平行平板型プラズマ装置９０は次のように作動する。真空ポンプ１０９によって真空室１０４内を真空に減圧し、その圧力を制御装置（図示せず）によって維持しながら、ガス導入孔１０５からエッチングガスを導入する。その後、周波数６０ＭＨｚの高周波電源１０１から整合回路１０２を介して上部電極板１０３に高周波電力を印加すると、真空室１０４内に高密度プラズマが生成する。この状態で、高周波電源１０８から整合回路１０２ａを介して下部電極１０７に周波数２ＭＨｚの高周波電力を印加すると、プラズマ中のガスイオンが下部電極１０７側に加速され、下部電極１０７上の半導体基板１０６がドライエッチングされる。
【０００６】
図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は、プラズマ装置９０によって製造される従来の半導体デバイスの製造方法を示す断面図である。図１４（ａ）〜図１４（ｃ）には、シリコン基板上の層間絶縁膜にトランジスタのソース・ドレイン領域等の活性領域と配線を接続するためのコンタクトホールとを形成する工程が模式的に示されている。
【０００７】
まず、図１４（ａ）に示すように、シリコン基板１１４上に、低抵抗の導電層であるコバルトシリサイド膜１１３を形成し、その上に層間絶縁膜である酸化膜１１２を形成する。さらにその上に、有機系の材料からなる反射防止膜１１１と、開口部１１５のパターンを有するレジストマスク１１０とを形成する。
【０００８】
次に、平行平板型プラズマ装置９０内に図１４（ａ）に示す構造をした基板を設置し、装置９０内に導入されたエッチングガスのプラズマを生成する。発生したプラズマ中のイオンを開口部１１５を通って反射防止膜１１１に衝突させて下方へのエッチングを進行させ、図１４（ｂ）に示すように、レジストマスク１１０の開口部１１５において、反射防止膜１１１の一部をドライエッチングにより選択的に除去する。
【０００９】
次いで、エッチングガスを変更し、図１４（ｃ）に示すように、レジストマスク１１０の開口部１１５に沿って、酸化膜１１２の一部に選択的にドライエッチングを施してコンタクトホール１１５ａを形成する。このエッチングにおいてはコンタクトホール１１５ａの側壁に、エッチングガスと酸化膜１１２を構成する材料とのエッチング反応等によって生じたデポ物を堆積させることにより側方へのエッチングの進行を阻止するようにしている。このような異方性のドライエッチングによって、層間絶縁膜１１２を貫通する、ホール径の微細なコンタクトホール１１５ａを形成することができる。
【００１０】
近年、半導体デバイスの小型化が進み、それに伴って、コンタクトホール径および配線幅は、ますます縮小する傾向にある。一方、配線層間の静電容量を低く抑える要請から、層間絶縁膜の膜厚には殆ど変化がない。このため、コンタクトホール径に対する層間絶縁膜の膜厚の比（アスペクト比）は、ますます大きくなる傾向にある。また、レジストマスクの膜厚も、コンタクトホール径の縮小に伴って、レジストマスクに形成される回路パターンの解像度を向上させる観点から、薄膜化する傾向にある。
【００１１】
このような高アスペクト比のコンタクトホールを安定して形成するため、層間絶縁膜とレジストマスクとのエッチング速度の選択性を向上させる技術や、コンタクトホールのエッチングにおいて、シリコン基板上に形成された活性領域をエッチングさせないため、層間絶縁膜とシリコン基板とのエッチング速度選択性を向上させる技術が必要となる。このようなことを目的として、エッチングガスとしては、炭素に対するフッ素の比率が低いＣ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6等のフルオロカーボンガスが用いられている。
【００１２】
一方、近年のエッチング装置としては、エッチングガスの低圧力領域において高密度なプラズマが生成でき、また、垂直断面形状を維持しつつ高アスペクト比のコンタクトホールを安定に形成するために有効であることから、前述した図１３に示すような二周波の高周波電力を上部電極板および下部電極にそれぞれ印加する平行平板型プラズマ装置を用いることが現在主流である。その中でも高密度なプラズマを得ようとして、プラズマ生成用上部電極板に印加する高周波電力の高周波数化が進んでおり、５０ＭＨｚ以上例えば６０ＭＨｚが使用されている。
【特許文献１】特開平０９―１３４９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前述したような上部電極板に６０ＭＨｚの高周波数領域の高周波電力を印加する平行平板型プラズマ装置では、高いエッチング速度および高いエッチング選択性が容易に得られる。しかしながら、エッチング特性に変動が生じ易く、同一機種および同一構造のドライエッチング装置間であっても性能のバラツキが大きい等、同一の複数のプラズマ装置を用いて半導体集積回路を量産するに当たって障害があった。その結果、プラズマ装置によってエッチング速度、エッチング選択性およびエッチング後の仕上がり形状等のバラツキが発生することで、コンタクト抵抗不良やそれに伴う半導体デバイスの歩留まり低下等の異常を招く恐れがある。
【００１４】
生産ラインにおいてこのような装置間でのエッチング特性のバラツキによる異常が発生した場合には、異常が発生する毎に、長時間をかけてドライエッチング装置のようなプラズマ装置に設定されたプロセス条件パラメーターや、装置機構のようなハードパラメーターの不良箇所の原因調査と調整をしなければならない。このため、設備稼働率を低下させていた。
【００１５】
あるいは、ドライエッチング装置としてはバラツキを低減することができ、正常に稼働していたとしても、コンタクトホールを形成する際の層間絶縁膜に膜厚バラツキが生じることに起因して、エッチング後の仕上がり形状にバラツキが発生することもある。このため、層間絶縁膜が厚い場合には完全にエッチングがなされず、コンタクト抵抗不良、それによる半導体デバイスの歩留まり低下等の異常を招く恐れもあった。
【００１６】
本発明の目的は、平行平板型プラズマ装置によって、半導体基板に形成された層間絶縁膜に高アスペクト比のコンタクトホールを安定して形成することができる半導体デバイスの製造方法および半導体デバイスの製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る半導体デバイスの製造方法は、複数個のガス導入孔が形成された電極板に対向させて膜が形成された基板を真空室内に設置する工程と、前記電極板に形成された前記複数個のガス導入孔を通して前記真空室内にガスを導入する工程と、前記基板に形成された前記膜をプラズマ処理するためのプラズマを発生させるために、前記電極板に高周波電力を印加する工程とを包含しており、前記複数個のガス導入孔の直径の前記電極板面上における分布は、前記基板の表面上におけるプラズマ処理特性が所定の許容範囲内となるように、前記プラズマ処理特性の前記基板の表面上における分布に対応する分布に調整されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る半導体デバイスの他の製造方法は、複数個のガス導入孔が形成された電極板に対向させて膜が形成された基板を真空室内に設置する工程と、前記電極板に形成された前記複数個のガス導入孔を通して前記真空室内にガスを導入する工程と、前記基板に形成された前記膜をプラズマ処理するためのプラズマを発生させるために、前記電極板に高周波電力を印加する工程とを包含しており、前記電極板の面上における比抵抗分布は、前記基板の表面上におけるプラズマ処理特性が所定の許容範囲内となるように、前記基板に形成された前記膜の膜厚分布に対応する分布に調整されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る半導体デバイスの製造装置は、膜が形成された基板が設置された真空室と、前記基板に対向するように複数個のガス導入孔が形成された電極板と、前記電極板に形成された前記複数個のガス導入孔を通して前記真空室内にガスを導入するガス導入手段と、前記基板に形成された前記膜をプラズマ処理するためのプラズマを発生させるために、前記電極板に高周波電力を印加する高周波電力印加手段とを具備しており、前記複数個のガス導入孔の直径の前記電極板面上における分布は、前記基板の表面内におけるプラズマ処理特性が所定の許容範囲内となるように、前記プラズマ処理特性の前記基板の表面上における分布に対応する分布に調整されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、平行平板型プラズマ装置によって、半導体基板に形成された層間絶縁膜に高アスペクト比のコンタクトホールを安定して形成することができる半導体デバイスの製造方法および半導体デバイスの製造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法においては、複数個のガス導入孔の直径の電極板面上における分布は、基板の表面上におけるプラズマ処理特性が所定の許容範囲内となるように、プラズマ処理特性の基板の表面上における分布に対応する分布に調整されている。このため、プラズマ処理条件をばらつきの少ないものにすることができる。従って、半導体基板に形成された層間絶縁膜に高アスペクト比のコンタクトホールを安定して形成することができる。その結果、配線のコンタクト抵抗値のバラツキが低減すると共に、トランジスト特性が改善し、得られる半導体デバイスの生産歩留まりが向上する。
【００２２】
この実施の形態では、前記基板の表面上における前記プラズマ処理特性を計測する工程と、前記計測されたプラズマ処理特性が前記所定の許容範囲を超える分布を有している場合に、前記複数個のガス導入孔の直径の前記電極板面上における分布が、前記計測されたプラズマ処理特性の前記基板の表面上における分布に対応する分布に調整された電極板に交換する工程とをさらに包含することが好ましい。
【００２３】
本実施の形態に係る半導体デバイスの他の製造方法においては、前記電極板の面上における比抵抗分布は、前記基板の表面上におけるプラズマ処理特性が所定の許容範囲内となるように、前記基板に形成された前記膜の膜厚分布に対応する分布に調整されている。このため、プラズマ処理条件をばらつきの少ないものにすることができる。従って、半導体基板に形成された層間絶縁膜に高アスペクト比のコンタクトホールを安定して形成することができる。その結果、配線のコンタクト抵抗値のバラツキが低減すると共に、トランジスト特性が改善し、得られる半導体デバイスの生産歩留まりが向上する。
【００２４】
前記高周波電力の周波数は、５０ＭＨｚ以上になっていることが好ましい。
【００２５】
前記プラズマ処理は、エッチングであり、前記プラズマ処理特性は、エッチング特性であることが好ましい。
【００２６】
前記基板に形成された前記膜は、絶縁膜であり、前記エッチング特性は、前記絶縁膜のエッチング速度を含んでいることが好ましい。
【００２７】
前記エッチングは、前記絶縁膜にコンタクトホールを形成するためのエッチングであり、前記エッチング特性は、前記絶縁膜に形成された前記コンタクトホールの寸法シフト量をさらに含んでいることが好ましい。
【００２８】
前記コンタクトホールの寸法シフト量がプラスになっている領域に対応する前記ガス導入孔の直径は、前記コンタクトホールの寸法シフト量がマイナスになっている領域に対応する前記ガス導入孔の直径よりも小さくなっていることが好ましい。
【００２９】
前記絶縁膜のエッチング速度が小さい領域に対応する前記ガス導入孔の直径は、前記絶縁膜のエッチング速度が大きい領域に対応する前記ガス導入孔の直径よりも大きくなっていることが好ましい。
【００３０】
前記基板に形成された前記膜は、絶縁膜であり、前記エッチング特性は、前記絶縁膜に形成されたコンタクトホールの寸法シフト量を含んでいることが好ましい。
【００３１】
前記コンタクトホールの寸法シフト量がプラスになっている領域に対応する前記電極板の比抵抗は、前記コンタクトホールの寸法シフト量がマイナスになっている領域に対応する前記電極板の比抵抗よりも大きくなっていることが好ましい。
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３３】
本実施の形態に係るコンタクトホールのエッチング方法は、ドライエッチング装置の真空室内に設けられた上部電極板のガス導入孔径、あるいはその電極板の比抵抗を調節する事を通じて、コンタクトホールを形成しようとする酸化膜に対するエッチング速度、寸法シフト量及びオーバーエッチ量というエッチング特性を指定の設定値の範囲内に収めようとするものである。
【００３４】
図１は、本実施の形態に係る平行平板型プラズマ装置１００の構成を示す図である。プラズマ装置１００は、真空室４を備えている。真空室４は、上部電極板３と内壁４ａとによって囲まれるように構成されている。内壁４ａは、石英、シリコンおよび表面にイットリア溶射を施したアルミ等の部材によって構成されている。
【００３５】
真空室４の中には、下部電極７が設けられている。下部電極７の上には、ドライエッチングを行う半導体基板６が載置されている。上部電極板３には、半導体基板６に対向するように複数個のガス導入孔５が形成されている。上部電極３は、単結晶シリコンによって構成されている。上部電極板３と半導体基板６とは、それぞれの中心が垂直方向で一致するように配置されている。
【００３６】
プラズマ装置１００は、ガス導入器１６を備えている。ガス導入器１６は、上部電極板３に形成された複数個のガス導入孔５を通して真空室４内にガスを導入する。
【００３７】
プラズマ装置１００には、電力生成用の高周波電源１（周波数５０ＭＨｚ以上、ここでは６０ＭＨｚ）と、高周波電源１と負荷とのインピーダンスを整合させるための整合回路２とが設けられている。上部電極板３には、高周波電源１から整合回路２を介して高周波電力が印加される。
【００３８】
プラズマ装置１００は、バイアス電力生成用の高周波電源８（周波数２．０ＭＨｚ）を備えている。高周波電源８は、下部電極７に整合回路２ａを介して高周波電力を印加する。プラズマ装置１００には、真空室４内を減圧するための真空ポンプ９が設けられている。
【００３９】
以上のような図１に示す平行平板型プラズマ装置１００を用い、半導体基板６（図２はその断面構成を示す断面図）をドライエッチングして以下の通り、酸化膜１２にコンタクトホール（直径：０．２５μｍ、アスペクト比：６）を形成するのであるが、次にプラズマ装置１００の動作の要点を説明する。
【００４０】
即ち、まず、真空ポンプ９によって真空室４内の圧力を真空に減圧し、その圧力を制御装置（図示せず）によって維持しながら、上部電極板３に形成されたガス導入孔５からエッチングガスを導入する。その後、高周波電源１から整合回路２を介して上部電極板３に高周波電力を印加すると、真空室４内に高密度なプラズマが生成する。この状態で、高周波電源８から整合回路２ａを介して下部電極７に高周波電力を印加すると、プラズマ中のガスイオンが下部電極７側に向かって加速され、下部電極７上の半導体基板６に形成された酸化膜１２にエッチングによってコンタクトホールが形成される。
【００４１】
図２は、本実施の形態の製造方法に係わるコンタクトホールのドライエッチング実験のための試料として用いる半導体基板の一部を拡大して示す図である。この試料は、シリコン基板１４上に、コバルトシリサイド１３（膜厚：３０ｎｍ）が形成され、その上に配線間の層間絶縁膜として機能する酸化膜１２（膜厚：１５００ｎｍ）が形成されている。またその上に、反射防止膜１１（膜厚：８０ｎｍ）が形成されている。さらにその上に、開口部１５（コンタクトパターン）により、被ドライエッチング領域が露出したレジストマスク１０（膜厚：７００ｎｍ）が形成されている。
【００４２】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、図２に示す試料にコンタクトホールを形成する工程を模式的に示す図であり、以降に示す結果データは特に断りがない限りこの工程に基づくものである。まず、図２に示すように、シリコン基板１４上に、低抵抗の導電層であるコバルトシリサイド膜１３を形成し、その上にシリコン酸化膜１２を形成する。さらにその上に、有機系の材料からなる反射防止膜１１と、開口部１５を有するレジストマスク１０とを形成する。次に、図１に示す平行平板型プラズマ装置１００の下部電極７上に図２に示す構造を有する半導体基板６を載置し、真空室４内に導入されたエッチングガスのプラズマを生成する。このプラズマを利用し、図３（ａ）に示すように、レジストマスク１０の開口部１５を通って、反射防止膜１１の一部をドライエッチングにより選択的に除去する（ステップ１）。
【００４３】
次いで、エッチングガスを変更し、図３（ｂ）に示すように、レジストマスク１０の開口部１５を通って、酸化膜１２の一部を選択的にドライエッチングしてコンタクトホール１５ａを形成する（ステップ２）。ここで、コンタクトホール１５ａは、プラズマ中のガスイオンを酸化膜１２に衝突させ、下方向に向かってドライエッチングを進行させ、コバルトシリサイド１３に到達するとドライエッチングを停止させて形成する。
【００４４】
ここで、通常のプロセスではドライエッチングは、酸化膜１２の膜厚バラツキおよびエッチング速度自体のバラツキを考慮して、約３０％の酸化膜オーバーエッチングを行う。また、コンタクトホール１５ａの側壁には、エッチングガスと酸化膜１２を構成する材料との反応によって生じる反応生成物が堆積する。このため、コンタクトホール１５ａの側方へ向かうドライエッチングの進行が阻止される。
【００４５】
表１に、上記工程で採用したドライエッチング条件を一覧にして示す。ここで、ステップ１の条件は、図３（ａ）に示す工程における反射防止膜１１のドライエッチング条件に対応し、ステップ２の条件は、図３（ｂ）に示す工程における酸化膜１２のドライエッチング条件に対応する。
【００４６】
【表１】
2005175294.tif 000003
【００４７】
しかし、このエッチング特性の結果はエッチング速度および寸法シフト量のような基本的なデータを取得することを目的としたものであり、以下のように変更している。即ち、ドライエッチング装置１００に設けられた真空室４の内壁４ａを薬液を用いてウェットクリーニングし、かつ、上部電極板３を交換した直後の実験において評価する。酸化膜１２のエッチング速度は、表１の条件においてステップ２のエッチング時間を６０秒に変更した以外は表１に示す条件と同一の条件で、ドライエッチングすることによって算出する。さらに、コンタクトホール１５ａの寸法シフト量は、表１の条件でドライエッチングを行い、下記に示す（式１）を用いて算出する。
【００４８】
寸法シフト量＝（ドライエッチング後のコンタクトホール径）―（ドライエッチング前のレジストマスク又は反射防止膜に形成された開口部の径）…（式１）、
図４は、コンタクトホールエッチング実験に用いた上部電極板３のガス導入孔５を示す模式図である。図４に示すように上部電極板３は複数個のガス導入孔５を有しており、ガスは供給ラインからガス導入孔５を通して真空室４内に供給される。
【００４９】
図５は、コンタクトホールエッチング実験に用いた上部電極板３（直径：２８０ｍｍ）におけるガス導入孔径および比抵抗の測定点の面内位置を示す平面図である。図５に示すように、測定点は、上部電極板３の中心を原点としＸ軸上に５個ある。各測定点の脇の数字は、図５中の上部電極板３の中心を原点とした測定点の座標（Ｘ、Ｙ）を示す。
【００５０】
図６は、コンタクトホールエッチング実験において測定する半導体基板６（直径：２００ｍｍ）上に形成された酸化膜のエッチング速度、コンタクトホールの寸法シフト量の測定点の面内位置を示す平面図である。図６に示すように、測定点は、半導体基板６の中心を原点としＸ軸上に５個ある。各測定点の脇の数字は、図６中の半導体基板６の中心を原点とした測定点の座標（Ｘ、Ｙ）を示す。なお、これら測定点は、図５に示す上部電極板の原点と、図６に示す、エッチング装置の真空室内に設置された半導体基板６の原点とが対応していることより二次元的に一致している。
（実施の形態１）
実施の形態１を説明する前に、まず、従来のように、エッチング特性について何ら対策しない場合について、実際に実験を行って得られたエッチング特性の一つの場合を図７（ａ）および図７（ｂ）に示す。
【００５１】
この実験において使用した平行平板型プラズマ装置１００は図１に示すものであり、図４に示す上部電極３に形成されたガス導入孔５の径は、図５に示す各測定点において、すべて０．５ｍｍであるものを用いた。横軸に、図６に示した半導体基板６のＸ座標をとり、縦軸に、図７（ａ）では酸化膜１２に対するエッチング速度、図７（ｂ）ではコンタクトホール１５ａの寸法シフト量をそれぞれとっている。
【００５２】
図７（ａ）および図７（ｂ）から判るように、このドライエッチング装置１００を用いた場合は、半導体基板の（−９５、０）座標および（９５、０）座標においてエッチング特性が大きく変化しており、それぞれの座標において、図７（ａ）では酸化膜のエッチング速度が小さく、あるいは大きくなり、図７（ｂ）では寸法シフト量がマイナス方向（寸法が縮小方向）に、あるいはプラス方向（寸法が拡大方向）に所望の許容設定範囲を超えている。また、他の測定点においては、各エッチング特性が所望の許容設定範囲に収まっている。
【００５３】
ここで述べる所望の許容設定範囲とは、酸化膜１２に対するエッチング速度では、５００±２５ｎｍ／分、コンタクトホール１５ａの寸法シフト量では、≦±２５ｎｍである。以降に示す実験データでもエッチング特性の許容設定範囲は同一とする。ただしこの範囲は各エッチング条件と、対象となる半導体デバイスとによって異なってくるため、この絶対値に限定するものではない。
【００５４】
このようにエッチング特性がばらつく要因としては、もともとのプロセスパラメーターや装置の構造的なハードパラメーターのバラツキ、具体的には、プラズマ状態の不均一、ドライエッチング装置に付属するエッチングガスなどのマスフローメーターの設定や表示のわずかなずれ、真空室内の構成部品の消耗度合い、また、減圧状態を維持するための真空排気の偏りなどによって、エッチング特性が所望の値から外れているものと考えられる。
【００５５】
そこで実施の形態１では、酸化膜エッチング速度を基準として、図６に示した測定点において酸化膜エッチング速度が小さめとなった半導体基板６上の測定点では、その測定点に対応する上部電極板３上の図５に示した箇所のガス導入孔５の径を０．５〜０．７ｍｍと大きめに設定し、酸化膜エッチング速度が大きめとなった半導体基板上の測定点には、ガス導入孔５の径を０．３〜０．５ｍｍと小さめに設定したガス導入孔径の分布を有する上部電極板に交換してエッチングを行う。
【００５６】
実際にこのようにガス導入孔５の径を調整した上部電極板３を用いて得られたエッチング特性を図８（ａ）および図８（ｂ）に示す。横軸に、図６に示した半導体基板６のＸ座標をとり、縦軸に、図８（ａ）では酸化膜１２に対するエッチング速度、図８（ｂ）ではコンタクトホール１５ａの寸法シフト量をそれぞれとっている。ガス導入孔５の径が前述した分布を持った上部電極板３に交換したことによって、図８（ａ）および図８（ｂ）からも判るように、エッチング特性が所望の許容範囲のほぼ中心となり、大幅に改善されている。
【００５７】
次に、図８（ａ）および図８（ｂ）に示す現象の原因について説明しておく。近年のエッチング装置は、装置の生産能力向上および、コンタクトホールの垂直形状確保のため、高密度なプラズマでかつ、高真空の圧力を達成するため、十分な排気能力を得ようと大容量の真空ポンプを使用している。ここで課題となってくることが真空室内での真空排気の局所的な偏りである。この状態におけるガス圧力保持状態では、真空室内での供給ガスとエッチング反応生成物である反応ガスとでは滞在時間に差が発生してくる。その結果、供給ガスの滞在時間が長くなる箇所では、酸化膜１２に対するエッチング速度が大きくなり、一方、滞在時間が短くなる箇所ではエッチング速度が小さくなることが考えられる。この偏りを防止するためには、上部電極板３の面内のガス導入孔５の径を調整することで対策が可能となる。つまり、エッチング特性は、上部電極板３に形成されたガス導入孔５の径に依存することが説明される。
【００５８】
本発明の実施の形態１は以上のような考えを用いるもので、半導体基板６上のエッチング速度やコンタクトホール１５ａの寸法シフト量の分布に対応してガス導入孔５の径分布を有する上部電極板３を設置し、その後、酸化膜１２をエッチングするものである。
【００５９】
以上の結果から、実施の形態１によるコンタクトホール１５ａのドライエッチング方法は、平行平板型プラズマドライエッチング装置１００を用いて半導体基板６のドライエッチングを行う際、エッチング特性が所望の許容範囲設定値に収まるようなガス導入孔５の径を有する上部電極板３に交換し、半導体基板６の酸化膜、絶縁膜にコンタクトホール１５ａを形成するものである。こうしてエッチング特性を所望値に収めることができ、半導体基板６に形成された層間絶縁膜に高アスペクト比のコンタクトホールを安定して形成することができる。
【００６０】
なお、上部電極板３のガス導入孔５の径の調整は、従来、エッチング特性が許容範囲に収まらなかった原因を追及し、それを修復するものではないため長時間を要せず、装置１００のメンテナンス時に短時間で行うことができるので、得られる半導体デバイスの生産効率が向上する。また、プロセス異常の発生毎に各装置１００のプロセスパラメーターとハードパラメーターとの不良箇所の原因調査と調整とが不要となり、設備稼働率が向上する。また、実施の形態１における作業は同一機種、同一構造のドライエッチング装置ごとに実施するので、これら装置間のエッチング特性を調整してすべての装置で特性を許容範囲に収めそろえることができるものである。
【００６１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、図１に示した平行平板型プラズマ装置１００を使用し、前記実施の形態１で示したような、エッチング特性が所望の許容範囲のほぼ中心値となるように図４に示すガス導入孔５の径が調整され、図５に示す各測定点において、０．３〜０．７ｍｍとなっているような上部電極板３を用いた場合のコンタクトホールエッチング方法である。すなわちドライエッチング装置１００側では少なくとも半導体基板６内でエッチング特性が均一となっており、半導体基板６に形成された被エッチング酸化膜の膜厚のみがばらつき、他は同一構造である時、図３に示す高アスペクト比のコンタクトホールを均一に形成する場合に対応するものである。
【００６２】
図９は実施の形態２における半導体基板６に形成された酸化膜１２の膜厚分布の例を示すグラフである。横軸に図６に示した半導体基板６のＸ座標をとり、縦軸に酸化膜１２の膜厚を示す。図９に示すように、酸化膜１２の膜厚には１５００±１５０ｎｍのバラツキが存在しており、半導体基板６の中心部で最小となり、外周側程、厚くなっている。
【００６３】
まず、エッチング特性について何ら対策しない従来の場合について、実際に実験を行って得られたエッチング特性を図１０に示す。横軸に、図６に示した半導体基板のＸ座標をとり、縦軸にコンタクトホール１５ａの寸法シフト量をとっている。酸化膜のエッチング速度は図８（ａ）に示した特性と同様になり、すでにエッチング特性の均一性は確保されている。しかしながら、寸法シフト量は図１０から判るように、酸化膜１２の膜厚が不均一であることに対応して半導体基板６の中心部および外周側において大きく変化しており、中心部においては寸法シフト量がプラス方向（寸法が拡大方向）に、周辺部においてはマイナス方向（寸法が縮小方向）に所望の許容設定範囲を超えている。
【００６４】
これらの要因としては、前記実施の形態１で述べたような、もともとのプロセスパラメーターと装置１００の構造的なハードパラメーターとの装置固有のバラツキとは別に、ドライエッチング工程の前工程における酸化膜１２の膜厚バラツキが原因となり、寸法シフト量のみが所望の値から外れているものと考えられる。
【００６５】
そこで、実施の形態２では、寸法シフト量を基準として、図６に示した測定点における寸法シフト量がプラス方向になっている半導体基板６上の測定点に対しては、その測定点に対応する上部電極板３上の図５に示した箇所のガス導入孔５の径が０．３〜０．５ｍｍと小さめになっており、寸法シフト量がマイナス方向になっている半導体基板６上の測定点に対しては、ガス導入孔５の径が０．５〜０．７ｍｍと大きめになっているようなガス導入孔径の分布を有する上部電極板３に交換してエッチングを行う。
【００６６】
実際にこのような上部電極板３を用いて得られたエッチング特性を図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示す。横軸に図６に示した半導体基板６のＸ座標をとり、縦軸に、図１１（ａ）では酸化膜１２に対するエッチング速度、図１１（ｂ）ではコンタクトホール１５ａの寸法シフト量をそれぞれとっている。酸化膜１２のエッチング速度は、ガス導入孔５の径分布を調整したことにより、図１１（ａ）から判るように、所望の許容範囲内でのバラツキは見られるが、寸法シフト量は、図１１（ｂ）から判るように、所望の許容範囲のほぼ中心となり、大幅に改善されている。
【００６７】
本発明の実施の形態２は以上のような結果を用いるもので、半導体基板６上に形成された酸化膜１２の膜厚バラツキによるコンタクトホール１５ａの寸法シフト量に対応したガス導入孔５の径分布を有する上部電極板３に交換し、その後、酸化膜１２をエッチングするものである。
【００６８】
以上のように実施の形態２によれば、平行平板型プラズマ装置１００を用いて、酸化膜１２の膜厚バラツキが存在する半導体基板６のドライエッチングを行う場合、半導体基板６の面内におけるエッチング特性が所望の値に収まるように、上部電極板３の面内のガス導入孔５の径を調整したものに交換することにより、半導体基板６に形成された層間絶縁膜に高アスペクト比のコンタクトホールを安定して形成することができる。また、半導体基板面内のエッチング特性のバラツキが低減し、これによってドライエッチング時のオーバーエッチング量を面内で均一化することができ、安定した半導体デバイスの製造が可能となる。その結果、配線のコンタクト抵抗値のバラツキが低減すると共に、トランジスタ特性が改善し、得られる半導体デバイスの生産歩留まりを高めることができる。
【００６９】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、図１に示した平行平板型プラズマ装置１００を使用し、前記実施の形態１で示したような、エッチング特性が所望の許容範囲のほぼ中心値となるように図４に示すガス導入孔５の径が図５に示す各測定点において、０．３〜０．７ｍｍに調整され、一方、比抵抗が図５に示す各測定点すべてにおいて均一な７４Ω・ｃｍである上部電極板３を用いている。すなわち本来のエッチング特性は均一になるように調整されている一方、半導体基板６上に形成された酸化膜１２の膜厚だけがばらついており他は同一構造である図２に示す試料をドライエッチングすることにより、図３（ｂ）に示す高アスペクト比のコンタクトホール１５ａを形成する場合に対応するものである。
【００７０】
この場合も図９に示すような半導体基板６の酸化膜１２の膜厚分布を示すものとする。横軸に図６に示した半導体基板６のＸ座標をとり、縦軸に酸化膜１２の膜厚を示す。このように、酸化膜１２の膜厚において１５００±１５０ｎｍのバラツキが存在しており、半導体基板６の中心部で最小となり、外周側程、厚くなっている。
【００７１】
まず、エッチング特性について何ら対策しない従来の場合について、実際に実験を行って得られたエッチング特性は、酸化膜のエッチング速度については図８（ａ）に示すようになり、コンタクトホール１５ａの寸法シフト量については図１０に示すようになる。図８（ａ）から判るようにドライエッチング装置は本来のエッチング特性均一性を維持するように設定されているから、酸化膜１２のエッチング速度は所望の許容設定範囲のほぼ中心である。しかしながら、寸法シフト量は図１０から判るように、半導体基板６の中心部および外周側で大きく変化しており、中心部においては寸法シフト量がプラス方向（寸法が拡大方向）に、周辺部においてはマイナス方向（寸法が縮小方向）に所望の許容設定範囲を超えている。
【００７２】
これらの要因としては、前記実施の形態１で述べたような、もともとのプロセスパラメーターや装置の構造的なハードパラメーターの装置固有のバラツキとは別に、ドライエッチング工程の前工程における酸化膜１２の膜厚バラツキが原因となり、寸法シフト量のみ所望の値から外れているものと考えられる。
【００７３】
そこで、実施の形態３に係るコンタクトホール形成方法では、寸法シフト量を基準として、図６に示した測定点における寸法シフト量がプラスとなっている半導体基板６上の測定点に対しては、その測定点に対応する上部電極板３上の図５に示した箇所の比抵抗を７４〜７８Ω・ｃｍと大きめにし、寸法シフト量がマイナス方向になっている半導体基板６上の測定点には、比抵抗が７０〜７４Ω・ｃｍと小さめにした抵抗の分布を有する上部電極板３に交換してエッチングを行う。
【００７４】
実際にこのような上部電極板３を用いて得られたエッチング特性を図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示す。横軸に、図６に示した半導体基板６のＸ座標をとり、縦軸に、図１２（ａ）では、酸化膜１２に対するエッチング速度をとり、図１２（ｂ）では、コンタクトホール１５ａの寸法シフト量をそれぞれとっている。酸化膜１２のエッチング速度は、上部電極板３の比抵抗に分布を持たせたことに対応して図１２（ａ）から判るように、所望の許容範囲内でのバラツキは見られるが、寸法シフト量は、図１２（ｂ）から判るように、所望の許容範囲のほぼ中心となり、大幅に改善されている。
【００７５】
次に、図１２に示すようになった原因について説明しておく。近年のエッチング装置は、高密度なプラズマを得ようとプラズマ生成用の上部電極板３に印加する高周波電力の高周波数化が進んでいる。ここで課題となってくることが高周波電力の表皮効果現象であり、周波数が低い場合、電流は上部電極板３の導体内を一様に流れるが、周波数が高くなると電流は上部電極板３の表皮に集中するということである。上部電極板３におけるこの表皮効果現象を考慮すると、高周波電力は上部電極板３の表面を流れ、最終的に上部電極板３の中心部に集中する。その結果、上部電極板３の中心部に対向する半導体基板６の中心部の酸化膜エッチング速度が大きくなる。表皮効果が大きくなると、半導体基板６の中心部の酸化膜エッチング速度が大きくなり、一方、表皮効果が小さくなるにしたがい、酸化膜１２のエッチング速度は小さくなる傾向であると考えられる。即ち、エッチング特性を所望する範囲内に収め均一にするためには高周波電力の表皮効果を考慮する必要がある。
【００７６】
この表皮効果において、比抵抗ρ（Ω・ｍ）、円周率π（−）、電源周波数ｆ（Ｈｚ）、透磁率μ（Ｈ／ｍ）とすると、表皮深さδ（ｍ）は、下記に示す（式２）で表わせる。
【００７７】
δ＝√（ρ／π・ｆ・μ）…（式２）
式（２）より、表皮深さδは比抵抗ρが大きくなると大きくなり、電源周波数ｆが大きくなると小さくなる。その結果、表皮効果としては、比抵抗ρが大きくなると小さくなり、電源周波数ｆが大きくなると大きくなることがわかる。したがって、平行平板型プラズマ装置１００において、酸化膜１２に対するエッチング速度、コンタクトホールの寸法シフト量等のエッチング特性は、表皮効果による高周波電力変動が直接関与するため、上部電極板３の比抵抗に依存することが説明できる。
【００７８】
本発明の実施の形態３は以上のような考えを用いるもので、半導体基板６上の酸化膜１２の膜厚バラツキによるコンタクトホール１５ａの寸法シフト量分布に応じて、その分布に対応した比抵抗分布を有する上部電極板３に交換し、その後、酸化膜１２をエッチングするものである。
【００７９】
実施の形態３によれば、平行平板型プラズマ装置１００を用いて、酸化膜１２の膜厚バラツキが存在する半導体基板６のドライエッチングを行う場合、半導体基板６の面内における酸化膜エッチング特性、特に寸法シフト量が所望の許容範囲の値に収まるように、上部電極板３の面内の比抵抗を調整したものに交換することにより、半導体基板６に形成された層間絶縁膜に高アスペクト比のコンタクトホール１５ａを均一に安定して形成することができる。
【００８０】
このように実施の形態３に係るコンタクトホールエッチング方法によると半導体基板６の面内におけるエッチング特性のバラツキが低減し、半導体基板６の面内の各場所においてほぼ同時にコンタクト面を露出できるのでドライエッチング時のオーバーエッチ量も面内で均一化でき安定した半導体デバイスの製造が可能となる。その結果、配線のコンタクト抵抗値のバラツキが低減すると共に、トランジスタ特性が改善し、得られる半導体デバイスの生産歩留まりを高めることができる。
【００８１】
以上のように実施の形態１〜３によれば、５０ＭＨｚを越える周波数のプラズマを発生させる平行平板型プラズマ装置において、ドライエッチングなどのプラズマ処理特性が所望の許容範囲となるようなガス導入孔径または比抵抗を有する上部電極板を用いることによって、プラズマ処理条件をばらつきの少ないものにすることができ、半導体基板に形成された層間絶縁膜に高アスペクト比のコンタクトホールを安定して形成することができる。その結果、配線のコンタクト抵抗値のバラツキが低減すると共に、トランジスト特性が改善し、得られる半導体デバイスの生産歩留まりが向上する。
【００８２】
また、基板上の層間絶縁膜の膜厚が面内で不均一な場合、ドライエッチング時のオーバーエッチ量を面内で均一化でき安定した半導体デバイスの製造が可能となる。その結果、配線のコンタクト抵抗値のバラツキなどが低減すると共に、トランジスタ特性が改善し、得られる半導体デバイスの生産歩留まりを高めることができる。
【００８３】
そして上部電極板のガス導入孔径または比抵抗の調整は装置のメンテナンス時に行えばよく、プラズマ処理特性ばらつきの真の原因を追及するために装置を分解などする必要がなく、また、装置において、異常の発生毎に、装置のプロセスパラメーターやハードパラメーターの不良箇所の原因調査と調整も不要となり、設備稼働率が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、以上説明したように半導体集積回路のドライエッチング加工を、ドライエッチング装置間においてばらつきなく行うために有効な方法である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本実施の形態に係る平行平板型プラズマ装置の構成を示す図である。
【図２】本実施の形態の製造方法に係わるコンタクトホールのドライエッチング実験のための試料として用いる半導体基板の一部を拡大して示す図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、図２に示す試料にコンタクトホールを形成する工程を模式的に示す図である。
【図４】本実施の形態に係る上部電極板のガス導入孔を示す模式図である。
【図５】本実施の形態に係る上部電極板のガス導入孔径および比抵抗の測定点の面内位置を示す平面図である。
【図６】本実施の形態に係る半導体基板上に形成された酸化膜のエッチング速度、コンタクトホールの寸法シフト量の測定点の面内位置を示す平面図である。
【図７】（ａ）は酸化膜に対するエッチング速度とＸ軸方向に沿った基板上の位置との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）はコンタクトホールの寸法シフト量とＸ軸方向に沿った基板上の位置との間の関係を示すグラフである。
【図８】（ａ）は実施の形態１に係る酸化膜に対するエッチング速度とＸ軸方向に沿った基板上の位置との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は実施の形態１に係るコンタクトホールの寸法シフト量とＸ軸方向に沿った基板上の位置との間の関係を示すグラフである。
【図９】実施の形態１における半導体基板の酸化膜の膜厚分布の例を示すグラフである。
【図１０】コンタクトホールの寸法シフト量とＸ軸方向に沿った基板上の位置との間の関係を示すグラフである。
【図１１】（ａ）は実施の形態２に係る酸化膜に対するエッチング速度とＸ軸方向に沿った基板上の位置との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は実施の形態２に係るコンタクトホールの寸法シフト量とＸ軸方向に沿った基板上の位置との間の関係を示すグラフである。
【図１２】（ａ）は実施の形態３に係る酸化膜に対するエッチング速度とＸ軸方向に沿った基板上の位置との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は実施の形態３に係るコンタクトホールの寸法シフト量とＸ軸方向に沿った基板上の位置との間の関係を示すグラフである。
【図１３】従来の平行平板型プラズマ装置の構成を示す図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、従来の半導体デバイスの製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１、１０１  高周波電源（周波数６０ＭＨｚ）
２、２ａ、１０２、１０２ａ  整合回路
３、１０３  上部電極板
４、１０４  真空室
４ａ、１０４ａ  内壁
５、１０５  ガス導入孔
６、１０６  半導体基板
７、１０７  下部電極
８、１０８  高周波電源（周波数２．０ＭＨｚ）
９、１０９  真空ポンプ
１０、１１０  レジストマスク
１１、１１１  反射防止膜
１２、１１２  酸化膜
１３、１１３  コバルトシリサイド
１４、１１４  シリコン基板
１５、１１５  開口部
１５ａ、１１５ａ  コンタクトホール
【図１】
2005175294.tif 000004
【図２】
2005175294.tif 000005
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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