(57)【要約】【課題】  プラズマエッチングを用いたトリミングにより、目的とするパターン幅を安定性よく実現する。【解決手段】  半導体装置の製造方法は、加工対象層上方にレジスト層を形成する工程と、レジスト層を露光現像し、孤立パターンと密集パターンとを含むレジストパターンを形成する工程と、孤立パターンと密集パターンの各々について、幅をモニタし、縮小すべき幅のトリミング量を決定する工程と、主としてエッチングを促進する機能を有するガスと、主としてエッチングを抑制する機能を有するガスとを含む混合ガスを用い、孤立パターンと密集パターンとで共に所望トリミング量を実現するエッチング条件を決定する工程と、トリミングを決定したエッチング条件で行なう工程と、トリミングされたレジストパターンを用いて、加工対象層をエッチングする工程と、を含む。【選択図】  図３
2005045214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）加工対象層を有する半導体基板を準備する工程と、
（ｂ）前記加工対象層上方にレジスト層を形成する工程と、
（ｃ）前記レジスト層を露光現像し、孤立パターンと密集パターンとを含むレジストパターンを形成する工程と、
（ｄ）前記レジストパターンの孤立パターンと密集パターンの各々について、幅をモニタし、縮小すべき幅のトリミング量を決定する工程と、
（ｅ）主としてエッチングを促進する機能を有する第１のガスと、主としてエッチングを抑制する機能を有する第２のガスとを含む混合ガスを用い、孤立パターンと密集パターンとで共に前記トリミング量を実現するエッチング条件を決定する工程と、
（ｆ）前記レジストパターンのトリミングを前記決定したエッチング条件で行なう工程と、
（ｇ）トリミングされた前記レジストパターンを用いて、前記加工対象層をエッチングする工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｅ）のエッチング条件は、エッチングの時間長と混合ガスの混合比との少なくとも１つを変数とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｂ）がＢＡＲＣ層とレジスト層とを積層し、前記工程（ｅ）が前記ＢＡＲＣ層をメインエッチングした後、オーバーエッチングすると共に前記レジストパターンをトリミングするエッチング条件を決定し、前記工程（ｆ）が前記ＢＡＲＣ層をエッチングすると共に前記レジスト層をトリミングする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｃ）がパターン幅の異なる孤立パターンと密集パターンとを形成し、前記工程（ｄ）が、孤立パターンと密集パターンとに対して異なるトリミング量を決定し、前記工程（ｅ）が孤立パターンと密集パターンの一方のパターン幅をほぼ変化させず、他方のパターン幅を実質的に減少させる補助的エッチングのエッチング条件も決定し、さらに、
（ｈ）前記レジストパターンに対して補助的エッチングを行なう工程、
を含む請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記混合ガスは、さらに加工対象層と化学変化を生じない第３のガスを含む請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記工程（ｅ）のエッチング条件は、エッチングの時間長、前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比である第１の混合比、前記第３のガスと前記第１、第２のガスの混合比である第２の混合比、前記混合ガスの合計流量の少なくとも１つを変数とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ｅ）が、前記第１の混合比、前記第２の混合比をパラメータとして、孤立パターンと密集パターンとで共に前記トリミング量を実現するエッチング条件を決定する請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記工程（ｅ）が、複数の半導体基板の一部に対して、第１のエッチング条件でエッチング処理を行い、そのトリミング量を測定し、測定結果を取り入れて前記第１のエッチング条件を修正し、前記トリミング量を実現する第２のエッチング条件を決定する請求項１〜７のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
パターン幅を測定できる測定装置と、
レジストパターンに対して、主としてエッチングを促進する機能を有するガスと、主としてエッチングを抑制する機能を有するガスとを含む混合ガスを用いて、レジストパターンのトリミングを行い、その後レジストパターン下方の加工対象層に対してエッチングを行なうことのできるエッチング装置と、
前記混合ガスを用いたエッチングにおいて、レジストパターンの孤立パターン幅と密集パターン幅とがそれぞれエッチング後の加工対象層の孤立パターン幅と密集パターン幅とに、エッチング条件に応じてどのように関連付けられるかを示すデータと、与えられたレジストパターンの孤立パターン幅と密集パターン幅とに対して所望のトリミング量を実現することのできるエッチング条件とを蓄積した制御装置と、
を有し、前記測定装置がレジストパターンのパターン幅を測定し、結果を前記制御装置に伝達するフィードフォワード系を有し、前記制御装置が伝達されたレジストパターン幅に基づいて、エッチング条件を決定し、前記エッチング装置を制御するエッチングシステム。
【請求項１０】
さらに、前記測定装置が、エッチング後の加工対象層のパターン幅を測定し、結果を前記制御装置に伝達するフィードバック系を有し、前記制御装置がパイロットウエハのレジストパターン幅とエッチング後のパイロットウエハの加工対象層のパターン幅からトリミング量を演算し、演算結果を前記データと比較して変化量を演算し、前記エッチング条件と前記変化量とを用いて補正したエッチング条件を決定し、前記エッチング装置を制御する請求項９記載のエッチングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法とエッチングシステムとに関し、特にゲート電極パターニング用等の微細レジストパターンをトリミングする工程を含む半導体装置の製造方法とこの方法の実施に適したエッチングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳトランジスタの動作速度は、ゲート長に強く影響される。ゲート長が短いほど、トランジスタの高速動作が容易になる。スケーリングによりゲート長の短縮化が進められ、１００ｎｍ以下のゲート長が採用されるようになった。このように微細化されたゲート長は、ホトリソグラフィの解像度を越えることもあり、作成したレジストパターンをそのまま用いてゲート電極をエッチングすると、所望の寸法より大きいゲート長のゲート電極となってしまう。
【０００３】
一旦作成したゲート電極のトリミングの１方法として、多結晶シリコンのゲート電極を形成した後、ゲート電極側面を酸化して酸化膜を成長し、その後酸化膜を選択エッチして所望のゲート長を得る方法が提案されている（例えば、特許文献１）。この場合、制御した酸化工程と、選択エッチング工程とを追加する必要がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１５５７号公報
【０００５】
ところで、エッチング対象を含むレジスト層の下地が多結晶シリコン等の高反射率の表面を含む場合、反射光によりレジスト層内に定在波や、ハレーションを生じることがある。定在波やハレーションの防止のため、レジスト層の下に底面反射防止膜（bottom anti-reflection coating, ＢＡＲＣ）を形成することが行なわれる。ＢＡＲＣとしては、感光性は有さないが、レジスト層と同様の組成を有する有機化合物層がよく用いられる。
【０００６】
ＢＡＲＣ層、レジスト層を形成した後、レジスト層を露光、現像してレジストパターンを形成し、次にレジストパターンをマスクとしてＢＡＲＣ層のエッチングを行なう。ＢＡＲＣ層がレジスト層と同様の組成を有する場合、ＢＡＲＣ層のエッチングと共にレジストパターンもエッチングされ、レジストパターンの寸法が小さくなる。
【０００７】
レジストパターンの細りを低減するために、フレオン等のデポジション性のあるガスと、酸素ガスとの混合ガスを用い、レジストパターンの側面に付着を生じさせ、レジストパターンの細りを防止することが可能と言われている。しかし、レジストパターン側面への付着は、レジストパターンの密度に依存する。結果としてレジストパターンの粗密により、エッチング後のレジストパターンに寸法差が生じてしまうとも言われている。
【０００８】
レジストパターンの粗密による寸法差を減少するため、初めに塩素と酸素の混合ガスによるメインエッチングを行なって粗密の変換差を最小に抑え、次にハロゲン炭化水素ガスのみを用いたオーバーエッチングを行なってパターンが密な部分でマスクのレジストをスパッタして側壁上に堆積し、パターン寸法を太らせて、レジストパターン幅と反射防止膜幅との変換差を無くすことが提案されている（例えば、特許文献２）。
【特許文献２】特開２０００−７７３８６号公報  ＢＡＲＣ層のパターニングにおいて、レジストパターン幅が小さくなる現象を、レジストパターンのトリミングに利用することが可能である。ゲート電極パターニング用レジストパターンをトリミングしたい場合には、ゲート電極層上にレジストパターンを形成した後、酸素プラズマ等により、レジストパターンの幅をトリミングして縮小し、幅の狭められたレジストパターンをマスクとしてゲート電極層をエッチングすることができる。この場合も、最終的なレジストパターン幅の粗密差が問題となる。
【０００９】
トリミング量の疎密差を前提条件とし、最終的なレジストパターン幅を均一にするため、レジストを露光するためのレチクルパターンを補正することも可能である。しかし、エッチング工程においては、エッチング装置の壁に堆積したエッチング生成物が後のエッチングの際に放出されることによる長期的変動も存在し、長期的変動によってパターン幅の粗密差も変動してしまう。このような変動に対してもレチクルの補正により対応することはレチクル数が膨大となり、現実的でない。又、レジスト層の露光・現像工程において得られるパターン幅が期待したパターン幅からずれてしまうこともある。この場合、レチクルによる補正は何の効果もない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、プラズマエッチングを用いたトリミングにより、目的とするパターン幅を安定性よく実現することの可能な半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、パターン密度によらず、プラズマエッチングを用いたトリミングにより、目的とするパターン幅を安定性よく実現することのできる半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、上記半導体装置の製造方法に適したエッチングシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の１観点によれば、（ａ）加工対象層を有する半導体基板を準備する工程と、（ｂ）前記加工対象層上方にレジスト層を形成する工程と、（ｃ）前記レジスト層を露光現像し、孤立パターンと密集パターンとを含むレジストパターンを形成する工程と、（ｄ）前記レジストパターンの孤立パターンと密集パターンの各々について、幅をモニタし、縮小すべき幅のトリミング量を決定する工程と、（ｅ）主としてエッチングを促進する機能を有する第１のガスと、主としてエッチングを抑制する機能を有する第２のガスとを含む混合ガスを用い、孤立パターンと密集パターンとで共に前記トリミング量を実現するエッチング条件を決定する工程と、（ｆ）前記レジストパターンのトリミングを前記決定したエッチング条件で行なう工程と、（ｇ）トリミングされた前記レジストパターンを用いて、前記加工対象層をエッチングする工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００１３】
本発明の他の観点によれば、パターン幅を測定できる測定装置と、レジストパターンに対して、主としてエッチングを促進する機能を有するガスと、主としてエッチングを抑制する機能を有するガスとを含む混合ガスを用いて、レジストパターンのトリミングを行い、その後レジストパターン下方の加工対象層に対してエッチングを行なうことのできるエッチング装置と、前記混合ガスを用いたエッチングにおいて、レジストパターンの孤立パターン幅と密集パターン幅とがそれぞれエッチング後の加工対象層の孤立パターン幅と密集パターン幅とに、エッチング条件に応じてどのように関連付けられるかを示すデータと、与えられたレジストパターンの孤立パターン幅と密集パターン幅とに対して所望のトリミング量を実現することのできるエッチング条件とを蓄積した制御装置と、を有し、前記測定装置がレジストパターンのパターン幅を測定し、結果を前記制御装置に伝達するフィードフォワード系を有し、前記制御装置が伝達されたレジストパターン幅に基づいて、エッチング条件を決定し、前記エッチング装置を制御するエッチングシステムが提供される。
【発明の効果】
【００１４】
パターン分布に疎密が存在しても、所望のトリミング量を実現できるエッチングを含む半導体装置の製造方法が提供される。
ホトリソグラフィによって得られたレジストパターンが、期待する値からずれたパターン幅を有していても、結果として所望のパターン幅を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明者は、リソグラフィの寸法限界より狭いゲート長を有するゲート電極を作成することを考察している。プラズマエッチングによりレジストパターン幅をトリミングしようとすると、パターン密度の粗密によりエッチングレートが異なってしまい、ウエハ面内でゲート長が不均一になってしまう。
【００１６】
ＢＡＲＣ層の上にレジストパターンを形成する場合は、レジストパターンをマスクとして、ＢＡＲＣ層のエッチングを行なう。ＢＡＲＣ層エッチング時のレジストパターンのエッチングをトリミングに利用することができる。しかし、プラズマエッチングによりレジストパターンをトリミングすると、パターン密度によりエッチング速度が異なり、得られるパターン幅がパターン密度の影響で不均一になることが多い。
【００１７】
エッチング量の疎密差を修正する方法として、異なるエッチング特性を示す複数のガスを含む混合ガスを用いる方法が知られている。ＢＡＲＣ層のエッチングにおいて、主としてエッチングを促進するガスと、主としてエッチングを抑制するガスとを含む混合ガスをエッチングガスとし、エッチング条件によってどのようにパターン幅が変化するかを調べた。
【００１８】
図１（Ａ）〜（Ｅ）は、実験に用いたサンプルを説明する平面図及び断面図である。
図１（Ａ）は、孤立パターンの形状を示す平面図である。孤立パターンＩＳＯは，広い領域内に孤立して配置された単独のレジストパターンである。
【００１９】
図１（Ｂ）は，密集パターンの配置の例を示す。密集パターンＤＮＳは、複数のパターンが密集して配置された形態である。
図１（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）は，サンプルの製造プロセスを示す断面図である。図１（Ｃ）を参照する。シリコン基板１１の上に、ゲート酸化膜１２が厚さ約１〜２ｎｍ形成されており、その上にポリシリコンのゲート電極層１３が厚さ８０〜１５０ｎｍ形成されている。ポリシリコン膜１３は、例えば１００ｎｍの厚さを有する。ポリシリコン膜１３の上に、ポリシリコン膜１３をエッチングする際のハードマスクとして機能する酸化シリコンのハードマスク層１４が厚さ１０〜７０ｎｍ形成されている。ハードマスク層１４は、例えば厚さ３０ｎｍを有する。ポリシリコン層１３とハードマスク層１４が加工対象層となる。
【００２０】
ハードマスク層１４の上に、ＢＡＲＣ層１８が厚さ３０〜８０ｎｍ塗布されている。ＢＡＲＣ層１８は、感光性は有さないが、その組成はレジストとほぼ等価である。ＢＡＲＣ層１８の上に厚さ２００〜３００ｎｍのレジスト層が形成され、露光・現像されてレジストパターン１９を形成する。このレジストパターンが、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すようなパターンで配置される。レジストパターン１９の幅をｄ１とする。
【００２１】
このレジストパターン１９をマスクとして、その下のＢＡＲＣ層１８をエッチングする。なお、エッチングすべきウエハをエッチングチャンバに搬入した後、まずＨｅガス予備プラズマを点火する。その後、Ｈｅ／ＳＯ2／Ｏ2の主プラズマエッチングに移行するが、予備プラズマにより約５ｎｍのトリミングが行われる。
【００２２】
図１（Ｄ）は、ＢＡＲＣ層をメインエッチングとオーバーエッチングでエッチングした状態を示す。レジストパターン１９は、ＢＡＲＣ層１８のエッチング時に共にエッチングされ、その高さ、幅が減少している。なお、「メインエッチング」とは、一般的に下地表面が露出するまでのエッチングを指し、「オーバーエッチング」とは、その後のエッチングを指す。メインエッチングで下地表面が露出しても、通常所望する全領域でエッチングが完了しているわけではなく、オーバーエッチングが必要である。
【００２３】
レジストパターン１９とその下のＢＡＲＣ層パターン１８が、加工対象層のエッチングマスクとなる。この状態で、ハードマスク層１４をエッチングし、マスクパターンを転写する。さらにハードマスク層１４の下のポリシリコン層１３をエッチングする。エッチングの途中でレジストパターン１９、ＢＡＲＣパターン１８が消滅してもハードマスク層１４が残ればエッチングマスクとしての機能は果たせる。
【００２４】
図１（Ｅ）は、ポリシリコン層１３のエッチングを終了した状態を示す。パターニングされたポリシリコン層１３の幅をｄ２とする。レジストパターン１９の幅ｄ１は、ポリシリコン層の幅ｄ２までトリミングされたことになる。
【００２５】
図１（Ｄ）に示すＢＡＲＣ層１８のエッチングにおいて、Ｏ2ガスとＳＯ2ガスを含む混合ガスをエッチングガスとして用いた。この混合エッチングガスのガス分率（混合比）とオーバーエッチング時間とを調整することにより、最終的に得られるポリシリコン層パターン１３のパターン幅ｄ２がどのように変化するかを調べた。
【００２６】
図２（Ａ）は、エッチングガスとしてＨｅ／ＳＯ2／Ｏ2＝６０／０６／２４の混合ガスを用いた場合を示す。横軸がオーバーエッチング時間／メインエッチング時間の比を単位％で示す。縦軸はゲート長（パターン幅）の縮小量を単位ｎｍで示す。
【００２７】
プラズマを点火してからの累計プラズマ・オン時間は３３７．５時間であった。ＢＡＲＣ層のエッチング時に発するＣＯ結合の発光をモニターし、モニター光強度が９０％に減少した時点をメインエッチングの終了とした。メインエッチングは１６．６３秒で終了した。
【００２８】
その後オーバーエッチングを行うとパターン幅がどのように変化するかを調べた。図で示すように、オーバーエッチング開始時には、孤立パターンＩＳＯの幅は、密集パターンＤＮＳの幅よりも大きく減少している。しかし、オーバーエッチングを行っていくと、その差は次第に減少し、やがて一致し、その後反転している。
【００２９】
従って、オーバーエッチングの時間長又はメインエッチング時間に対するオーバーエッチング時間の比を選択することにより、孤立パターンと密集パターンとのパターン幅（ゲート長）縮小量を同一の値に設定することも可能である。その時得られるパターン幅の縮小量（トリミング量）は、約４６ｎｍである。
【００３０】
図２（Ｂ）は、エッチングガスをＨｅ／ＳＯ2／Ｏ2＝６０／０８／２２の混合ガスに変更した場合を示す。メインエッチングＭＥは、１７．７６秒で終了した。プラズマを点火している累計時間は３５３．２時間であり、図２（Ａ）に示すプラズマオン時間３３７．５時間と大差はないので、エッチングチャンバ内の経時変化は、ほぼ無視できる。
【００３１】
オーバーエッチング開始時には、孤立パターンＩＳＯと密集パターンＤＮＳとのパターン幅の減少量の差は、図２（Ａ）の場合よりも大きくなっている。しかしながら、オーバーエッチングを続けていくと、図２（Ａ）同様、その差は次第に減少し、やがて一致し、その後反転する。孤立パターンと密集パターンとの幅減少量が一致する時の幅減少量は、約４３ｎｍであった。
【００３２】
このように、メインエッチング、オーバーエッチングを行うと、メインエッチングとオーバーエッチングとにおいては周辺状況が変化するため、密集パターンのパターン幅減少量に対する孤立パターンのパターン幅減少量の差は、オーバーエッチング開始時には正であるが、オーバーエッチングの進行と共に減少し、やがて負に反転する。途中でパターン幅減少量が一致する条件がある。
【００３３】
現像したレジストパターン幅が孤立パターンと密集パターンとで同一値であれば、オーバーエッチング時間を選択することにより最終的に同一幅の孤立パターンと密集パターンとを得ることが可能である。特に、ＳＲＡＭ部を含んだ混載ロジック回路のゲートパターン加工に適する。混合ガスの混合比を選択することによりパターン幅減少量を選択できるであろう。
【００３４】
現像したレジストパターンの孤立パターンと密集パターンとのパターン幅が異なる場合は、最終的に同一幅のマスクパターンを得るためには、孤立パターンと密集パターンとで異なるパターン幅減少量が望まれる。
【００３５】
オーバーエッチングの時間長と、混合ガス中の、Ｏ2＋ＳＯ2に対するＯ2ガス分率をパラメータとして種々変化させ、各パターン幅の減少量及び孤立パターンと密集パターンとの幅減少量の差を求めた。
【００３６】
図３（Ａ）は、オーバーエッチ時間とＯ2ガス分率とを変化させると、密集パターンのゲート長縮小量がどのように変化するかを調べた結果を示すグラフである。図中、左上の領域Ｌ１は、ゲート長縮小量が２０ｎｍから約２５ｎｍまでの領域である。右下の領域Ｌ８は、ゲート長縮小量が約５８ｎｍから６０ｎｍの領域である。領域Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７は、領域Ｌ１と領域Ｌ８との間に縞状に連続的に分布する領域であり、ゲート長縮小量は次第に大きくなる。
【００３７】
図から明らかなように、各領域はオーバーエッチ時間、ガス分率に対して広がりを有しており、同じ領域を選択することにより同一のゲート長縮小量が得られる。
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）同様、オーバーエッチ時間とＯ2ガス分率とをパラメータとし、孤立パターンと密集パターンとのゲート長縮小量の差を求めたグラフである。右端の領域Ｄ１は、密集パターンのゲート長縮小量の方が孤立パターニングのゲート長縮小量よりも３ｎｍ〜約１．５ｎｍ大きい領域である。
【００３８】
領域Ｄ１を囲む領域Ｄ２は、同様密集パターンのゲート長縮小量の方が孤立パターンのゲート長縮小量よりも大きいが、その差は約１．５ｎｍ〜約０.３ｎｍの領域である。
中央部に広く分布する領域Ｄ３は、ゲート長縮小量の差がほぼ０から孤立パターンのゲート長縮小量の方が密集パターンのゲート長縮小量よりも大きくなる領域である。領域Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８は、孤立パターンのゲート長縮小量の方が密集パターンのゲート幅減少よりも次第に大きくなる領域であり、左側に一部示される領域Ｄ８は、ゲート長縮小量の差が９ｎｍ近くになる領域である。
【００３９】
以下、レジストパターンの幅が孤立パターンと密集パターンとで異なる、モードＩの調整方法を説明する。例えば、作成したレジストパターンの幅が、孤立パターンにおいて８４ｎｍ、密集パターンにおいて８０ｎｍであり、共に幅４７ｎｍのポリシリコン層パターンを作成したいとする。トリミングすべき幅は、孤立パターンで３７ｎｍであり、密集パターンで３３ｎｍである。その差は４ｎｍである。
【００４０】
図３（Ｂ）において、孤立パターンのゲート幅減少が、密集パターンのゲート長縮小量よりも４ｎｍ大きい領域は、領域Ｄ５と領域Ｄ６のほぼ境界部分となる。この領域のオーバーエッチ時間とＯ2ガス分率とを用いれば、密集パターンのゲート長縮小量に対して約４ｎｍ大きい孤立パターンのゲート長縮小量を得られる。
【００４１】
図３（Ａ）において、密集パターンのゲート長縮小量３３ｎｍの領域を探すと、領域Ｌ３の中央よりも若干領域Ｌ４に近づいた部分となる。この領域のオーバーエッチ時間とＯ2ガス分率とを用いれば、密集パターンに対して希望の３３ｎｍのゲート長縮小量を得られる。
【００４２】
そこで、図３（Ａ）に示す密集パターンの所望ゲート長縮小量を満足する領域と、図３（Ｂ）に示す孤立パターンと密集パターンとのゲート長縮小量の差が所望値になる領域との重なりを求める。この重なり領域においては、孤立パターン、密集パターン共に所望のゲート長縮小量が得られる。複数の点で重なる場合には、例えば、生産効率を考えるならば、エッチ時間が短い方を選択すればよい。
【００４３】
オーバーエッチ時間とガス分率とを２つパラメータとし、両パラメータを変化させることにより、所望のエッチングを行える条件を見出すことができる。
次に、レジストパターンの孤立パターンと密集パターンとの幅が等しいモードＩＩの調整方法を説明する。図３（Ｂ）において、領域Ｄ３の中央よりも少し領域Ｄ２に近い領域において、孤立パターンと密集パターンとのゲート長縮小量の差はほぼ０となる。この条件でエッチングを行う場合、孤立パターンと密集パターンとに対し同一のゲート長縮小量が得られる。
【００４４】
すなわち、レジストパターンとして同一幅の孤立パターンと密集パターンとを形成し、孤立パターンと密集パターンとでゲート長縮小量が変化しない条件を用いることにより、所望のゲート幅を得ることができる。
【００４５】
図３（Ｂ）において、オーバーエッチ時間を８．８秒に設定する破線で示す条件を選ぶ。この場合、孤立パターンと密集パターンとに対し、ほぼ同一のゲート長縮小量が得られる。
【００４６】
図４は、上述の条件に従ってＯ2分率を変化させた幾つかの実験を行ない、フィッティングする直線を求め、所望のゲート長縮小量ｙに対するＯ2分率ｘの関係を示す最適レシピを求めた。図中四角で示すプロットが初めに実験で求めた結果を示すプロットであり、これらのプロットに対し最適近似する直線を求めた。その直線は、Ｏ2分率ｘに対し、ゲート長縮小量ｙが
ｙ＝０．５２１９ｘ＋４．１５３
で表わされる。
【００４７】
念の為に、ゲート長縮小量をいくつか選び対応するＯ2分率でエッチングを行い、得られたゲート長を調べた。図中○で示すプロットがこれらの測定結果を示す。サンプル１〜５の測定結果は、直線ｙのごく近傍に配置されており、この近似が適切であることを示している。上述の条件に従えれば、少なくともゲート長縮小量２１〜４６ｎｍに対し、誤差１ｎｍ以内でポリシリコンパターンを得ることができる。
【００４８】
モードＩＩの調整方法は、オーバーエッチ時間を固定しているため、選択されるのはＯ2分率のみであり、制御が簡単である。現像したレジストパターンの孤立パターンと密集パターンとの幅が異なってしまった場合には、モードＩＩは使えず、モードＩで調整する。
【００４９】
図５は、上述の実験結果から得られた知識に基づくエッチングシステムを示す。測長装置１は、例えば臨界寸法を測定する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）であり、レジストパターンのパターン幅を測定し、その結果を制御装置５にフィードフォワードする。エッチング装置２は、レジストパターン下の底面反射防止膜のエッチング及び底面反射防止膜下の酸化シリコンのハードマスク層、その下のポリシリコン層をエッチングするエッチング装置であり、混合ガスのガス分率を変化させることができ、エッチング時間を調整することができる。
【００５０】
図６は、エッチング装置の構成例を示す.ガス流路２１，２２，２３は、それぞれＨｅ，ＳＯ2，Ｏ2ガスの流路であり、マスフローコントローラＭＦＣ１，ＭＦＣ２，ＭＦＣ３を含む。他のガス（例えば、シリコン酸化膜、ポリシリコン膜のエッチング用にＨＢｒ、Ｃｌ2、ＣＦ4等）のための同様の構成の任意数のガス流路も備える。エッチングチャンバ２６は、陽極酸化したアルミニウム製であり、例えば直径５００ｍｍ、高さ２３０ｍｍである。アルミニウムチャンバの上部は石英カバー２７で封じられ、その上に１辺１２．５ｍｍの矩形断面のヘリカルコイル２８が外径３３０ｍｍで３．５巻されている。
【００５１】
コイル２８には、高周波電源２９から例えば周波数２７ＭＨｚの高周波電力が供給される。高周波電源２９は、高周波電力源ＨＦ，可変キャパシタＶＣ１，ＶＣ３、キャパシタＣ２，Ｃ４を含み、自動的にインピーダンス整合を行なう。
【００５２】
流路２１、２２、２３は、流路２４に合流され、石英カバー２７中の貫通孔２６を通って、エッチングチャンバ中にエッチングガスを供給する。エッチングチャンバは排気管３３、バルブ３４を介してターボ分子ポンプ３５、ドライポンプ３６に接続されている。
【００５３】
エッチングチャンバ２６底面にはサセプタ３１が配置され、加工対象（ウエハ）を載置する。サセプタ３１には、バイアス高周波電源４１が接続されている。バイアス高周波電源４１は、相対的に低周波の２ＭＨｚ高周波電力源ＬＦ、可変キャパシタＶＣ５、ＶＣ６，インダクタンスＬ１，Ｌ２を含み、自動的にインピーダンス整合する。
【００５４】
エッチングチャンバ２６内の真空度はマノメータ３８でモニタされ、測定結果は制御回路４０に送られる。制御回路４０は、高周波電源２９，４１、マスフローコントローラＭＦＣ１，ＭＦＣ２，ＭＦＣ３，バルブ３４等へ制御信号を供給する。
【００５５】
図５に戻って、測長装置３は、測長装置１と同様の微細寸法を測定できるＳＥＭであり、測長装置１と兼用することができる。測長装置３は、エッチング後のポリシリコンパターンのパターン幅を測定し、制御装置５にその結果をフィードバックする。
【００５６】
エッチングすべきウエハは、まず測長装置１でテストエレメントグループ内のレジストパターンのパターン幅を測長される。測長装置１は測定結果を制御装置５にフィードフォワードする。制御装置５は、測長装置１からレジストパターン幅を受け、予め設定されているパターン幅を実現するには、どのような条件でエッチングを行えば良いかを決定し、エッチング条件をエッチング装置２の制御回路４０に供給する。
【００５７】
モードＩにおいては、オーバーエッチ時間とガス分率をともに変数とし、所望のエッチングを達成できるオーバーエッチ時間とガス分率を決定する。モードＩＩにおいては、オーバーエッチ時間は固定であり、所望のエッチングを実現できるガス分率を決定する。
【００５８】
エッチング装置２は、供給されたエッチング条件でエッチングを行なう。測長装置３は、エッチング後のポリシリコンパターンの幅を測定し、制御装置５にフィードバックする。長期の使用によってエッチング装置の条件に変化が生じ、所望のゲート幅からズレが生じた場合は、エッチング後のパターン幅の測定結果に基づき、制御装置５はデータを修正する。その後のエッチングに対しては、修正されたデータに基づきエッチング条件が決定されるため、所望の結果が得られるようになる。
【００５９】
なお、孤立パターンの幅と密集パターンの幅の差が大きすぎると上述の制御がうまく働かなくなる。この場合、孤立パターンと密集パターンの一方のみの幅を調整できれば、その後の制御が容易になる。
【００６０】
図７は、Ｈｅガス４０ｍｔｏｒｒでレジストパターンを処理した時のレジストパターン幅の変化を示す。孤立パターンＩＳＯの幅減少量はほとんど変化しないが、密集パターンＤＮＳの幅減少量はプロセス時間と共に増大している。前記調整と、図７に示すような一方のレジストパターンの幅調整を組み合わせることにより、孤立パターン幅と密集パターン幅の差を制御容易な範囲内に導入し、所望の調整を行なうことが可能となる。
【００６１】
以上、主としてＯ２分率（＝[Ｏ２]／（[ＳＯ２]＋[Ｏ２]）、ここで[]は流量を示す）とオーバーエッチング時間を制御変数とする場合を説明した。エッチングガスは、主としてエッチングを促進するＯ２ガスと、主としてエッチングを抑制するＳＯ２ガスの他、加工対象と化学変化を起こさない不活性ガスであるＨｅを含む。Ｈｅの希釈率(＝[Ｈｅ]／[総流量]）は一定の場合を説明したが、Ｈｅの希釈率を制御変数とすることも可能である。そこで、Ｈｅの希釈率を変化させた時、ゲート幅の減少量にどのような変化が生じるかを調べた。
【００６２】
図８（Ａ），（Ｂ）は、実験の条件と結果を示す表とグラフである。図８(Ａ)は、実験条件を示す。エッチングガスをＨｅ＋ＳＯ２＋Ｏ２とし、Ｈｅ希釈率を３４％、４６％、５７％、８０％の４つの値に変化させた。総流量を８７ｓｃｃｍで一定とし、ＳＯ２分率は２６％で一定とした。なお、以下、Ｏ２分率に代え、ＳＯ２分率を用いて説明する。プラズマ処理室内の圧力は５ｍｔｏｒｒ、プラズマ発生用高周波電力は３００Ｗ、バイアス電圧は１００Ｖｐｐである。孤立パターンおよび密集パターンのゲート長の減少量と電子温度を測定した。電子温度は、Ｈｅ原子からの波長７０６ｎｍの発光ピーク強度と波長７２８ｎｍの発光ピーク強度との強度比から見積もった。
【００６３】
図８（Ｂ）は実験結果を示すグラフである。横軸はＨｅ希釈率を％で示し、縦軸はゲート長縮小量の粗密差を単位ｎｍで、電子温度Ｔｅを波長７０６ｎｍのＨｅ発光ピーク強度Ｉ（７０６ｎｍ）の波長７２８ｎｍのＨｅ発光ピーク強度Ｉ（７２８ｎｍ）に対する相対値で示す。Ｈｅ希釈率の増加と共に、ゲート長縮小量の粗密差がほぼリニアに増加しているのが判る。また、電子温度も、Ｈｅ希釈率と共にほぼリニアに増加している。Ｈｅ希釈率がエッチング制御の好適な変数となる可能性が示されている。また、Ｈｅ希釈率の代わりに、電子温度を用いることも可能であろう。例えば、圧力変化により同様の変化を期待できる。
【００６４】
図３（Ａ）は、トリミング量がＯ２分率とオーバーエッチ時間の関数として制御できることを示しているが、トリミング量の変化は、オーバーエッチ時間に対してはやや複雑な態様を示している。エッチングガスに混合されるＨｅ、Ｎｅ等の不活性ガスの希釈率を変化させることにより、エッチングのトリミング量を制御できることが判明したので、その詳細をさらに調査した。
【００６５】
図９は、実験を行なったサンプルの構成を概略的に示す表である。Ｈｅ希釈率は、５０、６０、７０、８０、９０（％）の５値に変化させ、ＳＯ２分率を１５．４７、２０．６２、２５．３２、２９．７２、３４．９１（％）の５値に変化させた。これら２５種類のサンプルを、表に示すようにＳ１１…Ｓ１５、…、Ｓ５１…Ｓ５５とし、Ｈｅ希釈率一定で、ＳＯ２分率を変化させたサンプル群をＶＦ１、ＶＦ２、ＶＦ３、ＶＦ４、ＶＦ５で示す。又、ＳＯ２分率一定で、Ｈｅ希釈率を変化させたサンプル群を、ＶＤ１、ＶＤ２、ＶＤ３、ＶＤ４、ＶＤ５で付す。なお、全サンプルに対し、エッチングガスの総流量は１３０．５ｓｃｃｍに固定し、オーバーエッチ時間は５０％に固定した。各サンプルは、孤立パターンと密集パターンとを有する。
【００６６】
図１０は、孤立パターンのゲート長縮小量ｙ（ＩＳＯ）が、ＳＯ２分率Ｘに対しどのように変化するかを調べた結果を示すグラフである。横軸はＳＯ２分率Ｘを単位％で示し、縦軸はゲート長縮小量を単位ｎｍで示す。サンプル群ＶＦ１に対応する測定結果が菱形のプロットで示され、これらの測定点を近似する直線がｖｆ１で示されている。同様、サンプル群ＶＦ２に対する測定結果△が直線ｖｆ２で近似され、サンプル群ＶＦ３に対する測定結果×が直線ｖｆ３で近似され、サンプル群ＶＦ４に対する測定結果＋が直線ｖｆ４で近似され、サンプル群ＶＦ５に対する測定結果−が直線ｖｆ５で近似されている。全サンプル群において、ＳＯ２分率Ｘを増加させていくと、ゲート長縮小量はほぼリニアに減少し、その傾きはほぼ等しい。但し、特性ｖｆ１〜ｖｆ４はほぼ規則的に変化しているが、特性ｖｆ５は飽和している。なお、グラフ中に各特性の近似直線の数式を併せて示す。
【００６７】
図１１は、密集パターンに対するゲート長縮小量ｙ（ＤＮＳ）の測定結果を示すグラフである。全サンプル群において、ＳＯ２分率Ｘを増加させていくと、ゲート長縮小量はほぼリニアに減少している。サンプル群ＶＦ１〜ＶＦ４に対する測定結果ｖｆ１〜ｖｆ４までは比較的規則的な変化を示しているが、サンプル群ＶＦ５に対する特性ｖｆ５は飽和している。ＳＯ２分率Ｘの増加に対するゲート長縮小量ｙ（ＤＮＳ）の減少の傾きは孤立パターンの場合よりも緩やかであり、希釈率の変化に対する変化量も小さい。図１０同様、特性ｖｆ１〜ｖｆ５の近似直線の数式をグラフ中に併せて示している。
【００６８】
なお、  図４においては、Ｏ２分率の増加と共にトリミング量はほぼリニアに増加した。図１０，１１は、Ｏ２分率の代わりにＳＯ２分率を用いているので変化の傾きは逆方向である。
【００６９】
図１２は、孤立パターンのゲート長縮小量ｙ（ＩＳＯ）をＨｅ希釈率Ｚの関数として示すグラフである。横軸はＨｅ希釈率Ｚを単位％で示し、縦軸は孤立パターンのゲート長縮小量ｙ（ＩＳＯ）を単位ｎｍで示す。特性ｖｄ１〜ｖｄ５は、サンプル群ＶＤ１〜ＶＤ５に対応する。Ｈｅ希釈率Ｚ＝９０％においては、特性に変化が生じているようである。Ｈｅ希釈率Ｚ＝５０〜８０％、特に６０〜８０％の範囲においては、規則的な特性が示されている。
【００７０】
図１３は、Ｈｅ希釈率Ｚの変化に対する密集パターンのゲート長縮小量ｙ（ＤＮＳ）の変化を示すグラフである。図１２同様、Ｈｅ希釈率Ｚ＝９０％では特性が変化しているようである。Ｚ＝５０〜８０％、特に６０〜８０％においては規則的な特性が観察される。
【００７１】
図１０‐図１３に示すように、ＳＯ２分率Ｘと、Ｈｅ希釈率Ｚとを制御することにより、孤立パターン、密集パターンでそれぞれ所望のゲート長縮小量を得ることが可能であろう。以下、所望のゲート長縮小量を得る手順をより詳細に説明する。
【００７２】
図１４（Ａ）は、ＳＯ２分率Ｘの制御によるゲート長縮小量の特性をまとめた表である。ＩＳＯの欄は、孤立パターンのゲート長縮小量のＳＯ２分率Ｘに対する傾きを示し、ＤＮＳの欄は密集パターンのＳＯ２分率Ｘに対する傾きを示す。傾きの値は５群のサンプル群で近接した値であり、平均値は孤立パターンに対して０．７４１、密集パターンに対して０．６２３である。この平均値を用いると、全サンプルを同一の式で処理することが可能となる。
【００７３】
図１４（Ｂ）は、Ｈｅ希釈率に対するゲート長縮小量の傾きをまとめて示す表である。ＩＳＯの欄は、孤立パターンに対するゲート長縮小量の傾きを示し、ＤＮＳの欄は密集パターンのＨｅ希薄率に対するゲート長縮小量の傾きを示す。これらの値も全サンプル群が近接した値を示しており、平均値は０．２０１、０．１３５である。
【００７４】
図１４（Ｃ）は、ゲート長縮小量ｙをＳＯ２分率Ｘ及びＨｅ希釈率Ｚの関数として示した時定数項となる項の値がどのようになるかを示す。定数項無しの式を用い、実データとの誤差を求めた時、孤立パターンの誤差は３８．１０が最小値となり、密集パターンの誤差は４５．６３が最小値となる。従って、これらの値を定数項として採用することができる。
【００７５】
図１４（Ｄ）は、このようにして求めた孤立パターンのゲート長縮小量ｙ（ＩＳＯ）と密集パターンのゲート長縮小量ｙ（ＤＮＳ）をＳＯ２分率Ｘ、Ｈｅ希釈率Ｚの関数として示す式を表わす。
【００７６】
ｙ（ＩＳＯ）＝−０．７４１Ｘ＋０．２０１Ｚ＋４５．６３      （１）
ｙ（ＤＮＳ）＝−０．６２３Ｘ＋０．１３５Ｚ＋３８．１０      （２）
である。
【００７７】
所望の孤立パターン幅減少量ｙ（ＩＳＯ）、密集パターン幅減少量ｙ（ＤＮＳ）を与えると、２つの２元方程式が成立する。これらの連立方程式を解けば、変数Ｘ，Ｚに対する解が得られる。
【００７８】
図１５（Ａ）は、上述の孤立パターンのゲート長縮小量ｙ（ＩＳＯ）の式（１）を階段状に表現した立体グラフである。ゲート長縮小量は、ＳＯ２分率Ｘの増加と共にリニアに減少し、Ｈｅ希釈率Ｚの増加と共にリニアに増加する。
【００７９】
図１５（Ｂ）は、ゲート長縮小量を単一の式（１）  ｙ（ＩＳＯ）＝−０．７４１Ｘ＋０．２０１Ｚ＋４５．６３で示した時実際のゲート長縮小量との間に生じる誤差δｙ（ＩＳＯ）をＳＯ２分率Ｘ及びＨｅ希釈率Ｚと対応させて示す立体グラフである。
【００８０】
図１５（Ｃ）は、誤差を表にまとめたものである。
図１６（Ａ）は、図１５（Ａ）同様密集パターンのゲート長縮小量ｙ（ＤＮＳ）をＳＯ２分率Ｘ及びＨｅ希釈率Ｚの関数として示す立体グラフである。ゲート長縮小量は、ＳＯ２分率Ｘの増加と共にリニアに減少し、Ｈｅ希釈率Ｚの増加と共にリニアに増加する。但し、変化率は孤立パターンの場合より緩やかである。
【００８１】
図１６（Ｂ）は、図１５（Ｂ）同様、単一の式（２）  ｙ（ＤＮＳ）＝−０．６２３Ｘ＋０．１３５Ｚ＋３８．１０を用いた時のゲート長縮小量の誤差δｙ（ＤＮＳ）をＳＯ２分率Ｘ及びＨｅ希釈率の関数として示す立体グラフである。
【００８２】
図１６（Ｃ）は、図１６（Ｂ）の誤差を表にして示す。
孤立パターン、密集パターンのゲート長縮小量をそれぞれ単一の１次式で近似すれば、所望のゲート長縮小量を得るため、ＳＯ２分率Ｘ、Ｈｅ希釈率Ｚをどのように選択すべきかが解析的に容易に求められる。所望の孤立パターンゲート長縮小量ｙ（ＩＳＯ）及び密集パターンゲート長縮小量ｙ（ＤＮＳ）を用い、図１４（Ｄ）に示す連立方程式を解くことにより、所望のゲート長縮小量を実現するためのＳＯ２分率Ｘ及びＨｅ希釈率Ｚを求めることができる。但し、単一の１次式で近似すると、図１５（Ｂ）、（Ｃ）、図１６（Ｂ），（Ｃ）に示すように誤差も生じる。一旦解析的にＸ、Ｚを求めた後、実データとの誤差を参酌し、得られた解をさらに修正することも可能である。
【００８３】
孤立パターン、密集パターンのそれぞれのゲート長縮小量よりも、これらのゲート長縮小量の粗密差とどちらか一方のゲート長縮小量を用いる方が便利な場合もある。
図１７（Ａ）は、図１５（Ａ）の値から図１６（Ａ）の値を差引いて求めた、ゲート長縮小量の疎密差Δｙ（ＩＳＯ−ｔｏ−ＤＮＳ）のＳＯ２分率Ｘ及びＨｅ希釈率Ｚに対する変化を階段的に示す立体グラフである。図中に示した破線Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれゲート長縮小量の疎密差が１０ｎｍ、９ｎｍ、８ｎｍの直線である。例えば破線Ｂの特性は、
Ｚ＝１．５４３２１Ｘ＋２６．１２６５      （３）
で表わせる。他のゲート長縮小量の疎密差に対しても同様のＸとＺの関係式が得られる。この関係式を式（１）か（２）に代入すれば、ＸかＺが得られる。式（３）に結果を代入すれば、残りのＺかＸが得られる。
【００８４】
図１８は、ゲート長縮小量の疎密差を９ｎｍとした時、所望の密集パターンのゲート長縮小量を得るために用いられるＳＯ２分率とＨｅ希釈率を示すレシピ表である。
このように、ゲート長縮小量の疎密差を定め、このゲート長縮小量の疎密差に対応するＨｅ希釈率ＺとＳＯ２分率Ｘの関係式及び孤立パターン又は密集パターンのゲート長縮小量とＳＯ２分率Ｘ、Ｈｅ希釈率Ｚの関係式とを用い、所望のゲート長縮小量を実現するＳＯ２分率Ｘ及びＨｅ希釈率Ｚを求めることもできる。一旦、ＸとＺとを求めた後、誤差を考慮して修正を行えることは、上述の場合同様である。加工対象層と化学変化を生じないガスとして、Ｈｅの他Ｎｅ等の他の不活性ガスを用いることも可能であろう。
【００８５】
図１９は、上述の制御方法を用いる場合のエッチングシステムの構成を示すブロック図である。測定装置１、３、エッチング装置２は図５に示す構成と同様である。制御装置５は、所望の孤立パターンのゲート長縮小量ｙ（ＩＳＯ）、所望の密集パターンのゲート長縮小量ｙ（ＤＮＳ）、所望のゲート長縮小量の疎密差Δｙの内の２つから、これらのゲート長縮小量を実現するためのＳＯ２分率Ｘ、Ｈｅ希釈率Ｚを上述のいずれかの方法によって求め、その結果に基づいてエッチング装置２を制御する。その他の点は図５に示したエッチングシステムと同様である。
【００８６】
半導体集積回路装置のレイアウトは品種によって異なる。レイアウトが大きく異なると、ＳＯ２分率やＨｅ希釈率の変化に対するゲート縮小量の変化の傾きも異なる。所望の調整範囲を確保するためには、他のパラメータを用い、調整範囲を調整できることが望まれる場合もある。エッチングにおけるパラメータとして、ＳＯ２分率（Ｏ２分率）、不活性ガス希釈率の他、オーバーエッチ時間や全ガス流量を用いることが可能である。
【００８７】
図２０（Ａ）は、オーバーエッチ時間を変化させた時、Ｈｅ希釈率に対する孤立パターニングのゲート長縮小量ｙ（ＩＳＯ）がどのように変化するかを示すグラフである。オーバーエッチ時間を増大すると、ゲート長縮小量は全体として増加する傾向を示している。なお、全ガス流量ＴＦは２１６ｓｃｃｍ、ＳＯ２分率は２５．３％に固定している。
【００８８】
図２０（Ｂ）は、オーバーエッチ時間を変化させた時、Ｈｅ希釈率の変化に対する密集パターンのゲート長縮小量ｙ（ＤＮＳ）の変化を示すグラフである。オーバーエッチ時間の増大と共に、ゲート長縮小量は増大する傾向を示している。しかしながら、変化は極めて規則的とは言い難い。
【００８９】
図２０（Ｃ）は、オーバーエッチ時間の変化に対し、Ｈｅ希釈率の変化に対するゲート長縮小量差Δｙがどのように変化するかを示すグラフである。オーバーエッチ時間が３０〜５０％の範囲においては、オーバーエッチ時間の増加と共にゲート長縮小量の疎密差も増加する傾向を示している。しかしながら、オーバーエッチ時間が６０％となると、Ｈｅ希釈率に対する傾きが失われてしまっている。
【００９０】
図２０（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、オーバーエッチ時間を変化させることにより、エッチングの態様を変化させることができる。但し、調整範囲は限定して行うのが好ましいであろう。好適な調整範囲を越えて変化させると、予期せぬ現象が生じる可能性もある。
【００９１】
図２１（Ａ）は、全ガス流量を変化させた時、孤立パターンのゲート長縮小量ｙ（ＩＳＯ）がＨｅ希釈率に対しどのように変化するかを示すグラフである。全ガス流量を増大させると、孤立パターンのゲート長縮小量ｙ（ＩＳＯ）は減少する傾向を示している。
【００９２】
図２１（Ｂ）は、同様全ガス流量を増大させた時、密集パターンのゲート長縮小量ｙ（ＤＮＳ）がＨｅ希釈率に対しどのように変化するかを示すグラフである。全ガス流量を増大させると、密集パターンのゲート長縮小量ｙ（ＤＮＳ）は減少する傾向を示している。密集パターンのゲート長縮小量の変化は、孤立パターンのゲート長縮小量の変化よりも小さく、極めて規則的ということはできない。特に、全ガス流量を２１６ｓｃｃｍとした時の変化は全流量１７４ｓｃｃｍよりも大となっている。
【００９３】
図２１（Ｃ）は、孤立パターンと密集パターンのゲート長縮小量の疎密差ΔｙのＨｅ希釈率に対する変化が全ガス流量の変化によりどのように変化するかを示すグラフである。全ガス流量を増加させると、ゲート長縮小量の疎密差は減少する傾向を示している。
【００９４】
図２０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）、図２１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、オーバーエッチ時間及び全ガス流量の少なくとも一方を補助的パラメータとして採用し、調整範囲を変化させる等に用いることが可能である。
【００９５】
エッチング装置のエッチング性能は、エッチング時間の経過と共に変化する傾向がある。又、対象とする半導体集積回路の品種が変わると、エッチング特性も変化する場合がある。これらの変化に対応するパイロットウエハを採用したエッチングを以下に説明する。
【００９６】
図２２は、パイロットウエハを用いたエッチング処理方法のフローチャートである。ステップＳ１１において、レジストパターンを形成した１群のウエハ（ロット）のパターン幅を側長ＳＥＭで前もって測定する。これらのレジストパターン幅に対し、所望のパターン幅を実現するための最適レシピ１を選択する。次のステップＳ１２において、ロットをパイロットウエハとその他のウエハに分割する。次のステップＳ１３において、パイロットウエハに対し、選択した最適レシピ１でエッチングを行う。
【００９７】
次のステップＳ１４において、エッチング終了したパイロットウエハのレジストを灰化処理し、洗浄処理して実際に得られたパターンを露出させる。
ステップＳ１５において、得られたパターンの幅を側長ＳＥＭで測定する。所望のパターン幅との間に差がある場合、この差を解消するにはどのように最適レシピを修正すればよいかを調査し、修正した最適レシピ２を得る。ステップＳ１６においては、残りのウエハに対し、修正した最適レシピ２でエッチングを行う。
【００９８】
ステップＳ１７においてエッチング終了後のレジストを灰化処理し、ウエハ全面を洗浄処理する。ステップＳ１８においては、得られたパターン幅を側長ＳＥＭで測定し、制御装置にフィードバックする。
【００９９】
パイロットウエハを用いて予め結果を調べることにより、最初に選択した最適レシピ１が不適格な場合、修正を行なった後、残りのウエハを処理することが可能となる。
図２３（Ａ）は、パイロットウエハを用いないでエッチングを行った場合の特性例を示す。横軸は経過日数を示し、Ａ’Ａ”、Ｄ’は半導体集積回路のレイアウトの種類を示す。レイアウトＡ’とレイアウトＡ”は似たレイアウトであり、レイアウトＤ’はレイアウトＡ’、Ａ”とは大きく異なるレイアウトである。縦軸はゲート長縮小量のモデル式からのずれであり、レイアウトＡ’については破線の位置が標準的な値である。
【０１００】
レイアウトが大きく異なる品種Ｄ’のエッチングが混在すると、レイアウトＡ’のゲート長縮小量の疎密差が大きく変化することが認められる。Ｄ’のエッチングを行わなくなったグラフ後半においては、乱れは次第に集束し、一定の値を示すようになる。このように、処理するウエハのレイアウトが変化する場合、エッチング結果に大きな乱れが生じることがある。又、長期の使用においてはエッチング特性が次第にドリフトすることもある。パイロットウエハ方式は、これらの変化に対処することが可能である。
【０１０１】
図２３（Ｂ）は、パイロットウエハをエッチングした後、続いてロットをエッチングした場合の結果を示す。パイロットウエハの値と、ロット平均値との差をグラフ中下に示す。ロット平均値とパイロットウエハとの差は狭い範囲内に収まっている。従って、パイロットウエハで結果を求め、その結果を取り込んで修正を行えば、ロット平均値を所望の範囲内に収めることが可能となる。
【０１０２】
なお、ロット平均値とパイロットウエハとの差は約１ｎｍの値を示している。この値を１枚目効果と呼ぶ。多数枚のウエハを処理すると次第に結果がドリフトする傾向を示す。パイロットウエハの結果をフィードバックしてロットのエッチング条件を定める際、１枚目効果を取り入れることが好ましい。
【０１０３】
全ロット対してパイロットウエハを採用してもよいが、同品種、又は類似の品種が続く場合、全ロットでパイロットウエハを採用する必要は稀であろう。エッチング処理後、得られた結果が所望の値から１ｎｍ以上分離した場合パイロットウエハを採用することが望ましい。レイアウトが大きく異なる品種をエッチング処理する場合には、パイロットウエハを採用することが望ましい。  パイロットウエハは１枚に限らない。複数枚のパイロットウエハを用いてもよい。ロットの中間にパイロットウエハを挿入することも可能である。レジストパターンの側長は、全ウエハに対して行わなくてもよい。パイロットウエハ及び残りのウエハの一部のものに対して側長を行い、データのフィードフォワード、フィードバックを行ってもよい。  以上、実施例に基づき本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、エッチングガスはＨｅ／ＳＯ2／Ｏ2の混合ガスに限らない。同様の性質を持つ他の混合ガスを用いてもよい。その他種々の変更、改良、組合せが可能なことは、当業者に自明であろう。
【０１０４】
以下、本発明の特徴を付記する。
（付記１）（１）  （ａ）加工対象層を有する半導体基板を準備する工程と、
（ｂ）前記加工対象層上方にレジスト層を形成する工程と、
（ｃ）前記レジスト層を露光現像し、孤立パターンと密集パターンとを含むレジストパターンを形成する工程と、
（ｄ）前記レジストパターンの孤立パターンと密集パターンの各々について、幅をモニタし、縮小すべき幅のトリミング量を決定する工程と、
（ｅ）主としてエッチングを促進する機能を有する第１のガスと、主としてエッチングを抑制する機能を有する第２のガスとを含む混合ガスを用い、孤立パターンと密集パターンとで共に前記トリミング量を実現するエッチング条件を決定する工程と、
（ｆ）前記レジストパターンのトリミングを前記決定したエッチング条件で行なう工程と、
（ｇ）トリミングされた前記レジストパターンを用いて、前記加工対象層をエッチングする工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【０１０５】
（付記２）（２）  前記工程（ｅ）のエッチング条件は、エッチングの時間長と混合ガスの混合比との少なくとも１つを変数とする付記１記載の半導体装置の製造方法。
（付記３）  前記工程（ｂ）がＢＡＲＣ層とレジスト層とを積層し、前記工程（ｅ）が前記ＢＡＲＣ層をメインエッチングした後、オーバーエッチングすると共に前記レジストパターンをトリミングするエッチング条件を決定し、前記工程（ｆ）が前記ＢＡＲＣ層をエッチングすると共に前記レジスト層をトリミングする付記１または２記載の半導体装置の製造方法。
【０１０６】
（付記４）  前記主としてエッチングを促進する機能を有するガスがＯ2ガスであり、前記主としてエッチングを抑制する機能を有するガスがＳＯ2ガスである付記３記載の半導体装置の製造方法。
【０１０７】
（付記５）  前記工程（ｅ）のエッチング条件は、一定のオーバーエッチング時間で、孤立パターンと密集パターンとで実質的にトリミング量が等しくなるガス分率である付記３又は４記載の半導体装置の製造方法。
【０１０８】
（付記６）  前記加工対象層が、ゲート電極形成用ポリシリコン層である付記１〜６のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）  前記加工対象層が、さらに前記ポリシリコン層の上に配置されたハードマスク層を含む付記６記載の半導体装置の製造方法。
【０１０９】
（付記８）（４）  前記工程（ｃ）がパターン幅の異なる孤立パターンと密集パターンとを形成し、前記工程（ｄ）が、孤立パターンと密集パターンとに対して異なるトリミング量を決定し、前記工程（ｅ）が孤立パターンと密集パターンの一方のパターン幅をほぼ変化させず、他方のパターン幅を実質的に減少させる補助的エッチングのエッチング条件も決定し、さらに、
（ｈ）前記レジストパターンに対して補助的エッチングを行なう工程、
を含む付記１〜７のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
【０１１０】
（付記９）  前記工程（ｈ）は、Ｈｅ雰囲気で行われる付記８記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）（５）  前記混合ガスは、さらに加工対象層と化学変化を生じない第３のガスを含む付記１〜９のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
【０１１１】
（付記１１）（６）  前記工程（ｅ）のエッチング条件は、エッチングの時間長、前記第１のガスと前記第２のガスとの混合比である第１の混合比、前記第３のガスと前記第１、第２のガスの混合比である第２の混合比、前記混合ガスの合計流量の少なくとも１つを変数とする付記１０記載の半導体装置の製造方法。
【０１１２】
（付記１２）（７）  前記工程（ｅ）が、前記第１の混合比、前記第２の混合比をパラメータとして、孤立パターンと密集パターンとで共に前記トリミング量を実現するエッチング条件を決定する付記１１記載の半導体装置の製造方法。
【０１１３】
（付記１３）  前記工程（ｅ）が、前記第１の混合比、前記第２の混合比に対して孤立パターンのトリミング量、密集パターンのトリミング量が１次関数で表される近似式を用いる付記１２記載の半導体装置の製造方法。
【０１１４】
（付記１４）  前記工程（ｅ）が、さらに１次関数の近似式を用いることによる誤差を考慮した補正を行なう付記１３記載の半導体装置の製造方法。
（付記１５）（８）  前記工程（ｅ）が、複数の半導体基板の一部に対して、第１のエッチング条件でエッチング処理を行い、そのトリミング量を測定し、測定結果を取り入れて前記第１のエッチング条件を修正し、前記トリミング量を実現する第２のエッチング条件を決定する付記１〜１４のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。    （付記１６）（９）  パターン幅を測定できる測定装置と、
レジストパターンに対して、主としてエッチングを促進する機能を有するガスと、主としてエッチングを抑制する機能を有するガスとを含む混合ガスを用いて、レジストパターンのトリミングを行い、その後レジストパターン下方の加工対象層に対してエッチングを行なうことのできるエッチング装置と、
前記混合ガスを用いたエッチングにおいて、レジストパターンの孤立パターン幅と密集パターン幅とがそれぞれエッチング後の加工対象層の孤立パターン幅と密集パターン幅とに、エッチング条件に応じてどのように関連付けられるかを示すデータと、与えられたレジストパターンの孤立パターン幅と密集パターン幅とに対して所望のトリミング量を実現することのできるエッチング条件とを蓄積した制御装置と、
を有し、前記測定装置がレジストパターンのパターン幅を測定し、結果を前記制御装置に伝達するフィードフォワード系を有し、前記制御装置が伝達されたレジストパターン幅に基づいて、エッチング条件を決定し、前記エッチング装置を制御するエッチングシステム。
【０１１５】
（付記１７）  前記制御装置の決定するエッチング条件は、第１のモードでは孤立パターンと密集パターンとに対し、異なるトリミング量を実現するオーバーエッチング時間と混合ガスの混合比とであり、第２のモードでは孤立パターンと密集パターンとに対し、実質的に同じトリミング量を実現する混合ガスの混合比である付記１６記載のエッチングシステム。
【０１１６】
（付記１８）  前記制御装置の決定するエッチング条件は、さらに実質的に孤立パターンと密集パターンとの一方のみに対し、トリミングを実現するエッチングの条件を含む付記１７記載のエッチングシステム。
【０１１７】
（付記１９）  前記測定装置がエッチング終了後のパターン幅を測定し、前記制御装置に伝達するフィードバック系を有し、前記制御装置はフィードバックされた値に基づき、データを修正する付記１６〜１８のいずれか１項に記載のエッチングシステム。
【０１１８】
（付記２０）（１０）  さらに、前記測定装置が、エッチング後の加工対象層のパターン幅を測定し、結果を前記制御装置に伝達するフィードバック系を有し、前記制御装置がパイロットウエハのレジストパターン幅とエッチング後のパイロットウエハの加工対象層のパターン幅からトリミング量を演算し、演算結果を前記データと比較して変化量を演算し、前記エッチング条件と前記変化量とを用いて補正したエッチング条件を決定し、前記エッチング装置を制御する付記１６〜１９のいずれか１項記載のエッチングシステム。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】実験サンプルの製作工程を示す平面図、断面図である。
【図２】実験結果を示すグラフである。
【図３】実験結果を示す分布図である。
【図４】モードＩＩの制御式を示すグラフである。
【図５】エッチングシステムの構成を示すブロック図である。
【図６】エッチング装置の構成例を示すブロック図である。
【図７】他の制御方法を示すグラフである。
【図８】不活性ガス希釈率を変化させたときのゲート長縮小量の変化の実験を示す表およびグラフである。
【図９】サンプルの構成を示す表である。
【図１０】孤立パターンに対する、ＳＯ２分率の変化に対するゲート長縮小量の実験結果を示すグラフである。
【図１１】密集パターンに対する、ＳＯ２分率の変化に対するゲート長縮小量の実験結果を示すグラフである。
【図１２】孤立パターンに対する、Ｈｅ希釈率の変化に対するゲート長縮小量の実験結果を示すグラフである。
【図１３】密集パターンに対する、Ｈｅ希釈率の変化に対するゲート長縮小量の実験結果を示すグラフである。
【図１４】図１０−１３の実験結果を数式化する手順を示す表、グラフ、数式である。
【図１５】孤立パターンのゲート長縮小量の、ＳＯ２分率Ｘ，Ｈｅ希釈率Ｚに対する関係を示す立体グラフおよび表である。
【図１６】密集パターンのゲート長縮小量の、ＳＯ２分率Ｘ，Ｈｅ希釈率Ｚに対する関係を示す立体グラフおよび表である。
【図１７】ゲート長縮小量の粗密差の、ＳＯ２分率Ｘ，Ｈｅ希釈率Ｚに対する関係を示す立体グラフおよび表である。
【図１８】ゲート長縮小量の粗密差と密集パターンのゲート長縮小量からＳＯ２分率Ｘ，Ｈｅ希釈率Ｚを求めるレシピの例を示す表である。
【図１９】エッチングシステムの他の構成を示すブロック図である。
【図２０】オーバーエッチ時間の変化による、ゲート長縮小量の変化の実験結果を示すグラフである。
【図２１】全ガス流量変化による、ゲート長縮小量の変化の実験結果を示すグラフである。
【図２２】パイロットウエハを用いたエッチング処理のフローチャートである。
【図２３】パイロットウエハを用いない場合とパイロットウエハを用いた場合のエッチング処理の実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２０】
ＩＳＯ      孤立パターン
ＤＮＳ      密集パターン
１１      シリコン基板
１２      ゲート絶縁膜
１３      ゲート電極（ポリシリコン）層
１４      酸化シリコン（ハードマスク）層
１８      ＢＡＲＣ層
１９      レジスト層
ｄ１      レジストパターンの幅
ｄ２      ポリシリコンパターンの幅
Ｄ，Ｌ      （同一のエッチング特性の）領域
１、３      測長装置
２      エッチング装置
５      制御装置
ｙ      ゲート長縮小量
ｘ      Ｏ２分率
Ｘ      ＳＯ２分率
Ｚ      Ｈｅ希釈率
【図１】
2005045214.tif 000003
【図２】
2005045214.tif 000004
【図４】
2005045214.tif 000005
【図５】
2005045214.tif 000006
【図６】
2005045214.tif 000007
【図７】
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【図８】
2005045214.tif 000009
【図９】
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【図１０】
2005045214.tif 000011
【図１１】
2005045214.tif 000012
【図１２】
2005045214.tif 000013
【図１３】
2005045214.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2005045214.tif 000019
【図１９】
2005045214.tif 000020
【図２０】
2005045214.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年6月15日(2004.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７４】
図１４（Ｃ）は、ゲート長縮小量ｙをＳＯ２分率Ｘ及びＨｅ希釈率Ｚの関数として示した時定数項となる項の値がどのようになるかを示す。定数項無しの式を用い、実データとの誤差を求めた時、孤立パターンの誤差は４５．６３が最小値となり、密集パターンの誤差は３８．１０が最小値となる。従って、これらの値を定数項として採用することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】
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