パターン形成方法、および半導体装置の製造方法
【課題】 微細化への対応が可能で、かつプラズマダメージが生じにくいパターン形成方法および半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 パターン形成方法は、被処理体上に第１の線幅を有する初期パターンが形成されたシリコン表面を、プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理し、初期パターンの表面にシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程と、シリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、を繰り返し行なうことにより、被処理体上に、第１の線幅に比べ微細な第２の線幅を持つ目的のパターンを形成する。
【解決手段】 パターン形成方法は、被処理体上に第１の線幅を有する初期パターンが形成されたシリコン表面を、プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理し、初期パターンの表面にシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程と、シリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、を繰り返し行なうことにより、被処理体上に、第１の線幅に比べ微細な第２の線幅を持つ目的のパターンを形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パターン形成方法および半導体装置の製造方法に関し、詳細には、例えば、各種半導体装置の製造過程でシリコン表面にライン＆スペースなどのパターンを形成する場合に利用可能なパターン形成方法および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種半導体装置の製造過程では、フォトリソグラフィー技術を利用し、被処理体表面に塗布されたレジストを露光処理および現像処理して所定のレジストパターンを形成した後、該レジストパターンをマスクとしてエッチングを行なうことにより、被処理体に例えばライン＆スペースなどのパターンを形成することが行なわれる。その一例として、例えばポリシリコンゲート電極の製造過程においては、予め作成されたレジストパターンをマスクとして半導体ウエハに形成されたポリシリコン層を、ＣＦ系のガスおよびＣｌ２、ＨＢｒ、ＣＦ４を含むガスのプラズマを用いてドライエッチングすることが提案されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−２６６２４９号公報（例えば、段落００３４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
プラズマ等を用いてドライエッチングによりパターンを形成する場合、形状の制御が難しく、プロセス的な安定性に課題があるため、例えば上記特許文献１の方法では、形状制御のためにエッチング途中でガス種を変えるという煩雑な手法を採用している。
また、ドライエッチングでは、シリコン表面や下地膜等に表面荒れなどのプラズマダメージが生じたり、エッチングの際に生成した副生成物が、その後に行なわれる熱酸化工程で拡散したりする等の問題も指摘されている。このように生成した表面荒れやダメージ層は、半導体装置において接合リークの増大などの不具合をもたらす原因となる。
【０００４】
また、近年では半導体装置における技術ノードの進行、すなわち微細化が急速に進んでいるが、フォトリソグラフィー技術では、露光精度の問題、現像精度の問題、さらにエッチングの精度や形状制御性の問題などから、微細化への対応に限界が見えつつあるのが実情である。
【０００５】
従って、本発明は、微細化への対応が可能で、かつプラズマダメージが生じにくいパターン形成方法および半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、被処理体上に第１の線幅を有する初期パターンが形成されたシリコン表面を、プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理し、前記初期パターンの表面にシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程と、
前記シリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、
を繰り返し行なうことにより、被処理体上に、前記第１の線幅に比べ微細な第２の線幅を持つ目的のパターンを形成することを特徴とする、パターン形成方法を提供する。
【０００７】
上記第１の観点において、前記酸化膜除去工程では、希フッ酸を用いたウェットエッチング処理、フッ酸蒸気雰囲気でのベーパーエッチング処理または大気圧プラズマエッチング処理によりシリコン酸化膜を除去できる。さらに、前記酸化膜除去工程では、前記処理室と同一または別の処理室内でＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスを前記シリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、被処理体を加熱して該反応生成物を取り除くことにより、シリコン酸化膜を除去してもよく、あるいは、ＨとＮを含むガスのプラズマを形成してＨとＮを含む活性種を形成し、その活性種を前記処理室と同一または別の処理室内に導入するとともに、その処理室内に少なくともＮＦ３ガスを導入して前記活性種によりＮＦ３ガスを活性化し、これらＨ、ＮおよびＮＦ３を含む活性種を前記シリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、被処理体を加熱して該反応生成物を取り除くことにより、前記シリコン酸化膜を除去することもできる。
【０００８】
また、上記第１の観点では、前記第２の線幅が、２０ｎｍ以下であることが好ましい。また、１回の前記表面酸化工程で形成される前記シリコン酸化膜の膜厚が、３〜１５ｎｍであることが好ましい。
【０００９】
また、前記表面酸化工程におけるプラズマ酸化処理は、シリコンの面方位にかかわらず均一なシリコン酸化膜を形成するプラズマ酸化処理方法により行うことが好ましい。また、前記表面酸化工程におけるプラズマ酸化処理は、Ｏ（１Ｄ２）ラジカルの密度が１×１０１２［ｃｍ−３］以上のプラズマを生成し、該プラズマにより前記シリコン表面を酸化処理することが好ましい。また、前記プラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナにより前記処理室内にマイクロ波を導入してマイクロ波励起プラズマを形成するプラズマ処理装置であることが好ましい。
【００１０】
また、前記プラズマ酸化処理における処理圧力は、１．３３〜３３４Ｐａであることが好ましい。また、前記プラズマ酸化処理における処理ガス中の酸素の割合が０．２〜１％であることが好ましく、前記処理ガスは、水素を０．０１〜１％の割合で含むことが好ましい。さらに、前記プラズマ酸化処理における処理温度が４００〜６００℃であることが好ましい。
【００１１】
本発明の第２の観点は、上記第１の観点のパターン形成方法により、前記目的のパターンを形成する工程と、
前記目的のパターンが形成された被処理体の表面を前記プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理し、シリコン酸化膜を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法を提供する。この場合、前記半導体装置は、３次元構造デバイスであってもよい。
【００１２】
本発明の第３の観点は、コンピュータ上で動作するプログラムが記憶されたコンピュータ読取り可能な記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、前記プラズマ処理装置の処理室内で、上記第１の観点のパターン形成方法における表面酸化工程が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御するものである、コンピュータ読取り可能な記憶媒体を提供する。
【００１３】
本発明の第４の観点は、プラズマを発生させるプラズマ供給源と、
前記プラズマにより、被処理体を処理するための真空排気可能な処理室と、
前記処理室内で、上記第１の観点のパターン形成方法における表面酸化工程が行なわれるように制御する制御部と、
を備えた、プラズマ処理装置を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のパターン形成方法によれば、初期パターンのシリコン表面にシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程と、このシリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、を繰り返し行なうことにより、従来のフォトリソグラフィー技術によるパターン形成に比べて、さらに微細なパターン形成が可能になる。
【００１５】
特に、表面酸化工程に、マイクロ波励起高密度プラズマによるラジカル酸化を利用する場合には、高密度プラズマであり、かつ低エネルギーのイオンおよびラジカルを含むプラズマであるため、プラズマダメージが極力抑制され、シリコンの面方位に依存することなく、Ｓｉ／ＳｉＯ２界面の粗さが小さく、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成することができる。従って、このようなシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程と、このシリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程を繰り返すことにより、パターン表面の膜質が良質で、かつ高い精度でパターン形成をすることが可能になる。
従って、本発明のパターン形成方法は、例えば３次元構造のトランジスタ等を作製する際の複雑なパターン形成に好適に利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、適宜添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るパターン形成方法の工程手順の一例を示すフロー図である。
本実施形態のパターン形成方法において、まずステップＳ１では、被処理基板のシリコン表面に第１の線幅を有する初期パターンを形成する。この初期パターンは、例えばフォトリソグラフィー技術によりパターン形成されたレジストをマスクとしてドライエッチング等を行なうことにより形成することができる。
【００１７】
次に、ステップＳ２では、初期パターンが形成された被処理基板に対して、プラズマ酸化処理を実施し、シリコン表面を酸化してシリコン酸化膜を形成する（表面酸化工程）。このプラズマ酸化処理は、後述するように、ＲＬＳＡ（Radial Line
Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）等の平面アンテナのプラズマ処理装置１００を用いて行なうことができる。
【００１８】
次に、ステップＳ３では、形成されたシリコン酸化膜を除去する（酸化膜除去工程）。この酸化膜除去処理の方法は、シリコン酸化膜を選択的に除去できる手法であれば特に限定されるものではないが、例えば（１）希フッ酸を用いるウェットエッチング処理、（２）フッ酸蒸気雰囲気でのベーパーエッチング処理、（３）大気圧プラズマエッチング処理、（４）ＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスをシリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、加熱により反応生成物を除去するＣＯＲ（化学的酸化膜除去；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｒｅｍｏｖａｌ）処理、（５）Ｈ、ＮおよびＮＦ３を含む活性種をシリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、加熱により反応生成物を除去するＮＯＲ（自然酸化膜除去；Ｎａｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ Ｒｅｍｏｖａｌ）処理等の方法で行なうことができる。なお、（４）のＣＯＲ処理は、例えば特許第２５０１２９５号、（５）のＮＯＲ処理は、例えば特開２０００−２０８４９８号公報などにおいて、シリコン表面に形成された自然酸化膜等を除去する方法として知られている手法である。
【００１９】
本実施形態のパターン形成方法では、ステップＳ２のプラズマ酸化処理と、ステップＳ３の酸化膜除去処理を２回以上２０回以下、好ましくは３〜５回程度繰り返し実施する。これにより、第１の線幅を有する初期パターンから、第１の線幅に比べて、より微細な第２の線幅を持つ目的のパターン（２次パターン）を形成することができる。
【００２０】
図２は、ステップＳ２の表面酸化工程と、ステップＳ３の酸化膜除去工程を繰り返し行なうことにより、微細なパターン形成が可能になる理由について説明する原理図である。
まず、図２（ａ）では、ウエハＷの表面に、シリコン（ポリシリコン、アモルファスシリコンまたは単結晶シリコン）よりなる第１の線幅ｗ０を有する初期パターン３００が形成されている。次に、この初期パターン３００が形成されたシリコンの表面をプラズマ酸化処理することにより、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜３１０を形成する（図１のステップＳ２）。このシリコン酸化膜３１０を所定の膜厚例えば３〜１５ｎｍ、好ましくは６〜１０ｎｍで形成できるように、プラズマ処理条件、例えばガス流量、マイクロ波出力、処理圧力、処理時間などを規定することが好ましい。
【００２１】
次に、図２（ｃ）に示すように、例えばウェットエッチングに代表される前記（１）〜（５）等の酸化膜除去方法により、シリコン酸化膜３１０を除去する（図１のステップＳ３）。これにより、第１の線幅ｗ０に比べて小さな中間の線幅ｗ１を有する中間パターン３０１が得られる。
【００２２】
次に、上記と同様にして中間パターン３０１が形成されたシリコンの表面をプラズマ酸化処理することにより、図２（ｄ）に示すようにシリコン酸化膜３１１を形成し、このシリコン酸化膜３１１を再度除去する。このように、表面酸化処理と酸化膜除去処理とを必要に応じて３〜５回程度繰り返すことにより、同図（ｅ）に示すように前記中間の線幅ｗ１よりもさらに小さな線幅ｗ２を有する目的の２次パターン３０２が得られる。このように、パターン表面のシリコンを酸化処理して酸化膜を形成する工程と、酸化膜を除去する工程を繰り返すことによって、パターンの線幅を例えば１００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８〜１０ｎｍに微細化することが可能になる。
【００２３】
図３は、本発明のパターン形成方法の一工程であるステップＳ２の表面酸化工程の実施に適したプラズマ処理装置の一例を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置１００は、複数のスロットを有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されており、例えば、トランジスタのゲート絶縁膜をはじめとする各種半導体装置における絶縁膜の形成に好適に用いられる。
【００２４】
このプラズマ処理装置１００は、気密に構成され、接地された略円筒状のチャンバー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。
【００２５】
チャンバー１内には被処理基板である半導体ウエハ（以下、「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ２が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２には抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれており、このヒータ５はヒータ電源６から給電されることによりサセプタ２を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。このとき、例えば室温から８００℃まで範囲で処理温度が制御可能となっている。なお、チャンバー１の内周には、石英からなる円筒状のライナー７が設けられている。また、サセプタ２の外周側には、チャンバー１内を均一排気するため、多数の排気孔８ａを有する石英製のバッフルプレート８が環状に設けられ、このバッフルプレート８は、複数の支柱９により支持されている。
【００２６】
サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２７】
チャンバー１の側壁には環状をなすガス導入部材１５が設けられており、均等にガス放射孔が形成されている。このガス導入部材１５にはガス供給系１６が接続されている。なお、ガス導入部材はシャワー状に配置してもよい。このガス供給系１６は、例えばＡｒガス供給源１７、Ｏ２ガス供給源１８、Ｈ２ガス供給源１９を有しており、これらのガスが、それぞれガスライン２０を介してガス導入部材１５に至り、ガス導入部材１５のガス放射孔からチャンバー１内に均一に導入される。ガスライン２０の各々には、マスフローコントローラ２１およびその前後の開閉バルブ２２が設けられている。なお、Ａｒガスに代えて他の希ガス、例えばＫｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅなどのガスを用いてもよく、また、後述するように希ガスは含まなくてもよい。
【００２８】
上記排気室１１の側面には排気管２３が接続されており、この排気管２３には高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。そしてこの排気装置２４を作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、排気管２３を介して排気される。これによりチャンバー１内を所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
【００２９】
チャンバー１の側壁には、プラズマ処理装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。
【００３０】
チャンバー１の上部は開口部となっており、この開口部の周縁部に沿ってリング状の支持部２７が設けられている。この支持部２７に誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がシール部材２９を介して気密に設けられている。したがって、チャンバー１内は気密に保持される。
【００３１】
マイクロ波透過板２８の上方には、サセプタ２と対向するように、円板状の平面アンテナ部材３１が設けられている。この平面アンテナ部材３１はチャンバー１の側壁上端に係止されている。平面アンテナ部材３１は、例えば８インチサイズのウエハＷに対応する場合には、直径が３００〜４００ｍｍ、厚みが１〜数ｍｍ（例えば５ｍｍ）の導電性材料からなる円板である。具体的には、例えば表面が銀または金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、多数のマイクロ波放射孔３２（スロット）が所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。このマイクロ波放射孔３２は、例えば図４に示すように長溝状をなし、典型的には隣接するマイクロ波放射孔３２同士が「Ｔ」字状に配置され、これら複数のマイクロ波放射孔３２が同心円状に配置されている。マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λg）に応じて決定され、例えばマイクロ波放射孔３２の間隔は、λg／４、λg／２またはλgとなるように配置される。なお、図４においては、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔３２同士の間隔をΔｒで示している。また、マイクロ波放射孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。
【００３２】
この平面アンテナ部材３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどの樹脂からなる遅波材３３が設けられている。この遅波材３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。なお、平面アンテナ部材３１とマイクロ波透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ部材３１との間は、それぞれ密着または離間させて配置することができる。
【００３３】
チャンバー１の上面には、これら平面アンテナ部材３１および遅波材３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材からなるシールド蓋体３４が設けられている。チャンバー１の上面とシールド蓋体３４とはシール部材３５によりシールされている。シールド蓋体３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、シールド蓋体３４、遅波材３３、平面アンテナ部材３１、マイクロ波透過板２８を冷却するようになっている。なお、シールド蓋体３４は接地されている。
【００３４】
シールド蓋体３４の上壁の中央には開口部３６が形成されており、この開口部には導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して上記平面アンテナ部材３１へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。
【００３５】
導波管３７は、上記シールド蓋体３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在しており、この内導体４１の下端部は、平面アンテナ部材３１の中心に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ部材３１へ均一に効率よく伝播される。
【００３６】
プラズマ処理装置１００の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース５１が接続されている。
【００３７】
また、プロセスコントローラ５０には、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部５２が接続されている。
【００３８】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリーなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
【００３９】
このように構成されたプラズマ処理装置１００は、８００℃以下の低い温度でもダメージフリーなプラズマ処理により、良質な膜を形成できるとともに、プラズマ均一性に優れており、プロセスの均一性を実現できる。
【００４０】
このプラズマ処理装置１００は、前記のように表面酸化工程（ステップＳ２）においてウエハＷ上のシリコン(ポリシリコン、単結晶シリコン)の表面を酸化してシリコン酸化膜を形成するプラズマ酸化処理に好適に利用可能なものである。
プラズマ処理装置１００によりシリコン表面の酸化処理を行う際には、まず、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５から初期パターン３００が形成されたウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。
【００４１】
そして、ガス供給系１６のＡｒガス供給源１７およびＯ２ガス供給源１８から、ＡｒガスおよびＯ２ガスを所定の流量でガス導入部材１５を介してチャンバー１内に導入し、所定の処理圧力に維持する。この際の条件としては、プラズマ中のＯ（１Ｄ２）密度を１×１０１２［ｃｍ−３］以上に高める観点から、処理ガス中の酸素の割合が１％以下であればよく、例えば０．２〜１％が好ましく、０．５〜１％がより好ましい。このように、処理ガス中の酸素の割合を調節することにより、プラズマ中の酸素イオンや酸素ラジカルの量を制御することができる。従って、シリコン表面に例えば初期パターン３００による凹凸が存在していても、凹部の奥に到達する酸素イオンや酸素ラジカルの量を調節できるので、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成できる。
処理ガスの流量は、Ａｒガス：５００〜１００００ｍＬ／ｍｉｎ、Ｏ２ガス：５〜１００ｍＬ／ｍｉｎの範囲から、全ガス流量に対する酸素の割合が上記値となるように選択することができる。
【００４２】
また、Ａｒガス供給源１７およびＯ２ガス供給源１８からのＡｒガスおよびＯ２ガスに加え、Ｈ２ガス供給源１９からＨ２ガスを所定比率で導入することもできる。Ｈ２ガスを供給することにより、プラズマ酸化処理における酸化レートを向上させることができる。この場合、Ｈ２の割合は、処理ガス全体の量に対して０．０１〜１％となるようにすることが好ましく、０．２〜１％がより好ましく、０．５〜１％が望ましい。
【００４３】
また、チャンバー内処理圧力は、プラズマ中のＯ（１Ｄ２）密度を１×１０１２［ｃｍ−３］以上に高める観点から、例えば１．３３〜３３４Ｐａが好ましく、９０〜１３３．３Ｐａがより好ましい。
また、処理温度は３００〜８００℃の範囲から選択でき、４００〜６００℃が好ましい。
【００４４】
次いで、マイクロ波発生装置３９からのマイクロ波をマッチング回路３８を経て導波管３７に導く。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通って平面アンテナ部材３１に供給され、平面アンテナ部材３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ部材３１に向けて伝搬されていく。この際、マイクロ波発生装置３９のパワーは、０．５〜５ｋＷとすることが好ましい。
【００４５】
平面アンテナ部材３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１に放射されたマイクロ波によりチャンバー１内で電磁界が形成され、Ａｒガス、Ｏ２ガス等がプラズマ化し、このプラズマによりウエハＷに形成された初期パターン３００の凹凸表面に露出したシリコンを酸化する。このマイクロ波プラズマは、マイクロ波が平面アンテナ部材３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射されることにより、略１×１０１０〜５×１０１２［ｃｍ−３］あるいはそれ以上の高密度のプラズマとなり、その電子温度は、０．５〜２ｅＶ程度、プラズマ密度の均一性は、±５％以下である。また、上記条件で生成されたプラズマは、高エネルギーの活性種であるＯ（１Ｄ２）ラジカルの密度が１×１０１２［ｃｍ−３］以上のプラズマとなる。従って、低温かつ短時間で酸化処理を行って薄いシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を形成することができ、しかもシリコンとシリコン酸化膜との界面（Ｓｉ／ＳｉＯ２界面）の粗さが抑えられ、平滑化することができる。また、シリコンが単結晶シリコンである場合には、面方位の違いにかかわらず、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成することが可能である。さらに、シリコンがポリシリコンである場合にも、結晶粒の形状や大きさ等に左右されず、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成できる。さらに、ウエハＷの表面に形成されたパターンの疎密に影響されることなく、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成できる。
【００４６】
次に、図１のステップＳ３の酸化膜除去処理に用いる装置、方法について、例を挙げて説明する。酸化膜除去工程では、シリコン表面に形成されたシリコン酸化膜を選択的に除去できる方法であれば特に制限無く利用可能である。好適な方法として前記のとおり、（１）希フッ酸を用いるウェットエッチング処理、（２）フッ酸蒸気雰囲気でのベーパーエッチング処理、（３）大気圧プラズマエッチング処理、（４）ＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスをシリコン酸化膜に作用させて反応させた後、加熱により反応生成物を除去するＣＯＲ処理、（５）Ｈ、ＮおよびＮＦ３を含む活性種をシリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、加熱により反応生成物を除去するＮＯＲ処理等の方法で行なうことができる。
【００４７】
上記（１）の希フッ酸によるウェットエッチング処理は、例えば図示しない処理容器中で、シリコン酸化膜が形成されたウエハＷをＨＦ：Ｈ２Ｏ＝１：１００程度の混合比の希フッ酸に１０〜６００秒間、好ましくは６０〜３６０秒間程度浸漬することにより、シリコン酸化膜を除去することができる。
【００４８】
上記（２）のフッ酸蒸気雰囲気でのベーパーエッチング処理は、例えば、排気装置を備えた図示しない処理容器中で、シリコン酸化膜が形成されたウエハＷを、２０％以上１００％以下の濃度のＨＦ溶液から生成したフッ酸蒸気に３〜６００秒間、好ましくは３〜３００秒間曝すことにより、シリコン酸化膜を除去することができる。
【００４９】
上記（３）の大気圧プラズマ処理は、例えば図５（ａ）に例示する大気圧プラズマエッチング装置１０１を用いて実施することができる。この大気圧プラズマエッチング装置１０１は、接地された略円筒状のチャンバー６０を有している。チャンバー６０内には被処理基板であるウエハＷを水平に支持するための載置台６２が設けられている。この載置台６２は、チャンバー６０の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材６４により支持されている。支持部材６４はチャンバー６０の外部でモータ６６に連結されており、ウエハＷを載置した状態で載置台６２を水平方向に回転できるように構成されている。また、載置台６２には、支持部材６４の内部を介して冷媒が導入され、載置台６２に載置されたウエハＷの温度を調節できるように構成されている。
【００５０】
チャンバー６０の上部には、マイクロ波導入室６８が設けられている。このマイクロ波導入室６８は、上部に設けられた天板としての石英製のマイクロ波透過板７０と、このマイクロ波透過板７０に対向するように配備された電極７２ａ，７２ｂと、円筒状の側壁７４とを有している。マイクロ波透過板７０の上方には、図示しない導波管を介してマイクロ波発生装置に接続されており、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波導入室６８内に導入できるようになっている。
【００５１】
図５（ｂ）に拡大して示すように、電極７２ａ，７２ｂは、載置台６２から所定距離Ｌ１だけ離れた位置に配備されている。また、電極７２ａと電極７２ｂとの間には、ギャップ７３が設けられている。マイクロ波導入室６８に導入されたマイクロ波がこのギャップ７３に到達すると例えば５×１０１４／ｃｍ３の高密度のプラズマＰが生成される。ギャップ７３、つまり、電極７２ａと電極７２ｂとの間隔Ｌ２は、例えば０．１ｍｍ程度に設定することができる。
【００５２】
マイクロ波導入室６８の側壁には、ガス導入部材７５が設けられており、マイクロ波導入室６８内に処理ガスを供給できるように構成されている。このガス導入部材７５には、ガス供給系７７が接続されている。このガス供給系７７は、例えばＮＦ３ガス供給源７８、Ｈｅガス供給源７９を有しており、これらのガスが、それぞれガスライン８０を介してガス導入部材７５に至り、ガス導入部材７５のガス放射孔からチャンバー１内に均一に導入される。Ｈｅガスは、バブリング槽８２に収容されたＨ２Ｏ内でバブリングされた後、チャンバー内に導入するように構成されており、ガス中のＨ２Ｏの流量はガスライン８０に設けられた図示しない露点計で計測できるようになっている。なお、Ｈｅに代えて例えばＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの他の希ガスを用いることも可能である。
【００５３】
チャンバー６０の側面には排気管８４が接続されており、この排気管８４にはバルブ８５が設けられている。また、排気管８４はポンプなどの排気装置８６に接続されている。そしてこの排気装置８６を作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気管８４を介して排気される。
【００５４】
また、マイクロ波導入室６８の周囲には熱交換器８８が設けられており、冷却水を流路８８ａに通流させることにより、マイクロ波導入室６８を外部から冷却できるように構成されている。
【００５５】
以上のような大気圧プラズマエッチング装置１０１では、載置台６２と電極７２ａ，７２ｂとの距離Ｌ１を例えば５ｍｍに設定し、載置台６２に載置されたウエハＷに形成されたシリコン酸化膜を、高密度のプラズマＰにより選択的にエッチングして除去することができる。
【００５６】
大気圧プラズマエッチング装置１０１を用いるエッチング条件は以下の通りである。処理ガスとしては、例えばＨｅ、ＮＦ３、Ｈ２Ｏ（Ｈｅバブリングによる）を用いることができる。処理ガス中にＨ２Ｏを添加することで、ＨＦが生成され、エッチングレートを向上させることができる。処理ガスの流量比としては、例えば、Ｈｅ／ＮＦ３／Ｈ２Ｏ＝８〜１６／３０〜２５０／１８０〜４００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましい。マイクロ波パワーは、５００〜１０００Ｗとすることが好ましい。チャンバー内処理圧力は、１０１３２５Ｐａ（７６０Ｔｏｒｒ）であり、処理温度は２０〜１００℃の範囲とすることが好ましい。このような条件で大気圧プラズマエッチング処理を実施することにより、ウエハＷのシリコン表面に形成されるシリコン酸化膜を下地のシリコンに対して高い選択比でエッチングすることができる。なお、大気圧プラズマ処理では、上記以外のガスとして、例えばＡｒガスとＮＦ３とＮＨ３またはＮＦ３とＮ２とＨ２ガスを含むガス系を用いることができる。
【００５７】
上記（４）のＣＯＲ処理は、図６に示すようなＣＯＲ処理装置１０２内で、ＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスをシリコン酸化膜に作用させて反応させた後、加熱により反応生成物を除去することにより行なわれる。図６において、ＣＯＲ処理装置１０２は、円筒状のチャンバー１１０と、該チャンバー１１０内に配置されたウエハＷの載置台１１２と、チャンバー１１０の上方に配置されたシャワーヘッド１１４と、チャンバー１１０内のガス等を排気する排気装置１１６と、を有する。載置台１１２は、内部に直流電圧が印加される電極板（図示せず）を有し、クーロン力又はジョンセン・ラーベック力によってウエハＷを吸着して保持する。
【００５８】
シャワーヘッド１１４は２層構造を有し、第１のバッファ室１１８及び第２のバッファ室１２０を有する。第１のバッファ室１１８及び第２のバッファ室１２０はそれぞれガス通気孔１２２，１２４を介してチャンバー１１０内に連通している。ウエハＷにＣＯＲ処理を施す際、第１のバッファ室１１８にはＮＨ３（アンモニア）ガスがアンモニアガス供給管１２６から供給され、ガス通気孔１２２を介してチャンバー１１０内へ供給されると共に、第２のバッファ室１２０にはＨＦ（弗化水素）ガスが弗化水素ガス供給管１２８から供給され、ガス通気孔１２４を介してチャンバー１１０内へ供給される。
【００５９】
ＣＯＲ処理条件は以下の通りである。まず、反応性ガスとシリコン酸化膜とを反応させる工程では、処理ガスとして、例えばＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスを用いることができる。処理ガスの流量比としては、例えば、ＨＦ／ＮＨ３＝０．１〜２が好ましく、流量はＨＦが５〜５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、ＮＨ３が５〜５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましい。この際のチャンバー内処理圧力は、０．１〜１３．３Ｐａとすることが好ましく、０．０６〜６．６７Ｐａとすることがより好ましい。処理温度は３０〜５００℃の範囲とすることが好ましく、５０〜３００℃がより好ましい。また、ＨＦガス、ＮＨ３ガスの分圧を調節する目的で、Ａｒガスを供給することが好ましい。
次に、加熱により反応生成物を取り除く工程では、反応生成物が形成されたウエハＷを、例えば５０〜３００℃、好ましくは１００〜２００℃の温度で３０〜３６０秒間、好ましくは１００〜２００秒間加熱することが好ましい。
このような条件でＣＯＲ処理を実施することにより、シリコン酸化膜を下地のシリコンに対して高い選択比で除去することができる。
【００６０】
上記（５）のＮＯＲ処理は、図７に示すようなＮＯＲ処理装置１０３内で、Ｈ、ＮおよびＮＦ３を含むプラズマをシリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、加熱により反応生成物を除去することにより行なわれる。ＮＯＲ処理装置１０３は、Ｎ２ガスとＨ２ガスの混合ガスをプラズマにより活性化するプラズマ形成管１５０と、ウエハＷに対して、自然酸化膜を除去するための処理を行なう処理容器１５２とを有している。この処理容器１５２の内部には、処理されるウエハＷが載置される載置台１５４が設けられている。また、この処理容器１５２の底部の周縁部には、図示しない真空ポンプなどの排気装置に接続された排気口１５６が設けられ、処理容器１５２内を真空引きできるようになっている。また、載置台１５４の下方には照射口１５８が形成されており、この照射口１５８には透過窓１６０が設けられている。透過窓１６０の下方には、複数の加熱ランプ１６２が設けられ、この加熱ランプ１６２から放出される加熱用の光線が透過窓１６０を透過して載置台１５４を介しウエハＷを裏面側から加熱できるようになっている。
【００６１】
一方、プラズマ形成管１５０は、処理容器１５２の天井部に起立状態で取り付けられている。このプラズマ形成管１５０の上端には、この管内にＮ２ガスとＨ２ガスよりなるプラズマガスを導入するガス導入部１６４が設けられており、このガス導入部１６４は図示しないＮ２ガス源及びＨ２ガス源が接続されている。
また、上記ガス導入部１６４の下には、プラズマ形成部１６６が設けられている。このプラズマ形成部１６６では、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマイクロ波発生源１６８で発生したマイクロ波を、導波管１７０を介して矩形導波管１７２へ供給するようになっている。そして、この供給されたマイクロ波によりプラズマ形成管１５０内にＨ２ガスとＮ２ガスの混合ガスのプラズマが生成し、ダウンフローを形成できるようになっている。プラズマ形成管１５０の下端部の流出口１７４の直下には、図示しないＮＦ３ガス供給源に接続されたシャワーヘッド１７６が設けられている。
【００６２】
ＮＯＲ処理条件は以下の通りである。Ｈ、ＮおよびＮＦ３を含むプラズマにより処理する工程では、まず、処理ガスとして例えばＨ２とＮ２とを含むガスを用いてマイクロ波励起プラズマを形成する。この際の処理ガスの流量比としては、例えば、Ｈ２／Ｎ２＝０．１〜１とすることが好ましい。流量は、Ｈ２が５０〜１５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）でＮ２が５０〜１５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましい。このプラズマにＮＦ３ガスを供給する。ＮＦ３の流量は、５〜３００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましい。
また、チャンバー内圧力は２６６〜１３３３Ｐａとすることが好ましく、４００〜９３３Ｐａがより好ましい。温度は９０〜５００℃の範囲とすることが好ましい。他の条件として、例えばマイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚ、マイクロ波パワーは、２００〜１５００Ｗとすることが好ましい。このようにＨ、Ｎ、ＮＦ３を含む活性種をシリコン酸化膜と反応させ、反応生成物を形成せしめる。
【００６３】
次に、加熱により反応生成物を除去する工程では、反応生成物が形成されたウエハＷを、例えば５０〜３００℃、好ましくは１００〜２００℃の温度に３０〜３６０秒間加熱することが好ましい。
このような条件でＮＯＲ処理を実施することにより、シリコン酸化膜を下地のシリコンに対して高い選択比で除去することができる。
【００６４】
図１のステップＳ１〜ステップＳ３の工程手順でシリコン表面に初期パターンより微細な目的の２次パターンを形成した後は、必要に応じてこの２次パターンの表面を例えば酸化処理、窒化処理、酸窒化処理することにより、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）等を形成し、トランジスタ等の半導体装置においてゲート絶縁膜等として利用可能な絶縁膜を形成することができる。この場合、例えば酸化処理、窒化処理や酸窒化処理は、図３と同様の構成のプラズマ処理装置１００を用いて行なうことができる。また、例えばＩＣＰプラズマ、表面反射波プラズマ、マグネトロンプラズマ等のプラズマ処理装置を用いて酸化処理、窒化処理や酸窒化処理を行なうこともできる。
【００６５】
次に、製造過程で本発明のパターン形成方法を適用可能な半導体装置について説明する。本発明のパターン形成方法は、従来のフォトリソグラフィー技術によるパターン形成に比べて、さらに微細加工が可能な方法である。従って、例えばフィン構造、ダブルゲート構造などの３次元構造のトランジスタ等を作製する際のパターン形成に好適に利用できる。このような３次元構造のトランジスタは、ＬＳＩの高集積化、高速化にともなうデザインルールの微細化に伴い、従来のプレーナ型のＭＯＳトランジスタに代るものとして注目されている。
【００６６】
図８（ａ）は、３次元デバイスの一例として、フィン構造のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の概略構成例を模式的に示したものである。このフィン構造のＭＯＳＦＥＴ２００は、ＳｉＯ２膜などの下地膜２０１の上にフィン状または凸状のシリコン壁２０２が設けられている。このシリコン壁２０２の一部を覆うようにゲート絶縁膜２０６が形成され、さらにそのゲート絶縁膜２０６を介してゲート電極２０３が形成された３次元構造を有している。シリコン壁２０２の表面に形成されたゲート絶縁膜２０６は、頂部２０６ａと、両側の壁面部２０６ｂ，２０６ｃとの３面がゲート電極２０３に覆われていることにより、３ゲート構造のトランジスタを形成している。ゲート電極２０３を間に挟んでその両側に突出したシリコン壁２０２は、ソース２０４とドレイン２０５を形成しており、これらソース・ドレイン間に電流が流れることによりトランジスタが構成される。３ゲート構造の場合、３つのゲートでＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域を制御できることから、一つのゲートだけでチャンネル領域を制御する従来のプレーナ型ＭＯＳＦＥＴに比べ、短チャンネル効果を抑制する性能に優れており、３２ナノメートル・ノード以降の微細化・高集積化にも対応が可能である。
【００６７】
このような構造のＭＯＳＦＥＴ２００は、以下のようにして製造できる。例えば、ＳｉＯ２膜などの下地膜２０１の上に、例えばＣＶＤなどによりシリコン層を成膜した後、フォトリソグラフィー技術によってパターン形成されたマスクを用いてエッチングを行ない、図８（ｂ）に示すようにシリコン壁２０２ａを形成する。なお、図８（ｂ）では一つのシリコン壁２０２ａのみを図示しているが、実際には複数のシリコン壁２０２ａが並列的に形成され凹凸構造をなしている。
【００６８】
次に、シリコン壁２０２ａに対し、図１のステップＳ２（表面酸化工程）、ステップＳ３（酸化膜除去工程）の手順を繰り返して微細にパターニングしていき、所定の線幅を有するシリコン壁２０２を形成する。そして、目的の２次パターンが形成されたシリコン壁２０２の表面を例えば酸化雰囲気中で熱処理したり、あるいはＯ２ガスプラズマを用いてプラズマ酸化処理したりすることにより、ゲート絶縁膜２０６となるシリコン酸化膜を形成する。次に、シリコン壁２０２を覆うように例えばＣＶＤなどによりポリシリコン層を成膜した後、フォトリソグラフィー技術によってパターン形成されたマスクを用いてエッチングを行ない、ポリシリコンのゲート電極２０３を形成することによりＭＯＳＦＥＴ２００が得られる。
【００６９】
このような３次元構造のＭＯＳＦＥＴ２００を製造するに際して、例えば図１に示すステップＳ１〜ステップＳ３の手順のパターン形成方法を利用することによって、フォトリソグラフィー技術のみによるパターン形成に比較して、より微細なパターンを精度良く形成できる。
すなわち、本実施形態のパターン形成方法では、図３に例示されるプラズマ処理装置１００によって形成されるマイクロ波励起高密度プラズマを利用することによって、プラズマダメージを極力抑制しながら、シリコンの面方位［（１００）面や（１１０）面］に依存することなく均一なシリコン酸化膜を形成することができる。従って、このようなシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程（ステップＳ２）と、このシリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程（ステップＳ３）を繰り返すことにより、高い精度でパターン形成が可能になる。
【００７０】
次に、本発明の基礎となった実験結果について説明を行なう。
プラズマ処理装置１００を用い、下記の条件Ａで凹部（トレンチ）が形成されたシリコン（単結晶）表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を８ｎｍの膜厚で形成した。なお、比較のため条件Ｂの熱酸化方法により同様の膜厚でシリコン酸化膜を形成した。
【００７１】
得られたシリコン酸化膜について、ＳｉＯ２／Ｓｉ界面の粗さ（自乗平均平方根粗さ；Ｒｍｓ）をＡＦＭ（原子間力顕微鏡；Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）分析によって測定した。その結果を図９に示した。
【００７２】
また、シリコンの凹部の（１００）面と（１１０）面に形成された酸化膜の膜厚を測定し、面方位依存性を調べた。その結果を図１０に示した。
【００７３】
＜条件Ａ＞・・・ラジカル酸化処理
Ａｒ流量：５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、
Ｏ２流量：５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ２流量：５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２ガス比率：約１％
処理圧力：１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）
マイクロ波パワー：２７５０Ｗ
処理温度：４００℃
処理時間：９０秒
マイクロ波透過板２８の面積：１０２７ｍｍ２
【００７４】
＜条件Ｂ＞・・・ＷＶＧ熱酸化
処理温度：９５０℃
処理時間：４２０秒
【００７５】
図９より、プラズマ処理装置１００を用いてラジカル酸化を行なって得られたシリコン酸化膜は、熱酸化によるシリコン酸化膜に比べ、Ｒｍｓが小さく、ＳｉＯ２／Ｓｉ界面がより平滑であることが確認された。
【００７６】
また、図１０より、プラズマ処理装置１００を用いてラジカル酸化を行なって得られたシリコン酸化膜は、熱酸化によるシリコン酸化膜と比較して、（１００）面と（１１０）面での膜厚の差が小さく、面方位依存性が少ないことが確認できた。
【００７７】
さらに、シリコン酸化膜が形成された凹部のコーナーの形状を観察した。図１１および図１２はラジカル酸化後および熱酸化後の凹部の断面形状を示しており、（ａ）は上部コーナー（肩部）、（ｂ）は側壁部、（ｃ）は下部コーナーを示す。図１１（ａ）〜（ｃ）に示すようにプラズマ処理装置１００を用いてラジカル酸化を行なって得られたシリコン酸化膜は、図１２（ａ）〜（ｃ）の熱酸化によるシリコン酸化膜に比べ、凹部のコーナー（シリコン）に丸みが導入されているとともに、面方位に関わらず均一なシリコン酸化膜が形成されていた。コーナーが鋭角であると、形成されたシリコン酸化膜を絶縁膜として使用する半導体装置において、当該部位からリーク電流が発生しやすくなり、電気的特性の低下を招来するおそれがあるが、コーナーに丸みを形成することによってリークを防止できる。また、シリコンの面方位により膜厚が異なると、高いパターン精度が得られないが、ラジカル酸化を行うことで高いパターン精度が得られることが示された。
【００７８】
以上、図９〜図１２の結果から、プラズマ処理装置１００を用いてラジカル酸化を行ない、シリコン酸化膜を形成することの優位性が確認された。従って、プラズマ処理装置１００を用いて表面酸化工程（ステップＳ２）を実施することにより、ＳｉＯ２／Ｓｉ界面の平滑化、面方位依存性の抑制、コーナーへの丸みの導入が図られ、半導体装置の製造に利用価値の高い高精度かつ微細なパターン形成が可能であることが理解される。
【００７９】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施形態では、パターン形成方法を適用可能な半導体装置の製造例として３次元構造のＭＯＳＦＥＴの形成過程を例に挙げたが、これに限るものではなく、例えば、凹凸パターンに沿って高品質な酸化膜形成をする必要性が高いアプリケーションや、素子分離技術であるＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）におけるトレンチ内部の酸化膜形成やトランジスタのポリシリコンゲート電極の形成などにも適用できる。さらに、本発明のパターン形成方法は、トランジスタのポリシリコンゲート電極を形成する場合だけでなく、メタルゲート電極を形成する場合にも適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、各種半導体装置の製造過程において、シリコンにパターン形成をする場合に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明のパターン形成方法の手順の一例を示すフロー図。
【図２】本発明のパターン形成方法の原理を説明する図面。
【図３】表面酸化工程に利用可能なプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図。
【図４】平面アンテナ部材の構造を示す図面。
【図５】酸化膜除去工程に利用可能な大気圧プラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図。
【図６】ＣＯＲ処理装置の概略構成を示す図面。
【図７】ＮＯＲ処理装置の概略構成を示す図面。
【図８】３次元ＭＯＳＦＥＴの説明に供する図面であり、（ａ）はＭＯＳＦＥＴの外観斜視図、（ｂ）はフィン構造を示す斜視図である。
【図９】ＳｉＯ２／Ｓｉ界面のラフネスの比較結果を示すグラフである。
【図１０】シリコンの面方位とＳｉＯ２膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図１１】ラジカル酸化後の凹部の断面を示す写真であり、（ａ）は上部コーナー（肩部）、（ｂ）は側壁部、（ｃ）は下部コーナーを示す。
【図１２】熱酸化後の凹部の断面を示す写真であり、（ａ）は上部コーナー（肩部）、（ｂ）は側壁部、（ｃ）は下部コーナーを示す。
【符号の説明】
【００８２】
１；チャンバー（処理室）
２；サセプタ
３；支持部材
５；ヒータ
１５；ガス導入部材
１６；ガス供給系
１７；Ａｒガス供給源
１８；Ｏ２ガス供給源
１９；Ｈ２ガス供給源
２３；排気管
２４；排気装置
２５；搬入出口
２６；ゲートバルブ
２８；マイクロ波透過板
２９；シール部材
３１；平面アンテナ部材
３２；マイクロ波放射孔
３７；導波管
３７ａ；同軸導波管
３７ｂ；矩形導波管
３９；マイクロ波発生装置
４０；モード変換器
５０；プロセスコントローラ
１０１；大気圧プラズマエッチング装置
３００；初期パターン
３０１；中間パターン
３０２；２次パターン
Ｗ…ウエハ（基板）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パターン形成方法および半導体装置の製造方法に関し、詳細には、例えば、各種半導体装置の製造過程でシリコン表面にライン＆スペースなどのパターンを形成する場合に利用可能なパターン形成方法および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種半導体装置の製造過程では、フォトリソグラフィー技術を利用し、被処理体表面に塗布されたレジストを露光処理および現像処理して所定のレジストパターンを形成した後、該レジストパターンをマスクとしてエッチングを行なうことにより、被処理体に例えばライン＆スペースなどのパターンを形成することが行なわれる。その一例として、例えばポリシリコンゲート電極の製造過程においては、予め作成されたレジストパターンをマスクとして半導体ウエハに形成されたポリシリコン層を、ＣＦ系のガスおよびＣｌ２、ＨＢｒ、ＣＦ４を含むガスのプラズマを用いてドライエッチングすることが提案されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−２６６２４９号公報（例えば、段落００３４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
プラズマ等を用いてドライエッチングによりパターンを形成する場合、形状の制御が難しく、プロセス的な安定性に課題があるため、例えば上記特許文献１の方法では、形状制御のためにエッチング途中でガス種を変えるという煩雑な手法を採用している。
また、ドライエッチングでは、シリコン表面や下地膜等に表面荒れなどのプラズマダメージが生じたり、エッチングの際に生成した副生成物が、その後に行なわれる熱酸化工程で拡散したりする等の問題も指摘されている。このように生成した表面荒れやダメージ層は、半導体装置において接合リークの増大などの不具合をもたらす原因となる。
【０００４】
また、近年では半導体装置における技術ノードの進行、すなわち微細化が急速に進んでいるが、フォトリソグラフィー技術では、露光精度の問題、現像精度の問題、さらにエッチングの精度や形状制御性の問題などから、微細化への対応に限界が見えつつあるのが実情である。
【０００５】
従って、本発明は、微細化への対応が可能で、かつプラズマダメージが生じにくいパターン形成方法および半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、被処理体上に第１の線幅を有する初期パターンが形成されたシリコン表面を、プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理し、前記初期パターンの表面にシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程と、
前記シリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、
を繰り返し行なうことにより、被処理体上に、前記第１の線幅に比べ微細な第２の線幅を持つ目的のパターンを形成することを特徴とする、パターン形成方法を提供する。
【０００７】
上記第１の観点において、前記酸化膜除去工程では、希フッ酸を用いたウェットエッチング処理、フッ酸蒸気雰囲気でのベーパーエッチング処理または大気圧プラズマエッチング処理によりシリコン酸化膜を除去できる。さらに、前記酸化膜除去工程では、前記処理室と同一または別の処理室内でＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスを前記シリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、被処理体を加熱して該反応生成物を取り除くことにより、シリコン酸化膜を除去してもよく、あるいは、ＨとＮを含むガスのプラズマを形成してＨとＮを含む活性種を形成し、その活性種を前記処理室と同一または別の処理室内に導入するとともに、その処理室内に少なくともＮＦ３ガスを導入して前記活性種によりＮＦ３ガスを活性化し、これらＨ、ＮおよびＮＦ３を含む活性種を前記シリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、被処理体を加熱して該反応生成物を取り除くことにより、前記シリコン酸化膜を除去することもできる。
【０００８】
また、上記第１の観点では、前記第２の線幅が、２０ｎｍ以下であることが好ましい。また、１回の前記表面酸化工程で形成される前記シリコン酸化膜の膜厚が、３〜１５ｎｍであることが好ましい。
【０００９】
また、前記表面酸化工程におけるプラズマ酸化処理は、シリコンの面方位にかかわらず均一なシリコン酸化膜を形成するプラズマ酸化処理方法により行うことが好ましい。また、前記表面酸化工程におけるプラズマ酸化処理は、Ｏ（１Ｄ２）ラジカルの密度が１×１０１２［ｃｍ−３］以上のプラズマを生成し、該プラズマにより前記シリコン表面を酸化処理することが好ましい。また、前記プラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナにより前記処理室内にマイクロ波を導入してマイクロ波励起プラズマを形成するプラズマ処理装置であることが好ましい。
【００１０】
また、前記プラズマ酸化処理における処理圧力は、１．３３〜３３４Ｐａであることが好ましい。また、前記プラズマ酸化処理における処理ガス中の酸素の割合が０．２〜１％であることが好ましく、前記処理ガスは、水素を０．０１〜１％の割合で含むことが好ましい。さらに、前記プラズマ酸化処理における処理温度が４００〜６００℃であることが好ましい。
【００１１】
本発明の第２の観点は、上記第１の観点のパターン形成方法により、前記目的のパターンを形成する工程と、
前記目的のパターンが形成された被処理体の表面を前記プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理し、シリコン酸化膜を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法を提供する。この場合、前記半導体装置は、３次元構造デバイスであってもよい。
【００１２】
本発明の第３の観点は、コンピュータ上で動作するプログラムが記憶されたコンピュータ読取り可能な記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、前記プラズマ処理装置の処理室内で、上記第１の観点のパターン形成方法における表面酸化工程が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御するものである、コンピュータ読取り可能な記憶媒体を提供する。
【００１３】
本発明の第４の観点は、プラズマを発生させるプラズマ供給源と、
前記プラズマにより、被処理体を処理するための真空排気可能な処理室と、
前記処理室内で、上記第１の観点のパターン形成方法における表面酸化工程が行なわれるように制御する制御部と、
を備えた、プラズマ処理装置を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のパターン形成方法によれば、初期パターンのシリコン表面にシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程と、このシリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、を繰り返し行なうことにより、従来のフォトリソグラフィー技術によるパターン形成に比べて、さらに微細なパターン形成が可能になる。
【００１５】
特に、表面酸化工程に、マイクロ波励起高密度プラズマによるラジカル酸化を利用する場合には、高密度プラズマであり、かつ低エネルギーのイオンおよびラジカルを含むプラズマであるため、プラズマダメージが極力抑制され、シリコンの面方位に依存することなく、Ｓｉ／ＳｉＯ２界面の粗さが小さく、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成することができる。従って、このようなシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程と、このシリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程を繰り返すことにより、パターン表面の膜質が良質で、かつ高い精度でパターン形成をすることが可能になる。
従って、本発明のパターン形成方法は、例えば３次元構造のトランジスタ等を作製する際の複雑なパターン形成に好適に利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、適宜添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るパターン形成方法の工程手順の一例を示すフロー図である。
本実施形態のパターン形成方法において、まずステップＳ１では、被処理基板のシリコン表面に第１の線幅を有する初期パターンを形成する。この初期パターンは、例えばフォトリソグラフィー技術によりパターン形成されたレジストをマスクとしてドライエッチング等を行なうことにより形成することができる。
【００１７】
次に、ステップＳ２では、初期パターンが形成された被処理基板に対して、プラズマ酸化処理を実施し、シリコン表面を酸化してシリコン酸化膜を形成する（表面酸化工程）。このプラズマ酸化処理は、後述するように、ＲＬＳＡ（Radial Line
Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）等の平面アンテナのプラズマ処理装置１００を用いて行なうことができる。
【００１８】
次に、ステップＳ３では、形成されたシリコン酸化膜を除去する（酸化膜除去工程）。この酸化膜除去処理の方法は、シリコン酸化膜を選択的に除去できる手法であれば特に限定されるものではないが、例えば（１）希フッ酸を用いるウェットエッチング処理、（２）フッ酸蒸気雰囲気でのベーパーエッチング処理、（３）大気圧プラズマエッチング処理、（４）ＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスをシリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、加熱により反応生成物を除去するＣＯＲ（化学的酸化膜除去；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｒｅｍｏｖａｌ）処理、（５）Ｈ、ＮおよびＮＦ３を含む活性種をシリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、加熱により反応生成物を除去するＮＯＲ（自然酸化膜除去；Ｎａｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ Ｒｅｍｏｖａｌ）処理等の方法で行なうことができる。なお、（４）のＣＯＲ処理は、例えば特許第２５０１２９５号、（５）のＮＯＲ処理は、例えば特開２０００−２０８４９８号公報などにおいて、シリコン表面に形成された自然酸化膜等を除去する方法として知られている手法である。
【００１９】
本実施形態のパターン形成方法では、ステップＳ２のプラズマ酸化処理と、ステップＳ３の酸化膜除去処理を２回以上２０回以下、好ましくは３〜５回程度繰り返し実施する。これにより、第１の線幅を有する初期パターンから、第１の線幅に比べて、より微細な第２の線幅を持つ目的のパターン（２次パターン）を形成することができる。
【００２０】
図２は、ステップＳ２の表面酸化工程と、ステップＳ３の酸化膜除去工程を繰り返し行なうことにより、微細なパターン形成が可能になる理由について説明する原理図である。
まず、図２（ａ）では、ウエハＷの表面に、シリコン（ポリシリコン、アモルファスシリコンまたは単結晶シリコン）よりなる第１の線幅ｗ０を有する初期パターン３００が形成されている。次に、この初期パターン３００が形成されたシリコンの表面をプラズマ酸化処理することにより、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜３１０を形成する（図１のステップＳ２）。このシリコン酸化膜３１０を所定の膜厚例えば３〜１５ｎｍ、好ましくは６〜１０ｎｍで形成できるように、プラズマ処理条件、例えばガス流量、マイクロ波出力、処理圧力、処理時間などを規定することが好ましい。
【００２１】
次に、図２（ｃ）に示すように、例えばウェットエッチングに代表される前記（１）〜（５）等の酸化膜除去方法により、シリコン酸化膜３１０を除去する（図１のステップＳ３）。これにより、第１の線幅ｗ０に比べて小さな中間の線幅ｗ１を有する中間パターン３０１が得られる。
【００２２】
次に、上記と同様にして中間パターン３０１が形成されたシリコンの表面をプラズマ酸化処理することにより、図２（ｄ）に示すようにシリコン酸化膜３１１を形成し、このシリコン酸化膜３１１を再度除去する。このように、表面酸化処理と酸化膜除去処理とを必要に応じて３〜５回程度繰り返すことにより、同図（ｅ）に示すように前記中間の線幅ｗ１よりもさらに小さな線幅ｗ２を有する目的の２次パターン３０２が得られる。このように、パターン表面のシリコンを酸化処理して酸化膜を形成する工程と、酸化膜を除去する工程を繰り返すことによって、パターンの線幅を例えば１００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８〜１０ｎｍに微細化することが可能になる。
【００２３】
図３は、本発明のパターン形成方法の一工程であるステップＳ２の表面酸化工程の実施に適したプラズマ処理装置の一例を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置１００は、複数のスロットを有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されており、例えば、トランジスタのゲート絶縁膜をはじめとする各種半導体装置における絶縁膜の形成に好適に用いられる。
【００２４】
このプラズマ処理装置１００は、気密に構成され、接地された略円筒状のチャンバー１を有している。チャンバー１の底壁１ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。
【００２５】
チャンバー１内には被処理基板である半導体ウエハ（以下、「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するためのＡｌＮ等のセラミックスからなるサセプタ２が設けられている。このサセプタ２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材３により支持されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２には抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれており、このヒータ５はヒータ電源６から給電されることによりサセプタ２を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。このとき、例えば室温から８００℃まで範囲で処理温度が制御可能となっている。なお、チャンバー１の内周には、石英からなる円筒状のライナー７が設けられている。また、サセプタ２の外周側には、チャンバー１内を均一排気するため、多数の排気孔８ａを有する石英製のバッフルプレート８が環状に設けられ、このバッフルプレート８は、複数の支柱９により支持されている。
【００２６】
サセプタ２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２７】
チャンバー１の側壁には環状をなすガス導入部材１５が設けられており、均等にガス放射孔が形成されている。このガス導入部材１５にはガス供給系１６が接続されている。なお、ガス導入部材はシャワー状に配置してもよい。このガス供給系１６は、例えばＡｒガス供給源１７、Ｏ２ガス供給源１８、Ｈ２ガス供給源１９を有しており、これらのガスが、それぞれガスライン２０を介してガス導入部材１５に至り、ガス導入部材１５のガス放射孔からチャンバー１内に均一に導入される。ガスライン２０の各々には、マスフローコントローラ２１およびその前後の開閉バルブ２２が設けられている。なお、Ａｒガスに代えて他の希ガス、例えばＫｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅなどのガスを用いてもよく、また、後述するように希ガスは含まなくてもよい。
【００２８】
上記排気室１１の側面には排気管２３が接続されており、この排気管２３には高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。そしてこの排気装置２４を作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、排気管２３を介して排気される。これによりチャンバー１内を所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
【００２９】
チャンバー１の側壁には、プラズマ処理装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。
【００３０】
チャンバー１の上部は開口部となっており、この開口部の周縁部に沿ってリング状の支持部２７が設けられている。この支持部２７に誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がシール部材２９を介して気密に設けられている。したがって、チャンバー１内は気密に保持される。
【００３１】
マイクロ波透過板２８の上方には、サセプタ２と対向するように、円板状の平面アンテナ部材３１が設けられている。この平面アンテナ部材３１はチャンバー１の側壁上端に係止されている。平面アンテナ部材３１は、例えば８インチサイズのウエハＷに対応する場合には、直径が３００〜４００ｍｍ、厚みが１〜数ｍｍ（例えば５ｍｍ）の導電性材料からなる円板である。具体的には、例えば表面が銀または金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、多数のマイクロ波放射孔３２（スロット）が所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。このマイクロ波放射孔３２は、例えば図４に示すように長溝状をなし、典型的には隣接するマイクロ波放射孔３２同士が「Ｔ」字状に配置され、これら複数のマイクロ波放射孔３２が同心円状に配置されている。マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λg）に応じて決定され、例えばマイクロ波放射孔３２の間隔は、λg／４、λg／２またはλgとなるように配置される。なお、図４においては、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔３２同士の間隔をΔｒで示している。また、マイクロ波放射孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。
【００３２】
この平面アンテナ部材３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどの樹脂からなる遅波材３３が設けられている。この遅波材３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。なお、平面アンテナ部材３１とマイクロ波透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ部材３１との間は、それぞれ密着または離間させて配置することができる。
【００３３】
チャンバー１の上面には、これら平面アンテナ部材３１および遅波材３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼、銅等の金属材からなるシールド蓋体３４が設けられている。チャンバー１の上面とシールド蓋体３４とはシール部材３５によりシールされている。シールド蓋体３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、シールド蓋体３４、遅波材３３、平面アンテナ部材３１、マイクロ波透過板２８を冷却するようになっている。なお、シールド蓋体３４は接地されている。
【００３４】
シールド蓋体３４の上壁の中央には開口部３６が形成されており、この開口部には導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して上記平面アンテナ部材３１へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。
【００３５】
導波管３７は、上記シールド蓋体３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在しており、この内導体４１の下端部は、平面アンテナ部材３１の中心に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ部材３１へ均一に効率よく伝播される。
【００３６】
プラズマ処理装置１００の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース５１が接続されている。
【００３７】
また、プロセスコントローラ５０には、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部５２が接続されている。
【００３８】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリーなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
【００３９】
このように構成されたプラズマ処理装置１００は、８００℃以下の低い温度でもダメージフリーなプラズマ処理により、良質な膜を形成できるとともに、プラズマ均一性に優れており、プロセスの均一性を実現できる。
【００４０】
このプラズマ処理装置１００は、前記のように表面酸化工程（ステップＳ２）においてウエハＷ上のシリコン(ポリシリコン、単結晶シリコン)の表面を酸化してシリコン酸化膜を形成するプラズマ酸化処理に好適に利用可能なものである。
プラズマ処理装置１００によりシリコン表面の酸化処理を行う際には、まず、ゲートバルブ２６を開にして搬入出口２５から初期パターン３００が形成されたウエハＷをチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。
【００４１】
そして、ガス供給系１６のＡｒガス供給源１７およびＯ２ガス供給源１８から、ＡｒガスおよびＯ２ガスを所定の流量でガス導入部材１５を介してチャンバー１内に導入し、所定の処理圧力に維持する。この際の条件としては、プラズマ中のＯ（１Ｄ２）密度を１×１０１２［ｃｍ−３］以上に高める観点から、処理ガス中の酸素の割合が１％以下であればよく、例えば０．２〜１％が好ましく、０．５〜１％がより好ましい。このように、処理ガス中の酸素の割合を調節することにより、プラズマ中の酸素イオンや酸素ラジカルの量を制御することができる。従って、シリコン表面に例えば初期パターン３００による凹凸が存在していても、凹部の奥に到達する酸素イオンや酸素ラジカルの量を調節できるので、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成できる。
処理ガスの流量は、Ａｒガス：５００〜１００００ｍＬ／ｍｉｎ、Ｏ２ガス：５〜１００ｍＬ／ｍｉｎの範囲から、全ガス流量に対する酸素の割合が上記値となるように選択することができる。
【００４２】
また、Ａｒガス供給源１７およびＯ２ガス供給源１８からのＡｒガスおよびＯ２ガスに加え、Ｈ２ガス供給源１９からＨ２ガスを所定比率で導入することもできる。Ｈ２ガスを供給することにより、プラズマ酸化処理における酸化レートを向上させることができる。この場合、Ｈ２の割合は、処理ガス全体の量に対して０．０１〜１％となるようにすることが好ましく、０．２〜１％がより好ましく、０．５〜１％が望ましい。
【００４３】
また、チャンバー内処理圧力は、プラズマ中のＯ（１Ｄ２）密度を１×１０１２［ｃｍ−３］以上に高める観点から、例えば１．３３〜３３４Ｐａが好ましく、９０〜１３３．３Ｐａがより好ましい。
また、処理温度は３００〜８００℃の範囲から選択でき、４００〜６００℃が好ましい。
【００４４】
次いで、マイクロ波発生装置３９からのマイクロ波をマッチング回路３８を経て導波管３７に導く。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通って平面アンテナ部材３１に供給され、平面アンテナ部材３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ部材３１に向けて伝搬されていく。この際、マイクロ波発生装置３９のパワーは、０．５〜５ｋＷとすることが好ましい。
【００４５】
平面アンテナ部材３１からマイクロ波透過板２８を経てチャンバー１に放射されたマイクロ波によりチャンバー１内で電磁界が形成され、Ａｒガス、Ｏ２ガス等がプラズマ化し、このプラズマによりウエハＷに形成された初期パターン３００の凹凸表面に露出したシリコンを酸化する。このマイクロ波プラズマは、マイクロ波が平面アンテナ部材３１の多数のマイクロ波放射孔３２から放射されることにより、略１×１０１０〜５×１０１２［ｃｍ−３］あるいはそれ以上の高密度のプラズマとなり、その電子温度は、０．５〜２ｅＶ程度、プラズマ密度の均一性は、±５％以下である。また、上記条件で生成されたプラズマは、高エネルギーの活性種であるＯ（１Ｄ２）ラジカルの密度が１×１０１２［ｃｍ−３］以上のプラズマとなる。従って、低温かつ短時間で酸化処理を行って薄いシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を形成することができ、しかもシリコンとシリコン酸化膜との界面（Ｓｉ／ＳｉＯ２界面）の粗さが抑えられ、平滑化することができる。また、シリコンが単結晶シリコンである場合には、面方位の違いにかかわらず、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成することが可能である。さらに、シリコンがポリシリコンである場合にも、結晶粒の形状や大きさ等に左右されず、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成できる。さらに、ウエハＷの表面に形成されたパターンの疎密に影響されることなく、均一な膜厚でシリコン酸化膜を形成できる。
【００４６】
次に、図１のステップＳ３の酸化膜除去処理に用いる装置、方法について、例を挙げて説明する。酸化膜除去工程では、シリコン表面に形成されたシリコン酸化膜を選択的に除去できる方法であれば特に制限無く利用可能である。好適な方法として前記のとおり、（１）希フッ酸を用いるウェットエッチング処理、（２）フッ酸蒸気雰囲気でのベーパーエッチング処理、（３）大気圧プラズマエッチング処理、（４）ＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスをシリコン酸化膜に作用させて反応させた後、加熱により反応生成物を除去するＣＯＲ処理、（５）Ｈ、ＮおよびＮＦ３を含む活性種をシリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、加熱により反応生成物を除去するＮＯＲ処理等の方法で行なうことができる。
【００４７】
上記（１）の希フッ酸によるウェットエッチング処理は、例えば図示しない処理容器中で、シリコン酸化膜が形成されたウエハＷをＨＦ：Ｈ２Ｏ＝１：１００程度の混合比の希フッ酸に１０〜６００秒間、好ましくは６０〜３６０秒間程度浸漬することにより、シリコン酸化膜を除去することができる。
【００４８】
上記（２）のフッ酸蒸気雰囲気でのベーパーエッチング処理は、例えば、排気装置を備えた図示しない処理容器中で、シリコン酸化膜が形成されたウエハＷを、２０％以上１００％以下の濃度のＨＦ溶液から生成したフッ酸蒸気に３〜６００秒間、好ましくは３〜３００秒間曝すことにより、シリコン酸化膜を除去することができる。
【００４９】
上記（３）の大気圧プラズマ処理は、例えば図５（ａ）に例示する大気圧プラズマエッチング装置１０１を用いて実施することができる。この大気圧プラズマエッチング装置１０１は、接地された略円筒状のチャンバー６０を有している。チャンバー６０内には被処理基板であるウエハＷを水平に支持するための載置台６２が設けられている。この載置台６２は、チャンバー６０の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材６４により支持されている。支持部材６４はチャンバー６０の外部でモータ６６に連結されており、ウエハＷを載置した状態で載置台６２を水平方向に回転できるように構成されている。また、載置台６２には、支持部材６４の内部を介して冷媒が導入され、載置台６２に載置されたウエハＷの温度を調節できるように構成されている。
【００５０】
チャンバー６０の上部には、マイクロ波導入室６８が設けられている。このマイクロ波導入室６８は、上部に設けられた天板としての石英製のマイクロ波透過板７０と、このマイクロ波透過板７０に対向するように配備された電極７２ａ，７２ｂと、円筒状の側壁７４とを有している。マイクロ波透過板７０の上方には、図示しない導波管を介してマイクロ波発生装置に接続されており、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波導入室６８内に導入できるようになっている。
【００５１】
図５（ｂ）に拡大して示すように、電極７２ａ，７２ｂは、載置台６２から所定距離Ｌ１だけ離れた位置に配備されている。また、電極７２ａと電極７２ｂとの間には、ギャップ７３が設けられている。マイクロ波導入室６８に導入されたマイクロ波がこのギャップ７３に到達すると例えば５×１０１４／ｃｍ３の高密度のプラズマＰが生成される。ギャップ７３、つまり、電極７２ａと電極７２ｂとの間隔Ｌ２は、例えば０．１ｍｍ程度に設定することができる。
【００５２】
マイクロ波導入室６８の側壁には、ガス導入部材７５が設けられており、マイクロ波導入室６８内に処理ガスを供給できるように構成されている。このガス導入部材７５には、ガス供給系７７が接続されている。このガス供給系７７は、例えばＮＦ３ガス供給源７８、Ｈｅガス供給源７９を有しており、これらのガスが、それぞれガスライン８０を介してガス導入部材７５に至り、ガス導入部材７５のガス放射孔からチャンバー１内に均一に導入される。Ｈｅガスは、バブリング槽８２に収容されたＨ２Ｏ内でバブリングされた後、チャンバー内に導入するように構成されており、ガス中のＨ２Ｏの流量はガスライン８０に設けられた図示しない露点計で計測できるようになっている。なお、Ｈｅに代えて例えばＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの他の希ガスを用いることも可能である。
【００５３】
チャンバー６０の側面には排気管８４が接続されており、この排気管８４にはバルブ８５が設けられている。また、排気管８４はポンプなどの排気装置８６に接続されている。そしてこの排気装置８６を作動させることによりチャンバー１内のガスが、排気管８４を介して排気される。
【００５４】
また、マイクロ波導入室６８の周囲には熱交換器８８が設けられており、冷却水を流路８８ａに通流させることにより、マイクロ波導入室６８を外部から冷却できるように構成されている。
【００５５】
以上のような大気圧プラズマエッチング装置１０１では、載置台６２と電極７２ａ，７２ｂとの距離Ｌ１を例えば５ｍｍに設定し、載置台６２に載置されたウエハＷに形成されたシリコン酸化膜を、高密度のプラズマＰにより選択的にエッチングして除去することができる。
【００５６】
大気圧プラズマエッチング装置１０１を用いるエッチング条件は以下の通りである。処理ガスとしては、例えばＨｅ、ＮＦ３、Ｈ２Ｏ（Ｈｅバブリングによる）を用いることができる。処理ガス中にＨ２Ｏを添加することで、ＨＦが生成され、エッチングレートを向上させることができる。処理ガスの流量比としては、例えば、Ｈｅ／ＮＦ３／Ｈ２Ｏ＝８〜１６／３０〜２５０／１８０〜４００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましい。マイクロ波パワーは、５００〜１０００Ｗとすることが好ましい。チャンバー内処理圧力は、１０１３２５Ｐａ（７６０Ｔｏｒｒ）であり、処理温度は２０〜１００℃の範囲とすることが好ましい。このような条件で大気圧プラズマエッチング処理を実施することにより、ウエハＷのシリコン表面に形成されるシリコン酸化膜を下地のシリコンに対して高い選択比でエッチングすることができる。なお、大気圧プラズマ処理では、上記以外のガスとして、例えばＡｒガスとＮＦ３とＮＨ３またはＮＦ３とＮ２とＨ２ガスを含むガス系を用いることができる。
【００５７】
上記（４）のＣＯＲ処理は、図６に示すようなＣＯＲ処理装置１０２内で、ＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスをシリコン酸化膜に作用させて反応させた後、加熱により反応生成物を除去することにより行なわれる。図６において、ＣＯＲ処理装置１０２は、円筒状のチャンバー１１０と、該チャンバー１１０内に配置されたウエハＷの載置台１１２と、チャンバー１１０の上方に配置されたシャワーヘッド１１４と、チャンバー１１０内のガス等を排気する排気装置１１６と、を有する。載置台１１２は、内部に直流電圧が印加される電極板（図示せず）を有し、クーロン力又はジョンセン・ラーベック力によってウエハＷを吸着して保持する。
【００５８】
シャワーヘッド１１４は２層構造を有し、第１のバッファ室１１８及び第２のバッファ室１２０を有する。第１のバッファ室１１８及び第２のバッファ室１２０はそれぞれガス通気孔１２２，１２４を介してチャンバー１１０内に連通している。ウエハＷにＣＯＲ処理を施す際、第１のバッファ室１１８にはＮＨ３（アンモニア）ガスがアンモニアガス供給管１２６から供給され、ガス通気孔１２２を介してチャンバー１１０内へ供給されると共に、第２のバッファ室１２０にはＨＦ（弗化水素）ガスが弗化水素ガス供給管１２８から供給され、ガス通気孔１２４を介してチャンバー１１０内へ供給される。
【００５９】
ＣＯＲ処理条件は以下の通りである。まず、反応性ガスとシリコン酸化膜とを反応させる工程では、処理ガスとして、例えばＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスを用いることができる。処理ガスの流量比としては、例えば、ＨＦ／ＮＨ３＝０．１〜２が好ましく、流量はＨＦが５〜５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、ＮＨ３が５〜５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましい。この際のチャンバー内処理圧力は、０．１〜１３．３Ｐａとすることが好ましく、０．０６〜６．６７Ｐａとすることがより好ましい。処理温度は３０〜５００℃の範囲とすることが好ましく、５０〜３００℃がより好ましい。また、ＨＦガス、ＮＨ３ガスの分圧を調節する目的で、Ａｒガスを供給することが好ましい。
次に、加熱により反応生成物を取り除く工程では、反応生成物が形成されたウエハＷを、例えば５０〜３００℃、好ましくは１００〜２００℃の温度で３０〜３６０秒間、好ましくは１００〜２００秒間加熱することが好ましい。
このような条件でＣＯＲ処理を実施することにより、シリコン酸化膜を下地のシリコンに対して高い選択比で除去することができる。
【００６０】
上記（５）のＮＯＲ処理は、図７に示すようなＮＯＲ処理装置１０３内で、Ｈ、ＮおよびＮＦ３を含むプラズマをシリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、加熱により反応生成物を除去することにより行なわれる。ＮＯＲ処理装置１０３は、Ｎ２ガスとＨ２ガスの混合ガスをプラズマにより活性化するプラズマ形成管１５０と、ウエハＷに対して、自然酸化膜を除去するための処理を行なう処理容器１５２とを有している。この処理容器１５２の内部には、処理されるウエハＷが載置される載置台１５４が設けられている。また、この処理容器１５２の底部の周縁部には、図示しない真空ポンプなどの排気装置に接続された排気口１５６が設けられ、処理容器１５２内を真空引きできるようになっている。また、載置台１５４の下方には照射口１５８が形成されており、この照射口１５８には透過窓１６０が設けられている。透過窓１６０の下方には、複数の加熱ランプ１６２が設けられ、この加熱ランプ１６２から放出される加熱用の光線が透過窓１６０を透過して載置台１５４を介しウエハＷを裏面側から加熱できるようになっている。
【００６１】
一方、プラズマ形成管１５０は、処理容器１５２の天井部に起立状態で取り付けられている。このプラズマ形成管１５０の上端には、この管内にＮ２ガスとＨ２ガスよりなるプラズマガスを導入するガス導入部１６４が設けられており、このガス導入部１６４は図示しないＮ２ガス源及びＨ２ガス源が接続されている。
また、上記ガス導入部１６４の下には、プラズマ形成部１６６が設けられている。このプラズマ形成部１６６では、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマイクロ波発生源１６８で発生したマイクロ波を、導波管１７０を介して矩形導波管１７２へ供給するようになっている。そして、この供給されたマイクロ波によりプラズマ形成管１５０内にＨ２ガスとＮ２ガスの混合ガスのプラズマが生成し、ダウンフローを形成できるようになっている。プラズマ形成管１５０の下端部の流出口１７４の直下には、図示しないＮＦ３ガス供給源に接続されたシャワーヘッド１７６が設けられている。
【００６２】
ＮＯＲ処理条件は以下の通りである。Ｈ、ＮおよびＮＦ３を含むプラズマにより処理する工程では、まず、処理ガスとして例えばＨ２とＮ２とを含むガスを用いてマイクロ波励起プラズマを形成する。この際の処理ガスの流量比としては、例えば、Ｈ２／Ｎ２＝０．１〜１とすることが好ましい。流量は、Ｈ２が５０〜１５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）でＮ２が５０〜１５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましい。このプラズマにＮＦ３ガスを供給する。ＮＦ３の流量は、５〜３００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）とすることが好ましい。
また、チャンバー内圧力は２６６〜１３３３Ｐａとすることが好ましく、４００〜９３３Ｐａがより好ましい。温度は９０〜５００℃の範囲とすることが好ましい。他の条件として、例えばマイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚ、マイクロ波パワーは、２００〜１５００Ｗとすることが好ましい。このようにＨ、Ｎ、ＮＦ３を含む活性種をシリコン酸化膜と反応させ、反応生成物を形成せしめる。
【００６３】
次に、加熱により反応生成物を除去する工程では、反応生成物が形成されたウエハＷを、例えば５０〜３００℃、好ましくは１００〜２００℃の温度に３０〜３６０秒間加熱することが好ましい。
このような条件でＮＯＲ処理を実施することにより、シリコン酸化膜を下地のシリコンに対して高い選択比で除去することができる。
【００６４】
図１のステップＳ１〜ステップＳ３の工程手順でシリコン表面に初期パターンより微細な目的の２次パターンを形成した後は、必要に応じてこの２次パターンの表面を例えば酸化処理、窒化処理、酸窒化処理することにより、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）等を形成し、トランジスタ等の半導体装置においてゲート絶縁膜等として利用可能な絶縁膜を形成することができる。この場合、例えば酸化処理、窒化処理や酸窒化処理は、図３と同様の構成のプラズマ処理装置１００を用いて行なうことができる。また、例えばＩＣＰプラズマ、表面反射波プラズマ、マグネトロンプラズマ等のプラズマ処理装置を用いて酸化処理、窒化処理や酸窒化処理を行なうこともできる。
【００６５】
次に、製造過程で本発明のパターン形成方法を適用可能な半導体装置について説明する。本発明のパターン形成方法は、従来のフォトリソグラフィー技術によるパターン形成に比べて、さらに微細加工が可能な方法である。従って、例えばフィン構造、ダブルゲート構造などの３次元構造のトランジスタ等を作製する際のパターン形成に好適に利用できる。このような３次元構造のトランジスタは、ＬＳＩの高集積化、高速化にともなうデザインルールの微細化に伴い、従来のプレーナ型のＭＯＳトランジスタに代るものとして注目されている。
【００６６】
図８（ａ）は、３次元デバイスの一例として、フィン構造のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の概略構成例を模式的に示したものである。このフィン構造のＭＯＳＦＥＴ２００は、ＳｉＯ２膜などの下地膜２０１の上にフィン状または凸状のシリコン壁２０２が設けられている。このシリコン壁２０２の一部を覆うようにゲート絶縁膜２０６が形成され、さらにそのゲート絶縁膜２０６を介してゲート電極２０３が形成された３次元構造を有している。シリコン壁２０２の表面に形成されたゲート絶縁膜２０６は、頂部２０６ａと、両側の壁面部２０６ｂ，２０６ｃとの３面がゲート電極２０３に覆われていることにより、３ゲート構造のトランジスタを形成している。ゲート電極２０３を間に挟んでその両側に突出したシリコン壁２０２は、ソース２０４とドレイン２０５を形成しており、これらソース・ドレイン間に電流が流れることによりトランジスタが構成される。３ゲート構造の場合、３つのゲートでＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域を制御できることから、一つのゲートだけでチャンネル領域を制御する従来のプレーナ型ＭＯＳＦＥＴに比べ、短チャンネル効果を抑制する性能に優れており、３２ナノメートル・ノード以降の微細化・高集積化にも対応が可能である。
【００６７】
このような構造のＭＯＳＦＥＴ２００は、以下のようにして製造できる。例えば、ＳｉＯ２膜などの下地膜２０１の上に、例えばＣＶＤなどによりシリコン層を成膜した後、フォトリソグラフィー技術によってパターン形成されたマスクを用いてエッチングを行ない、図８（ｂ）に示すようにシリコン壁２０２ａを形成する。なお、図８（ｂ）では一つのシリコン壁２０２ａのみを図示しているが、実際には複数のシリコン壁２０２ａが並列的に形成され凹凸構造をなしている。
【００６８】
次に、シリコン壁２０２ａに対し、図１のステップＳ２（表面酸化工程）、ステップＳ３（酸化膜除去工程）の手順を繰り返して微細にパターニングしていき、所定の線幅を有するシリコン壁２０２を形成する。そして、目的の２次パターンが形成されたシリコン壁２０２の表面を例えば酸化雰囲気中で熱処理したり、あるいはＯ２ガスプラズマを用いてプラズマ酸化処理したりすることにより、ゲート絶縁膜２０６となるシリコン酸化膜を形成する。次に、シリコン壁２０２を覆うように例えばＣＶＤなどによりポリシリコン層を成膜した後、フォトリソグラフィー技術によってパターン形成されたマスクを用いてエッチングを行ない、ポリシリコンのゲート電極２０３を形成することによりＭＯＳＦＥＴ２００が得られる。
【００６９】
このような３次元構造のＭＯＳＦＥＴ２００を製造するに際して、例えば図１に示すステップＳ１〜ステップＳ３の手順のパターン形成方法を利用することによって、フォトリソグラフィー技術のみによるパターン形成に比較して、より微細なパターンを精度良く形成できる。
すなわち、本実施形態のパターン形成方法では、図３に例示されるプラズマ処理装置１００によって形成されるマイクロ波励起高密度プラズマを利用することによって、プラズマダメージを極力抑制しながら、シリコンの面方位［（１００）面や（１１０）面］に依存することなく均一なシリコン酸化膜を形成することができる。従って、このようなシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程（ステップＳ２）と、このシリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程（ステップＳ３）を繰り返すことにより、高い精度でパターン形成が可能になる。
【００７０】
次に、本発明の基礎となった実験結果について説明を行なう。
プラズマ処理装置１００を用い、下記の条件Ａで凹部（トレンチ）が形成されたシリコン（単結晶）表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を８ｎｍの膜厚で形成した。なお、比較のため条件Ｂの熱酸化方法により同様の膜厚でシリコン酸化膜を形成した。
【００７１】
得られたシリコン酸化膜について、ＳｉＯ２／Ｓｉ界面の粗さ（自乗平均平方根粗さ；Ｒｍｓ）をＡＦＭ（原子間力顕微鏡；Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）分析によって測定した。その結果を図９に示した。
【００７２】
また、シリコンの凹部の（１００）面と（１１０）面に形成された酸化膜の膜厚を測定し、面方位依存性を調べた。その結果を図１０に示した。
【００７３】
＜条件Ａ＞・・・ラジカル酸化処理
Ａｒ流量：５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、
Ｏ２流量：５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ２流量：５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２ガス比率：約１％
処理圧力：１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）
マイクロ波パワー：２７５０Ｗ
処理温度：４００℃
処理時間：９０秒
マイクロ波透過板２８の面積：１０２７ｍｍ２
【００７４】
＜条件Ｂ＞・・・ＷＶＧ熱酸化
処理温度：９５０℃
処理時間：４２０秒
【００７５】
図９より、プラズマ処理装置１００を用いてラジカル酸化を行なって得られたシリコン酸化膜は、熱酸化によるシリコン酸化膜に比べ、Ｒｍｓが小さく、ＳｉＯ２／Ｓｉ界面がより平滑であることが確認された。
【００７６】
また、図１０より、プラズマ処理装置１００を用いてラジカル酸化を行なって得られたシリコン酸化膜は、熱酸化によるシリコン酸化膜と比較して、（１００）面と（１１０）面での膜厚の差が小さく、面方位依存性が少ないことが確認できた。
【００７７】
さらに、シリコン酸化膜が形成された凹部のコーナーの形状を観察した。図１１および図１２はラジカル酸化後および熱酸化後の凹部の断面形状を示しており、（ａ）は上部コーナー（肩部）、（ｂ）は側壁部、（ｃ）は下部コーナーを示す。図１１（ａ）〜（ｃ）に示すようにプラズマ処理装置１００を用いてラジカル酸化を行なって得られたシリコン酸化膜は、図１２（ａ）〜（ｃ）の熱酸化によるシリコン酸化膜に比べ、凹部のコーナー（シリコン）に丸みが導入されているとともに、面方位に関わらず均一なシリコン酸化膜が形成されていた。コーナーが鋭角であると、形成されたシリコン酸化膜を絶縁膜として使用する半導体装置において、当該部位からリーク電流が発生しやすくなり、電気的特性の低下を招来するおそれがあるが、コーナーに丸みを形成することによってリークを防止できる。また、シリコンの面方位により膜厚が異なると、高いパターン精度が得られないが、ラジカル酸化を行うことで高いパターン精度が得られることが示された。
【００７８】
以上、図９〜図１２の結果から、プラズマ処理装置１００を用いてラジカル酸化を行ない、シリコン酸化膜を形成することの優位性が確認された。従って、プラズマ処理装置１００を用いて表面酸化工程（ステップＳ２）を実施することにより、ＳｉＯ２／Ｓｉ界面の平滑化、面方位依存性の抑制、コーナーへの丸みの導入が図られ、半導体装置の製造に利用価値の高い高精度かつ微細なパターン形成が可能であることが理解される。
【００７９】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施形態では、パターン形成方法を適用可能な半導体装置の製造例として３次元構造のＭＯＳＦＥＴの形成過程を例に挙げたが、これに限るものではなく、例えば、凹凸パターンに沿って高品質な酸化膜形成をする必要性が高いアプリケーションや、素子分離技術であるＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）におけるトレンチ内部の酸化膜形成やトランジスタのポリシリコンゲート電極の形成などにも適用できる。さらに、本発明のパターン形成方法は、トランジスタのポリシリコンゲート電極を形成する場合だけでなく、メタルゲート電極を形成する場合にも適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、各種半導体装置の製造過程において、シリコンにパターン形成をする場合に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明のパターン形成方法の手順の一例を示すフロー図。
【図２】本発明のパターン形成方法の原理を説明する図面。
【図３】表面酸化工程に利用可能なプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図。
【図４】平面アンテナ部材の構造を示す図面。
【図５】酸化膜除去工程に利用可能な大気圧プラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図。
【図６】ＣＯＲ処理装置の概略構成を示す図面。
【図７】ＮＯＲ処理装置の概略構成を示す図面。
【図８】３次元ＭＯＳＦＥＴの説明に供する図面であり、（ａ）はＭＯＳＦＥＴの外観斜視図、（ｂ）はフィン構造を示す斜視図である。
【図９】ＳｉＯ２／Ｓｉ界面のラフネスの比較結果を示すグラフである。
【図１０】シリコンの面方位とＳｉＯ２膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図１１】ラジカル酸化後の凹部の断面を示す写真であり、（ａ）は上部コーナー（肩部）、（ｂ）は側壁部、（ｃ）は下部コーナーを示す。
【図１２】熱酸化後の凹部の断面を示す写真であり、（ａ）は上部コーナー（肩部）、（ｂ）は側壁部、（ｃ）は下部コーナーを示す。
【符号の説明】
【００８２】
１；チャンバー（処理室）
２；サセプタ
３；支持部材
５；ヒータ
１５；ガス導入部材
１６；ガス供給系
１７；Ａｒガス供給源
１８；Ｏ２ガス供給源
１９；Ｈ２ガス供給源
２３；排気管
２４；排気装置
２５；搬入出口
２６；ゲートバルブ
２８；マイクロ波透過板
２９；シール部材
３１；平面アンテナ部材
３２；マイクロ波放射孔
３７；導波管
３７ａ；同軸導波管
３７ｂ；矩形導波管
３９；マイクロ波発生装置
４０；モード変換器
５０；プロセスコントローラ
１０１；大気圧プラズマエッチング装置
３００；初期パターン
３０１；中間パターン
３０２；２次パターン
Ｗ…ウエハ（基板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体上に第１の線幅を有する初期パターンが形成されたシリコン表面を、プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理し、前記初期パターンの表面にシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程と、
前記シリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、
を繰り返し行なうことにより、被処理体上に、前記第１の線幅に比べ微細な第２の線幅を持つ目的のパターンを形成することを特徴とする、パターン形成方法。
【請求項２】
前記酸化膜除去工程では、希フッ酸を用いたウェットエッチング処理により前記シリコン酸化膜を除去することを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項３】
前記酸化膜除去工程では、フッ酸蒸気雰囲気でのベーパーエッチング処理により前記シリコン酸化膜を除去することを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項４】
前記酸化膜除去工程では、大気圧プラズマエッチング処理により前記シリコン酸化膜を除去することを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項５】
前記酸化膜除去工程では、前記処理室と同一または別の処理室内でＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスを前記シリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、被処理体を加熱して該反応生成物を取り除くことにより、前記シリコン酸化膜を除去することを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項６】
前記酸化膜除去工程では、ＨとＮを含むガスのプラズマを形成してＨとＮを含む活性種を形成し、その活性種を前記処理室と同一または別の処理室内に導入するとともに、その処理室内に少なくともＮＦ３ガスを導入して前記活性種によりＮＦ３ガスを活性化し、これらＨ、ＮおよびＮＦ３を含む活性種を前記シリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、被処理体を加熱して該反応生成物を取り除くことにより、前記シリコン酸化膜を除去することを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項７】
前記第２の線幅が、２０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項８】
１回の前記表面酸化工程で形成される前記シリコン酸化膜の膜厚が、３〜１５ｎｍであることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項９】
前記表面酸化工程におけるプラズマ酸化処理は、シリコンの面方位にかかわらず均一なシリコン酸化膜を形成するプラズマ酸化処理方法により行うことを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１０】
前記表面酸化工程におけるプラズマ酸化処理は、Ｏ（１Ｄ２）ラジカルの密度が１×１０１２［ｃｍ−３］以上のプラズマを生成し、該プラズマにより前記シリコン表面を酸化処理することを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１１】
前記プラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナにより前記処理室内にマイクロ波を導入してマイクロ波励起プラズマを形成するプラズマ処理装置である、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１２】
前記プラズマ酸化処理における処理圧力が、１．３３〜３３４Ｐａである、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１３】
前記プラズマ酸化処理における処理ガス中の酸素の割合が０．２〜１％である、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１４】
前記処理ガスは、水素を０．０１〜１％の割合で含む、請求項１３に記載のパターン形成方法。
【請求項１５】
前記プラズマ酸化処理における処理温度が４００〜６００℃である、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のパターン形成方法により、前記目的のパターンを形成する工程と、
前記目的のパターンが形成された被処理体の表面を前記プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理し、シリコン酸化膜を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記半導体装置は、３次元構造デバイスである、請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
コンピュータ上で動作するプログラムが記憶されたコンピュータ読取り可能な記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、前記プラズマ処理装置の処理室内で、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のパターン形成方法における表面酸化工程が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御する、コンピュータ読取り可能な記憶媒体。
【請求項１９】
プラズマを発生させるプラズマ供給源と、
前記プラズマにより、被処理体を処理するための真空排気可能な処理室と、
前記処理室内で、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のパターン形成方法における表面酸化工程が行なわれるように制御する制御部と、
を備えた、プラズマ処理装置。
【請求項１】
被処理体上に第１の線幅を有する初期パターンが形成されたシリコン表面を、プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理し、前記初期パターンの表面にシリコン酸化膜を形成する表面酸化工程と、
前記シリコン酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、
を繰り返し行なうことにより、被処理体上に、前記第１の線幅に比べ微細な第２の線幅を持つ目的のパターンを形成することを特徴とする、パターン形成方法。
【請求項２】
前記酸化膜除去工程では、希フッ酸を用いたウェットエッチング処理により前記シリコン酸化膜を除去することを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項３】
前記酸化膜除去工程では、フッ酸蒸気雰囲気でのベーパーエッチング処理により前記シリコン酸化膜を除去することを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項４】
前記酸化膜除去工程では、大気圧プラズマエッチング処理により前記シリコン酸化膜を除去することを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項５】
前記酸化膜除去工程では、前記処理室と同一または別の処理室内でＨＦとＮＨ３を含む反応性ガスを前記シリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、被処理体を加熱して該反応生成物を取り除くことにより、前記シリコン酸化膜を除去することを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項６】
前記酸化膜除去工程では、ＨとＮを含むガスのプラズマを形成してＨとＮを含む活性種を形成し、その活性種を前記処理室と同一または別の処理室内に導入するとともに、その処理室内に少なくともＮＦ３ガスを導入して前記活性種によりＮＦ３ガスを活性化し、これらＨ、ＮおよびＮＦ３を含む活性種を前記シリコン酸化膜に作用させて反応生成物を形成した後、被処理体を加熱して該反応生成物を取り除くことにより、前記シリコン酸化膜を除去することを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項７】
前記第２の線幅が、２０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項８】
１回の前記表面酸化工程で形成される前記シリコン酸化膜の膜厚が、３〜１５ｎｍであることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項９】
前記表面酸化工程におけるプラズマ酸化処理は、シリコンの面方位にかかわらず均一なシリコン酸化膜を形成するプラズマ酸化処理方法により行うことを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１０】
前記表面酸化工程におけるプラズマ酸化処理は、Ｏ（１Ｄ２）ラジカルの密度が１×１０１２［ｃｍ−３］以上のプラズマを生成し、該プラズマにより前記シリコン表面を酸化処理することを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１１】
前記プラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナにより前記処理室内にマイクロ波を導入してマイクロ波励起プラズマを形成するプラズマ処理装置である、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１２】
前記プラズマ酸化処理における処理圧力が、１．３３〜３３４Ｐａである、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１３】
前記プラズマ酸化処理における処理ガス中の酸素の割合が０．２〜１％である、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１４】
前記処理ガスは、水素を０．０１〜１％の割合で含む、請求項１３に記載のパターン形成方法。
【請求項１５】
前記プラズマ酸化処理における処理温度が４００〜６００℃である、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のパターン形成方法により、前記目的のパターンを形成する工程と、
前記目的のパターンが形成された被処理体の表面を前記プラズマ処理装置の処理室内でプラズマ酸化処理し、シリコン酸化膜を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記半導体装置は、３次元構造デバイスである、請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
コンピュータ上で動作するプログラムが記憶されたコンピュータ読取り可能な記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、前記プラズマ処理装置の処理室内で、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のパターン形成方法における表面酸化工程が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御する、コンピュータ読取り可能な記憶媒体。
【請求項１９】
プラズマを発生させるプラズマ供給源と、
前記プラズマにより、被処理体を処理するための真空排気可能な処理室と、
前記処理室内で、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のパターン形成方法における表面酸化工程が行なわれるように制御する制御部と、
を備えた、プラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−１５９８９２（Ｐ２００８−１５９８９２Ａ）
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４７７１０（Ｐ２００６−３４７７１０）
【出願日】平成１８年１２月２５日（２００６．１２．２５）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２５日（２００６．１２．２５）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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