(57)【要約】【課題】  エッチングの際に、ハードマスク層の膜厚を一定に制御することが可能なエッチング方法を提供する。【解決手段】  エッチングガスとして、例えばＣＦ４とＡｒを含むガスを用いたプラズマエッチングによりシリコン窒化膜１０２の膜厚を監視しながらエッチングを行ない、シリコン窒化膜１０２の膜厚が所定膜厚に達した時点を終点として自然酸化膜１０３のエッチングを終了する。次に、シリコン窒化膜１０２をマスクとして、シリコン基板１０１を、エッチングガスとして例えばＣｌ２とＨＢｒとＡｒを含むガスを用いてトレンチ１１１の深さを監視しながらプラズマエッチングし、トレンチ１１１の深さが所定の値に達した時点をもって終点とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記パターンを構成する溝部に形成された被エッチング層と、前記マスク層と前記被エッチング層の下に形成された下地層と、を有する被処理基板のエッチング方法であって、
前記マスク層の膜厚を監視しながら被エッチング層のエッチングを行ない、前記マスク層の膜厚が所定の厚さになった時点でエッチングを終了することを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
前記マスク層はシリコン窒化膜であることを特徴とする、請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項３】
前記下地層はシリコン層であり、前記被エッチング層は、前記溝部において、前記シリコン層の表面に形成された自然酸化膜であることを特徴とする、請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項４】
前記自然酸化膜層のエッチング後に、前記マスク層をマスクとして、前記シリコン層のエッチング深さを監視しながら前記シリコン層をエッチングし、前記エッチング深さが所定量に達した時点で前記シリコン層のエッチングを終了することを特徴とする、請求項３に記載のエッチング方法。
【請求項５】
シャロートレンチアイソレーションにおけるトレンチエッチングに適用されることを特徴とする、請求項４に記載のエッチング方法。
【請求項６】
前記マスク層に光を照射し、前記マスク層の表面からの反射光および該マスク層と前記シリコン層との界面からの反射光を検出して、複数の波長の分光反射率を求め、予め作製された検量線に基づきカーブフィット法により膜厚を測定することにより、前記マスク層の膜厚の監視を行なうことを特徴とする、請求項５に記載のエッチング方法。
【請求項７】
所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記パターンを構成する溝部に形成された第１の被エッチング層と、前記第１の被エッチング層と前記マスク層の下に形成された第２の被エッチング層と、を有する被処理基板に対してエッチングを行なうエッチング装置であって、
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、被処理基板に対しエッチング処理を行なうための処理室を画成する処理容器と、
前記処理容器内で前記被処理基板を載置する基板保持台と、
前記処理容器内を減圧するための排気手段と、
前記処理容器内にガスを供給するためのガス供給手段と、
前記被処理基板の膜厚を光学的に測定しモニターする膜厚監視手段と、
前記膜厚監視手段からの膜厚情報によりエッチングプロセスを制御する制御手段と、
を備えており、
前記制御手段は、前記膜厚監視手段からの膜厚情報により、前記マスク層の膜厚が所定の厚さになった時点で、前記第１の被エッチング層のエッチングを終了させるとともに、前記第２の被エッチング層のエッチングを開始するように制御するものである、エッチング装置。
【請求項８】
前記膜厚監視手段は、被処理基板へ向けて光を照射する光源と、被処理基板からの反射光を分光する分光部と、分光された複数の波長の光を検出する光検出部と、該光検出部における検出結果を予め作製された検量線に基づき演算処理する演算処理部とを備えるとともに、前記マスク層に光を照射し、該マスク層の表面からの反射光および該マスク層と前記第２の被エッチング層との界面からの反射光を検出して、複数の波長の分光反射率を求め、予め作製された検量線に基づきカーブフィット法により前記マスク層の膜厚を測定できるように構成されている、請求項７に記載のエッチング装置。
【請求項９】
コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載されたエッチング方法に用いるエッチング装置を制御することを特徴とする、コンピュータ記憶媒体。
【請求項１０】
コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、請求項７または請求項８に記載されたエッチング装置を制御することを特徴とする、コンピュータ記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エッチング方法およびエッチング装置に関し、詳細には、半導体装置の製造過程の素子分離技術であるシャロートレンチアイソレーション（Shallow Trench Isolation；ＳＴＩ）などに適用可能なエッチング方法およびエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板上に形成された素子を電気的に分離する技術として、ＳＴＩが知られている。ＳＴＩでは、シリコン窒化膜などをマスクとしてシリコンをエッチングしてトレンチを形成し、その中にＳｉＯ２などの酸化膜を埋め込んだ後、化学機械研磨（ＣＭＰ；Chemical Mechanical Polishing）処理によりマスク（シリコン窒化膜）をストッパーとして平坦化する工程が実施される（例えば、特許文献１）。
【０００３】
上記ＳＴＩのシリコントレンチのエッチングを行なう工程は、シリコン窒化膜などをマスクとして、パターニング後にシリコン表面に形成された自然酸化膜を除去するためのエッチングを行なうＢＴ（Break Through）ステップと、自然酸化膜が除去されたシリコン層にトレンチを形成するためのエッチングを行なうメインステップと、の組み合わせで実施される（例えば、特許文献２）。
【０００４】
また、ＳＴＩに関する技術として、ＣＭＰ工程の終点検出を容易にするため、予めマスクに終点検出用層を形成しておき、これによって膜厚制御を行なう方法が提案されている（特許文献３）。
【０００５】
一方、特願２００３−９６６６６号では、レジスト膜をマスクとしてシリコン酸化膜をエッチングする際に、レジスト膜の膜減りを防止する目的で、レジスト膜の膜厚を光学的手法によって監視しながらプラズマエッチング処理を行なう方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−３０９１０８号公報
【特許文献２】特開平１１−２１４３５６号公報
【特許文献３】特開２００３−４５９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、パターニング後のシリコン表面に形成された自然酸化膜は、５〜１０秒程度の比較的短時間で除去できることから、従来ＢＴステップのエッチングの終点は一定の時間経過を目安に決定されていた。ＢＴステップは、シリコン窒化膜などのハードマスクのエッチングも進行しやすい条件で行なわれるが、ＢＴステップの終点を一律に時間で制御すると、マスクの残膜の膜厚に関係なくエッチングを終了させることになり、ＢＴステップ後のマスクの膜厚が一定しない。つまり、マスクの膜厚には、エッチング前からばらつきが存在するため、それがＢＴステップ後も持ち越されることになる。ＢＴステップに続いて実施されるメインステップでは、シリコンのエッチング速度は速いが、酸化膜や窒化膜に対してはエッチング速度が非常に遅い条件で行なわれる。従って、マスクの膜厚が一定しないまま、後段のＣＭＰ工程で表面研磨が行なわれることになる。
【０００７】
ＣＭＰ工程では、通常シリコン窒化膜などのマスク層の露出をもって研磨の終点とするため、マスク層の膜厚が一定でないと、埋め込み酸化膜の残膜量が一定にならないという不都合が生じる。また、ＣＭＰ工程後にウエットエッチングなどの方法でマスクを除去する際に、マスクの膜厚が一定でないとマスク残りが発生する場合もある。これらの問題を回避するため、特許文献３のようにマスクに終点検出層を設けることも技術的に可能であるが、工程数の増加を招くことから現実的な方法とは言えない。
【０００８】
従って、本発明の目的は、エッチングの際に、ハードマスク層の膜厚を一定に制御することが可能なエッチング方法およびエッチング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記パターンを構成する溝部に形成された被エッチング層と、前記マスク層と前記被エッチング層の下に形成された下地層と、を有する被処理基板のエッチング方法であって、
前記マスク層の膜厚を監視しながら被エッチング層のエッチングを行ない、前記マスク層の膜厚が所定の厚さになった時点でエッチングを終了することを特徴とするエッチング方法が提供される。
【００１０】
上記第１の観点においては、前記マスク層はシリコン窒化膜であることが好ましい。
また、前記下地層はシリコン層であり、前記被エッチング層は、前記溝部において、前記シリコン層の表面に形成された自然酸化膜であることが好ましい。
さらに、前記自然酸化膜層のエッチング後に、前記マスク層をマスクとして、前記シリコン層のエッチング深さを監視しながら前記シリコン層をエッチングし、前記エッチング深さが所定量に達した時点で前記シリコン層のエッチングを終了する工程を含むことができる。
【００１１】
上記エッチング方法は、シャロートレンチアイソレーションにおけるトレンチエッチングに適用されることが好ましい。この場合、前記マスク層に光を照射し、前記マスク層の表面からの反射光および該マスク層と前記シリコン層との界面からの反射光を検出して、複数の波長の分光反射率を求め、予め作製された検量線に基づきカーブフィット法により膜厚を測定することにより、前記マスク層の膜厚の監視を行なうことができる。
【００１２】
また、本発明の第２の観点によれば、所定形状のパターンが形成されたマスク層と、前記パターンを構成する溝部に形成された第１の被エッチング層と、前記第１の被エッチング層と前記マスク層の下に形成された第２の被エッチング層と、を有する被処理基板に対してエッチングを行なうエッチング装置であって、
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、被処理基板に対しエッチング処理を行なうための処理室を画成する処理容器と、
前記処理容器内で前記被処理基板を載置する基板保持台と、
前記処理容器内を減圧するための排気手段と、
前記処理容器内にガスを供給するためのガス供給手段と、
前記被処理基板の膜厚を光学的に測定しモニターする膜厚監視手段と、
前記膜厚監視手段からの膜厚情報によりエッチングプロセスを制御する制御手段と、
を備えており、
前記制御手段は、前記膜厚監視手段からの膜厚情報により、前記マスク層の膜厚が所定の厚さになった時点で、前記第１の被エッチング層のエッチングを終了させるとともに、前記第２の被エッチング層のエッチングを開始するように制御するものである、エッチング装置が提供される。
【００１３】
上記第２の観点のエッチング装置において、前記膜厚監視手段は、被処理基板へ向けて光を照射する光源と、被処理基板からの反射光を分光する分光部と、分光された複数の波長の光を検出する光検出部と、該光検出部における検出結果を予め作製された検量線に基づき演算処理する演算処理部とを備えるとともに、前記マスク層に光を照射し、該マスク層の表面からの反射光および該マスク層と前記第２の被エッチング層との界面からの反射光を検出して、複数の波長の分光反射率を求め、予め作製された検量線に基づきカーブフィット法により前記マスク層の膜厚を測定できるように構成することができる。
【００１４】
また、本発明の第３の観点によれば、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、前記第１の観点のエッチング方法に用いるエッチング装置を制御することを特徴とする、コンピュータ記憶媒体が提供される。
【００１５】
また、本発明の第４の観点によれば、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、前記第２の観点のエッチング装置を制御することを特徴とする、コンピュータ記憶媒体が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、マスク層の膜厚を監視しながらエッチングを行なうことにより、マスク層の膜厚を一定に制御することが可能となるため、例えば、ＳＴＩにおける自然酸化膜のエッチングに適用することにより、後で行なわれるＣＭＰ工程で埋め込み酸化膜の膜厚を一定に揃えることができるとともに、マスク残りを防止することができる。
【００１７】
また、第１の被エッチング層としての自然酸化膜層のエッチング後に、第２の被エッチング層としてのシリコン層のエッチング深さを監視しながらエッチングを行なう場合には、マスク残膜の膜厚とトレンチ深さを共に制御することができるので、高精度にＳＴＩを実施できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態を説明するため、例えばＳＴＩなどのシリコントレンチエッチング工程におけるウエハＷの縦断面の要部を拡大して模式的に示すものである。図１（ａ）に示すとおり、ウエハＷを構成するシリコン基板１０１上には、ハードマスクとして例えばＳｉ３Ｎ４などのシリコン窒化膜１０２が形成されている。このシリコン窒化膜１０２は、所定形状にパターニングされており、パターンを構成する溝部１１０のシリコン基板１０１上には、ＳｉＯ２による自然酸化膜１０３が形成されている。
【００１９】
ＢＴステップでは、パターニング後にシリコン基板１０１表面に形成されている自然酸化膜１０３を除去するためのエッチングが行なわれる。この自然酸化膜１０３除去のためのＢＴステップでは、エッチングガスとして、例えばＣＦ４とＡｒを含むガスを用い、プラズマエッチングを行なう。この際、シリコン窒化膜１０２もエッチングされるため、シリコン窒化膜１０２の膜厚を監視しながらエッチングを行なう。そして、図１（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜１０２の膜厚が、初期膜厚（破線で示す）から予め設定した所定膜厚に減少した時点を以て終点として自然酸化膜１０３のエッチングを終了する。
【００２０】
次に、残ったシリコン窒化膜１０２をマスクとして、シリコン基板１０１にトレンチを形成するためのエッチングが行なわれる（メインステップ）。つまり、シリコン窒化膜１０２からなるハードマスクを介して、単結晶シリコンからなるシリコン基板１０１を、エッチングガスとして例えばＣｌ２とＨＢｒとＡｒを含むガスを用いたプラズマエッチングによりエッチングし、同図（ｃ）に示すとおり、シリコン基板１０１に、トレンチ１１１を形成する。このメインステップにおけるトレンチエッチングは、例えば、トレンチ１１１の深さを監視しながら実施し、トレンチ１１１の深さが所定の値に達した時点をもって終点とすることができる。
【００２１】
図２は、本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置の構成の一例を模式的に示すものである。このプラズマエッチング装置１は、電極板が上下平行に対向し、双方に高周波電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００２２】
このプラズマエッチング装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。チャンバー２内には、例えばシリコンからなり、その上に被処理体として、所定の膜が形成された半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に載置し、下部電極として機能するサセプタ５がサセプタ支持台４に支持された状態で設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００２３】
サセプタ支持台４の内部には、温度調節媒体室７が設けられており、導入管８を介して温度調節媒体室７に温度調節媒体が導入、循環され、サセプタ５を所望の温度に制御できるようになっている。
【００２４】
サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在された構成となっており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、クーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００２５】
そして、絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを所定圧力（バックプレッシャー）にて供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５とウエハＷとの間の熱伝達がなされ、ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００２６】
サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はセラミックスあるいは石英などの絶縁性材料からなり、エッチングの均一性を向上させるように作用する。
【００２７】
サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２３を有する、例えば石英からなる電極板２４と、この電極２４を支持する導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体２５とによって構成されている。なお、サセプタ５と上部電極２１との間隔は、調節可能とされている。
【００２８】
上部電極２１における電極支持体２５の中央には、ガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続され、この処理ガス供給源３０から、プラズマエッチングのためのエッチングガスが供給されるようになっている。なお、図２では、一つの処理ガス供給源３０のみを代表的に図示しているが、処理ガス供給源３０は複数設けられており、例えば、ＣＦ４、Ａｒ、Ｃｌ２、ＨＢｒ、Ｏ２等のガスをそれぞれ独立に流量制御して、チャンバー２内に供給できるよう構成されている。
【００２９】
チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁には、ゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００３０】
上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が設けられている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することにより、チャンバー２内に好ましい解離状態で、かつ高密度のプラズマを形成することができ、低圧条件下でのプラズマ処理が可能となる。この第１の高周波電源４０の周波数は、５０〜８０ＭＨｚが好ましく、典型的には図２中に示すように６０ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００３１】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が設けられている。この第２の高周波電源５０は、数百ｋＨｚ〜十数ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、ウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は、例えば図２に示すように１３．５６ＭＨｚ、または８００ＫＨｚ等の条件が採用される。
【００３２】
プラズマエッチング１は、膜厚監視手段としての膜厚測定部７０を備えている。この膜厚測定部７０は、ウエハＷへ向けて複数の波長を有する光を照射し、その反射光を検出することにより、膜厚を測定できるように構成されている。
【００３３】
図３は、膜厚測定部７０の概要を示す図面である。膜厚測定部７０は、ウエハＷへ向けて光を照射する光源７１と、ウエハＷからの反射光を分光するポリクロメータを有する分光部７２と、分光された複数の波長の光を検出する光検出部７３と、該光検出部７３における検出結果を予め作製された検量線に基づき演算処理する演算処理部７４とを備えている。
【００３４】
エッチング中にシリコン窒化膜１０２の膜厚を測定する際には、プラズマエッチング装置１のチャンバー２内のウエハ表面に対して、光源７１からの光を光ファイバ７５、レンズ７６を介して図示しない照射窓から照射する。照射された光は、ウエハＷに形成された各層界面で反射されるため、その反射光を採光し、分光部７２で分光し、光検出部７３において検出する。光検出部７３で検出された各波長の光の反射比率は、演算処理部７４において処理される。
【００３５】
マスクとしてのシリコン窒化膜１０２の膜厚を検出する場合、シリコン窒化膜１０２表面で反射された光と、シリコン窒化膜１０２とシリコン層１０１との界面において反射された光が干渉を起こす。この干渉光の強度は、シリコン窒化膜１０２の膜厚に応じて変化する。従って干渉光を検出することにより、シリコン窒化膜１０２の膜厚を測定できる。
【００３６】
膜厚測定に際しては、前もってウエハＷに光が垂直に入射されるという条件でシリコン窒化膜１０２の膜厚が任意の厚さであるときの分光反射率を計算により求め、シリコン窒化膜１０２が形成されていない場合の分光反射率との比（分光反射比率）を算出して検量線を作製し、演算処理部７４のメモリに記憶させておく。この検量線は、エッチング対象のシリコン窒化膜１０２がエッチング中にとり得る膜厚変化範囲をカバーできるように所定の範囲で作製しておけばよい。
【００３７】
次に、膜厚測定対象のウエハＷに複数の波長を有する光を照射し、そのウエハＷにより反射された光を分光し、分光反射率を測定し、シリコン窒化膜１０２が形成されていない場合の分光反射率との比をとって分光反射比率を求め、これを演算処理部７４のメモリに記憶させる。このように計測された実測データをカーブフィット法によって検量線と比較することにより、測定対象のシリコン窒化膜１０２の膜厚を求めることができる。
【００３８】
プラズマエッチング装置１の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ６０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６０には、工程管理者がプラズマエッチング装置１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、プラズマエッチング装置１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イス６１が接続されている。
【００３９】
また、プロセスコントローラ６０には、プラズマエッチング装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ６０の制御にて実現するための制御プログラム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６２が接続されている。
【００４０】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェイス６１からの指示や、前記膜厚測定部７０の演算処理部７４からの膜厚情報（エッチングの終点を示す制御信号）を受けて、任意のレシピを記憶部６２から呼び出してプロセスコントローラ６０に実行させることで、プロセスコントローラ６０の制御下で、プラズマエッチング装置１での所望の処理が行われる。また、前記レシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスクなどの読み出し可能な記憶媒体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。
【００４１】
次に、このように構成されるプラズマエッチング装置１によって、シリコン単結晶からなるウエハＷをエッチングし、溝（トレンチ）を形成する工程について説明する。
【００４２】
まず、二酸化シリコンによる自然酸化膜１０３およびシリコン窒化膜１０２が形成されたウエハＷを、ゲートバルブ３２を開放して、図示しないロードロック室からチャンバー２内へ搬入し、静電チャック１１上に載置する。そして、直流電源１３から直流電圧を印加することによって、ウエハＷを静電チャック１１上に静電吸着する。
【００４３】
次いで、ゲートバルブ３２を閉じ、排気装置３５によって、チャンバー２内を所定の真空度まで真空引きする。その後、バルブ２８を開放し、処理ガス供給源３０からエッチング用のガスとして、例えば、ＣＦ４とＡｒを、マスフローコントローラ２９によって所定の流量比、例えば１００／２００ｍＬ／ｍｉｎに調整しつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６、上部電極２１の中空部へと導入し、電極板２４の吐出孔２３を通じて、図２に矢印で示すように、ウエハＷに対して均一に吐出させる。
【００４４】
このＢＴステップにおいて、チャンバー２内の圧力は、所定の圧力、例えば、２．７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）程度の圧力に維持し、第１の高周波電源４０から上部電極２１に６００Ｗ、第２の高周波電源５０から下部電極としてのサセプタ５に２２０Ｗの高周波電圧をそれぞれ印加し、エッチングガスをプラズマ化してウエハＷの自然酸化膜１０３のエッチングを行う。なお、バックプレッシャーは、ウエハＷのセンター部／エッジ部で１３３３／１３３３Ｐａ（１０／１０Ｔｏｒｒ）とすることができる。
【００４５】
ＢＴステップでは、前記したように膜厚測定部７０によって複数波長、例えば２４０ｎｍ〜３５０ｎｍの反射光に基づきシリコン窒化膜１０２の膜厚を監視しながらエッチングを行ない、シリコン窒化膜１０２の膜厚が一定に減少した時点でエッチングを終了する。このように、自然酸化膜１０３のエッチングに際して、シリコン窒化膜１０２の膜厚を基準に終点を決定することにより、シリコン窒化膜１０２の膜厚を一定にすることが可能となり、後段のＣＭＰ工程でマスク残りや埋め込み酸化膜の残膜量のばらつきを回避できる。
【００４６】
次に、メインステップでは、シリコン基板１０１にトレンチを形成する。すなわち、バルブ２８を開放し、処理ガス供給源３０からエッチング用のガスとして、例えば、Ｃ１２とＨＢｒとＯ２を、マスフローコントローラ２９によって所定の流量比、例えば５５／５５／６ｍＬ／ｍｉｎに調整しつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６、上部電極２１の中空部へと導入し、電極板２４の吐出孔２３を通じて、図２に矢印で示すように、ウエハＷに対して均一に吐出させる。
【００４７】
このメインステップにおいて、チャンバー２内の圧力は、所定の圧力、例えば、６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）程度の圧力に維持し、第１の高周波電源４０から上部電極２１に２５０Ｗ、第２の高周波電源５０から下部電極としてのサセプタ５に３５０Ｗの高周波電圧をそれぞれ印加し、エッチングガスをプラズマ化してウエハＷの自然酸化膜１０３のエッチングを行う。なお、バックプレッシャーは、ウエハＷのセンター部／エッジ部で１３３３／１３３３Ｐａ（１０／１０Ｔｏｒｒ）とすることができる。
【００４８】
メインステップでは、膜厚測定部７０により、シリコン基板１０１に形成されていくトレンチ１１１の深さを監視しながらエッチングを行ない、トレンチ１１１の深さが一定に達したらエッチングを終了する。なお、メインステップにおけるトレンチ１１１の深さを測定する場合には、必ずしも複数波長の光を計測する必要はなく、任意の波長、例えば２６１ｎｍの反射光を計測することにより測定できる。
【００４９】
メインステップの終了後は、通常のＳＴＩの工程、すなわち、酸化膜の埋め込み、ＣＭＰによる平坦化を実施することにより、素子分離が行なわれる。
【００５０】
次に、本発明の効果を確認するための実験結果について説明する。図２のプラズマエッチング装置１を用い、１枚目；サンプルウエハ、２枚目；ダミーウエハ、３枚目；サンプルウエハ、４枚目；ダミーウエハ、５枚目；サンプルウエハの順にエッチング処理を行なった。なお、サンプルウエハは、図１（ａ）と同様に、シリコン基板１０１にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）１０２と自然酸化膜１０３が形成されたものであり、ダミーウエハは、シリコンのみからなるベアシリコン基板である。
【００５１】
プラズマエッチングの処理条件は、ＣＦ４とＡｒを流量１００／２００ｍＬ／ｍｉｎで導入するとともに、チャンバー２内を２．７Ｐａ程度の圧力に維持し、第１の高周波電源４０から上部電極２１に６００Ｗ、第２の高周波電源５０から下部電極としてのサセプタ５に２２０Ｗの高周波電圧をそれぞれ印加し、ウエハＷのセンター部／エッジ部のバックプレッシャーは、１３３３／１３３３Ｐａ、チャンバー内の温度は、上部電極２１が８０℃、側壁が６０℃、サセプタ５（ウエハＷ）が３０℃とした。
【００５２】
サンプルウエハ１、３、５については、膜厚測定部７０によりシリコン窒化膜１０２の膜厚を監視し、膜厚が７０ｎｍとなった時点でエッチングを終了するようにした。また、確認のため、各サンプルウエハ１，３，５のエッチング前の膜厚とエッチング後の膜厚を膜厚測定器ＡＳＥＴ  Ｆ５（ＫＬＡ社製）を使用して実測した。その結果を表１に示す。なお、表１中、「計測値」は膜厚測定部７０により計測された膜厚であり、「実測値」は膜厚測定器ＡＳＥＴ  Ｆ５を用いて実測した値である。
【００５３】
【表１】
2006086168.tif 000003
【００５４】
表１から、エッチング前のサンプルウエハ１、３、５では、シリコン窒化膜１０２の膜厚に２．６ｎｍのばらつきがあったのに対し、シリコン窒化膜１０２の膜厚を監視しながらＢＴステップのエッチングをした後は、１．４ｎｍに減少していた。この結果から、膜厚の監視をしながらＢＴステップのエッチングを行なうことにより、ハードマスクの膜厚を一定に制御できることが確認できた。
従って、シリコン窒化膜１０２の膜厚を監視しながら自然酸化膜１０３をエッチングし、次いで、トレンチ１１１の深さ監視しながらシリコン層１０１のエッチングを行なうことにより、エッチング後のマスク層（シリコン窒化膜１０２）の膜厚およびトレンチ深さを一定に保つことができる。また、この場合、ＢＴステップではシリコン層１０１のエッチング量が少なく、メインステップではシリコン窒化膜１０２のエッチング量が少ない条件でエッチングが行なわれるため、誤差が生じることなく精度良くＳＴＩを実施できる。
【００５５】
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、上記実施形態では容量結合型の平行平板エッチング装置を用いたが、本発明の範囲のガス圧力でプラズマを形成することができれば装置は問わず、誘導結合型等の種々のプラズマエッチング装置を用いることができる。また、上記実施形態ではＳＴＩを例に挙げたが、他のエッチングにおける膜厚の測定にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態を説明するためのウエハ断面の構成を模式的に示す図面。
【図２】本発明のプラズマエッチング装置の概要を示す図面。
【図３】膜厚測定部の詳細を説明するための図面。
【符号の説明】
【００５７】
１；プラズマエッチング装置
２；チャンバー
６０；プロセスコントローラ
６１；ユーザーインターフェイス
６２；記憶部
７０；膜厚測定部
７１；光源
７２；分光部
７３；光検出部
７４；演算処理部
７５；光ファイバ
７６；レンズ
１０１；シリコン基板
１０２；シリコン窒化膜
１０３；自然酸化膜
１１０；溝部
１１１；トレンチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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