(57)【要約】【課題】高アスペクト比でも異なる開口幅のトレンチの深さ制御が行え、かつ、プロセス時間の増大を抑制できるようにする。【解決手段】エッチングステップ時にＭ種類の異なる幅の複数のトレンチ３３のうちＮ番目（ただし、ＮはＭ未満の整数）に幅の狭いトレンチ３３の底面上で保護膜３４が除去されたタイミングに合せて、当該エッチングステップの残り時間内でＮ番目のトレンチ３３の底面上におけるシリコンのエッチング量が（Ｎ＋１）番目に幅の狭いトレンチ３３の底面上におけるシリコンのエッチング量以上になるように、反応性イオンエッチングにおける入射イオンのエネルギー値を設定する。【選択図】図３
2011211016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー（２）内にシリコン層を含むウェハ（３）を設置し、前記シリコン層の上に形成されたマスク（３２）の開口部（３１）によって規定されたＭ種類（ただし、Ｍは２以上の整数）の異なる幅の複数のトレンチ（３３）を同時に形成するトレンチ形成工程を含み、前記チャンバー（２）内に複数種類のガスを切替えながら導入すると共にプラズマ化し、前記トレンチ（３３）の側壁および底面にポリマー系の保護膜（３４）を成膜する保護膜堆積ステップと前記保護膜（３４）のうち前記トレンチ（３３）の底面に形成された部分を除去して前記シリコン層を露出させ、前記トレンチ（３３）を反応性イオンエッチングにより深くするエッチングステップとを繰り返しながら前記トレンチ形成工程を行う半導体装置の製造方法であって、
前記トレンチ形成工程では、前記エッチングステップ時に前記Ｍ種類の異なる幅の複数のトレンチ（３３）のうちＮ番目（ただし、ＮはＭ未満の整数）に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上で前記保護膜（３４）が除去されたタイミングに合せて、当該エッチングステップの残り時間内で前記Ｎ番目のトレンチ（３３）の底面上におけるシリコンのエッチング量が（Ｎ＋１）番目に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上におけるシリコンのエッチング量以上になるように、前記反応性イオンエッチングにおける入射イオンのエネルギー値を設定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記トレンチ形成工程では、前記エッチングステップ時に前記Ｎ番目に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の前記保護膜（３４）が除去されたタイミングに合せて、当該エッチングステップの残り時間内で前記（Ｎ＋１）番目に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の前記保護膜（３４）がすべて除去されるように、前記反応性イオンエッチングにおける入射イオンのエネルギー値を設定することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記トレンチ形成工程では、前記エッチングステップ時に前記Ｎ番目に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の前記保護膜（３４）が除去されたタイミングに合せて、前記（Ｎ＋１）番目に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の前記保護膜（３４）の除去作用が生じるしきい値（Ａ）未満に、前記反応性イオンエッチングにおける入射イオンのエネルギー値を設定することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
チャンバー（２）内にシリコン層を含むウェハ（３）を設置し、前記シリコン層の上に形成されたマスク（３２）の開口部（３１）によって規定されたＭ種類（ただし、Ｍは２以上の整数）の異なる幅の複数のトレンチ（３３）を同時に形成するトレンチ形成工程を含み、前記チャンバー（２）内に複数種類のガスを切替えながら導入すると共にプラズマ化し、前記トレンチ（３３）の側壁および底面にポリマー系の保護膜（３４）を成膜する保護膜堆積ステップと前記保護膜（３４）のうち前記トレンチ（３３）の底面に形成された部分を除去して前記シリコン層を露出させ、前記トレンチ（３３）を反応性イオンエッチングにより深くするエッチングステップとを繰り返しながら前記トレンチ形成工程を行う半導体装置の製造方法であって、
前記トレンチ形成工程では、前記エッチングステップ時に前記Ｍ種類の異なる幅の複数のトレンチ（３３）のうち最も幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の前記保護膜（３４）が除去されたタイミングから所定時間（δｔ）経過後に、底面上に前記保護膜（３４）が残っている前記トレンチ（３３）の該保護膜（３４）の除去作用が生じるしきい値（Ａ）未満に、前記反応性イオンエッチングにおける入射イオンのエネルギー値を設定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記トレンチ形成工程では、前記Ｍ種類の異なる幅の複数のトレンチ（３３）のうち最も幅の狭いトレンチ（３３）の側面上の前記保護膜（３４）が除去されたタイミングに合せて、前記エッチングステップから前記保護膜堆積ステップに切替えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記タイミングを、発光分光器（１１）を用いて前記プラズマからの発光スペクトルの波形変化から検出することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記タイミングを、前記プラズマ中の発光スペクトルのうちのＦラジカルに由来するピークもしくはＣ+イオンに由来するピークの発光強度の波形変化から検出することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記トレンチ形成工程は、前記保護膜堆積ステップおよび前記エッチングステップを複数回繰り返したのち、前記チャンバー（２）内に酸素プラズマを誘起し、前記ウェハ（３）に照射することで、前記トレンチ（３３）の底面上に堆積した前記保護膜（３４）を除去する工程を含んでいることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる幅のトレンチを同時に形成する半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ドライエッチング技術によってトレンチを形成する場合、エッチングレートのマスク開口幅依存性が存在する。この依存性は、「ＲＩＥ−ｌａｇ」等と呼ばれ、異なる幅のトレンチを同時に形成する際にトレンチ深さを同じにすることを困難にしている。図１８は、一定条件でドライエッチングにてトレンチを形成した場合のマスク開口幅に対するトレンチ深さの関係を示したグラフである。この図に示されるように、マスク開口幅がある程度大きくなるとトレンチ深さが一定に近づくが、マスク開口幅が小さい場合、マスク開口幅が小さくなればなるほどトレンチ深さが浅くなる。
【０００３】
このため、従来では、異なる幅のトレンチを同時に形成する場合において、深さを揃えるために、Ｓｉ基板と比較して非常に高価であるＳＯＩ（Silicon on insulator）基板を用いている。ＳＯＩ基板では、埋込酸化膜がエッチングストッパーとなるため、埋込酸化膜までエッチングを行うことで、異なる幅のトレンチであっても同じ深さに形成することが可能となる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１５８２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＳＯＩ基板を用いる場合だけでなく、単なるＳｉ基板を用いる場合でも深さを同じにできるようにすることが望まれる。また、同じ深さにすることに限らず、異なる幅のトレンチの深さをそれぞれ所望の深さに制御できるようにすることが望まれる。
【０００６】
そこで、本発明者らは、先に、酸化膜とポリマー系保護膜の二種類の二重保護膜をトレンチの内壁面に形成することでＲＩＥ−ｌａｇを抑制し、異なる開口幅のトレンチを同じ深さにする方法を提案している（特願２００９−１４２１２０参照）。
【０００７】
しかしながら、先の出願のように異なる二種類の二重保護膜形成によってＲＩＥ−ｌａｇを抑制する方法では、ＲＩＥ−ｌａｇ調整範囲に限界があるし、プロセス時間が増大するという問題がある。
【０００８】
具体的には、エッチング深さが深くなっていくと、トレンチ底面において保護膜の除去が不完全になって部分的に保護膜が残存し、それによっていわゆるブラックシリコン（剣山のようなエッチング残り）が発生する。ＲＩＥ−ｌａｇ調整範囲を調べたところ、図１９に示す結果が得られ、ＲＩＥ−ｌａｇを抑制できるのはおよそアスペクト比が２０程度までであり、それ以上のアスペクト比では深さが揃わなかったり、ブラックシリコンが発生してしまうことがあった。
【０００９】
また、異なる二種類の二重保護膜を形成しなければならないため、保護膜形成および保護膜除去をそれぞれ二種類ずつ異なるステップで行う必要があり、プロセス時間が増大してしまう。
【００１０】
本発明は上記点に鑑みて、高アスペクト比でも異なる開口幅のトレンチの深さ制御が行え、かつ、プロセス時間の増大を抑制できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、チャンバー（２）内に複数種類のガスを切替えながら導入すると共にプラズマ化し、トレンチ（３３）の側壁および底面にポリマー系の保護膜（３４）を成膜する保護膜堆積ステップと保護膜（３４）のうちトレンチ（３３）の底面に形成された部分を除去してシリコン層を露出させ、トレンチ（３３）を反応性イオンエッチングにより深くするエッチングステップとを繰り返しながらトレンチ形成工程を行う半導体装置の製造方法であって、トレンチ形成工程では、エッチングステップ時にＭ種類の異なる幅の複数のトレンチ（３３）のうちＮ番目（ただし、ＮはＭ未満の整数）に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上で保護膜（３４）が除去されたタイミングに合せて、当該エッチングステップの残り時間内でＮ番目のトレンチ（３３）の底面上におけるシリコンのエッチング量が（Ｎ＋１）番目に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上におけるシリコンのエッチング量以上になるように、反応性イオンエッチングにおける入射イオンのエネルギー値を設定することを特徴としている。
【００１２】
このようなトレンチ形成工程を行うことにより、異なる幅のトレンチ（３３）を形成する場合に、幅狭のトレンチ（３３）を幅広のトレンチ（３３）よりも深く掘ることができる逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象を起こすことが可能となる。そして、トレンチ（３３）の幅に対する保護膜（３４）の膜厚の依存性に基づいて、一種類の保護膜（３４）のみによって、逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象を起こすことが可能となる。このため、通常のＲＩＥ−ｌａｇを生じさせるプロセス条件でのエッチングと適切な時間配分比で組み合わせることにより、ＲＩＥ−ｌａｇを抑制できる。
【００１３】
したがって、二種類の二重保護膜形成によってＲＩＥ−ｌａｇを抑制する方法と比較して、高アスペクト比のトレンチ（３３）を形成してもブラックシリコンが発生することを抑制できるし、二種類の保護膜を形成する必要性も無くすことができる。よって、より高アスペクト比でも異なる開口幅のトレンチ（３３）の深さ制御が行え、かつ、プロセス時間の増大を抑制することが可能となる。
【００１４】
請求項２に記載の発明では、トレンチ形成工程では、エッチングステップ時にＮ番目に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の保護膜（３４）が除去されたタイミングに合せて、当該エッチングステップの残り時間内で（Ｎ＋１）番目に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の保護膜（３４）がすべて除去されるように、反応性イオンエッチングにおける入射イオンのエネルギー値を設定することを特徴としている。
【００１５】
このようにすれば、（Ｎ＋１）番目に幅が狭いトレンチ（３３）の底面がエッチングされることを防止しつつ、（Ｎ＋１）番目に幅が狭いトレンチ（３３）の底面上の保護膜（３４）も除去することが可能となり、エッチングプロセスの繰り返しによって（Ｎ＋１）番目に幅が狭いトレンチ（３３）に残存する保護膜（３４）が厚くなり過ぎないようにすることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、トレンチ形成工程では、エッチングステップ時にＮ番目に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の保護膜（３４）が除去されたタイミングに合せて、（Ｎ＋１）番目に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の保護膜（３４）の除去作用が生じるしきい値（Ａ）未満に、反応性イオンエッチングにおける入射イオンのエネルギー値を設定することを特徴としている。
【００１７】
このように、（Ｎ＋１）番目に幅が狭いトレンチ（３３）の底面上の保護膜（３４）の除去作用が生じないように、反応性イオンエッチングの入射イオンのエネルギー値を設定しても良い。
【００１８】
請求項４に記載の発明では、トレンチ形成工程では、エッチングステップ時にＭ種類の異なる幅の複数のトレンチ（３３）のうち最も幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の保護膜（３４）が除去されたタイミングから所定時間（δｔ）経過後に、底面上に保護膜（３４）が残っているトレンチ（３３）の該保護膜（３４）の除去作用が生じるしきい値（Ａ）未満に、反応性イオンエッチングにおける入射イオンのエネルギー値を設定することを特徴としている。
【００１９】
Ｍ種類の幅が異なるトレンチ（３３）を形成するとき、各幅のトレンチ（３３）の底面上の保護膜（３４）が除去されたことを正確に検出できない可能性がある。このような場合には、便宜的に所定時間（δｔ）を定義しておき、最も幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の保護膜（３４）が除去されたタイミングからの経過時間を計測する。そして、その経過時間が所定時間（δｔ）に至った時に、底面上に保護膜（３４）が残っているトレンチ（３３）の該保護膜（３４）の除去作用が生じるしきい値（Ａ）未満に、反応性イオンエッチングにおける入射イオンのエネルギー値を設定することで、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明では、トレンチ形成工程では、Ｍ種類の異なる幅の複数のトレンチ（３３）のうち最も幅の狭いトレンチ（３３）の側面上の保護膜（３４）が除去されたタイミングに合せて、エッチングステップから保護膜堆積ステップに切替えることを特徴としている。
【００２１】
このような制御を行うことにより、最も幅の狭いトレンチ（３３）において側壁面上の保護膜（３４）が消滅した後のエッチングを抑えることができ、トレンチ深さ方向のみにエッチングが進行するというエッチングの異方性が増し、高アスペクト比のエッチングが可能になる。
【００２２】
請求項６に記載の発明では、各種タイミングを、発光分光器（１１）を用いてプラズマからの発光スペクトルの波形変化から検出することを特徴としている。
【００２３】
このように、発光分光器（１１）を用いてプラズマからの発光スペクトルの波形変化に基づいて、Ｎ番目に幅の狭いトレンチ（３３）の底面上で保護膜（３４）が除去されたタイミングや、最も幅の狭いトレンチ（３３）の底面上の保護膜（３４）が除去されたタイミングを検出することができる。例えば、請求項７に記載したように、プラズマ中の発光スペクトルのうちのＦ（フッ素）ラジカルに由来するピークもしくはＣ+イオンに由来するピークの発光強度の波形変化から上記各タイミングを検出することができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明では、トレンチ形成工程は、保護膜堆積ステップおよびエッチングステップを複数回繰り返したのち、チャンバー（２）内に酸素プラズマを誘起し、ウェハ（３）に照射することで、トレンチ（３３）の底面上に堆積した保護膜（３４）を除去する工程を含んでいることを特徴としている。
【００２５】
保護膜堆積ステップおよびエッチングステップを含むエッチングプロセスを繰り返し行うと、幅広のトレンチ（３３）の底面上の保護膜（３４）が累積されて厚くなり、後で除去し難くなる可能性がある。このため、保護膜堆積ステップおよびエッチングステップを複数回繰り返したのち、チャンバー（２）内に酸素プラズマを誘起し、ウェハ（３）に照射することで、トレンチ（３３）の底面上に堆積した保護膜（３４）を除去する工程をエッチングプロセスに含めると好ましい。
【００２６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の製造方法におけるトレンチエッチングプロセス（トレンチ形成工程）に用いるエッチング装置の概略構成図である。
【図２】保護膜堆積ステップとエッチングステップを模式的に示した断面図である。
【図３】異なる幅の２つのトレンチ３３を形成するときの保護膜堆積ステップとエッチングステップの様子を示した断面図である。
【図４】（ａ）は、Ｆラジカル由来の発光ピークの発光強度の変化を示した図、（ｂ）は、トレンチ３３の底面での保護膜堆積量およびエッチング量の変化を調べた結果を示す図、（Ｃ）は、バイアスＲＦパワーの変化を示した図である。
【図５】バイアスＲＦパワーと規格化エッチングレートの関係を示した図である。
【図６】エッチングプロセスの一例を示したタイミングチャートである。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、上記のような逆ＲＩＥ−ｌａｇ効果によって第１トレンチ３３ａを掘ったときの様子と、通常のエッチング条件でのＲＩＥ−ｌａｇ効果によって第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂを掘ったときの様子を示した断面図である。
【図８】バイアスＲＦパワーと規格化エッチングレートの関係と本実施形態のエッチングステップにおけるＳｉエッチングの条件との関係を示した図である。
【図９】第２実施形態のエッチングプロセスによる第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂの底面での保護膜堆積量およびエッチング量の変化を示したグラフである。
【図１０】バイアスＲＦパワーと規格化エッチングレートの関係と第３実施形態のエッチングステップにおけるＳｉエッチングの条件との関係を示した図である。
【図１１】第３実施形態のエッチングプロセスによる第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂの底面での保護膜堆積量およびエッチング量の変化を示したグラフである。
【図１２】三種類の幅が異なるトレンチ３３を形成するときの様子を示した断面図である。
【図１３】（ａ）は、三種類の幅が異なるトレンチ３３を形成するときのＦラジカル由来の発光ピークの発光強度の変化を示した図、（ｂ）は、その場合に設定するバイアスＲＦパワーの変化を示した図である。
【図１４】（ａ）は、Ｍ種類の幅が異なるトレンチ３３を形成するときのＦラジカル由来の発光ピークの発光強度の変化を示した図、（ｂ）は、その場合に設定するバイアスＲＦパワーの変化を示した図である。
【図１５】（ａ）は、実際のＭ種類の幅が異なるトレンチ３３を形成するときのＦラジカル由来の発光ピークの発光強度の変化を示した図、（ｂ）は、その場合に設定するバイアスＲＦパワーの変化を示した図である。
【図１６】（ａ）は、二種類の幅が異なる第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂを形成するときのＦラジカル由来の発光ピークの発光強度の変化を示した図、（ｂ）は、その場合に設定するバイアスＲＦパワーの変化を示した図である。
【図１７】（ａ）、（ｂ）は、図１６中の時点Ｔａ、Ｔｂのときの第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂの様子を示した断面図である。
【図１８】一定条件でドライエッチングにてトレンチを形成した場合のマスク開口幅に対するトレンチ深さの関係を示したグラフである。
【図１９】ＲＩＥ−ｌａｇ調整範囲を調べた結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２９】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の半導体装置の製造方法中のトレンチエッチングプロセス（トレンチ形成工程）に用いるエッチング装置の概略構成図である。まず、この図を参照してエッチング装置について説明する。
【００３０】
エッチング装置１は、エッチングチャンバー２内にトレンチ形成予定領域が開口するマスクを備えたウェハ３を配置し、マスクを用いてウェハ３をエッチングすることでトレンチの形成を行うものである。エッチングチャンバー２には、導入ガスライン４と冷却ガス導入ライン５および排気ポート６が接続されている。
【００３１】
導入ガスライン４には、第１、第２マスフローコントローラ（以下、ＭＦＣという）４ａ、４ｂが備えられている。第１ＭＦＣ４ａによってエッチングガス、具体的にはＳＦ6の導入量が制御され、第２ＭＦＣ４ｂによって保護膜堆積ガス、具体的にはＣ4Ｆ8の導入量が制御される。冷却ガス導入ライン５は、エッチングチャンバー２に備えられたウェハ３を設置するための台座２ａに接続されており、ウェハ３を裏面から冷却するためのガス、例えばＨｅガスを導入する。排気ポート６は、エッチングチャンバー２内のガスを真空ポンプ等で吸い込むことでエッチングチャンバー２内の真空度を調整する。具体的には、導入ガスライン４から流れ込むガス流量と排気ポート６からの真空ポンプの吸い込み量を調整し、ガス流量と排気量の平衡状態によってエッチングチャンバー２内の真空度を決定している。
【００３２】
エッチングチャンバー２には、ＲＦコイル７が備えられ、プラズマ生成ＲＦ電源８からの電源供給に基づいてＲＦパワーが調整されることで、エッチングチャンバー２内に導入されたガスの原料をプラズマ化する。すなわち、Ｃ4Ｆ8をプラズマ化することでＣＦｘ*を発生させたり、ＳＦ6をプラズマ化することでＳＦｘ+を発生させる。
【００３３】
エッチングチャンバー２の台座２ａにはプラズマ生成ＲＦ電源８とは別系統のバイアスＲＦ電源９からの電圧が印加される電極２ｂが備えられ、バイアスＲＦ電源９によってプラズマとウェハ３との間にイオン加速用のＲＦ電界を生じさせる。そして、このバイアスＲＦ電源９のバイアスＲＦパワーを調整することにより、エッチング時の入射エネルギー値を設定することができる。
【００３４】
また、エッチング装置１は、プロセス制御ユニット１０と、発光分光器１１と、波形解析器１２およびファンクションジェネレータ１３によって制御される。
【００３５】
プロセス制御ユニット１０は、エッチング装置１でのエッチングプロセスが保護膜堆積ステップとエッチングステップを数秒単位で交互に繰り返すことで実施されるように、第１、第２ＭＦＣ４ａ、４ｂ、プラズマ生成ＲＦ電源８、バイアスＲＦ電源９に制御信号を出している。
【００３６】
図２は、保護膜堆積ステップとエッチングステップを模式的に示した断面図である。保護膜堆積ステップおよびエッチングステップは、開口部３１が形成されたマスク３２を用いてウェハ３に対してトレンチ３３を形成するときに、トレンチ３３を所望深さにするために順番に繰り返し行われる。図２に示すように、保護膜堆積ステップは、ウェハ３に形成されるトレンチ３３内にポリマー系の保護膜３４をＣＶＤ法にて堆積させるステップであり、エッチングステップは、トレンチ３３の底部において保護膜３４を除去したのち、さらにトレンチ３３の底部のＳｉをエッチングにより深くしていくステップである。
【００３７】
保護膜堆積ステップでは、第１、第２ＭＦＣ４ａ、４ｂを調整することによりＣ4Ｆ8ガスを流量コントロールしながら導入し、エッチングステップでは、第１、第２ＭＦＣ４ａ、４ｂを調整することによってＳＦ6ガスを流量コントロールしながら導入している。
【００３８】
また、それぞれのステップにおけるプラズマ生成ＲＦパワー、バイアスＲＦパワーも独立した設定値に制御している。バイアスＲＦパワーについては、保護膜堆積ステップでは０Ｗでも良い。バイアス印加は保護膜形成にほとんど寄与しないためである。一方、エッチングステップの初期では底面上の保護膜をイオンスパッタ効果により除去する必要があるために、このときにはスパッタ作用のしきい値以上のバイアスＲＦパワーを印加する。そして、トレンチの底面の保護膜が除去されて、Ｓｉエッチングがスタートした段階でバイアスＲＦパワーを低下させ、逆ＲＩＥ−ｌａｇが生じるようにする。この方法については、後で詳細に説明する。
【００３９】
発光分光器１１は、エッチングチャンバー２に備えられたチャンバー窓２ｃおよび光ファイバー１４を通じてエッチングチャンバー２内のプラズマの発光を測定し、測定対象となる波長の発光スペクトルの発光強度を取得している。具体的には、後述するように、トレンチの底面上の保護膜除去の完了前後においてＳＦ6プラズマ中に存在するＦラジカルもしくはＣ4Ｆ8プラズマ中に存在するＣ+イオンの発光強度が変化する。このため、発光分光器１１でＦラジカルもしくはＣ+イオン由来の発光ピークの発光強度を取得している。
【００４０】
例えば、ＳＦ6プラズマ中に存在するＦラジカルの発光ピークは、可視光域（２００〜９００ｎｍ）に数１００本見られる。このうちの１つ、λ＝７０４ｎｍのピークに注目すると、トレンチ底面の保護膜が除去されてＳｉエッチングがスタートしたのち、ＦラジカルがＳｉとのエッチング反応で消費される分だけ、発光強度が低下する。この瞬間を検出すれば、トレンチ３３の底面でのＳｉエッチングがスタートしたことが判る。
【００４１】
あるいは、Ｃ+イオンからの発光ピークとして例えばλ＝５１４ｎｍのピークを検出すると底面上の保護膜（ＣＦ系の膜）がスパッタによって除去される際、構成元素であるＣ+の発光ピークが相対的に強く出るが、トレンチ３３の底面および側壁面における保護膜３４の除去が進むに連れて発光強度が低下し、それらが完全に除去された時点で一定値となる。
【００４２】
このため、発光分光器１１では、プラズマの発光をスペクトル分析器で計測し、所望の波長、すなわちＦラジカルの発光ピークの発光強度もしくはＣ+イオンの発光ピークの発光強度を取得している。
【００４３】
波形解析器１２は、発光分光器１１で測定された発光スペクトルの波形変化を所望の閾値条件と比較すること等により、トレンチ３３の底面の保護膜３４が除去されたことを検出し、それが検出されたときにトリガー信号を出力する。この検出手法について、異なる幅の２つのトレンチ３３を形成する場合を参照して説明する。
【００４４】
図３は、異なる幅の２つのトレンチ３３を形成するときの保護膜堆積ステップとエッチングステップの様子を示した断面図である。図３（ａ）に示すように、幅の異なるトレンチ３３を形成する場合、幅狭の第１トレンチ３３ａと幅広の第２トレンチ３３ｂの内壁面に対して保護膜３４を形成すると、保護膜３４を形成するためのプラズマの入り込みがトレンチ３３の開口幅に応じて変わることから、第１トレンチ３３ａの方が第２トレンチ３３ｂよりも保護膜３４の膜厚が薄く形成される。そして、トレンチ３３の底面における保護膜３４を除去するときには、保護膜３４が薄く形成された第１トレンチ３３ａ側の方が第２トレンチ３３ｂ側よりも早く除去される。このとき、第１トレンチ３３ａ側の保護膜３４が除去されたと同時に、第１トレンチ３３ａの底面からのＳｉエッチングが開始されるため、上述したようにＦラジカル由来もしくはＣ+イオン由来の発光ピークの発光強度が変化する。この第１トレンチ３３ａの底面でＳｉエッチングが開始されたときの条件を発光強度の閾値を設定するなどによって検出することができる。
【００４５】
ファンクションジェネレータ１３は、波形解析器１２からトリガー信号が出力されると、それをトリガーとしてファンクションジェネレータ１３からバイアスＲＦ電源９が出力する電圧をトリガー信号入力前よりも低下させる信号を出力する。例えば、ファンクションジェネレータ１３ではエッチングステップ開始時に立ち上がり、トリガー信号が入力された時点で１段階出力値を低下させる信号（図１中の信号Ａ）を出力すればよい。ファンクションジェネレータ１３が出力する信号とプロセス制御ユニット１０が出力する信号（図１中の信号Ｂ）が、例えば適当な波形合成器によって合成され、その合成された信号（図１中の信号Ｃ）がバイアスＲＦ電源９の制御用入力端子に入力される。これにより、バイアスＲＦ電源９の出力電圧が低下させられる。
【００４６】
このようにしてエッチング装置１が制御され、ウェハ３に対して異なる幅のトレンチ３３を形成するためのエッチングが行われる。次に、このエッチング装置１を用いた具体的なエッチングプロセスについて説明する。
【００４７】
まず、アスペクト比が大きなトレンチ３３を形成するときのエッチングプロセスについて考えてみる。
【００４８】
エッチングプロセスは、上述したように保護膜堆積ステップとエッチングステップとを交互に繰り返すことにより行われる。保護膜堆積ステップとエッチングステップは、図２のように表され、保護膜堆積ステップは、Ｃ4Ｆ8プラズマによって行われ、エッチングステップは、ＳＦ6プラズマによって行われる。さらに、エッチングステップは、詳細に分類するとトレンチ３３の底面上の保護膜３４が入射イオンのスパッタ効果で除去される底面保護膜除去とＲＩＥ反応によるＳｉエッチングに分かれる。以下の説明に用いる図中では、保護膜堆積ステップを（１）、底面保護膜除去を（２）、Ｓｉエッチングを（３）として表す。
【００４９】
底面保護膜除去とＳｉエッチングは同一のエッチングステップとして進行する。しかしながら、プラズマからの発光スペクトルを分析して、ＦラジカルもしくはＣ+イオン由来の発光ピークの発光強度を計測すると、底面保護膜除去からＳｉエッチングへの切り替わり部分で発光強度が変化することから、その切り替わりを検出することができる。図４（ａ）は、Ｆラジカル由来の発光ピークの発光強度の変化を示した図、図４（ｂ）は、トレンチ３３の底面での保護膜堆積量およびエッチング量の変化を調べた結果を示した図、図４（ｃ）は、バイアスＲＦパワーの変化を示した図である。
【００５０】
図４（ｂ）に示すように、保護膜堆積ステップで保護膜３４が堆積された後、エッチングステップに切り替わると、徐々にトレンチ３３の底面に堆積した保護膜３４が除去されていく。そして、完全に除去されると、続けてトレンチ３３の底面からエッチングされていく。一方、Ｆラジカルに由来する発光ピークの発光強度は、図４（ａ）に示されるように、エッチングステップ中に１段階低下する。このタイミングが図４（ｂ）中に示した底面保護膜除去からＳｉエッチングに切り替わったタイミングｔａであり、トレンチ３３について底面保護膜除去が完了したことを表している。したがって、Ｆラジカルに由来する発光ピークの発光強度に基づいて、底面保護膜除去からＳｉエッチングに切り替わったタイミングｔａを検出することができる。
【００５１】
なお、保護膜堆積ステップからエッチングステップに切替えるタイミング、もしくはエッチングから再び保護膜堆積ステップに切替えるタイミングには、エッチングチャンバー２内のガス種の交換や雰囲気圧力の変動によって発光強度が変動する。しかし、この切替えタイミングについてはプロセス制御ユニット１０で把握しているため、このときの発光強度の変動については底面保護膜除去からＳｉエッチングへの切り替わりではないと認識できるようにしてある。また、ここでは、Ｆラジカルに由来する発光ピークの発光強度について図示したが、Ｃ+イオンに由来するものも同様の変化を示すことから、これに基づいて底面保護膜除去からＳｉエッチングへの切り替わりを検出することもできる。
【００５２】
ここで、底面保護膜除去の過程は、ポリマー系の膜材料を入射イオンの物理的な衝撃エネルギーで削り取るプロセスなのでバイアスＲＦパワーに強く依存し、あるしきい値以下では除去できなくなる。一方、その後に生じるＳｉとのエッチング反応はいわゆるＲＩＥ（反応性イオンエッチング）であり、入射イオンとＦラジカルがエッチング反応に寄与する。このＦラジカルとＳｉは反応性が非常に高く、イオンの衝撃エネルギーがなくイオンのアシスト効果なしでも反応してエッチングが進行するほどである。
【００５３】
図５は、バイアスＲＦパワーと規格化エッチングレートの関係を示した図である。この図に示されるように、底面保護膜除去については、スパッタ作用によって行われるため、バイアスＲＦパワーが除去作用が生じるしきい値に相当する領域Ａを越えないと、底面保護膜除去が行われない。そして、その領域Ａを越えるとバイアスＲＦパワーの大きさに応じて保護膜除去レートが大きくなる。一方、Ｓｉエッチングについては、ＦラジカルとＳｉの反応によって行われるため、バイアスＲＦパワーが大きくなる程エッチングレートが大きくなるという関係があるものの、バイアスＲＦパワーが領域Ａ内であっても行われる。
【００５４】
したがって、Ｓｉエッチングの過程で、バイアスＲＦパワーを大幅に下げて領域Ａ内となるように設定すると、保護膜３４が除去できなくなるのに対し、Ｓｉエッチングは行われ、しかもＳｉエッチングレートの低下幅は小さい。このため、図４（ｃ）に示すように、底面保護膜除去とＳｉエッチングとでバイアスＲＦパワーを調整することで、底面時保護膜除去時には保護膜除去が行われ、Ｓｉエッチング時には保護膜除去が行われない条件としつつＳｉエッチングを行うことが可能となる。
【００５５】
次に、上記のようなエッチングプロセスを異なる幅の２つ以上のトレンチ３３を含んだパターンに適用する場合について考えてみる。これについて、上記した図３を参照して説明する。
【００５６】
保護膜３４はＣＶＤ法の原理で堆積させられるため、幅広の第２トレンチ３３ｂの底面には、幅狭の第１トレンチ３３ａの底面よりも厚い保護膜３４が堆積する。一方、保護膜除去過程ではイオンスパッタの原理で除去されるため、除去レートは開口幅に依存しない。
【００５７】
したがって、幅狭の第１トレンチ３３ａで先に底面の保護膜３４が除去されてＳｉエッチングがスタートする。このタイミングを先に説明したように発光分光を用いて検出し、バイアスＲＦパワーを除去しきい値以下（領域Ａの範囲内）に下げる制御をする。このとき、幅広の第２トレンチ３３ｂの底面にはまだ保護膜３４が残っているが、バイアスＲＦパワーを低下させて以降は残存する保護膜３４は除去されないため、第２トレンチ３３ｂについてはＳｉエッチングがスタートせず、幅狭の第１トレンチ３３ａの底面のみがエッチングされる。
【００５８】
この状態が逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象である。この状態のエッチングとバイアスＲＦ制御を行わない通常のエッチングを然るべき時間配分で組み合わせることでＲＩＥ−ｌａｇをゼロにすることが可能となる。また、組み合わせの仕方に応じて、第１トレンチ３３ａと第２トレンチ３３ｂの深さを同じにしたり、第１トレンチ３３ａの方が第２トレンチ３３ｂよりも深くなるようにすることもできるし、第１トレンチ３３ａよりも第２トレンチ３３ｂの方が深くなるようにする場合でも、これらをそれぞれ所望の深さに制御することが可能になる。
【００５９】
このような知見に基づいて、本実施形態のエッチングプロセスを実施している。図６は、本実施形態のエッチングプロセスの一例を示したタイミングチャートである。この図を参照して本実施形態のエッチングプロセスの一例について説明する。
【００６０】
まず、開口部３１が形成されたマスク３２を配置したシリコンからなるウェハ３を用意する。このウェハ３をエッチングチャンバー２の台座２ａの電極２ｂ上に、マスク３２側が電極２ｂと反対側を向くように設置する。
【００６１】
そして、図６に示すように、第１、第２ＭＦＣ４ａ、４ｂにてガス流量を調整することでＣ4Ｆ8ガスの導入を行うと共に、プラズマ生成ＲＦ電源８のＲＦパワーを保護膜３４の形成に必要な値に設定する。また、排気ポートを通じて真空ポンプによる吸引を行い、ガス流量と排気量の平衡状態によってエッチングチャンバー２内の真空度を所望の値に制御する。これにより、Ｃ4Ｆ8がプラズマ化されてＣＦｘ*が発生し、保護膜３４が形成される。このような保護膜堆積ステップを所定時間実施する。これにより、保護膜３４が所望の膜厚となる。このとき、マスク３２に形成された開口部３１の幅が第１トレンチ３３ａと第２トレンチ３３ｂと対応する幅となっているため、第１トレンチ３３ａと対応する開口部３１の底面に形成された保護膜３４の膜厚が第２トレンチ３３ｂと対応する開口部３１の底面に形成された保護膜３４の膜厚よりも薄くなる。
【００６２】
次に、第１、第２ＭＦＣ４ａ、４ｂにてガス流量を調整することでガス種を切り替え、ＳＦ6ガスの導入を行うと共に、プラズマ生成ＲＦ電源８のＲＦパワーをエッチングプロセスに必要な値に設定する。また、これと同時に、バイアスＲＦ電源９のＲＦパワーをＢ１に設定する。このときのＲＦパワーＢ１は、図５中の領域Ａを超える保護膜３４を除去することが可能な値に設定される。これにより、ＳＦ6がプラズマ化されてＳＦｘ+が発生し、第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂの底面において保護膜３４が除去されていく保護膜除去が実施される。
【００６３】
そして、保護膜除去中のＦラジカル由来の発光ピークの発光強度をモニタし、発光強度が例えば所定の閾値を下回ったことを検出する。このタイミングが、第２トレンチ３３ｂの底面の保護膜３４が残存しつつ、第１トレンチ３３ａの底面の保護膜３４のみが除去されたタイミングであるため、このときにバイアスＲＦ電源８のＲＦパワーをＢ２に低下させる。このときのＲＦパワーＢ２は、Ｓｉエッチングが行えるが保護膜３４が除去できない領域Ａ内の値に設定される。これにより、保護膜３４については除去されずに、第１トレンチ３３ａの底面のみエッチングが行われ、第１トレンチ３３ａの底面の深堀りを進めるＳｉエッチングが実施される。
【００６４】
この後、Ｓｉエッチングを所定時間実施したら、再びガス種の切り替えおよびプラズマ生成ＲＦ電源８のＲＦパワーの切替を行うと共に、バイアスＲＦ電源９のＲＦパワーを０に戻し、保護膜堆積ステップに戻る。そして、保護膜堆積ステップとエッチングステップとを順番に所定時間ごとに繰り返す。これにより、第１トレンチ３３ａが第２トレンチ３３ｂよりも優先的に深堀りされる逆ＲＩＥ−ｌａｇを生じさせることができる。
【００６５】
図７（ａ）、（ｂ）は、上記のような逆ＲＩＥ−ｌａｇ効果によって第１トレンチ３３ａを掘ったときの様子と、通常のエッチング条件でのＲＩＥ−ｌａｇ効果によって第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂを掘ったときの様子を示した断面図である。なお、図７（ａ）、（ｂ）中において、第２トレンチ３３ｂ（４０ミクロン幅のトレンチ）については、左半分のみを図示してある。図７（ｂ）に示すように、通常のエッチング条件ではＲＩＥ−ｌａｇ効果によって第２トレンチ３３ｂが第１トレンチ３３ａよりもエッチングレートが高くなって深堀りされることになる。これに対して、図７（ａ）に示すように、上記のエッチングプロセスを採用して逆ＲＩＥ−ｌａｇ効果を発生させることにより、第２トレンチ３３ｂがほとんど掘られることなく第１トレンチ３３ａのみが優先して掘られるようにすることができる。
【００６６】
以上説明したように、上記エッチングプロセスを行うことにより、異なる幅の第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂを形成する場合に、幅狭の第１トレンチ３３ａを幅広の第２トレンチ３３ｂよりも深く掘ることができる逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象を起こすことが可能となる。そして、本実施形態の場合、トレンチ３３の幅に対する保護膜３４の膜厚の依存性に基づいて、一種類の保護膜３４のみによって、逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象を起こすことが可能となる。
【００６７】
したがって、本発明者らが先に出願したような二種類の二重保護膜形成によってＲＩＥ−ｌａｇを抑制する方法と比較して、高アスペクト比のトレンチ３３を形成してもブラックシリコンが発生することを抑制できるし、二種類の保護膜を形成する必要性も無くすことができる。よって、より高アスペクト比でも異なる開口幅のトレンチ３３の深さ制御が行え、かつ、プロセス時間の増大を抑制することが可能となる。
【００６８】
そして、このような逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象に基づき、通常のエッチング、つまりＲＩＥ−ｌａｇが発生する条件のエッチングと逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象が発生する上記エッチングプロセスとを然るべき時間配分で組み合わせることでＲＩＥ−ｌａｇをゼロにすることが可能となる。また、組み合わせの仕方に応じて、第１トレンチ３３ａと第２トレンチ３３ｂの深さを同じにしたり、第１トレンチ３３ａの方が第２トレンチ３３ｂよりも深くなるようにすることもできるし、第１トレンチ３３ａよりも第２トレンチ３３ｂの方が深くなるようにする場合でも、これらをそれぞれ所望の深さに制御することが可能になる。
【００６９】
なお、従来技術として、保護膜堆積とエッチングを交互に繰り返すプロセスで、エッチングステップの初期のみバイアスＲＦパワーを増加させる制御を行うという技術は存在した。しかし、保護膜の堆積はＣＶＤ作用によって基板表面上で重合しながら形成されるため、実際にトレンチ底面上に堆積する保護膜厚はトレンチ断面のアスペクト比に依存する。つまり、掘り始めの底面上では厚く堆積するが、深くなるにつれて徐々に薄くなる。また、開口幅の異なるトレンチが混在する場合は、開口幅の狭い（＝アスペクト比の高い）トレンチ底面上の方が薄く堆積するため、除去に要する時間は短くなる。
【００７０】
ところが、従来技術ではバイアスＲＦパワーを増加させる期間は予め設定するものであり、こうしたエッチング進行に対する変化やパターンの混在に対する考慮はなされておらず、その効果は限定的である。これに対して本実施形態の方法では、プラズマ発光のモニタリング結果をフィードバック制御するものであり、底面の保護膜除去タイミングを常に正確に反映させることができ、いかなるトレンチパターンに対しても逆ＲＩＥ−ｌａｇ効果を出現させることができる。また二種類の保護膜を用いる場合と比較して、一種類の保護膜のみでよいためエッチングレートの低下幅は小さい。
【００７１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してエッチングプロセスの一部を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００７２】
本実施形態では、エッチングステップの際に、幅狭の第１トレンチ３３ａのエッチングと同時に、幅広の第２トレンチ３３ｂの底面に残存した保護膜３４を除去し、上記エッチングプロセスの繰り返しによって第２トレンチ３３ｂに残存する保護膜３４が厚くなり過ぎないようにする。これは、バイアスＲＦ電源９のバイアスＲＦパワーとエッチングレートの関係に基づいて実現することができる。
【００７３】
図８は、バイアスＲＦパワーと規格化エッチングレートの関係と本実施形態のエッチングステップにおけるＳｉエッチングの条件との関係を示した図である。バイアスＲＦパワーとエッチングレートの関係は、図５に示す関係と同じである。
【００７４】
この図に示すように、バイアスＲＦパワーが領域Ａを超えていない場合には、Ｓｉエッチングは行われるが、保護膜３４の除去は行われない。第１実施形態では、この領域Ａ内にバイアスＲＦパワーを設定することで、第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４が除去されないようにしつつ、第１トレンチ３３ａの底面のエッチングが行われるようにした。これに対し、領域Ａを超える値にバイアスＲＦパワーを設定すれば、第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４を除去しつつ、Ｓｉエッチングを行うことが可能となる。さらに、バイアスＲＦパワーが領域Ａの近傍となるようにすれば、保護膜除去レートがあまり大きくならない条件とすることができる。本実施形態では、このような条件を満たすように、第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４が除去されつつ、それがエッチングステップの残りの時間内で完全に除去されてしまう値以下の大きさのバイアスＲＦパワーに設定する。
【００７５】
図９は、本実施形態のエッチングプロセスによる第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂの底面での保護膜堆積量およびエッチング量の変化を示したグラフである。この図に示すように、保護膜堆積ステップで保護膜３４が堆積された後、エッチングステップに切り替わると、徐々に第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂの底面に堆積した保護膜３４が除去されていく。そして、第１トレンチ３３ａの底面上の保護膜３４が第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４よりも薄いため、早くになくなり、その時点から第１トレンチ３３ａについてはＳｉエッチングが開始される。
【００７６】
これにより、バイアスＲＦパワーを低下させる。このとき、第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４が除去されつつ、それがエッチングステップの残りの時間内で完全に除去されてしまう値以下の大きさのバイアスＲＦパワーとなるようにしている。このため、図９中に示したように、第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４が完全になくならないようにできる。したがって、第２トレンチ３３ｂの底面がエッチングされることを防止しつつ、第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４も除去することが可能となり、エッチングプロセスの繰り返しによって第２トレンチ３３ｂに残存する保護膜３４が厚くなり過ぎないようにすることができる。
【００７７】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対してエッチングプロセスの一部を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００７８】
本実施形態でも、第２実施形態と同様に、エッチングステップの際に、幅狭の第１トレンチ３３ａのエッチングと同時に、幅広の第２トレンチ３３ｂの底面に残存した保護膜３４を除去するが、さらに第２トレンチ３３ｂの底面のエッチングも同時に行うようにする。これも、バイアスＲＦ電源９のバイアスＲＦパワーとエッチングレートの関係に基づいて実現することができる。
【００７９】
図１０は、バイアスＲＦパワーと規格化エッチングレートの関係と本実施形態のエッチングステップにおけるＳｉエッチングの条件との関係を示した図である。バイアスＲＦパワーとエッチングレートの関係は、図５に示す関係と同じである。
【００８０】
この図に示すように、バイアスＲＦパワーが領域Ａを超える場合、バイアスＲＦパワーが大きくなるほど保護膜除去レートが大きくなる。このため、エッチングステップの期間中に第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４が完全に除去されるようにすれば、その後のエッチングステップの残りの時間で第２トレンチ３３ｂの底面のエッチングを進めることができる。さらに、幅広の第２トレンチ３３ｂの底面のエッチングレートは幅狭の第１トレンチ３３ａのエッチングレートよりも大きいことから、バイアスＲＦパワーを調整すれば、エッチングステップ終了時点で第１トレンチ３３ａの底面のエッチング量と第２トレンチ３３ｂの底面のエッチング量を合わせることも可能となる。
【００８１】
図１１は、本実施形態のエッチングプロセスによる第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂの底面での保護膜堆積量およびエッチング量の変化を示したグラフである。この図に示すように、保護膜堆積ステップで保護膜３４が堆積された後、エッチングステップに切り替わると、徐々に第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂの底面に堆積した保護膜３４が除去されていく。そして、第１トレンチ３３ａの底面上の保護膜３４が第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４よりも薄いため、早くになくなり、その時点から第１トレンチ３３ａについてはＳｉエッチングが開始される。続いて、第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４も除去され、その時点から第２トレンチ３３ｂのＳｉエッチングも開始される。
【００８２】
このとき、幅広の第２トレンチ３３ｂの底面のエッチングレートは幅狭の第１トレンチ３３ａのエッチングレートよりも大きいことから、第１トレンチ３３ａのエッチング量と第２トレンチ３３ｂのエッチング量の差が徐々に減少していく。そして、バイアスＲＦパワーの調整により、エッチングステップ終了時点で第１トレンチ３３ａの底面のエッチング量と第２トレンチ３３ｂの底面のエッチング量を合わせることも可能となる。このように、エッチングステップの際に、幅狭の第１トレンチ３３ａのエッチングと同時に、幅広の第２トレンチ３３ｂのエッチングを行うようにすることもできる。
【００８３】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１〜第３実施形態と同様のエッチングステップを行ったのちに、幅広の第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４を除去するステップを行うものである。
【００８４】
第１〜第３実施形態で説明した保護膜堆積ステップおよびエッチングステップを含むエッチングプロセスのいずれか１つを複数回繰り返すこと、もしくはいずれか複数を組み合わせて繰り返し行うことができる。しかしながら、第１〜第３実施形態で説明したエッチングプロセスを繰り返し行うと、幅広の第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４が累積されて厚くなり、後で除去し難くなる可能性がある。
【００８５】
このため、第１〜第３実施形態で説明したエッチングプロセスを数サイクル〜数十サイクル繰り返すと、保護膜３４を分解除去する工程を行い、その後、また第１〜第３実施形態で説明したエッチングプロセスを繰り返すというように、保護膜除去工程をエッチングプロセスに含めると好ましい。例えば、エッチングチャンバー２内に酸素を導入することで酸素プラズマを誘起し、これをウェハ３に照射することで、酸素プラズマによってポリマー系材質からなる保護膜３４を分解除去する工程を行うことができる。
【００８６】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、幅が異なるトレンチ３３が三種類ある場合のエッチングプロセスについて説明する。本実施形態のエッチングプロセスの基本的な考え方については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００８７】
図１２は、三種類の幅が異なるトレンチ３３を形成するときの様子を示した断面図である。また、図１３（ａ）は、三種類の幅が異なるトレンチ３３を形成するときのＦラジカル由来の発光ピークの発光強度の変化を示した図、図１３（ｂ）は、その場合に設定するバイアスＲＦパワーの変化を示した図である。
【００８８】
図１２（ａ）に示すように、三種類の幅が異なる第１〜第３トレンチ３３ａ〜３３ｃを形成する場合、保護膜３４は、幅狭の第１トレンチ３３ａの内壁に形成されるものよりも幅広の第２トレンチ３３ｂの内壁に形成されるものの方が厚く、第２トレンチ３３ｂよりも更に幅広の第３トレンチ３３ｃの内壁に形成されるものが最も厚くなる。このため、第１〜第３トレンチ３３ａ〜３３ｃの底面上の保護膜３４を除去する場合には、第１トレンチ３３ａの底面上の保護膜３４が最初に除去され、続いて第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４が除去され、最後に第３トレンチ３３ｃの底面上の保護膜３４が除去されるという順番となる。したがって、Ｆラジカル由来（もしくはＣ+イオン由来）の発光ピークの発光強度は、エッチングステップ開始から、まず第１トレンチ３３ａの底面上の保護膜３４が除去された時点で一度低下し、その後第２トレンチ３３ｂの底面上の保護膜３４が除去された時点で再度低下する。
【００８９】
そして、例えば発光強度が二度目に低下したときに合わせてバイアスＲＦパワーを低下させると、図１２（ｂ）に示したように、第１トレンチ３３ａおよび第２トレンチ３３ｂではエッチングが進み、第３トレンチ３３ｃではエッチングが進まないことになる。また一度目に低下したときに合わせて図１３（ｂ）中に破線で示したようにバイアスＲＦパワーを低下させると、第１トレンチ３３ａではエッチングが進み、第２、第３トレンチ３３ｂ、３３ｃではエッチングが進まないようにできる。したがって、第１トレンチ３３ａと第２トレンチ３３ｂとの間、あるいは第２トレンチ３３ｂと第３トレンチ３３ｃの間で逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象が生じるようにできる。
【００９０】
このため、幅狭の第１トレンチ３３ａと第２トレンチ３３ｂとの間での逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象と第２トレンチ３３ｂと第３トレンチ３３ｃの間で逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象、および通常のＲＩＥ−ｌａｇ現象が生じる条件でのエッチングプロセセスを適宜組み合わせて行うことにより、ＲＩＥ−ｌａｇをゼロにすることが可能となる。また、組み合わせの仕方に応じて、第１〜第３トレンチ３３ａ〜３３ｃの深さを同じにしたり、第１〜第３トレンチ３３ａ〜３３ｃを適宜異なる深さとなるようにことも可能になる。
【００９１】
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。上記第５実施形態では、幅が異なるトレンチ３３が三種類ある場合のエッチングプロセスについて説明したが、本実施形態では、Ｍ種類（ただし、Ｍは２以上の整数）の幅のトレンチ３３を形成する場合について説明する。なお、本実施形態のエッチングプロセスの基本的な考え方も、第１実施形態と同様である。
【００９２】
図１４（ａ）は、Ｍ種類の幅が異なるトレンチ３３を形成するときのＦラジカル由来の発光ピークの発光強度の変化を示した図、図１４（ｂ）は、その場合に設定するバイアスＲＦパワーの変化を示した図である。
【００９３】
Ｍ種類の開口幅が混在する場合、図１４（ａ）に示したように、開口幅が狭いトレンチ３３から底面上の保護膜３４が除去される毎に、発光強度は僅かに低下する。このため、図１４（ｂ）に示すように、Ｎ番目（ただし、ＮはＭ未満の整数）の低下タイミングに合わせてバイアスＲＦパワーを低下させれば、開口幅が狭い方から数えて（Ｎ＋１）番目以降のトレンチ３３ではエッチングが進行しないことになる。
【００９４】
これにより、開口幅がＮ番目と（Ｎ＋１）番目のトレンチ３３の間で逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象が生じる条件を設定することができるため、これに基づいて適宜エッチングプロセスを組み合わせれば、幅が異なるトレンチ３３がＭ種類ある場合にも、第５実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
【００９５】
なお、Ｍ種類の幅が異なるトレンチ３３を形成するときのＦラジカル（もしくはＣ+イオン）由来の発光ピークの発光強度の変化は、実際上では図１５（ａ）に示される変化を行うことになる可能性がある。つまり、発光強度の微小な低下がいくつも続く場合、発光強度の変化が階段状の変化として検出されるのではなく、全体としてなだらかな下降曲線として検出される可能性がある。この場合、各幅のトレンチ３３の底面上の保護膜３４が除去されたことを正確に検出できない。
【００９６】
このような場合には、図１５（ａ）に示したように、便宜的に一定時間δｔを定義しておき、発光強度が低下したタイミング（つまり最も幅の狭いトレンチ３３の底面上の保護膜３４が除去されたタイミング）からの経過時間を計測して、その経過時間が一定時間δｔに至った時に、図１５（ｂ）に示すようにバイアスＲＦパワーを低下させれば良い。このときの一定時間δｔについては、Ｎ番目のトレンチ３３の底面上の保護膜３４が除去される時間に設定することで、開口幅がＮ番目と（Ｎ＋１）番目のトレンチ３３の間で逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象が生じる条件とすることができる。
【００９７】
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態について説明する。上記第１〜第６実施形態では、エッチングステップ中における保護膜除去とＳｉエッチングの切り替わり時のバイアスＲＦパワーの制御を実施する場合について説明したが、本実施形態では、他のプロセスパラメータも合せて制御する場合について説明する。なお、本実施形態のエッチングプロセスは、基本的には第１〜第６実施形態と同様であるため、第１〜第６実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００９８】
本実施形態では、他のプロセスパラメータも合わせて制御する例として、エッチングステップと保護膜堆積ステップの切り替えタイミングを制御する例について説明する。なお、ここでは、第１実施形態のように、二種類の幅が異なる第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂを形成する場合を例に挙げて説明するが、第２〜第６実施形態についても同様である。
【００９９】
図１６（ａ）は、二種類の幅が異なる第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂを形成するときのＦラジカル由来の発光ピークの発光強度の変化を示した図、図１６（ｂ）は、その場合に設定するバイアスＲＦパワーの変化を示した図である。また、図１７（ａ）、（ｂ）は、図１６中の時点Ｔａ、Ｔｂのときの第１、第２トレンチ３３ａ、３３ｂの様子を示した断面図である。
【０１００】
図１６（ａ）および図１７（ａ）に示されるように、時刻Ｔ＝Ｔａにおいて狭いトレンチ底面上で保護膜が除去されることでＦラジカル（もしくはＣ+イオン）由来のピークの発光強度が少し低下する。これに合わせてバイアスＲＦパワーを一段階低下させている。さらに、エッチングステップを続行すると、今度は幅狭の第１トレンチ３３ａの側壁面上でも保護膜３４が減少し、やがて除去されて時刻Ｔ＝ＴｂでＳｉ面が露出する。この間、Ｆラジカル（もしくはＣ+イオン）由来のピークの発光強度が徐々に低下し、やがて一定になる。このタイミングに合わせてエッチングステップを終了して保護膜堆積ステップに移行する。つまり、バイアスＲＦパワーを０Ｗにして、導入ガスをＳＦ6ガスからＣ4Ｆ8ガスに切り換える。保護膜堆積ステップの時間は予め決めておき、その終了と共に再びエッチングステップに戻る。以降、このシーケンスを繰り返す。
【０１０１】
このような制御を行うことにより、幅狭の第１トレンチ３３ａにおいて側壁面上の保護膜３４が消滅した後のエッチングを抑えることができ、トレンチ深さ方向のみにエッチングが進行するというエッチングの異方性が増し、高アスペクト比のエッチングが可能になる。
【０１０２】
（他の実施形態）
上記各実施形態では、ウェハ３としてシリコン基板を用いる場合について説明したが、他の半導体基板、例えばシリコン基板よりも高価であるもののＳＯＩ基板の活性層に対して異なる開口幅のトレンチ３３を形成する場合についても適用することができる。すなわち、シリコン層を含む半導体基板であれば、他の半導体基板についても本発明を適用することができる。ＳＯＩ基板を用いる場合、埋込酸化膜が存在するため、基本的には埋込酸化膜まで達するトレンチを形成するのであれば、幅の異なるトレンチの深さを揃えることができる。しかしながら、トレンチが同じ深さになるまでのタイムラグがエッチングの異方性を低下させることになるため、エッチングの異方性を向上させるためにも、上記各実施形態に示した逆ＲＩＥ−ｌａｇ現象を利用したエッチングプロセスを実施するのが好ましい。また、ＳＯＩ基板の埋込酸化膜に達しない深さのトレンチとする場合に適用する場合には、シリコン基板に幅の異なるトレンチを形成する場合と同様の効果を得ることができる。
【０１０３】
また、上記各実施形態では、Ｆラジカル由来のピークの発光強度の変化を図示して説明したが、Ｃ+イオン由来のピークの発光強度の変化も同様となる。ただし、Ｃ+イオン由来のピークの発光強度の変化は、エッチングステップ中に緩やかに低下し続けるような形態を採るため、保護膜除去からＳｉエッチングへの切り替わりについては、例えばＣ+イオン由来のピークの発光強度をトレンチ３３の底面上の保護膜３４が除去されたと想定される閾値と比較することで検出することができる。
【０１０４】
また、上記第４実施形態では、第１〜第３実施形態に示したエッチングプロセス中の保護膜形成ステップとエッチングステップを複数回繰り返した後、トレンチ３３の保護膜３４を除去する工程を含める場合について説明した。これに対して、第５〜第７実施形態についても、同様に、エッチングプロセス中の保護膜形成ステップとエッチングステップを複数回繰り返した後、トレンチ３３の保護膜３４を除去する工程を含めるようにしても良い。
【符号の説明】
【０１０５】
１              エッチング装置
４ａ、４ｂ      第１、第２ＭＦＣ
２              エッチングチャンバー
３              ウェハ
８              プラズマ生成ＲＦ電源
９              バイアスＲＦ電源
１０            プロセス制御ユニット
１１            発光分光器
１２            波形解析器
１３            ファンクションジェネレータ
３１            開口部
３２            マスク
３３ａ〜３３ｃ  第１〜第３トレンチ
３４            保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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