(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなるハードマスクをマスクとして、シリコンからなる被処理基板上にトレンチを形成するプラズマエッチング方法において、
ＳｉＦ４とＣＦ４からなる混合ガスを用いて前記被処理基板をプラズマエッチングすることにより前記ハードマスクの側壁に保護膜を形成するトップラウンド用のマスク形成工程と、
ＳｉＦ４とＳＦ６とＯ２からなる混合ガスを用いて前記マスク形成工程後の被処理基板をプラズマエッチングすることにより前記トレンチの上端部にラウンドを形成するトップラウンド形成工程と、
ＳｉＦ４とＳＦ６とＯ２からなる混合ガスを用いて前記トップラウンド形成工程後の被処理基板をプラズマエッチングすることにより前記トレンチ及び前記トレンチの底部にラウンドを形成するトレンチ及びボトムラウンド形成工程とを有することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマエッチング方法において、
前記マスク形成工程の混合ガスは、ＳｉＦ４ガス流量に対するＣＦ４ガス流量の比は５〜９であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマエッチング方法において、
前記マスク形成工程は、前記混合ガスのＳｉＦ４ガス流量に対するＣＦ４ガス流量の比は５〜９であり、前記被処理基板に、時間的に変調されかつ間欠的なバイアス電力を印加することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプラズマエッチング方法において、
前記被処理基板を載置する試料台の温度を−６０〜―３０℃で制御することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体デバイスのエッチング方法に関する。更に詳細には、トレンチの上端、及び底部の角部分を、ラウンド形状に加工しながら、高速にドライエッチングするエッチング方法、エッチング装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの高集積化に伴い、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）の半導体の素子分離技術が用いられるようになってきた。この素子分離技術は、半導体デバイスの素子分離領域に、ドライエッチングでトレンチを形成し、そのトレンチへＣＶＤ法等で絶縁膜を埋め込み、電気的に素子間を分離する方法である。
【０００３】
このエッチング加工の際のトレンチ形状は、半導体デバイスの電気的特性に影響を及ぼし、トレンチの上端部や下端部が鋭角に形成されると、前記の端部に電界集中が発生し、ＳＴＩの絶縁耐圧低下などの問題が発生する。
【０００４】
この問題を解決する方法として、特許文献１には、ドライエッチングでトレンチを形成する際、ＨＢｒ、ＣＦ４、及びＯ２の混合ガスプラズマを用いて、上端部、及び下端部にラウンド加工を施すことが提案されている。
特許文献１記載のドライエッチング方法は、堆積性の高いＨＢｒとＣＦ４の混合ガスプラズマを用い、上端部に僅かなテーパー加工を施こしながらパターン側壁へ保護膜を形成し、その後メインのトレンチ部分をＨＢｒとＯ２混合ガスプラズマにてエッチング加工するものである。
【特許文献１】特開２００４−６３９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来技術では、ＨＢｒの混合ガスプラズマで、堆積性の高い反応生成物が生成されるため、反応生成物が保護膜として、トレンチ内壁面に厚く形成される。そのため、上端部の順テーパー形状、及びトレンチの垂直形状は得られるものの、前記保護膜がエッチングのマスクとして作用し、エッチングレートが著しく低下する。よって、特にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの比較的トレンチ加工幅の大きいデバイスでは、エッチングすべきトレンチ内の体積が大きいため、スループットの低下が避けられない。前記の半導体デバイスにおいては、量産性を確保するためのエッチングレートの高速化が重要な課題となっている。
【０００６】
また、チャンバー内壁に多量の反応生成物が付着するため、離脱した反応性生物がプロセスガスに混入し、プロセスを安定化できない問題もある。
さらに、反応生成物によるチャンバー内壁の汚れが著しいため、ウエットクリーニングの周期が短く、エッチング装置のダウンタイムを改善することが難しい。
以上のように、従来技術は、エッチングレート、安定性の面に配慮がなされておらず、生産性、及び半導体デバイスの電気的特性の確保が難しいなどの課題を残していた。
【０００７】
本発明の目的は、トレンチの上端、及び底部の角部分をラウンド形状に加工すると共に、エッチングレートを高速化することである。本発明の更なる目的は、ハードマスク側壁に反応生成物からなる保護膜を形成し、ラウンド加工の加工幅、形状を、前記保護膜の膜厚と付着形状で制御し、安定したラウンド形状を得ることで、半導体デバイスの電気的特性を確保することである。また、チャンバー内壁への反応生成物の付着を低減し、ウエットクリーニング周期を延長することで、エッチング装置のダウンタイムを低減する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明のプラズマエッチング方法は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなるハードマスクをマスクとして、シリコンからなる被処理基板上にトレンチを形成するプラズマエッチング方法であって、ＳｉＦ４とＣＦ４からなる混合ガスを用いて前記被処理基板をプラズマエッチングすることにより前記ハードマスクの側壁に保護膜を形成するトップラウンド用のマスク形成工程と、ＳｉＦ４
とＳＦ６とＯ２からなる混合ガスを用いて前記マスク形成工程後の被処理基板をプラズマエッチングすることにより前記トレンチの上端部にラウンドを形成するトップラウンド形成工程と、ＳｉＦ４とＳＦ６とＯ２からなる混合ガスを用いて前記トップラウンド形成工程後の被処理基板をプラズマエッチングすることにより前記トレンチ及び前記トレンチの底部にラウンドを形成するトレンチ及びボトムラウンド形成工程とを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エッチングレートを高速化できると共に、トレンチの上端、及び底部のラウンド加工が可能となり、スループット、及び半導体デバイスの電気的特性を改善できる。また、トレンチの上端部、及び底部に安定したラウンド加工が施せるため、半導体デバイスの電気的特性が安定し、歩留りが向上する。さらに、チャンバー内壁に付着する反応生成物や付着物の剥離に伴う異物を抑制できる。その結果、ウエットクリーニング周期が延長可能になり、エッチング装置の生産性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明のプラズマエッチング装置について、図面を参照して詳細を説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１には、本発明の実施例１の、プラズマを形成する手段にマイクロ波と磁界を利用した、マイクロ波プラズマエッチング装置を示している。
【００１２】
本装置は、アルミニウムまたはステンレス鋼などから構成される、円筒状の処理容器１０１を有し、被処理基板１０２を載置する試料台１０３が内設されている。処理容器１０１の外周には、温調器１２１が配設され、処理容器１０１の壁面を常温から１００℃に温度制御できるようになっている。
【００１３】
ＳｉＦ４、ＳＦ６、Ｓ２Ｆ１０、ＮＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、等のフロンガス、Ａｒ、Ｎ２等の不活性ガス、Ｏ２、ＣＯ等の酸化含有ガスは、図示しないガス流量調整手段（ＭＦＣ）やエアーバルブを含むモジュール化されたガス供給手段にて、独立してガス流量や供給タイミングが制御され、ガス導入口１０４から多孔構造のシャワープレート１０５を介して均一に被処理基板１０２表面へ供給される。
【００１４】
処理容器１０１の下方には、図示しないターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）等の真空排気手段が配設されている。前記処理容器１０１と真空排気手段の間に、オートプレッシャーコントローラー（ＡＰＣ）等の調圧手段（図省略）が配設され、処理容器１０１内が所定圧力に保持される。
処理容器１０１内で処理終了後の反応ガスは、真空排気手段を介して処理容器１０１から排出される。
【００１５】
マグネトロン１０６で発生したマイクロ波は、導波管１０７から、電磁波を透過可能な石英、サファイヤ、窒化アルミニウム、窒化ボロン等で構成される誘電体窓１０８を介して、処理容器１０１内へ導入される。処理容器１０１の外周壁には、磁場発生用のソレノイドコイル１０９が配設され、発生する磁界と入射するマイクロ波との相互作用で、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を生成し、高密度プラズマを形成する。
【００１６】
試料台１０３には、静電チャック１１０が配設され、静電吸着電源１１７からの直流電圧の印加で静電吸着力が発生する。この静電吸着力により、被処理基板１０２が静電チャック１１０に固定される。被処理基板１０２の周囲には、セラミックスまたは石英で構成される絶縁カバー１１８が配置されている。これら、処理容器１０１中央部に配設した、被処理基板１０２を置載する構造体を総称して、電極と呼ぶ。
【００１７】
静電チャック１１０表面の溝と、固定された被処理基板１０２間で形成される流路１１２に、冷却ガス供給口１１５を通して、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ２等の冷却ガスが供給される。流路１１２内は、ＭＦＣと圧力計（図省略）により所定圧力に制御される。熱伝達効率の向上のため、被処理基板１０２は静電チャック１１０の静電吸着力で強力に吸着保持し、この静電吸着力をもってガス流路１１２内を高圧下（０．５〜２．０ｋＰａ）に制御している。
【００１８】
これらの被処理基板１０２と静電チャック１１０の密着力強化、ガス伝熱効率の向上で熱伝達率を改善し、被処理基板１０２の表面温度を極低温に維持している。静電チャック１１０は、強力な静電吸着力が発生できるようにモノポールで構成され、ジョンソン・ラベック力が有効に働くよう、静電チャック１１０の誘電体の固有抵抗を、−３０〜−６０℃の温度範囲で１０８〜１０１１Ω・ｃｍに設計している。
【００１９】
また、静電チャック１１０は−６０℃の極低温に冷却するため、静電チャック１１０に埋設された冷媒循環流路１１３に、チラーユニット１１４で極低温に温度制御された冷媒が循環される。また、被処理基板１０２面内の表面温度を均一化のため、少なくとも１以上の冷媒循環流路１１３が埋設され、独立した温度制御ができる。
【００２０】
試料台１０３には、高周波電力導入ポート１１６が配設され、任意波形発生装置（図省略）が接続された高周波電源１１１から、連続的な正弦波電圧であるＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）、或いはＴＭ（Ｔｉｍｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）の高周波バイアス電力が印加される。ＴＭの高周波バイアスの場合には、前記任意波形発生装置で、電圧もしくは電力を時間的に変調し、間欠的に静電チャック１１０に印加される。高周波電源１１１は、可変周波数電源で構成され、４００〜１２００ｋＨｚの周波数範囲で、任意の周波数に可変できる。また、高周波バイアスの印加タイミング、印加パワー、デューティ比、及び印加の周期は、エッチング装置の制御部（図省略）で制御される。
【００２１】
処理容器１０１内の電極周囲には、金属汚染防止の石英製の円筒１２０とアルミニウム材にアルマイト等を表面処理したカバー１１９が設置されている。
【００２２】
本発明のエッチング方法は、フッ素、珪素、炭素から構成されるガスを用いた第１の反応ガスプラズマによる工程と、フッ素、珪素、硫黄、酸素から構成されるガスを用いた第２の反応ガスプラズマによる工程の、２つの工程を用いて実施される。その詳細を、図１から図６、を用いて以下に説明する。
【００２３】
第１の反応ガスプラズマの工程では、この混合ガスプラズマで生成されるフッ素、珪素、炭素の活性種との相互反応により、ＳｉＸＦＹ、ＣＸＦＹ、Ｆ２、などの反応生成物が生成される。この反応生成物の中から比較的蒸気圧の高い、例えばＣ３Ｆ６（ｂｐ：−３１℃）、Ｃ３Ｆ８（ｂｐ：−３６℃）、Ｃ４Ｆ８（ｂｐ：−６℃）などの堆積性を有するフルオロカーボン（ＣＸＦＹ）からなる反応生成物を利用し、図２に示すハードマスク２０１側壁の保護膜２０２を形成する。
【００２４】
ここで形成される保護膜２０２は、トレンチ上端部２０４にラウンド加工を施すためのマスキングとして利用される。トレンチ上端部２０４のラウンド加工幅、及びその形状は、このハードマスク２０１側壁に形成された、反応生成物からなる保護膜２０２の膜厚Ａ、及びその形状によって制御される。
【００２５】
第１の反応ガスプラズマの工程における反応ガスを、ＳｉＦ４とＣＦ４で構成することが、本発明を実施する上で重要である。エッチングのマスクがホトレジスト層を含む場合には、前記ホトレジスト層より炭素源が供給されるため、保護膜２０２を比較的容易に形成できが、その反面、レジストによるコンタミネーションの問題が発生する。コンタミネーションを防止するには、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等からなるハードマスク１０２で構成する事が望ましいが、炭素の供給源がないため、保護膜２０２を形成することが困難となる。
しかし、液体や固体に比べて高純度材料を製造できるＣＦ４などの気体から炭素源を補給できれば、マスキングに必要とする保護膜２０２の形成も、コンタミネーションの抑止も、共に可能になる。
【００２６】
また、ＳｉＦ４とＣＦ４で生成される反応生成物は、比較的蒸気圧が高いため、被処理基板上１０２上へ選択的に形成され、処理容器１０１内壁面の汚れも抑制することができる。なお、ＳｉＦ４の代わりにＨＢｒ等の臭素含有ガスを使用した場合には、例えばＳｉＢｒ４（ｂｐ：１５３℃）、Ｃ２Ｂｒ４（ｂｐ：２２６℃）、ＣＢｒ４（ｂｐ：１８９．５℃）などの高堆積性の反応生成物が形成されるため、処理容器１０１内の汚れは著しく速く、ウエットクリーニング周期も、それに応じて短くなる。
【００２７】
ＳｉＦ４とＣＦ４の混合ガスプラズマから形成される反応生成物は、ＨＢｒ、ＣＦ４で形成される反応生成物に比べて蒸気圧が高い。そのため、処理過程でハードマスク２０１側壁に反応生成物からなる保護膜２０２が付着したとしても、被処理基板１０２の温度上昇や入射イオンで、その大半が除去される。そのため、その成長速度は極僅かで、反応生成物の沸点近傍では被処理基板１０２の温度ムラに影響を受けるため、付着する保護膜２０２の膜厚、及び形状の制御が不安定になる。
【００２８】
そのため、本発明では、被処理基板１０２を載置する試料台１０３を極低温に温度制御すると共に、熱伝達効率を向上し、前記保護膜２０２をハードマスク２０１側壁に、高速かつ安定して形成可能としている。試料台１０３の温度を低くする事で、付着確率を改善し、保護膜２０２の成長速度を高速化すると共に、入射イオンや温度上昇に対する耐性を強化している。
【００２９】
この反応系で形成される保護膜２０２の成分の詳細は不明であるが、図８に示すように、少なくとも保護膜２０２を形成するには、試料台１０３温度を−２０℃以下にすることが必要である。試料台１０３温度を低くするほど、保護膜２０２の成長速度は増し、耐性も向上する。試料台１０３自体の耐久性に支障は無いものの、結露等の問題が発生するため、装置の保守性も考慮し、保護膜２０２を安定して形成するには、−３０〜−６０℃の範囲で制御することが望ましい。
【００３０】
図２に示すように、第１の反応ガスプラズマの工程では、反応生成物からなる保護膜２０２が付着するものの、開口部２０３表面に付着したものは、入射イオンによって除去される。そのため、僅かながらも被処理基板１０２の開口部２０３にエッチングが進行する。一方、ハードマスク２０１側壁上に付着する保護膜２０２は、入射イオンと並行する方向にあるため、開口部２０３表面に比べて除去される量が少なく、次第に開口部２０３の内面に向かって堆積が進行する。
【００３１】
堆積した保護膜２０２は、エッチングに対するマスクとして機能し、その直下の開口部２０３表面ではエッチングが停止する。エッチング処理の経過に従い、開口部２０３の内面に向かって保護膜２０２が成長し、次第にエッチングを受ける開口部２０３表面がせまくなるため、トレンチ上端部２０４には、テーパー状のコーナーが形成される。これらの、トレンチ上端部２０４の形状、及びハードマスク２０１側壁上の保護膜２０２の形状は、ＣＦ４ガス流量比、圧力、バイアス電力などのエッチング条件にて制御することができる。
【００３２】
前述のように、保護膜２０２の形成には、混合ガスプラズマへの炭素源の供給量が、その生成量を大きく左右する。炭素を含む反応ガス、例えばＣＦ４ガスなどの供給流量、及び総供給ガス流量に対するＣＦ４ガス等の流量比率にて、保護膜２０２の成長速度、及び被覆形状を制御することができる。炭素を含む反応ガスの供給量が多いほど、または供給流量比率が高いほど、保護膜２０２の成長速度は増大し、マスキングの処理時間を短くできる。
【００３３】
但し、過剰に成長速度を速くすると、制御性が低下する。そのため、使用する装置に合せ、最適なエッチングの条件を求めることが望ましい。保護膜２０２の成長速度とコストの面を考慮すると、ＣＦ４が反応ガスとして望ましいが、炭素を含む反応ガスは、ＣＦ４に限定されるものではなく、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８等においても、マスキング処理に使用可能な保護膜２０２を形成することができる。
【００３４】
図５と図６は、ＳｉＦ４に対するＣＦ４の流量比とハードマスク２０１側壁上、及び被処理基板１０２の開口部２０５上に堆積する保護膜２０２の膜厚を示したものである。分析に用いたサンプルは、ＳｉＦ４流量を１０ＳＣＣＭに、ＣＦ４流量を可変しながら作成し、ＳＥＭによる断面観察から保護膜２０２の膜厚を求めたものである。図５に示すように、ハードマスク２０１側壁上の保護膜２０２の膜厚Ａは、ＣＦ４流量比の増大と共にほぼリニアに増加し、流量比８においては処理時間６０ｓｅｃで１２０ｎｍを得ることができる。概ね、総供給流量が１００ＳＣＣＭで、ＣＦ４流量比５〜９であれば、半導体装置の量産に適用できる性能とスループットを確保できる。
【００３５】
一方、図６に示す開口部２０５上の保護膜２０２の膜厚Ｂは、ＣＦ４流量比１〜５の範囲においては、ほぼ一定の膜厚となる。この範囲では、ＣＦ４流量比の制御によって開口部２０５上の膜厚Ｂを一定に保ちながら、ハードマスク２０１側壁の膜厚Ａの形状を制御することができる。また、ＣＦ４流量比５以上では、側壁の膜厚Ａに比べて開口部２０５上の膜厚Ｂの成長が増大するため、膜厚Ｂの形状を制御することが可能となる。これらのＣＦ４流量比と処理時間で、マスキング形状及び生成膜厚を制御することにより、トレンチ上端部２０４のラウンド加工幅、形状等の制御が可能となる。
【００３６】
なお、被処理基板１０２以外の処理容器１０１の内壁や部材は、プラズマ中で発生する反応生成物の蒸気圧を高くしているため、常温もしくは１００℃程度の温度制御で、反応生成物は揮発し、内壁や部材への堆積を抑制できる。反応生成物を除去するために行っているウエットクリーニングなどのメンテナンス周期は、従来の３倍程度に長くなり、ダウンタイムを低減することが可能となる。また、処理容器１０１の内壁面からの脱ガスがプラズマ中に混入する事を防止できるため、常に安定したプロセスを実現可能となる。
【００３７】
ラウンド加工するための保護膜２０２によるマスキングを行った後、被処理基板１０２内のトレンチエッチングが、第２の反応ガスプラズマのステップで実施される。
図３に示すように、ハードマスク２０１側壁に形成した保護膜２０２は、このエッチングの過程で除去され、ハードマスク２０１側壁に向かって保護膜２０２が後退３０３する。
【００３８】
この保護膜２０２の後退速度を利用することにより、テーパー状のコーナー部に、各々のポイントに対応した、エッチングを開始させる連続的なタイムラグを設定すること可能となる。各々のポイントに設定されるタイムラグは、プロセス条件を連続的に可変して諧調を付すか、もしくは少なくとも１以上のプロセス条件のステップを踏んで、段階的に制御することも可能である。
【００３９】
保護膜２０２の後退で露出したトレンチ上端部２０４のテーパー状のコーナー部分は、前記タイムラグをもって、印加バイアスで加速したイオン入射３０２により、局所的にエッチングが進行する。なお、開口部２０３中央部の保護膜２０２は、エッチングによって後退するものの、ハードマスク２０１側壁には再付着が発生するため、処理時間の経過と共に、保護膜２０２の被覆形状は鋭角となる。その結果、図９に示すイオンの入射角度依存性により、保護膜２０２の後退は非線形に減少し、図１０のように時間の経過に伴い、保護膜２０２の後退速度は低下する。
【００４０】
このエッチングを開始するタイムラグの設定と、マスクとなる保護膜２０２の非線形的な後退を利用して、テーパー状のコーナー部に滑らかな弧を有するラウンド形状部３０１を形成する。以上のように、ラウンド施す加工幅が保護膜２０２の膜厚Ａによって決定され、滑らかな弧を有するラウンド加工ができるため、プロセスが安定するとともに、半導体デバイスの歩留りを向上できる。
【００４１】
この第２の反応ガスプラズマのステップでは、ＳｉＦ４、ＳＦ６、Ｏ２の混合ガスプラズマが使用される。この混合ガスプラズマでの解離、及び被処理基板１０２表面との反応で生成される、例えばＳｉＦＸ、ＳＦＸなどの蒸気圧の高いイオンやラジカルによって、トレンチ４０３内のエッチングが進行する。蒸気圧が高いため、図４に示すように、トレンチ底面４０２への反応生成物の付着を抑制でき、エッチングに対する障害がないため、エッチングレートを高速化できる。
【００４２】
また、トレンチ４０３内のエッチングで生成される前駆体と、添加されたＯ２ガスとの反応によって、主に酸化珪素からなる保護膜４０１が適度に形成されるため、Ｆラジカルによる等方的エッチングが抑制され、異方性エッチングが可能となる。さらに、生成された酸化珪素が、比較的薄く処理容器１０１内壁に形成される為、付着物の剥離が抑制され、異物の発生を抑止できる。その結果、処理容器１０１内のウエットクリーニング周期が延長可能となり、ダウンタイムを低減できる。
【００４３】
前述のように、トレンチ４０３のエッチングの進行過程で、トレンチ側壁４０４には保護膜４０１が形成される。トレンチ底面４０２へ入射される混合ガスプラズマ中のイオンは、この保護膜４０１により部分的に入射が遮られる。トレンチ底面４０２の端部４０５は、トレンチ側壁４０４に近づくほど保護膜４０１による入射イオン３０２の立体角が小さくなるため、入射するイオンの低下と共にエッチングレートが低下する。イオン入射が遮蔽されない底面４０２の面は、所定のレートでエッチングが進行するため、結果としてトレンチ底面４０２の端部４０５にラウンド加工が施される。
【００４４】
トレンチ底面４０２の端部４０５のラウンド形状は、保護膜４０１の形状によって制御することができる。保護膜４０１の膜厚を制御することで、イオン入射を遮蔽する領域を変更し、ラウンド加工の曲率半径を制御することができる。保護膜４０１の膜厚は、Ｏ２の供給ガス量やエッチングの圧力により、反応生成物の生成量、またはトレンチ側壁４０４への付着確率を可変することにより可能である。トレンチ底面４０２の端部４０５のラウンド加工は、一連のステップ、または２以上のステップで実施することも可能である。一連のステップでは、処理時間を短縮できるため、高スループットを得ることができる。但し、より精度の高いラウンド形状が求められる場合には、保護膜４０１の形状を、ステップごとに制御し、最適なラウンド加工を施すことが望ましい。
【００４５】
図７は図１の装置を用いて、上述の半導体装置の製造を行った一連の実施例を示すものであり、（ａ）シリコン酸化膜のマスク形成工程、（ｂ）ラウンド用のマスク形成工程（第１反応ガスプラズマのステップ）、（ｃ）トップラウンド及びトレンチ加工工程（第２反応ガスプラズマのステップ）、（ｄ）トレンチ加工及びボトムラウンド工程の工程によって構成されている。
【００４６】
図７（ａ）に示すシリコン酸化膜のマスク形成工程では、直径８インチのシリコンからなる被処理基板１０２上に、膜厚０．５μｍ厚のシリコン酸化膜、膜厚２．０μｍ厚のホトレジストを順に形成し、フォトリソグラフィ技術によって開口部を含むレジストマスクを形成する（図省略）。このレジストマスクをもとに、開口部のシリコン酸化膜をドライエッチングにて除去し、シリコン酸化膜をパターンに加工する。エッチングの処理中は、ＥＰＤ（Ｅｎｄ  Ｐｏｉｎｔ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）等のエッチングモニターで、被処理基板１０２のシリコン界面を検出しながら行われ、界面の検出時、もしくは若干のオーバーエッチングを追加した後、エッチング処理を停止する。
【００４７】
その後、シリコン酸化膜パターン上のホトレジスト、及びパターン側壁に形成された反応生成物を、アッシャーで灰化して除去し、シリコン酸化膜からなるハードマスク２０１のパターンを形成する。トレンチのエッチング前に、シリコン酸化膜上のホトレジストを除去することで、ホトレジストに含まれる汚染物質が被処理基板１０２内への拡散することを抑止できる。
【００４８】
図７（ｂ）に示すラウンド用のマスク形成工程では、トレンチ上端部２０４にラウンド加工の加工幅を決定するマスキングを実施する。処理条件としては、例えば、処理圧力１Ｐａ、マイクロ波８００Ｗ、ＲＦバイアス１００Ｗを印加して生成した、ＣＦ４（９０ＳＣＣＭ）／ＳｉＦ４（１０ＳＣＣＭ）の混合ガスプラズマによってエッチングする。バイアス印加の際には、光学的手段にてプラズマ着火と放電の安定性が確認される。その後、高周波電力導入ポート１１６より、図示しない任意波形発生装置を介して４００ｋＨｚのＴＷバイアスが印加される。印加するＴＷバイアスのデュティ比は３０％、及び周期は１ＭＨｚに設定した。
【００４９】
また、試料台１０３温度は、エッチング加工の均一性を保つため、静電チャック１１０の冷媒循環流路１１３を２分割し、被処理基板１０２の中央部分で−４０℃、外周部分で−５０℃に温度制御した。前述のように、エッチング処理の経過とともに、ハードマスク２０１側壁に保護膜２０２の形成が進行し、その直下ではエッチングの進行が停止する。次第にエッチングを受けるシリコン界面が、パターンの内側に向かって進行するため、トレンチ上端部２０４にテーパー状のコーナー部が形成される。
【００５０】
図７（ｃ）に示すトップラウンドの工程では、図７（ｂ）で形成した保護膜２０２とトレンチ上端部２０４に形成したテーパー状のコーナー部を用いて、トレンチ上端部２０４にラウンド加工が実施される。処理条件としては、例えば、処理圧力１Ｐａ、マイクロ波８００Ｗ、ＲＦバイアス３０Ｗを印加して生成した、ＳＦ６（６０ＳＣＣＭ）／ＳｉＦ４（１００ＳＣＣＭ）／Ｏ２（２０ＳＣＣＭ）の混合ガスプラズマによってエッチングする。
【００５１】
前述のように、ハードマスク２０１側壁に形成した保護膜２０２を、このエッチング工程で除々に除去し、ハードマスク２０１側壁に向かって後退させる。保護膜２０２の後退で露出したトレンチ上端部２０４のテーパー状コーナー部分は、印加バイアスで加速した入射イオン３０２と電界集中により、局所的にエッチングを進行する。ハードマスク２０１側壁に向かって、次第に保護膜２０２が後退させることで、テーパー状コーナー部の横方向に連続したタイムラグが発生し、横方向の各位置でエッチングを受ける時間が連続的に変化する。
【００５２】
また、保護膜２０２の後退の進行とともに、保護膜２０２の被覆形状は鋭角となり、イオンの入射角度依存性によって、非線形に保護膜２０２の後退速度が減少する。前記エッチングを施すタイムラグとマスクとなる保護膜２０２の後退速度の減少を利用して、テーパー状コーナー部に滑らかな弧を有するラウンド形状部３０１が形成される。以上のように、ラウンドを施す加工幅が、保護膜２０２の膜厚Ａによって決定されるため、プロセスが安定するとともに、半導体デバイスの歩留りを向上させることができる。
【００５３】
ラウンド加工幅を決める保護膜２０２の膜厚Ａは、半導体デバイスに求められる特性によって異なるが、高電界が印加されるＩＧＢＴ等のデバイスでは、比較的大きな曲率半径が要求されるため、例えば、トレンチ幅が２．０μｍの場合、膜厚Ａは、０．１〜０．３μｍが望ましい。本実施例では、処理時間を６０秒とし、保護膜２０２の膜厚Ａを０．２μｍ、膜厚Ｂを０．２μｍとした。曲率半径が大きいほど、トレンチ上端部２０４への電界集中は緩和されるが、隣接する素子分離領域間の絶縁耐圧が低下するため、求められる半導体デバイスの特性に応じ、最適値を求めることが望ましい。なお、一般的なＤＲＡＭ等のＳＴＩにおいては、保護膜２０２の膜厚Ａは０．０５〜０．１５μｍが望ましい。
【００５４】
なお、ラウンド形状の曲率半径は、保護膜２０２の被覆形状と印加バイアスのＰｏｗｅｒによって制御することが可能である。曲率半径の大きいラウンド形状を、被覆形状で制御する場合、保護膜２０２の膜厚Ａを厚く、膜厚Ｂを極力薄く形成し、膜厚Ｂをエッチング除去する間に失なわれる膜厚Ａを抑えることが望ましい。同様に印加バイアスのＰｏｗｅｒで制御する場合は、Ｐｏｗｅｒを大きくすることで、曲率半径の大きいラウンド形状を得ることができる。
【００５５】
但し、過剰に印加バイアスＰｏｗｅｒを高くするとハードマスク２０１の損傷が増大し、Ｐｏｗｅｒが低いと異方性が低下するなど、トレンチの加工形状に影響を及ぼすため、加工する半導体デバイスに応じ、適性値を求めることが望ましい。高電界が印加されるＩＧＢＴ等のデバイスでは、比較的加工されるトレンチの幅が広く、アスペクト比が低いため、１５〜３０Ｗが望ましい。
【００５６】
図７（ｄ）に示すトレンチ加工及びボトムラウンド工程では、図７（ｃ）に示した開口部２０３の被処理基板１０２界面をエッチングしながらトレンチを形成するとともに、底部の端部４０５にラウンド加工を施す。処理条件としては、例えば、処理圧力１Ｐａ、マイクロ波８００Ｗ、ＲＦバイアス３０Ｗを印加して生成した、ＳＦ６（６０ＳＣＣＭ）／ＳｉＦ４（１００ＳＣＣＭ）／Ｏ２（２０ＳＣＣＭ）の混合ガスプラズマによってエッチングする。
【００５７】
この混合ガスプラズマで形成される反応生成物は、蒸気圧が高く、トレンチ底面４０２への付着を抑制できる。その結果、エッチングに対する障害がないため、高速のエッチングレートを確保できる。また、添加されたＯ２ガスと前駆体との反応で、トレンチ壁面４０４に保護膜４０１が形成される。この保護膜４０１をマスクとして、等方的エッチングを抑制され、異方性エッチングが実施される。
【００５８】
本実施例では、トレンチエッチングを図７（ｃ）のトップラウンドと同条件を用いたが、トレンチ上端部２０４に施したトップラウンド形状の制御性を上げるため、印加するバイアス電力の周波数を高くすることイオン衝撃を緩和し、トップラウンドの形状変化を抑制することが望ましい。本エッチング装置では、ＣＷバイアス印加とＴＭバイアス印加の２つの印加方法が選択可能であるが、ＴＭバイアスの場合、被処理基板１０２への印加と停止をデューティ比などで時間的に変調可能で、単位時間当たりのバイアス電力を固定して制御できる。その結果、被処理基板１０２へのイオン照射時間の制御と、ＣＷバイアスと同一のバイアス電力で間欠的に高電圧の高垂直性イオンが入射できる。よって、バイアス電力の周波数を制御することで、ＣＷバイアスに対し、高い異方性を得ながら、より低ダメージのエッチングが可能である。
【００５９】
但し、ＣＷバイアス印加、ＴＭバイアス印加方法ともに、過度の高周波化は、トレンチエッチングの異方性が劣化し、トレンチの形状不良が発生する。これは、バイアス印加方法、及び電極構造、プラズマ密度、エッチングガス条件等の装置構成やプロセス条件によってもその影響の度合いが変わるため、使用するプラズマエッチング装置、プロセス条件に応じて、４００〜１２００ｋＨｚの中から、互いの最適値を求めることが好ましい。
【００６０】
トレンチエッチングの進行と共に、トレンチ側壁４０４には保護膜４０１が形成され、膜厚が次第に厚くなる。トレンチ底面４０２へ入射される混合ガスプラズマのイオンは、この保護膜４０１によって部分的に入射を遮られる。底部の端部４０２は、トレンチ側壁４０４に近づくほど保護膜４０１によってイオン入射の立体角が小さくなり、エッチングレートが低下する。イオン入射が遮蔽されない底部４０２の面では、一定のエッチングレートで加工が進行するため、トレンチ底面４０２の端部４０５にラウンド加工が施される。
【００６１】
なお、本実施例では、トレンチ加工とボトムラウンドの形成を、同一のエッチング条件で実施したが、トレンチ加工とボトムラウンド加工の条件に分離することも有効である。トレンチ深さが設定の５０〜８０％に達した段階で、トレンチ加工のエッチング条件を一旦終了し、その後、トレンチ側壁４０４の保護膜４０１の膜厚、形状を最適化する条件に変更すれば、ボトムラウンドの加工精度、及び安定性が高くすることができる。プロセスステップの増加より、スループットが低下するものの、半導体デバイスの歩留りを向上できる。半導体デバイスに要求される加工精度に応じ、選択することが望ましい。
【００６２】
前述の保護膜４０１の膜厚、形状は、Ｏ２流量比及び処理圧力にて反応生成物の生成量を調整するか、もしくはＴＭバイアスのデューティ比、及び周期にて反応生成物の反応時間、側壁への付着時間を調整することで制御できる。Ｏ２流量比の増加、処理圧力の高圧化、及び高周波バイアスのＯＦＦ時間を長くするほど、保護膜４０１の成長速度が増加する。この保護膜４０１の膜厚により、イオン入射を遮蔽する領域を調整し、ラウンド加工の曲率半径を制御することができる。
【００６３】
保護膜４０１の膜厚が厚くなるほど、イオン入射を遮蔽する領域が拡大し、トレンチ底面４０２の端部４０５に曲率半径の大きなラウンド加工が施される。保護膜４０１の膜厚を、過度に厚くすると、トレンチ形状に異常をきたすため、Ｏ２流量比１０〜２０ＳＣＣＭ、処理圧力１．０〜３．０Ｐａ、ＴＭバイアスのデューティ比３０〜５０％、及び周期を１〜２ＭＨｚの範囲で設定することが望ましい。なお、処理圧力については、使用するプラズマ源で適正な圧力範囲が異なるため、使用するプラズマエッチング装置に応じて適正値を求めることが望ましい。ちなみに誘導結合型エッチング装置は５００〜１０００Ｐａ、有磁場ＲＩＥ装置では１０〜１００Ｐａが、概ね適正な範囲である。
【００６４】
図７（ｄ）の処理が終了した段階で、被処理基板１０２は処理容器１０１より搬出される。トレンチ側壁４０４に付着した保護膜４０１は、ＨＦを用いたウェットエッチングにて除去される。
【００６５】
表１に示すプロセス条件は、図１の有磁場マイクロ波プラズマエッチング装置で使用される中心条件であり、本装置に最適化された条件である。ヘリコン波エッチング装置、誘導結合型エッチング装置、容量結合型エッチング装置、有磁場ＲＩＥ装置などの他のエッチング装置とは、個々にプロセスファクターの最適値は多少異なるものの、トレンチ上端部及び底辺部にラウンド加工を施す方法は、この装置に限定されるものでなく、他のエッチング装置にも適用可能である。エッチングプロセスに携わるものならば、ここに提示したプロセス条件を元に、前記装置の最適条件に調整することは可能であり、同等の効果を得ることが出来る。
【表１】
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【００６６】
本実施例は、半導体デバイスの試験サンプルについて最適化を行ったプロセス条件であり、ハードマスク２０１、ホトレジスト（図省略）の形成方法については、本実施条件に限られるものではない。
【００６７】
本発明は、素子分離工程（ＳＴＩ）について記載したが、それに限るものではなく、半導体デバイス製造工程において穴や溝を加工し、その部分に物質を埋め込むプロセスや成膜するプロセスにおいては、本発明の方法が適応可能であり、例えば、Ｄｅｅｐ  Ｔｒｅｎｃｈ加工工程や、Ｄｕａｌ  Ｄａｍａｓｃｅｎｅ加工工程などにも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施例１に使用したマイクロ波エッチング装置の処理容器の構成を示す図。
【図２】本発明におけるラウンド加工幅を決める保護膜によるマスキングを示す図。
【図３】本発明におけるトップラウンドの方法を説明する図。
【図４】本発明におけるボトムラウンドの方法を説明する図。
【図５】本発明におけるマスキングに用いる保護膜の膜厚ＡのＣＦ４流量比依存性を示す図。
【図６】本発明におけるマスキングに用いる保護膜の膜厚ＢのＣＦ４流量比依存性を示す図。
【図７】本実施例におけるプロセスフローを説明する図。
【図８】本発明における基板温度と保護膜厚の関係を説明する図。
【図９】本発明におけるイオン入射角と保護膜のエッチング速度の関係を説明する図。
【図１０】本発明におけるエッチング処理時間と保護膜厚の関係を説明する図。
【符号の説明】
【００６９】
１０１    処理容器
１０２    被処理基板
１０３    試料台
１０４    プロセスガス供給
１０５    シャワープレート（多孔構造石英板）
１０６    マグネトロン
１０７    導波管
１０８    誘電体窓
１０９    ソレノイドコイル
１１０    静電チャック
１１１    高周波電源
１１２    冷却ガス流路
１１３    冷媒循環流路
１１４    チラーユニット
１１５    冷却ガス供給口
１１６    高周波導入ポート
１１７    静電吸着電源
１１８    絶縁カバー
１１９    カバー
１２０    円筒
１２１    温調器
２０１    ハードマスク
２０２    保護膜
２０３    開口部
２０４    トレンチ上端部
３０１    ラウンド形状部
３０２    入射イオン
３０３    保護膜の後退
４０１    保護膜（酸化珪素）
４０２    トレンチ底面
４０３    トレンチ
４０４    トレンチ側壁
４０５    端部
【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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