(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンからなる半導体部材上に開口部を有するマスクパターンを形成する第１の工程と、
前記マスクパターンが形成された前記半導体部材を、塩素イオンを含む高密度プラズマを用いてエッチングする第２の工程とを備え、
前記塩素イオンは、塩素分子イオンと塩素原子イオンとを含み、
前記高密度プラズマ中において、前記塩素分子イオンは、前記塩素原子イオンよりも高い割合で含まれ、前記塩素分子イオンの発光強度に対する前記塩素原子イオンの発光強度の比は、０．１５以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第２の工程は、前記高密度プラズマを圧力が４Ｐａ以上の雰囲気で生成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】
前記第２の工程は、前記高密度プラズマを標準状態で体積１ｌ当たり０．３ｍｌ以上の酸素を添加して生成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】
前記第２の工程は、前記高密度プラズマを２０ＭＨｚ以上の周波数を持つプラズマ発生電源を用いて生成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５】
前記第２の工程は、前記半導体部材に前記塩素分子イオンを選択的に加速して照射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６】
前記塩素分子イオンは、周期が０．１μｓ〜１００μｓのバイアス電力を間欠的に印加することにより選択的に加速されることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記バイアス電力を間欠的に印加する周期は、塩素原子イオンがプラズマシースを通過できる時間程度であ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】
前記マスクパターンはシリコン窒化膜からなることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
シリコンからなるエッチング対象部材を収納する反応室と、
前記反応室に設けられ、前記エッチング対象部材に照射する塩素分子イオン及び塩素原子イオンを含むプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
生成された塩素分子イオンのイオン量及び塩素原子イオンのイオン量を分析するイオン量分析手段と、
前記イオン量分析手段の分析結果に基づいてプロセスパラメータを調節するプロセスパラメータ制御手段とを備え、
前記プラズマ生成手段は、塩素分子イオンを塩素原子イオンよりも多く発生し、
前記イオン量分析手段は、プラズマ発光分光分析装置であり、
前記プロセスパラメータ制御手段は、前記エッチング対象部材をエッチングしている間、前記塩素分子イオンの発光強度に対する前記塩素原子イオンの発光強度の比を０．１５以下に保つことを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項１０】
シリコンからなるエッチング対象部材を収納する反応室と、
塩素原子イオンと塩素分子イオンとを含むプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
生成されたプラズマから前記塩素分子イオンを分離するイオン分離手段と、
分離された前記塩素分子イオンを前記反応室に選択的に導入するイオン導入手段とを備え、
前記反応室において、分離された前記塩素分子イオンを用いて前記エッチング対象部材をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項１１】
シリコンからなるエッチング対象部材を収納する反応室と、
前記反応室に設けられ、前記エッチング対象部材に照射する塩素分子イオン及び塩素原子イオンを含むプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
生成された前記塩素分子イオンのイオンエネルギー及び前記塩素原子イオンのイオンエネルギーを分析するイオンエネルギー分析手段と、
前記イオンエネルギー分析手段の分析結果に基づいて、前記エッチング対象部材をエッチングしている間、塩素分子イオンのイオンエネルギーを塩素原子イオンのイオンエネルギーと比べて高くなるように、パルスの振幅、周期又はデューティ比を調節するパルス制御手段と、
前記パルス制御手段からの制御信号を受け、前記プラズマ生成手段のバイアス電源を制御するパルス生成手段とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項１２】
前記シリコンからなるエッチング対象部材は、半導体基板であることを特徴とする請求項９〜１１のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンからなる半導体部材をエッチングする際に所望の加工形状を得ることができる半導体装置の製造方法及びその製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体素子の分離形成工程には、シリコンからなる半導体基板に溝部を形成し、形成された溝部にシリコン酸化膜を埋め込み、埋め込まれたシリコン酸化膜の表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により平坦化することにより、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造と呼ばれる素子分離構造を形成する手法が採用されている。
【０００３】
以下、図１７を参照しながら半導体装置における従来の素子分離構造の製造方法を説明する。
【０００４】
図１７（ａ）〜図１７（ｄ）は半導体装置における従来の素子分離構造の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０００５】
まず、シリコンからなる半導体基板１０１の上面に熱酸化法により第１のシリコン酸化膜１０２を形成し、その後、第１のシリコン酸化膜１０２の上にシリコン窒化膜１０３を形成する。続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、シリコン窒化膜１０３上に所望の分離パターン１０４ａを有するレジスト膜１０４を形成して、図１７（ａ）の状態を得る。
【０００６】
次に、図１７（ｂ）に示すように、レジスト膜１０４をマスクとしたドライエッチング法により、シリコン窒化膜１０３と第１のシリコン酸化膜１０２とをエッチングし、その後、アッシングと洗浄とによりレジスト膜１０４を除去して、分離パターン１０３ａをシリコン窒化膜１０３及び第１のシリコン酸化膜１０２に転写する。
【０００７】
次に、分離パターン１０３ａが形成された半導体基板１０１をドライエッチング装置のチャンバに投入し、チャンバの内部を所定の真空度にまで真空排気する。その後、半導体基板１０１のエッチング用ガス（プロセスガス）をチャンバ内に導入し、プロセスガスをプラズマ化する。プラズマ化したプロセスガスと半導体基板１０１とを反応させて揮発性の反応生成物を形成し、該反応生成物を真空排気することによってエッチングが進行する。シリコンに対するドライエッチングにおいては、プロセスガスに塩素（Ｃｌ2 ）又は臭化水素（ＨＢｒ）等のハロゲンを含む混合ガスを用いる。
【０００８】
半導体基板１０１のエッチングには、分離パターン１０３ａの寸法の微細化により、高い加工精度が要求されるため、２電源方式のドライエッチング装置、例えば、プラズマ生成用のソース電源とプラズマをエッチング対象物に引き込むバイアス電源とを有する誘導結合（ＩＣＰ）型プラズマエッチング装置を用いて、プラズマ密度が１×１０16／ｍ3 以上の高密度プラズマを発生させる。このプラズマエッチングにより、半導体基板１０１に素子分離構造形成用の溝部１０１ａが形成され、ドライエッチング時に形成された堆積物を洗浄により除去して、図１７（ｃ）に示す状態を得る。
【０００９】
次に、溝部１０１ａの表面の表面準位を低減するため、熱酸化法により溝部１０１ａの側壁及び底部を酸化する。その後、素子分離用の第２のシリコン酸化膜をシリコン窒化膜１０３上に溝部１０１ａを埋め込むように堆積する。続いて、堆積した第２のシリコン酸化膜をＣＭＰ法等により平坦化し、さらに、シリコン窒化膜１０３及び第１のシリコン酸化膜１０２をウエットエッチにより除去することにより、図１７（ｄ）に示すように、第２のシリコン酸化膜からなる素子分離構造１０５が形成される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のシリコン基板１０１に対する高密度プラズマによるドライエッチング方法は、塩素ガスのみでエッチングを行なうと、図１７（ｃ）に示すように、溝部１０１ａの側壁下部に小さな溝（局所溝）１０１ｂが形成され、局所溝１０１ｂによりシリコン基板１０１に結晶欠陥を生ずるという問題を有している。
【００１１】
また、この局所溝１０１ｂの発生を抑制するために、臭化水素と塩素との混合ガスを用いるとエッチング速度が低下するという問題を有している。
【００１２】
また、エッチングに臭化水素ガスを用いた場合に、エッチングのマスクとなるシリコン窒化膜１０３に対して高いエッチング選択比を得られず、加工精度が悪くなるという問題をも有している。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題を解決し、シリコン部材をドライエッチングする際の開口部の側端下部に生じる局所溝の形成を抑制し、且つシリコン窒化膜に対する高い選択比を持ちながらエッチングを行なえるようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、シリコン部材のエッチングに用いる高密度プラズマに塩素分子を含ませる構成とする。
【００１５】
具体的に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、シリコンからなる半導体部材上に開口部を有するマスクパターンを形成する第１の工程と、マスクパターンが形成された半導体部材を、塩素分子イオンを含む高密度プラズマを用いてエッチングする第２の工程とを備えている。
【００１６】
本発明の半導体装置の製造方法によると、シリコンからなる半導体部材に対して、塩素原子イオンよりも反応性が低い塩素分子イオンを含むプラズマを照射してエッチングすることにより、開口部の側端下部に生じる局所的なエッチングを抑制することができる。また、塩素分子イオンを含むプラズマを用いてエッチングすることにより、塩素原子イオンを多く含む場合と比べて、塩素プラズマのシリコンに対する反応性が小さくなるため、シリコン窒化膜に対する高い選択比をも得ることができる。
【００１７】
本発明の半導体装置の製造方法において、第２の工程は高密度プラズマを圧力が約４Ｐａ以上の雰囲気で生成することが好ましい。
【００１８】
本発明の半導体装置の製造方法において、第２の工程は高密度プラズマを標準状態で体積１ｌ当たり約０．３ｍｌ以上の酸素を添加して生成することが好ましい。
【００１９】
本発明の半導体装置の製造方法において、第２の工程は高密度プラズマを約２０ＭＨｚ以上の周波数を持つプラズマ発生電源を用いて生成することが好ましい。
【００２０】
本発明の半導体装置の製造方法において、第２の工程は半導体部材に塩素分子イオンを選択的に加速して照射することが好ましい。
【００２１】
この場合に、塩素分子イオンは周期が０．１μｓ〜１００μｓのバイアス電力を間欠的に印加することにより選択的に加速されることが好ましい。
【００２２】
さらに、この場合に、バイアス電力を間欠的に印加する周期が、塩素原子イオンがプラズマシースを通過できる時間程度であることが好ましい。
【００２３】
本発明の半導体装置の製造方法において、マスクパターンがシリコン窒化膜からなることが好ましい。
【００２４】
本発明に係る第１の半導体装置の製造装置は、シリコンからなるエッチング対象部材を収納する反応室と、反応室に設けられエッチング対象部材に照射する塩素分子イオン及び塩素原子イオンを含むプラズマを生成するプラズマ生成手段と、生成された塩素分子イオンのイオン量及び塩素原子イオンのイオン量を分析するイオン量分析手段と、イオン量分析手段の分析結果に基づいてプロセスパラメータを調節するプロセスパラメータ制御手段とを備え、プロセスパラメータ制御手段は塩素分子イオンのイオン量と塩素原子イオンのイオン量との比の値をほぼ所定の値に保つ。
【００２５】
第１の半導体装置の製造装置によると、プラズマ生成手段により生成された塩素分子イオンのイオン量及び塩素原子イオンのイオン量を分析するイオン量分析手段と、各イオン量の分析結果に基づいて塩素分子イオンのイオン量と塩素原子イオンのイオン量との比の値をほぼ所定の値に保つプロセスパラメータ制御手段とを備えているため、本発明に係る半導体装置の製造方法を実現できる半導体装置の製造装置を得ることができる。
【００２６】
第１の半導体装置の製造装置において、イオン量分析手段がプラズマ発光分光分析装置であることが好ましい。
【００２７】
本発明に係る第２の半導体装置の製造装置は、シリコンからなるエッチング対象部材を収納する反応室と、エッチング対象部材に照射するための塩素ガスを含むプラズマを生成するプラズマ生成手段と、生成されたプラズマから塩素分子イオンを分離するイオン分離手段と、分離された塩素分子イオンを反応室に選択的に導入するイオン導入手段とを備えている。
【００２８】
第２の半導体装置の製造装置によると、プラズマ生成手段により生成されたプラズマから塩素分子イオンを分離するイオン分離手段と、分離された塩素分子イオンを反応室に選択的に導入するイオン導入手段とを備えているため、本発明に係る半導体装置の製造方法を実現できる半導体装置の製造装置を得ることができる。
【００２９】
本発明に係る第３の半導体装置の製造装置は、シリコンからなるエッチング対象部材を収納する反応室と、反応室に設けられエッチング対象部材に照射する塩素分子イオン及び塩素原子イオンを含むプラズマを生成するプラズマ生成手段と、生成された塩素分子イオンのイオンエネルギー及び塩素原子イオンのイオンエネルギーを分析するイオンエネルギー分析手段と、イオンエネルギー分析手段の分析結果に基づいて、塩素分子イオンのイオンエネルギーを塩素原子イオンのイオンエネルギーと比べて高くなるように、パルスの振幅、周期又はデューティ比を調節するパルス制御手段と、パルス制御手段からの制御信号を受け、プラズマ生成手段のバイアス電源を制御するパルス生成手段とを備えている。
【００３０】
第３の半導体装置の製造装置によると、プラズマ生成手段により生成された塩素分子イオンのイオンエネルギー及び塩素原子イオンのイオンエネルギーを分析するイオンエネルギー分析手段と、塩素分子イオンのイオンエネルギーを塩素原子イオンのイオンエネルギーと比べて高くなるように、パルスの振幅、周期又はデューティ比を調節するパルス制御手段とを備えているため、本発明に係る半導体装置の製造方法を実現できる半導体装置の製造装置を得ることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図１（ａ）〜図１（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置における素子分離構造の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００３３】
まず、シリコンからなる半導体基板１１の上面に熱酸化法により第１のシリコン酸化膜１２を形成し、その後、ＣＶＤ法等を用いて、第１のシリコン酸化膜１２の上にシリコン窒化膜１３を形成する。続いて、フォトリソグラフィ法により、シリコン窒化膜１３上に素子分離構造の設計パターンである分離パターン１４ａを有するレジスト膜１４を形成して、図１（ａ）の状態を得る。
【００３４】
次に、図１（ｂ）に示すように、レジスト膜１４をマスクとしてシリコン窒化膜１３と第１のシリコン酸化膜１２とをドライエッチング法によりエッチングし、その後、アッシングと洗浄とによりレジスト膜１４を除去して、シリコン窒化膜１３及び第１のシリコン酸化膜１２に分離パターン１４ａが転写されてなる分離パターン１３ａを形成する。
【００３５】
次に、分離パターン１３ａが形成された半導体基板１１をドライエッチング装置、例えば誘導結合型プラズマエッチング装置のチャンバに投入し、チャンバの内部を所定の真空度にまで真空排気する。その後、ソース電力が約６００Ｗで、バイアス電力が約２００Ｗで、塩素（Ｃｌ2 ）ガスの流量が約１５０ｍｌ／ｍｉｎの条件でドライエッチングを行なう。このときのチャンバ内の圧力（プロセス圧力）は約４Ｐａ以上とすることが好ましく、ここでは、例えば約７Ｐａに設定する。この条件でエッチングを行なうことにより、半導体基板１１に素子分離構造形成用の溝部１１ａがその側端下部に局所溝を生じることなく形成される。この後、半導体基板１１のドライエッチング時に形成された堆積物を洗浄により除去すると、図１（ｃ）に示すようになる。なお、プラズマ密度は１×１０16／ｍ3 以上に設定しており、本願明細書では、この状態のプラズマを高密度プラズマと呼ぶことにする。
【００３６】
次に、溝部１１ａの表面の表面準位を低減するため、熱酸化法により溝部１１ａの側壁及び底部（以下、トレンチ側壁と称す。）を酸化する。その後、ＣＶＤ法により、素子分離用の第２のシリコン酸化膜をシリコン窒化膜１３上に溝部１１ａを埋め込むように堆積する。続いて、堆積した第２のシリコン酸化膜の上面をＣＭＰ法等により平坦化し、さらに、シリコン窒化膜１３及び第１のシリコン酸化膜１２をウエットエッチにより除去することにより、図１（ｄ）に示すように、第２のシリコン酸化膜からなる素子分離構造１５を形成する。
【００３７】
以下、第１の実施形態において、プロセス圧力を約４Ｐａ以上に設定することにより、溝部１１ａの側端下部に局所溝が形成されず、且つ、シリコン窒化膜１３に対して高い選択比が確保される理由を説明する。
【００３８】
図２はプロセス圧力に対する対シリコン窒化膜の選択比及び局所溝の深さの各依存性を示している。図２から、局所溝の深さはプロセス圧力を約４Ｐａ以上とすることにより急激に低下し、シリコン窒化膜の選択比も大きく向上していることが分かる。
【００３９】
図３はプロセス圧力がそれぞれ、０．７Ｐａ、１．３Ｐａ、４．０Ｐａ及び７．０Ｐａのときの各プラズマ発光分光の分光強度（相対値）の分析結果を示している。図３において、２５６ｎｍ及び３０９ｎｍは塩素分子（Ｃｌ２ ）の発光ピークを示し、７２６ｎｍ、７４１ｎｍ及び７５５ｎｍは塩素原子（Ｃｌ）による発光ピークを示している。図３から分かるように、プロセス圧力を増大させるに従って、塩素分子（Ｃｌ２ ）の発光ピークは大きくなり、逆に塩素原子（Ｃｌ）のピークは小さくなっている。
【００４０】
図４はプロセス圧力に対する発光ピークが７２６ｎｍの塩素原子と２５６ｎｍの塩素分子との発光強度比の依存性を示している。図４からプロセス圧力を増大させると、塩素原子と塩素分子との発光強度比の値は低下することが分かる。
【００４１】
従って、図４において塩素原子と塩素分子との発光強度比を約０．１５以下に維持すると、図２に示した局所溝深さ及び対シリコン窒化膜選択比のデータから、局所溝の形成を抑制でき且つ選択比４０以上を確保できることが分かる。すなわち、塩素原子と塩素分子との発光強度比が局所溝深さと対シリコン窒化膜選択比とのプロセスパラメータとして採用できることが分かる。
【００４２】
ここで、図５を参照しながら塩素原子によって局所溝が形成される理由を説明する。
【００４３】
シリコンからなる半導体基板１１をエッチングする際に、高いエネルギーを持った塩素イオン１０６が溝部１１ａに入射する。塩素イオン１０６は入射角分布を有しているため、塩素イオン１０６の一部が側壁に衝突して反射される。このため、溝部１１ａの側端下部に塩素イオン１０６が集中する。このとき、塩素原子イオンは塩素分子イオンと比べて反応性が高く、入射する塩素イオン１０６に塩素原子の割合が高いと、溝部１１ａの側端下部のエッチング速度が局所的に増速されるため、局所溝１１ｂが形成される。
【００４４】
従って、入射する塩素イオン１０６のうち塩素分子イオンの割合を高くすることによって局所溝１１ｂの形成を抑制することができる。また、同様に塩素分子イオンの割合を高くしてエッチングすることにより、シリコン窒化膜１３に対して高いエッチング選択比を確保することができる。
【００４５】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４６】
図６（ａ）〜図６（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置における素子分離構造の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００４７】
まず、シリコンからなる半導体基板１１の上面に熱酸化法により第１のシリコン酸化膜１２を形成し、その後、ＣＶＤ法等を用いて、第１のシリコン酸化膜１２の上にシリコン窒化膜１３を形成する。続いて、フォトリソグラフィ法により、シリコン窒化膜１３上に素子分離構造の設計パターンである分離パターン１４ａを有するレジスト膜１４を形成して、図６（ａ）の状態を得る。
【００４８】
次に、図６（ｂ）に示すように、レジスト膜１４をマスクとしてシリコン窒化膜１３と第１のシリコン酸化膜１２とをドライエッチング法によりエッチングし、その後、アッシングと洗浄とによりレジスト膜１４を除去して、シリコン窒化膜１３及び第１のシリコン酸化膜１２に分離パターン１４ａが転写されてなる分離パターン１３ａを形成する。
【００４９】
次に、分離パターン１３ａが形成された半導体基板１１をドライエッチング装置、例えば誘導結合型プラズマエッチング装置のチャンバに投入し、チャンバの内部を所定の真空度にまで真空排気する。その後、ソース電力が約６００Ｗで、バイアス電力が約２００Ｗで、プロセス圧力が約１．３Ｐａで塩素（Ｃｌ2 ）ガスの流量が約１５０ｍｌ／ｍｉｎの条件でドライエッチングを行なう。さらに、プロセスガスとしてチャンバの体積１ｌ当たり０．３ｍｌ以上の酸素（Ｏ2 ）ガスを添加する。第２の実施形態においては、チャンバの容積が２６ｌのエッチング装置を用いているため、例えば約８ｍｌ／ｍｉｎの酸素ガスを添加している。
この条件でエッチングを行なうことにより、半導体基板１１に素子分離構造形成用の溝部１１ａがその側端下部に局所溝を生じることなく形成される。この後、半導体基板１１のドライエッチング時に形成された堆積物を除去する洗浄を行なうと、図６（ｃ）に示すようになる。
【００５０】
次に、溝部１１ａの表面の表面準位を低減するため、熱酸化法により溝部１１ａのトレンチ側壁を酸化する。その後、ＣＶＤ法により、素子分離用の第２のシリコン酸化膜をシリコン窒化膜１３上に溝部１１ａを埋め込むように堆積する。
続いて、堆積した第２のシリコン酸化膜の上面をＣＭＰ法等により平坦化し、さらに、シリコン窒化膜１３及び第１のシリコン酸化膜１２をウエットエッチにより除去することにより、図６（ｄ）に示すように、第２のシリコン酸化膜からなる素子分離構造１５を形成する。
【００５１】
以下、第２の実施形態においてはプロセス圧力を約１．３Ｐａとして４Ｐａ以下に設定しているにもかかわらず、体積１ｌ当たり０．３ｍｌ以上の酸素ガスをプロセスガスに添加することにより、溝部１１ａの側端下部に局所溝が形成されずにエッチングを行なえる理由を説明する。
【００５２】
図７は誘導結合型プラズマエッチング装置を用いた場合の、酸素流量に対する発光ピークが７２６ｎｍの塩素原子と２５６ｎｍの塩素分子との発光強度比及び局所溝の深さの各依存性を示している。ここでは、ソース電力を約６００Ｗとし、バイアス電力を約２００Ｗとし、プロセス圧力を約１．３Ｐａとしている。
【００５３】
図７に示すように、塩素ガスに酸素ガスを添加することによって、プロセス圧力が４Ｐａ以下であっても、発光強度比を０．１５以下に維持することができるため、局所溝の形成を抑制することができる。これは、酸素によって、塩素分子の塩素原子への解離が抑制されるためであると考えられる。
【００５４】
このように、第２の実施形態は、第１の実施形態と異なり、プロセス圧力の自由度が向上する。
【００５５】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置における素子分離構造の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００５６】
図８はシリコン基板に対するエッチングに、一般的な周波数である１３．５６ＭＨｚのソース電源を持つ誘導結合型ドライエッチング装置と、周波数が通常値よりも高い２０ＭＨｚのソース電源を持つ平行平板型ドライエッチング装置とを用いた場合の、プラズマ発光分光分析による発光ピークが７２６ｎｍの塩素原子と２５６ｎｍの塩素分子との発光強度比と局所溝の深さとをそれぞれ比較して示している。
【００５７】
ここでは、いずれもソース電力を約６００Ｗとし、バイアス電力を約２００Ｗとし、プロセス圧力を約１．３Ｐａとし、塩素（Ｃｌ2 ）ガスの流量を約１５０ｍｌ/ｍｉｎとしている。
【００５８】
図８から分かるように、高密度プラズマを発生するソース電源を通常値よりも高い２０ＭＨｚとすると、通常のソース電源の周波数である１３．５６ＭＨｚの場合と比べて発光強度比の値は小さくなり、０．１５程度となる。これに伴い、局所溝の深さも減少し、周波数が２０ＭＨｚの場合は局所溝の深さが１ｎｍ以下となって、不具合が生じない程度の深さとなっている。
【００５９】
このように、第３の実施形態によると、シリコン部材に対するエッチングにおいて、プラズマを発生させる電源周波数を通常値よりも高い２０ＭＨｚ、又はそれ以上、例えば１００ＭＨｚとすることによって局所溝の形成を抑制することができる。これは、電源周波数が大きいと、塩素分子の塩素原子への解離度が小さくなるためであると考えられる。これにより、プロセス圧力又はエッチングガスの組成比等を自由に設定できるようになる。
【００６０】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００６１】
図９は本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造装置である誘導結合型プラズマエッチング装置を模式的に示している。
【００６２】
図９に示すように、第４の実施形態に係るドライエッチング装置５０Ａは、反応室５１と、該反応室５１の上部に誘電体板５２を介して設けられた誘導コイル５３と、反応室５１の底部に設けられ、エッチング対象物である基板７０を保持する下部電極５４とを備えている。
【００６３】
誘導コイル５３は、一端が接地され他端がソース電源５５と接続されている。
下部電極５４は、ブロッキングキャパシタ５６を介してバイアス電源５７と接続されている。
【００６４】
反応室５１の側壁には、プロセスガスの導入用のガス導入管５８と、プロセスガス中の塩素原子イオンと塩素分子イオンとの組成比を観察（モニタ）するための光ファイバ５９の一端とが設けられている。
【００６５】
光ファイバ５９の他端は、イオン量分析手段としての発光分析器６０と接続され、発光分析器６０はプロセスパラメータ制御装置６１と接続されている。
【００６６】
以下、前記のように構成されたドライエッチング装置５０Ａの動作を説明する。
【００６７】
まず、例えばシリコンからなるエッチング対象部材である基板７０を下部電極５４の上に保持する。次に、エッチングガスであるプロセスガスをガス導入管５８を通して反応室５１に導入し、プロセスガスを所定の圧力及び流量となるようにプロセスパラメータ制御装置６１によって調節する。さらに、ソース電源５５から誘導コイル５３に高周波電力を印加して、反応室５１に塩素プラズマを放電させ、バイアス電源５６にもバイアス電力を印加して、基板７０のエッチングを開始する。ここでは、例えば、各プロセスパラメータである、プロセス圧力を約５Ｐａとし、ソース電力を約６００Ｗとし、バイアス電力を約２００Ｗとし、塩素（Ｃｌ2 ）ガスの流量を約１５０ｍｌ／ｍｉｎとし、酸素（Ｏ2 ）ガスの流量を約５ｍｌ／ｍｉｎとして基板７０のエッチングを行なう。
【００６８】
エッチング中に、光ファイバ５９を通して、塩素プラズマの発光光を分光分析器６０に取り込み、１波長以上のピーク強度値を抽出する。抽出したピーク強度値に基づいて演算を施す。例えば、第４の実施形態においては、波長が７２６ｎｍの塩素原子イオンと波長が２５６ｎｍの塩素分子イオンとを抽出し、その発光強度比（７２６ｎｍ強度／２５６ｎｍ強度）の値を求める。
【００６９】
この演算結果を発光分析器６０からプロセスパラメータ制御装置６１に入力し、演算結果が所定の条件を満たすように、該プロセスパラメータ制御装置６１によって１つ以上のプロセスパラメータを変化させる。
【００７０】
例えば、発光強度比の演算結果が０．１０となるように酸素の流量を変化させる。第２の実施形態で説明したように、酸素流量を増大させるにつれて７２６ｎｍ強度／２５６ｎｍ強度の比の値は小さくなるため、酸素流量を調節することにより、演算結果を所定値、すなわち０．１０を維持することができる。
【００７１】
以上のように、第４の実施形態によると、例えば、シリコンからなる基板７０に溝部を形成するような場合に、プロセス変動により溝部の側端下部に生じる局所溝を抑制することができるため、半導体装置を基板７０上に安定して製造することができる。
【００７２】
なお、第４の実施形態においては、エッチングガスから生成されるプラズマのモニタに発光分光方式を用いているが、これに限られず、質量分析法、赤外吸収分析法又はレーザー誘起蛍光法等、他の方式を用いても同様の効果を得ることができる。
【００７３】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００７４】
図１０は本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造装置である誘導結合型プラズマエッチング装置を模式的に示している。図１０において、図９に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。図１０に示すように、第５の実施形態に係るドライエッチング装置５０Ｂは、反応室５１と誘導コイル５３との間に、質量分析器であってイオン分離手段としての塩素原子分離用マグネット６２が設けられていることを特徴とする。また、塩素原子分離用マグネット６２と誘電体板５２との間にプラズマ発生室６３が設けられ、該プラズマ発生室６３にガス導入管５８が設けられている。
【００７５】
第５の実施形態に係るドライエッチング装置５０Ｂは、塩素プラズマから塩素原子イオンを分離できるため、イオン量分析手段やプロセスパラメータ制御装置が不要となる。
【００７６】
以下、前記のように構成されたドライエッチング装置５０Ｂの動作を説明する。
【００７７】
まず、例えばシリコンからなるエッチング対象部材である基板７０を下部電極５４の上に保持する。次に、エッチングガスであるプロセスガスをガス導入管５８を通してプラズマ発生室６３に導入し、プロセスガスを所定の圧力及び流量となるように調節する。さらに、ソース電源５５から誘導コイル５３に高周波電力を印加して、プラズマ発生室６３に塩素プラズマを放電させる。プラズマ発生室６３内で発生した塩素原子イオン及び塩素分子イオンは、塩素原子分離用マグネット６２に入射される。この塩素原子分離用マグネット６２によりプラズマ中の塩素原子イオンは取り除かれるため、反応室５１には塩素分子イオンのみが導入される。その後、バイアス電源５７により形成された電界に加速された塩素分子イオンは基板７０に入射することによってエッチングが進行する。
【００７８】
図１１は塩素原子分離用マグネット６２の有無による局所溝の深さをそれぞれ示している。ここでは、プロセスパラメータの一例として、ソース電力を約６００Ｗとし、バイアス電力を約２００Ｗとし、プロセス圧力を約１．３Ｐａとし、塩素（Ｃｌ2 ）ガスの流量を約１５０ｍｌ／ｍｉｎとしてエッチングを行なっている。図１１に示すように、第５の実施形態においては原理的に塩素分子イオンのみを含むプラズマによりエッチングを行なうため、局所溝が全く発生しない。
【００７９】
（第６の実施形態）
以下、本発明の第６の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８０】
図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は本発明の第６の実施形態に係る半導体装置における素子分離構造の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００８１】
まず、シリコンからなる半導体基板１１の上面に熱酸化法により第１のシリコン酸化膜１２を形成し、その後、ＣＶＤ法等を用いて、第１のシリコン酸化膜１２の上にシリコン窒化膜１３を形成する。続いて、フォトリソグラフィ法により、シリコン窒化膜１３上に素子分離構造の設計パターンである分離パターン１４ａを有するレジスト膜１４を形成して、図１２（ａ）の状態を得る。
【００８２】
次に、図１２（ｂ）に示すように、レジスト膜１４をマスクとしてシリコン窒化膜１３と第１のシリコン酸化膜１２とをドライエッチング法によりエッチングし、その後、アッシングと洗浄とによりレジスト膜１４を除去して、シリコン窒化膜１３及び第１のシリコン酸化膜１２に分離パターン１４ａが転写されてなる分離パターン１３ａを形成する。
【００８３】
次に、分離パターン１３ａが形成された半導体基板１１をドライエッチング装置、例えば誘導結合型プラズマエッチング装置のチャンバに投入し、チャンバの内部を所定の真空度にまで真空排気する。
【００８４】
その後、ソース電力が約６００Ｗで、バイアス電力が約２００Ｗで、プロセス圧力が約１．３Ｐａで塩素（Ｃｌ2 ）ガスの流量が約１５０ｍｌ／ｍｉｎの条件でドライエッチングを行なう。このとき、下部電極に印加するバイアス電力を０．１μｓ〜１００μｓの周期のうちの適当な周期で且つ間欠的に印加する。例えば、ここでは、６００Ｗのバイアス電力を４．４μｓ周期で間欠的に印加してエッチングを行なう。この条件でエッチングを行なうことにより、半導体基板１１に素子分離構造形成用の溝部１１ａがその側端下部に局所溝を生じることなく形成される。この後、半導体基板１１のドライエッチング時に形成された堆積物を除去する洗浄を行なうと、図１２（ｃ）に示す状態を得る。
【００８５】
次に、溝部１１ａの表面の表面準位を低減するため、熱酸化法により溝部１１ａのトレンチ側壁を酸化する。その後、ＣＶＤ法により、素子分離用の第２のシリコン酸化膜をシリコン窒化膜１３上に溝部１１ａを埋め込むように堆積する。
続いて、堆積した第２のシリコン酸化膜の上面をＣＭＰ法等により平坦化し、さらに、シリコン窒化膜１３及び第１のシリコン酸化膜１２をウエットエッチにより除去することにより、図１２（ｄ）に示すように、第２のシリコン酸化膜からなる素子分離構造１５を形成する。
【００８６】
以下、第６の実施形態において、０．１μｓ〜１００μｓのうちの適当な周期で間欠的にバイアス電力を印加することにより、溝部の側端下部に局所溝が形成されることなくエッチングを行なえる理由を説明する。
【００８７】
図１３は第６の実施例に係る半導体装置の製造方法よってドライエッチングを行なう際のチャンバ内の様子を模式的に表わしている。
【００８８】
図１３に示すように、ソース電力が、エッチング対象物である基板７０の上方の塩素ガスに印加されることにより、塩素プラズマ７２が発生し、発生した塩素プラズマ７２中には、塩素ガスがイオン化されてなる塩素原子イオン７２ａ及び塩素分子イオン７２ｂが含まれる。バイアス電源５７によりバイアス電力が印加されると、基板７０の上側に生成されるプラズマシース７３に電界が生じ、該プラズマシース７３に入射した塩素原子イオン７２ａと塩素分子イオン７２ｂとは、生じた電界によって加速され、高い運動エネルギーを獲得して基板７０に入射することによってエッチングが進行する。前述したように、局所溝は高いエネルギーを持った塩素原子イオン７２ａが基板７０に入射することによって発生する。
【００８９】
ところで、塩素分子イオン７２ｂは塩素原子イオン７２ａに対して２倍の質量を有している。このため、バイアス電源５７が連続的に印加されている場合には、塩素分子イオン７２ｂがプラズマシース７３を通過する時間は、塩素原子イオン７２ａの約１．４１倍となる。従って、バイアス電力の印加周期を、塩素原子イオン７２ａがプラズマシース７３を通過する時間と同程度に設定することにより、高いエネルギーを持った塩素原子イオン７２ａをほとんど増加させることなく、塩素分子イオン７２ｂを選択的に加速することができる。
【００９０】
以下、バイアス電力の印加周期を塩素原子イオン７２ａがプラズマシース７３を通過する時間と同程度に設定することにより、塩素分子イオン７２ｂを選択的に加速することができる理由を詳述する。
【００９１】
図１４（ａ）はバイアス電源５７から出力されるパルス波形を示し、図１４（ｂ）は塩素原子（Ｃｌ）イオンと塩素分子（Ｃｌ2 ）イオンとにパルスバイアスを印加した場合の各イオンの速度を示し、図１４（ｃ）は塩素原子イオンと塩素分子イオンとにパルスバイアスを印加した場合の各イオンが進行する距離を示し、図１４（ｄ）は塩素原子イオンと塩素分子イオンとにパルスバイアスを印加した場合の各イオンのイオンエネルギーを示している。
【００９２】
第６の実施形態においては、プラズマシース７３の厚さを１０ｍｍとし、バイアス電圧を４９５Ｖとし、バイアス電圧のパルス周期を４．０μｓとし、デューティ比を０．５としている。これにより、パルスの１周期で塩素原子イオンの進行距離がプラズマシース７３の厚さと一致するようにしている。
【００９３】
図１４（ｂ）に示すように、パルスバイアスがオン状態、すなわちパルスの前半の半周期では、塩素原子イオン及び塩素分子イオンは共に電界により加速され、塩素原子イオンの方が塩素分子イオンよりも質量が小さいため、より大きく加速されて速度が増加する。
【００９４】
また、図１４（ｃ）から分かるように、パルスバイアスの１周期後に、塩素原子イオンの進行距離が１．０×１０-2ｍ、すなわち１０ｍｍとなって基板７０に到達するため、塩素原子イオンはバイアスパルスの２周期目のオン状態による電界で加速されない。一方、塩素分子イオンは速度が小さいため、基板７０に未だ到達していないので、バイアスパルスの２周期目のオン状態の電界によって再度加速されて、図１４（ｄ）に示すように、結果的に塩素原子イオンよりも大きいエネルギーを得ることができる。
【００９５】
次に、図１５（ａ）〜図１５（ｃ）は、プラズマシース７３の厚さを１０ｍｍとし、バイアス電圧を５００Ｖとし、デューティ比を０．５とした場合のシミュレーション結果を示している。ここで、図１５（ａ）はパルス周期に対する塩素原子イオンと塩素分子イオンとの各イオン速度を示し、図１５（ｂ）はパルス周期に対する塩素原子イオンと塩素分子イオンとの各イオンエネルギーを示し、図１５（ｃ）はパルス周期に対する塩素分子イオンと塩素原子イオンとのイオンエネルギーとの比を示している。
【００９６】
図１５（ｃ）から、バイアス電源のパルスの周期を塩素原子イオンがプラズマシースの端部（基板７０）に到達する時間、すなわち、１パルスでシース端に到達する時間に設定することが最も効果が大きいことが分かり、このシミュレーション結果では、塩素分子イオンのイオンエネルギーを塩素原子イオンの約１．８倍にまで高めることができる。また、パルス周期は長すぎても、逆に短すぎても塩素分子イオンを選択的に加速する効果は得られない。
【００９７】
第６の実施形態においては、プラズマシースの厚さは１０ｍｍであり、シース電界は４００Ｖである。このときの最適バイアスの印加周期は４．４μｓであることから、バイアス電力の印加周期を４．４μｓ程度とすることにより、局所溝が形成されないようにエッチングすることができる。
【００９８】
（第７の実施形態）
以下、本発明の第７の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００９９】
図１６は本発明の第７の実施形態に係る半導体装置の製造装置である誘導結合型プラズマエッチング装置を模式的に示している。図１６において、図９に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１００】
第７の実施形態に係るドライエッチング装置５０Ｃは、生成したプラズマのイオンエネルギーを分析するイオンエネルギー分析装置６４と、該イオンエネルギー分析装置６４からの分析結果を受け、塩素分子イオンのイオンエネルギーを塩素原子イオンのイオンエネルギーと比べて高くなるように、パルスの振幅、周期又はデューティ比を調節するパルス制御装置６５と、該パルス制御装置６５からの制御信号が入力され、バイアス電源５７を制御するパルスジェネレータ６６とを有している。
【０１０１】
イオンエネルギー分析装置６４は反応室５１の下側に設けられており、該イオンエネルギー分析装置６４にはプラズマ化されたイオンが反応室５１内の下部電極５４の側端部に開口部を持つイオンサンプリング用オリフィス６７を通じて取り込まれる。
【０１０２】
以下、前記のように構成されたドライエッチング装置５０Ｃの動作を説明する。
【０１０３】
まず、例えばシリコンからなるエッチング対象部材である基板７０を下部電極５４の上に保持する。次に、エッチングガスであるプロセスガスをガス導入管５８を通して反応室５１に導入し、プロセスガスを所定の圧力及び流量となるように調節する。さらに、ソース電源５５から誘導コイル５３に高周波電力を印加して、反応室５１に塩素プラズマを放電させ、バイアス電源５６にもバイアス電力を印加して、基板７０のエッチングを開始する。このとき、イオンサンプリング用オリフィス６７を通して入射された塩素原子イオン及び塩素分子イオンのそれぞれのイオンエネルギーをイオンエネルギー分析装置６４を用いて分析する。パルス制御装置６５は、この分析結果を受け、高いエネルギーを持つ塩素原子イオンの数をより少なく、且つ塩素分子イオンのイオンエネルギーが塩素原子イオンのイオンエネルギーよりも高くなるようにパルスの振幅、パルスの周期又はパルスのデューティ比にフィードバックして、パルスジェネレータ６６に制御信号を出力する。
【０１０４】
パルスジェネレータ６６はパルス制御装置６５からの制御信号に基づいて、電源パルスを発生し、発生した電源パルスによりバイアス電源５７を動作させることによって間欠的に電力を印加する。
【０１０５】
このように、第７の実施形態によると、エッチング条件が変更されてプラズマシースの厚さ又はシース電界が変化してしまう場合でも、最適な間欠バイアス電力を印加することができるため、局所溝の発生を確実に抑制することができる。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置の製造方法によると、シリコンからなる半導体部材に対して、塩素分子イオンを含むプラズマを照射してエッチングすると、塩素原子イオンを多く含む場合と比べて、塩素プラズマのシリコンに対する反応性が小さくなるため、開口部の側端下部に生じる局所的なエッチングを抑制することができる。その上、シリコン窒化膜に対する高いエッチング選択比をも得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプロセス圧力に対する対シリコン窒化膜の選択比及び局所溝の深さの各依存性を示している。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプロセス圧力ごとの各プラズマ発光分光の分光強度を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプロセス圧力に対する発光ピークが７２６ｎｍの塩素原子と２５６ｎｍの塩素分子との発光強度比の依存性を示すグラフである。
【図５】シリコン部材に局所溝が形成される形成機構を説明する模式的な断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法における酸素流量に対する発光ピークが７２６ｎｍの塩素原子と２５６ｎｍの塩素分子との発光強度比及び局所溝の深さの各依存性を示すグラフである。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法における、周波数が１３．５６ＭＨｚのソース電源を持つ誘導結合型ドライエッチング装置と、周波数が２０ＭＨｚのソース電源を持つ平行平板型ドライエッチング装置とを用いた場合の発光ピークが７２６ｎｍの塩素原子と２５６ｎｍの塩素分子との発光強度比と局所溝の深さとをそれぞれ比較したグラフである。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造装置を模式的に示す構成図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造装置を模式的に示す構成図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造装置において塩素原子分離用マグネットを用いた場合と用いない場合のそれぞれの局所溝の深さを示すグラフである。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するためのドライエッチング中のチャンバ内のプラズマの様子を示す模式図である。
【図１４】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法の原理を示し、（ａ）はバイアス電源から出力されるパルスの波形図であり、（ｂ）は塩素原子イオンと塩素分子イオンとにパルスバイアスを印加した場合の各イオン速度を示すグラフであり、（ｃ）は塩素原子イオンと塩素分子イオンとにパルスバイアスを印加した場合の各イオンの進行距離を示すグラフであり、（ｄ）は塩素原子イオンと塩素分子イオンとにパルスバイアスを印加した場合の各イオンのイオンエネルギーを示すグラフである。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法のシミュレーション結果を示し、（ａ）はパルス周期に対する塩素原子イオンと塩素分子イオンとの各イオン速度を示すグラフであり、（ｂ）はパルス周期に対する塩素原子イオンと塩素分子イオンとの各イオンエネルギーを示すグラフであり、（ｃ）はパルス周期に対する塩素分子イオンと塩素原子イオンとのイオンエネルギーとの比を示すグラフである。
【図１６】本発明の第７の実施形態に係る半導体装置の製造装置を模式的に示す構成図である。
【図１７】（ａ）〜（ｄ）は従来の半導体装置における素子分離構造の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【符号の説明】
１１      半導体基板
１１ａ    溝部
１１ｂ    局所溝
１２      第１のシリコン酸化膜
１３      シリコン窒化膜
１３ａ    分離パターン
１４      レジスト膜
１４ａ    分離パターン
１５      素子分離構造
１０６    塩素イオン
５０Ａ    ドライエッチング装置
５０Ｂ    ドライエッチング装置
５０Ｃ    ドライエッチング装置
５１      反応室
５２      誘電体板
５３      誘導コイル（プラズマ生成手段）
５４      下部電極
５５      ソース電源（プラズマ生成手段）
５６      ブロッキングキャパシタ
５７      バイアス電源
５８      ガス導入管
５９      光ファイバ
６０      発光分析器（イオン量分析手段）
６１      プロセスパラメータ制御装置（プロセスパラメータ制御手段）
６２      塩素原子分離用マグネット（イオン分離手段）
６３      プラズマ発生室
６４      イオンエネルギー分析装置（イオンエネルギー分析手段）
６５      パルス制御装置（パルス制御手段）
６６      パルスジェネレータ（パルス生成手段）
７０      基板
７２      塩素プラズマ
７２ａ    塩素原子イオン
７２ｂ    塩素分子イオン
７３      プラズマシース
【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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