(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスク（２）を施した半導体基板（１）をプラズマプロセスを用いてエッチングし、前記半導体基板上に前記マスク形状に対応したトレンチ形状を形成する半導体装置の製造方法において、
反応性イオンエッチングにより前記半導体基板をエッチングしてトレンチ（４）を形成するトレンチエッチング工程と、前記トレンチエッチングにより形成されたトレンチの内壁に第１の保護膜としてのポリマー膜（３１）を堆積するポリマー膜形成工程とを交互に複数回繰り返す工程と、
前記トレンチエッチング工程と前記ポリマー膜形成工程とを交互に複数回繰り返すことによって深く形成されたトレンチの内壁に、ポリマー膜よりエッチングに対する耐性が強い第２の保護膜（３２）を堆積する第２保護膜形成工程と、を含み、
前記トレンチエッチング工程及びポリマー膜形成工程を複数回繰り返す工程と、前記第２保護膜形成工程を交互に繰り返すことにより、前記トレンチを深くしていくことを特徴とするする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記トレンチエッチング工程及びポリマー膜形成工程を複数回繰り返す工程と、前記第２保護膜形成工程とを同一チャンバ内で行い、前記チャンバ内に導入するガス種を切り替えながらプラズマ処理することで前記各工程を行う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】
前記トレンチエッチング工程では、エッチングガスとしてＳＦ6又はＣｌ2を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ポリマー膜形成工程では、該ポリマー膜を堆積する際の導入ガスとしてＣ4Ｆ8又はＣＦ4とＣＨＦ3の混合ガスを用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２保護膜形成工程時に導入するガスを酸素を含むガスとすることにより、前記第２の保護膜として酸化膜を形成することを特徴とする請求項１乃至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】
前記第２保護膜形成工程時には、酸素を含むガスを導入しながらＵＶ光を照射することにより、前記第２の保護膜として酸化膜を形成することを特徴とする請求項１乃至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７】
前記第２保護膜形成工程時に導入するガスを窒素を含むガスとすることにより、前記第２の保護膜として窒化膜を形成することを特徴とする請求項１乃至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８】
前記トレンチエッチング工程及び前記ポリマー膜形成工程を複数回繰り返す工程の工程時間は、前記第２保護膜がトレンチ側面上からエッチングにより除去されるまでの時間よりも短く設定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記トレンチエッチング工程及び前記ポリマー膜形成工程を複数回繰り返す工程では、前記トレンチの深さに応じて、プラズマ条件を設定することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第２保護膜形成工程では、前記トレンチの深さに応じて、プラズマ条件、工程時間を設定することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０いずれか１つに記載の半導体装置の製造方法によって形成され、前記トレンチが、前記トレンチエッチング工程及び前記ポリマー膜形成工程を複数回繰り返す工程と前記第２保護膜形成工程を繰り返すことによって生じる微小な段差形状を有してなり、該トレンチにて梁構造体が構成されてなることを特徴とする半導体力学量センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トレンチを有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体加速度センサや半導体角速度センサの力学量検出部は、主に基板上に形成された微小な櫛歯状の梁構造体（以下、櫛歯状構造体という）から構成されている。櫛歯状構造体は、静電力を介して検出する構造となっているため、センサの小型化や高性能化のために、櫛歯間の間隔を狭くとり、各々の櫛歯の厚さを厚くとる必要がある。
【０００３】
この櫛歯状構造体は、基板表面にマスクを形成し、マスク上からドライエッチングによって形成されることが多い。従って、互いの間隔が狭く、厚みのある櫛歯状構造を実現するためには、エッチングによって形成されるトレンチ（溝）のアスペクト比、つまりトレンチ開口幅に対するトレンチ深さを高くする必要がある。
【０００４】
しかしながら、このトレンチ形状の高アスペクト比化には、加工技術上の限界がある。これは通常のドライエッチングの場合、いかに異方性の高い（＝基板に垂直方向へのエッチングレートが他方の方向へのエッチングレートに比べて速い）エッチング方式であっても、トレンチ形状が基板最表面を中心に溝幅方向にも少しずつエッチングが進行してしまうことが原因となっている。このため、長時間エッチングを行うと、溝幅は徐々に広がってトレンチの断面形状はＶ字形状になり、アスペクト比はある段階で飽和してしまうのである。
【０００５】
この問題を解決するための方法が、米国特許第５，５０１，８９３号明細書に開示されている。具体的には、エッチングプロセスをチャンバー内に流す材料ガスを切り替えることで、▲１▼異方性の高いプラズマエッチング、▲２▼ポリマー系の薄膜堆積の２ステップを交互に行なうというドライエッチング技術が開示されている。
【０００６】
この方法では、薄膜堆積のステップにおいて、掘り進んだ各トレンチ内壁面（および底面）にポリマー系の薄膜を堆積させることで、薄膜を保護膜として機能させ、次のプラズマエッチングのステップの際にトレンチ側壁面がエッチングされるのを防ぐようにしている。このようにして、前述の開口幅方向へのエッチングの進行を抑え、トレンチ形状のアスペクト比上限を通常のドライエッチングよりも向上させている。
【０００７】
しかしながら、ポリマー系の薄膜では、側壁面をエッチングから完全に保護することはできず、わずかずつではあるが溝幅が広がり続けるため、やはりアスペクト比の限界が存在する。図９は、反応性ドライエッチング（ＲＩＥ）装置を用いて、上記した方法で発明者らが試験的にトレンチ加工を行った際の加工時間とアスペクト比の関係を表わしたものである。この図から判るように、十分時間をかけてエッチングを行ってもアスペクト比は２５を超えることはない。
【０００８】
そこで上記問題を解決する別の方法が米国特許第５，６５８，４７２号明細書に開示されている。この方法も上記した方法と同様、エッチングプロセスをエッチング工程とトレンチ側壁面の保護膜形成工程に分け、これらの工程を交互に繰り返すものであるが、側壁面の保護膜の形成を、エッチングを行うチャンバとは分離した別のチャンバ内で熱酸化膜（ＳｉＯ2）を堆積させること、あるいはエッチングを行うチャンバ内で薄い氷の膜を堆積させることによって行っている。これらの膜は、ポリマー系の膜より側壁面のエッチングに対する耐性があるため、アスペクト比向上の面からはポリマー系の膜より効果がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、保護膜を堆積させる工程毎にチャンバから取り出して熱酸化膜を形成するのは非常に手間がかかり、その都度、基板の昇温、降温度を行なわなければならず、加工のスループットの点において効率的でないという問題がある。一方、氷の膜を保護膜とするためには、エッチング中も基板を氷点下に保たねばならず、装置構成上複雑に成らざるを得ないという問題がある。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みて成され、比較的簡便な手段を用いて効率的に、アスペクト比の高いトレンチ形状を得られるようにすることを第１の目的とする。
【００１１】
また、より高アスペクト比化が可能なトレンチの形成が行える半導体装置の製造方法を提供することを第２の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明においては、反応性イオンエッチングにより半導体基板をエッチングしてトレンチ（４）を形成するトレンチエッチング工程と、トレンチエッチングにより形成されたトレンチの内壁に第１の保護膜としてのポリマー膜（３１）を堆積するポリマー膜形成工程とを交互に複数回繰り返す工程と、トレンチエッチング工程とポリマー膜形成工程とを交互に複数回繰り返すことによって深くされたトレンチの内壁に、ポリマー膜よりエッチングに対する耐性が強い第２の保護膜（３２）を堆積する第２保護膜形成工程と、を含み、トレンチエッチング工程及びポリマー膜形成工程を複数回繰り返す工程と、第２保護膜形成工程を交互に繰り返すことにより、トレンチを深くしていくことを特徴としている。
【００２８】
これにより、トレンチが深くなっていく間、トレンチ側面を２層の保護膜で覆うことによって横方向エッチングに対する耐性を強めることができると共に、トレンチ底部にはポリマー膜のみが覆われては除去されることを繰り返すによってトレンチ深さ方向へのエッチング進行阻害を最小限度にすることができる。従って、トレンチが幅広になったり、先細り形状となることを防止することができ、より高アスペクト比化を図ることができる。
【００２９】
例えば、請求項３に示すように、トレンチエッチング工程では、エッチングガスとしてＳＦ6又はＣｌ2を用いることができる。また、請求項４に示すように、ポリマー膜形成工程では、該ポリマー膜を堆積する際の導入ガスとしてＣ4Ｆ8又はＣＦ4とＣＨＦ3の混合ガスを用いることができる。
【００３０】
また、請求項５に示すように、第２保護膜形成工程時に導入するガスを酸素を含むガスとすることにより、第２の保護膜として酸化膜を形成することができる。また、請求項６に示すように、酸素を含むガスを導入しながらＵＶ光を照射するようにしても第２の保護膜として酸化膜を形成することができる。
【００３１】
さらに、請求項７に示すように、第２保護膜形成工程時に導入するガスを窒素を含むガスとすることにより、第２の保護膜として窒化膜を形成することも可能である。
【００３２】
このような窒化膜を第２の保護膜とする場合には、マスクとしてレジストマスクを用いても、窒化膜形成時にレジストマスクが消失してしまわないため好適である。
【００３３】
なお、請求項２に示すように、トレンチエッチング工程及びポリマー膜形成工程を複数回繰り返す工程と、第２保護膜形成工程とを同一チャンバ内で行い、チャンバ内に導入するガス種を切り替えながらプラズマ処理することで各工程を行うようにすれば、製造工程の簡略化を図ることができる。
【００３４】
このように示される請求項１乃至１０に記載の半導体装置の製造方法を用いて、該トレンチにて力学量検出部が梁構造体で構成された半導体力学量センサを製造できる。
【００３５】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
【００３７】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を適用した半導体装置のトレンチ形成工程を図１に示す。以下、図１に基づいて本実施形態における半導体装置のトレンチ形成方法を説明する。
【００３８】
［図１（ａ）に示す工程］
まず、Ｓｉ基板１の上に酸化膜（ＳｉＯ2）を形成し、この酸化膜の所定領域、つまりトレンチ形成予定領域を開口させて、酸化膜マスク２とする。
【００３９】
これにより、Ｓｉ基板１のエッチングされるべき部分が露出した状態となる。
【００４０】
そして、Ｓｉ基板１をチャンバ内に入れる。このチャンバの模式図を図２に示す。真空室を構成するチャンバ２１には、ガス導入口２２とガス排気口２３が備えられている。ガス導入口２２には、複数種のガスの導入が行なえるように、導入したいガス種の数に応じたガスライン２２ａ、２２ｂ、２２ｃが接続されており、各ガスライン２２ａ、２２ｂ、２２ｃに備えられた切り替えバルブ２４ａ、２４ｂ、２４ｃによって各種ガスのチャンバ２１内への流入が制御できるようになっている。なお、本実施形態においては、酸素ガス、Ａｒガス、及びエッチングガスのそれぞれを導入するために３つのガスライン２２ａ、２２ｂ、２２ｃが備えられている。
【００４１】
また、チャンバ２１の室内には、ＲＦ電源２５ａ、２５ｂが印加される２つの電極２６ａ、２６ｂおよび電極２６ａに対向配置された接地電極２７が備えられている。これらにより、Ｓｉ基板１に対してＲＦ電界がかけられるようになっている。
【００４２】
このように構成されたチャンバ２１内の電極２６ａ上にＳｉ基板１を配置し、排気口２３から真空ポンプを用いてベースとなるチャンバ真空度を十分高くした後、ガス導入口２２から各種ガスを導入しながら、排気口２３から排気することでチャンバ２１内の導入ガス圧を一定になるようにする。そして、ＲＦ電源２５ａ、２５ｂからＲＦ電界を印加し、導入したガス種によるプラズマを発生させる。なお、チャンバ２１内に導入するガス種は、以下に示す各工程（図１（ｂ）〜図１（ｅ）に示す工程）毎に切り替えバルブ２４ａ、２４ｂ、２４ｃによって切り替える。
【００４３】
［図１（ｂ）に示す工程］
切り替えバルブ２４ａ、２４ｂ、２４ｃにて、エッチングガス導入用のガスライン２２ａを開くと共にその他のガスライン２２ｂ、２２ｃを閉じることにより、チャンバ２１内にエッチングガス３を導入し、酸化膜マスク２をマスクとして１回目のトレンチエッチングを行なう。このとき、Ｓｉ基板１が所定の深さまでエッチングされるようにする。これにより、Ｓｉ基板１に初期のトレンチ（初期溝）４が形成される。この時のエッチングは、エッチングガス３として、例えばＳＦ６等を導入し、チャンバ２１内に適当なＲＦ電界を印加することでエッチングガス３をプラズマ化させた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で行い、エッチング時間及び深さの関係に応じてトレンチ部分の側壁角度が９０±１度以内程度に収まるような異方性の高いものとする。このように側壁角度が９０±１度以内程度に収まるようにすれば、トレンチ４の幅の縮小、拡大を少なくすることができるからである。
【００４４】
［図１（ｃ）に示す工程］
Ｓｉ基板１をチャンバ２１内に入れたまま、切り替えバルブ２４ａ、２４ｂ、２４ｃにて、エッチングガス導入用のガスライン２２ａを閉じると共にＡｒ及び酸素（Ｏ2）導入用のガスライン２２ｂ、２２ｃを開くことにより、チャンバ２１内に導入するガスをエッチングガス３からＡｒと酸素（Ｏ2）の混合ガスに切り替える。その後、再びチャンバ２１内にＲＦ電界を印加して（Ａｒ＋Ｏ2）混合プラズマ５を発生させる。このプラズマ雰囲気中でＳｉ基板１を処理することで、図１（ｂ）の工程で行なったエッチングの際にトレンチの内壁面に付着した反応生成物８が酸素イオン、もしくは酸素ラジカル６及びＡｒイオン７のスパッタ効果により除去される。ここで反応生成物８とは、エッチング中にトレンチ４の内壁表面とプラズマとの相互作用により内壁表面に付着した堆積物全てを指す。この反応生成物８を除去して内壁表面のＳｉ部分を露出させることができる。
【００４５】
［図１（ｄ）に示す工程］
次に、切り替えバルブ２４ａ、２４ｂ、２４ｃにて酸素導入用のガスライン２２ｂのみを開き、チャンバ２１内に導入するガスをＯ2のみにしたのち、チャンバ２１内にＲＦ電界を印加してＯ２プラズマ９を発生させ、このプラズマ雰囲気中でＳｉ基板１を処理することでトレンチ４の内壁部分に酸素イオン１０（あるいは酸素ラジカル）の働きによって保護酸化膜（ＳｉＯ2）１１を形成する。
［図１（ｅ）に示す工程］
次に、切り替えバルブ２４ａ、２４ｂ、２４ｃにて、エッチングガス導入用のガスライン２２ａのみを開き、チャンバ２１内に導入するガスを再びエッチングガス３に切り替え、その後、チャンバ２１内にＲＦ電界を印加する。これにより、初期のトレンチ４の内壁に形成された保護酸化膜１１のうち、トレンチ４の底部に形成された部分が異方性エッチングされて、トレンチ４の底部においてＳｉ基板１が露出し、トレンチ４の底部から２回目のＲＩＥによるＳｉ基板１のエッチングが進められる。
【００４６】
この反応性イオンエッチングによる１回のエッチング量は、エッチング深さもしくはエッチング時間を制御することによって、該反応性イオンエッチングの前に形成された保護酸化膜１１が該反応性イオンエッチング後においてもトレンチ４の側壁面を全面的に覆うことができる程度にされる。
【００４７】
なお、このとき、さらに深くなったトレンチ４の内壁面には反応生成物１２が形成された状態となる。
【００４８】
この後、必要に応じて、上記した図１（ｃ）〜図１（ｅ）に示す工程を繰り返し行なって、トレンチ４の内壁面に改めて酸化膜１１を形成したり、トレンチ４の底部のエッチングを進めたりして、トレンチ４の深さが所望の深さになるようにする。
【００４９】
このような工程を行なった場合の実験結果について、上述の米国特許第５，５０１，８９３号明細書に示す方法（以下、従来方法という）でトレンチを形成した場合と比較して説明する。
【００５０】
まず、ＲＩＥ装置を用いて従来方法のように、酸化膜マスクによってパターニングされた６インチＳｉ基板をエッチングした。その結果、標準的なエッチングを１８分４５秒行ったところ、マスク開口幅が０．５μｍの部分ではトレンチ深さが１２．３μｍ、トレンチ開口幅が０．７４μｍとなって、アスペクト比１６．６を得た。しかし、さらにエッチング時間を延ばしてトレンチを掘り進めていっても、前述したようにトレンチ溝幅も広がっていくため、７０分エッチングを行ったとき、トレンチ深さが２２．１μｍ、トレンチ溝幅が０．９１μｍとなり、アスペクト比２４．３となってアスペクト比の伸びが頭打ちとなる。試算によれば、この後さらにエッチング時間を延ばしてもアスペクト比は約２５で飽和してしまうことがわかった。
【００５１】
これに対し、従来方法で用いたものと同様のＲＩＥ装置を使い、同じエッチング条件で、同様のＳｉ基板１に対して本実施形態の図１（ａ）〜（ｅ）を行ない、その後図１（ｃ）〜（ｅ）をもう一度繰り返してトレンチ４を形成した。このとき、図１（ｂ）、（ｅ）に示す工程におけるプラズマエッチングを１０分ずつ行なった。つまり、エッチングは合計３０分行なった。また、トレンチ４の内壁面に保護酸化膜１１を形成する工程を２回行なってトレンチ形成を行なったことになる。
【００５２】
その結果、マスク開口幅が０．５μｍの部分でトレンチ深さが１９．４μｍ、トレンチ開口幅が０．５８μｍとなり、アスペクト比が３３．４のトレンチ形状を得た。つまり、従来方法よりも高アスペクト比のトレンチ形状が得られた。これは、本発明の特徴であるトレンチ４の内壁面への保護酸化膜形成により、エッチング中のトレンチ開口幅の広がり（＝溝幅方向へのエッチング）を抑制できたためである。
【００５３】
このように、Ｓｉ基板１をチャンバ２１内に入れた状態で、チャンバ２１内に導入するガス種を変更することにより、トレンチ形成のためのプラズマエッチング工程及びエッチング時におけるトレンチ開口幅の広がりを抑制するための保護酸化膜形成工程を繰り返し行なうことで、従来と比べて簡素な製造工程で高アスペクト比のトレンチ形成を行なうことができる。
【００５４】
このようなトレンチ形成によってＳｉ基板１が所定パターンで分割されて櫛歯形状となり、櫛歯状構造体の力学量検出部を備えた半導体加速度センサや半導体角速度センサ等の半導体装置が形成される。
（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の実施形態で行なった（Ａｒ＋Ｏ2）混合プラズマによる反応生成物除去工程（図１（ｃ）に示す工程）、Ｏ2プラズマによる保護酸化膜形成工程（図１（ｄ）に示す工程）の代わりに、ＵＶ光によって励起された酸素によってトレンチ内壁面の反応生成物除去、トレンチの内壁面の酸化を行うものである。この工程を図４に示す。なお、図１（ａ）、（ｂ）、（ｅ）に示す工程については、第１実施形態と同様であるため、ここでは省略する。
【００５５】
図４に示すように、図２に示したチャンバ２１内に、酸素ガス１３を流しながらＳｉ基板１に対してＵＶ光１４を照射する。トレンチ４の内壁面付近の酸素分子１５は、このＵＶ光１４によって励起され、オゾン（Ｏ3）、ラジカルあるいはイオン状態となり、化学的に極めて活性で酸化力のある状態となる。このような状態とされた酸素分子１５がトレンチ４の内壁面にぶつかると、内壁面上の反応生成物（例えば上述したポリマー系の膜）が分解され、ガス化されて除去される。そして、その後さらにトレンチ４の内壁面に露出したＳｉが酸化されて酸化膜（ＳｉＯ2）１６が形成される。
【００５６】
このような工程を行なった場合の効果について、以下の実験結果に基づいて説明する。
【００５７】
図５は、上述したＲＩＥ装置を用いて、トレンチ４の内壁面に付着する反応生成物、すなわちポリマー系の薄膜を故意にＳｉ基板全面に堆積させた後、Ｓｉ基板表面をＸＰＳ分析法によって存在する元素、および結合種について調べた結果である。Ｃ（カーボン）とＦ（フッ素）に関するピークが非常に強く現われており、基板表面がＣ−Ｆ結合を主体とした膜、つまりポリマー系の膜で覆われていることを示している。
【００５８】
これに対し、図６は、図５と同じ基板に対して酸素ガス１３を流しながらＵＶ光１４を照射する処理を行った後、基板表面をＸＰＳ分析法により調べた結果である。ポリマー系の膜に由来するＣ、Ｆのピークが小さくなり、代わりに酸素のピークが非常に大きくなっている。また、Ｓｉのピークも大きくなっている。これはポリマー膜が除去された後の基板表面に酸化膜（ＳｉＯ2）１６が形成されていることを示す。
【００５９】
このように酸素ガスを流しながら、ＵＶ光を照射することでトレンチ内壁表面で強い酸化作用が生じ、トレンチ内壁面に付着した反応生成物が除去され、その代わりに酸化膜が形成される。
【００６０】
なお、このようなＵＶ照射工程を行うためには、図２に示したチャンバ２１内に、石英ガラスを用いた窓を通してチャンバ２１の外部からＵＶ光１４を導入したり、グラスファイバ等を用いて直接チャンバ２１内にＵＶ光１４を導入しながら、酸素ガス１３を流すようにすればよい。
【００６１】
あるいは、エッチングを行うチャンバ２１と連結した別チャンバ内にＳｉ基板１を移動させ、そのチャンバ内で酸素ガス１３を流しながら、ＵＶ光を照射しても良い。ただし、この場合にも、各チャンバを連結しているため、チャンバ２１の外にＳｉ基板１を取り出して他の酸化膜製造装置で酸化膜を形成するより、効率的である。
【００６２】
このようにして、保護酸化膜形成工程を挟みながら、エッチング工程を繰り返していくと、トレンチ４の内壁面にはライン状の極めて微小な段差部分が生じる。これは、トレンチ底部からさらにエッチングが進むとき、この部分の側壁面には保護膜がないため、保護膜で覆われた側壁面よりも溝幅がわずかに広がるため、その違いが極めて微小な段差形状となって残るのである。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図７に本実施形態における半導体装置のトレンチ形成工程を示す。以下、図７に基づいて本実施形態における半導体装置のトレンチ形成方法を説明する。
【００６３】
［図７（ａ）に示す工程］
まず、Ｓｉ基板１の上に酸化膜マスク２を形成し、トレンチ形成予定領域において酸化膜マスク２を開口させる。
【００６４】
［図７（ｂ）に示す工程］
そして、Ｓｉ基板１を図２に示したチャンバ２１内に収容したのち、ＳＦ6或いはＣｌ2等をエッチングガス３として導入し、チャンバ２１内に誘導結合型プラズマ等の適当なＲＦ電界を印加することにより、これらのエッチングガスをプラズマ化させ、異方性の高いトレンチエッチングを行い、Ｓｉ基板１にトレンチ４を形成する。このとき、エッチング時間を決め、Ｓｉ基板１が所定の深さまでエッチングされるようにする。
【００６５】
そして、Ｃ4Ｆ8ガス或いはＣＦ4とＣＨＦ3の混合ガスを導入し、チャンバ２１内に誘導結合型プラズマ等の適当なＲＦ電界を印加することによりＣ4Ｆ8ガスをプラズマ化させ、トレンチ４の内壁に第１の保護膜としてのポリマー膜３１を形成する。このポリマー膜形成工程の時間を決め、ポリマー膜３１の膜厚が所望の膜厚となるようにしている。
【００６６】
［図７（ｃ）〜図７（ｅ）に示す工程］
続いて、図７（ａ）、（ｂ）に示したトレンチエッチング工程とポリマー膜形成工程を交互に複数回繰り返し行う。このとき、トレンチエッチングの時間とポリマー膜形成の時間も図７（ａ）、（ｂ）に示した工程と同様にする。つまり、トレンチエッチング工程とポリマー膜形成工程を１周期とすると、これらの工程を複数周期行う。これにより、トレンチエッチング工程時のエッチング異方性によって、まずトレンチ底部のポリマー膜が側面よりも先に除去された後、エッチングが進みトレンチ４が徐々に深くなり、トレンチ側面においてはポリマー膜３１が除去されてしまうまでの間保護膜として作用するためトレンチ４の横方向エッチングが抑制される。
【００６７】
なお、図７（ａ）〜（ｅ）は、図１（ｂ）と同様の工程に相当する。
【００６８】
［図７（ｆ）に示す工程］
次に、図１（ｃ）に示した工程と同様にして、トレンチ４の内壁に付着した反応生成物８を除去したのち、トレンチ４の内壁に第２の保護膜としての酸化膜３２を形成する。この酸化膜３２の形成には図１（ｄ）に示す工程と同様の方法を用いる。
【００６９】
［図７（ｇ）に示す工程］
この後、図７（ａ）〜（ｅ）に示した工程と同様に、トレンチエッチング工程とポリマー膜形成工程を交互に複数回繰り返して行う。これらの工程により、トレンチ側面がポリマー膜３１で保護されながらエッチングが進行するために、まず酸化膜３２のうちトレンチ底部に位置する部分がトレンチ側面上に位置する部分よりも先に除去される。その後、トレンチ底部では、ポリマー膜３１の堆積と除去を繰り返しつつ深さ方向にエッチングが進む。一方、トレンチ側面では、第２の保護膜としての酸化膜３２の上でポリマー膜３１が堆積し、２層の保護膜で覆われた状態となる。従って、仮にポリマー膜３１がトレンチエッチング工程中に除去されてしまっても、その下に酸化膜３２が存在するため、なお側面が保護された状態でトレンチエッチングが進められる。
【００７０】
このトレンチエッチングに際し、仮に、横方向エッチングに対する耐性が弱い保護膜を一層のみ用いた場合には、トレンチ４を深くするにつれて横方向エッチングが進み、トレンチ４が幅広になってしまうし、逆に、耐性が強い保護膜を一層のみ用いた場合には、トレンチ底部におけるエッチングが進みにくくなるため、トレンチ４の底部の幅が徐々に狭くなる先細り形状になってエッチングが止まってしまう。
【００７１】
これに対し、本実施形態では、耐性の強い酸化膜３２はトレンチエッチング複数回につき１度形成されるのみである。このため、トレンチ側面を２層の保護膜で覆うことにより横方向エッチングに対する耐性を強めることができると共に、トレンチ底部をポリマー膜３１のみで覆うことによりトレンチ深さ方向へのエッチング進行阻害を最小限度にすることができる。従って、トレンチ４が幅広になったり、先細り形状となってエッチングが止まってしまうことを防止することができる。
【００７２】
［図７（ｈ）に示す工程］
そして、このようなトレンチエッチング工程とポリマー膜形成工程を複数回繰り返したのち、再び、図７（ｆ）で示した工程と同様に、トレンチ４の内壁に付着した反応生成物を除去した後、トレンチ４の内壁に第２の保護膜としての酸化膜３２を形成する。このように、トレンチエッチング工程とポリマー膜形成工程を複数周期行う毎に、第２保護膜としての酸化膜形成工程を行うようにしている。
【００７３】
［図７（ｉ）に示す工程］
続いて、図７（ｇ）に示した工程と同様に、トレンチエッチング工程とポリマー膜形成工程を繰り返し行う。この時にもトレンチエッチングの際に２層の保護膜で覆われた状態となっているため、図７（ｇ）に示した工程と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
この後、トレンチ深さに応じて、図７（ｆ）〜（ｉ）に示した工程を繰り返し行うことにより、所望深さのトレンチ４を形成することができる。このように、トレンチ４が幅広になったり、先細り形状になったりすることがなくなるため、さらなる高アスペクト比化を実現することができる。
【００７５】
なお、本実施形態では、トレンチエッチング工程時とポリマー膜形成工程時に別種のガスを用いているが、この場合には、図８に示すように、チャンバ２１に備えられるガス導入用のガスラインとして、トレンチエッチング工程用のものガスライン２２ａに加えてポリマー膜形成用のガスライン２２ａ′を備え、工程毎に切り替えて使うようにすればよい。
（他の実施形態）
上記各実施形態では、図１（ｃ）の工程においてトレンチ４の内壁面の反応生成物除去を行なっているが、この工程は、図１（ｄ）におけるプラズマ発生条件の適正化を行うことで省略可能である。
【００７６】
また、上記第１実施形態では、トレンチの側壁用保護膜として酸化膜１１を形成しているが、保護膜として窒化膜（ＳｉＮｘ）を形成しても第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第３実施形態では、第２の保護膜として酸化膜を例に挙げて説明したが、この場合も窒化膜を用いてもよい。このような場合、図１（ｃ）、（ｄ）、あるいは図７（ｆ）、（ｈ）の工程でＯ2を含むガスを用いる代わりにＮ2を含むガスを用いて行い、窒素プラズマ雰囲気内で処理することで保護膜（第２の保護膜）として窒化膜を形成することができる。特に、上記各実施形態で使用した酸化膜マスク２に代えてレジストマスクを使用する場合には、酸化膜形成時にレジストマスクが消失してしまうが、窒素プラズマであればレジストマスクが消失しないため、レジストマスクを用いる場合に好適である。なお、この場合にも図１（ｄ）、あるいは図７（ｆ）、（ｇ）におけるプラズマ発生条件の適正化を行うことで、反応生成物除去工程を省略可能である。つまり、酸素プラズマ（あるいは窒素プラズマ）のみで反応生成物を除去しつつ、酸化膜（あるいは窒化膜）を形成することを可能となる。
【００７７】
さらに、第３実施形態で示した図７（ｆ）の工程では、ＵＶ光により励起された酸素ガスを導入し、さらにそれをチャンバ内でプラズマ化することによってトレンチ内壁面の反応生成物を除去したり、トレンチ４の内壁面の酸化を行うようにしてもよい。
【００７８】
さらに、上記第３実施形態では、トレンチエッチング工程とポリマー膜形成工程を複数周期行う毎に、第２保護膜としての酸化膜形成工程を行うようにしているが、トレンチエッチング工程とポリマー膜形成工程の周期数は、第２保護膜として形成する酸化膜（あるいは窒化膜）がトレンチエッチング工程時にトレンチ側面上から除去されてしまう前に終了するように設定する。これによりトレンチ側面は、常に残存する酸化膜（あるいは窒化膜）によってエッチングから保護されることになり、トレンチが幅広になるのを防ぐことができる。
【００７９】
また、トレンチエッチング工程、及びポリマー膜形成工程でのプラズマ発生条件は、トレンチが深くなるに従って適宜設定を変更してもよい。通常、トレンチエッチング工程、及びポリマー膜形成工程でのプラズマ条件を固定したままトレンチを深くしていくと、トレンチ底部に到達するエッチャント量が減少するため、徐々に先細り形状となる。従って、トレンチが深くなるに従って、例えばトレンチエッチング工程でのイオンの基板方向への加速電圧を上げる等、プラズマ条件の設定を変更することで深くなってもエッチングの効率低下を防ぐことができ、先細り形状にならなくなる。同様なことは、第２保護膜を形成する際の酸素プラズマ（あるいは窒素プラズマ）の発生条件、工程時間にも当てはまる。通常トレンチが深くなるほど斜め入射イオン等によってトレンチ側面はエッチングされやすくなる。従って、トレンチが深くなるにつれ、酸化膜形成を促進するようなプラズマ発生条件への設定変更や工程時間の延長によって、より側面の保護が完全になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における半導体装置のトレンチ形成工程を示す図である。
【図２】図１に示すトレンチ形成工程を行なうチャンバの模式図である。
【図３】図１に示すトレンチ形成工程を施した場合の実験結果を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態における半導体装置のトレンチ形成工程を示す図である。
【図５】ＸＰＳ分析法によってＳｉ基板表面がトレンチ内壁面に付着する反応生成物で覆われている場合を分析した結果を示す図である。
【図６】ＸＰＳ分析法によって図５に示すＳｉ基板表面を酸素ガスを流しながらＵＶ光を照射する処理を行なった場合を分析した結果を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態における半導体装置のトレンチ形成工程を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態に用いるチャンバの模式図である。
【図９】従来技術によってトレンチ形成を行なった場合におけるエッチング時間とアスペクト比との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板、２…酸化膜マスク、３…エッチングガス、４…トレンチ、
５…混合プラズマ、６…酸素イオンもしくは酸化ラジカル、７…Ａｒイオン、
８…反応生成物、９…Ｏ2プラズマ、１０…酸素イオンあるいは酸素ラジカル、
１１…保護酸化膜、１２…反応生成物。
【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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