(57)【要約】【課題】エッチング溝の幅を一様に形成することができるドライエッチング処理装置及びドライエッチング方法を提供する。【解決手段】バイアス用高周波電源５２は、処理容器１０内に導入されたエッチングガス（例えば、ＨＢｒ）をマイクロ波導入装置２００で励起して発生させたプラズマ中のイオン及び活性種を半導体ウェハＷの方向へ加速させるためのバイアス電圧（例えば、２００Ｖ以下）を半導体ウェハＷに印加する。バイアス電圧の絶対値を２００Ｖ以下にすることにより、シリコン基板に到達するプラズマ中のイオン（例えば、Ｂｒ+ ）のエネルギーを小さくし、Ｓｉ−Ｓｉの共有結合が切断されて活性粒子（例えば、ＳｉＢｒ3 、ＳｉＢｒ2 、ＳｉＢｒ等）が生成されることを抑制する。【選択図】図１
2009259863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内に配置された被処理物をドライエッチングするドライエッチング処理装置において、
処理室内に供給されるエッチングガスを励起してプラズマを発生させるためのプラズマ発生部と、
該プラズマ発生部で発生させたプラズマ中のイオン及び活性種を被処理物の方向へ加速させるため、該被処理物に対してバイアス電圧を印加する電圧印加部と
を備え、
該電圧印加部で印加するバイアス電圧の絶対値を２００Ｖ以下にするように構成してあることを特徴とするドライエッチング処理装置。
【請求項２】
エッチングガスが供給された処理室内の圧力を３０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの範囲に調節する圧力調節部を備えることを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング処理装置。
【請求項３】
前記プラズマ発生部は、
エッチングガスを励起するための１００Ｗ以上の高周波電力を供給する高周波電力供給部を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のドライエッチング処理装置。
【請求項４】
前記プラズマ発生部は、
マイクロ波発生部を備え、
該マイクロ波発生部で発生したマイクロ波を用いてエッチングガスを励起するように構成してあることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のドライエッチング処理装置。
【請求項５】
処理室内に配置された被処理物をドライエッチングするドライエッチング方法において、
処理室内に供給されるエッチングガスを励起してプラズマを発生させ、
発生させたプラズマ中のイオン及び活性種を被処理物の方向へ加速させるため、該被処理物に対して絶対値が２００Ｖ以下のバイアス電圧を印加し、
該被処理物をエッチングする際に活性粒子の生成を抑制することを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項６】
活性粒子の生成を抑制することにより、活性粒子の前記被処理物のエッチング溝の側壁への付着を防止することを特徴とする請求項５に記載のドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置を製造するため被処理物をドライエッチングするためのドライエッチング処理装置及びドライエッチング方法に関し、特に単結晶シリコン又は多結晶シリコンなどのシリコン基板（シリコンウェハ）をドライエッチングするためのドライエッチング処理装置及びドライエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の製造分野においては、素子分離技術としてシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ：Shallow Trench Isolation）技術が多用されており、ＳＴＩ技術では、例えば、異方性エッチングによりシリコン基板にトレンチ（エッチング溝）を形成している。
【０００３】
異方性エッチングの一例として、例えば、エッチング室内に設けられた一対の対向電極のうちの一方にシリコン基板を配置し、対向電極の双方に高周波電力を供給し、エッチング室内にＣｌ2 又はＨＢｒを含むガスを供給してシリコン基板をドライエッチングする方法が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−７６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のドライエッチング方法にあっては、エッチングにより形成される溝の側壁の形状を制御する場合に、シリコン基板をエッチングする際に活性粒子（例えば、ＨＢｒを用いる場合、ＳｉＢｒ3 、ＳｉＢｒ2 、ＳｉＢｒなど）が生成され、生成された活性粒子が、エッチング溝の側壁のＳｉと共有結合することで、溝の側壁に付着し、エッチング溝の上面と底面での溝の幅が異なり、溝底面の幅を所要の寸法に制御することが困難であった。このため、半導体装置の素子分離層の寸法精度が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、バイアス電圧の絶対値を２００Ｖ以下にすることにより、エッチング溝の幅を一様に形成することができるドライエッチング処理装置及びドライエッチング方法を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明の目的は、エッチングガスが供給された処理室内の圧力を３０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの範囲に調節することにより、エッチング溝の幅を一様に形成することができるドライエッチング処理装置を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の目的は、エッチングガスを励起するために供給する高周波電力を１００Ｗ以上とすることにより、エッチング溝の幅を一様に形成することができるドライエッチング処理装置を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の目的は、マイクロ波発生部で発生したマイクロ波を用いてエッチングガスを励起することにより、エッチング溝の幅を一様に形成することができるドライエッチング処理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】
第１発明に係るドライエッチング処理装置は、処理室内に配置された被処理物をドライエッチングするドライエッチング処理装置において、処理室内に供給されるエッチングガスを励起してプラズマを発生させるためのプラズマ発生部と、該プラズマ発生部で発生させたプラズマ中のイオン及び活性種を被処理物の方向へ加速させるため、該被処理物に対してバイアス電圧を印加する電圧印加部とを備え、該電圧印加部で印加するバイアス電圧の絶対値を２００Ｖ以下にするように構成してあることを特徴とする。
【００１０】
第２発明に係るドライエッチング処理装置は、第１発明において、エッチングガスが供給された処理室内の圧力を３０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの範囲に調節する圧力調節部を備えることを特徴とする。
【００１１】
第３発明に係るドライエッチング処理装置は、第１発明又は第２発明において、前記プラズマ発生部は、エッチングガスを励起するための１００Ｗ以上の高周波電力を供給する高周波電力供給部を備えることを特徴とする。
【００１２】
第４発明に係るドライエッチング処理装置は、第１発明乃至第３発明のいずれか１つにおいて、前記プラズマ発生部は、マイクロ波発生部を備え、該マイクロ波発生部で発生したマイクロ波を用いてエッチングガスを励起するように構成してあることを特徴とする。
【００１３】
第５発明に係るドライエッチング方法は、処理室内に配置された被処理物をドライエッチングするドライエッチング方法において、処理室内に供給されるエッチングガスを励起してプラズマを発生させ、発生させたプラズマ中のイオン及び活性種を被処理物の方向へ加速させるため、該被処理物に対して絶対値が２００Ｖ以下のバイアス電圧を印加し、該被処理物をエッチングする際に活性粒子の生成を抑制することを特徴とする。
【００１４】
第６発明に係るドライエッチング方法は、第５発明において、活性粒子の生成を抑制することにより、活性粒子の前記被処理物のエッチング溝の側壁への付着を防止することを特徴とする。
【００１５】
第１発明、第５発明及び第６発明にあっては、処理室内に供給されるエッチングガスを励起してプラズマを発生させ、発生させたプラズマ中のイオン及び活性種を被処理物（例えば、シリコン基板）の方向へ加速させるため、被処理物に対して絶対値が２００Ｖ以下（すなわち、０Ｖから−２００Ｖの範囲）のバイアス電圧を印加し、被処理物をエッチングする際に活性粒子の生成を抑制する。例えば、エッチングガスとしてＨＢｒを用いた場合、バイアス電圧を２００Ｖ以下にすることにより、シリコン基板に到達するプラズマ中のイオン（例えば、Ｂｒ+ ）のエネルギーを小さくし、Ｓｉ−Ｓｉの共有結合が切断されて活性粒子（例えば、ＳｉＢｒ3 、ＳｉＢｒ2 、ＳｉＢｒなど）が生成されることを抑制する。
【００１６】
バイアス電圧の絶対値が２００Ｖを超える場合には、シリコン基板に到達するイオンのエネルギーが大きくなり、Ｓｉ−Ｓｉの共有結合が切断されて活性粒子（例えば、ＳｉＢｒ3 、ＳｉＢｒ2 、ＳｉＢｒなど）が生成される。生成された活性粒子は、エッチング溝の側壁のＳｉと結合して安定な（不活性）ＳｉＢｒ4 となり側壁に付着するため、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することが困難となるとともに、半導体装置の素子分離層の寸法精度が低下する。バイアス電圧の絶対値を２００Ｖ以下にすることにより、活性粒子の生成を抑制する。これにより、活性粒子のシリコン基板のエッチング溝の側壁への付着を防止してシリコン基板のエッチング溝の幅を一様に形成することができ、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することができ、半導体装置の素子分離層の寸法精度を向上させることができる。
【００１７】
第２発明にあっては、エッチングガスが供給された処理室内の圧力を３０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの範囲に調節する。圧力が３０ｍＴｏｒｒより小さい場合、あるいは、１００ｍＴｏｒｒより大きい場合、プラズマ中の電子密度が低下する。電子密度が低下した場合、シリコン基板に対して供給する高周波電力が一定であるとすると、バイアス電圧を高くする必要があり、バイアス電圧を高くした場合、シリコン基板に到達するイオンのエネルギーが大きくなり、活性粒子の生成を促進してしまう。処理室内の圧力を３０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの範囲に調節することにより、電子密度を高くしてバイアス電圧を低くすることができる。このため、活性粒子の生成を抑制してシリコン基板のエッチング溝の幅を一様に形成することができ、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することができ、半導体装置の素子分離層の寸法精度を向上させることができる。
【００１８】
第３発明にあっては、エッチングガスを励起するために供給する高周波電力を１００Ｗ以上とする。高周波電力が１００Ｗより小さい場合、プラズマ中の電子密度が低下し、シリコン基板に対して供給する高周波電力が一定であるとすると、バイアス電圧を高くする必要があり、バイアス電圧を高くした場合、シリコン基板に到達するイオンのエネルギーが大きくなり、活性粒子の生成を促進してしまう。高周波電力を１００Ｗ以上（例えば、５００Ｗ程度）とすることにより、プラズマ中の電子密度を高くしてバイアス電圧を低くすることができる。このため、活性粒子の生成を抑制してシリコン基板のエッチング溝の幅を一様に形成することができ、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することができ、半導体装置の素子分離層の寸法精度を向上させることができる。
【００１９】
第４発明にあっては、マイクロ波発生部で発生したマイクロ波を用いてエッチングガスを励起する。マイクロ波を用いた場合、プラズマ中の電子密度を高くすることができるため（例えば、１０11個／ｃｍ3 程度）、バイアス電圧を低くすることができる。このため、活性粒子の生成を抑制してシリコン基板のエッチング溝の幅を一様に形成することができ、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することができ、半導体装置の素子分離層の寸法精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、活性粒子の生成を抑制してシリコン基板のエッチング溝の幅を一様に形成することができ、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することができ、半導体装置の素子分離層の寸法精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るドライエッチング処理装置１００の構成の一例を示す構成図である。図１において、１０は処理容器である。処理容器１０は、有底円筒形状であって全体がアルミニウムなどの導体により形成され、さらに処理容器１０は接地されている。処理容器１０の内部は、密閉され、ドライエッチング処理の処理空間となっている。
【００２２】
処理容器１０内には、例えば、シリコン単結晶、シリコン多結晶などのシリコン基板である被処理物としての半導体ウェハＷを載置する載置台１２が配置される。載置台１２は、例えば、アルマイト処理したアルミニウム等により表面を平坦にした円板状をなし、例えば、アルミニウム等よりなる支柱１４を介して処理容器１０の底部中央より所定の位置に配置される。
【００２３】
処理容器１０の周囲壁には、半導体ウェハＷを搬入、搬出するための搬出入口１６を設けてあり、搬出入口１６には、処理容器１０内を密閉状態にしたまま搬出入口１６を開閉するためのゲートバルブ１８を設けてある。
【００２４】
処理容器１０には、周囲壁を貫通する貫通孔を開設してあり、該貫通孔に嵌合させたガス導入管２０から処理容器１０内に所要のガスが導入される。ガス導入管２０には、ガスノズル２０ａを設けてあり、ガスの流量を所要の値に調整することができる。なお、ガスノズル２０ａを複数本設けて、それぞれのガスノズルにより異なる種類のガスを導入することにより、各ガスの流量を独立に制御するようにしてもよく、あるいは、シャワーヘッド状に処理容器１０の天井部に設けることもできる。
【００２５】
ドライエッチング用のガスとしては、例えば、ＨＢｒのみ、Ｃｌ2 のみ、ＨＢｒとＣｌ2 の混合、あるいは、これらとＯ2 の混合ガスを用いることができる。なお、エッチングガスは、これらに限定されるものではなく、ＳＦ6 、ＣＦ4 などを用いることもできる。
【００２６】
処理容器１０の底部には、排気口２２を設けてあり、処理容器１０の内気を排出することができる。排気口２２には、圧力制御弁２４、真空ポンプ２６が介装された排気路２８を接続してある。これにより、処理容器１０内の圧力を所要の値に調節することができる。
【００２７】
載置台１２の下方には、半導体ウェハＷの搬出入時に載置台１２を昇降させるための複数（例えば、３個）の昇降ピン３０を設けてある。昇降ピン３０は、伸縮可能なベローズ３２を介して処理容器１０の底部を貫通して設けられた昇降ロッド３４により昇降されることができる。載置台１２には、昇降ピン３０を挿通可能な挿通孔３６を形成してある。
【００２８】
載置台１２は、耐熱材料、例えば、アルミナ等のセラミックで形成してあり、セラミック中に加熱手段３８を設けている。加熱手段３８は、載置台１２の略全域に亘って埋め込まれた、例えば、薄板状の抵抗加熱ヒータよりなり、支柱１４内に配された配線４０を介してヒータ電源４２に接続されている。
【００２９】
載置台１２の上面には、例えば、網目状に配設した導体線４４を内部に備える薄板状の静電チャック４６を設けてある。導体線４８には、直流電源５０を接続してあり、直流電源５０が供給する直流電圧により、静電チャック４６は、載置台１２に載置する半導体ウェハＷを静電吸着する。静電チャック４６内部の導体線４４には、例えば、整合器（不図示）を介して１３．５６ＭＨｚのバイアス用の高周波電力を印加するためのバイアス用高周波電源５２を接続してある。なお、バイアス用高周波電源５２が供給する高周波電力の周波数は、１３．５６ＭＨｚに限定されるものではなく、２７ＭＨｚなど他のＲＦ帯の周波数でもよい。
【００３０】
バイアス用高周波電源５２は、処理容器１０内に導入されたエッチングガスを後述のマイクロ波導入装置２００で励起して発生させたプラズマ中のイオン及び活性種を半導体ウェハＷの方向へ加速させるため、絶対値が２００Ｖ以下（すなわち、０Ｖ〜−２００Ｖの範囲、より好ましくは−１００Ｖ程度）のバイアス電圧を半導体ウェハＷに印加する。
【００３１】
処理容器１０の天井部には、天板５４を設けてあり、天板５４と処理容器１０とはＯリング等のシール部材５６により処理容器１０内の気密性を保持している。天板５４は、例えば、石英、セラミック、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、あるいは窒化アルミ（ＡｌＮ）などの誘電体で形成され、マイクロ波に対して透過性を有する。なお、天板５４の厚みは、耐圧性を考慮して、例えば、２０ｍｍとすることができる。
【００３２】
天板５４の上面には、エッチングガスを励起してプラズマを発生させるためのマイクロ波導入装置２００を設けてある。マイクロ波導入装置２００は、処理容器１０内へマイクロ波を導入するための平面アンテナ部材２０２を備えている。
【００３３】
平面アンテナ部材２０２は、例えば、半導体ウェハＷのサイズが３００ｍｍである場合、ウェハサイズよりも大きい、例えば、直径が４００〜５００ｍｍ程度、厚みが１〜数ｍｍ程度の導電性材料よりなる円板状であり、その表面が銀メッキされた銅板又はアルミ板である。平面アンテナ部材２０２には、例えば、長溝状の貫通孔よりなる多数のマイクロ波放射用のスロット２０４を形成してある。なお、スロット２０４の配置又は形態は、特に限定されるものではなく、例えば、同心円状、渦巻状、又は放射状に配置することができ、あるいは、アンテナ部材全面に均一になるように分布させることもできる。また、平面アンテナ部材２０２は、いわゆるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）方式のアンテナ構造であり、これにより、高密度（例えば、１０11個／ｃｍ3 程度）かつ低電子エネルギーのプラズマを発生させることができる。
【００３４】
平面アンテナ部材２０２の上面の略全面には円形薄板状の遅波部材２０６を設けてある。遅波部材２０６は、例えば、石英、セラミック、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、あるいは窒化アルミ（ＡｌＮ）などの誘電体で形成されている。遅波部材２０６は、マイクロ波の波長を短縮するために高誘電率特性を有している。
【００３５】
遅波部材２０６の上面及び側面をすべて覆うように導体製であって中空円筒状の容器である導波箱２１０を設けてある。平面アンテナ部材２０２は、導波箱２１０の底板として構成される。導波箱２１０の上部には、導波箱２１０を冷却するために冷媒を流す冷却手段として冷却ジャケット２１２を設けてある。なお、平面アンテナ部材２０２の外周辺部及び導波箱２１０は、いずれも処理容器１０と導通してある。
【００３６】
遅波部材２０６の上面中央には、上方へ凸状に突出した給電部２０８を形成してある。給電部２０８には、同軸導波管２１４を接続してある。同軸導波管２１４は、中心導体２１４ａと、中心導体２１４ａの回りに所定の間隔を隔てて配置された円環状の外側導体２１４ｂとを備える。外側導体２１４ｂは、導波箱２１０の上面中央に接続してある。また、中心導体２１４ａは、遅波部材２０６の中央に形成された貫通孔２２２を通じて平面アンテナ部材２０２の中央部に接続してある。また、給電部２０８の上部外周は、外側導体２１４ｂの下部内壁に密着した状態で装着してある。
【００３７】
同軸導波管２１４には、モード変換器２１６及び矩形導波管２１８を介してマイクロ波発生器２２０に接続してある。マイクロ波発生器２２０は、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生し、発生したマイクロ波は、平面アンテナ部材２０２、遅波部材２０６へ伝搬される。なお、マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚに限定されるものではなく、例えば、８．３５ＧＨｚなど他の周波数でもよい。また、マイクロ波を発生させるための高周波電力は１００Ｗ以上であり、例えば、２０００Ｗ、５００Ｗなどの値とすることができる。なお、プラズマを発生させるための高周波電力の周波数は、マイクロ波に限定されるものではなく、ＵＨＦ帯、ＶＨＦ帯などでもよい。
【００３８】
制御手段５８は、例えば、マイクロコンピュータ、半導体メモリ等で構成され、ドライエッチング処理装置１００の全体の動作を制御する。また、ドライエッチング処理装置１００の動作は、予め処理手順を定めたコンピュータプログラムをマイクロコンピュータで処理することにより実現することができる。この場合、コンピュータプログラムは、ＨＤＤ、半導体メモリ又はＣＤ（Compact Disc）等の記憶媒体６０に記憶することができる。
【００３９】
より具体的には、制御手段５８は、エッチングガスの流量制御、処理容器１０内の圧力制御、バイアス用高周波電源５２のバイアス電圧制御、マイクロ波導入装置のプラズマ発生用の電力制御、処理容器１０内の温度制御、エッチング時間の制御、半導体ウェハＷの搬入搬出制御などを行う。
【００４０】
次に、上述のドライエッチング処理装置１００によって、シリコン基板からなる半導体ウェハＷのシリコン（Ｓｉ）をドライエッチングして、溝（トレンチ）を形成する工程について説明する。
【００４１】
単結晶シリコン基板又は多結晶シリコン基板の表面に窒化シリコン層（ＳｉＮ）からなるハードマスク層を形成した半導体ウェハＷを、ゲートバルブ１８を開いて処理容器１０内に搬入し、昇降ピン３０を上昇させて、半導体ウェハＷを載置台１２の上面に載置する。直流電源５０により供給される直流電圧を印加することにより、半導体ウェハＷを静電チャック４６上に静電吸着する。載置台１２に載置した半導体ウェハＷを、加熱手段３８により、所要のプロセス温度に調整する。
【００４２】
次に、ゲートバルブ１８を閉じ、圧力制御弁２４を調整して、処理容器１０内を所定の真空度まで真空引きした後、ガスノズル２０ａを制御して所要のエッチングガス（例えば、ＨＢｒ）を処理容器１０内へ供給する。この場合、圧力制御弁２４を制御することにより、処理容器１０内の圧力を所要の値（例えば、３０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの範囲）に調整する。
【００４３】
同時に、マイクロ波発生器２２０を駆動し、マイクロ波発生器２２０にて発生したマイクロ波を、矩形導波管２１８及び同軸導波管２１４を介して給電部２０８より平面アンテナ部材２０２及び遅波部材２０６に供給し、遅波部材２０６によって波長を短くしたマイクロ波を、天板５４を透過させて処理空間に導入し、これによりエッチングガスを励起させて処理空間にプラズマを発生させる。
【００４４】
プラズマ中のイオン（例えば、Ｂｒ+、ＨＢｒ+など）、活性種（ラジカル、Ｂｒ2 など）は、バイアス用高周波電源５２のバイアス電圧（例えば、２００Ｖ以下）により半導体ウェハＷの方向へ加速され、シリコン基板に衝突することにより、ハードマスク層が形成されていないシリコン基板を異方性エッチングする。
【００４５】
次に、本発明に係るドライエッチング方法と従来のドライエッチング方法とを比較して説明する。図２は従来のドライエッチングにより形成したシリコン基板１の断面図であり、図３は従来のドライエッチングの処理の様子を示す模式図である。図２（ａ）に示すように、単結晶又は多結晶のシリコン基板１の表面に窒化シリコン層（ＳｉＮ）２からなるハードマスク層を形成した半導体ウェハＷをドライエッチングした場合、図２（ｂ）に示すように、エッチングにより形成された溝（トレンチ）の断面がテーパ状になる。このため、例えば、ハードマスク層により溝の幅をＷ１にすべくドライエッチングしたものの、溝の底部の幅はＷ１と異なったＷ２となり、また、このＷ２がどの程度になるかを制御することができない。このため、半導体装置の素子分離層の寸法精度が低下するという問題があった。なお、溝の底部の幅Ｗ２は、幅Ｗ１に対して、１０〜２０％程度の誤差を有する。
【００４６】
図３（ａ）はシリコン基板１の表面又はエッチングにより形成されつつある溝の底部での処理の様子を示す。シリコン基板１の表面又は溝の底部に高いエネルギーで加速されたイオン（例えば、Ｂｒ+、ＨＢｒ+など）が衝突した場合、Ｓｉ−Ｓｉ共有結合（結合エネルギーは、例えば、２．９ｅＶ）が切断され、ＳｉＢｒ3 などの活性粒子（活性な分子）を生成する。なお、生成される活性粒子は、ＳｉＢｒ3 に限定されず、ＳｉＢｒ2 、ＳｉＢｒなども含まれる。
【００４７】
この場合の反応式は、例えば、Ｓｉ＋３Ｂｒ→ＳｉＢｒ3 、Ｓｉ＋２Ｂｒ→ＳｉＢｒ2 、又はＳｉ＋Ｂｒ→ＳｉＢｒで表わすことができる。
【００４８】
これらの活性粒子は、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１の溝の側壁のＳｉと結合して側壁に付着し、結果として溝の断面形状をテーパ状にする。高いエネルギーのイオンの衝突により生成された活性粒子は、エッチング溝の深さが深くなるに応じて側壁のＳｉと結合し易くなるため、溝の深さ深いほど付着量が多くなり、図２（ｂ）に示すようにテーパ状になる。
【００４９】
図４は本発明に係るドライエッチング方法により形成したシリコン基板１の断面図であり、図５は本発明に係るドライエッチング方法の処理の様子を示す模式図である。図４（ａ）に示すように、単結晶又は多結晶のシリコン基板１の表面に窒化シリコン層（ＳｉＮ）２からなるハードマスク層を形成した半導体ウェハＷをドライエッチングした場合、図４（ｂ）に示すように、エッチングにより形成された溝（トレンチ）の断面はシリコン基板１の基板面に対して垂直になり、溝の幅は、溝の表面側でも底部でも同じ寸法Ｗ１となる。
【００５０】
図５（ａ）はシリコン基板１の表面又はエッチングにより形成されつつある溝の底部での処理の様子を示す。シリコン基板１の表面又は溝の底部に低いエネルギー（例えば、バイアス電圧が２００Ｖ以下、より好ましくは１００Ｖ程度）で加速されたイオン（例えば、Ｂｒ+、ＨＢｒ+など）が衝突した場合、Ｓｉ−Ｓｉ共有結合（結合エネルギーは、例えば、２．９ｅＶ）を切断することができず、Ｂｒ−Ｂｒ間のファンデルワールス結合（結合エネルギーは、例えば、０．２ｅＶ）を切断する。これにより、ＳｉＢｒ4 なる不活性粒子（安定な分子）を生成する。
【００５１】
この場合の反応式は、例えば、Ｓｉ＋４Ｂｒ→ＳｉＢｒ4で表わすことができる。
【００５２】
この不活性粒子は、安定な粒子であるため、図５（ｂ）に示すように、シリコン基板１の溝の側壁のＳｉとは結合することなく、処理容器１０外へ排出される。
【００５３】
図６は衝突時のエネルギーと生成される分子の反応速度との関係を示す説明図である。図６において、横軸はシリコン基板１へ１個のイオンが衝突する際のエネルギーを示し、縦軸は分子の生成反応速度を示す。図６に示すように、イオンのエネルギーが小さい場合（例えば、１ｅＶ以下）には、ほぼＳｉＢｒ4 のみ生成されるのが分かる。また、イオンのエネルギーが高くなるに応じて、ＳｉＢｒ3 が生成される。
【００５４】
上述のとおり、例えば、エッチングガスとしてＨＢｒを用いた場合、バイアス電圧の絶対値を２００Ｖ以下にすることにより、シリコン基板１に到達するプラズマ中のイオン（例えば、Ｂｒ+ ）のエネルギーを小さくし、Ｓｉ−Ｓｉの共有結合が切断されて活性粒子（例えば、ＳｉＢｒ3 、ＳｉＢｒ2 、ＳｉＢｒ等）が生成されることを抑制することができる。
【００５５】
バイアス電圧の絶対値が２００Ｖを超える場合（例えば、上述のイオンのエネルギーが１ｅＶを超える場合）には、シリコン基板１に到達するイオンのエネルギーが大きくなり、Ｓｉ−Ｓｉの共有結合が切断されて活性粒子（例えば、ＳｉＢｒ3 、ＳｉＢｒ2 、ＳｉＢｒ等）が生成される。生成された活性粒子は、エッチング溝の側壁のＳｉと結合して安定な（不活性）ＳｉＢｒ4 となり側壁に付着するため、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することが困難となるとともに、半導体装置の素子分離層の寸法精度が低下する。バイアス電圧の絶対値を２００Ｖ以下にする（すなわち、上述のイオンのエネルギーを、例えば、１ｅＶ以下にする）ことにより、活性粒子の生成を抑制してシリコン基板１のエッチング溝の幅を一様に形成することができ、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することができ、半導体装置の素子分離層の寸法精度を向上させることができる。
【００５６】
図７はバイアス電圧と電子密度との関係を示す説明図である。図７において、横軸はバイアス用高周波電源５２より供給される高周波電力（バイアスパワー）を示し、縦軸は電子密度を示す。また、図中の曲線は、バイアス電圧（例えば、１００Ｖ、２００Ｖなど）を一定にした場合のバイアスパワーと電子密度との関係を示す。上述のとおり、バイアス電圧の絶対値が２００Ｖを超える場合には、活性粒子が生成され、バイアス電圧が２００Ｖ以下の場合、不活性粒子が生成される。
【００５７】
仮に、シリコン基板１に対して供給する高周波電力（バイアスパワー）が一定である場合、図７に示すように、電子密度が低いほどバイアス電圧を高くしなければならない。バイアス電圧を高くした場合には、シリコン基板１に到達するイオンのエネルギーが大きくなり、活性粒子の生成を促進してしまう。一方、電子密度が高いほどバイアス電圧を低く（例えば、絶対値が１００Ｖ程度）することができる。このため、活性粒子の生成を抑制してシリコン基板１のエッチング溝の幅を一様に形成することができ、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することができ、半導体装置の素子分離層の寸法精度を向上させることができる。
【００５８】
図８は処理容器１０内の圧力と電子密度との関係を示す説明図である。図８に示すように、圧力が３０ｍＴｏｒｒより小さい場合、あるいは、圧力が１００ｍＴｏｒｒより大きい場合、プラズマ中の電子密度が低下する。電子密度が低下した場合、シリコン基板１に対して供給する高周波電力が一定であるとすると、上述のとおり、バイアス電圧を高くする必要があり、バイアス電圧を高くした場合、シリコン基板１に到達するイオンのエネルギーが大きくなり、活性粒子の生成を促進してしまう。処理容器１０内の圧力を３０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの範囲に調節することにより、電子密度を高くしてバイアス電圧を低くすることができる。これにより、活性粒子の生成を抑制してシリコン基板のエッチング溝の幅を一様に形成することができ、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することができ、半導体装置の素子分離層の寸法精度を向上させることができる。
【００５９】
また、上述のとおり、本発明にあっては、マイクロ波を発生させるための高周波電力は１００Ｗ以上とする。高周波電力が１００Ｗより小さい場合、プラズマ中の電子密度が低下し、シリコン基板１に対して供給する高周波電力が一定であるとすると、バイアス電圧を高くする必要があり、バイアス電圧を高くした場合、シリコン基板１に到達するイオンのエネルギーが大きくなり、活性粒子の生成を促進してしまう。高周波電力を１００Ｗ以上とすることにより、プラズマ中の電子密度を高くしてバイアス電圧を低くすることができる。このため、活性粒子の生成を抑制してシリコン基板１のエッチング溝の幅を一様に形成することができ、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することができ、半導体装置の素子分離層の寸法精度を向上させることができる。
【００６０】
また、上述のとおり、本発明にあっては、マイクロ波発生器２２０で発生したマイクロ波を用いてエッチングガスを励起する。マイクロ波を用いた場合、プラズマ中の電子密度を高くすることができるため（例えば、１０11個／ｃｍ3 程度）、バイアス電圧を低くすることができる。このため、活性粒子の生成を抑制してシリコン基板１のエッチング溝の幅を一様に形成することができ、エッチング溝の幅を所要の寸法に制御することができ、半導体装置の素子分離層の寸法精度を向上させることができる。
【００６１】
上述の実施の形態では、プラズマを発生させる手段としてマイクロ波を用いる構成であったが、プラズマ発生手段は、これに限定されるものではなく、平行平板型、電子サイクロトロン共鳴型（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）、ヘリコン波励起型（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）、誘導結合型（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）等であってもよい。
【００６２】
上述の実施の形態において、処理容器１０の縦寸法（ギャップ）、すなわち、処理容器１０の底部と天板との離隔寸法を小さくすることにより、処理容器１０内の電子密度を高くすることができる。これは、処理容器１０のギャップが大きくなるほど、電子密度の高低差が大きくなるので、ギャップを小さくすることで電子密度の低下を抑制することができるからである。これによりバイアス電圧を低くすることができる。
【００６３】
上述の実施の形態では、エッチングガスの例としてＨＢｒを用いた例を説明したが、エッチングガスはＨＢｒに限定されるものではない。例えば、ＨＣｌ、Ｃｌ2 などを用いることもできる。Ｃｌ2 を用いる場合、本発明は、活性粒子（例えば、ＳｉＣｌ3 、ＳｉＣｌ2 、ＳｉＣｌ等）が生成されることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係るドライエッチング処理装置の構成の一例を示す構成図である。
【図２】従来のドライエッチングにより形成したシリコン基板の断面図である。
【図３】従来のドライエッチングの処理の様子を示す模式図である。
【図４】本発明に係るドライエッチング方法により形成したシリコン基板の断面図である。
【図５】本発明に係るドライエッチング方法の処理の様子を示す模式図である。
【図６】衝突時のエネルギーと生成される分子の反応速度との関係を示す説明図である。
【図７】バイアス電圧と電子密度との関係を示す説明図である。
【図８】処理容器内の圧力と電子密度との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  処理容器
２０ａ  ガスノズル
２４  圧力制御弁
５２  バイアス用高周波電源
５８  制御手段
２００  マイクロ波導入装置
２２０  マイクロ波発生器
【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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