半導体素子の製造方法
【課題】被処理基板のエッチングにおける面内均一性を向上させるとともに、丸みのある滑らかな底面を有する素子分離用トレンチを形成することができる半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板５１に素子分離用トレンチ５９を形成するためのパターニングが施されたハードマスク５７を形成する工程と、該ハードマスクをエッチング用マスクとして、希ガス、ハロゲンガス、および酸化性ガスを含むプロセスガスを供給し、所定の深さよりも浅い深さまでシリコン基板５１をエッチングする第一工程と、該第一工程の後に、希ガス、ハロゲンガス、酸化性ガス、および堆積性ガスを含むプロセスガスを、シリコン基板５１の中央領域および周縁領域にそれぞれ流量を制御して供給し、所定の深さＤ２までシリコン基板５１をエッチングして素子分離用トレンチ５９を形成する第二工程と、を備える製造方法とする。
【解決手段】シリコン基板５１に素子分離用トレンチ５９を形成するためのパターニングが施されたハードマスク５７を形成する工程と、該ハードマスクをエッチング用マスクとして、希ガス、ハロゲンガス、および酸化性ガスを含むプロセスガスを供給し、所定の深さよりも浅い深さまでシリコン基板５１をエッチングする第一工程と、該第一工程の後に、希ガス、ハロゲンガス、酸化性ガス、および堆積性ガスを含むプロセスガスを、シリコン基板５１の中央領域および周縁領域にそれぞれ流量を制御して供給し、所定の深さＤ２までシリコン基板５１をエッチングして素子分離用トレンチ５９を形成する第二工程と、を備える製造方法とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シリコン基板上に素子分離用トレンチが設けられた半導体素子の製造方法に関するものであって、特に、プラズマを利用したエッチングによって素子分離用トレンチを形成する半導体素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ‐Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）や大規模集積回路（ＬＳＩ：Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）といった半導体素子の製造において、動作速度の高速化や低消費電力化を実現するために、製造プロセスのさらなる微細化が、求められている。製造プロセスのさらなる微細化を進めるに当たり、トランジスタ素子間の分離のために形成される素子分離構造の微細化が、大きな技術的課題となっている。素子分離構造の微細化を実現する一つの技術として、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）が、従来から知られている。ＳＴＩによる素子分離構造を備える半導体素子の製造方法として、特開２００４−１７２４８８号公報が、開示されている。ＳＴＩにおいては、プラズマを利用したプラズマエッチングによってシリコン基板に素子分離用トレンチを形成する方法が、広く採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１７２４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳＴＩにおける素子分離用トレンチの形成方法について、図２０を用いて説明する。図２０は、従来の方法により素子分離用トレンチを形成した後の被処理基板Ｗを概略的に示す概略断面図である。なお、以下の説明において、幅方向とは、図における紙面左右方向に相当する方向を示す。
【０００５】
従来の素子分離用トレンチを有する半導体素子の製造方法においては、まず、シリコン基板１０１をエッチングするためのハードマスク１０２を形成する。次に、ハードマスク１０２をマスクとし、シリコン基板１０１の主表面１０８から下方向へ向けてエッチングを行って素子分離用トレンチ１０３を形成する。そうすると、被処理基板Ｗは、図２０に示す状態となる。この場合、素子分離用トレンチ１０３は、トレンチの幅方向両側に位置するトレンチ壁面１０５、１０６により構成される。そして、素子分離用トレンチ１０３の深さは、シリコン基板１０１の主表面１０８からエッチングにより最も下方向へ削れた部分である底端部１０４までに亘る深さＤ０となる。
【０００６】
シリコン基板１０１に素子分離用トレンチ１０３を形成する工程においては、シリコンをエッチングするためのプロセスガスとして、Ａｒガスと、ＨＢｒガスと、Ｏ２ガスとを含むプロセスガスが、従来から広く用いられている。
【０００７】
処理においては、被処理基板Ｗの中央領域と周縁領域とを均一に処理することが好ましい。すなわち、上記の素子分離用トレンチ１０３において、被処理基板Ｗの中央領域に形成された素子分離用トレンチ１０３の深さＤ０と、被処理基板Ｗの周縁領域に形成された素子分離用トレンチ１０３の深さＤ０とをできるだけ等しくすることが好ましい。ここで、従来のトレンチ形成方法によりＡｒガス、ＨＢｒガス、およびＯ２ガスを含むプロセスガスを用いてシリコン基板をエッチングすると、被処理基板Ｗの中央領域と周縁領域とに形成される素子分離用トレンチ１０３の深さＤ０が、大きく異なってしまうこととなる。具体的には、被処理基板Ｗの中央領域に形成された素子分離用トレンチ１０３の深さが、被処理基板Ｗの周縁領域に形成されたものよりも相対的に深くなる。すなわち、シリコン基板１０１のエッチング処理が、いわゆるセンターファースト（Ｃｅｎｔｅｒ ｆａｓｔ）となってしまう。この場合、シリコン基板１０１に対するエッチング処理がセンターファーストとなることを防ぐために、被処理基板Ｗの中央領域および周縁領域に供給するプロセスガスの流量比を変更しても、センターファーストの改善は困難であった。具体的には、被処理基板Ｗの中央領域に対して、周縁領域へのプロセスガスの供給量を大きくしても、依然としてセンターファーストの傾向は変わらず、その結果、処理における面内均一性を向上させることはできなかった。
【０００８】
また、上記のようにＡｒガス、ＨＢｒガス、およびＯ２ガスを含むプロセスガスを用いてシリコン基板をエッチングすると、図２０に示すように、素子分離用トレンチ１０３の底端部１０４が尖った形状となってしまう。このようにトレンチ底面に底端部１０４が形成された状態のまま、この基板上に例えばトランジスタ素子等が形成されて駆動された場合、この底端部１０４において電界集中が起こり、基板上に形成されたトランジスタ素子等の電気特性の劣化を引き起こす原因となる。
【０００９】
この発明の目的は、被処理基板における面内均一性を向上させるとともに、丸みのある滑らかな底面を有する素子分離用トレンチを形成することができる半導体素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、シリコン基板に所定の深さを有する素子分離用トレンチが形成された半導体素子の製造方法に関するものである。この発明は、シリコン基板に素子分離用トレンチを形成するためのパターニングが施されたハードマスクを形成する工程と、ハードマスクをマスクとしてシリコン基板をエッチングし、素子分離用トレンチを形成する工程とを備える。ここで、素子分離用トレンチを形成する工程は、希ガス、ハロゲンガス、および酸化性ガスを含むプロセスガスをシリコン基板に供給し、上記所定の深さよりも浅い深さまでシリコン基板をエッチングする第一工程と、第一工程の後に、希ガス、ハロゲンガス、酸化性ガス、および堆積性ガスを含むプロセスガスを、シリコン基板の中央領域およびシリコン基板の周縁領域にそれぞれ流量を制御して供給し、上記所定の深さまでシリコン基板をエッチングして素子分離用トレンチを形成する第二工程とを有する。
【００１１】
この構成によれば、第一工程において、希ガス、ハロゲンガス、および酸化性ガスを含むプロセスガスを用いてシリコン基板をエッチングすることによって、シリコン基板を上記所定の深さよりも浅い深さまで効率的に削ることができる。第二工程において、希ガス、ハロゲンガス、酸化性ガス、および堆積性ガスを含むプロセスガスを用い、且つシリコン基板の中央領域および周縁領域に供給するプロセスガスの流量を制御してシリコン基板をエッチングすることによって、中央領域および周縁領域に形成される素子分離用トレンチの深さのバランスを調整することが可能となる。そうすると、エッチング処理によるセンターファーストの傾向を抑制して、面内均一性を向上させることができる。さらに、第二工程において堆積性ガスを用いることによって、底端部の形状に丸みを帯びさせることができる。
【００１２】
さらに好ましくは、堆積性ガスは、ＣＦ４ガスを含む。また、希ガスは、Ａｒガスを含む。また、第一工程または第二工程において供給されるハロゲンガスは、ＨＢｒガスを含む。また、酸化性ガスは、Ｏ２ガスを含む。
【００１３】
さらに好ましくは、ハードマスクを形成する工程は、シリコン基板上に下層からシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、有機誘電体膜、反射防止膜を順次積層し、シリコン基板上にマスキング層を形成する工程と、マスキング層上にフォトレジストを形成する工程と、フォトレジストをマスクとしてマスキング層をエッチングする工程とを有する。
【００１４】
さらに好ましくは、マイクロ波によるプラズマは、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）により生成される。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、第一工程において、希ガス、ハロゲンガス、および酸化性ガスを含むプロセスガスを用いてシリコン基板をエッチングすることによって、シリコン基板を上記所定の深さよりも浅い深さまで効率的に削ることができる。第二工程において、希ガス、ハロゲンガス、酸化性ガス、および堆積性ガスを含むプロセスガスを用い、且つシリコン基板の中央領域および周縁領域に供給するプロセスガスの流量を制御してシリコン基板をエッチングすることによって、中央領域および周縁領域に形成される素子分離用トレンチの深さのバランスを調整することが可能となる。そうすると、エッチング処理によるセンターファーストの傾向を抑制して、面内均一性を向上させることができる。さらに、第二工程において堆積性ガスを用いることによって、底端部の形状に丸みを帯びさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置の構成を概略的に示す概略断面図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置に備えられるスロットアンテナ板を板厚方向から見た図である。
【図３】この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法のフローチャートを示す。
【図４】この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられる被処理基板の概略断面図であり、シリコン基板をエッチングするためのハードマスクを形成する前の状態を示す。
【図５】図４に示す被処理基板にハードマスクを形成するためのエッチング処理を行った後の状態を示す概略断面図である。
【図６】図５に示す被処理基板に、この発明の一実施形態に係る酸化膜除去工程を行った後の状態を示す概略断面図である。
【図７】図６に示す被処理基板に、この発明の一実施形態に係る第一工程を行った後の状態を示す概略断面図である。
【図８】図７に示す被処理基板に、この発明の一実施形態に係る第二工程を行って素子分離用トレンチを形成した後の状態を示す概略断面図である。
【図９】第二工程を行っている途中の状態の被処理基板を概略的に示す図であり、図７中の領域ＩＸを拡大した拡大図である。
【図１０】表１に示すプロセス条件による第一工程の後に被処理基板の中央領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１１】図１０に示す被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１２】図１０に示す被処理基板に表１に示すプロセス条件による第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１０に相当するトレンチを示している。
【図１３】図１１に示す被処理基板に表１に示すプロセス条件による第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１１に相当するトレンチを示している。
【図１４】表２に示すプロセス条件による第一工程後に被処理基板の中央領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１５】図１４に示す被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１６】図１４に示す被処理基板に表３に示すプロセス条件による第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１４に相当するトレンチを示している。
【図１７】図１５に示す被処理基板に表３に示すプロセス条件による第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１５に相当するトレンチを示している。
【図１８】表３に示すプロセス条件によって最終的に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、被処理基板の中央領域に形成された素子分離用トレンチの写真である。
【図１９】表３に示すプロセス条件によって最終的に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、被処理基板の周縁領域に形成された素子分離用トレンチの写真である。
【図２０】従来の方法により素子分離用トレンチを形成した後の被処理基板Ｗを概略的に示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。まず、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置１１の構成について、図１〜図２を用いて説明する。図１は、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置１１の構成を概略的に示す概略断面図である。図２は、図１に示すプラズマ処理装置１１に備えられるスロットアンテナ板２０を、板厚方向から見た図である。なお、理解の容易の観点から、部材のハッチングを一部省略している。
【００１８】
図１〜図２を参照して、この発明に係る半導体素子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置１１は、マイクロ波をプラズマ源とするマイクロ波プラズマ処理装置である。プラズマ処理装置１１は、その内部で被処理基板Ｗにプラズマ処理を行う処理空間を有する処理容器１２と、処理容器１２内にプラズマ処理用のプロセスガス等を供給するガス供給機構１３と、処理容器１２内に設けられ、その上に被処理基板Ｗを保持する保持台１４と、処理容器１２の外部に設けられ、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器１５と、マイクロ波発生器１５により発生させたマイクロ波を処理容器１２内に導入する導波管１６および同軸導波管１７と、同軸導波管１７の下方端部に連結されており、同軸導波管１７によって導入されたマイクロ波を径方向に伝播する誘電体板１８と、誘電体板１８の下方側に配置されており、誘電体板１８によって伝播されたマイクロ波を放射するスロット１９を複数有するスロットアンテナ板２０と、スロットアンテナ板２０の下方側に配置されており、スロット１９から放射されたマイクロ波を径方向に伝播すると共に処理容器１２内に透過させる誘電体窓２１と、プラズマ処理装置１１全体を制御する制御部（図示せず）とを備える。制御部は、ガス供給機構１３におけるガス流量、処理容器１２内の圧力等、被処理基板Ｗをプラズマ処理するためのプロセス条件を制御する。なお、理解の容易の観点から、図１において、スロット１９の開口形状を概略的に示している。
【００１９】
処理容器１２は、被処理基板Ｗを収容可能な構成となっている。処理容器１２は、保持台１４の下方側に位置する底部２２と、底部２２の外周から上方向に延びる側壁２３と、側壁２３の上方側に載置するようにして配置され、その上に誘電体窓２１を載置可能な環状部材２４とを含む。側壁２３は、円筒状である。処理容器１２の底部２２の径方向の中央側には、排気用の排気孔２５が設けられている。処理容器１２の上部側は開口しており、処理容器１２の上部側において、誘電体窓２１が、処理容器１２の上部側開口を覆うように配置されている。そして、誘電体窓２１と、処理容器１２、具体的には処理容器１２を構成する環状部材２４との間に介在するＯリング３１によって、処理容器１２は、完全に密封される。
【００２０】
側壁２３は、底部２２の外周から連なって上方向に延び、円筒状である下壁部２６と、下壁部２６の上方側に載置するようにして配置される円筒状のジャケット部２７と、ジャケット部２７の上方側に載置するようにして配置される円筒状の上壁部２８とを含む。すなわち、側壁２３は、底部２２側である下方側から順に、下壁部２６、ジャケット部２７、上壁部２８を積み重ねて構成されている。
【００２１】
保持台１４は、円板状の被処理基板Ｗをその上に載置するようにして保持する。保持台１４には、ＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）バイアス用の高周波電源４３がマッチングユニット４４および給電棒４５を介して電気的に接続されている。このバイアス用高周波電源４３は、被処理基板Ｗに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波を後述する所定のパワーで出力する。マッチングユニット４４は、バイアス用高周波電源４３側のインピーダンスと、主に電極、プラズマ、処理容器１２といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容しており、この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。
【００２２】
マイクロ波発生器１５は、中心導体２９ａおよび外周導体２９ｂから構成される同軸導波管１７およびモード変換器３０を介して、マイクロ波を導入する導波管１６の上流側に接続されている。同軸導波管１７を構成し、いずれも円筒状である中心導体２９ａおよび外周導体２９ｂは、径方向の中心を一致させ、中心導体２９ａの外径面と、外周導体２９ｂの内径面との間隔を開けるようにして、図１中の紙面上下方向に延びるようにして配置される。
【００２３】
スロットアンテナ板２０は、薄板状であって、円板状である。スロットアンテナ板２０の板厚方向の両面は、それぞれ平らである。スロットアンテナ板２０には、板厚方向に貫通する複数のスロット１９が複数設けられている。スロット１９は、一方方向に長い第一のスロット１９ａと、第一のスロット１９ａと直交する方向に長い第二のスロット１９ｂとが、隣り合って一対となるように形成されている。具体的には、隣り合う２つのスロット１９ａ、１９ｂが一対となって、略ハ字状となるように配置されて構成されている。すなわち、スロットアンテナ板２０は、一方方向に延びる第一のスロット１９ａおよび一方方向に対して垂直な方向に延びる第二のスロット１９ｂから構成されるスロット対３２を有する構成である。なお、スロット対３２の一例については、図２中の点線で示す領域で図示している。スロットアンテナ板２０の径方向の中央には、貫通孔３３が設けられている。スロットアンテナ板２０は、径方向の中心を基準とした回転対称性を有する。
【００２４】
誘電体窓２１は、略円板状であって、所定の板厚を有する。誘電体窓２１は、たとえば石英やアルミナ等といった誘電体から構成されている。誘電体窓２１は、下側を処理容器１２の環状部材２４の上に載せるようにして取り付けられる。誘電体窓２１の径方向の中央には、板厚方向、すなわち、図１中の紙面上下方向に貫通する貫通孔３４が設けられている。貫通孔３４は、上側領域の径が下側領域の径よりも大きくなるように形成されている。誘電体窓２１のうち、プラズマ処理装置１１に備えられた際にプラズマを生成する側となる下面３５の径方向外側領域には、環状に連なり、誘電体窓２１の板厚方向内方側、ここでは、図１における紙面上方向に向かってテーパ状に凹む誘電体窓凹部３６が設けられている。
【００２５】
処理容器１２内には、ガス供給機構１３によりプラズマ処理用のプロセスガスが供給される。プラズマ処理装置１１においては、制御部により、処理容器１２の温度が、処理に適した温度に設定される。マイクロ波発生器１５により発生させたマイクロ波は、同軸導波管１７を通って、誘電体板１８に伝播され、スロットアンテナ板２０に設けられた複数のスロット１９から誘電体窓２１に放射される。誘電体窓２１を透過したマイクロ波は、誘電体窓２１の直下に電界を生じさせ、処理容器１２内にプラズマを生成させる。誘電体窓２１の直下で生成されたプラズマは、誘電体窓２１から離れる方向、すなわち、保持台１４に向かう方向に拡散していく。そして、拡散したプラズマによって、保持台１４に載置された被処理基板Ｗを含む領域に、プラズマ拡散領域が、形成される。被処理基板Ｗに対してプラズマエッチング等のプラズマ処理を行う。プラズマ処理装置１１において処理に供されるマイクロ波プラズマは、比較的に低電子温度のプラズマを生成することができるため、被処理基板Ｗへのプラズマダメージを低減させることができる。また、上記した構成のスロットアンテナ板２０および誘電体板１８を含む構成を、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ：Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎａ）と呼称する。
【００２６】
次に、処理容器１２内にプラズマ処理用のプロセスガスを供給するガス供給機構１３の構成について説明する。ガス供給機構１３は、処理容器１２内の中央に配置され、被処理基板Ｗの中央領域に向かってプロセスガスを供給するガス供給口３７を有するセンターガス供給部材としてのインジェクター３８と、上記の中央領域とは異なる周縁領域から径方向内側に向けてプロセスガスを噴出させて、被処理基板Ｗにプロセスガスを供給するガス供給口３９を有するアウターガス供給部材４０とを含む。
【００２７】
センターガス供給部材は、同軸導波管１７を構成する中空状の中心導体２９ａの中空部分を、ガスの供給路としている。インジェクター３８は、誘電体窓２１の内方側に配置されている。具体的には、誘電体窓２１に設けられた貫通孔３４のうち、径の小さな下側領域は、インジェクター３８におけるガス供給口３７となり、径の大きな上側領域は、インジェクター３８を載置するようにして受け入れる受け入れ凹部４１となる。
【００２８】
次に、アウターガス供給部材４０の構成について説明する。処理容器１２内において、アウターガス供給部材４０は、被処理基板Ｗの真上領域を避けるようにして、誘電体窓２１と保持台１４との間に配置されている。アウターガス供給部材４０は、円環状であって、中空状である。アウターガス供給部材４０の内径寸法は、被処理基板Ｗの外径寸法よりもやや大きくなるように構成されている。アウターガス供給部材４０の中空部分については、その断面の形状が略矩形状となるように構成されている。アウターガス供給部材４０のガス供給口３９は、円環状のアウターガス供給部材４０のうち、内側の壁面４２を丸穴状に開口するようにして複数設けられている。複数のガス供給口３９は、所定の間隔を空けて、略等配となるように設けられている。
【００２９】
インジェクター３８およびアウターガス供給部材４０はそれぞれ、処理容器１２外から処理容器１２内にプラズマ処理用のプロセスガス等を供給する。ガス供給口３７、３９から供給されるガスのそれぞれの流れ方向については、図１中の矢印Ｆ１およびＦ２で図示している。すなわち、処理容器１２内に供給されるプロセスガスは、インジェクター３８によって被処理基板Ｗの中央領域に供給され、アウターガス供給部材４０によって被処理基板Ｗの周縁領域に供給される。上記の制御部によって、インジェクター３８およびアウターガス供給部材４０から供給されるプロセスガスの種類や流量比を制御することが可能となっている。
【００３０】
次に、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法について、図３〜図８を用いて説明する。図３は、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法のフローチャートを示す。図４は、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられる被処理基板Ｗの概略断面図であり、シリコン基板５１をエッチングするためのハードマスク５７の形成前の状態を示す。図５は、図４に示す被処理基板Ｗにハードマスク５７を形成するためのエッチング処理を行った後の状態を示す概略断面図である。図６は、図５に示す被処理基板Ｗに、この発明の一実施形態に係る酸化膜除去工程を行った後の状態を示す概略断面図である。図７は、図６に示す被処理基板Ｗに、この発明の一実施形態に係る第一工程を行った後の状態を示す概略断面図である。図８は、図７に示す被処理基板Ｗに、この発明の一実施形態に係る第二工程を行って素子分離用トレンチ５９を形成した後の状態を示す概略断面図である。
【００３１】
図３〜図８を参照して、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法は、シリコン基板５１に素子分離用トレンチ５９を形成するためのハードマスク５７を形成するハードマスク形成工程と、酸化膜除去工程と、ハードマスク５７をマスクとしてシリコン基板５１をエッチングし、素子分離用トレンチ５９を形成する素子分離用トレンチ形成工程とを備える。
【００３２】
以下、各工程の詳細な内容について、説明する。ハードマスク形成工程においては、まず、シリコン基板５１上において、下層からシリコン酸化膜５２と、シリコン窒化膜５３と、有機誘電体膜５４と、反射防止膜５５とを順次積層してマスキング層６０を形成する（図３（Ａ））。ここで、シリコン基板５１は、３００ｍｍウエハとして説明をする。シリコン窒化膜５３と有機誘電体膜５４とは、シリコン基板５１をエッチングするためのハードマスク５７を構成する薄膜層である。シリコン酸化膜５２は、シリコン基板５１上にシリコン窒化膜５３を効果的に固着させるための薄膜層である。反射防止膜５５は、フォトレジスト５６をパターニングする工程であるフォトリソグラフィーにおけるパターニングの寸法精度の向上等のために被処理基板Ｗに形成される。また、このようにシリコン窒化膜５３および有機誘電体膜５４を含む多層のマスキング層によってハードマスク５７を構成することにより、後述する素子分離用トレンチ形成工程において、ハードマスク５７が早期にエッチングされてしまうことを防ぐことができる。
【００３３】
次に、反射防止膜５５上にフォトレジスト５６を塗布し、フォトリソグラフィーによってパターニングして、マスキング層６０をエッチングするためのフォトレジスト５６を形成する（図３（Ｂ））。そうすると、フォトレジスト５６に開口６３が形成され、被処理基板Ｗは図４に示す状態となる。この開口６３が、後述する方法によって形成される素子分離用トレンチ５９に相当する領域であり、素子分離用トレンチ５９の幅は、開口６３によることとなる。
【００３４】
次に、上記フォトレジスト５６をマスクとしてマスキング層６０をエッチングする（図３（Ｃ））。この工程においては、まず、前述の処理容器１２内に、ハロゲンガス等によって構成されたプロセスガスを供給する。そして、マイクロ波発生器１５によってスロットアンテナ板２０へとマイクロ波を給電し、処理容器１２内にプラズマを生成させる。生成されたプラズマによって、フォトレジスト５６をマスクとして、反射防止膜５５、有機誘電体膜５４、シリコン窒化膜５３の三層の薄膜に対してエッチング処理を行う（三層エッチング：Ｔｒｉｌａｙｅｒ ｅｔｃｈｉｎｇ）。その結果、図５に示すように、有機誘電体膜５４とシリコン窒化膜５３とから構成されるハードマスク５７が、形成される。このように形成されたハードマスク５７は、フォトレジスト５６に対応してパターニングされている。したがって、ハードマスク５７には、フォトレジスト５６に形成された開口６３に相当する開口６４が、形成される。なお、この実施形態においては、図５に示すように、シリコン酸化膜５２が、この工程後もシリコン基板５１上に残留する。
【００３５】
次に、シリコン酸化膜５２をエッチングする酸化膜除去工程について説明する。酸化膜除去工程は、シリコン基板５１をエッチングするメインエッチングの前処理として、開口６４に相当する領域のシリコン酸化膜５２を選択的にエッチングしてシリコン基板５１上から除去する工程である（図３（Ｄ））。
【００３６】
酸化膜除去工程においては、プロセスガスとして、希ガスとしてのＡｒガスと、ハロゲンガスとしてのＣｌ２ガスとを含む混合ガスが、前述のガス供給機構１３から被処理基板Ｗに供給される。このときに、プラズマ処理装置１１に備えられた制御部によって、希ガスの流量およびハロゲンガスの流量を制御してプロセスガスを被処理基板Ｗに供給する。それと同時に、インジェクター３８から被処理基板Ｗの中央領域に供給されるプロセスガスの流量と、アウターガス供給部材４０から被処理基板Ｗの周縁領域に供給されるプロセスガスの流量との比率が、制御部によって制御される。
【００３７】
ここで、ガス供給機構１３から供給されるプロセスガスの総流量に対するインジェクター３８から供給されるプロセスガスの流量の百分率を、ＲＤＣ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）として定義する。例えば、インジェクター３８からプロセスガスの総流量の５％の流量のプロセスガスが供給される場合、ＲＤＣ５のプロセス条件ということになる。
【００３８】
酸化膜除去工程においては、処理容器１２内へ供給されるプロセスガスが、ＲＤＣ５となるように制御されている。すなわち、インジェクター３８から総流量の５％の流量のプロセスガスが供給され、且つ、アウターガス供給部材４０から総流量の９５％の流量のプロセスガスが供給されていることとなる。
【００３９】
このようにプロセス条件を制御し、図５に示す被処理基板Ｗをエッチングすることによって、開口６４に相当する領域のシリコン酸化膜５２が、選択的にエッチングされ、シリコン基板５１上から除去される。そうすると、被処理基板Ｗは、図６に示す状態となる。
【００４０】
次に、素子分離用トレンチ形成工程について説明する。この実施形態に係る素子分離用トレンチ形成工程は、最終的に形成される素子分離用トレンチ５９の深さよりも浅い深さまでシリコン基板５１をエッチングする第一工程（図３（Ｅ））と、第一工程の後に、さらにシリコン基板５１をエッチングして素子分離用トレンチ５９を形成する第二工程（図３（Ｆ））とを有する。まず、素子分離用トレンチ形成工程における第一工程について説明する。
【００４１】
第一工程においては、プロセスガスとして、希ガスとしてのＡｒガスと、ハロゲンガスとしてのＨＢｒガスと、酸化性ガスとしてＯ２ガスとを含む混合ガスが、ガス供給機構１３から被処理基板Ｗへ供給される。また、被処理基板Ｗに供給されるプロセスガスは、ＲＤＣ２０となるように制御される。第一工程において、シリコン基板５１は、供給されるプロセスガスに含まれるＨＢｒガスによって積極的にエッチングされる。そのため、シリコン基板５１は、シリコン基板５１の主表面６８から下方向へ向けて効率的に削り取られていく。その結果、図７に示すようなトレンチ５８が、シリコン基板５１に形成される。この時、生成される反応生成物は、主としてＳｉＢｒＯであると考えられる。
【００４２】
第一工程後に形成されるトレンチ５８は、図７に示すように、トレンチ底面に、主表面６８から最も下方向へ削れた部分である底端部６１を有する形状となる。より具体的に言えば、トレンチ５８においては、トレンチ５８の幅方向両側に位置しトレンチ５８を形成する壁面であるトレンチ壁面６６、６７が、下方へ延在するにつれて互いにトレンチの幅方向中央側へ向けて屈曲して延び、トレンチの底面において底端部６１を形成するように交わっている。この場合、トレンチ５８の深さは、シリコン基板５１の主表面６８から、底端部６１までに亘る深さＤ１となる。第一工程においては、トレンチ５８の深さＤ１が最終的に形成される素子分離用トレンチ５９の７０％〜９０％の深さとなるように、シリコン基板５１へのエッチング処理が行われる。
【００４３】
ここで、第一工程においては、上記のようにＨＢｒガスのみをエッチャントとしてシリコン基板５１をエッチングするため、ハードマスク５７を構成する有機誘電体膜５４が早期にエッチングされてしまうことを防ぎつつ、比較的短時間で効率的に主表面６８から深さＤ１までシリコン基板５１を削ることができる。すなわち、この第一工程によって、後述する第二工程に用いられるハードマスク５７を十分に確保しつつ、最終的な素子分離用トレンチ５９の概形を効率的に形成することができる。したがって、ハードマスク５７を構成するマスキング層６０を、プロセス条件や用途に応じてより薄く形成することも可能となる。
【００４４】
なお、第一工程のエッチング処理においては、被処理基板Ｗの中央領域におけるエッチング速度が、周縁領域よりも相対的に速くなり易い。したがって、第一工程後に形成されたトレンチ５８において、被処理基板Ｗの中央領域に形成されるトレンチ５８の深さＤ１が、周縁領域に形成されたものよりも相対的に深くなる傾向がある。すなわち、第一工程においては、シリコン基板５１に対するエッチング処理が、センターファーストとなる傾向がある。
【００４５】
また、第一工程後に形成されたトレンチ５８においては、図７に示すように、トレンチ５８の底端部６１が尖った形状となる。このようにトレンチ５８に底端部６１が形成される理由について、以下に考察する。プラズマエッチングによってトレンチを形成していく過程において、形成されたトレンチの深さＤ１が深くなっていくと、トレンチの底面に到達するイオンが、底面における幅方向の中央領域に集中し易くなる。すなわち、トレンチの深さＤ１が深くなると、トレンチ底面の中央領域のエッチング速度が、トレンチ壁面６６、６７側の領域よりも高まってしまうこととなる。これにより、上記の構成のプロセスガスを用いてシリコン基板５１をエッチングした場合、図７に示すように、トレンチの底面の中央領域がより積極的に削られることとなる。その結果、トレンチの底面の形状が、トレンチ側壁６６、６７から中央部に向けて下方へと落ち込み、中央部において底端部６１を形成する形状となってしまうものと考えられる。
【００４６】
第一工程後に形成されたトレンチ５８の形状を修正しつつ最終的な素子分離用トレンチ５９を形成するために、この実施形態に係る製造方法においては、第一工程の後に以下に説明する第二工程が導入される。次に、この発明の一実施形態に係る第二工程について説明する。
【００４７】
第二工程においては、プロセスガスとして、希ガスとしてのＡｒガスと、ハロゲンガスとしてのＨＢｒガスと、酸化性ガスとしてのＯ２ガスと、堆積性ガスとしてＣＦ４ガスとを含む混合ガスが、ガス供給機構１３から処理容器１２内へと供給される。そして、シリコン基板５１に対してさらにエッチング処理を行い、図８に示す素子分離用トレンチ５９を形成する。
【００４８】
ここで、第二工程においては、Ａｒガスの流量が６００〜１０００ｓｃｃｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）となるように制御され、Ｏ２ガスの流量が１５〜２０ｃｃｍの範囲内となるように制御され、ＣＦ４ガスの流量が１５〜３０ｃｃｍの範囲内となるように制御される。さらに、処理容器１２内へと供給されるプロセスガスは、ＲＤＣ５〜４０の範囲内となるように制御される。さらに好ましくは、ＲＤＣ１５〜２５の範囲内となるように制御される。
【００４９】
第二工程においてＣＦ４ガスを含むプロセスガスを用い、且つプロセスガスの流量を上記のように制御することによって、図８に示すように、丸みのある滑らかな底面６２を有する素子分離用トレンチ５９が、形成される。より具体的に言えば、素子分離用トレンチ５９の幅方向両側に位置するトレンチ壁面６６、６７が、下方へと延在するにつれて滑らかな曲面を形成するようにトレンチの幅方向中央に向けて屈曲し、緩やかな丸みを帯びたトレンチ底面６２を形成するように、トレンチ底部において互いに滑らかに交わっている。素子分離用トレンチ５９の深さは、シリコン基板５１の主表面６８から、底面６２の下端部までに亘る深さＤ２となる。また、第二工程後に形成される素子分離用トレンチ５９の深さＤ２は、後述するように、被処理基板Ｗの中央領域および周縁領域においてほぼ均一となる。
【００５０】
このように、素子分離用トレンチ形成工程を、上記の第一工程および第二工程の二つの工程から構成することによって、被処理基板Ｗの面内均一性を向上させることができるとともに、丸みのある滑らかなトレンチ底面６２を有する素子分離用トレンチ５９を形成することができる。
【００５１】
これについては、以下のようなメカニズムで上記した効果を奏していると考えられる。以下に図７〜図９を用いて考察する。図９は、第二工程を行っている途中の状態の被処理基板Ｗを概略的に示す図であり、図７中の領域ＩＸを拡大した拡大図である。
【００５２】
第二工程において、上記のプロセス条件により図７に示す被処理基板Ｗをエッチングすると、第一工程と同様に、主にＨＢｒがエッチャントとしてシリコン基板５１と反応する。その結果、シリコンは、主として反応生成物であるＳｉＢｒＯとして放出され、徐々に削り取られていく。一方、堆積性ガス（デポ系ガス）であるＣＦ４に関しては、その一部が、エッチングの過程においてＣＦｘといったフロロカーボンポリマーを生成する。このように生じたフロロカーボンポリマーは、付着性が強く揮発しにくい性質を持つため、トレンチの壁面に付着して堆積していく。つまり、ＣＦ４は、シリコン基板５１と反応してＳｉＢｒＯを放出させるＨＢｒとは異なり、堆積性のフロロカーボンポリマーを生成する。この結果、図９に示すように、第二工程の過程において、堆積物６５が、トレンチの底面６９およびトレンチ壁面６６，６７に堆積していく。この堆積物６５は、シリコン基板５１をエッチングから保護する働きをする。すなわち、堆積物６５は、シリコン基板５１のエッチング速度を下げる保護膜として機能する。
【００５３】
このように、第二工程においては、シリコン基板５１をエッチングすると同時に、シリコン基板５１のエッチング速度を下げる保護膜を生成させてトレンチの底面６９およびトレンチ壁面６６，６７に堆積させる。このように生成された保護膜は、被処理基板Ｗの中央領域および周縁領域に形成された素子分離用トレンチ５９内に同様に堆積していく。
【００５４】
ここで、Ａｒガスの流量は、６００〜１０００ｓｃｃｍ程度の範囲内に制御されることが好ましい。Ａｒガスの流量をこのように制御することによって、フロロカーボンポリマーを、被処理基板上から効果的に排気することができるためである。
【００５５】
また、好ましくは、第二工程において、第一工程よりもＯ２ガスの供給量を増加させる。そうすると、トレンチ壁面６６，６７の表面が改質され、表面に酸化膜が形成されることとなる。このように形成された酸化膜は、エッチング保護膜として機能するため、トレンチ壁面６６，６７が横方向に過剰にエッチングされることを抑制することができる。
【００５６】
また、フロロカーボンポリマーは、被処理基板Ｗの中央領域に堆積しやすい傾向があることから、ＲＤＣによる制御性を考慮すると、ＣＦ４ガスは、１５〜３０ｓｃｃｍの範囲内で供給することが好ましい。
【００５７】
ここで、第二工程において、堆積性のフロロカーボンポリマーを生成するＣＦ４ガスの流量と、処理容器１２内へと供給されるプロセスガスのＲＤＣとを変化させると、中央領域および周縁領域のエッチング速度、すなわち形成される素子分離用トレンチの深さを変化させることができる。そして、これらのプロセス条件を最適化すると、シリコン基板５１の中央領域と周縁領域との間におけるエッチング速度の差を相対的に小さくすることができる。すなわち、第二工程のプロセス条件を制御することによって、被処理基板Ｗの中央領域および周縁領域に形成される素子分離用トレンチの深さＤ２のバランスを調整することが可能となる。したがって、エッチング処理によるセンターファーストの傾向を抑制して、面内均一性を向上させることができる。
【００５８】
また、トレンチの底面６９に保護膜が生成されることによって、底面６９の中央領域のエッチング速度と、底面６９におけるトレンチ壁面６６，６７側の領域のエッチング速度との差が、相対的に小さくなる。したがって、図７に示すようにトレンチ中央部が積極的に削られることを防ぐことができるため、図８に示すような丸みのある滑らかな底面６２を有する素子分離用トレンチ５９が、形成されることとなる。
【００５９】
すなわち、第二工程は、第一工程後に形成されたトレンチ５８におけるセンターファーストの傾向および底端部の尖りを修正するようにシリコン基板５１をエッチングし、最終的な素子分離用トレンチ５９に仕上げるための工程である。この製造工程によれば、最終的に被処理基板Ｗにおける面内均一性を向上させることが可能となるとともに、丸みのある滑らかな底面６２を有する素子分離用トレンチ５９を形成することができる。
【００６０】
次に、以下の表１〜表３に示す具体的なプロセス条件により素子分離用トレンチを形成した実験結果について説明する。この実験は、以下の表に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣ（表中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３）をそれぞれ変化させて素子分離用トレンチを形成した実験である。まず、表１に示すプロセス条件により素子分離用トレンチを形成した実験結果について説明する。
【００６１】
【表１】
【００６２】
表１に示すプロセス条件によって第一工程を行った結果、被処理基板の中央領域に、１９７ｎｍの深さを有するトレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、１９０ｎｍの深さを有するトレンチが、形成された。すなわち、第一工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、７ｎｍとなっている。
【００６３】
ここで、上記第一工程後に、表１に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ１＝４０に制御して素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２８０ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２５６ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、２４ｎｍとなった。
【００６４】
これに対し、上記第一工程後に、表１に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ１＝２０に制御して素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２６２ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２６０ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、２ｎｍとなった。
【００６５】
これらの実験から得られた結果より、表１に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣを変化させると、被処理基板の中央領域および周縁領域に形成される素子分離用トレンチの深さのバランスが変化し、且つ、表１のプロセス条件においてＲＤＣ２０とするようにプロセス条件を最適化することによって、被処理基板の中央領域と周縁領域との差を小さくさせることが可能となることが明らかとなった。すなわち、この製造工程によれば、プロセス条件を最適化することによって、被処理基板の面内均一性を向上させることができることが実証された。
【００６６】
次に、表１に示すプロセス条件により形成された素子分離用トレンチの形状について、図１０〜図１３を用いて説明する。図１０は、表１に示すプロセス条件による第一工程の後に被処理基板の中央領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。図１１は、図１０に示す被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。図１２は、図１０に示す被処理基板に、表１に示すプロセス条件においてＲ１＝２０として第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１０に相当するトレンチを示している。図１３は、図１１に示す被処理基板に、表１に示すプロセス条件においてＲ１＝２０として第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１１に相当するトレンチを示している。なお、図中の白点線７１は、シリコン基板の表面、すなわち、シリコン基板とシリコン基板上に積層されたシリコン酸化膜との境界線を示している。また、図１２および図１３中の異物７０は、処理後の残留物であり、この工程の処理に何ら影響を及ぼすものではない。
【００６７】
図１０〜図１３を参照して、表１に示すプロセス条件による第一工程後に形成されたトレンチの形状を見ると、被処理基板の中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの双方において、底端部が尖った形状となっていることがわかる。
【００６８】
これに対して、表１に示すプロセス条件において、Ｒ１＝２０として第二工程を行った後に形成されたトレンチの形状を見ると、図１２および図１３から明らかなように、第一工程後のトレンチに形成されていた底端部が丸みを帯びた形となり、滑らかな底面を有する形状となっている。
【００６９】
この実験から得られた上記の結果より、この製造工程によれば、プロセス条件を最適化することによって、丸みのある滑らかな底面を有する素子分離用トレンチを形成することができることが実証された。なお、表１に示すプロセス条件において、Ｒ１＝４０として素子分離用トレンチを形成したときの形状に関しても、ほぼ同様の結果であったため、詳細な説明は省略する。
【００７０】
次に、表２に示すプロセス条件により素子分離用トレンチを形成した実験結果について説明する。
【００７１】
【表２】
【００７２】
表２に示すプロセス条件によって第一工程を行った後に被処理基板の中央領域に形成されたトレンチの深さは、１８４ｎｍであった。また、被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチの深さは、１６８ｎｍであった。すなわち、第一工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、１６ｎｍとなっている。
【００７３】
ここで、上記第一工程後に、表２に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ２＝２０として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２５０ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２３３ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、１７ｎｍとなった。
【００７４】
これに対し、上記第一工程後に、表２に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ２＝５として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２４５ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２３７ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、８ｎｍとなった。
【００７５】
これらの実験から得られた結果より、表２に示すプロセス条件においてＲＤＣを変化させると、被処理基板の中央領域および周縁領域に形成される素子分離用トレンチの深さのバランスが変化し、且つ、表２のプロセス条件においてＲＤＣ５とするようにプロセス条件を最適化することによって、被処理基板の中央領域と周縁領域との差を小さくさせることが可能となることが明らかとなった。すなわち、この製造工程によれば、プロセス条件を最適化することによって、被処理基板の面内均一性を向上させることができることが実証された。
【００７６】
次に、表２に示すプロセス条件により形成された素子分離用トレンチの形状について、図１４〜図１７を用いて説明する。図１４は、表２に示すプロセス条件による第一工程の後に被処理基板の中央領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。図１５は、図１４に示す被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。図１６は、図１４に示す被処理基板に、表２に示すプロセス条件においてＲ２＝５として第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１４に相当するトレンチを示している。図１７は、図１５に示す被処理基板に、表２に示すプロセス条件においてＲ２＝５として第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１５に相当するトレンチを示している。
【００７７】
図１４〜図１７を参照して、表２に示すプロセス条件による第一工程後に形成されたトレンチの形状を見ると、被処理基板の中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの双方において、底端部が尖った形状となっていることがわかる。
【００７８】
これに対して、表２に示すプロセス条件において、Ｒ２＝５として第二工程を行った後に形成されたトレンチの形状を見ると、図１６および図１７から明らかなように、第一工程後のトレンチに形成されていた底端部が丸みを帯びた形となり、滑らかな底面を有する形状となっている。
【００７９】
この実験から得られた上記の結果より、このような製造工程によれば、プロセス条件を最適化することによって、丸みのある滑らかな底面を有する素子分離用トレンチを形成することができることが実証された。なお、表２に示すプロセス条件において、Ｒ２＝２０として素子分離用トレンチを形成したときの形状に関しても、ほぼ同様の結果であったため、詳細な説明は省略する。
【００８０】
次に、上記の実験に対する比較対象として実施された以下の実験について説明する。この実験は、第二工程において、堆積性ガスであるＣＦ４ガスを用いる代わりに、堆積性ガスではないＣｌ２ガスを用い、以下の表３に示すプロセス条件により素子分離用トレンチを形成した実験である。また、この実験においては、表３に示す第二工程のＲＤＣを、Ｒ３＝５、１０、２０、４０と変化させて素子分離用トレンチの形成を行った。
【００８１】
【表３】
【００８２】
表３に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ３＝５として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２３７ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２０６ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、３１ｎｍとなった。
【００８３】
また、表３に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ３＝１０として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２３１ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２０７ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、２４ｎｍとなった。
【００８４】
また、表３に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ３＝２０として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２２４ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２００ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、２４ｎｍとなった。
【００８５】
また、表３に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ３＝４０として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２３４ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２０９ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、２５ｎｍとなった。
【００８６】
これらの結果より、上記した表１に示すプロセス条件且つ第二工程においてＲＤＣ２０として素子分離用トレンチを形成した結果（中央領域と周縁領域のトレンチの深さの差：２ｎｍ）、および表２に示すプロセス条件且つ第二工程においてＲＤＣ５として素子分離用トレンチを形成した結果（中央領域と周縁領域のトレンチの深さの差：８ｎｍ）と比較すると、表３に示すプロセス条件においては、エッチング処理がよりセンターファーストとなっていることが明らかである。
【００８７】
さらに、表３に示すプロセス条件において、第二工程におけるＲＤＣをＲ３＝５〜４０まで変化させて素子分離用トレンチを形成したが、被処理基板中央領域および周縁領域におけるトレンチの深さの差を小さくすることができなかった。すなわち、表３に示すプロセス条件においては、第二工程におけるＲＤＣを制御しても、被処理基板中央領域および周縁領域におけるトレンチの深さのバランスを調整することが不可能であり、面内均一性を向上させることができないことが明らかとなった。
【００８８】
表３に示すプロセス条件により形成された素子分離用トレンチの形状について、図１８〜図１９を用いて簡単に説明する。図１８は、表３に示すプロセス条件においてＲ３＝５として第二工程を行った後に、被処理基板の中央領域に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。図１９は、図１８に示す被処理基板の周縁領域に形成された素子分離用トレンチの顕微鏡写真である。
【００８９】
図１８〜図１９を参照して、表３に示すプロセス条件による第一工程後に形成されたトレンチの形状を見ると、被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチに関しては、図１９に示すように、尖った底端部は形成されなかったが、図１８に示すように、被処理基板の中央領域に形成されたトレンチにおいて、尖った底端部が形成されていることがわかる。
【００９０】
比較検証のために実施された上記の実験から得られた結果より、被処理基板における面内均一性を向上させ、且つ丸みのある滑らかな底面を有する素子分離用トレンチを形成するために、第二工程においてＣＦ４ガスのような堆積性ガスを含むプロセスガスを用い、且つ、上記のようにプロセス条件を最適化することが必要であることが実証された。
【００９１】
なお、上記の実施形態においては、希ガスとしてＡｒガス、ハロゲンガスとしてＣｌ２ガスやＨＢｒガス、酸化性ガスとしてＯ２ガス、堆積性ガスとしてＣＦ４ガスを用いている。これにより、この実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられるプロセスガスを、比較的に安価であり、且つ取り扱いが容易なこれらの汎用ガスによって構成することが可能となるため、製造コストを抑えることができる。
【００９２】
また、上記の実施形態においては、図１に示すように、アウターガス供給部材４０によって矢印Ｆ２の方向、すなわち、アウターガス供給部材４０から中心に向けて略水平方向にプロセスガスを噴出させて、被処理基板Ｗの周縁領域にプロセスガスを供給する場合について述べたが、これに限らず、矢印Ｆ２の方向が被処理基板に向けて傾斜するように、アウターガス供給部材４０が構成されてもよい。また、アウターガス供給部材４０を用いることなく、処理容器１２の側壁２３にプロセスガスの供給口を設け、側壁２３から被処理基板Ｗに向けてプロセスガスを供給する構成であってもよい。
【００９３】
また、上記の実施形態においては、プロセスガスに含まれる希ガスとしてＡｒガスを用いた場合について述べたが、これに限らず、Ｈｅ等のその他の希ガスを用いてもよい。
【００９４】
また、上記の実施形態においては、第二工程で用いられるプロセスガスに加える堆積性ガスとしてＣＦ４ガスを用いた場合について述べたが、これに限らず、Ｃｘ１Ｆｙ１（ｘ１、ｙ１は、いずれも正の整数）で表される如何なるフロロカーボン系ガスが用いられてもよい。すなわち、堆積性ガスとして、炭素およびフッ素を含む如何なるガスを適用してもよい。また、この他に、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ等のＣＨｘ２Ｆｙ２（ｘ２、ｙ２は、いずれも正の整数）で表されるハロメタン系ガスが、用いられてもよい。
【００９５】
また、上記の実施形態においては、第一工程および第二工程においてハロゲンガスとしてＨＢｒガスを含むプロセスガスを用いた場合について述べたが、これに限らず、Ｃｌ２ガス等のその他のハロゲンガスを含むプロセスガスを用いてもよい。
【００９６】
また、上記の実施形態においては、シリコン基板をエッチングするためのハードマスクが、シリコン酸化膜と、シリコン窒化膜と、有機誘電体膜と、反射防止膜とを含む多層のマスキング層によって構成された場合について述べたが、これに限らず、ハードマスクが、シリコン基板上に下層からシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを順次積層して形成したマスキング層によって構成されてもよいし、上記した用途に適する材料であればその他の如何なる材料によって構成されてもよい。
【００９７】
また、上記の実施形態においては、ＲＬＳＡを採用することとしたが、これに限らず、マイクロ波をプラズマ源とする種々のマイクロ波プラズマ処理装置に適用することもできる。なお、上記の実施の形態においては、マイクロ波をプラズマ源とするマイクロ波プラズマ処理装置の場合について説明したが、これに限らず、用いるプラズマを平行平板型プラズマ、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ等としてもよい。
【００９８】
以上、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１１ プラズマ処理装置、１２ 処理容器、１３ ガス供給機構、１４ 保持台、１５ マイクロ波発生器、１６ 導波管、１７ 同軸導波管、１８ 誘電体板、１９，１９ａ，１９ｂ スロット、２０ スロットアンテナ板、２１ 誘電体窓、２２ 底部、２３ 側壁、２４ 環状部材、２５ 排気孔、２６ 下壁部、２７ ジャケット部、２８ 上壁部、２９ａ 中心導体、２９ｂ 外周導体、３０ モード変換器、３１ Ｏリング、３２ スロット対、３３，３４ 貫通孔、３５ 下面、３６ 誘電体窓凹部、３７，３９ ガス供給口、３８ インジェクター、４０ アウターガス供給部材、４１ 受け入れ凹部、４２ 壁面、４３ バイアス用高周波電源、４４ マッチングユニット、４５ 給電棒、５１，１０１ シリコン基板、５２ シリコン酸化膜、５３ シリコン窒化膜、５４ 有機誘電体膜、５５ 反射防止膜、５６ フォトレジスト、５７，１０２ ハードマスク、５８ トレンチ、５９，１０３ 素子分離用トレンチ、６０ マスキング層、６１，１０４ 底端部、６２，６９ 底面、６３，６４ 開口、６５ 堆積物。６６，６７，１０５，１０６ トレンチ壁面、６８，１０８ 主表面、７０ 異物、７１ 点線。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シリコン基板上に素子分離用トレンチが設けられた半導体素子の製造方法に関するものであって、特に、プラズマを利用したエッチングによって素子分離用トレンチを形成する半導体素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ‐Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）や大規模集積回路（ＬＳＩ：Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）といった半導体素子の製造において、動作速度の高速化や低消費電力化を実現するために、製造プロセスのさらなる微細化が、求められている。製造プロセスのさらなる微細化を進めるに当たり、トランジスタ素子間の分離のために形成される素子分離構造の微細化が、大きな技術的課題となっている。素子分離構造の微細化を実現する一つの技術として、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）が、従来から知られている。ＳＴＩによる素子分離構造を備える半導体素子の製造方法として、特開２００４−１７２４８８号公報が、開示されている。ＳＴＩにおいては、プラズマを利用したプラズマエッチングによってシリコン基板に素子分離用トレンチを形成する方法が、広く採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１７２４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳＴＩにおける素子分離用トレンチの形成方法について、図２０を用いて説明する。図２０は、従来の方法により素子分離用トレンチを形成した後の被処理基板Ｗを概略的に示す概略断面図である。なお、以下の説明において、幅方向とは、図における紙面左右方向に相当する方向を示す。
【０００５】
従来の素子分離用トレンチを有する半導体素子の製造方法においては、まず、シリコン基板１０１をエッチングするためのハードマスク１０２を形成する。次に、ハードマスク１０２をマスクとし、シリコン基板１０１の主表面１０８から下方向へ向けてエッチングを行って素子分離用トレンチ１０３を形成する。そうすると、被処理基板Ｗは、図２０に示す状態となる。この場合、素子分離用トレンチ１０３は、トレンチの幅方向両側に位置するトレンチ壁面１０５、１０６により構成される。そして、素子分離用トレンチ１０３の深さは、シリコン基板１０１の主表面１０８からエッチングにより最も下方向へ削れた部分である底端部１０４までに亘る深さＤ０となる。
【０００６】
シリコン基板１０１に素子分離用トレンチ１０３を形成する工程においては、シリコンをエッチングするためのプロセスガスとして、Ａｒガスと、ＨＢｒガスと、Ｏ２ガスとを含むプロセスガスが、従来から広く用いられている。
【０００７】
処理においては、被処理基板Ｗの中央領域と周縁領域とを均一に処理することが好ましい。すなわち、上記の素子分離用トレンチ１０３において、被処理基板Ｗの中央領域に形成された素子分離用トレンチ１０３の深さＤ０と、被処理基板Ｗの周縁領域に形成された素子分離用トレンチ１０３の深さＤ０とをできるだけ等しくすることが好ましい。ここで、従来のトレンチ形成方法によりＡｒガス、ＨＢｒガス、およびＯ２ガスを含むプロセスガスを用いてシリコン基板をエッチングすると、被処理基板Ｗの中央領域と周縁領域とに形成される素子分離用トレンチ１０３の深さＤ０が、大きく異なってしまうこととなる。具体的には、被処理基板Ｗの中央領域に形成された素子分離用トレンチ１０３の深さが、被処理基板Ｗの周縁領域に形成されたものよりも相対的に深くなる。すなわち、シリコン基板１０１のエッチング処理が、いわゆるセンターファースト（Ｃｅｎｔｅｒ ｆａｓｔ）となってしまう。この場合、シリコン基板１０１に対するエッチング処理がセンターファーストとなることを防ぐために、被処理基板Ｗの中央領域および周縁領域に供給するプロセスガスの流量比を変更しても、センターファーストの改善は困難であった。具体的には、被処理基板Ｗの中央領域に対して、周縁領域へのプロセスガスの供給量を大きくしても、依然としてセンターファーストの傾向は変わらず、その結果、処理における面内均一性を向上させることはできなかった。
【０００８】
また、上記のようにＡｒガス、ＨＢｒガス、およびＯ２ガスを含むプロセスガスを用いてシリコン基板をエッチングすると、図２０に示すように、素子分離用トレンチ１０３の底端部１０４が尖った形状となってしまう。このようにトレンチ底面に底端部１０４が形成された状態のまま、この基板上に例えばトランジスタ素子等が形成されて駆動された場合、この底端部１０４において電界集中が起こり、基板上に形成されたトランジスタ素子等の電気特性の劣化を引き起こす原因となる。
【０００９】
この発明の目的は、被処理基板における面内均一性を向上させるとともに、丸みのある滑らかな底面を有する素子分離用トレンチを形成することができる半導体素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、シリコン基板に所定の深さを有する素子分離用トレンチが形成された半導体素子の製造方法に関するものである。この発明は、シリコン基板に素子分離用トレンチを形成するためのパターニングが施されたハードマスクを形成する工程と、ハードマスクをマスクとしてシリコン基板をエッチングし、素子分離用トレンチを形成する工程とを備える。ここで、素子分離用トレンチを形成する工程は、希ガス、ハロゲンガス、および酸化性ガスを含むプロセスガスをシリコン基板に供給し、上記所定の深さよりも浅い深さまでシリコン基板をエッチングする第一工程と、第一工程の後に、希ガス、ハロゲンガス、酸化性ガス、および堆積性ガスを含むプロセスガスを、シリコン基板の中央領域およびシリコン基板の周縁領域にそれぞれ流量を制御して供給し、上記所定の深さまでシリコン基板をエッチングして素子分離用トレンチを形成する第二工程とを有する。
【００１１】
この構成によれば、第一工程において、希ガス、ハロゲンガス、および酸化性ガスを含むプロセスガスを用いてシリコン基板をエッチングすることによって、シリコン基板を上記所定の深さよりも浅い深さまで効率的に削ることができる。第二工程において、希ガス、ハロゲンガス、酸化性ガス、および堆積性ガスを含むプロセスガスを用い、且つシリコン基板の中央領域および周縁領域に供給するプロセスガスの流量を制御してシリコン基板をエッチングすることによって、中央領域および周縁領域に形成される素子分離用トレンチの深さのバランスを調整することが可能となる。そうすると、エッチング処理によるセンターファーストの傾向を抑制して、面内均一性を向上させることができる。さらに、第二工程において堆積性ガスを用いることによって、底端部の形状に丸みを帯びさせることができる。
【００１２】
さらに好ましくは、堆積性ガスは、ＣＦ４ガスを含む。また、希ガスは、Ａｒガスを含む。また、第一工程または第二工程において供給されるハロゲンガスは、ＨＢｒガスを含む。また、酸化性ガスは、Ｏ２ガスを含む。
【００１３】
さらに好ましくは、ハードマスクを形成する工程は、シリコン基板上に下層からシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、有機誘電体膜、反射防止膜を順次積層し、シリコン基板上にマスキング層を形成する工程と、マスキング層上にフォトレジストを形成する工程と、フォトレジストをマスクとしてマスキング層をエッチングする工程とを有する。
【００１４】
さらに好ましくは、マイクロ波によるプラズマは、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）により生成される。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、第一工程において、希ガス、ハロゲンガス、および酸化性ガスを含むプロセスガスを用いてシリコン基板をエッチングすることによって、シリコン基板を上記所定の深さよりも浅い深さまで効率的に削ることができる。第二工程において、希ガス、ハロゲンガス、酸化性ガス、および堆積性ガスを含むプロセスガスを用い、且つシリコン基板の中央領域および周縁領域に供給するプロセスガスの流量を制御してシリコン基板をエッチングすることによって、中央領域および周縁領域に形成される素子分離用トレンチの深さのバランスを調整することが可能となる。そうすると、エッチング処理によるセンターファーストの傾向を抑制して、面内均一性を向上させることができる。さらに、第二工程において堆積性ガスを用いることによって、底端部の形状に丸みを帯びさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置の構成を概略的に示す概略断面図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置に備えられるスロットアンテナ板を板厚方向から見た図である。
【図３】この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法のフローチャートを示す。
【図４】この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられる被処理基板の概略断面図であり、シリコン基板をエッチングするためのハードマスクを形成する前の状態を示す。
【図５】図４に示す被処理基板にハードマスクを形成するためのエッチング処理を行った後の状態を示す概略断面図である。
【図６】図５に示す被処理基板に、この発明の一実施形態に係る酸化膜除去工程を行った後の状態を示す概略断面図である。
【図７】図６に示す被処理基板に、この発明の一実施形態に係る第一工程を行った後の状態を示す概略断面図である。
【図８】図７に示す被処理基板に、この発明の一実施形態に係る第二工程を行って素子分離用トレンチを形成した後の状態を示す概略断面図である。
【図９】第二工程を行っている途中の状態の被処理基板を概略的に示す図であり、図７中の領域ＩＸを拡大した拡大図である。
【図１０】表１に示すプロセス条件による第一工程の後に被処理基板の中央領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１１】図１０に示す被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１２】図１０に示す被処理基板に表１に示すプロセス条件による第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１０に相当するトレンチを示している。
【図１３】図１１に示す被処理基板に表１に示すプロセス条件による第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１１に相当するトレンチを示している。
【図１４】表２に示すプロセス条件による第一工程後に被処理基板の中央領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１５】図１４に示す被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１６】図１４に示す被処理基板に表３に示すプロセス条件による第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１４に相当するトレンチを示している。
【図１７】図１５に示す被処理基板に表３に示すプロセス条件による第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１５に相当するトレンチを示している。
【図１８】表３に示すプロセス条件によって最終的に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、被処理基板の中央領域に形成された素子分離用トレンチの写真である。
【図１９】表３に示すプロセス条件によって最終的に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、被処理基板の周縁領域に形成された素子分離用トレンチの写真である。
【図２０】従来の方法により素子分離用トレンチを形成した後の被処理基板Ｗを概略的に示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。まず、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置１１の構成について、図１〜図２を用いて説明する。図１は、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置１１の構成を概略的に示す概略断面図である。図２は、図１に示すプラズマ処理装置１１に備えられるスロットアンテナ板２０を、板厚方向から見た図である。なお、理解の容易の観点から、部材のハッチングを一部省略している。
【００１８】
図１〜図２を参照して、この発明に係る半導体素子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置１１は、マイクロ波をプラズマ源とするマイクロ波プラズマ処理装置である。プラズマ処理装置１１は、その内部で被処理基板Ｗにプラズマ処理を行う処理空間を有する処理容器１２と、処理容器１２内にプラズマ処理用のプロセスガス等を供給するガス供給機構１３と、処理容器１２内に設けられ、その上に被処理基板Ｗを保持する保持台１４と、処理容器１２の外部に設けられ、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器１５と、マイクロ波発生器１５により発生させたマイクロ波を処理容器１２内に導入する導波管１６および同軸導波管１７と、同軸導波管１７の下方端部に連結されており、同軸導波管１７によって導入されたマイクロ波を径方向に伝播する誘電体板１８と、誘電体板１８の下方側に配置されており、誘電体板１８によって伝播されたマイクロ波を放射するスロット１９を複数有するスロットアンテナ板２０と、スロットアンテナ板２０の下方側に配置されており、スロット１９から放射されたマイクロ波を径方向に伝播すると共に処理容器１２内に透過させる誘電体窓２１と、プラズマ処理装置１１全体を制御する制御部（図示せず）とを備える。制御部は、ガス供給機構１３におけるガス流量、処理容器１２内の圧力等、被処理基板Ｗをプラズマ処理するためのプロセス条件を制御する。なお、理解の容易の観点から、図１において、スロット１９の開口形状を概略的に示している。
【００１９】
処理容器１２は、被処理基板Ｗを収容可能な構成となっている。処理容器１２は、保持台１４の下方側に位置する底部２２と、底部２２の外周から上方向に延びる側壁２３と、側壁２３の上方側に載置するようにして配置され、その上に誘電体窓２１を載置可能な環状部材２４とを含む。側壁２３は、円筒状である。処理容器１２の底部２２の径方向の中央側には、排気用の排気孔２５が設けられている。処理容器１２の上部側は開口しており、処理容器１２の上部側において、誘電体窓２１が、処理容器１２の上部側開口を覆うように配置されている。そして、誘電体窓２１と、処理容器１２、具体的には処理容器１２を構成する環状部材２４との間に介在するＯリング３１によって、処理容器１２は、完全に密封される。
【００２０】
側壁２３は、底部２２の外周から連なって上方向に延び、円筒状である下壁部２６と、下壁部２６の上方側に載置するようにして配置される円筒状のジャケット部２７と、ジャケット部２７の上方側に載置するようにして配置される円筒状の上壁部２８とを含む。すなわち、側壁２３は、底部２２側である下方側から順に、下壁部２６、ジャケット部２７、上壁部２８を積み重ねて構成されている。
【００２１】
保持台１４は、円板状の被処理基板Ｗをその上に載置するようにして保持する。保持台１４には、ＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）バイアス用の高周波電源４３がマッチングユニット４４および給電棒４５を介して電気的に接続されている。このバイアス用高周波電源４３は、被処理基板Ｗに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波を後述する所定のパワーで出力する。マッチングユニット４４は、バイアス用高周波電源４３側のインピーダンスと、主に電極、プラズマ、処理容器１２といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容しており、この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。
【００２２】
マイクロ波発生器１５は、中心導体２９ａおよび外周導体２９ｂから構成される同軸導波管１７およびモード変換器３０を介して、マイクロ波を導入する導波管１６の上流側に接続されている。同軸導波管１７を構成し、いずれも円筒状である中心導体２９ａおよび外周導体２９ｂは、径方向の中心を一致させ、中心導体２９ａの外径面と、外周導体２９ｂの内径面との間隔を開けるようにして、図１中の紙面上下方向に延びるようにして配置される。
【００２３】
スロットアンテナ板２０は、薄板状であって、円板状である。スロットアンテナ板２０の板厚方向の両面は、それぞれ平らである。スロットアンテナ板２０には、板厚方向に貫通する複数のスロット１９が複数設けられている。スロット１９は、一方方向に長い第一のスロット１９ａと、第一のスロット１９ａと直交する方向に長い第二のスロット１９ｂとが、隣り合って一対となるように形成されている。具体的には、隣り合う２つのスロット１９ａ、１９ｂが一対となって、略ハ字状となるように配置されて構成されている。すなわち、スロットアンテナ板２０は、一方方向に延びる第一のスロット１９ａおよび一方方向に対して垂直な方向に延びる第二のスロット１９ｂから構成されるスロット対３２を有する構成である。なお、スロット対３２の一例については、図２中の点線で示す領域で図示している。スロットアンテナ板２０の径方向の中央には、貫通孔３３が設けられている。スロットアンテナ板２０は、径方向の中心を基準とした回転対称性を有する。
【００２４】
誘電体窓２１は、略円板状であって、所定の板厚を有する。誘電体窓２１は、たとえば石英やアルミナ等といった誘電体から構成されている。誘電体窓２１は、下側を処理容器１２の環状部材２４の上に載せるようにして取り付けられる。誘電体窓２１の径方向の中央には、板厚方向、すなわち、図１中の紙面上下方向に貫通する貫通孔３４が設けられている。貫通孔３４は、上側領域の径が下側領域の径よりも大きくなるように形成されている。誘電体窓２１のうち、プラズマ処理装置１１に備えられた際にプラズマを生成する側となる下面３５の径方向外側領域には、環状に連なり、誘電体窓２１の板厚方向内方側、ここでは、図１における紙面上方向に向かってテーパ状に凹む誘電体窓凹部３６が設けられている。
【００２５】
処理容器１２内には、ガス供給機構１３によりプラズマ処理用のプロセスガスが供給される。プラズマ処理装置１１においては、制御部により、処理容器１２の温度が、処理に適した温度に設定される。マイクロ波発生器１５により発生させたマイクロ波は、同軸導波管１７を通って、誘電体板１８に伝播され、スロットアンテナ板２０に設けられた複数のスロット１９から誘電体窓２１に放射される。誘電体窓２１を透過したマイクロ波は、誘電体窓２１の直下に電界を生じさせ、処理容器１２内にプラズマを生成させる。誘電体窓２１の直下で生成されたプラズマは、誘電体窓２１から離れる方向、すなわち、保持台１４に向かう方向に拡散していく。そして、拡散したプラズマによって、保持台１４に載置された被処理基板Ｗを含む領域に、プラズマ拡散領域が、形成される。被処理基板Ｗに対してプラズマエッチング等のプラズマ処理を行う。プラズマ処理装置１１において処理に供されるマイクロ波プラズマは、比較的に低電子温度のプラズマを生成することができるため、被処理基板Ｗへのプラズマダメージを低減させることができる。また、上記した構成のスロットアンテナ板２０および誘電体板１８を含む構成を、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ：Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎａ）と呼称する。
【００２６】
次に、処理容器１２内にプラズマ処理用のプロセスガスを供給するガス供給機構１３の構成について説明する。ガス供給機構１３は、処理容器１２内の中央に配置され、被処理基板Ｗの中央領域に向かってプロセスガスを供給するガス供給口３７を有するセンターガス供給部材としてのインジェクター３８と、上記の中央領域とは異なる周縁領域から径方向内側に向けてプロセスガスを噴出させて、被処理基板Ｗにプロセスガスを供給するガス供給口３９を有するアウターガス供給部材４０とを含む。
【００２７】
センターガス供給部材は、同軸導波管１７を構成する中空状の中心導体２９ａの中空部分を、ガスの供給路としている。インジェクター３８は、誘電体窓２１の内方側に配置されている。具体的には、誘電体窓２１に設けられた貫通孔３４のうち、径の小さな下側領域は、インジェクター３８におけるガス供給口３７となり、径の大きな上側領域は、インジェクター３８を載置するようにして受け入れる受け入れ凹部４１となる。
【００２８】
次に、アウターガス供給部材４０の構成について説明する。処理容器１２内において、アウターガス供給部材４０は、被処理基板Ｗの真上領域を避けるようにして、誘電体窓２１と保持台１４との間に配置されている。アウターガス供給部材４０は、円環状であって、中空状である。アウターガス供給部材４０の内径寸法は、被処理基板Ｗの外径寸法よりもやや大きくなるように構成されている。アウターガス供給部材４０の中空部分については、その断面の形状が略矩形状となるように構成されている。アウターガス供給部材４０のガス供給口３９は、円環状のアウターガス供給部材４０のうち、内側の壁面４２を丸穴状に開口するようにして複数設けられている。複数のガス供給口３９は、所定の間隔を空けて、略等配となるように設けられている。
【００２９】
インジェクター３８およびアウターガス供給部材４０はそれぞれ、処理容器１２外から処理容器１２内にプラズマ処理用のプロセスガス等を供給する。ガス供給口３７、３９から供給されるガスのそれぞれの流れ方向については、図１中の矢印Ｆ１およびＦ２で図示している。すなわち、処理容器１２内に供給されるプロセスガスは、インジェクター３８によって被処理基板Ｗの中央領域に供給され、アウターガス供給部材４０によって被処理基板Ｗの周縁領域に供給される。上記の制御部によって、インジェクター３８およびアウターガス供給部材４０から供給されるプロセスガスの種類や流量比を制御することが可能となっている。
【００３０】
次に、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法について、図３〜図８を用いて説明する。図３は、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法のフローチャートを示す。図４は、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられる被処理基板Ｗの概略断面図であり、シリコン基板５１をエッチングするためのハードマスク５７の形成前の状態を示す。図５は、図４に示す被処理基板Ｗにハードマスク５７を形成するためのエッチング処理を行った後の状態を示す概略断面図である。図６は、図５に示す被処理基板Ｗに、この発明の一実施形態に係る酸化膜除去工程を行った後の状態を示す概略断面図である。図７は、図６に示す被処理基板Ｗに、この発明の一実施形態に係る第一工程を行った後の状態を示す概略断面図である。図８は、図７に示す被処理基板Ｗに、この発明の一実施形態に係る第二工程を行って素子分離用トレンチ５９を形成した後の状態を示す概略断面図である。
【００３１】
図３〜図８を参照して、この発明の一実施形態に係る半導体素子の製造方法は、シリコン基板５１に素子分離用トレンチ５９を形成するためのハードマスク５７を形成するハードマスク形成工程と、酸化膜除去工程と、ハードマスク５７をマスクとしてシリコン基板５１をエッチングし、素子分離用トレンチ５９を形成する素子分離用トレンチ形成工程とを備える。
【００３２】
以下、各工程の詳細な内容について、説明する。ハードマスク形成工程においては、まず、シリコン基板５１上において、下層からシリコン酸化膜５２と、シリコン窒化膜５３と、有機誘電体膜５４と、反射防止膜５５とを順次積層してマスキング層６０を形成する（図３（Ａ））。ここで、シリコン基板５１は、３００ｍｍウエハとして説明をする。シリコン窒化膜５３と有機誘電体膜５４とは、シリコン基板５１をエッチングするためのハードマスク５７を構成する薄膜層である。シリコン酸化膜５２は、シリコン基板５１上にシリコン窒化膜５３を効果的に固着させるための薄膜層である。反射防止膜５５は、フォトレジスト５６をパターニングする工程であるフォトリソグラフィーにおけるパターニングの寸法精度の向上等のために被処理基板Ｗに形成される。また、このようにシリコン窒化膜５３および有機誘電体膜５４を含む多層のマスキング層によってハードマスク５７を構成することにより、後述する素子分離用トレンチ形成工程において、ハードマスク５７が早期にエッチングされてしまうことを防ぐことができる。
【００３３】
次に、反射防止膜５５上にフォトレジスト５６を塗布し、フォトリソグラフィーによってパターニングして、マスキング層６０をエッチングするためのフォトレジスト５６を形成する（図３（Ｂ））。そうすると、フォトレジスト５６に開口６３が形成され、被処理基板Ｗは図４に示す状態となる。この開口６３が、後述する方法によって形成される素子分離用トレンチ５９に相当する領域であり、素子分離用トレンチ５９の幅は、開口６３によることとなる。
【００３４】
次に、上記フォトレジスト５６をマスクとしてマスキング層６０をエッチングする（図３（Ｃ））。この工程においては、まず、前述の処理容器１２内に、ハロゲンガス等によって構成されたプロセスガスを供給する。そして、マイクロ波発生器１５によってスロットアンテナ板２０へとマイクロ波を給電し、処理容器１２内にプラズマを生成させる。生成されたプラズマによって、フォトレジスト５６をマスクとして、反射防止膜５５、有機誘電体膜５４、シリコン窒化膜５３の三層の薄膜に対してエッチング処理を行う（三層エッチング：Ｔｒｉｌａｙｅｒ ｅｔｃｈｉｎｇ）。その結果、図５に示すように、有機誘電体膜５４とシリコン窒化膜５３とから構成されるハードマスク５７が、形成される。このように形成されたハードマスク５７は、フォトレジスト５６に対応してパターニングされている。したがって、ハードマスク５７には、フォトレジスト５６に形成された開口６３に相当する開口６４が、形成される。なお、この実施形態においては、図５に示すように、シリコン酸化膜５２が、この工程後もシリコン基板５１上に残留する。
【００３５】
次に、シリコン酸化膜５２をエッチングする酸化膜除去工程について説明する。酸化膜除去工程は、シリコン基板５１をエッチングするメインエッチングの前処理として、開口６４に相当する領域のシリコン酸化膜５２を選択的にエッチングしてシリコン基板５１上から除去する工程である（図３（Ｄ））。
【００３６】
酸化膜除去工程においては、プロセスガスとして、希ガスとしてのＡｒガスと、ハロゲンガスとしてのＣｌ２ガスとを含む混合ガスが、前述のガス供給機構１３から被処理基板Ｗに供給される。このときに、プラズマ処理装置１１に備えられた制御部によって、希ガスの流量およびハロゲンガスの流量を制御してプロセスガスを被処理基板Ｗに供給する。それと同時に、インジェクター３８から被処理基板Ｗの中央領域に供給されるプロセスガスの流量と、アウターガス供給部材４０から被処理基板Ｗの周縁領域に供給されるプロセスガスの流量との比率が、制御部によって制御される。
【００３７】
ここで、ガス供給機構１３から供給されるプロセスガスの総流量に対するインジェクター３８から供給されるプロセスガスの流量の百分率を、ＲＤＣ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）として定義する。例えば、インジェクター３８からプロセスガスの総流量の５％の流量のプロセスガスが供給される場合、ＲＤＣ５のプロセス条件ということになる。
【００３８】
酸化膜除去工程においては、処理容器１２内へ供給されるプロセスガスが、ＲＤＣ５となるように制御されている。すなわち、インジェクター３８から総流量の５％の流量のプロセスガスが供給され、且つ、アウターガス供給部材４０から総流量の９５％の流量のプロセスガスが供給されていることとなる。
【００３９】
このようにプロセス条件を制御し、図５に示す被処理基板Ｗをエッチングすることによって、開口６４に相当する領域のシリコン酸化膜５２が、選択的にエッチングされ、シリコン基板５１上から除去される。そうすると、被処理基板Ｗは、図６に示す状態となる。
【００４０】
次に、素子分離用トレンチ形成工程について説明する。この実施形態に係る素子分離用トレンチ形成工程は、最終的に形成される素子分離用トレンチ５９の深さよりも浅い深さまでシリコン基板５１をエッチングする第一工程（図３（Ｅ））と、第一工程の後に、さらにシリコン基板５１をエッチングして素子分離用トレンチ５９を形成する第二工程（図３（Ｆ））とを有する。まず、素子分離用トレンチ形成工程における第一工程について説明する。
【００４１】
第一工程においては、プロセスガスとして、希ガスとしてのＡｒガスと、ハロゲンガスとしてのＨＢｒガスと、酸化性ガスとしてＯ２ガスとを含む混合ガスが、ガス供給機構１３から被処理基板Ｗへ供給される。また、被処理基板Ｗに供給されるプロセスガスは、ＲＤＣ２０となるように制御される。第一工程において、シリコン基板５１は、供給されるプロセスガスに含まれるＨＢｒガスによって積極的にエッチングされる。そのため、シリコン基板５１は、シリコン基板５１の主表面６８から下方向へ向けて効率的に削り取られていく。その結果、図７に示すようなトレンチ５８が、シリコン基板５１に形成される。この時、生成される反応生成物は、主としてＳｉＢｒＯであると考えられる。
【００４２】
第一工程後に形成されるトレンチ５８は、図７に示すように、トレンチ底面に、主表面６８から最も下方向へ削れた部分である底端部６１を有する形状となる。より具体的に言えば、トレンチ５８においては、トレンチ５８の幅方向両側に位置しトレンチ５８を形成する壁面であるトレンチ壁面６６、６７が、下方へ延在するにつれて互いにトレンチの幅方向中央側へ向けて屈曲して延び、トレンチの底面において底端部６１を形成するように交わっている。この場合、トレンチ５８の深さは、シリコン基板５１の主表面６８から、底端部６１までに亘る深さＤ１となる。第一工程においては、トレンチ５８の深さＤ１が最終的に形成される素子分離用トレンチ５９の７０％〜９０％の深さとなるように、シリコン基板５１へのエッチング処理が行われる。
【００４３】
ここで、第一工程においては、上記のようにＨＢｒガスのみをエッチャントとしてシリコン基板５１をエッチングするため、ハードマスク５７を構成する有機誘電体膜５４が早期にエッチングされてしまうことを防ぎつつ、比較的短時間で効率的に主表面６８から深さＤ１までシリコン基板５１を削ることができる。すなわち、この第一工程によって、後述する第二工程に用いられるハードマスク５７を十分に確保しつつ、最終的な素子分離用トレンチ５９の概形を効率的に形成することができる。したがって、ハードマスク５７を構成するマスキング層６０を、プロセス条件や用途に応じてより薄く形成することも可能となる。
【００４４】
なお、第一工程のエッチング処理においては、被処理基板Ｗの中央領域におけるエッチング速度が、周縁領域よりも相対的に速くなり易い。したがって、第一工程後に形成されたトレンチ５８において、被処理基板Ｗの中央領域に形成されるトレンチ５８の深さＤ１が、周縁領域に形成されたものよりも相対的に深くなる傾向がある。すなわち、第一工程においては、シリコン基板５１に対するエッチング処理が、センターファーストとなる傾向がある。
【００４５】
また、第一工程後に形成されたトレンチ５８においては、図７に示すように、トレンチ５８の底端部６１が尖った形状となる。このようにトレンチ５８に底端部６１が形成される理由について、以下に考察する。プラズマエッチングによってトレンチを形成していく過程において、形成されたトレンチの深さＤ１が深くなっていくと、トレンチの底面に到達するイオンが、底面における幅方向の中央領域に集中し易くなる。すなわち、トレンチの深さＤ１が深くなると、トレンチ底面の中央領域のエッチング速度が、トレンチ壁面６６、６７側の領域よりも高まってしまうこととなる。これにより、上記の構成のプロセスガスを用いてシリコン基板５１をエッチングした場合、図７に示すように、トレンチの底面の中央領域がより積極的に削られることとなる。その結果、トレンチの底面の形状が、トレンチ側壁６６、６７から中央部に向けて下方へと落ち込み、中央部において底端部６１を形成する形状となってしまうものと考えられる。
【００４６】
第一工程後に形成されたトレンチ５８の形状を修正しつつ最終的な素子分離用トレンチ５９を形成するために、この実施形態に係る製造方法においては、第一工程の後に以下に説明する第二工程が導入される。次に、この発明の一実施形態に係る第二工程について説明する。
【００４７】
第二工程においては、プロセスガスとして、希ガスとしてのＡｒガスと、ハロゲンガスとしてのＨＢｒガスと、酸化性ガスとしてのＯ２ガスと、堆積性ガスとしてＣＦ４ガスとを含む混合ガスが、ガス供給機構１３から処理容器１２内へと供給される。そして、シリコン基板５１に対してさらにエッチング処理を行い、図８に示す素子分離用トレンチ５９を形成する。
【００４８】
ここで、第二工程においては、Ａｒガスの流量が６００〜１０００ｓｃｃｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）となるように制御され、Ｏ２ガスの流量が１５〜２０ｃｃｍの範囲内となるように制御され、ＣＦ４ガスの流量が１５〜３０ｃｃｍの範囲内となるように制御される。さらに、処理容器１２内へと供給されるプロセスガスは、ＲＤＣ５〜４０の範囲内となるように制御される。さらに好ましくは、ＲＤＣ１５〜２５の範囲内となるように制御される。
【００４９】
第二工程においてＣＦ４ガスを含むプロセスガスを用い、且つプロセスガスの流量を上記のように制御することによって、図８に示すように、丸みのある滑らかな底面６２を有する素子分離用トレンチ５９が、形成される。より具体的に言えば、素子分離用トレンチ５９の幅方向両側に位置するトレンチ壁面６６、６７が、下方へと延在するにつれて滑らかな曲面を形成するようにトレンチの幅方向中央に向けて屈曲し、緩やかな丸みを帯びたトレンチ底面６２を形成するように、トレンチ底部において互いに滑らかに交わっている。素子分離用トレンチ５９の深さは、シリコン基板５１の主表面６８から、底面６２の下端部までに亘る深さＤ２となる。また、第二工程後に形成される素子分離用トレンチ５９の深さＤ２は、後述するように、被処理基板Ｗの中央領域および周縁領域においてほぼ均一となる。
【００５０】
このように、素子分離用トレンチ形成工程を、上記の第一工程および第二工程の二つの工程から構成することによって、被処理基板Ｗの面内均一性を向上させることができるとともに、丸みのある滑らかなトレンチ底面６２を有する素子分離用トレンチ５９を形成することができる。
【００５１】
これについては、以下のようなメカニズムで上記した効果を奏していると考えられる。以下に図７〜図９を用いて考察する。図９は、第二工程を行っている途中の状態の被処理基板Ｗを概略的に示す図であり、図７中の領域ＩＸを拡大した拡大図である。
【００５２】
第二工程において、上記のプロセス条件により図７に示す被処理基板Ｗをエッチングすると、第一工程と同様に、主にＨＢｒがエッチャントとしてシリコン基板５１と反応する。その結果、シリコンは、主として反応生成物であるＳｉＢｒＯとして放出され、徐々に削り取られていく。一方、堆積性ガス（デポ系ガス）であるＣＦ４に関しては、その一部が、エッチングの過程においてＣＦｘといったフロロカーボンポリマーを生成する。このように生じたフロロカーボンポリマーは、付着性が強く揮発しにくい性質を持つため、トレンチの壁面に付着して堆積していく。つまり、ＣＦ４は、シリコン基板５１と反応してＳｉＢｒＯを放出させるＨＢｒとは異なり、堆積性のフロロカーボンポリマーを生成する。この結果、図９に示すように、第二工程の過程において、堆積物６５が、トレンチの底面６９およびトレンチ壁面６６，６７に堆積していく。この堆積物６５は、シリコン基板５１をエッチングから保護する働きをする。すなわち、堆積物６５は、シリコン基板５１のエッチング速度を下げる保護膜として機能する。
【００５３】
このように、第二工程においては、シリコン基板５１をエッチングすると同時に、シリコン基板５１のエッチング速度を下げる保護膜を生成させてトレンチの底面６９およびトレンチ壁面６６，６７に堆積させる。このように生成された保護膜は、被処理基板Ｗの中央領域および周縁領域に形成された素子分離用トレンチ５９内に同様に堆積していく。
【００５４】
ここで、Ａｒガスの流量は、６００〜１０００ｓｃｃｍ程度の範囲内に制御されることが好ましい。Ａｒガスの流量をこのように制御することによって、フロロカーボンポリマーを、被処理基板上から効果的に排気することができるためである。
【００５５】
また、好ましくは、第二工程において、第一工程よりもＯ２ガスの供給量を増加させる。そうすると、トレンチ壁面６６，６７の表面が改質され、表面に酸化膜が形成されることとなる。このように形成された酸化膜は、エッチング保護膜として機能するため、トレンチ壁面６６，６７が横方向に過剰にエッチングされることを抑制することができる。
【００５６】
また、フロロカーボンポリマーは、被処理基板Ｗの中央領域に堆積しやすい傾向があることから、ＲＤＣによる制御性を考慮すると、ＣＦ４ガスは、１５〜３０ｓｃｃｍの範囲内で供給することが好ましい。
【００５７】
ここで、第二工程において、堆積性のフロロカーボンポリマーを生成するＣＦ４ガスの流量と、処理容器１２内へと供給されるプロセスガスのＲＤＣとを変化させると、中央領域および周縁領域のエッチング速度、すなわち形成される素子分離用トレンチの深さを変化させることができる。そして、これらのプロセス条件を最適化すると、シリコン基板５１の中央領域と周縁領域との間におけるエッチング速度の差を相対的に小さくすることができる。すなわち、第二工程のプロセス条件を制御することによって、被処理基板Ｗの中央領域および周縁領域に形成される素子分離用トレンチの深さＤ２のバランスを調整することが可能となる。したがって、エッチング処理によるセンターファーストの傾向を抑制して、面内均一性を向上させることができる。
【００５８】
また、トレンチの底面６９に保護膜が生成されることによって、底面６９の中央領域のエッチング速度と、底面６９におけるトレンチ壁面６６，６７側の領域のエッチング速度との差が、相対的に小さくなる。したがって、図７に示すようにトレンチ中央部が積極的に削られることを防ぐことができるため、図８に示すような丸みのある滑らかな底面６２を有する素子分離用トレンチ５９が、形成されることとなる。
【００５９】
すなわち、第二工程は、第一工程後に形成されたトレンチ５８におけるセンターファーストの傾向および底端部の尖りを修正するようにシリコン基板５１をエッチングし、最終的な素子分離用トレンチ５９に仕上げるための工程である。この製造工程によれば、最終的に被処理基板Ｗにおける面内均一性を向上させることが可能となるとともに、丸みのある滑らかな底面６２を有する素子分離用トレンチ５９を形成することができる。
【００６０】
次に、以下の表１〜表３に示す具体的なプロセス条件により素子分離用トレンチを形成した実験結果について説明する。この実験は、以下の表に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣ（表中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３）をそれぞれ変化させて素子分離用トレンチを形成した実験である。まず、表１に示すプロセス条件により素子分離用トレンチを形成した実験結果について説明する。
【００６１】
【表１】
【００６２】
表１に示すプロセス条件によって第一工程を行った結果、被処理基板の中央領域に、１９７ｎｍの深さを有するトレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、１９０ｎｍの深さを有するトレンチが、形成された。すなわち、第一工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、７ｎｍとなっている。
【００６３】
ここで、上記第一工程後に、表１に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ１＝４０に制御して素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２８０ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２５６ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、２４ｎｍとなった。
【００６４】
これに対し、上記第一工程後に、表１に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ１＝２０に制御して素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２６２ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２６０ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、２ｎｍとなった。
【００６５】
これらの実験から得られた結果より、表１に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣを変化させると、被処理基板の中央領域および周縁領域に形成される素子分離用トレンチの深さのバランスが変化し、且つ、表１のプロセス条件においてＲＤＣ２０とするようにプロセス条件を最適化することによって、被処理基板の中央領域と周縁領域との差を小さくさせることが可能となることが明らかとなった。すなわち、この製造工程によれば、プロセス条件を最適化することによって、被処理基板の面内均一性を向上させることができることが実証された。
【００６６】
次に、表１に示すプロセス条件により形成された素子分離用トレンチの形状について、図１０〜図１３を用いて説明する。図１０は、表１に示すプロセス条件による第一工程の後に被処理基板の中央領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。図１１は、図１０に示す被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。図１２は、図１０に示す被処理基板に、表１に示すプロセス条件においてＲ１＝２０として第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１０に相当するトレンチを示している。図１３は、図１１に示す被処理基板に、表１に示すプロセス条件においてＲ１＝２０として第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１１に相当するトレンチを示している。なお、図中の白点線７１は、シリコン基板の表面、すなわち、シリコン基板とシリコン基板上に積層されたシリコン酸化膜との境界線を示している。また、図１２および図１３中の異物７０は、処理後の残留物であり、この工程の処理に何ら影響を及ぼすものではない。
【００６７】
図１０〜図１３を参照して、表１に示すプロセス条件による第一工程後に形成されたトレンチの形状を見ると、被処理基板の中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの双方において、底端部が尖った形状となっていることがわかる。
【００６８】
これに対して、表１に示すプロセス条件において、Ｒ１＝２０として第二工程を行った後に形成されたトレンチの形状を見ると、図１２および図１３から明らかなように、第一工程後のトレンチに形成されていた底端部が丸みを帯びた形となり、滑らかな底面を有する形状となっている。
【００６９】
この実験から得られた上記の結果より、この製造工程によれば、プロセス条件を最適化することによって、丸みのある滑らかな底面を有する素子分離用トレンチを形成することができることが実証された。なお、表１に示すプロセス条件において、Ｒ１＝４０として素子分離用トレンチを形成したときの形状に関しても、ほぼ同様の結果であったため、詳細な説明は省略する。
【００７０】
次に、表２に示すプロセス条件により素子分離用トレンチを形成した実験結果について説明する。
【００７１】
【表２】
【００７２】
表２に示すプロセス条件によって第一工程を行った後に被処理基板の中央領域に形成されたトレンチの深さは、１８４ｎｍであった。また、被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチの深さは、１６８ｎｍであった。すなわち、第一工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、１６ｎｍとなっている。
【００７３】
ここで、上記第一工程後に、表２に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ２＝２０として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２５０ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２３３ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、１７ｎｍとなった。
【００７４】
これに対し、上記第一工程後に、表２に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ２＝５として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２４５ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２３７ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、８ｎｍとなった。
【００７５】
これらの実験から得られた結果より、表２に示すプロセス条件においてＲＤＣを変化させると、被処理基板の中央領域および周縁領域に形成される素子分離用トレンチの深さのバランスが変化し、且つ、表２のプロセス条件においてＲＤＣ５とするようにプロセス条件を最適化することによって、被処理基板の中央領域と周縁領域との差を小さくさせることが可能となることが明らかとなった。すなわち、この製造工程によれば、プロセス条件を最適化することによって、被処理基板の面内均一性を向上させることができることが実証された。
【００７６】
次に、表２に示すプロセス条件により形成された素子分離用トレンチの形状について、図１４〜図１７を用いて説明する。図１４は、表２に示すプロセス条件による第一工程の後に被処理基板の中央領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。図１５は、図１４に示す被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。図１６は、図１４に示す被処理基板に、表２に示すプロセス条件においてＲ２＝５として第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１４に相当するトレンチを示している。図１７は、図１５に示す被処理基板に、表２に示すプロセス条件においてＲ２＝５として第二工程を行った後に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真であり、図１５に相当するトレンチを示している。
【００７７】
図１４〜図１７を参照して、表２に示すプロセス条件による第一工程後に形成されたトレンチの形状を見ると、被処理基板の中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの双方において、底端部が尖った形状となっていることがわかる。
【００７８】
これに対して、表２に示すプロセス条件において、Ｒ２＝５として第二工程を行った後に形成されたトレンチの形状を見ると、図１６および図１７から明らかなように、第一工程後のトレンチに形成されていた底端部が丸みを帯びた形となり、滑らかな底面を有する形状となっている。
【００７９】
この実験から得られた上記の結果より、このような製造工程によれば、プロセス条件を最適化することによって、丸みのある滑らかな底面を有する素子分離用トレンチを形成することができることが実証された。なお、表２に示すプロセス条件において、Ｒ２＝２０として素子分離用トレンチを形成したときの形状に関しても、ほぼ同様の結果であったため、詳細な説明は省略する。
【００８０】
次に、上記の実験に対する比較対象として実施された以下の実験について説明する。この実験は、第二工程において、堆積性ガスであるＣＦ４ガスを用いる代わりに、堆積性ガスではないＣｌ２ガスを用い、以下の表３に示すプロセス条件により素子分離用トレンチを形成した実験である。また、この実験においては、表３に示す第二工程のＲＤＣを、Ｒ３＝５、１０、２０、４０と変化させて素子分離用トレンチの形成を行った。
【００８１】
【表３】
【００８２】
表３に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ３＝５として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２３７ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２０６ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、３１ｎｍとなった。
【００８３】
また、表３に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ３＝１０として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２３１ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２０７ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、２４ｎｍとなった。
【００８４】
また、表３に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ３＝２０として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２２４ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２００ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、２４ｎｍとなった。
【００８５】
また、表３に示すプロセス条件において、第二工程のＲＤＣをＲ３＝４０として素子分離用トレンチを形成した結果、被処理基板の中央領域に、２３４ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。また、被処理基板の周縁領域には、２０９ｎｍの深さを有する素子分離用トレンチが、形成された。すなわち、第二工程後においては、被処理基板中央領域および周縁領域に形成されたトレンチの深さの差は、２５ｎｍとなった。
【００８６】
これらの結果より、上記した表１に示すプロセス条件且つ第二工程においてＲＤＣ２０として素子分離用トレンチを形成した結果（中央領域と周縁領域のトレンチの深さの差：２ｎｍ）、および表２に示すプロセス条件且つ第二工程においてＲＤＣ５として素子分離用トレンチを形成した結果（中央領域と周縁領域のトレンチの深さの差：８ｎｍ）と比較すると、表３に示すプロセス条件においては、エッチング処理がよりセンターファーストとなっていることが明らかである。
【００８７】
さらに、表３に示すプロセス条件において、第二工程におけるＲＤＣをＲ３＝５〜４０まで変化させて素子分離用トレンチを形成したが、被処理基板中央領域および周縁領域におけるトレンチの深さの差を小さくすることができなかった。すなわち、表３に示すプロセス条件においては、第二工程におけるＲＤＣを制御しても、被処理基板中央領域および周縁領域におけるトレンチの深さのバランスを調整することが不可能であり、面内均一性を向上させることができないことが明らかとなった。
【００８８】
表３に示すプロセス条件により形成された素子分離用トレンチの形状について、図１８〜図１９を用いて簡単に説明する。図１８は、表３に示すプロセス条件においてＲ３＝５として第二工程を行った後に、被処理基板の中央領域に形成された素子分離用トレンチを電子顕微鏡によって撮影した写真である。図１９は、図１８に示す被処理基板の周縁領域に形成された素子分離用トレンチの顕微鏡写真である。
【００８９】
図１８〜図１９を参照して、表３に示すプロセス条件による第一工程後に形成されたトレンチの形状を見ると、被処理基板の周縁領域に形成されたトレンチに関しては、図１９に示すように、尖った底端部は形成されなかったが、図１８に示すように、被処理基板の中央領域に形成されたトレンチにおいて、尖った底端部が形成されていることがわかる。
【００９０】
比較検証のために実施された上記の実験から得られた結果より、被処理基板における面内均一性を向上させ、且つ丸みのある滑らかな底面を有する素子分離用トレンチを形成するために、第二工程においてＣＦ４ガスのような堆積性ガスを含むプロセスガスを用い、且つ、上記のようにプロセス条件を最適化することが必要であることが実証された。
【００９１】
なお、上記の実施形態においては、希ガスとしてＡｒガス、ハロゲンガスとしてＣｌ２ガスやＨＢｒガス、酸化性ガスとしてＯ２ガス、堆積性ガスとしてＣＦ４ガスを用いている。これにより、この実施形態に係る半導体素子の製造方法に用いられるプロセスガスを、比較的に安価であり、且つ取り扱いが容易なこれらの汎用ガスによって構成することが可能となるため、製造コストを抑えることができる。
【００９２】
また、上記の実施形態においては、図１に示すように、アウターガス供給部材４０によって矢印Ｆ２の方向、すなわち、アウターガス供給部材４０から中心に向けて略水平方向にプロセスガスを噴出させて、被処理基板Ｗの周縁領域にプロセスガスを供給する場合について述べたが、これに限らず、矢印Ｆ２の方向が被処理基板に向けて傾斜するように、アウターガス供給部材４０が構成されてもよい。また、アウターガス供給部材４０を用いることなく、処理容器１２の側壁２３にプロセスガスの供給口を設け、側壁２３から被処理基板Ｗに向けてプロセスガスを供給する構成であってもよい。
【００９３】
また、上記の実施形態においては、プロセスガスに含まれる希ガスとしてＡｒガスを用いた場合について述べたが、これに限らず、Ｈｅ等のその他の希ガスを用いてもよい。
【００９４】
また、上記の実施形態においては、第二工程で用いられるプロセスガスに加える堆積性ガスとしてＣＦ４ガスを用いた場合について述べたが、これに限らず、Ｃｘ１Ｆｙ１（ｘ１、ｙ１は、いずれも正の整数）で表される如何なるフロロカーボン系ガスが用いられてもよい。すなわち、堆積性ガスとして、炭素およびフッ素を含む如何なるガスを適用してもよい。また、この他に、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ等のＣＨｘ２Ｆｙ２（ｘ２、ｙ２は、いずれも正の整数）で表されるハロメタン系ガスが、用いられてもよい。
【００９５】
また、上記の実施形態においては、第一工程および第二工程においてハロゲンガスとしてＨＢｒガスを含むプロセスガスを用いた場合について述べたが、これに限らず、Ｃｌ２ガス等のその他のハロゲンガスを含むプロセスガスを用いてもよい。
【００９６】
また、上記の実施形態においては、シリコン基板をエッチングするためのハードマスクが、シリコン酸化膜と、シリコン窒化膜と、有機誘電体膜と、反射防止膜とを含む多層のマスキング層によって構成された場合について述べたが、これに限らず、ハードマスクが、シリコン基板上に下層からシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを順次積層して形成したマスキング層によって構成されてもよいし、上記した用途に適する材料であればその他の如何なる材料によって構成されてもよい。
【００９７】
また、上記の実施形態においては、ＲＬＳＡを採用することとしたが、これに限らず、マイクロ波をプラズマ源とする種々のマイクロ波プラズマ処理装置に適用することもできる。なお、上記の実施の形態においては、マイクロ波をプラズマ源とするマイクロ波プラズマ処理装置の場合について説明したが、これに限らず、用いるプラズマを平行平板型プラズマ、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ等としてもよい。
【００９８】
以上、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１１ プラズマ処理装置、１２ 処理容器、１３ ガス供給機構、１４ 保持台、１５ マイクロ波発生器、１６ 導波管、１７ 同軸導波管、１８ 誘電体板、１９，１９ａ，１９ｂ スロット、２０ スロットアンテナ板、２１ 誘電体窓、２２ 底部、２３ 側壁、２４ 環状部材、２５ 排気孔、２６ 下壁部、２７ ジャケット部、２８ 上壁部、２９ａ 中心導体、２９ｂ 外周導体、３０ モード変換器、３１ Ｏリング、３２ スロット対、３３，３４ 貫通孔、３５ 下面、３６ 誘電体窓凹部、３７，３９ ガス供給口、３８ インジェクター、４０ アウターガス供給部材、４１ 受け入れ凹部、４２ 壁面、４３ バイアス用高周波電源、４４ マッチングユニット、４５ 給電棒、５１，１０１ シリコン基板、５２ シリコン酸化膜、５３ シリコン窒化膜、５４ 有機誘電体膜、５５ 反射防止膜、５６ フォトレジスト、５７，１０２ ハードマスク、５８ トレンチ、５９，１０３ 素子分離用トレンチ、６０ マスキング層、６１，１０４ 底端部、６２，６９ 底面、６３，６４ 開口、６５ 堆積物。６６，６７，１０５，１０６ トレンチ壁面、６８，１０８ 主表面、７０ 異物、７１ 点線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理によりシリコン基板に所定の深さを有する素子分離用トレンチが形成された半導体素子の製造方法であって、
前記シリコン基板に前記素子分離用トレンチを形成するためのパターニングが施されたハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして前記シリコン基板をエッチングし、前記素子分離用トレンチを形成する工程と、を備え、
前記素子分離用トレンチを形成する工程は、希ガス、ハロゲンガス、および酸化性ガスを含むプロセスガスを前記シリコン基板に供給し、前記所定の深さよりも浅い深さまで前記シリコン基板をエッチングする第一工程と、
前記第一工程の後に、希ガス、ハロゲンガス、酸化性ガス、および堆積性ガスを含むプロセスガスを、前記シリコン基板の中央領域および周縁領域にそれぞれ流量を制御して供給し、前記所定の深さまで前記シリコン基板をエッチングして前記素子分離用トレンチを形成する第二工程と、を有する、半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記堆積性ガスは、炭素およびフッ素を含む、請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記堆積性ガスは、ＣＦ４ガスを含む、請求項２に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記希ガスは、Ａｒガスを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記ハロゲンガスは、ＨＢｒガスを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記酸化性ガスは、Ｏ２ガスを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記プラズマ処理におけるプラズマは、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）により生成される、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記ハードマスクを形成する工程は、シリコン基板上に下層からシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、有機誘電体膜、反射防止膜を順次積層し、前記シリコン基板上にマスキング層を形成する工程と、
前記マスキング層上にフォトレジストを形成する工程と、
前記フォトレジストをマスクとして前記マスキング層をエッチングする工程と、を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１】
プラズマ処理によりシリコン基板に所定の深さを有する素子分離用トレンチが形成された半導体素子の製造方法であって、
前記シリコン基板に前記素子分離用トレンチを形成するためのパターニングが施されたハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして前記シリコン基板をエッチングし、前記素子分離用トレンチを形成する工程と、を備え、
前記素子分離用トレンチを形成する工程は、希ガス、ハロゲンガス、および酸化性ガスを含むプロセスガスを前記シリコン基板に供給し、前記所定の深さよりも浅い深さまで前記シリコン基板をエッチングする第一工程と、
前記第一工程の後に、希ガス、ハロゲンガス、酸化性ガス、および堆積性ガスを含むプロセスガスを、前記シリコン基板の中央領域および周縁領域にそれぞれ流量を制御して供給し、前記所定の深さまで前記シリコン基板をエッチングして前記素子分離用トレンチを形成する第二工程と、を有する、半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記堆積性ガスは、炭素およびフッ素を含む、請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記堆積性ガスは、ＣＦ４ガスを含む、請求項２に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記希ガスは、Ａｒガスを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記ハロゲンガスは、ＨＢｒガスを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記酸化性ガスは、Ｏ２ガスを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記プラズマ処理におけるプラズマは、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）により生成される、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記ハードマスクを形成する工程は、シリコン基板上に下層からシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、有機誘電体膜、反射防止膜を順次積層し、前記シリコン基板上にマスキング層を形成する工程と、
前記マスキング層上にフォトレジストを形成する工程と、
前記フォトレジストをマスクとして前記マスキング層をエッチングする工程と、を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２０】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２０】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１２−１７４８５４（Ｐ２０１２−１７４８５４Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３４６２３（Ｐ２０１１−３４６２３）
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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