JP2010103358A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】開口幅の異なる複数のトレンチ３を有する半導体装置の製造方法において、従来の半導体装置の製造方法より各トレンチ３で半導体基板１表面に対する側壁角度のばらつきを抑制する。
【解決手段】半導体基板１に対して、マスク２の形状に対応した開口幅の異なる複数のトレンチ３を形成するトレンチ形成工程を行う。そして、複数のトレンチ３の内壁に、ポリマー膜４より反応性イオンエッチングに対する耐性が強い保護膜５を形成する工程と、ポリマー膜４を成膜するポリマー膜成膜工程とを有するトレンチ保護膜形成工程を行う。そして、トレンチ形成工程と、トレンチ保護膜形成工程とを交互に繰り返すことによりトレンチを深くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、開口幅の異なる複数のトレンチを備えた半導体装置の製造方法に関する。

従来より、半導体基板に対してトレンチを形成し、このトレンチを用いて半導体装置を製造することが知られている。例えば、本発明者らが先に出願した特許文献１には次のようなトレンチ形成方法を用いた半導体装置の製造方法が開示されている。

まず、Ｓｉを主成分とする半導体基板に対して、ＳＦ_６プラズマによりエッチングをして所定の深さを有するトレンチを形成するトレンチエッチング工程と、形成されたトレンチの内壁にＣ_４Ｆ_８プラズマによりポリマー膜を成膜するポリマー膜成膜工程とを行う。そして、トレンチエッチング工程とポリマー膜成膜工程とを複数回繰り返して行った後、形成されたトレンチに対してＯ_２プラズマを照射することにより、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酸化膜を形成する工程を行う。その後、トレンチの底部に形成された酸化膜をエッチングしてトレンチの底部を露出させ、トレンチの底部に対して再びエッチングを行うトレンチ底部エッチング工程を行う。続いて、形成されたトレンチに対してポリマー膜成膜工程を行うと共にトレンチエッチング工程を行うことによりトレンチを深くする。その後、必要に応じて、トレンチエッチング工程およびポリマー膜成膜工程を繰り返し行う工程と、Ｏ_２プラズマによりトレンチの内壁に酸化膜を形成する工程と、トレンチ底部エッチング工程とを順番に繰り返し行うことによりトレンチを所望の深さにする。その後、半導体基板に対して所望の半導体製造プロセスを行うことにより、半導体装置を製造する。

このようなトレンチの形成方法では、トレンチの側壁をポリマー膜と酸化膜とで覆うことにより横方向エッチングに対する耐性を強くすることができる。そして、トレンチの開口幅の大きさに合わせてポリマー膜の膜厚を調整することによりトレンチが幅広になることを抑制することができる。
特開２０００−２９９３１０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の半導体装置の製造方法では、開口幅の異なるトレンチを同時に形成するときにはトレンチ毎に酸化膜の膜厚を設定することができないため、各トレンチにおいて半導体基板表面に対するトレンチの側壁角度にばらつきが生じてしまうという問題がある。

図３は、本発明者らが、上記特許文献１のトレンチ形成方法を適用して半導体基板に開口幅の異なる複数のトレンチを同時に形成したときの実験結果を示す図である。図３に示されるように、半導体基板表面に対するトレンチの側壁角度は開口幅に依存しており、開口幅が大きくなるにつれてトレンチの側壁角度が９０度から大きくなっていくことを確認することができる。

これは、次のような理由によるものである。上記特許文献１のトレンチ形成方法では、トレンチの内壁にＯ_２プラズマにより酸化膜を形成している。Ｏ_２プラズマにより形成される酸化膜はトレンチの内壁における表面層のみを酸化させて形成される酸化膜であるため、トレンチの開口幅の大小に関わらず酸化膜の膜厚が一定となる。また、Ｏ_２プラズマにより形成される酸化膜は、トレンチが深い部分の壁面ほどＯ_２プラズマが到達しにくくなるため酸化膜の膜厚が薄くなる。

一方、ＳＦ_６プラズマによるエッチングでは、エッチングレートに影響するＦラジカルがトレンチの開口幅に依存してトレンチ内に導入され、開口幅が小さいトレンチより開口幅が大きいトレンチではＦラジカルが導入される量が増えるためエッチングレートが高くなる。すると、開口幅が大きいトレンチほど半導体基板の深さ（厚さ）方向だけでなく横方向に対するエッチングも強くなる。

このため、酸化膜が露出した状態で行われるトレンチ底部エッチング工程では、開口幅が大きいトレンチほど、横方向エッチングが強くなり、トレンチの側壁に形成された酸化膜の一部が除去されて酸化膜の厚さが薄くなる。そして、トレンチ底部エッチング工程の後に行われるポリマー膜成膜工程では、開口幅が大きいトレンチほど酸化膜の膜厚が薄くなった状態でトレンチの内壁にポリマー膜を成膜することになる。また、このポリマー膜成膜工程の後に行われるトレンチエッチング工程でも、開口幅が大きいトレンチほど、横方向エッチングが強くなるので、トレンチの側壁に成膜されたポリマー膜がエッチングを行う際に除去されやすくなる。すると、トレンチエッチング工程を行っている際にトレンチの側壁に形成されたポリマー膜が完全に除去された場合には、酸化膜の一部が再び除去されることになり、酸化膜の膜厚がさらに薄くなる。

したがって、トレンチの深さを所望の深さにするためにトレンチエッチング工程とポリマー膜成膜工程とを繰り返し行っている間に、開口幅の大きいトレンチほどトレンチの内壁に形成された酸化膜が完全に除去されやすくなる。また、その傾向はトレンチの底部に近い側壁ほど強くなるため、トレンチの底部に近いほど横方向エッチング量が増える。その結果、トレンチの底部に近いほどトレンチ幅が広がり、側壁角度が９０度よりも大きくなる。つまり、トレンチ毎に半導体基板表面に対する側壁角度がばらつくことになる。

本発明は上記点に鑑みて、開口幅の異なる複数のトレンチを有する半導体装置の製造方法において、従来の半導体装置の製造方法より各トレンチで半導体基板表面に対する側壁角度のばらつきを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、マスク（２）を用いて半導体基板（１）を反応性イオンエッチングするトレンチエッチング工程と、半導体基板（１）のうち反応性イオンエッチングした部分の内壁にポリマー膜（４）を成膜する第１ポリマー膜成膜工程と、を複数回繰り返すことにより、マスク（２）の形状に対応した開口幅の異なる複数のトレンチ（３）を形成するトレンチ形成工程と、複数のトレンチ（３）の内壁にポリマー膜（４）より反応性イオンエッチングに対する耐性が強い保護膜（５）を形成する工程と、複数のトレンチ（３）の内壁に、保護膜（５）を形成した後に、保護膜（５）を介してポリマー膜（４）を成膜する第２ポリマー膜成膜工程と、を有するトレンチ保護膜形成工程と、を含み、トレンチ形成工程と、トレンチ保護膜形成工程と、を交互に繰り返すことによりトレンチ（３）を深くすることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明では、マスク（２）を用いて半導体基板（１）を反応性イオンエッチングするトレンチエッチング工程と、半導体基板（１）のうち反応性イオンエッチングした部分の内壁にポリマー膜（４）を成膜する第１ポリマー膜成膜工程と、を複数回繰り返すことにより、マスク（２）の形状に対応した開口幅の異なる複数のトレンチ（３）を形成するトレンチ形成工程と、複数のトレンチ（３）の内壁にポリマー膜（４）より反応性イオンエッチングに対する耐性が強い保護膜（５）を形成する工程と、複数のトレンチ（３）の内壁に、保護膜（５）を形成した後に、保護膜（５）を介してポリマー膜（４）を成膜する第２ポリマー膜成膜工程と、を有するトレンチ保護膜形成工程と、トレンチ（３）の内壁を保護膜（５）およびポリマー膜（４）により覆った状態で、トレンチエッチング工程を行うことによりトレンチ（３）の底部を露出させるトレンチ底部エッチング工程と、を含み、トレンチ形成工程と、トレンチ保護膜形成工程と、トレンチ底部エッチング工程と、を順番に繰り返すことによりトレンチ（３）を深くすることを特徴としている。

請求項１に記載の半導体装置の製造方法では、トレンチ（３）の内壁が保護膜（５）およびポリマー膜（４）により覆われた状態でトレンチ形成工程を行うことにより、トレンチ（３）の底部を露出させている。また、請求項２に記載の半導体装置の製造方法では、トレンチ（３）の内壁が保護膜（５）およびポリマー膜（４）により覆われた状態でトレンチ底部エッチング工程を行うことによりトレンチ（３）の底部を露出させている。

このとき、開口幅が大きいトレンチ（３）ほど横方向エッチングが強くなるが、トレンチ（３）の内壁には保護膜（５）およびポリマー膜（４）が配置されているのでポリマー膜（４）から除去されることになる。つまり、保護膜（５）をポリマー膜（４）で保護しながらトレンチ（３）の底部を露出させているので、トレンチ（３）に保護膜として酸化膜のみを配置している状態でトレンチ底部エッチング工程を行ってトレンチ（３）の底部を露出させる従来の半導体装置の製造方法より保護膜（５）の一部が除去されることを抑制することができる。また、請求項１に記載の半導体装置の製造方法のように、トレンチ形成工程により、トレンチ（３）の底部を露出させる場合には、トレンチ（３）の底部に配置された保護膜（５）およびポリマー膜（４）を除去する間にもトレンチ（３）の側壁にポリマー膜（４）を成膜しているので、保護膜（５）の一部が除去されることをさらに抑制することができる。

したがって、トレンチ（３）の底部を露出させた後のトレンチ形成工程では、従来の半導体装置の製造方法より保護膜（５）の膜厚が厚い状態でトレンチ（３）の内壁に保護膜（５）を介してポリマー膜（４）を成膜することができる。

また、ポリマー膜（４）は堆積膜であり、開口幅の大きいトレンチ（３）ほど多くの堆積種がトレンチ（３）の内部に進入してより厚い膜を形成する。このため、開口幅の大きいトレンチ（３）ほど横方向へのエッチング作用が強くなっても、より厚い膜で保護されるため開口幅によるトレンチ（３）側壁角度のばらつきを抑制することができる。

例えば、請求項３に記載の発明のように、第２ポリマー膜成膜工程にて成膜するポリマー膜（４）の膜厚を、第１ポリマー膜成膜工程にて成膜するポリマー膜（４）の膜厚より厚くすることもできる。

また、請求項４または５に記載の発明のように、保護膜（５）を形成する工程では、酸素ガスまたは酸素ガスおよび不活性ガスをチャンバ（２１）内に導入することにより保護膜（５）として酸化膜を形成することができる。そして、請求項６に記載の発明のように、不活性ガスとしてＡｒガスを用いることもできる。

さらに、請求項７または８に記載の発明のように、保護膜（５）を形成する工程では、窒素ガスまたは窒素ガスおよび水素ガスをチャンバ（２１）内に導入することにより保護膜（５）として窒化膜を形成することもできる。

また、請求項９に記載の発明のように、トレンチエッチング工程では、ＳＦ_６を含むガスをチャンバ（２１）内に導入して行うことができる。そして、請求項１０に記載の発明のように、第１、第２ポリマー膜成膜工程では、Ｃ_４Ｆ_８を含むガスをチャンバ（２１）内に導入して行うことができる。

さらに、請求項１１に記載の発明のように、トレンチエッチング工程、第１ポリマー膜成膜工程、保護膜形成工程および第２ポリマー膜成膜工程をプラズマ処理することによって行い、各工程におけるプラズマ生成条件および処理時間をそれぞれの工程毎に設定することもできる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態にかかる半導体装置の製造工程を示した断面図であり、図１に基づいて説明する。

図１（ａ）に示されるように、まず、本発明の半導体基板に相当するＳｉ基板１の表面に酸化膜を形成し、酸化膜のうちトレンチ形成予定領域と対応する部分を開口して酸化膜マスク２を形成する。その後、Ｓｉ基板１をチャンバ内に入れる。図２はＳｉ基板１を備えたチャンバの模式図である。

図２に示されるように、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とが備えられている。ガス導入口２２には、複数種のガス導入が行えるように導入するガス種の数に応じたガスライン２２ａ〜２２ｄが接続され、各ガスライン２２ａ〜２２ｄにはそれぞれ切替バルブ２４ａ〜２４ｄが備えられている。そして、各種ガスは各切替バルブ２４ａ〜２４ｄによってチャンバ２１内への流入が制御できるようになっている。また、ガス排気口２３にも切替バルブ２３ａが備えられており、各ガスライン２２ａ〜２２ｄに備えられた切替バルブ２４ａ〜２４ｄおよびガス排気口２３に備えられた切替バルブ２３ａによりチャンバ２１内のガス圧を所望の値にすることができるようになっている。なお、本実施形態では、ガス導入口２２には、エッチング性ガス、膜堆積性ガス、酸素ガスおよびＡｒガスのそれぞれを導入するために４つのガスライン２２ａ〜２２ｄが備えられている。また、本実施形態では、Ａｒガスが本発明の不活性ガスに相当している。

チャンバ２１の室内には、バイアス用高周波電源２５ａが印加される電極２６ａ、プラズマ生成用高周波電源２５ｂが印加される電極２６ｂおよび電極２６ｂに対向配置された接地電極２７が備えられており、これらによりＳｉ基板１に対して高周波電界がかけられるようになっている。なお、プラズマ生成用高周波電源２５ｂの周波数としては、例えば、１３．５６ＭＨｚとすることができ、バイアス用高周波電源２５ａの周波数としては、例えば、１３．５６ＭＨｚまたは５００ｋＨｚ以下とすることができる。

そして、後述する各工程は、このような構成とされているチャンバ２１内の電極２６ａ上にＳｉ基板１を配置して行われる。なお、各工程では、チャンバ２１内を、ガス排気口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ガス排気口２３の切替バルブ２３ａを調整して排気することによりチャンバ２１内のガス圧を１〜５ＭＰａにして行われる。そして、各工程では、プラズマ生成用高周波電源２５ｂに高周波電界を印加して導入したガス種によるプラズマを発生させ、バイアス用高周波電源２５ａに高周波電界を印加することによりＳｉ基板をプラズマ処理している。なお、本実施形態では、プラズマ生成用高周波電源２５ｂには、１００Ｗ〜１０ＫＷ程度の電力を投入して導入したガス種をプラズマ化し、バイアス用高周波電源２５ａに０Ｗ〜５００Ｗ程度の電力を投入してＳｉ基板１をプラズマ処理している。

図１（ｂ）に示されるように、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〜２２ｄを閉じることにより、チャンバ２１内にエッチングガスを導入し、酸化膜マスク２をマスクとしてＳｉ基板１を反応性イオンエッチングするトレンチエッチング工程を行なう。なお、本実施形態では、エッチングガスとしてＳＦ_６ガスを用いており、ＳＦ_６ガスをチャンバ２１内に１００〜２００ｓｃｃｍ導入し、Ｓｉ基板１をＳＦ_６プラズマにより５〜２０秒間処理している。

その後、図１（ｃ）に示されるように、膜堆積性ガス導入用のガスライン２２ｂを開くと共にその他のガスライン２２ａ、２２ｃ、２２ｄを閉じることにより、チャンバ２１内に膜堆積性ガスを導入し、Ｓｉ基板１のうち図１（ｂ）の工程により反応性イオンエッチングした部分の内壁にポリマー膜４を成膜する第１ポリマー膜成膜工程を行う。なお、本実施形態では、膜堆積用ガスとしてＣ_４Ｆ_８ガスを用いており、Ｃ_４Ｆ_８ガスをチャンバ２１内に１００〜２００ｓｃｃｍ導入し、Ｓｉ基板１をＣ_４Ｆ_８プラズマにより５〜２０秒間処理することにより、例えば、１０ｎｍの膜厚を有するポリマー膜４を成膜している。また、本実施形態では、バイアス用高周波電源２５ａに０Ｗの電力を投入、つまり、バイアス用高周波電源２５ａをオフにした状態でポリマー膜４の成膜を行うことにより、ポリマー膜４を成膜する際に、酸化膜マスク２がエッチングされることを防止している。

続いて、図１（ｄ）に示されるように、図１（ｂ）に示したトレンチエッチング工程と図１（ｃ）に示した第１ポリマー膜成膜工程とを交互に複数回繰り返すことにより、Ｓｉ基板１に酸化膜マスク２の形状に対応した開口幅の異なる複数のトレンチ３を形成するトレンチ形成工程を行う。このとき、トレンチエッチング工程の時間と第１ポリマー膜成膜工程の時間を図１（ｂ）および図１（ｃ）の工程と同様の時間で行う。つまり、トレンチ形成工程では、トレンチエッチング工程と第１ポリマー膜成膜工程とを１周期とすると、これらの工程を複数周期行い、Ｓｉ基板１をＳＦ_６プラズマおよびＣ_４Ｆ_８プラズマにより３〜２０分間処理している。

次に、酸化膜形成工程と第２ポリマー膜成膜工程とを有するトレンチ保護膜形成工程を行い、トレンチ３の内壁に酸化膜５およびポリマー膜４を配置する。具体的には、まず、図１（ｅ）に示されるように、酸素ガスおよびＡｒガス導入用のガスライン２２ｃ、２２ｄを開くと共にエッチング性ガスおよび膜堆積性ガス導入用のガスライン２２ａ、２２ｂを閉じることによりチャンバ２１内に酸素ガスおよびＡｒガスを導入し、トレンチ３の内壁に形成された反応生成物を除去すると共に、トレンチ３の内壁に酸化膜５を形成する工程を行う。

この酸化膜形成工程は、チャンバ２１内に酸素ガスを１０〜１０００ｓｃｃｍ導入し、Ｓｉ基板１をＯ_２プラズマおよびＡｒプラズマにて０．５〜５分間処理することにより、トレンチ３の内壁に付着した反応生成物を酸素イオンもしくは酸素ラジカルおよびＡｒイオンのスパッタ効果により除去して内壁表面のＳｉ部分を露出させる。そして、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３の内壁部分に酸素イオン（あるいは酸素ラジカル）の働きによって酸化膜５を形成している。なお、反応生成物とは、エッチング中にトレンチ３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している。また、本実施形態では、酸化膜５が本発明の保護膜に相当している。

その後、図１（ｆ）に示されるように、膜堆積性ガス導入用のガスライン２２ｂを開くと共にその他のガスライン２２ａ、２２ｃ、２２ｄを閉じることにより、チャンバ２１内に膜堆積性ガスを導入し、トレンチ３の内壁に、酸化膜５を介してポリマー膜４を成膜する第２ポリマー膜成膜工程を行う。なお、本実施形態では、Ｃ_４Ｆ_８ガスをチャンバ２１内に１００〜２００ｓｃｃｍ導入し、Ｓｉ基板１をＣ_４Ｆ_８プラズマにより１０〜１００秒間処理している。また、第２ポリマー膜成膜工程にて成膜するポリマー膜４の膜厚は第１ポリマー膜成膜工程にて成膜するポリマー膜４の膜厚より厚くすることが好ましい。このため、本実施形態では第２ポリマー膜成膜工程では、第１ポリマー膜成膜工程よりＳｉ基板１をＣ_４Ｆ_８プラズマにより処理する時間を長くしており、例えば、トレンチ３の内壁に酸化膜５を介して５０ｎｍのポリマー膜４を成膜している。

続いて、図１（ｇ）に示されるように、トレンチ３の内壁を酸化膜５およびポリマー膜４により覆った状態で、上記図１（ｄ）のトレンチ形成工程を行い、トレンチの底部に配置された酸化膜５およびポリマー膜４を除去してトレンチ３の底部を露出させると共にトレンチ３を深くする。

具体的には、トレンチ形成工程のうち上記図１（ｂ）のトレンチエッチング工程を行うことによりトレンチ３の内壁を酸化膜５およびポリマー膜４により覆った状態で、トレンチ３の底部に配置された酸化膜５およびポリマー膜４を反応性イオンエッチングすることによりトレンチ３の底部に配置されたポリマー膜４および酸化膜５の一部を除去する。このとき、トレンチ３の側壁は酸化膜５およびポリマー膜４が配置されているか、もしくは、酸化膜５のみが配置されている状態になっている。

そして、トレンチ形成工程のうち上記図１（ｃ）の第１ポリマー膜成膜工程を行うことによりトレンチ３の内壁に酸化膜５を介してポリマー膜４を成膜するか、もしくは酸化膜５を介して配置されているポリマー膜４の膜厚を厚くする。

つまり、これらトレンチエッチング工程および第１ポリマー膜成膜工程を複数回繰り返すトレンチ形成工程を行うことにより、トレンチ３の底部に配置された酸化膜を少しずつ除去してトレンチ３の底部を露出させると共にトレンチ３を深くする。

その後、上記図１（ｅ）および（ｆ）のトレンチ保護膜形成工程と、上記図１（ｄ）のトレンチ形成工程とを繰り返して行うことにより、トレンチ３を所定の深さにする。続いて、Ｓｉ基板１に対して所望の半導体製造プロセスを行うことによりトレンチ３を備えた半導体装置が製造される。

このような半導体装置の製造方法では、トレンチ３の内壁が酸化膜５およびポリマー膜４により覆われた状態でトレンチ形成工程を行うことにより、トレンチ３の底部を露出させると共にトレンチを深くしている。トレンチ形成工程を行うことによりトレンチ３の底部を露出させる際には、開口幅が大きいトレンチ３ほど横方向エッチングが強くなるが、トレンチ３の内壁には酸化膜５およびポリマー膜４が配置されているのでポリマー膜４から除去されることになる。つまり、酸化膜５をポリマー膜４で保護しながらトレンチ形成工程を行うことによりトレンチ３の底部を露出させているので、トレンチ３に酸化膜５のみを配置している状態でトレンチ底部エッチング工程を行ってトレンチ３の底部を露出させている従来の半導体装置の製造方法より酸化膜５の一部が除去されることを抑制することができる。さらに、本実施形態では、トレンチエッチング工程および第１ポリマー膜成膜工程を複数回繰り返すトレンチ形成工程によりトレンチ３の底部を露出させており、トレンチ３の底部に配置された酸化膜５およびポリマー膜４を除去する間にもトレンチ３の側壁にポリマー膜４を成膜しているので、酸化膜５の一部が除去されることをさらに抑制することができる。

したがって、トレンチ３の底部を露出させた後のトレンチ形成工程では、従来の半導体装置の製造方法より酸化膜５の膜厚が厚い状態でトレンチ３の内壁に酸化膜５を介してポリマー膜４を成膜することができる。また、トレンチ３の底部を露出させた後のトレンチ形成工程では、開口幅が大きいトレンチ３ほどトレンチ３の側壁に成膜されたポリマー膜４が除去されやすくなり、ポリマー膜４が完全に除去された場合には酸化膜５の一部が除去されて膜厚が薄くなることになる。

しかしながら、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、従来の半導体装置の製造方法と比較すると、酸化膜５の膜厚が厚い状態でポリマー膜４を成膜することができるため、酸化膜５の一部が除去されたとしてもトレンチエッチング工程後の酸化膜５の膜厚を従来より厚くすることができる。したがって、トレンチ３の深さを所望の深さにするためにトレンチ形成工程を行っている間に、従来の半導体装置の製造方法より、酸化膜５が完全に除去されることを抑制することができる。また、ポリマー膜４の膜厚は開口幅の大きいトレンチ３ほど厚くなるため、トレンチ３に堆積させるポリマー膜４の膜厚を適切に設定すれば、各トレンチ３でＳｉ基板１表面に対する側壁角度がばらつくことを低減させることができる。

さらに、本実施形態では、第２ポリマー膜成膜工程にて成膜するポリマー膜４の膜厚を第１ポリマー膜成膜工程にて成膜するポリマー膜４の膜厚より厚くしている。このため、トレンチ形成工程を行ってトレンチ３の底部を露出させ、トレンチ３を深くした際に、第２ポリマー膜成膜工程にて成膜したポリマー膜４が完全に除去されることを抑制することができる。したがって、トレンチ３の底部を露出させた後のトレンチ形成工程では、第２ポリマー膜成膜工程の際に成膜したポリマー膜４が残存している場合には、図１（ｃ）の工程にて行われる第１ポリマー膜成膜工程と同じ条件でポリマー膜４の成膜を行った場合にも、ポリマー膜４の膜厚を厚くすることができる。このため、トレンチ形成工程を行っている際に、ポリマー膜４が完全に除去されることを抑制することができ、また、酸化膜５の一部が除去されることを抑制することができる。

また、各トレンチ３でＳｉ基板１表面に対する側壁角度がばらつくことを抑制するために、トレンチ３の内壁にポリマー膜４のみを成膜し、トレンチ３の側壁に配置されるポリマー膜４を厚くすることで横方向エッチングに対する耐性を強くする方法も考えられるが、この方法では、トレンチ３の底部に配置されるポリマー膜４の膜厚もトレンチ３の側壁に配置されるポリマー膜４の膜厚に依存して厚くなり、エッチング異常を起こす可能性がある。しかしながら、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、トレンチ３の底部に配置される酸化膜５とポリマー膜４の厚さは、トレンチ３の内壁にポリマー膜４のみを配置する方法と比較して薄いため、エッチング異常を起こす可能性を低減することができる。また、トレンチ３の内壁にポリマー膜４のみを成膜する方法では、チャンバ２１内にポリマー膜４が付着する可能性が大幅に高くなり、付着したポリマー膜４を完全に除去しなければエッチング異常やチャンバ２１の寿命を著しく縮めることになるが、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、チャンバ２１内にポリマー膜４が付着する可能性を大幅に高くすることもない。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、酸素ガスおよびＡｒガスを導入してトレンチ３の内壁に保護膜として酸化膜５を形成する例を説明したが、酸素ガスおよびＡｒガスの代わりに窒素ガスおよび水素ガスを導入してトレンチ３の内壁に保護膜として窒化膜を形成することもできる。このような半導体装置の製造方法によれば、Ｏ_２プラズマによりトレンチ３の内壁に保護膜として酸化膜５を形成する場合と比較すると、Ｏ_２プラズマはレジストを分解してしまうためＳｉ基板に配置するマスクとしてＣＶＤ等により形成した酸化膜もしくはメタル材料を用いるしかないが、Ｎ_２プラズマおよびＨ_２プラズマによりトレンチ３の内壁に窒化膜を形成する場合にはレジスト材料を用いることができ、製造工程を簡略化することができる。なお、このような半導体装置の製造方法では、ガス導入口２２に窒素ガスと水素ガスとを導入するガスラインを新たに追加する必要がある。

また、酸素ガスおよびＡｒガスを導入せずに酸素ガスのみを導入して酸化膜５を形成することもできるし、窒素ガスおよび水素ガスを導入せずに窒素ガスのみを導入して窒化膜を形成することもできる。

さらに、上記第１実施形態では、トレンチ３の内壁が酸化膜５およびポリマー膜４にて覆われた状態でトレンチ形成工程を行うことによりトレンチ３の底部を露出させる半導体装置の製造方法を説明したが、トレンチ３の内壁が酸化膜５およびポリマー膜４にて覆われた状態でトレンチ底部エッチング工程を行うことによりトレンチ３の底部を露出させる半導体装置の製造方法とすることもできる。具体的には、トレンチ底部エッチング工程は、上記図１（ｆ）の工程を行った後に、上記図１（ｂ）の工程と同様に、チャンバ２１内にＳＦ６ガスを導入し、トレンチ３の内壁を酸化膜５およびポリマー膜４により覆った状態で、トレンチ３の底部に配置された酸化膜５およびポリマー膜４を反応性イオンエッチングしてトレンチ３の底部を露出させる工程である。

このようにトレンチ底部エッチング工程によりトレンチ３の底部を露出させる場合には、上記図１（ｄ）のトレンチ形成工程、上記図１（ｅ）および（ｆ）のトレンチ保護膜形成工程、トレンチ底部エッチング工程を順番に繰り返すことによりトレンチ３を所定の深さにして半導体装置を構成してもよい。なお、このトレンチ底部エッチング工程におけるトレンチエッチング工程はトレンチ３の底部に配置された酸化膜５とポリマー膜４とを除去する必要があるため、加速電圧等の条件を変更してエッチング効率を高くしてもよい。

このような半導体装置の製造方法としても、上記第１実施形態と同様に、トレンチ底部エッチング工程を行う前に、トレンチ３の壁面に酸化膜５を介してポリマー膜４を成膜しているため、従来の半導体装置の製造方法より酸化膜５が完全に除去されることを抑制することができ、各トレンチ３でＳｉ基板１表面に対する側壁角度がばらつくことを抑制することができる。

また、図１（ｆ）の工程の第２ポリマー膜成膜工程にて成膜するポリマー膜４の厚さを、図１（ｃ）の工程の第１ポリマー膜成膜工程にて成膜するポリマー膜４の厚さより厚くなるように成膜しているが、第２ポリマー膜成膜工程にて成膜するポリマー膜４の厚さを第１ポリマー膜成膜工程にて成膜するポリマー膜４の厚さと同じにすることもできるし、薄くすることもできる。

さらに、トレンチエッチング工程、第１ポリマー膜成膜工程、保護膜形成工程、第２ポリマー膜成膜工程およびトレンチ底部エッチング工程でのプラズマ発生条件、処理時間およびガス流量等の設定をそれぞれの設定毎に適宜変更することもできる。

本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図１に示すＳｉ基板を備えたチャンバの模式図である。 従来のトレンチ形成方法を適用して半導体基板に開口幅の異なる複数のトレンチを同時に形成したときの実験結果を示す図である。

符号の説明

１ Ｓｉ基板
２ 酸化膜マスク
３ トレンチ
４ ポリマー膜
５ 酸化膜
２１ チャンバ
２２ ガス導入口
２３ ガス排気口
２５ａ バイアス用高周波電圧
２５ｂ プラズマ生成用高周波電圧

Claims (11)

1. トレンチ形成予定領域が開口しているマスク（２）を施した半導体基板（１）をチャンバ（２１）内に導入し、前記半導体基板（１）を反応性イオンエッチングによりエッチングして前記半導体基板（１）にトレンチ（３）を形成する半導体装置の製造方法において、
   前記マスク（２）を用いて前記半導体基板（１）を前記反応性イオンエッチングするトレンチエッチング工程と、前記半導体基板（１）のうち前記反応性イオンエッチングした部分の内壁にポリマー膜（４）を成膜する第１ポリマー膜成膜工程と、を複数回繰り返すことにより、前記マスク（２）の形状に対応した開口幅の異なる複数のトレンチ（３）を形成するトレンチ形成工程と、
   前記複数のトレンチ（３）の内壁に前記ポリマー膜（４）より前記反応性イオンエッチングに対する耐性が強い保護膜（５）を形成する工程と、前記複数のトレンチ（３）の内壁に、前記保護膜（５）を形成した後に、前記保護膜（５）を介して前記ポリマー膜（４）を成膜する第２ポリマー膜成膜工程と、を有するトレンチ保護膜形成工程と、を含み、
   前記トレンチ形成工程と、前記トレンチ保護膜形成工程と、を交互に繰り返すことにより前記トレンチ（３）を深くすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. トレンチ形成予定領域が開口しているマスク（２）を施した半導体基板（１）をチャンバ（２１）内に導入し、前記半導体基板（１）を反応性イオンエッチングによりエッチングして前記半導体基板（１）にトレンチ（３）を形成する半導体装置の製造方法において、
   前記マスク（２）を用いて前記半導体基板（１）を前記反応性イオンエッチングするトレンチエッチング工程と、前記半導体基板（１）のうち前記反応性イオンエッチングした部分の内壁にポリマー膜（４）を成膜する第１ポリマー膜成膜工程と、を複数回繰り返すことにより、前記マスク（２）の形状に対応した開口幅の異なる複数のトレンチ（３）を形成するトレンチ形成工程と、
   前記複数のトレンチ（３）の内壁に前記ポリマー膜（４）より前記反応性イオンエッチングに対する耐性が強い保護膜（５）を形成する工程と、前記複数のトレンチ（３）の内壁に、前記保護膜（５）を形成した後に、前記保護膜（５）を介して前記ポリマー膜（４）を成膜する第２ポリマー膜成膜工程と、を有するトレンチ保護膜形成工程と、
   前記トレンチ（３）の内壁を前記保護膜（５）および前記ポリマー膜（４）により覆った状態で、前記トレンチエッチング工程を行うことにより前記トレンチ（３）の底部を露出させるトレンチ底部エッチング工程と、を含み、
   前記トレンチ形成工程と、前記トレンチ保護膜形成工程と、前記トレンチ底部エッチング工程と、を順番に繰り返すことにより前記トレンチ（３）を深くすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 前記第２ポリマー膜成膜工程にて成膜する前記ポリマー膜（４）の膜厚を、前記第１ポリマー膜成膜工程にて成膜する前記ポリマー膜（４）の膜厚より厚くすることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記保護膜（５）を形成する工程では、酸素ガスを前記チャンバ（２１）内に導入することにより前記保護膜（５）として酸化膜を形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記保護膜（５）を形成する工程では、酸素ガスおよび不活性ガスを前記チャンバ（２１）内に導入することにより前記保護膜（５）として酸化膜を形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記保護膜（５）を形成する工程では、前記不活性ガスとしてＡｒガスを用い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。
7. 前記保護膜（５）を形成する工程では、窒素ガスを前記チャンバ（２１）内に導入することにより前記保護膜（５）として窒化膜を形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記保護膜（５）を形成する工程では、窒素ガスおよび水素ガスを前記チャンバ（２１）内に導入することにより前記保護膜（５）として窒化膜を形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記トレンチエッチング工程では、ＳＦ_６を含むガスを前記チャンバ（２１）内に導入して行うことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記第１、第２ポリマー膜成膜工程では、Ｃ_４Ｆ_８を含むガスを前記チャンバ（２１）内に導入して行うことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記トレンチエッチング工程、前記第１ポリマー膜成膜工程、前記保護膜形成工程および前記第２ポリマー膜成膜工程をプラズマ処理することによって行い、各工程におけるプラズマ生成条件および処理時間をそれぞれの工程毎に設定することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。

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