JP2009262258A - シリコン構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部に段差を有する高アスペクト比の凹部を高い加工精度で容易に形成することができるシリコン構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】シリコンからなる基材１に初期凹部４２を形成する初期凹部形成工程と、初期凹部４２の内側面４２ａの基材１を隔壁１ｗとして残存させた状態で、初期凹部４２及び初期凹部４２に隣接する周回領域４Ｅ１の基材１とを深さｄ１，ｄ２方向に異方性エッチングして、初期凹部４２を深さｄ２方向に掘り下げるとともに、周回領域４Ｅ１に初期凹部４２と深さｄ１の異なる初期凹部４１を形成するエッチング工程と、深さｄ１，ｄ２が異なる複数の初期凹部４１，４２の内表面４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂと隔壁１ｗとを酸化して酸化部Ｏｘを形成する凹部酸化工程と、酸化部Ｏｘを除去して凹部４の全体の形状を形成し、凹部４の内側に深さＤ１，Ｄ２方向の段差Ｇ１を形成する酸化部除去工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、シリコン構造体の製造方法に関するものである。

従来から、微小機械部品と電子部品との融合による新しい機能のデバイス（Micro Electro Mechanical System：ＭＥＭＳ）が知られている。ＭＥＭＳでは、主にシリコン（Ｓｉ）のウェーハに微小な機械構造物を形成することで、例えば自動車部品（エアーバッグセンサ等）、インクジェットヘッド、画像投影装置等の市場向けの製品が量産されている。ＭＥＭＳでは、これらのデバイスのさらなる小型・高性能化が求められている。
例えば、加速度センサや角速度センサの力学的検出部は、主に基板上に形成された櫛歯状の梁構造体から構成されている。これらのセンサを小型・高性能化するためには、Ｓｉ基板のエッチングにより形成される溝の幅や穴の径と深さとのアスペクト比（深さ／溝幅、深さ／穴径）を高くする必要がある。

Ｓｉ基板にエッチングによって高いアスペクト比の穴や溝を形成するための方法としては、チャンバーに供給する材料ガスをエッチングプロセス毎に切り替える方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、（１）異方性の高いプラズマエッチングと、（２）ポリマー系の薄膜堆積と、の２ステップを交互に行うドライエッチング技術が開示されている。
米国特許第５５０１８９３号明細書

しかしながら、上記従来の技術では、高いアスペクト比を有する多段の溝（トレンチ）や多段の穴（ホール）や、トレンチとホールとを組み合わせた多段構造の凹部を形成する場合には、以下のような課題がある。上記従来の技術では、（１）のエッチング工程と上記の（２）の薄膜堆積工程のバランスの調整が極めて困難である。そのため、製造工程における各種パラメータの調整幅（プロセスマージン）が非常に狭くなり、製造工程の最適化が極めて困難になる。
例えば、Ｓｉの基材にエッチングによってホールやトレンチ等の凹部を形成する際に、深さの異なる底面を形成して凹部の内側に段差を形成する場合には、基材の表面からの深さが異なると到達するラジカルやイオンの量が異なってしまう。そのため、（１）の工程におけるエッチングレートや（２）の工程において堆積するポリマー系の薄膜の量は場所（深さ方向の位置）によって異なり、凹部の深さ方向の深い位置に最適な量の薄膜を堆積させるのは極めて困難である。

また、発明者らは、このような凹部の段差を形成する際に、次のような課題が発生することを見出した。
（２）の工程で凹部の内側面に堆積した薄膜の膜厚が薄過ぎる場合には、（１）の工程でその部分の側壁がテーパ状に形成されてしまう。反対に、（２）の工程で堆積した薄膜の厚さが厚過ぎる場合には、凹部の段差に基材が突起状に残存してしまう。また、（１）の工程で凹部の最深部の底面が荒れた状態になった場合には、（２）の工程で薄膜を堆積させると、凹部の最深部の角の近傍において薄膜が均一に堆積されず、凹部の内側面も（１）の工程で荒れた状態になってしまう。
したがって、従来の方法では、高アスペクト比の凹部に高い加工精度で段差を形成することが困難であった。

そこで、この発明は、内部に段差を有する高アスペクト比の凹部を高い加工精度で容易に形成することができるシリコン構造体の製造方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明のシリコン構造体の製造方法は、シリコンからなる基材に凹部の一部である初期凹部を形成する初期凹部形成工程と、前記初期凹部の内側面の前記基材を隔壁として残存させた状態で、前記初期凹部及び前記初期凹部に隣接する周回領域の前記基材を深さ方向に異方性エッチングして、前記初期凹部を前記深さ方向に掘り下げるとともに、前記周回領域に前記初期凹部と前記隔壁で隔てられた深さの異なる初期凹部を形成するエッチング工程と、前記深さが異なる複数の前記初期凹部の内表面と前記隔壁とを酸化して酸化部を形成する凹部酸化工程と、前記酸化部を除去して前記凹部の全体の形状を形成し、前記凹部の内側に前記深さ方向の段差を形成する酸化部除去工程と、を有することを特徴とする。

このように製造することで、深さの異なる初期凹部複数の底面が、それぞれ隔壁により分離されてエッチングされる。そして、初期凹部の内表面と隔壁とが酸化されて除去されることで、凹部の全体の形状が形成される。これにより、凹部の内表面が平滑化されるとともに、初期凹部同士を隔離する隔壁が除去されて、凹部の内側に段差が形成される。
したがって、本発明のシリコン構造体の製造方法によれば、内部に段差を有する高アスペクト比の凹部を高い加工精度で容易に形成することができる。

また、本発明のシリコン構造体の製造方法は、前記凹部酸化工程は、前記隔壁を完全に酸化させることを特徴とする。
また、前記凹部酸化工程は、加熱による熱酸化により行うことを特徴とする。

このように製造することで、酸化部除去工程において隔壁をより確実かつ容易に除去することができる。
また、初期凹部の内表面の酸化部の厚さを均一にすることができる。また、酸化部の厚さを加熱温度及び加熱時間等を調整することで制御することができる。

また、本発明のシリコン構造体の製造方法は、前記初期凹部は、前記基材が前記酸化部として除去される厚さ分、前記凹部の内表面よりも前記凹部の内側に形成することを特徴とする。

このように製造することで、初期凹部の内表面の基材が、最終的な凹部が形成される凹部形成領域の境界まで酸化されて酸化部となる。そして、その酸化部が酸化部除去工程において除去される。したがって、凹部の内表面を高い加工精度で加工することができる。

また、本発明のシリコン構造体の製造方法は、前記エッチング工程をｎ回行って、前記凹部の内側にｎ段の段差を形成することを特徴とする。

このように製造することで、凹部の内部に複数の段差を形成することができる。

また、本発明のシリコン構造体の製造方法は、前記エッチング工程は、ドライエッチングにより行うことを特徴とする。
また、前記酸化部除去工程は、ウェットエッチングにより行うことを特徴とする。

このように製造することで、基材を深さ方向に選択的にエッチングすることができる。
また、酸化部を選択的に除去することができる。

また、本発明のシリコン構造体の製造方法は、前記周回領域は、ハードマスクにより規定することを特徴とする。
また、前記ハードマスクはシリコン酸化物からなることを特徴とする。

このように製造することで、初期凹部及び周回領域以外の領域をハードマスクにより保護した状態で、初期凹部と周回領域の基材をエッチングすることができる。
また、シリコン酸化物からなるハードマスクを用いることで、異方性のドライエッチングによって基材をエッチングする際に、ハードマスクと基材との選択比を利用して凹部を段階的にエッチングすることができる。したがって、凹部を多段状に形成することが可能となる。
また、シリコン酸化物からなるハードマスクを用いることで、酸化部除去工程と一括してハードマスクを除去することが可能となる。

また、本発明のシリコン構造体の製造方法は、前記ハードマスクを部分的に除去することにより前記周回領域を規定することを特徴とする。
また、前記ハードマスクを部分的に除去する工程は、前記初期凹部形成工程または前記エッチング工程と一括して行うことを特徴とする。

このように製造することで、ハードマスクが除去された部分により周回領域を規定することができる。
また、ハードマスクの部分的な除去を初期凹部形成工程または前記エッチング工程と一括して行うことで、製造工程を簡略化し、生産性を向上させることができる。

＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材ごとに縮尺を適宜変更している。
本実施形態では、シリコンからなる基材に、内側に段差を有する多段状の凹部（ホール、トレンチ等）を形成し、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）等の分野で用いられるシリコン構造体を製造する方法について説明する。ここでは、基材をエッチングして内側に段差を有する凹部を備えたシリコン構造体を製造するために、まず、基材の表面に凹部の形状に対応したハードマスクを形成する。
図１（ａ）〜図１（ｈ）は、本実施形態のシリコン構造体の製造工程を示す断面図である。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、本実施形態のシリコン構造体の製造工程を示す断面図及び凹部形成領域近傍の平面図である。

（ハードマスク形成工程）
図１（ａ）に示すように、シリコンからなる基材１の表面１ａに、例えばＳｉＯ_２等のシリコン酸化物からなるハードマスク２を形成する。ハードマスク２の形成は、例えば、基材１の表面１ａを熱酸化させて形成したり、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により基材１の表面１ａに成膜したりすることができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、ハードマスク２の表面２ａにフォトレジスト３を形成する。
次いで、図１（ｃ）に示すように、フォトレジスト３を露光・現像してパターニングし、後述する凹部４のエッチング領域４Ｅ（図２（ｂ）参照）の第１エッチング領域（周回領域）４Ｅ１に対応する開口部３１を形成する。このとき、第１エッチング領域４Ｅ１の凹部４の外側の境界は、エッチング領域４Ｅの凹部４の外側の境界と一致している。また、第１エッチング領域４Ｅ１は、後述する初期凹部４１（図２（ｂ）参照）の底面４１ｂの平面形状に対応している。

また、第１エッチング領域４Ｅ１の凹部４の外側の境界は、凹部４が最終的に形成される凹部形成領域４Ａよりも、基材１が酸化部Ｏｘとして除去される厚さＴｏ１分、凹部４の内側に設定する。
また、第１エッチング領域４Ｅ１の凹部４の内側の境界は、後述する第２エッチング領域４Ｅ２の境界から、後述する隔壁１ｗ（図２（ｂ）参照）の厚さＴｗ分、凹部４の外側に設定する。
また、第１エッチング領域４Ｅ１の凹部４の内側の境界及び第２エッチング領域４Ｅ２の凹部４の外側の境界は、後述する隔壁１ｗの厚さＴｗ方向の中心の位置が、後述する最終的な凹部４の段差Ｇ１（図３（ｂ）参照）の位置に合うように設定する。

次いで、図１（ｄ）に示すように、ドライエッチングにより開口部３１に露出されたハードマスク２をエッチングする。そして、ハードマスク２の膜厚Ｔを、後述する初期凹部４１の底面４１ｂ（図２（ｂ）参照）と初期凹部４２の底面４２ｂのエッチング深さｄ１，ｄ２の差に対応した膜厚Ｔ１に薄膜化する。ドライエッチングのエッチャント（エッチングガス）としては、例えば、ＣＦ系等のガスを用いることができる。

なお、エッチング深さｄ１は、後述する酸化部除去工程において底面４１ｂの基材１が酸化部Ｏｘ（図２（ｃ）参照）として除去される厚さ分、最終的な凹部４の底面４１ｂの深さＤ１（図２（ｄ）参照）よりも浅く（小さく）設定される。
これにより、凹部４のエッチング領域４Ｅの第１エッチング領域４Ｅ１が、凹部４よりも、基材１が酸化部Ｏｘとして除去される厚さＴｏ１分、小さく（凹部４の内側に）なるように規定される。ここで、膜厚Ｔ１は、後述する初期凹部形成工程により薄膜化される膜厚を考慮して調整する。

次に、図１（ｅ）に示すように、薄膜化したハードマスク２を覆ってフォトレジスト３を再形成する。
次いで、図１（ｆ）に示すように、フォトレジスト３をパターニングして、後述するエッチング領域４Ｅの第２エッチング領域４Ｅ２に対応する開口部３２を形成する。第２エッチング領域４Ｅ２は、後述する初期凹部４２（図２（ａ）参照）の底面４２ｂの平面形状に対応している。

ここで、第２エッチング領域４Ｅ２の凹部４の外側の境界は、後述するエッチング工程で隔壁１ｗ（図２（ｂ）参照）として残存させる基材１の厚さＴｗの分、第１エッチング領域４Ｅ１の凹部４の内側の境界よりも、凹部４の内側に設定する。また、後述する隔壁１ｗの厚さＴｗ方向の中心の位置が、後述する凹部４の段差Ｇ１（図３（ｂ）参照）の位置に合うように設定する。

また、隔壁１ｗの厚さＴｗは、後述する凹部酸化工程において基材１が酸化部Ｏｘとして加工される厚さＴｏ１の約２倍以下に設定する。
ここで、本実施形態では、隔壁１ｗの厚さＴｗを、例えば、約１μｍ程度とする。この場合には、基材１が酸化部Ｏｘとして加工される厚さＴｏ１を約０．５μｍ以上とすることができる。また、厚さＴｏ１は約０．６２μｍ以上とすることが好ましい。本実施形態では、厚さＴｏ１を約０．８μｍとする。

次いで、図１（ｇ）に示すように、開口部３２に露出されたハードマスク２をエッチングして、開口部２２を形成する。ハードマスク２のエッチングは、例えば、上述のドライエッチングにより行うことができる。

次に、図１（ｈ）に示すように、フォトレジスト３を除去する。
以上により、基材１の表面１ａのハードマスク２の第２エッチング領域４Ｅ２に初期凹部４２の底面４２ｂの平面形状に対応した開口部２２が形成される。また、ハードマスク２は、初期凹部４１の底面４１ｂの平面形状に対応する第１エッチング領域４Ｅ１における膜厚Ｔ１が、底面４１ｂと底面４２ｂのエッチング深さｄ１，ｄ２の差に対応して薄膜化されて多段状に形成される。そして、第１エッチング領域４Ｅ１と第２エッチング領域４Ｅ２とからなる基材１のエッチング領域４Ｅがハードマスク２により規定される。また、初期凹部４２に隣接する第１エッチング領域（周回領域）４Ｅ１が規定される。

（初期凹部形成工程）
次に、図２（ａ）に示すように、ハードマスク２の開口部２２を介して、第２エッチング領域４Ｅ２の基材１をエッチングして、基材１に凹部４の一部である初期凹部４２を形成する。ここでは、例えばＳＦ６等のフッ素系のガスと酸素を用いたエッチングステップと、Ｃ４Ｆ８ガスを用いたポリマー堆積ステップとを交互に行う異方性のドライエッチングにより初期凹部４２を形成する。このとき、ハードマスク２もエッチングされて膜厚Ｔ，Ｔ１が薄膜化され、第１エッチング領域４Ｅ１に対応する部分が除去される。

（エッチング工程）
次に、図２（ｂ）に示すように、第２エッチング領域４Ｅ２に露出された初期凹部４２の底面４２ｂと、第１エッチング領域（周回領域）４Ｅ１の基材１の表面１ａとを異方性のドライエッチングによりエッチングする。このとき、第１エッチング領域４Ｅ１と第２エッチング領域４Ｅ２の初期凹部４２との間に、内側面４２ａの基材１を隔壁１ｗとして残存させた状態で、底面４２ｂと表面１ａの基材１をエッチングする。

ここで、エッチング工程におけるドライエッチングは、上述の初期凹部形成工程における異方性のドライエッチングと同様に行う。このとき、処理時間（ポリマー堆積とエッチングとの繰り返しステップ数）を異ならせることでエッチング深さｄ１，ｄ２を調整する。
これにより、初期凹部４２が深さｄ２方向に掘り下げられる。それと同時に、第１エッチング領域４Ｅ１に、表面１ａからのエッチング深さｄ１が初期凹部４２の底面４２ｂのエッチング深さｄ２と異なる新たな底面４１ｂを有する初期凹部４１が形成される。このとき、初期凹部４１と初期凹部４２とは隔壁１ｗとして残存した基材１によって隔てられた状態で形成される。

なお、エッチング深さｄ２は、最終的な凹部４の底面４２ｂの深さＤ２（図２（ｄ）参照）と、後述する酸化部除去工程において底面４２ｂが酸化部Ｏｘ（図２（ｃ）参照）として除去される厚さとを考慮して設定される。
すなわち、上述のハードマスク形成工程において、図１（ｄ）に示す第１エッチング領域４Ｅ１のハードマスク２の膜厚Ｔ１は、例えば次のような事項を考慮して設定する。一つは、最深部の底面４２ｂと、それよりも１段浅い位置の底面４１ｂとのエッチング深さｄ１，ｄ２の差を考慮して膜厚Ｔ１を設定する。また、ハードマスク２と基材１とのエッチングレートの差等を考慮して膜厚Ｔ１を設定する。

（凹部酸化工程）
次に、図２（ｃ）に示すように、初期凹部４１，４２の底面４１ｂ，４２ｂ及び内側面４１ａ，４２ａを含む初期凹部４１，４２の内表面の基材１を酸化して、所定の厚さＴｏの酸化部Ｏｘに加工する。
初期凹部４１，４２の内表面の酸化は、例えば初期凹部４１，４２の内表面を高温に加熱して酸化する熱酸化により行うことができる。酸化部Ｏｘの厚さＴｏは、熱酸化における温度や加熱時間等を調整することにより制御することができる。本実施形態では、熱酸化を例えば１０００℃以上の高温で行う。
初期凹部４１，４２の内表面の酸化は、隔壁１ｗを厚さＴｗ方向に完全に酸化して、隔壁１ｗが全ての酸化部Ｏｘの一部となるまで行う。隔壁１ｗを完全に酸化することで、隔壁１ｗの厚さＴｗは酸化前よりも増加する。

（酸化部除去工程）
次に、上述の工程で酸化させた初期凹部４１，４２の内表面と隔壁１ｗを含む酸化部Ｏｘと、基材１の表面１ａのハードマスク２とを、図２（ｄ）に示すように一括して除去する。ここでは、酸化部Ｏｘ及びハードマスク２の除去は、エッチング液を用いたウェットエッチングにより行う。
以上の工程により、基材１の凹部形成領域４Ａに、基材１の表面１ａからの深さＤ１，Ｄ２が異なる底面４１ｂ，４２ｂの間に、深さＤ１，Ｄ２方向の段差Ｇ１を有する多段構造の凹部４が形成される。

次に、本実施形態の作用について説明する。
本実施形態の製造方法では、図２（ａ）に示すように基材１に初期凹部４２が形成される。そして、図２（ｂ）に示すように、第２エッチング領域４Ｅ２の初期凹部４２の底面４２ｂが掘り下げられるとともに、第１エッチング領域４Ｅ１の基材１が新たに掘り下げられる。そして、初期凹部４２の底面４２ｂのエッチング深さｄ２よりも浅いエッチング深さｄ１（基材１の表面１ａ側）に新たな底面４１ｂを有する初期凹部４１が形成される。

このとき、初期凹部４１，４２のエッチング深さｄ１，ｄ２の異なる複数の底面４１ｂ，４２ｂが、それぞれ隔壁１ｗにより分離され、隔離された状態でエッチングされる。そして、初期凹部４１，４２の内表面と隔壁１ｗとが酸化されて酸化部Ｏｘとなり、酸化部Ｏｘが除去される。これにより、凹部４の内表面が平滑化されるとともに、基材１の表面１ａ方向に隣接する初期凹部４１，４２同士を隔離する隔壁１ｗが除去される。そして、凹部４の全体の形状が形成され、凹部４の内側に深さＤ１，Ｄ２方向の段差Ｇ１が形成される。

ここで、図３（ａ）及び図３（ｂ）に本実施形態の作用を説明するための断面図を示す。また、本実施形態との比較のため、図４、図５（ａ）〜（ｂ）及び図６（ａ）〜図６（ｃ）に従来のシリコン構造体の製造方法を説明する断面図を示す。なお、図３（ｂ）では、本実施形態の作用が凹部４の平面形状に依存しないことを示すため、凹部４の平面形状を矩形状として表している。

従来の製造方法では、図４に示すように、基材１０をエッチングして深さの異なる底面４０１ｂ及び４０２ｂを有する凹部４０を形成する際に、深さの異なる領域の境界（図４のＡ部）が存在している。
このような深さの異なる領域の境界において、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、凹部４０の内側面４０２ａに凹凸が形成されると、次のような問題がある。例えば、内側面４０２ａの凸部４０２ｃの影響により、内側面４０２ａへのポリマーの堆積が阻害される場合がある。このような場合には、凹部４０の段差Ｇの近傍の内側面４０２ａに薄膜が形成されなかったり、その部分の薄膜の膜厚が薄くなったりしてしまう場合がある。

また、従来の製造方法では、凹部４０の最深部の形状を形成した後、凹部４０の最深部の底面４０２ｂと、基材１０の凹部形成領域４０Ａとを一括してエッチングする際に、次のような問題がある。例えば、最深部の底面４０２ｂと、それよりも浅い位置の底面４０１ｂとではエッチング条件が異なる。そのため、ポリマーを堆積させる工程における各種パラメータの調整幅（プロセスマージン）が非常に狭くなり、薄膜の膜厚を均一にすることが非常に困難である。

このように、凹部４０の内側面４０２ａの段差Ｇの近傍に堆積した薄膜の膜厚が薄過ぎる場合には、横方向（深さ方向と垂直な方向）にエッチングが進行し、凹部４０の段差Ｇの角Ｃがエッチングされる。そして図６（ａ）に示すように、凹部４０の最深部の内側面４０２ａがテーパ状に形成されてしまう。

反対に、凹部４０の内側面４０２ａの薄膜の膜厚が厚過ぎる場合には、図５（ｂ）に示すように凸部４０２ｃの影となった部分が、異方性のドライエッチングのエッチングステップにおいて残存する場合がある。このような場合には、図６（ｂ）に示すように、凹部４０の段差Ｇに基材１０が突起状に残存してしまう。

また、図６（ｃ）に示すように、エッチングによって凹部４０の最深部の底面４０２ｂが荒れた状態になった場合には、次のような問題がある。例えば、薄膜を堆積させる工程において凹部４０の最深部の角Ｃｂ（底面４０２ｂと内側面４０２ａとの境界）の近傍においてポリマーが均一に堆積されず、エッチングにより凹部４０の最深部の内側面４０２ａも荒れた状態になってしまう。

一方、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、初期凹部４１，４２のエッチング深さｄ１，ｄ２の異なる複数の底面４１ｂ，４２ｂが、それぞれ隔壁１ｗにより分離され、隔離された状態でエッチングされる。そのため、エッチング工程において、従来のように深さが異なる領域の境界が発生しない。したがって、エッチング深さｄ１，ｄ２の異なる底面４１ｂ，４２ｂのエッチングを独立して行うことができる。

これにより、それぞれのエッチング深さｄ１，ｄ２に対応したプロセス条件を設定することが可能となり、ポリマーを堆積させる工程におけるプロセスマージンを拡大させることができる。
したがって、本実施形態では、従来の製造方法よりもポリマーを均一な膜厚で堆積させることが可能となり、凹部４のアスペクト比を向上させることができる。また、プロセスマージンが拡大することにより、製造を容易にして生産性を向上させることができる。

また、本実施形態では、エッチング深さｄ１，ｄ２の異なる底面４１ｂ，４２ｂのエッチングを、独立して、高いアスペクト比で行うことができるので、従来のように凹部４の最深部の内側面４２ａがテーパ状に形成されることを防止できる。

また、本実施形態では、上述のように、初期凹部４１，４２の内表面（内側面４１ａ，４２ａ、底面４１ｂ，４２ｂ）の基材１を酸化させて酸化部Ｏｘを形成している。
このとき、図３（ａ）に示すように、エッチング領域４Ｅが、最終的に凹部４が形成される凹部形成領域４Ａから、基材１の酸化部Ｏｘに加工される厚さＴｏ１分、凹部４よりも小さく（凹部４の内表面よりも凹部４の内側に）設定されている。

そのため、エッチング領域４Ｅの基材１をエッチングすることで形成された初期凹部４１，４２の内表面の基材１が、最終的な凹部４が形成される凹部形成領域４Ａの境界まで酸化されて酸化部Ｏｘとなる。そして、その酸化部Ｏｘが酸化部除去工程において除去される。したがって、凹部４を従来よりも高い加工精度で加工することができる。
また、酸化部Ｏｘの除去により、凹部４の内表面の凹凸を平滑化することができ、従来のように凹部４の内表面が荒れた状態となることを防止できる。

また、図３（ｂ）に示すように、底面４１ｂ，４２ｂを独立してエッチングした後、深さＤ１，Ｄ２の異なる領域の境界に存在する隔壁１ｗを酸化させて酸化部Ｏｘの一部として除去している。したがって、従来のように凹部４の段差Ｇ１に基材１が突起状に残存することがない。
また、隔壁１ｗの厚さＴｗ方向の中心を凹部４の段差Ｇ１に合わせるように、ハードマスクにより第１エッチング領域４Ｅ１、第２エッチング領域４Ｅ２が設定されるので、段差Ｇ１の位置を高精度に位置決めして形成することができる。

また、熱酸化により酸化部Ｏｘを形成することで、加熱温度及び加熱時間等を調整して酸化部Ｏｘの厚さＴｏを制御することができる。したがって、酸化部Ｏｘの厚さＴｏの調整を容易にして、凹部４の内表面に均一な厚さＴｏの酸化部Ｏｘを形成することができる。なお、酸化部Ｏｘの厚さＴｏは、酸化前の基材１の厚さＴｏ１よりも厚くなる。
また、熱酸化を例えば１０００℃以上の温度で行うことで、基材１を酸化して酸化部Ｏｘを形成する際の面方位依存性を極小化することができる。これにより、初期凹部４１，４２の底面４１ｂ，４２ｂに形成された酸化部Ｏｘの厚さＴｏと、初期凹部４１，４２の内側面４１ａ，４２ａに形成された酸化部Ｏｘの厚さＴｏとを均等にすることができる。

また、隔壁１ｗは凹部酸化工程において両方向（凹部４の内側方向と外側方向）から酸化される。そのため、隔壁１ｗの厚さＴｗを、基材１が酸化部Ｏｘとして加工される厚さＴｏ１の約２倍以下に設定することで、凹部４の内表面に厚さＴｏの酸化部Ｏｘが形成されたときに、隔壁１ｗを完全に酸化させることができる。

また、本実施形態では、図２（ｂ）に示す隔壁１ｗの厚さＴｗを約１μｍとし、酸化部Ｏｘとして除去される基材１の厚さＴｏ１を約０．８μｍとしている。厚さＴｏ１が０．８μｍの基材１が酸化されて酸化部Ｏｘに加工されると、図２（ｃ）に示す酸化部Ｏｘの厚さＴｏは約１．７８μｍとなる。
このように、酸化部Ｏｘとして除去される基材１の厚さＴｏ１をより好ましい約０．６２μｍ以上（隔壁１ｗの厚さＴｗの０．６２倍以上）とすることで、酸化部Ｏｘの厚さＴｏを約１．３８μｍとすることができる。
したがって、隔壁１ｗの完全な酸化を、より確実に行うことができる。このように、凹部酸化工程において隔壁１ｗを完全に酸化させることで、酸化部除去工程において隔壁１ｗをより確実かつ容易に除去することができる。

また、初期凹部４１，４２の内表面及び隔壁１ｗを酸化（加工）してシリコン酸化物からなる酸化部Ｏｘを形成することで、酸化部除去工程においてシリコン酸化物とシリコンとの材質の差異を利用して、酸化部Ｏｘを選択的に除去することができる。
また、エッチング工程においてハードマスク２により、エッチング領域４Ｅを規定することで、エッチング領域４Ｅ以外の領域をハードマスクにより保護した状態で、エッチング領域４Ｅの基材１をエッチングすることができる。

また、ハードマスク２を用いることで、ハードマスク２が除去された部分によりエッチング領域４Ｅを規定することができる。
また、シリコン酸化物からなるハードマスク２を用いることで、酸化部除去工程において酸化部Ｏｘの除去と一括してハードマスク２を除去することが可能となる。この際、酸化部除去工程をウェットエッチングにより行うことで、基材１にほぼ影響を与えることなく酸化部Ｏｘとハードマスク２とを一括して選択的に除去することができる。

また、異方性のドライエッチングによって基材１をエッチングする際に、ハードマスク２と基材１との選択比を利用して凹部４を段階的にエッチングすることができる。したがって、凹部４を多段状に形成することが可能となる。
また、ハードマスク２の部分的な除去を初期凹部形成工程と一括して行うことで、製造工程を簡略化し、生産性を向上させることができる。

また、基材１のエッチングを異方性のドライエッチングにより行うことで、基材１を深さ方向に選択的にエッチングすることができる。

以上説明したように、本実施形態のシリコン構造体の製造方法によれば、内側に段差Ｇ１を有する高アスペクト比の凹部４を高い加工精度で容易に形成することができる。
したがって、内側に複数の段差を有する多段のトレンチ、多段のホールや、トレンチとホールの組合せの構造等の複雑な構造においても、高い加工精度で安定的にシリコンを加工できる。

また、凹部４の形状が崩れたり、不安定な形状になったりすることを防止することができるため、再現性の良好なシリコンの加工が可能になる。さらに、エッチング工程におけるプロセスの変動（製造に影響するパラメータ等の変動）を最小限にすることができるため、大きなプロセスマージン（製造工程におけるパラメータの変動幅）を確保することができる。加えて、高い加工精度で安定してシリコンを加工できることにより、ＭＥＭＳの小型・高性能化、高信頼性化を実現することができる。

＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態について、図１〜図３を援用して説明する。本実施形態では、凹部４の内側に２段以上のｎ段の段差Ｇ１，Ｇ２，…，Ｇｎを形成する点で、上述の第一実施形態で説明したシリコン構造体の製造方法と異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。

（ハードマスク形成工程）
本実施形態のシリコン構造体の製造方法では、第一実施形態において説明したハードマスク形成工程において、ハードマスク２を深さの異なる各底面の深さの差に応じた多段状に形成する。そして、ハードマスク２に凹部４の最深部の底面の平面形状に対応する開口部を形成する。

まず、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示す第一実施形態と同様に、初期凹部４１の底面４１ｂの平面形状に対応した第１エッチング領域（周回領域）４Ｅ１のハードマスク２を薄膜化する。このとき、ハードマスク２は、最も浅い位置に形成される底面４１ｂと、最深部の底面４ｎ＋１ｂとのエッチング深さｄ１，ｄｎ＋１との差に対応する膜厚Ｔ１（１段目）に薄膜化する。

次に、図１（ｅ）に示すようにフォトレジスト３を再形成する。その後、図１（ｆ）に示すように、底面４１ｂよりも１段深い位置に形成する底面４２ｂの平面形状に対応する第２エッチング領域（周回領域）４Ｅ２にフォトレジスト３の開口部３２を形成する。そして、開口部３２に露出されたハードマスク２を底面４２ｂと最深部の底面４ｎ＋１ｂとの間のエッチング深さｄ２，ｄｎ＋１の差に応じた膜厚Ｔ２（２段目）に薄膜化する（図示略）。

これを繰り返すことで、凹部４の最深部の底面４ｎ＋１ｂよりも、１段浅い位置に形成する底面４ｎｂの平面形状に対応するハードマスク２の第ｎエッチング領域（周回領域）４Ｅｎまでを薄膜化する。そして、ハードマスク２を、各底面４３ｂ，…，４ｎｂ，４ｎ＋１ｂの間のエッチング深さｄ３，…，ｄｎ，ｄｎ＋１の差に対応する膜厚Ｔ３（３段目），…，Ｔｎ（ｎ段目）の多段状に薄膜化する（図示略）。

これにより、ハードマスク２のエッチング領域４Ｅの膜厚Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎが、各底面４１ｂ，４２ｂ，…，４ｎｂ，４ｎ＋１ｂの間のエッチング深さｄ１，ｄ２，…，ｄｎ，ｄｎ＋１の差に応じたｎ段の多段状の膜厚に形成される。
このとき、第１エッチング領域４Ｅ１から第ｎエッチング領域４Ｅｎまでの各エッチング領域の間は、第一実施形態と同様に隔壁１ｗの厚さＴｗ分の間隔をあける。

そして、多段状に形成されたハードマスク２を覆うフォトレジスト３を、図１（ｆ）に示す第一実施形態と同様に、凹部４の最深部の底面４ｎ＋１ｂの平面形状に対応する第ｎ＋１エッチング領域４Ｅｎ＋１に対応して開口させ、開口部３ｎ＋１を形成する（図示略）。
次いで、図１（ｇ）に示す第一実施形態と同様に、ハードマスク２を開口させて初期凹部４２の底面４ｎ＋１ｂの平面形状に対応する開口部２ｎ＋１を形成し（図示略）、図１（ｈ）に示すようにフォトレジスト３を除去する。

これにより、凹部４のエッチング領域４Ｅにハードマスク２が形成される。以上の工程により形成されたハードマスク２は、初期凹部４２の底面４ｎ＋１ｂの平面形状に対応する開口部２ｎ＋１を有している。また、多段状の凹部４の各底面４１ｂ，４２ｂ，…，４ｎｂ，４ｎ＋１ｂの間のエッチング深さｄ１，ｄ２，…，ｄｎの差に応じた、ｎ段の多段状の膜厚Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎを有している（図示略）。

（初期凹部形成工程）
次いで、ｎ段の多段状の膜厚Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎを有するハードマスク２の開口部２ｎ＋１を介して、図２（ａ）に示す第一実施形態と同様に基材１をエッチングする。そして、基材１に初期凹部４ｎ＋１を形成し、底面４ｎ＋１ｂを形成する（図示略）。このとき、ハードマスク２の第１エッチング領域４Ｅ１〜第ｎエッチング領域４Ｅｎの膜厚Ｔ１〜Ｔｎを薄膜化し、最も薄い膜厚Ｔｎの部分を除去する。

（エッチング工程）
次に、図２（ｂ）に示す第一実施形態と同様に、隔壁１ｗを残存させた状態で、露出された初期凹部４ｎ＋１の底面４ｎ＋１ｂと、それよりも１段浅い底面４ｎｂに対応する第ｎエッチング領域４Ｅｎに露出された基材１とをエッチングする。これにより、初期凹部４ｎ＋１の底面４ｎ＋１ｂの深さｄｎ＋１と異なる深さｄｎの底面４ｎｂを有する初期凹部４ｎが形成される。このとき、隣接する各初期凹部４ｎ，４ｎ＋１は、隔壁１ｗにより分離されて、それぞれ独立してエッチングされる。

また、初期凹部４ｎの底面４ｎｂの形成と一括して、ハードマスク２の膜厚Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎ−１を薄膜化し、最も薄い膜厚Ｔｎ−１の部分を除去して、第ｎ−１エッチング領域４Ｅｎ−１に基材１の表面１ａを露出させる。
本実施形態では、このエッチング工程を２回以上ｎ回繰り返し行って、深さｄ１，ｄ２，…，ｄｎ，ｄｎ＋１の異なる底面４１ｂ，４２ｂ，…，４ｎ，４ｎ＋１ｂを有する初期凹部４１，４２，…，４ｎ，４ｎ＋１を形成する。

（凹部酸化工程）
次に、図２（ｃ）に示す第一実施形態と同様に、複数の隔壁１ｗを含む初期凹部４１，４２，…，４ｎ，４ｎ＋１の内表面を酸化する。
すなわち、上述の工程により形成された初期凹部４１，４２，…，４ｎ，４ｎ＋１の間に残存した厚さＴｗの隔壁１ｗの各々と、初期凹部４１，４２，…，４ｎ，４ｎ＋１の内表面の厚さＴｏ１の基材１とを酸化して酸化部Ｏｘにする。

（酸化部除去工程）
そして、図２（ｄ）に示す第一実施形態と同様に、酸化部Ｏｘと、基材１の表面１ａのハードマスク２とを一括して除去して凹部４の全体の形状を形成する。
以上の工程により、基材１の凹部形成領域４Ａに、基材１の表面１ａからの深さＤ１，Ｄ２，…，Ｄｎ，Ｄｎ＋１が異なる底面４１ｂ，４２ｂ，…，４ｎｂ，４ｎ＋１ｂが形成される。そして、各底面４１ｂ，４２ｂ，…，４ｎｂ，４ｎ＋１ｂの間に深さＤ１，Ｄ２，…，Ｄｎ，Ｄｎ＋１方向の段差Ｇ１，Ｇ２，…，Ｇｎを有するｎ段の多段状の凹部４が形成される。

以上説明したように、本実施形態のシリコン構造体の製造方法によれば、エッチング工程をｎ回行うことで、凹部４の内側にｎ段の多段状の段差Ｇ１〜Ｇｎを有する高アスペクト比の凹部４を、第一実施形態と同様に高い加工精度で容易に形成することができる。
また、ハードマスク２を部分的に除去する工程を、初期凹部形成工程だけではなくエッチング工程と一括して行うことで、製造工程を簡略化し、生産性を向上させることができる。

尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
上述の実施形態では、多段状のハードマスクを用いて基材をエッチングすることで多段状の凹部を形成したが、ハードマスクは多段状のものに限られない。例えば、まず、均一な膜厚のハードマスクを用いて凹部の最深部の底面を形成し、凹部の内側面に保護膜を形成する。そして、最深部の底面よりも１段浅い底面の形状に合わせた開口部を有するマスクを介して、凹部の底面と凹部の形成領域の基材とをエッチングしてもよい。

また、ハードマスクを部分的に除去する際に、ハードマスクが基材の表面に残っている場合には、その部分をウェットエッチング等により除去してもよい。
また、上述の実施形態では、凹部内側の段差が階段状に形成されている場合について説明したが、凹部内側の段差は、浅い部分と深い部分が交互に形成された凹凸状であってもよい。

（ａ）〜（ｈ）は、本発明の第一実施形態係るハードマスク形成工程を説明する断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第一実施形態係るシリコン構造体の製造工程を説明する断面図及び凹部形成領域の近傍の平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第一実施形態係るシリコン構造体の製造工程を説明する断面図及び凹部形成領域の近傍の平面図である。 従来のシリコン構造体の製造工程を説明する断面図である （ａ）は従来のシリコン構造体の製造工程を説明する断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ部の拡大図である。 （ａ）〜（ｃ）は従来のシリコン構造体の製造工程における問題点を説明する断面図である。

符号の説明

１ 基材、１ｗ 隔壁、２ ハードマスク、４ 凹部、４１，４２ 初期凹部、４Ｅ１ 第１エッチング領域（周回領域）、ｄ１，ｄ２ エッチング深さ（深さ）、Ｇ１ 段差、４１ａ，４２ａ 内側面（内表面）、４１ｂ，４２ｂ 底面（内表面）、Ｏｘ 酸化部、Ｔｏ１ 厚さ

Claims (11)

1. シリコンからなる基材に凹部の一部である初期凹部を形成する初期凹部形成工程と、
   前記初期凹部の内側面の前記基材を隔壁として残存させた状態で、前記初期凹部及び前記初期凹部に隣接する周回領域の前記基材を深さ方向に異方性エッチングして、前記初期凹部を前記深さ方向に掘り下げるとともに、前記周回領域に前記初期凹部と前記隔壁で隔てられた深さの異なる初期凹部を形成するエッチング工程と、
   前記深さが異なる複数の前記初期凹部の内表面と前記隔壁とを酸化して酸化部を形成する凹部酸化工程と、
   前記酸化部を除去して前記凹部の全体の形状を形成し、前記凹部の内側に前記深さ方向の段差を形成する酸化部除去工程と、
   を有することを特徴とするシリコン構造体の製造方法。
2. 前記凹部酸化工程は、前記隔壁を完全に酸化させることを特徴とする請求項１記載のシリコン構造体の製造方法。
3. 前記初期凹部は、前記基材が前記酸化部として除去される厚さ分、前記凹部の内表面よりも前記凹部の内側に形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシリコン構造体の製造方法。
4. 前記凹部酸化工程は、加熱による熱酸化により行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３記載のシリコン構造体の製造方法。
5. 前記エッチング工程をｎ回行って、前記凹部の内側にｎ段の段差を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のシリコン構造体の製造方法。
6. 、
   前記エッチング工程は、異方性のドライエッチングにより行うことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のシリコン構造体の製造方法。
7. 前記酸化部除去工程は、ウェットエッチングにより行うことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のシリコン構造体の製造方法。
8. 前記周回領域は、ハードマスクにより規定することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のシリコン構造体の製造方法。
9. 前記ハードマスクはシリコン酸化物からなることを特徴とする請求項８記載のシリコン構造体の製造方法。
10. 前記ハードマスクを部分的に除去することにより前記周回領域を規定することを特徴とする請求項８または請求項９記載のシリコン構造体の製造方法。
11. 前記ハードマスクを部分的に除去する工程は、前記初期凹部形成工程または前記エッチング工程と一括して行うことを特徴とする請求項１０に記載のシリコン構造体の製造方法。

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