JP6584339B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の製造方法に関する。

半導体素子の製造方法として、プラズマエッチング方法が知られている。プラズマエッチング方法では、チャンバ内でエッチングガスをプラズマ化して半導体基板をエッチングすることにより、半導体素子を製造する。

具体的には、エッチングガスをプラズマ化してラジカル及びイオンを生成する。ラジカルは、半導体基板（のたとえばシリコン原子）と化学反応することにより、半導体基板を化学エッチング（等方エッチング）する。さらに、半導体基板にバイアス電力を印加することにより、イオンが半導体基板に入射し、半導体基板を物理エッチングする。このように、ラジカルによる化学エッチング及びイオンによる物理エッチングにより、半導体基板の表面に形成されたマスクのマスクパターンに応じた溝又は孔（以下、溝孔という）が形成される。

現在、ボッシュ（商標）プロセスと呼ばれる深掘りエッチングにより、より深い溝孔を形成できる。ボッシュ（商標）プロセスでは、Ｃ₄Ｆ₈ガスに代表される保護膜形成ガスをプラズマ化して、溝孔の側壁及び底に保護膜を形成する保護膜形成工程と、ＳＦ₆ガスに代表されるエッチングガスをプラズマ化して、半導体基板に対してバイアス電力を印加して物理エッチングを実施し、溝孔の底の保護膜を除去する除去工程と、エッチングガスをプラズマ化して、溝孔の底を化学エッチングする孔形成工程とを順次繰り返す。

除去工程後の溝孔の底の保護膜は除去されるが、溝孔の側壁の保護膜は維持される。そのため、エッチング工程では、溝孔の底がエッチングされ、側壁ではエッチングが抑制される。以上の工程により、深掘りエッチングでは、側壁のエッチングを抑制しつつ、溝孔の深さ方向にエッチングを進行させることができる。

半導体素子の製造方法では、上述のプラズマエッチングにより、半導体基板に溝孔を形成する。したがって、プラズマエッチングによる溝孔の加工精度の向上が求められている。

特開２００６−０５４３０５号公報（特許文献１）、特開２０１０−２２５９４８号公報（特許文献２）及び特開２０１４−１９５０２７号公報（特許文献３）では、プラズマエッチングによる溝孔の加工精度の向上技術を開示する。

特許文献１では、エッチングの繰り返しにより保護膜が削れた開口近傍部分の溝孔の側壁に、第２保護膜形成工程により、さらに耐エッチング性の高い保護膜を形成する。これにより、マスクの開口近傍部分の溝孔が過剰に拡がるのを抑制でき、加工精度を高める。

特許文献２では、順次繰り返す工程のうち、保護膜形成工程においてシリコン基板にバイアス電力を印加することにより、溝孔の底中央部により厚い保護膜を形成する。そして、除去工程において、エッチングガスとともに保護膜形成ガスをプラズマ化して、かつ、シリコン基板にバイアス電力を印加することにより、底中央部の保護膜部分のエッチングを抑制しつつ、底に形成された保護膜をエッチングする。以上の工程により、溝孔の底面を平坦に近づけ、溝孔の加工精度を高める。

特許文献３では、シリコン基板に対する様々な処理工程により、開口部から底部に向けて縮径した所定のテーパ形状を有する溝孔を形成するエッチング方法を提案する。

以上のとおり、溝孔の形状に応じた加工精度を高めるために、種々のエッチング方法が提案されている。

ところで、通常、溝孔はマスクの開口（マスクパターン）に対応して、半導体基板の表面の鉛直方向に沿って幅又は径（以下、単に幅という）が一定の形状が求められる。このような溝孔の加工精度を向上するためには、マスクに形成された開口の形状が重要となる。マスクに形成された開口の側壁が、半導体基板の鉛直方向に沿って延びる場合、つまり、開口の側壁が鉛直方向に沿って延びる場合、プラズマエッチングにより形成された溝孔の加工精度は高い。

しかしながら、半導体基板に形成されたマスクの開口形状が適切でない場合もある。たとえば、開口の側壁が傾斜している場合（この場合、開口の幅がマスク上面からマスク下面に向かって狭くなるテーパ形状となる）、開口の側壁が凹状に湾曲している場合である。このような不適切な形状の開口を有するマスクを用いてプラズマエッチングを実施すれば、溝孔の加工精度が低下する。たとえば、側壁が上記のとおり傾斜している場合、開口部近傍のマスク厚さは薄い。そのため、エッチング中に開口近傍のマスク部分がエッチングされてしまい、開口が予め設定されたサイズよりも大きくなる。その結果、溝孔の幅が予め設定した値よりも広くなったり、溝孔の側壁の開口近傍部分に鉛直方向に延びる傷（以下、エッチング傷という）が形成されたりする。したがって、マスク形状が不適切であっても、溝孔の加工精度を高く維持できる半導体素子の製造方法が求められる。

特開２０１０−２２５７１２号公報（特許文献４）は、マスクの開口が丸まった形状（開口の側壁が傾斜した形状）となっている場合であっても、高精度なエッチング形状を得ることができるエッチング方法を提案する。この文献に開示されたエッチング方法は、エッチングガスを処理チャンバ内に供給してプラズマ化し、基台にバイアス電位を印加して、シリコン基板をエッチングするエッチング工程と、保護膜形成ガスを処理チャンバ内に供給してプラズマ化し、シリコン基板上に保護膜を形成する保護膜形成工程とを交互に繰り返す。さらに、エッチング工程と保護膜形成工程との繰り返しを実施する前に、エッチングガスを含み保護膜形成ガスを含まない処理ガスを処理チャンバ内に供給してプラズマ化し、エッチング工程よりも長くエッチングする初期工程を含む。この初期工程により、マスク直下の半導体基板部分をマスクの開口よりも広くアンダーカットする。この文献の製造方法を用いた場合、マスク開口の側壁の形状が適切でなくても（特許文献４の例のように開口の側壁が丸まった形状であっても）、溝孔の側壁直上のマスクの厚さを従前よりも厚くできる。そのため、マスクがエッチングされて開口が広がることによる溝孔の加工精度の低下を抑制できる。

特開２００６−０５４３０５号公報 特開２０１０−２２５９４８号公報 特開２０１４−１９５０２７号公報 特開２０１０−２２５７１２号公報

しかしながら、上述の特許文献４で開示される、いわゆるアンダーカットを用いたエッチングを実施した場合であっても、マスクの開口の側壁の形状によっては、加工精度が低下する場合がある。さらに、マスクとして酸化物マスクを使用する場合、エッチングにより半導体基板に溝孔を形成した後に酸化物マスクを除去せず、そのまま半導体素子の一部として使用する場合がある。この場合、アンダーカット量が大きければ、酸化物マスクの直下に導電体等の材料が充填できず、ボイドが発生する場合が生じる。したがって、この方法と異なる他の方法で溝孔の加工精度を高めることが求められている。

本発明の目的は、溝孔の加工精度を高め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。

本実施形態による半導体素子の製造方法は、初期工程と、エッチング工程とを備える。初期工程では、チャンバ内の試料台に、開口を有するマスクが形成された半導体基板を配置し、チャンバ内で保護膜形成ガスをプラズマ化し、かつ、試料台にバイアス電力を印加して、マスクに保護膜を形成する。エッチング工程では、マスクに保護膜が形成された半導体基板をエッチングする。

本実施形態による製造方法では、初期工程において、保護膜形成ガスをプラズマ化することによりマスクに保護膜を形成する。さらに、半導体基板にバイアス電力を印加する。これにより、マスク上に保護膜を形成しつつ、プラズマ化により生成したイオンを用いた物理エッチングにより、開口の底に形成された保護膜を除去する。その結果、マスクの開口の側壁において、開口の幅方向に保護膜が形成される。物理エッチングでは半導体基板の鉛直方向に沿ってエッチングが進むため、開口の側壁に形成された保護膜の側面は半導体基板の鉛直方向（垂直方向）に近づきやすい。要するに、本実施形態では、マスクの開口を補正し、側壁を鉛直方向に近づける。つまり、テーパー形状のマスク開口を、垂直形状に近づけることができる。その結果、エッチング時の開口近傍のマスク部分のエッチングを抑制でき、溝孔の加工精度を高めることができる。

上述の初期工程では、チャンバ内で保護膜形成ガスをプラズマ化して開口の側壁及び底に保護膜を形成しつつ、試料台にバイアス電力を印加して、物理エッチングにより開口の底に形成された保護膜を除去し、開口の寸法を調整する。

好ましくは、エッチング工程では、深掘りエッチングを実施する。

さらに好ましくは、エッチング工程は、次の（Ａ）〜（Ｃ）の工程を（Ａ）〜（Ｃ）の順に繰り返し実施する工程を含む。
（Ａ）前記チャンバ内で保護膜形成ガスをプラズマ化して、前記開口に対応する前記半導体基板の孔の側壁及び底に保護膜を形成する保護膜形成工程、
（Ｂ）前記チャンバ内でエッチングガスをプラズマ化して、前記保護膜のうち、前記底の保護膜部分を物理エッチングにより除去する除去工程、及び、
（Ｃ）前記チャンバ内でエッチングガスをプラズマ化して、前記保護膜部分が除去された前記底に対して化学エッチングを実施する孔形成工程。

好ましくは、初期工程の期間は、保護膜形成工程の期間よりも長い。

この場合、マスクの開口の側壁に形成される保護膜の、幅方向の厚みを厚くすることができる。そのため、マスクの開口の側壁を、半導体基板の鉛直方向（垂直方向）に近づけることができる。

上記製造方法で使用されるマスクは、酸化物からなるマスクであってもよい。

図１は、本実施形態の半導体素子の製造方法に利用されるプラズマエッチング装置の模式図である。 図２（Ａ）は、半導体基板と、半導体基板上に形成されたエッチングマスクとの断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す半導体基板に対してプラズマエッチングを実施して溝孔が形成された半導体基板の断面図である。 図３（Ａ）は、図２（Ａ）と異なるエッチングマスクが形成された半導体基板の断面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す半導体基板に対してプラズマエッチングを実施して溝孔が形成された半導体基板の断面図である。図３（Ｃ）はエッチング傷が形成された溝孔Ｈの開口近傍の側壁の写真画像であり、図３（Ｄ）はエッチング傷が形成された側壁の断面の写真画像である。 図４は、図２（Ａ）及び図３（Ａ）と異なる他の形状のエッチングマスクが形成された半導体基板の断面図である。 図５（Ａ）は、アンダーカットを用いたプラズマエッチングを説明するための半導体基板の断面図であり、図５（Ｂ）は、アンダーカットにより形成された溝孔を含む半導体基板の断面図である。 図６は、酸化物マスクが形成された半導体基板の断面図である。 図７（Ａ）は、本実施形態の製造方法により補正されたマスクを含む半導体基板の断面図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のマスクを用いて形成された溝孔を含む半導体基板の断面図である。 図８（Ａ）は、酸化物マスク上に保護膜を形成した場合の半導体基板の断面図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の溝孔に充填材を充填した場合の半導体基板の断面図である。 図９は本実施形態の製造方法における、バイアス電力と時間との関係を示すタイミングチャート図である。 図１０は本実施形態の製造方法で製造される半導体基板の一例を示す図である。 図１１は、実施例１で形成された、保護膜を含むマスクの断面写真である。 図１２（Ａ）は、実施例２における、従来の製造方法で製造された溝孔の断面写真であり、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）の溝孔の開口近傍の拡大図である。図１２（Ｃ）は、実施例２における、本実施形態の製造方法で製造された溝孔の断面写真であり、図１２（Ｄ）は図１２（Ｃ）の溝孔の開口近傍の拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［プラズマエッチング装置］
初めに、本実施形態の半導体素子の製造方法に使用するプラズマエッチング装置について説明する。本実施形態でいう半導体素子は、集積回路、抵抗、コンデンサだけでなくＭＥＭＳ（センサ、アクチュエータ等）も含む。

図１は、本実施形態の半導体素子の製造方法に利用されるプラズマエッチング装置の一例を示す模式図である。

図１を参照して、プラズマエッチング装置１は、チャンバ２と、ガス供給装置３と、プラズマ生成装置４と、試料台装置５と、排気装置６と、漏斗部材７とを備える。

チャンバ２は、閉塞空間を有する。具体的には、チャンバ２は、チャンバ上部２１と、チャンバ下部２２とを備える。チャンバ上部２１は、プラズマ生成空間ＳＰ１を有する。図１では、プラズマ生成空間ＳＰ１は、上部が円環状の空間である。チャンバ下部２２は、チャンバ上部２１の下に配置され、処理空間ＳＰ２を有する。処理空間ＳＰ２はプラズマ生成空間ＳＰ１の下方に配置され、プラズマ生成空間ＳＰ１とつながる。つまり、閉塞空間は、プラズマ生成空間ＳＰ１と、処理空間ＳＰ２とを有する。チャンバ２内では、プラズマエッチング処理が実施される。

ガス供給装置３は、エッチングガス及び保護膜形成ガスをチャンバ２内のプラズマ生成空間ＳＰ１内に供給する。ガス供給装置３は、複数のガス供給部３１及び３２と、供給管３５とを備える。ガス供給部３１は、エッチングガスをプラズマ生成空間ＳＰ１内に供給する。エッチングガスはフッ素（Ｆ）を含有する。エッチングガスはたとえば、ＳＦ₆ガスである。

ガス供給部３２は、保護膜形成ガスをプラズマ生成空間ＳＰ１に供給する。保護膜形成ガスはたとえば、Ｃ₄Ｆ₈に代表されるフッ化炭素ガスや、ＨＦＯ１２３４ｙｆ等である。本実施形態では一例として、ガス供給部３２はＣ₄Ｆ₈ガスを収納する。しかしながら、使用する保護膜形成ガスはこれらに限定されない。

ガス供給部３１及び３２は、上述のガスの他に、不活性ガスをチャンバ２内に供給してもよい。不活性ガスはたとえばＡｒである。

供給管３５は、ガス供給部３１及び３２を、チャンバ上部２１とつなげる。供給管３５は、各ガス（エッチングガス、保護膜形成ガス）をガス供給部３１及び３２からチャンバ２内（プラズマ生成空間ＳＰ１）に送り出す。

プラズマ生成装置４は、ガス供給装置３からチャンバ２内（プラズマ生成空間ＳＰ１）に供給されたガスを、プラズマ化する。プラズマはたとえば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）である。プラズマ生成装置４は、コイル４１と、高周波電源４２とを備える。プラズマ生成空間ＳＰ１では、ガス供給部３１からエッチングガスが供給される。プラズマ生成装置４は、コイル４１に高周波電力を供給して、エッチングガスをプラズマ化する。

試料台装置５は、試料台５１と、昇降シリンダ５４と、高周波電源５５と、冷却装置５６と、駆動源５９とを備える。試料台５１は、チャンバ下部２２の処理空間ＳＰ２に配置される。試料台５１は、上面の中央に、半導体基板Ｋが載置可能な領域（以下、載置領域という）を備える。載置領域には、静電チャック５２が配置される。

静電チャック５２の上面には、半導体基板Ｋが配置される。静電チャック５２は、半導体基板Ｋの裏面を、電気的に吸着する。つまり、静電チャック５２は、半導体基板Ｋを試料台５１に固定する。

試料台５１は、昇降シリンダ５４と接続される。好ましくは、昇降シリンダ５４は電動式である。この場合、試料台５１の高さを容易に多段階に調整でき、任意の高さに試料台５１を配置できる。駆動源５９は、昇降シリンダ５４と接続され、昇降シリンダ５４を駆動して試料台５１を昇降し、そのストローク内で任意の高さに昇降できる。

試料台装置５はさらに、高周波電源５５と、冷却装置５６とを備える。高周波電源５５は、試料台５１と接続される。高周波電源５５は、試料台５１にバイアス電力を印加する。このバイアス電力により、プラズマ化により生成されたイオンが、試料台５１上の半導体基板Ｋに入射する。

冷却装置５６は、供給管５７と、ガス供給部５８とを備える。ガス供給部５８は、不活性ガスを収納する。図１では、ガス供給部５８は、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを含有する。ガス供給部５８は、Ｈｅガス以外の他の不活性ガスを含有してもよい。

試料台５１はさらに、図示しない内部配管を含む試料台冷却システムを含む。試料台冷却システムは、内部配管に所定の冷媒を導入し、冷媒の温度を管理しながら冷媒を循環させるチラー装置を有する。循環する冷媒の種類は特に限定されないが、フロリナート（登録商標）やガルデン（登録商標）、純水等、任意の冷媒が用いられる。

供給管５７は、ガス供給部５８と静電チャック５２の表面とをつなぐ。ガス供給部５８内の不活性ガス（Ｈｅガス）は、供給管５７を介して静電チャック５２の表面に到達し、外部に流れる。より具体的には、Ｈｅガスは、半導体基板Ｋの裏面と静電チャック５２の表面との間に流れ、エッチング中の半導体基板Ｋを冷却する。

排気装置６は、真空ポンプ６１と、排気管６２とを備える。排気管６２は、チャンバ下部２２と真空ポンプ６１とをつなぐ。排気装置６は、チャンバ２内の気体（ガス）を排気して、チャンバ２内を所定の圧力に調整する。

漏斗部材７は、チャンバ下部２２の処理空間ＳＰ２内に配置される。漏斗部材７は、試料台５１の載置領域の上方に配置される。漏斗部材７は筒状であり、上端から下方に向かって内径が徐々に小さくなるテーパー形状の内周面を有する。そのため、漏斗部材７は、プラズマ生成空間ＳＰ１で生成された未反応のラジカルを、試料台５１の中央に載置された半導体基板Ｋ上に集めやすい。漏斗部材７はなくてもよい。

［本実施形態の半導体素子の製造方法］
［概要］
本実施形態による半導体素子の製造方法を説明する。半導体素子を製造する場合、エッチングマスク（以下、単にマスクという）が形成された半導体基板が準備される。マスクは、レジストマスクであってもよいし、酸化物マスクであってもよい。

マスクが成膜された後、マスクに開口（マスクパターン）が形成される。図２は、半導体基板のマスク近傍での断面図である。図２（Ａ）に示すとおり、マスクＭの開口８０は、側壁８２と底８１とを有する。上面８３と底８１とは実質的に平行である。側壁８２は上面８３と底８１とをつなぎ、かつ、底８１又は上面８３と平行とならず、交差する領域である。

底８１ではマスクＭが除去されており、半導体基板Ｋが露出している。マスクＭが形成された半導体基板Ｋに対して深掘りエッチングを実施し、予め設定された寸法形状の溝又は孔（溝孔）を形成する。

図２（Ａ）に示すとおり、開口８０の側壁８２が半導体基板Ｋの表面の鉛直方向ＮＫ（つまり、プラズマエッチング装置１の鉛直方向）方向に延びていると仮定する。この場合、図２（Ｂ）に示すとおり、深掘りエッチング（ボッシュ（商標）プロセス）により、予め設定された幅Ｗを有する溝孔Ｈが形成される。

上述のとおり、開口８０の側壁８２が鉛直方向ＮＫに沿っていれば、予め設定された幅Ｗを有する設計どおりの溝孔Ｈが形成される。しかしながら、マスクＭの開口８０が常に図２（Ａ）のような理想的な形状を有するとは限らない。

図３は、図２と異なる他の形状のマスクＭを有する半導体基板の断面図である。図３〜図８においては、開口８０の中心軸Ｃの右半分の断面図のみを示す。たとえば、図３（Ａ）に示すとおり、開口８０が、マスクＭの上面から底８１に向かって徐々に幅が狭く形成されてしまう場合もある。この場合、開口は順テーパー形状となり、側壁８２が傾斜している。

このような不適切な形状の開口８０を有するマスクＭを用いて深掘りエッチングを実施する場合、溝孔Ｈの加工精度が低下する。具体的には、深掘りエッチングを進めるにしたがい、図３（Ｂ）のように、傾斜した側壁８２の上面及び側面がエッチング中に削られてしまう。

この場合、マスクＭの開口８０の幅が予め設定された幅よりも広くなる。そのため、深掘りエッチングにより形成される溝孔Ｈの幅もＷからＷＡに拡がってしまい、加工精度が低下する。さらに、マスクＭの開口の最下部が除去されることにより、溝孔Ｈの開口近傍の側壁には、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）に示すような、鉛直方向ＮＫに延びる複数のエッチング傷が形成されてしまう。図３（Ｃ）はエッチング傷が形成された溝孔Ｈの開口近傍の側壁の写真画像であり、図３（Ｄ）はエッチング傷が形成された側壁の断面の写真画像である。

このような溝孔Ｈの加工精度の低下、及び、エッチング傷の発生は、図４に示すように、マスクＭの側壁８２が凹状に湾曲している場合にも同様に生じる。更に、図示しないが、図３とは逆に、開口８０が、マスクＭの上面から底８１に向かって徐々に幅が広く形成されてしまう場合（逆テーパー形状）にも、溝孔Ｈの加工精度の低下、及び、エッチング傷の発生が生じる。

このような加工精度の低下を抑制する方法として、上述の特許文献４で開示されたとおり、深掘りエッチング初期にアンダーカットを実施する方法がある。この方法では、図５（Ａ）に示すとおり、プラズマエッチングの初期において、ラジカルと半導体基板Ｋとの化学反応による化学エッチング（等方エッチング）を実施し、マスクＭの開口８０よりも広い幅Ｗの溝孔Ｈを形成する。このとき、幅Ｗが予め設定された幅となるように、アンダーカット量を決定する。初期の溝孔Ｈを形成した後、深掘りエッチングで鉛直方向ＮＫに溝孔Ｈを掘り下げ、図５（Ｂ）に示すように、予め設定された幅Ｗの溝孔Ｈを形成する。

しかしながら、アンダーカットによる溝孔Ｈの形成方法にも、次の問題点がある。たとえば、マスクＭが酸化物マスクである場合であって、溝孔Ｈを形成した後にも酸化物マスクＭを除去せず、そのまま半導体素子の一部（たとえば絶縁層）として活用する場合がある。たとえば、図６に示すとおり、溝孔Ｈを形成した後、酸化物マスクＭを除去することなく、絶縁体又は導電体の材料層１５０を溝孔Ｈ周辺に形成する。このとき、酸化物マスクＭと溝孔Ｈとの境界に段差が残っていれば、段差部分の領域に材料が充填しきらず、ボイド２００が発生する。このようなボイド２００は好ましくない。さらに、アンダーカットを利用した場合であっても、マスクの開口形状が適切でなければ、加工精度が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、不適切な開口形状を有するマスクＭを前提として深掘りエッチングを実施する上述のアンダーカットとは異なり、深掘りエッチングを実施する前に、不適切な開口形状のマスクＭを補正して適切な形状に近づける。

図７は、本実施形態の半導体素子の製造方法の一例を説明するための模式図である。図７（Ａ）を参照して、本実施形態では、半導体基板Ｋに対して深掘りエッチングを実施する前に、不適切な開口形状（本例では側壁８２が傾斜している）を有するマスクＭに対して保護膜９を形成する。このとき、プラズマエッチング装置１のチャンバ２内に保護膜形成ガスを導入し、プラズマ化する。さらに、試料台５１にバイアス電力を印加する。

この場合、保護膜形成ガスのプラズマ化によりラジカル及びイオンが生成する。ラジカルから重合物が生成してマスクＭの上面及び開口８０の側壁８２に堆積し、保護膜９が形成される。一方、プラズマ化により生成したイオンは、バイアス電力の印加により、鉛直方向ＮＫに進んでマスクＭの上面及び底８１に形成された保護膜を物理エッチングする。物理エッチングでは、鉛直方向ＮＫにエッチングが進む。そのため、図７（Ａ）に示すとおり、保護膜９のうち、底８１に堆積した部分は除去されるものの、傾斜した側壁８２上に堆積した部分は残存する。つまり、保護膜９は側壁８２上に幅方向Ｗに堆積する。そして、新たに形成された開口８０の側壁９２は、上記物理エッチングにより、鉛直方向ＮＫに近づく。つまり、テーパー形状であった開口８０が、垂直形状に近づく。この現象は、図４に示すマスクＭの側壁８２が凹状に湾曲している場合や、図示しない開口８０が逆テーパー形状の場合も同様である。

つまり、本実施形態では、保護膜形成と同時に物理エッチングを実施して、底８１の保護膜を除去し、かつ、鉛直方向ＮＫに沿った側壁９２を形成する。これにより、開口８０の形状を補正し、適切な形状に近づける。

マスクＭを保護膜９により補正した後、補正されたマスクＭを用いて深掘りエッチングを実施する。この場合、補正されたマスクＭの側壁９２は従前の側壁８２よりも鉛直方向ＮＫに近づいている。つまり、テーパー形状であった開口８０が、垂直形状に近づいている。そのため、深掘りエッチングを継続しても、側壁９２はエッチングされにくい。その結果、予め設定された幅Ｗの溝孔Ｈを形成しやすく、加工精度を高めることができる。

深掘りエッチング後に酸化物マスクＭを残存させる場合においても、本実施形態の製造方法は有用である。

図８（Ａ）に示すとおり、酸化物マスクＭ上に保護膜９を形成する。このとき、保護膜９の側壁９２は、酸化物マスクＭの側壁８２よりも開口８０の内側に形成される。

保護膜９を含む補正されたマスクＭを用いて、図８（Ａ）に示すように、アンダーカットエッチングを実施する。アンダーカットエッチングによりスキャロップサイズを大きくとることができるため、エッチレートを高くすることができる。

補正されたマスクＭを用いた場合、アンダーカットエッチングを実施しても、溝孔Ｈの幅はＷ、つまり、マスクＭの幅と同じにすることができる。さらに、溝孔Ｈを形成した後、保護膜９を除去すれば、溝孔ＨとマスクＭとの境界に段差が生じないように、保護膜９の幅を調整することもできる。この場合、図８（Ｂ）に示すとおり、保護膜９を除去した後、溝孔Ｈの側壁に導電体等の材料層１５０を形成しても、図６に示すようなボイド２００の発生が抑制される。

以下、本実施の形態による半導体素子の製造方法について詳述する。

［製造方法の詳細］
本実施形態の半導体素子の製造方法は、保護膜９を形成してマスクＭを補正する初期工程と、補正されたマスクＭを用いて半導体基板をエッチングするエッチング工程とを備える。以下、エッチング工程の一例として深掘りエッチングする場合の製造方法を詳述する。しかしながら、エッチング工程は深掘りエッチングに限定されない。

［初期工程］
初期工程では、初めに、開口８０を有するマスクＭが形成された半導体基板Ｋを準備する。マスクＭは、周知の方法で形成される。マスクＭがレジストマスクである場合、フォトレジストをスピンコート装置で塗布して形成される。マスクＭは酸化物マスクであってもよい。酸化物マスクの成膜方法はたとえば、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）や、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）等の蒸着法である。酸化物マスクの材質はたとえば、ＳｉＯ₂である。マスクＭを形成した後、周知の方法で、エッチングマスクにマスクパターン（開口）を形成する。

続いて、開口８０を有するマスクＭが形成された半導体基板Ｋを試料台５１の上面（載置領域）に載置する。半導体基板Ｋは、静電チャック５２により試料台５１に固定される。半導体基板Ｋは、静電チャック５２に代えて、機械クランプで試料台５１に固定されてもよい。

試料台５１に載置された半導体基板Ｋの裏面をガス供給部５８から供給されるガス（Ｈｅガス）で冷却し、かつ、試料台５１を試料台冷却システムで冷却する。半導体基板Ｋを試料台５１に載置し、上記のとおり冷却しながら、保護膜９の形成による開口８０の補正を開始する。

図９は、本実施形態の製造方法の時間と試料台５１に印加されるバイアス電力との関係を示すタイミングチャートである。図１及び図９を参照して、初期工程ＢＥでは、ガス供給部３２から保護膜形成ガスをチャンバ２内のプラズマ生成空間ＳＰ１に供給し、プラズマ化する。プラズマによって生成したラジカルから重合物が生成されて、マスクＭの上面８３、開口８０の側壁８２及び底８１に堆積し、保護膜９を形成する。

さらに、初期工程ＢＥでは、試料台５１にバイアス電力が印加される。そのため、プラズマによって生成したイオンがバイアス電力により半導体基板Ｋに、鉛直方向ＮＫに入射し、物理エッチングを実行する。この物理エッチングにより、マスクＭの上面８３及び底８１に形成された保護膜９が除去され、底８１では半導体基板Ｋが露出する。以上のとおり、保護膜９を形成する際にバイアス電力を試料台５１に印加することにより、底８１の保護膜９を除去しつつ、側壁８２上に保護膜９を堆積して、鉛直方向ＮＫに側壁９２を形成する。

初期工程ＢＥで用いる保護膜形成ガスは、後述するエッチング工程内の保護膜形成工程Ａで用いる保護膜形成ガスと同一のガスが望ましい。供給するガスの種類を削減でき、（別の反応性生成物が生成されるなど）エッチング工程に与える影響を低減するためである。また、マスクＭに形成される保護膜９と、エッチング工程で形成されるエッチング側壁保護膜が、酸素プラズマにより同時に除去可能であるためである。さらに、マスクＭとしてレジストマスクを用いた場合、マスクＭ自体も同時に除去可能となる。

［エッチング工程］
初期工程により補正されたマスクＭを形成した後、エッチング工程ＥＰ（図９参照）を実施する。本例では、エッチング工程の一例として、深掘りエッチング工程を詳述する。

［深掘りエッチング工程］
深掘りエッチング工程は、各々所定期間の保護膜形成工程Ａ、除去工程Ｂ、及び孔形成工程Ｃとを、Ａ〜Ｃの順に実施する工程を含む。深掘りエッチング工程は、ボッシュ（商標）プロセスとも呼ばれる。

［保護膜形成工程Ａ］
保護膜形成工程Ａでは、ガス供給部３２から保護膜形成ガスをチャンバ２内のプラズマ生成空間ＳＰ１に供給し、プラズマ化する。プラズマによって生成されたラジカル重合物は孔のエッチングマスク上、側壁、及び底に堆積し、保護膜９を形成する。なお、保護膜形成工程Ａの所定期間内で、その終了前の一定期間に、チャンバ２内のガスを置換する工程を実施してもよい。ガス置換工程では、チャンバ２内の排気を強めたり、その後の工程で使用するエッチングガス（ＳＦ₆ガス）をチャンバ２内のプラズマ生成空間ＳＰ１に供給したりする。

［除去工程Ｂ］
保護膜９を形成した後、除去工程を実施する。なお、除去工程Ｂの所定期間内で、その開始後の一定期間に、チャンバ２内のガスを置換する工程を実施してもよい。ガス置換工程では、除去工程Ｂの工程で使用する、一定期間後よりも大流量のエッチングガス（ＳＦ₆ガス）をチャンバ２内のプラズマ生成空間ＳＰ１に供給する。要するに、工程間でガスが変わる場合、各工程所定期間内の最後又は最初の一定期間にガス置換を確実に行える工程を設けても良い。エッチングガスから保護膜形成ガス（Ｃ₄Ｆ₈）に変わる場合に、同様に適用してもよいことは、言うまでも無い。

除去工程Ｂでは、エッチングガスを供給した後、コイル４１及び試料台５１に高周波電力を印加する。コイル４１への高周波電力の印加により、エッチングガスがプラズマ化される。

試料台５１にバイアス電位を印加することにより、プラズマ化により生成したイオンが半導体基板Ｋに入射する。イオンによる物理エッチングにより、開口８０又は溝孔Ｈの底に形成された保護膜９を除去する。

［孔形成工程Ｃ］
開口８０又は溝孔Ｈの底の保護膜を除去した後、孔形成工程Ｃを実施する。ガス供給部３１からチャンバ２内のプラズマ生成空間ＳＰ１に供給されたエッチングガスを、プラズマ生成空間ＳＰ１でプラズマ化する。開口８０又は溝孔Ｈの底において化学エッチングが進行する。このとき、側壁９２又は溝孔Ｈの側壁には保護膜９が残存するため、エッチングが抑制される。以上の工程により、鉛直方向ＮＫへの深掘りが進行する。孔形成工程Ｃの後、再び保護膜形成工程Ａを実施する。

以上のとおり、深掘りエッチング工程では、（Ａ）保護膜形成工程、（Ｂ）除去工程、（Ｃ）孔形成工程を順次繰り返して深掘りを行い、溝孔Ｈを形成する。

上述の工程を実施して半導体基板Ｋに所望の溝孔Ｈを形成した後、周知の工程を経て、半導体素子が製造される。上記製造方法では、初期工程ＢＥにおいてマスクＭの開口８０は補正されている（図７（Ａ）参照）。補正されたマスクＭの側壁９２は鉛直方向ＮＫに十分な厚さを有する。そのため、深掘りエッチング中に開口８０近傍の側壁９２がエッチングされにくい。その結果、予め設定された幅Ｗを有する溝孔Ｈを形成しやすく、溝孔Ｈの開口近傍の側壁にエッチング傷が形成されにくい。

図９に示すとおり、初期工程ＢＥの期間は、深掘りエッチング中の保護膜形成工程Ａの期間よりも長い。したがって、初期工程ＢＥで形成される保護膜９は、保護膜形成工程Ａで形成される保護膜よりも厚い。

たとえば、初期工程ＢＥの期間は１０秒以上であるのに対して、保護膜形成工程Ａの期間は０．５秒〜５秒程度である。つまり、初期工程ＢＥの期間は、保護膜形成工程Ａの期間の２倍以上長い。製造時間を考慮すれば、初期工程ＢＥの期間の好ましい上限は５分であり、初期工程ＢＥの期間は、保護膜形成工程Ａの期間の２〜６０倍長い。

本実施形態の製造方法は、従前のレジストマスク、及び酸化物マスクでは形成しにくい、幅の狭い開口も形成できる。図１０を参照して、予め狭い幅の開口８５をマスクＭに形成する。次に、上記初期工程ＢＥを実施して、開口８５の側壁８２に保護膜９を形成する。側壁８２上への保護膜９の堆積量を調整することにより、補正後の開口８５の幅を調整することができる。

図１０に示すような幅が顕著に異なる複数の開口８０、８５を有するマスクＭを用いて深掘りエッチングを実施すれば、各溝孔を異なる深さに調整することもできる。深堀エッチングを実施したとき、幅が広い開口８０により形成された溝孔は、幅が顕著に狭い開口８５により形成された溝孔よりも深くなる。このような、深さの異なる溝孔の形成も、本実施形態の初期工程により開口の幅を調整することで実現できる。

図９を参照して、上述の製造方法では、初期工程ＢＥ後に保護膜形成工程Ａを実施している。しかしながら、初期工程ＢＥで既に保護膜９が形成されるため、初期工程ＢＥの後、保護膜形成工程Ａ及び除去工程Ｂを実施せず、孔形成工程Ｃを実施してもよい。また、初期工程ＢＥ後に除去工程Ｂを実施してもよい。要するに、初期工程ＢＥ後、エッチング工程が、保護膜形成工程Ａ、除去工程Ｂ、孔形成工程Ｃの順で実施する工程を含んでいればよい。

上述の製造方法では、エッチング工程の一例として深掘りエッチングを説明した。しかしながら、本実施形態の製造方法は、深掘りエッチング以外の他のエッチング工程を実施してもよい。

本製造方法で使用される半導体基板は、シリコン基板に限定されない。半導体基板はＳｉＣ基板であってもよい。

上述の実施形態では、図１に示す誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）のプラズマエッチング装置１を使用している。しかしながら、本製造方法に使用するプラズマエッチング装置は、ＩＣＰ式に限定されない。

上述の本実施形態の半導体素子の製造方法の初期工程を実施し、図７（Ａ）に示すような、補正されたマスクＭを形成可能か否かを確認した。図１に示すプラズマエッチング装置を用い、初期工程を実施した。保護膜形成ガスとしてＣ₄Ｆ₈ガスを使用した。初期工程時の保護膜形成ガス流量を１５０ｓｃｃｍ、チャンバ内の圧力を２．０Ｐａ、プラズマ化時のコイル４１の出力を２０００Ｗ、バイアス電力を４０Ｗとし、初期工程期間を１．５分、及び、３．０分とした。

図１１は、上記初期工程後の半導体基板のマスク近傍の断面写真である。図１１（Ａ）は、初期工程期間が１．５分の場合であり、図１１（Ｂ）は３．０分の場合を示す。図１１を参照して、いずれの場合においても、マスクＭの両側壁に保護膜９が形成された。さらに、開口８０の底８１には保護膜９が形成されておらず、初期工程時の物理エッチングにより、底８１に形成された保護膜９が削除されていることが確認できた。

さらに、図１１（Ａ）に示すとおり、初期工程期間が１．５分の場合に形成される保護膜９の厚さが０．４５μｍであるのに対して、図１１（Ｂ）に示すとおり、初期工程期間が3.0分の場合に形成される保護膜９の厚さは０．８９μｍと、ほぼ倍であった。したがって、初期工程期間を調整することにより、保護膜９の厚さ、及び開口８０の幅を調整できることを確認できた。

酸化物マスクＭが形成された半導体基板を用いて、比較例として深掘りエッチング初期にアンダーカットを実施し、その後、深掘りエッチングを継続した。さらに、本発明例として、図８（Ａ）に示すとおり、保護膜９を酸化物マスクＭ上に形成した後深掘りエッチングを実施した。

具体的には、本発明例では、初期工程時の保護膜形成ガス（Ｃ₄Ｆ₈）流量を１５０ｓｃｃｍ、チャンバ内の圧力を２Ｐａ、プラズマ化時のコイル４１の出力を２０００Ｗ、バイアス電力を６０Ｗとし、初期工程期間を３分とした。

本発明例、比較例ともに、保護膜形成工程Ａでは、処理時間を２．５秒とし、保護膜形成ガス（Ｃ₄Ｆ₈）流量を４００ｓｃｃｍ、チャンバ２内の圧力を６Ｐａ、プラズマ化時のコイル４１の出力（高周波電力）を２５００Ｗ、バイアス電力を０Ｗとした。除去工程Ｂでは、処理時間を２．５秒とし、エッチングガス（ＳＦ₆）流量を４００ｓｃｃｍ、チャンバ２内の圧力を４Ｐａ、高周波電力を２５００Ｗ、バイアス電力を９０Ｗとした。孔形成工程Ｃでは、処理時間を３．０秒とし、エッチングガス（ＳＦ₆）流量を４００ｓｃｃｍ、チャンバ２内の圧力を８Ｐａ、高周波電力を２５００Ｗ、バイアス電力を３０Ｗとした。

図１２（Ａ）はアンダーカットを実施した半導体基板の溝孔付近の断面図であり、図１２（Ｂ）は開口近傍の拡大図である。図１２（Ｃ）は本発明例の半導体基板の溝孔付近の断面図であり、図１２（Ｄ）は開口近傍の拡大図である。

図１２を参照して、アンダーカットを実施した場合（図１２（Ａ）、（Ｂ））、酸化物マスクと半導体基板との境界で、７９０ｎｍの段差が確認された。一方、本発明例の場合（図１２（Ｃ）、（Ｄ））酸化物マスクと半導体基板との境界での段差を形成することなく、溝孔を形成できた。したがって、酸化物マスクを半導体素子の一部に含める場合、本実施形態の製造方法を用いれば、図６のような材料のボイド２００が形成されにくくなることを確認できた。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

例えば、通常は望ましくないとされるマイクロローディング効果（マスクパターンの粗密によりエッチング速度が異なる現象）を逆に利用して、マスク開口寸法を保護膜で調整することにより、所望の溝孔の加工精度を高めることもできる。即ち、同一寸法を有する複数のマスク開口に対し、それぞれの開口寸法を調整して、より細い溝孔を形成したり、異なる寸法を有する複数のマスク開口に対し、それぞれの開口寸法を調整して、エッチング深さが更に異なる溝孔を形成できることができる。

１ プラズマエッチング装置
２ チャンバ
５１ 試料台
Ｋ 半導体基板

Claims (3)

1. チャンバ内の試料台に、開口を有するエッチングマスクが形成された半導体基板を配置し、前記チャンバ内でフッ化炭素ガス又はＨＦＯ１２３４ｙｆである保護膜形成ガスをプラズマ化し、かつ、試料台にバイアス電力を印加して、前記エッチングマスクに保護膜を形成する初期工程と、
   前記初期工程後、前記エッチングマスクに前記保護膜が形成された前記半導体基板をエッチングするエッチング工程とを備え、
   前記初期工程では、前記チャンバ内で前記保護膜形成ガスをプラズマ化して前記開口の側壁及び底に前記保護膜を形成しつつ、前記試料台に前記バイアス電力を印加して、物理エッチングにより前記開口の底に形成された前記保護膜を除去し、
   前記エッチング工程は、次の（Ａ）〜（Ｃ）の工程を（Ａ）〜（Ｃ）の順に繰り返し実施する工程を含む、半導体素子の製造方法。
   （Ａ）前記チャンバ内で保護膜形成ガスをプラズマ化して、前記開口に対応する前記半導体基板の孔の側壁及び底に保護膜を形成する保護膜形成工程、
   （Ｂ）前記チャンバ内でエッチングガスをプラズマ化して、前記保護膜のうち、前記底の保護膜部分を物理エッチングにより除去する除去工程、及び、
   （Ｃ）前記チャンバ内でエッチングガスをプラズマ化して、前記保護膜部分が除去された前記底に対して化学エッチングを実施する孔形成工程。
2. 請求項１に記載の半導体素子の製造方法であって、
   前記初期工程の期間は、前記保護膜形成工程の期間よりも長い、半導体素子の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体素子の製造方法であって、
   前記エッチングマスクは、酸化物からなるエッチングマスクを含む、半導体素子の製造方法。