JP2013120800A - 半導体装置の製造方法、半導体エッチングプロセスにおける計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板にマスク材を残した状態でエッチングステップと保護膜堆積ステップとを繰り返すことによりトレンチを掘り下げていくに際し、トレンチの底面および側壁面の保護膜が除去されたそれぞれのタイミングを正確に把握する。
【解決手段】エッチングステップの前後に、プラズマ生成用の放電を止めて、導入ガスを各ステップに応じたガスに完全に置換して反応チャンバ１０内の圧力を所定の値に設定し、かつ、当該放電が止まっている間にプロセスパラメータの設定値を各ステップに応じた値に設定する切替ステップを設ける。そして、切替ステップの後のエッチングステップでは、保護膜２５のエッチングプロセスの進行を反映する特徴的な発光ピーク波長の強度変化を発光分光器１５によってモニタし、モニタした波形から、トレンチ２４の底面および側壁面に堆積した保護膜２５が除去されたタイミングをそれぞれ把握する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法、または、半導体エッチングプロセスにおける計測方法に関する。

出願人は、Ｓｉ深堀エッチング技術において、発光分光計測によるリアルタイムモニタリング技術とフィードバック制御技術を組み合わせてＲＩＥ−ｌａｇを低減させるアイデアを出願している（特願２０１０−７８２５１参照）。

Ｓｉ深堀エッチングでは、表面にマスク材を形成したＳｉ基板をエッチングしてトレンチを形成し、このトレンチの壁面に保護膜を形成し（保護膜形成ステップ）、トレンチ底面の保護膜を除去した後トレンチ側壁面の保護膜が除去されるまでまたＳｉ基板をエッチングする（エッチングステップ）。このように、エッチングステップが実質的に２段階となっていることにより、深さ方向へのエッチングが異方的に進行する。つまり本来、等方的に近いエッチング特性を持つＦ原子等とＳｉとのエッチング反応でも底面の保護膜が除去されてから側壁面の保護膜が除去されるまでの間は深さ方向のみにエッチングが進行することになり、異方性を保つことができる。そして、保護膜形成ステップとエッチングステップとを繰り返し行うことにより、Ｓｉ基板に深いトレンチを形成する。

この出願では、発光分光計測により、プロセス進行中にトレンチ底面、側壁面に形成されたポリマーからなる保護膜が除去されるタイミングを検出することが発明のポイントであり、これに合わせてプロセスパラメータを制御する。

図６は、従来のトレンチ形成のプロセス進行におけるプラズマ中の各原子、分子の発光強度とプロセスパラメータ設定の時間的推移を示した図である。図６（ａ）に示されるように、保護膜形成ステップ後のエッチングステップ開始からＦ原子の発光強度が低下する時点（Ｔ＝ｔ１）を検出することで底面保護膜が除去されるタイミングを検出する。また、図６（ｂ）に示されるように、ｔ１後にＣ_２分子の発光強度が低下して一定レベルになる時点（Ｔ＝ｔ２）を検出することでトレンチの側壁保護膜が除去されるタイミングを検出する。

しかし、この方法を実際に実施する場合には以下の問題点がある。通常のＳｉ深堀エッチング技術は、上記保護膜形成のステップと微小エッチングのステップを、導入ガスをおよそ数秒単位で切り換えながらプロセスを進める。保護膜形成ステップでは、主にＣ_４Ｆ_８ガスを、エッチングステップでは主にＳＦ_６ガスを用いる。

そのため、各ステップの終了から次のステップの開始にかけては導入ガスが完全に切り替わるまでに一定の時間を要し、この間は図６（ｃ）に示されるように２種のガスが混じり合った状態となる。また、各ステップでのプラズマ生成条件は必ずしも同一ではなく、例えば図６（ｄ）に示されるようにステップの切り換えに伴って圧力制御バルブの開度状態やプラズマ生成用ＲＦ電源のマッチングポイントはステップ毎に変えなければならない。これらの調整も各ステップ開始から一定時間を要する。

これらの要因により各ステップ開始直後はプラズマの状態が過渡的であり、底面保護膜除去の瞬間として本来捉えたい波形に対して図６に示すようにノイズ成分となって重畳され、正確なタイミングの検出ができなくなる可能性がある。

また、側壁面上に形成された保護膜の除去については、保護膜の除去時すなわちｔ２時に分解、再結合により生じるＣ_２分子等の発光を計測することになる。しかし、このＣ_２分子等も前の保護膜形成ステップで導入されたＣ_４Ｆ_８ガスが反応チャンバ内に残留するため、上記と同様にノイズ成分となる。

こうした事情によりトレンチ底面の保護膜の除去、側壁面保護膜の除去タイミングが正確に計測できない可能性がある。

そこで、こうした問題点に対処するため、エッチングステップ開始からノイズ混入が懸念される一定時間での計測を止め、一定時間経過後のＦ原子のピークを検出する方法が特許文献１で提案されている。また、エッチングステップ開始から一定時間と終了前一定時間を除いて、中間期間のみで計測して代表値とする方法が特許文献２で提案されている。

これら特許文献１、２では、Ｓｉエッチング中のＦ原子の代表値をモニターしつつ、エッチング先端面が例えばＳｉＯ_２等の下地膜に到達したことを検出することが目的であるため、エッチングステップ開始後の一定時間後に計測するという方法を取っている。

特表２００１−５０１０４１号公報 特開２００３−９２２８６号公報

しかし、上記の特許文献１、２では、発光強度の測定結果にノイズの影響が及ばないようにするため、ステップの切り替え後、一定時間経過後に発光強度を計測している。このため、特許文献１、２に記載の方法では、トレンチの底面や側壁面の保護膜が除去された正確なタイミングを把握することができない。

本発明は上記点に鑑み、トレンチの底面および側壁面の保護膜が除去されたそれぞれのタイミングを正確に把握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、表面（１９ａ）に所定のパターニングを施したマスク材（２３）を形成したＳｉ基板（１９）もしくはＳＯＩ基板を反応チャンバ（１０）内に設置し、当該反応チャンバ（１０）内で放電を起こさせて当該反応チャンバ（１０）内に導入した導入ガスをプラズマ化して基板に照射することにより基板をマスク材（２３）のパターンに従ってエッチングするエッチングステップと、導入ガスを切り換えて反応チャンバ（１０）内で放電を起こさせることによりプラズマ化し、エッチングステップによって基板に形成したトレンチ（２４）の壁面に保護膜（２５）を堆積させる保護膜堆積ステップと、が含まれている。

そして、基板にマスク材（２３）を残した状態でエッチングステップと保護膜堆積ステップとを繰り返すことによりトレンチ（２４）を掘り下げていく半導体装置の製造方法であって、以下の点を特徴としている。

すなわち、エッチングステップの開始前と終了後に、プラズマ生成用の放電を止めて、導入ガスを各ステップに応じたガスに完全に置換して反応チャンバ（１０）内の圧力を所定の値に設定し、かつ、当該放電が止まっている間にプロセスパラメータの設定値を各ステップに応じた値に設定する切替ステップが含まれている。

また、切替ステップの後のエッチングステップでは、保護膜（２５）のエッチングプロセスの進行を反映する特徴的な発光ピーク波長の強度変化を発光分光器（１５）によってモニタし、モニタした波形から、トレンチ（２４）の底面に堆積した保護膜（２５）が除去されたタイミング、および、トレンチ（２４）の側壁面に堆積した保護膜（２５）が除去されたタイミングを把握することを特徴とする。

これによると、保護膜堆積ステップからエッチングステップに移行する際に切替ステップを実行して反応チャンバ（１０）内の導入ガスをエッチングステップに応じたガスに完全に置換しているので、エッチングステップ時には反応チャンバ（１０）内が安定状態になっている。このため、エッチングステップの発光強度の測定結果にノイズの影響が及ばない。したがって、モニタした波形からトレンチ（２４）の底面に堆積した保護膜（２５）が除去されたタイミング、および、トレンチ（２４）の側壁面に堆積した保護膜（２５）が除去されたタイミングをそれぞれ正確に把握することができる。

請求項２に記載の発明のように、エッチングステップでは導入ガスとしてＦ原子を含むガスを用いると共に、Ｆ原子もしくはＳｉＦ_ｘ分子の発光ピーク波長の強度変化をモニタすることができる。

請求項３に記載の発明のように、保護膜堆積ステップでは導入ガスとしてＣ原子を含むガスを用い、エッチングステップではＣ原子もしくはＣ_２分子の発光ピーク波長の強度変化をモニタすることができる。

請求項４に記載の発明のように、保護膜堆積ステップでは導入ガスとしてＯ原子を含むガスを導入ガスとして用い、エッチングステップではＯ原子もしくはＳｉＯ_ｘ分子の発光ピーク波長の強度変化をモニタすることもできる。

請求項５に記載の発明では、エッチングステップの開始前と終了後においてプラズマ生成用の放電を止める時間を、導入ガスの置換もしくはプロセスパラメータの設定に要する時間よりも長く設定することを特徴とする。これにより、エッチングステップに移行する前に、確実に、反応チャンバ（１０）内に安定状態を作り出すことができる。

請求項６に記載の発明では、発光ピーク波長の強度変化をモニタすることにより、保護膜（２５）が除去されたタイミングを把握することについては、保護膜堆積ステップとエッチングステップとの繰り返しを複数回行う中の１回のエッチングステップにおいて行うことを特徴とする。これにより、放電を停止する時間が繰り返されることによってプロセス時間が延びることを最小限に抑えることができる。

上記では、半導体装置の製造方法について述べたが、請求項７〜１２に記載の発明のように、エッチングステップにおける保護膜（２５）のエッチングの進行状況を発光分光器（１５）を用いてモニタリングする半導体エッチングプロセスにおける計測方法としても採用することができる。

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。

本発明の第１実施形態に係るエッチング装置の模式図である。 エッチングプロセスの概要を説明するための各プロセス設定の時間的推移を示した図である。 Ｆ原子のピークの一例を示した図である。 トレンチの形成ステップを示した図である。 第１実施形態に係る各プロセス設定の時間的推移を示した図である。 従来のトレンチ形成における各プロセス設定の時間的推移を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態では、半導体基板にトレンチを形成した半導体装置の製造方法と、その製法において半導体エッチングプロセスの進行状況を把握するための発光強度の計測方法について説明する。まず、本実施形態で用いるエッチング装置の構成について説明する。

図１は、本実施形態に係るエッチング装置の模式図である。この図に示されるように、エッチング装置は、反応チャンバ１０、プラズマ生成用の電源１１、バイアス用の電源１２、エッチングガス用のマスフローコントローラ１３、保護膜堆積用のマスフローコントローラ１４、および発光分光器１５を備えた構成となっている。

真空室を構成する反応チャンバ１０には、ガス導入口１６と排気ポート１７とが備えられている。ガス導入口１６には、エッチングガス用のマスフローコントローラ１３と保護膜堆積用のマスフローコントローラ１４とが接続されている。マスフローコントローラ１３、１４は各種ガスの反応チャンバ１０内への流量を制御する。

また、反応チャンバ１０にはＲＦコイル１８が内蔵されており、ＲＦコイル１８にプラズマ生成用の電源１１から電力供給されることで反応チャンバ１０内にＲＦ電界が発生するようになっている。なお、電源１１には図示しないマッチング装置が接続されている。そして、各ステップに応じて、プラズマ自体のインピーダンスに合わせてバリアブルコンデンサの容量値のＲＦマッチング位置（マッチングポイント）が変更される。

そして、エッチング対象のＳｉ基板１９は、反応チャンバ１０内に配置された設置台２０の上に配置される。Ｓｉ基板１９はＳｉウェハであり、Ｓｉ基板１９の表面１９ａ側にトレンチが形成される。この設置台２０にはバイアス用の電源１２が電気的に接続されているので、Ｓｉ基板１９には所定のバイアスが印加される。なお、設置台２０にはＳｉ基板１９を裏面側から冷却するための冷却用Ｈｅガスが導入される機構になっている。

さらに、反応チャンバ１０には、Ｓｉ基板１９の上方に観測窓２１が設けられている。この観測窓２１に光ファイバ２２が接続されており、この光ファイバ２２は発光分光器１５に接続されている。発光分光器１５は、エッチングプロセスの進行状況を反映する特徴的な発光ピーク波長の強度変化をモニタする。以上が、エッチング装置の構成である。

次に、Ｓｉ基板１９に対するトレンチ形成方法の概要について説明する。トレンチ形成方法を簡単に説明すると、まず、表面１９ａにマスク材を形成したＳｉ基板１９を反応チャンバ１０内に設置する。続いて、反応チャンバ１０内で放電を起こさせて反応チャンバ１０内に導入した導入ガスをプラズマ化してＳｉ基板１９に照射することによりＳｉ基板１９をマスク材のパターンに従ってエッチングする（エッチングステップ）。この後、導入ガスを切り換えて反応チャンバ１０内で再び放電を起こさせることにより導入ガスをプラズマ化し、エッチングステップによってＳｉ基板１９に形成したトレンチの壁面に保護膜を堆積させる（保護膜堆積ステップ）。そして、Ｓｉ基板１９にマスク材を残した状態でエッチングステップと保護膜堆積ステップとを繰り返すことによりトレンチを掘り下げていく。

そして、上記のようにトレンチを形成するに際し、本実施形態では、
（１）エッチングステップの直前の保護膜形成ステップが終了した時点で一旦プラズマ生成用放電をＯＦＦとすること
（２）その後、エッチングステップでの導入ガスの置換、プロセスパラメータの遷移等を完全に終了させた後、放電を再開してエッチングステップを開始すること
を特徴としている。

図２は、時間軸に対して、（ａ）流量ガス、（ｂ）プラズマ生成ＲＦ値、（ｃ）圧力制御バルブ開度、（ｄ）発光強度をそれぞれ示したプロセス設定の時間的推移である。なお、図２（ｂ）の「プラズマ生成ＲＦ値」はプラズマ生成用の電源１１の入力パワーである。

Ｔ＝Ｔ１の時点で保護膜堆積ステップが終了すると、図２（ａ）に示されるように保護膜堆積ステップにおいて反応チャンバ１０に導入されたガスの供給を停止し、反応チャンバ１０に導入するガスをエッチングステップ用の導入ガスに入れ替える。また、図２（ｂ）に示されるように、時点Ｔ１でプラズマ生成ＲＦ値を「０」として放電をＯＦＦとする。さらに、図２（ｃ）に示されるように圧力制御バルブの開度をエッチングステップ用に調整する。その他のプロセスパラメータの設定値についてもエッチングステップ用に変更する。そして、反応チャンバ１０内では放電に起因した反応は起こらないので、図２（ｄ）に示されるように、発光分光器１５で観測される発光強度は０となる。

この後、Ｔ＝Ｔ２の時点からプラズマ生成用の電源１１がＯＮとなり、反応チャンバ１０内で再び放電を起こさせてエッチングステップを開始する。なお、エッチングステップ終了後も上記と同様に導入ガスやプロセスパラメータを変更する。

ここで、放電をＯＦＦとする時点Ｔ１から時点Ｔ２までの期間を切替ステップとする。すなわち、切替ステップでは、プラズマ生成用の放電を止めて、導入ガスを各ステップに応じたガスに完全に置換して反応チャンバ１０内の圧力を所定の値に設定し、かつ、当該放電が止まっている間にプロセスパラメータの設定値を前記各ステップに応じた値に設定する。切替ステップは、エッチングステップの開始前と終了後、すなわち保護膜堆積ステップとエッチングステップとの間、エッチングステップと保護膜堆積ステップとの間にそれぞれ設けられている。

このように、エッチングステップが開始した後の反応チャンバ１０内は過渡状態ではなく、定常状態としたあとで放電を開始してエッチングステップをスタートさせる。過渡状態とは前のステップで用いた導入ガスが反応チャンバ１０に残された状態であり、定常状態とは現在のステップで用いる導入ガスのみが反応チャンバ１０に存在する状態である。これにより、上述したノイズの影響を一切受けずに正確に保護膜除去のタイミングを検出できることを実験的に確認した。

図３は、Ｆ原子のピークの計測例である。上記の手法を用いずに、単に保護膜形成ステップ→エッチングステップ→・・・と、過渡状態を含んだ方法で発光強度を計測すると、図３（ａ）に示されるようにノイズ等の影響を受けてＦ原子の階段状の波形がつぶれてしまったり、計測の再現性が低下する。また、エッチングが進行してトレンチが深くなると計測波形が全体的に歪んで正確なタイミング検出ができなくなる。

一方、上記の手法を用いることで、図３（ｂ）に示されるように、波形のつぶれや歪みがなくなり計測の再現性も得られることがわかった。また、エッチングが進行してトレンチが深くなったときに計測波形の全体的な歪みが生じず、深いトレンチに対しても保護膜除去の正確なタイミングを検出できる。なお、保護膜除去のタイミングは、図３（ｂ）のように発光強度が検出しきい値を下回ることを検出することで把握できる。

続いて、具体的なトレンチ形成について、図４および図５を参照して説明する。上述のように、通常のＳｉ深堀エッチングでは、エッチング対象となるＳｉ基板１９を反応チャンバ１０内に設置した後、保護膜堆積ステップとエッチングステップとを数秒程度、具体的には２秒〜１０秒程度で交互に実施する。

まず、Ｓｉ基板１９の表面１９ａに然るべきパターニングの施されたＳｉＯ_２のマスク材２３が形成されたものを用意し、反応チャンバ１０の設置台２０に設置する。そして、図４（ａ）に示されるように、まずはエッチングステップを実行してＳｉ基板１９にトレンチ２４を形成する。

次に、保護膜堆積ステップを行う。保護膜堆積ステップでは図５（ａ）に示されるようにＣ_４Ｆ_８ガスのみ、あるいはＣ_４Ｆ_８ガスと若干の添加ガス（ＡｒやＯ_２等）の混合ガスを反応チャンバ１０内に導入する。流量は数１００ｓｃｃｍ、具体的には１００ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍ程度であり、プロセス中の反応チャンバ１０内の圧力は１Ｐａ、具体的には１Ｐａ〜１０Ｐａ程度である。そして、プラズマ生成用の電源１１を一定パワーで入力することで、反応チャンバ１０内に導入した導入ガスをプラズマ化する。プラズマ生成用の電源１１は例えば周波数が１３．５６ＭＨｚのものを用い、入力パワーとしては数１００Ｗ〜数ｋＷ程度である。これにより、ＣＦ_ｘ（ｘ＝０〜４）が生成されてＳｉ基板１９の表面１９ａで重合反応を起こさせてフロロカーボン系のポリマー膜を形成する。このポリマー膜が図４（ｂ）に示される保護膜２５である。

この保護膜堆積ステップを所定の時間実施した後、図５（ｂ）に示されるように、時点Ｔ１でプラズマ生成用の電源１１を一旦ＯＦＦとし、切替ステップに移行する。ここで、通常、Ｓｉ深堀エッチング装置ではプラズマ生成用の電源１１とバイアス印加用の電源１２の２系統のＲＦ電源を用いるが、プラズマ生成用の電源１１をＯＦＦしたときはバイアス印加用の電源１２もＯＦＦとする。

次に、エッチングステップを実施するために導入ガスを切り替えてＳＦ_６ガス、あるいはＳＦ_６ガスと若干の添加ガス（ＡｒやＯ_２等）の混合ガスを反応チャンバ１０内に導入する。流量は数１００ｓｃｃｍ、具体的には１００ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍ程度であり、プロセス中の反応チャンバ１０内の圧力は１Ｐａ、具体的には１Ｐａ〜１０Ｐａ程度である。反応チャンバ１０内の導入ガスが完全に入れ替わるのに１秒〜数秒程度要する。この後、反応チャンバ１０内の圧力は然るべき設定値で安定する。

また、切替ステップにおいて、図５（ｃ）に示されるように、チャンバ圧力を調節するバルブ開度やプラズマ生成用の電源１１のマッチングポイントもエッチングステップの実施時の設定値に向かって遷移する。 なお、エッチングステップでのプロセスパラメータの設定値は必ずしも保護膜堆積ステップでの設定値と同一ではない。

この後、図５の時点Ｔ２からエッチングステップを開始する。すなわち、プラズマ生成用の電源１１を再びＯＮして反応チャンバ１０内で放電を起こさせて導入ガスをプラズマ化する。また、バイアス印加用の電源１２もＯＮとする。このバイアス印加用の電源１２は例えば周波数１３．５６ＭＨｚもしくは数１００ｋＨｚ程度のものを用い、数１０Ｗ〜数１００Ｗ程度の入力とする。

時点Ｔ２後のエッチングステップにおいて、反応チャンバ１０内で生じるプラズマからの発光は、観測窓２１から採取されて光ファイバ２２を介して発光分光器１５に導入される。ここで、図５（ｄ）のように各波長成分に分光された上で強度計測される。

エッチングステップが開始され、直前の保護膜堆積ステップで形成されたトレンチ２４の底面上の保護膜２５（ポリマー膜）が除去されてＳｉのエッチング反応がスタートすると、ＳＦ_６プラズマ中のＦ原子濃度が低下する。このため、Ｆ原子に起因する発光ピーク（例えばλ＝６８５．６ｎｍ）の強度は低下する。一方、エッチング反応での反応生成物（ＳｉＦ_４）がプラズマ中で再度解離して生じたＳｉＦ_ｘ分子による発光ピーク（例えばλ＝７７７．０ｎｍ）の強度は増加する。

そして、保護膜堆積ステップからエッチングステップに移行する際に、保護膜堆積ステップで用いる導入ガスとエッチングステップで用いる導入ガスを完全に入れ替えている。このため、これらのピーク強度の低下、あるいは増加は過渡状態に起因するノイズ成分を含まないために非常に明瞭に観測することができる。

これらのピーク強度の変化から図４（ｃ）に示されるようにトレンチ２４の底面上の保護膜２５が完全に除去される時点（Ｔ＝ｔ１）を検出することができ、これをトリガー信号として図５（ｂ）に示されるように例えばバイアス印加用の電源１２の設定値を低下させるフィードバック制御を行うことができる。

なお、図５（ｄ）に示されるように、Ｆ原子とＳｉＦ_ｘ分子の各ピーク強度が変化する時点ｔ１が同じであるので、これら２つのピーク強度から時点ｔ１を検出することにより、トレンチ２４の底面の保護膜２５が完全に除去されたタイミングを正確に把握することができる。

また、Ｃ_２分子に起因する発光ピーク（例えばλ＝５１６．５ｎｍ）は、保護膜２５が分解されて除去される際に、プラズマ中での再解離、結合等により発生すると考えられる。したがって、トレンチ２４の底面上、さらに側壁面上での保護膜２５がエッチング作用によって次第になくなり最終的に側壁面上での保護膜２５が完全に無くなるまで緩やかにピーク強度は低下し、やがて一定となる。もしくはＦ原子のピークの発光強度が２度目の低下を見せる。なぜなら、導入ガスはＳＦ_６に完全に置換された後であるので、Ｃ_２分子は保護膜２５の分解からしか発生しないためである。これらのタイミングを側壁保護膜除去タイミングとして把握することができる。トレンチ２４の側壁面の保護膜２５が除去されると、図４（ｄ）に示されるようにトレンチ２４が深くなる。

トレンチ２４の側壁面の保護膜２５が除去された時点をＴ＝ｔ２としてこれをトリガー信号として例えばエッチングステップを終了することができる。以上のようにして、発光分光器１５によってモニタした波形からトレンチ２４の底面に堆積した保護膜２５が除去されたタイミング（Ｔ＝ｔ１）、および、トレンチ２４の側壁面に堆積した保護膜２５が除去されたタイミング（Ｔ＝ｔ２）をそれぞれ正確に把握することができる。

そして、切替ステップにおいて、再度保護膜堆積ステップに戻るように導入ガス、各プロセスパラメータの設定値を変更するフィードバック制御を行うことができる。こうしたフィードバック制御により、エッチングレートの向上やマスク選択比の向上、あるいは上述のＲＩＥ−ｌａｇの抑制等が可能になる。このように、エッチングステップから保護膜堆積ステップに移行する際も放電を止める切替ステップの期間が存在するので、過渡状態でのノイズによってＣ_２分子のピークが一定値となるタイミングがノイズに埋もれてしまうのを防ぐことができる。

ここで、エッチングステップの前後で放電がＯＦＦとなる時間は、導入ガスの置換もしくはバルブ開度やＲＦマッチングポイントの遷移に必要な時間よりも長く設定する。具体的には１秒〜２秒程度である。これにより、各ステップに移行する前に確実に安定状態を作り出すことができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。上述のように、保護膜堆積ステップとエッチングステップとを繰り返してトレンチ２４を掘り進むエッチング技術において、上記第１実施形態では保護膜２５としてポリマー膜を形成していたが、本実施形態では保護膜２５としてＯ_２プラズマ照射によるＳｉＯ_２膜を形成する。本実施形態においても、図１に示されたエッチング製造装置を用いる。

この場合にもＳｉＯ_２膜が形成される保護膜堆積ステップが終了した時点で一旦、プラズマ生成用の電源１１による放電を止めて次のエッチングステップでのＳＦ_６を主としたガスに切り換えて完全に置換する。そしてチャンバ圧力が安定し、かつこの間にエッチングステップでの各種プロセスパラメータ設定値の変更を終えた後で再度プラズマ生成用の電源１１をＯＮする。

これにより、トレンチ２４の底面上のＳｉＯ_２膜が除去されてＳｉのエッチングがスタートすると、第１実施形態と同様にＦ原子の発光強度が低下し、ＳｉＦ_ｘ分子の発光強度が増加するタイミングを検出することができる。この検出タイミングを、トレンチ２４の底面のＳｉＯ_２膜が除去されたタイミングとして正確に把握することができる。

その後、トレンチ２４の側壁面上のＳｉＯ_２膜が除去される間、ＳｉＯ_ｘ分子の発光強度のピークまたはＯ原子に起因する発光強度のピークが徐々に低下していくことが観測される。この様子は第１実施形態で示されたＣ_２分子の発光強度のピークと同様である。これらの発光強度のピークが低下して一定値となった時点を基準として設定し、これに達したときにトレンチ２４の側壁面上のＳｉＯ_２膜が除去されたタイミングを検出することができる。この検出タイミングを、トレンチ２４の側壁面のＳｉＯ_２膜が除去されたタイミングとして正確に把握することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示されたトレンチ形成の方法は一例であり、上記で示した方法に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、必ずしも毎サイクルで放電を止めて発光強度をモニタリングする必要はなく、フィードバック制御の精度上許容される範囲内で、複数のエッチングステップの実施に対して１回という形で省略しても良い。これは、切替ステップすなわち放電のＯＦＦの時間が繰り返されることによってプロセス時間が延びることを最小限に抑えるためである。

また、上記各実施形態では保護膜２５を一層だけ形成する方法が示されているが、第１の保護膜としてポリマー膜を形成し、この上に第２の保護膜としてＯ_２プラズマ照射によるＳｉＯ_２膜を形成する方法が知られている。この方法では第２の保護膜であるＳｉＯ_２膜を形成した後、通常の第１の保護膜であるポリマー膜による保護膜堆積ステップとエッチングステップとの繰り返しに戻る。したがって、ＳｉＯ_２膜の形成後、保護膜堆積ステップを先に実施する場合と、エッチングステップを先に実施する場合の２通りが考えられる。しかし、どちらの場合においてもエッチングステップの開始前に一旦プラズマ生成用の電源１１をＯＦＦにしてガスの完全置換等を行う切替ステップがあるので、再度プラズマ生成用の電源１１をＯＮにしつつ発光分光計測を行ったとしてもノイズの影響はない。

さらに、上記各実施形態では、トレンチ２４を形成する基板としてＳｉ基板を用いていたが、２枚のＳｉ基板で絶縁層を挟み込んだＳＯＩ基板にトレンチ２４を形成しても良い。

１０ 反応チャンバ
１５ 発光分光器
１９ Ｓｉ基板
１９ａ 表面
２３ マスク材
２４ トレンチ
２５ 保護膜

Claims (12)

1. 表面（１９ａ）に所定のパターニングを施したマスク材（２３）を形成したＳｉ基板（１９）もしくはＳＯＩ基板を反応チャンバ（１０）内に設置し、当該反応チャンバ（１０）内で放電を起こさせて当該反応チャンバ（１０）内に導入した導入ガスをプラズマ化して前記基板に照射することにより前記基板を前記マスク材（２３）のパターンに従ってエッチングするエッチングステップと、
   前記導入ガスを切り換えて前記反応チャンバ（１０）内で放電を起こさせることによりプラズマ化し、前記エッチングステップによって前記基板に形成したトレンチ（２４）の壁面に保護膜（２５）を堆積させる保護膜堆積ステップと、が含まれており、
   前記基板に前記マスク材（２３）を残した状態で前記エッチングステップと前記保護膜堆積ステップとを繰り返すことにより前記トレンチ（２４）を掘り下げていく半導体装置の製造方法であって、
   前記エッチングステップの開始前と終了後に、プラズマ生成用の放電を止めて、前記導入ガスを前記各ステップに応じたガスに完全に置換して前記反応チャンバ（１０）内の圧力を所定の値に設定し、かつ、当該放電が止まっている間にプロセスパラメータの設定値を前記各ステップに応じた値に設定する切替ステップが含まれており、
   前記切替ステップの後の前記エッチングステップでは、前記保護膜（２５）のエッチングプロセスの進行を反映する特徴的な発光ピーク波長の強度変化を発光分光器（１５）によってモニタし、モニタした波形から、前記トレンチ（２４）の底面に堆積した保護膜（２５）が除去されたタイミング、および、前記トレンチ（２４）の側壁面に堆積した保護膜（２５）が除去されたタイミングを把握することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記エッチングステップでは導入ガスとしてＦ原子を含むガスを用いると共に、前記Ｆ原子もしくはＳｉＦ_ｘ分子の発光ピーク波長の強度変化をモニタすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記保護膜堆積ステップでは導入ガスとしてＣ原子を含むガスを用い、
   前記エッチングステップでは前記Ｃ原子もしくはＣ_２分子の発光ピーク波長の強度変化をモニタすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記保護膜堆積ステップでは導入ガスとしてＯ原子を含むガスを導入ガスとして用い、
   前記エッチングステップでは前記Ｏ原子もしくはＳｉＯ_ｘ分子の発光ピーク波長の強度変化をモニタすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記エッチングステップの開始前と終了後において前記プラズマ生成用の放電を止める時間を、前記導入ガスの置換もしくは前記プロセスパラメータの設定に要する時間よりも長く設定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記発光ピーク波長の強度変化をモニタすることにより、前記保護膜（２５）が除去されたタイミングを把握することについては、前記保護膜堆積ステップと前記エッチングステップとの繰り返しを複数回行う中の１回のエッチングステップにおいて行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
7. 表面（１９ａ）に所定のパターニングを施したマスク材（２３）を形成したＳｉ基板（１９）もしくはＳＯＩ基板を反応チャンバ（１０）内に設置し、当該反応チャンバ（１０）内で放電を起こさせて当該反応チャンバ（１０）内に導入した導入ガスをプラズマ化して前記基板に照射することにより前記基板を前記マスク材（２３）のパターンに従ってエッチングするエッチングステップと、
   前記導入ガスを切り換えて前記反応チャンバ（１０）内で放電を起こさせることによりプラズマ化し、前記エッチングステップによって前記基板に形成したトレンチ（２４）の壁面に保護膜（２５）を堆積させる保護膜堆積ステップと、が含まれており、
   前記基板に前記マスク材（２３）を残した状態で前記エッチングステップと前記保護膜堆積ステップとを繰り返すことにより前記トレンチ（２４）を掘り下げていく際に、前記エッチングステップにおける前記保護膜（２５）のエッチングの進行状況を発光分光器（１５）を用いてモニタリングする半導体エッチングプロセスにおける計測方法であって、
   前記エッチングステップの開始前と終了後に、プラズマ生成用の放電を止めて、前記導入ガスを前記各ステップに応じたガスに完全に置換して前記反応チャンバ（１０）内の圧力を所定の値に設定し、かつ、当該放電が止まっている間にプロセスパラメータの設定値を前記各ステップに応じた値に設定する切替ステップが含まれており、
   前記プラズマ生成用の放電を再開して前記エッチングステップを開始し、再度放電を停止して当該エッチングステップが終了するまでに、前記保護膜（２５）のエッチングプロセスの進行を反映する特徴的な発光ピーク波長の強度変化を前記発光分光器（１５）によってモニタし、モニタした波形から、前記トレンチ（２４）の底面に堆積した保護膜（２５）が除去されたタイミング、および、前記トレンチ（２４）の側壁面に堆積した保護膜（２５）が除去されたタイミングを把握することを特徴とする計測方法。
8. 前記エッチングステップでは、当該エッチングステップで用いる導入ガスとしてＦ原子を含むガスを用い、前記Ｆ原子もしくはＳｉＦ_ｘ分子の発光ピーク波長の強度変化をモニタすることを特徴とする請求項７に記載の計測方法。
9. 前記保護膜堆積ステップでは、当該保護膜堆積ステップで用いる導入ガスとしてＣ原子を含むガスを用い、前記Ｃ原子もしくはＣ_２分子の発光ピーク波長の強度変化をモニタすることを特徴とする請求項７に記載の計測方法。
10. 前記保護膜堆積ステップでは、当該保護膜堆積ステップで用いる導入ガスとしてＯ原子を含むガスを導入ガスとして用い、前記Ｏ原子もしくはＳｉＯ_ｘ分子の発光ピーク波長の強度変化をモニタすることを特徴とする請求項７に記載の計測方法。
11. 前記エッチングステップの開始前と終了後において前記プラズマ生成用の放電を止める時間を、前記導入ガスの置換もしくは前記プロセスパラメータの設定に要する時間よりも長く設定することを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１つに記載の計測方法。
12. 前記発光ピーク波長の強度変化をモニタすることにより、前記保護膜（２５）が除去されたタイミングを把握することについては、前記保護膜堆積ステップと前記エッチングステップとの繰り返しを複数回行う中の１回のエッチングステップにおいて行うことを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１つに記載の計測方法。

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