このような、エッチングと保護膜形成を繰り返すマノレチステッフゴッチング法を用いれ ば、その繰り返しステッフ数とともにサイドェ・ノチングの」ミきさを減少させることができ る．繰り返し回数をn回、単一条件でしリサイドコニ・ソチングの大きさをaとすると、マルチ ステッフでのサイドエッチング（b）は単純に、
b＝a／n
となる
なお、このようなマルチステッフ法では、種々のエッチング条件と保護膜形成条1 ｛二の組 み合わせが利用できる16），保護膜形成にはSi基板の酸化だけでなく、積極的に堆積膜を 形成するガスを導入することも可能である．なお、エッチング中に定常的に保1言董膜を形成 すると、エッチング底面の反応も常時阻害されてエッチング速度の低ドを招くので、：］1ッ チングと保護膜のステップは明確に分離する必要がある、このような方法については、図
3．4に示すような例によって、本研究では検討を行ったP
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r）1
1 ：Si戊産板
2：エッチングマスク 5：Si溝
6 ：Si『苫iθ功這【面
7、8、10：耐エッチング個，被膜
b1：サイドエッチングtlt；
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2
1°図3．3の41・1のエッチングステッフをさらに8回に倍増した形状を図3．5に示す、（1）
のエッチング直後のSi孔内面は保護膜が付着している影響で比較的滑らかな状態である kうに見える これを、フッ酸溶液（HF：H20−1：lo）で洗浄して表面のSiO2を全て 取り除くと、（2）の1：うに、各ステッソの痕跡である波状の形が側壁にできていることが わかる
（1） （2）
」一一一11μm 図3．5 8ステップのエッチングと7ステップの側壁保護膜形成で形成 された深さ4μmのSi孔 （1）エッチング後 （2）フッ酸洗浄後
このようなマルチステッフエッチング方法は、近年ではASE（Advanved Silicon
Etching）などと称してMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）分野への応用が盛ん にな・・ている17）20）、、Bosch社が1992年に開発し1995年に製品化したエッチングプロセス1718｝は、LSF，；ガスによるエッチングとCIF8ガスによるテフロン系の保護膜形成を繰り 返す方法であるLtエッチング装置としては、 ICP（lnductively Coupled Plasma）の高密 度フラズマェッチング装置を用いて、数十μm／minの高速エッチングまで可能にしてい る19201、、主た、非常に深いエッチングを行う際には、アスベクト比依存性によってエッチ ング速度が低ドするために、側壁上部の保護膜をさらに強化して掘り進む技術も検討され ている19）この方法は、Dual sidewall protectiollと呼ばれ、図3．6に示すように、深溝 の上部の側壁は、本研究で行った方式と同様にプラズマ酸化によるSio2膜で保護効果を高 めている
74
（a）ASE process
Pol｝nlcrlc la＞cr
Secondary protection layer（SiO21ayer）
（b）Secondary protection layer formation process
（c）ASE process （d）Secondary protection layer formation process
図3．6 Dual sidewall protection法19）
このようなエッチングを用いて、MEMSではSi基板に幅が約10μmの貫通孔を形成す
るような高速の深孔加工が検討されている20），貫通孔のような応用例では、側壁の波状の 痕跡は特に問題とはならない．しかし、半導体デバイスのトレンチキャハシタのような、0．1μm以下の微細幅の孔を形成する場合には、波状の面荒れ状態が問題になる可能性が 高い一このような場合には、側壁保護フロセスを秒単位で高速に切り替えるようなマルチ ステッフ法が必要になり、エッチングチャンバ内のガス雰囲気を速やかに排気して切り替 えることのできる高速排気型のエソチング装置121が有効になると考えられる．
75
3．2．2 成膜とエッチングプロセスを組み合わせたマルチステップ法
側壁の薄膜パターン｛t、CVD（Chemical Vap（）r Deposition）にkろ堆積膜の厚さで寸 法を制御できるため、数ナノメータレベルのパターンを形成することが可能である一これ をエッチングマスクにして微細加Ilを行えば、ポトリソグラフィの加工寸法レベルを凌ぐ 超微細ハタ…ンを形成することがn∫能になる 図3．7に、側壁Si．，N，パターンをマスクに
してSi基板のエッチンクを行った例を示す251
Si3 N4
MQsk
皇？円。ved）
Si
− 1μm
︑ノ
＼ ＼
Si
Fine PQttern
＼
−
5メ」m
図3．7 側壁Si3N，パターンをマスクにしたSi基板のエッチング2・5）
76
側壁形成フロセスを利用したこのマルチステッフェッチングでは、まず通常のポトリソ グラフィによって犠牲層となるハターンを形成する この犠牲層パターンの側壁は垂直に なるようにエッチングする必要があり、ここでは厚さ0．15μmのSio2膜をドライエッチ ングで加工して形成した、その上にcVDにk・）てShNl膜をo．1μm堆積し、さらにShM の高選択異方性エッチングによ／）てSi3N1側壁を形成ナる フッ酸溶液で犠牲層のSiO2 を除去すると、ShN1の微細ハターンができる このハターンの幅はSi，INt堆積膜1亨：であ るO． 1 Xt mとなる．これをエッチングマスクとしてSi基板の高選択異方↑弓三エッチングを行 うと、犠牲層パターンの輪郭部のみの微細フ・1 ンスハタ…ンが図のように形成できる こ こで用いたSiドライエッチング条件は、2．2．4節で述べたCCI ，＋02ガスによる選択 比がほぼ無限大となる条件である エッチング面にはこのエッチング朱件特有の堆積物に
よる微小針状突起が見られる、，図3．7（2）の輪 郭部フェンスハターンのアスペクト比は、幅0．1
μm、深さ2．5μmであることから、25である．
アスヘクト比が大きいため、断面観察用にウ1−一 ハを壁開した際のハターン傾斜や破損も見られる このように、側壁パターン形成と高選択異方性 エッチングの組み合わせによるマルチステッフ加 工を用いて、CVDの膜厚で決まる超微細寸法のハ
ターンを形成できることが確認できた 、
また側壁形成ステッフを複数回繰り返すことに よって、図3．8に示すように、パターンの数を2 倍、4倍と増やすことも可能である、まず、第1 回目のSi、iN4側壁形成を行った後に（イ）、犠牲層 であるSiO L・をフッ酸溶液で除去し、さらに第2 回目の側壁形成をSio2膜で行う（ロ）、第1回目 のSi、3N．2側壁をリン酸溶液で除去し、第2回目の Sio2側壁パターンをマスクとしてSi基板をエッ チングすると（ハ）、元のパターンに対して4倍 の微細で高密度なパターンが形成できる51（こ 0）応用例は、4．3節で述べる，）
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図3．8
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1：Si基板
11：LS i O L，パターン
12：Si：3N．a微細パターン
13：Sio2微細パターン 14：Si微細パターン
側壁形成を2回行うマルチ ステップ法の実施例5）
なお、この方法には犠牲層パターンの輪郭に微細ハクーンができるという制約があるの で、このようなパターンをMoSトランンスタのケート加1二などに応用する際には、側壁 マスクハターンを形成した後に不要の部分は再度ホトエッチングによって取り除いておく 必要がある
以1二で述べたフ．1一ンス状の微細パターンに対して、それとは凹凸を反転した微細溝ハタ ーン形成技術についても検討した（図3．9、図3．10）
こ（ノ）方法でぱ、先の例と同様にSi、sNi側壁を形成した後に、Si表面を20 nm程度薄く酸 化するそしてしてリン酸溶液で側壁LSi：sNiの方を除去して、開口ができたSi表面を、SiOL）
膜をマスクとtて高選択異方性エッチングする このマルチステッフ法によって犠牲層ハ ターンの輪郭に、幅がSUN1堆積膜厚でほぼ決まる極微細な溝を形成することができる．
この）1うな微細溝ぱ、半導体デバイスの素子分離領域の形成や、トレンチキャハシタの表 面積増メ＼の技術，1二しての応用が考えられる2）ω、（応用例は、4．3節で述べる．）
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Sio2
1pm＼一＼
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Contour Groove
5μm
図3．9側壁を用いた輪郭溝パターンの マルチステップ加工2）
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11：Si基‡反
12：マスクバターン 13、14：Si3N．，膜 15：酸fヒ‖莫 16：Si［面
17：輪郭溝
図3．10 輪郭溝パターン 形成の実施例6）
側壁を用いる方法では、基本的に側面が垂直な犠牲層ハターンが必要であるが、Si結晶 面方位を利用して形成した55 傾斜しり側面のに：）な場合でも同様の側壁形hStが可能であ る 段差上に均一な膜厚で堆積した膜は、／頃斜した側壁では縦方向に厚く見えるので、異 方性ドライエッチングによって傾斜側面ヒにだけ残すことができる これを傾斜面の保護 膜として用いてSi基板を掘り進めると、Y字型の溝を形成することができるT）この溝の 垂直に加工された部分の幅は当初のマスク幅よりも縮小されている t｛た、すでにV字形 になっていた狭い溝の側面は全て保護されてそれ以ヒエッチングされない（図3．11）、
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Y字溝図3．11
10pm L＿＿−
傾斜面への保護膜形成によるY字形Si溝の形成7）
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11 P2 P5
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以上述べてきたように、成膜とエッチングフロセスを組み合わせたマルチステッフ法で は、側面に形成した薄膜の幅で決まる極微細パターン（凹凸パターンともに形成可能）や、
溝幅を縮小する加工ができる。これによって、デバイスの特定部分の加1二においてホトリ ソグラフィの加工寸法レベルを凌ぐ、図3．12に示すようなナノサイドウォールやナノス リット22）捌のような微細構造を形成することが可能になる，このような技術を応用した デバイスについては第4章で述べる
ナノ・サイドウォール
．．二鳶く一
最小加工寸法
（ダミーハターン）
一治く一
ナノ・スリット
図3．12 ナノサイドウォールとナノスリット