(57)【要約】【課題】ＳＴＩ構造のトレンチの角部の電界集中が抑制される半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態の半導体装置の製造方法は、第１の電力を有する第１の高周波を誘導コイルに印加して発生させたプラズマを用いて、第２の電力を有する第２の高周波が印加されたホルダの上に載置した試料をエッチングする反応性イオンエッチング装置を用いた半導体装置の製造方法であって、絶縁膜をマスクに反応性イオンエッチング装置を用いて半導体基板にトレンチを形成する工程であって、第１のエッチングステップと第１のエッチングステップの後に連続して行われる第２のエッチングステップとを有し、第１のエッチングステップの際に第２の電力を第１の電力の２０％以上４０％以下に設定し、第２のエッチングステップの際の第２の電力を、第１のエッチングステップの際の第２の電力の３％以上３０％以下に設定する工程を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電力を有する第１の高周波を誘導コイルに印加して発生させたプラズマを用いて、第２の電力を有する第２の高周波が印加されたホルダの上に載置した試料をエッチングする反応性イオンエッチング装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜をパターニングする工程と、
前記絶縁膜をマスクに前記反応性イオンエッチング装置を用いて前記半導体基板にトレンチを形成する工程であって、第１のエッチングステップと前記第１のエッチングステップの後に連続して行われる第２のエッチングステップとを有し、前記第１のエッチングステップの際に前記第２の電力を前記第１の電力の２０％以上４０％以下に設定し、前記第２のエッチングステップの際の前記第２の電力を、前記第１のエッチングステップの際の前記第２の電力の３％以上３０％以下に設定する工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記トレンチを形成する工程の際に、前記ホルダの温度を４０℃以上６０℃以下とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記トレンチを形成する工程の際の前記第１の電力は４００Ｗ以上８００Ｗ以下である請求項１又は請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１のエッチングステップの際の前記第２の電力は１５０Ｗ以上２５０Ｗ以下であり、前記第２のエッチングステップの際の前記第２の電力は１０Ｗ以上５０Ｗ以下である請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記トレンチを形成する工程は、前記第２のエッチングステップの後に連続して行われる第３のエッチングステップを有し、前記第３のエッチングステップの際の前記第２の電力は、前記第２のエッチングステップの際の前記第２の電力よりも小さい請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記半導体基板はシリコン基板である請求項１ないし請求項５いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板に形成された素子の間を電気的に分離するために、素子分離領域が形成される。素子分離領域の一つとして、半導体基板に形成されたトレンチ内に絶縁膜を埋め込むＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造がある。ＳＴＩ構造を形成するトレンチの底の角部に電界が集中することで、素子特性や素子の信頼性が劣化するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６３９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、ＳＴＩ構造のトレンチの角部の電界集中が抑制される半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、第１の電力を有する第１の高周波を誘導コイルに印加して発生させたプラズマを用いて、第２の電力を有する第２の高周波が印加されたホルダの上に載置した試料をエッチングする反応性イオンエッチング装置を用いた半導体装置の製造方法であって、半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜をパターニングする工程と、前記絶縁膜をマスクに前記反応性イオンエッチング装置を用いて前記半導体基板にトレンチを形成する工程であって、第１のエッチングステップと前記第１のエッチングステップの後に連続して行われる第２のエッチングステップとを有し、前記第１のエッチングステップの際に前記第２の電力を前記第１の電力の２０％以上４０％以下に設定し、前記第２のエッチングステップの際の前記第２の電力を、前記第１のエッチングステップの際の前記第２の電力の３％以上３０％以下に設定する工程と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態の半導体装置の製造方法に用いられるＲＩＥ装置の一例の模式図。
【図２】実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図３】実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図４】実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図５】実施形態の半導体装置の製造方法の作用及び効果の説明図。
【図６】実施形態の半導体装置の製造方法の作用及び効果の説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
【０００８】
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する場合がある。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
【０００９】
実施形態の半導体装置の製造方法は、第１の電力を有する第１の高周波を誘導コイルに印加して発生させたプラズマを用いて、第２の電力を有する第２の高周波が印加されたホルダの上に載置した試料をエッチングする反応性イオンエッチング装置を用いた半導体装置の製造方法であって、半導体基板の上にパターニングされた第１の絶縁膜を形成する工程と、第１の絶縁膜をマスクに反応性イオンエッチング装置を用いて半導体基板にトレンチを形成する工程であって、第１のエッチングステップと第１のエッチングステップの後に連続して行われる第２のエッチングステップとを有し、第１のエッチングステップの際に第２の電力を第１の電力の２０％以上４０％以下に設定し、第２のエッチングステップの際の第２の電力を、第１のエッチングステップの際の第２の電力の３％以上３０％以下に設定する工程と、を備える。
【００１０】
実施形態の半導体装置の製造方法は、ＳＴＩ構造を有する素子分離領域を備える半導体装置の製造方法である。実施形態の半導体装置の製造方法は、ＳＴＩ構造のトレンチの形成に、誘導結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）を用いる反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）装置を用いる。
【００１１】
図１は、実施形態の半導体装置の製造方法に用いられるＲＩＥ装置の一例の模式図である。ＲＩＥ装置は、誘導結合型プラズマを用いて、試料をエッチングする。
【００１２】
ＲＩＥ装置は、誘電体チャンバ１０、ホルダ１２、ソース電源１４、バイアス電源１６、誘導コイル１８を備える。
【００１３】
ホルダ１２は、誘電体チャンバ１０の中に設けられる。ホルダ１２は、例えば、半導体基板Ｗ（試料）を載置する。ホルダ１２は、例えば、静電チャックである。
【００１４】
ソース電源１４は、ソースパワー（第１の電力）を有する第１の高周波を、誘導コイル１８に印加する機能を有する。ソースパワーを有する第１の高周波が誘導コイル１８に印加されることで、誘電体チャンバ１０の中にプラズマが生成される。
【００１５】
バイアス電源１６は、ホルダ１２にバイアスパワー（第２の電力）を有する第２の高周波を印加する機能を有する。
【００１６】
ホルダ１２の上に載置された半導体基板Ｗは、誘電体チャンバ１０の中に生成されたプラズマを用いて、異方性エッチングされる。
【００１７】
図２、図３、図４は、実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。
【００１８】
最初に、単結晶シリコン基板２０を準備する。単結晶シリコン基板２０は、半導体基板の一例である。
【００１９】
次に、単結晶シリコン基板２０の表面に窒化シリコン膜２２を堆積する。窒化シリコン膜２２は、絶縁膜の一例である。なお、絶縁膜として、例えば、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との積層膜を用いることも可能である。
【００２０】
窒化シリコン膜２２は、例えば、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）により堆積する。窒化シリコン膜２２の膜厚は、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
【００２１】
次に、窒化シリコン膜２２をパターニングする（図２）。窒化シリコン膜２２は、例えば、リソグラフィ法及びＲＩＥ法を用いてパターニングされる。
【００２２】
次に、パターニングされた窒化シリコン膜２２をマスクに、単結晶シリコン基板２０にトレンチ２４を形成する。トレンチ２４の形成には、図１に示す誘導結合型プラズマを用いるＲＩＥ装置を用いる。
【００２３】
トレンチ２４の形成では、第１のエッチングステップと、第１のエッチングステップの後に連続して行われる第２のエッチングステップが実行される。
【００２４】
第１のエッチングステップでは、目標とするトレンチ２４の深さに達する前にエッチングを止める（図３）。例えば、目標とするトレンチ２４の深さの７５％以上９５％以下の深さでエッチングを止める。
【００２５】
第１のエッチングステップにより、トレンチ２４の上部側面２４ａが形成される。上部側面２４ａの第１のテーパ角（図３中のθ１）は、例えば、７５度以上９０度以下である。
【００２６】
第１のエッチングステップでは、バイアスパワーをソースパワーの２０％以上４０％以下に設定する。第１のエッチングステップの際のソースパワーは、例えば、４００Ｗ以上８００Ｗ以下である。第１のエッチングステップの際のバイアスパワーは、例えば、１５０Ｗ以上２５０Ｗ以下である。
【００２７】
第１のエッチングステップの際の、ホルダ１２の温度は、例えば、４０℃以上６０℃以下である。
【００２８】
第２のエッチングステップでは、目標とするトレンチ２４の深さに達するまでエッチングを行う（図４）。第２のエッチングステップにより、トレンチ２４の下部側面２４ｂが形成される。下部側面２４ｂの第２のテーパ角（図４中のθ２）は、上部側面２４ａの第１のテーパ角θ１よりも小さい。下部側面２４ｂの第２のテーパ角θ２は、例えば、６０度以上７５度未満である。
【００２９】
第２のエッチングステップでは、バイアスパワーをソースパワーの２０％以上４０％以下に設定する。第２のエッチングステップの際のソースパワーは、例えば、４００Ｗ以上８００Ｗ以下である。
【００３０】
第２のエッチングステップの際のバイアスパワーは、第１のエッチングステップの際のバイアスパワーの３％以上３０％以下に設定する。第２のエッチングステップの際のバイアスパワーは、例えば、１０Ｗ以上５０Ｗ以下である。
【００３１】
目標とするトレンチ２４の深さは、例えば、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
【００３２】
次に、実施形態の半導体装置の製造方法の作用及び効果について説明する。
【００３３】
図５は、実施形態の半導体装置の製造方法の作用及び効果の説明図である。図５は、第２のエッチングステップを有しないエッチングでトレンチ２４を形成した場合のトレンチ形状を示す。すなわち、実施形態と異なり、第１のエッチングステップに相当するエッチング条件だけで、目標とするトレンチ２４の深さまでエッチングした場合の形状を示す。
【００３４】
トレンチ２４の側面２４ｃのテーパ角（図５中のθ３）は、例えば、７５度以上９０度以下である。
【００３５】
トレンチ２４の側面２４ｃのテーパ角θ３が大きい場合、トレンチ２４の底の角部に電界が集中する。このため、例えば、トレンチ２４の角部を電流が流れる場合、インパクトイオン化により、トレンチ２４を埋め込んだ絶縁膜にキャリアがトラップされる。トラップされたキャリアにより、素子特性や信頼性の劣化が引き起こされる。
【００３６】
実施形態の半導体装置の製造方法は、トレンチ２４を形成する工程が、第１のエッチングステップと、第１のエッチングステップの後に連続して行われる第２のエッチングステップを有する。第２のエッチングステップでは、バイアスパワーが第１のエッチングステップよりも低減される。このため、トレンチ２４の下部側面２４ｂの第２のテーパ角θ２が、トレンチ２４の上部側面２４ａの第１のテーパ角θ１よりも小さくなる。したがって、トレンチ２４の底の角部の電界集中が抑制される。よって、ＳＴＩ構造を有する素子特性や信頼性の劣化が抑制される。
【００３７】
図６は、実施形態の半導体装置の製造方法の作用及び効果の説明図である。図６はトレンチ２４をエッチングした直後の断面形状を示す走査型電子顕微鏡写真である。図６（ａ）は第２のエッチングステップを行わない場合、図６（ｂ）、図６（ｃ）は第２のエッチングステップを行った場合である。
【００３８】
図６（ｂ）は第２のエッチングステップのバイアスパワーを第１のエッチングステップのバイアスパワーの２５％にした場合、図６（ｃ）は第２のエッチングステップのバイアスパワーを第１のエッチングステップのバイアスパワーの５％にした場合である。
【００３９】
第１のエッチングステップのバイアスパワーは２００Ｗとした。また、第１のエッチングステップ及び第２のエッチングステップのソースパワーは６００Ｗとした。
【００４０】
図６（ａ）に示すように、第２のエッチングステップを行わない場合のトレンチ２４の側面のテーパ角は８０度でほぼ一定である。第２のエッチングステップを行った場合、例えば、図６（ｂ）に示すように上部側面２４ａのテーパ角は８０度、下部側面２４ｂのテーパ角は７０度となり上部側面２４ａより小さくなる。また、第２のエッチングステップのバイアスパワーを更に下げると、図６（ｃ）に示すように上部側面２４ａのテーパ角は８０度、下部側面２４ｂのテーパ角は６５度となり、更に下部側面２４ｂのテーパ角が小さくなる。
【００４１】
なお、上部側面２４ａのテーパ角は、トレンチの底からトレンチの深さの１／２の距離だけ上に上がった位置でのトレンチ２４の側面の接線のテーパ角を測定している。また、下部側面２４ｂのテーパ角は、トレンチの底からトレンチの深さの１／２０の距離だけ上に上がった位置でのトレンチ２４の側面の接線のテーパ角を測定している。
【００４２】
実施形態の半導体装置の製造方法では、特に、バイアスパワーをソースパワーの２０％以上４０％以下に設定する。この設定により、上部側面２４ａのテーパ角と下部側面２４ｂのテーパ角とを所望の値に安定して形成することが可能となる。
【００４３】
上部側面２４ａのテーパ角と下部側面２４ｂのテーパ角とを所望の値に安定して形成する観点から、ソースパワーは、４００Ｗ以上８００Ｗ以下であることが好ましく、５００Ｗ以上７００Ｗ以下であることがより好ましい。
【００４４】
第１のテーパ角θ１は、７５度以上９０度以下であることが好ましい。上記範囲を下回ると、トレンチ２４の幅が大きくなり素子の微細化が困難となる。また、上記範囲を上回ると、トレンチ２４内を絶縁膜で埋め込むことが困難となる。
【００４５】
第１のエッチングステップの際のバイアスパワーは１５０Ｗ以上２５０Ｗ以下であることが好ましい。上記範囲に設定することにより、第１のテーパ角θ１を７５度以上９０度以下に制御することが容易となる。
【００４６】
第２のテーパ角θ２は、６０度以上７５度未満であることが好ましい。上記範囲を下回ると、上部側面２４ａと下部側面２４ｂとの角での電界集中が大きくなるおそれがある。また、上記範囲を上回ると、トレンチ２４の底の角部の電界集中の抑制が不十分となるおそれがある。
【００４７】
第２のエッチングステップの際のバイアスパワーは、第１のエッチングステップの際のバイアスパワーの３％以上３０％以下である。第２のエッチングステップの際のバイアスパワーは、第１のエッチングステップの際のバイアスパワーの５％以上２５％以下であることが好ましい。また、第２のエッチングステップの際のバイアスパワーは、１０Ｗ以上５０Ｗ以下であることが好ましい。上記範囲に設定することにより、第２のテーパ角θ２を、６０度以上７５度未満に制御することが容易となる。
【００４８】
また、ホルダ１２の温度を４０℃以上６０℃以下とすることが好ましい。上記温度範囲でトレンチ２４のエッチングを行うことで、上部側面２４ａのテーパ角と下部側面２４ｂのテーパ角とを所望の値に安定して形成することが可能となる。
【００４９】
さらに、第２のエッチングステップの後に、第２のエッチングステップに連続して行われる第３のエッチングステップを行うことも可能である。第３のエッチングステップの際、バイアスパワーを、第２のエッチングステップの際のバイアスパワーよりも小さくする。第３のエッチングステップを設けることで、トレンチ２４の側面のテーパ角を段階的に変更することが可能となり、更に、トレンチ２４の底の角部の電界集中を抑制することが可能となる。
【００５０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５１】
１０      誘電体チャンバ
１２      ホルダ
１４      ソース電源
１６      バイアス電源
１８      誘導コイル
２０      単結晶シリコン基板（半導体基板）
２２      窒化シリコン膜（絶縁膜）
２４      トレンチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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