(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に第１開口部及び前記第１開口部より広い第２開口部からなるマスクパターンを形成する段階と、
前記第１開口部の底部全体を覆う第１スペーサー及び前記第２開口部の側壁縁部に第２スペーサーを形成する段階と、
前記第２スペーサーに囲まれた前記第２開口部内に犠牲物質膜パターンを形成する段階と、
前記第１及び第２スペーサーを選択的に除去して前記第１及び第２スペーサーの下部の半導体基板を露出させる段階と、
前記露出した半導体基板及び前記犠牲物質膜パターンを同時にエッチングし、前記露出した半導体基板及び前記犠牲物質膜パターン下部にそれぞれトレンチ領域を形成する段階と、ただし、前記露出した半導体基板に形成されたトレンチは前記犠牲物質膜パターン下部に形成されたトレンチより深く形成されてなり、
前記トレンチ領域を充填する素子分離膜を形成する段階とを含むトレンチ分離方法。
【請求項２】
前記半導体基板はシリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載のトレンチ分離方法。
【請求項３】
前記マスクパターンを形成する段階は、
前記半導体基板上にパッド酸化膜及びパッド窒化膜を順次形成する段階と、
前記パッド窒化膜及び前記パッド酸化膜をパターニングする段階とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のトレンチ分離方法。
【請求項４】
前記第１スペーサー及び前記第２スペーサーを形成する段階は、
前記マスクパターンの形成された半導体基板の表面に前記マスクパターン及び前記半導体基板に対してエッチング選択比を有するスペーサー物質膜を形成する段階と、
前記マスクパターンの上面が露出するまで前記スペーサー物質膜を異方性エッチングする段階とを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のトレンチ分離方法。
【請求項５】
前記スペーサー物質膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項４に記載のトレンチ分離方法。
【請求項６】
前記犠牲物質膜パターンを形成する段階は、
前記第１及び第２スペーサーの形成された半導体基板の表面に前記半導体基板と実質的に同一のエッチング率を有し、前記マスクパターンより厚膜の犠牲物質膜を形成する段階と、
前記マスクパターン及び前記第１及び第２スペーサーの上部が露出するまで前記犠牲物質膜を平坦化する段階とを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のトレンチ分離方法。
【請求項７】
前記犠牲物質膜はポリシリコン膜、非晶質シリコン膜またはシリコンオキシナイトライド膜であることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載のトレンチ分離方法。
【請求項８】
前記第１及び第２スペーサーはウエットエッチングにより除去することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のトレンチ分離方法。
【請求項９】
前記トレンチ領域の形成された半導体基板を熱酸化させ、前記トレンチ領域の側壁及び底部に熱酸化膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のトレンチ分離方法。
【請求項１０】
前記熱酸化膜の形成された半導体基板の表面に酸化防止膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のトレンチ分離方法。
【請求項１１】
前記酸化防止膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１０に記載のトレンチ分離方法。
【請求項１２】
前記素子分離膜を形成する段階は、
前記トレンチ領域の形成された半導体基板の表面に前記トレンチ領域を充填する絶縁体膜を形成する段階と、
前記マスクパターンが露出するまで前記絶縁体膜を平坦化して前記トレンチ領域の内部に絶縁体膜パターンを形成する段階と、
前記マスクパターンを除去する段階とを含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のトレンチ分離方法。
【請求項１３】
前記平坦化する段階は化学機械的研磨により実施されることを特徴とする請求項１２に記載のトレンチ分離方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体集積回路の製造方法に係り、特に半導体集積回路を分離するトレンチ分離方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の代表的な素子分離方法としてロコス（ＬＯＣＯＳ；ｌｏｃａｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ）工程が広く使われてきた。しかし、ＬＯＣＯＳ工程はバーズビーク（ｂｉｒｄ’ｓ  ｂｅａｋ）を引き起こすので高集積半導体集積回路の素子分離技術としては適しない。従って、最近ではトレンチ素子分離技術が高集積半導体集積回路に広く使われている。
【０００３】
トレンチ素子分離技術は半導体基板の所定領域を選択的にエッチングしてトレンチ領域を形成する段階と、前記トレンチ領域の形成された基板の表面にトレンチ領域を充填する絶縁体膜を形成する段階と、前記絶縁体膜を化学機械的研磨工程で平坦化してトレンチ領域の内部に素子分離膜を形成する段階とを含む。この際、狭いトレンチ領域は絶縁体からなる素子分離膜により完全に充填される。しかし、広いトレンチ領域にはディッシング（ｄｉｓｈｉｎｇ）現象によって狭いトレンチ領域に比べて素子分離膜が薄く形成される。従って、素子分離膜の形成された半導体基板の表面平坦度が低下する問題点がある。かかる問題点を解決するために多くの解決策が提案されている。
【０００４】
米国特許第５３７２９６８号は広いトレンチ領域における平坦度を向上させるための方法を開示しているが、浅いトレンチ領域及び深いトレンチ領域を形成する２回のトレンチ形成工程が必要とされると共に、ＳＯＧ（ｓｐｉｎ-ｏｎ-ｇｌａｓｓ）膜をエッチバックする工程及びエッチバックされたＳＯＧ膜を除去する工程が必要とされる。従って、工程が複雑で優れた再現性を得にくい問題点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、広いトレンチ領域の平坦度が改善され、かつ簡単な工程からなるトレンチ分離方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明は、半導体基板上に第１開口部及び前記第１開口部より広い第２開口部からなるマスクパターンを形成する段階と、前記第１開口部の底部全体を覆う第１スペーサー及び前記第２開口部の側壁縁部に第２スペーサーを形成する段階と、前記第２スペーサーに囲まれた前記第２開口部内に犠牲物質膜パターンを形成する段階と、前記第１及び第２スペーサーを選択的に除去して前記第１及び第２スペーサーの下部の半導体基板を露出させる段階と、前記露出した半導体基板及び前記犠牲物質膜パターンを同時にエッチングし、前記露出した半導体基板及び前記犠牲物質膜パターン下部にそれぞれトレンチ領域を形成する段階と、ただし、前記露出した半導体基板に形成されたトレンチは前記犠牲物質膜パターン下部に形成されたトレンチより深く形成されてなり、前記トレンチ領域を充填する素子分離膜を形成する段階とを含むトレンチ分離方法である。
【０００７】
前記半導体基板はシリコン基板であることが望ましい。
【０００８】
前記マスクパターンを形成する段階は、前記半導体基板上にパッド酸化膜及びパッド窒化膜を順次形成する段階と、前記パッド窒化膜及び前記パッド酸化膜をパターニングする段階とを含むことが望ましい。
【０００９】
前記第１スペーサー及び前記第２スペーサーを形成する段階は、前記マスクパターンの形成された半導体基板の表面に前記マスクパターン及び前記半導体基板に対してエッチング選択比を有するスペーサー物質膜を形成する段階と、前記マスクパターンの上面が露出するまで前記スペーサー物質膜を異方性エッチングする段階とを含むことが望ましい。
【００１０】
前記スペーサー物質膜はシリコン酸化膜であることが望ましい。
【００１１】
前記犠牲物質膜パターンを形成する段階は、前記第１及び第２スペーサーの形成された半導体基板の表面に前記半導体基板と実質的に同一のエッチング率を有し、前記マスクパターンより厚膜の犠牲物質膜を形成する段階と、前記マスクパターン及び前記第１及び第２スペーサーの上部が露出するまで前記犠牲物質膜を平坦化する段階とを含むことが望ましい。
【００１２】
前記犠牲物質膜はポリシリコン膜、非晶質シリコン膜またはシリコンオキシナイトライド膜であることが望ましい。
【００１３】
前記第１及び第２スペーサーはウエットエッチングにより除去することが望ましい。
【００１４】
前記トレンチ領域の形成された半導体基板を熱酸化させ、前記トレンチ領域の側壁及び底部に熱酸化膜を形成する段階をさらに含むことが望ましい。
【００１５】
前記熱酸化膜の形成された半導体基板の表面に酸化防止膜を形成する段階をさらに含むことが望ましい。
【００１６】
前記酸化防止膜はシリコン窒化膜であることが望ましい。
【００１７】
前記素子分離膜を形成する段階は、前記トレンチ領域の形成された半導体基板の表面に前記トレンチ領域を充填する絶縁体膜を形成する段階と、前記マスクパターンが露出するまで前記絶縁体膜を平坦化して前記トレンチ領域の内部に絶縁体膜パターンを形成する段階と、前記マスクパターンを除去する段階とを含むことが望ましい。
【００１８】
前記平坦化する段階は化学機械的研磨により実施されることが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の好ましい実施形態を詳しく説明する。なお、各図面において、部材符号ａ及びｂで表した部分は各々高密度領域及び低密度領域を示す。
【００２０】
まず、半導体基板１、好ましくはシリコン基板上にマスクパターンを形成する。マスクパターンは、高密度領域ａ及び低密度領域ｂに各々第１開口部（ＮＯ）及び第１開口部より広い第２開口部（ＷＯ）を含むものであり、例えばパッド酸化膜及びパッド窒化膜を順次形成し、前記パッド窒化膜及びパッド酸化膜をパターニングすることにより形成することができる。パッド酸化膜としてはシリコン酸化物（ＳｉＯ2）など公知物質を用いることができ、パッド窒化膜してはシリコン窒化物（Ｓｉ2Ｎ4）を用いることができる。パッド酸化膜は後工程で活性領域等を保護する役割をも果たすものである。パッド窒化膜は平坦化工程時にストッパーの役割を果たすのみならず、トレンチをエッチングにより形成する時にエッチングマスクの役割も果たすものである。パターニングは一度にパッド酸化膜およびパッド窒化膜をエッチングしてもよく、パッド酸化膜およびパッド窒化膜を順次パターニングしてもよい。このように形成された前記マスクパターン６は、図１に示すように順次積層されたパッド酸化膜パターン３及びパッド窒化膜パターン５より構成されるが、マスクパターンを形成するものであればパッド酸化膜およびパッド窒化膜を形成する構成に制限はされない。このように形成されたマスクパターンは、エッチングによりトレンチを形成する際にマスクとして作用するのみならず、平坦化工程におけるストッパーの役割、活性領域を保護する役割をも果たすものである。
【００２１】
次に、図２に示すように前記マスクパターン６が形成された基板の表面にスペーサー物質膜を形成する。前記スペーサー物質膜は半導体基板１及びマスクパターン６に対してエッチング選択比を有する物質膜、例えばシリコン酸化膜よりなることが望ましい。これは、後工程でスペーサーを除去する工程において、スペーサーのみを除去し半導体基板１およびマスクパターン６がエッチングされることを防ぐためである。また、前記スペーサー物質膜は段差塗布性に優れたシリコン酸化膜、例えばＣＶＤにより成膜された酸化膜よりなることが望ましい。この際、前記スペーサー物質膜の厚さは少なくとも第１開口部（ＮＯ）の幅の１／２より厚くすることが好ましい。これは、第１開口部の底部全体を第１スペーサーにより完全に覆うべきであるからである。前記スペーサー物質膜を前記マスクパターンの上面が露出するまで異方性エッチングしてマスクパターン６の側壁にスペーサー７ａ、７ｂを形成する。前記異方性エッチングの実施は、ドライエッチング装置等の公知技術を用いて実施することができる。スペーサー７ａ、７ｂを形成する際、第１開口部（ＮＯ）に形成される第１スペーサー７ａは第１開口部（ＮＯ）の底部全体を覆うようにする。そして、第２開口部（ＷＯ）に形成される第２スペーサー７ｂは第２開口部（ＷＯ）の底部の縁部のみを覆うようにする。従って、第２開口部（ＷＯ）の底部の中心部は露出する。次に図２に示すように前記第１スペーサー７ａ及び第２スペーサー７ｂの形成された基板の表面に犠牲物質膜９を形成する。前記犠牲物質膜９は半導体基板１と実質的に同一のエッチング率を有する物質膜、例えばポリシリコン膜、非晶質シリコン膜またはシリコンオキシナイトライド膜よりなることが望ましい。また、前記犠牲物質膜９はマスクパターン６より厚く形成することが望ましい。
【００２２】
図３に示すように、前記マスクパターン６の上面と、第１スペーサー７ａ及び第２スペーサー７ｂの上部が露出するまで犠牲物質膜９を化学機械的研磨（ＣＭＰ；ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程またはエッチバック工程で平坦化させて第２開口部（ＷＯ）内に犠牲物質膜パターン９ｂを形成する。この際、図３に示すように第１開口部（ＮＯ）に形成された第１スペーサー７ａ上に犠牲物質膜の残余物９ａが残存することもある。ここで、前記犠牲物質膜９の厚さがマスクパターン６より薄いと、第２開口部（ＷＯ）に形成される犠牲物質膜パターン９ｂの中心部が薄くなるディッシング現象が発生しうる。従って、均一な厚さの犠牲物質膜パターン９ｂを形成するためには犠牲物質膜９が少なくともマスクパターン９よりは厚いことが望ましい。
【００２３】
次に、図４に示すように、前記第１スペーサー７ａ及び第２スペーサー７ｂを選択的に除去し、その下の半導体基板１を露出させる。第１スペーサー７ａ及び第２スペーサー７ｂを選択的に除去する方法としてはウエットエッチングを用いることが望ましい。これは、第１開口部（ＮＯ）に残存する犠牲物質膜の残余物９ａをリフトオフさせて除去しやすいからである。前記露出した半導体基板１及び犠牲物質膜パターン９ｂを１回のエッチング工程で所定の深さにエッチングして第１開口部ＮＯ及び第２開口部ＷＯにトレンチ領域を形成する。この際、第１開口部（ＮＯ）、即ち高密度領域ａには深いトレンチ領域ＤＴが形成され、第２開口部（ＷＯ）、即ち低密度領域ｂには深いトレンチ領域ＤＴ及び浅いトレンチ領域ＳＴが形成される。具体的には、図４に示すような低密度領域ｂに中心部の底部が縁部の底部より高いトレンチ領域が形成される。このように、半導体基板１及び犠牲物質膜パターン９ｂを同時にエッチングして第２開口部ＷＯに段差の形成されたトレンチ領域を形成するので、犠牲物質膜パターン９ｂはトレンチ領域を形成する際に完全に除去される。従って、犠牲物質膜パターン９ｂを除去するための別の工程が不要となる。
【００２４】
次に図５に示すように、前記深いトレンチ領域ＤＴ及び浅いトレンチ領域ＳＴが形成された基板を熱酸化して各トレンチ領域ＤＴ、ＳＴの側壁及び底部に熱酸化膜１１を形成してもよい。熱酸化は、広く知られた公知技術を使用して実施することができる。前記熱酸化工程を実施する理由はトレンチ領域を形成するためのエッチングにより半導体基板１に加えられたエッチング損傷を直すためである。また、前記熱酸化膜１１の形成された基板の表面に酸化防止膜１３、例えばシリコン窒化膜を形成することが好ましい。前記酸化防止膜１３は後続の熱工程時にトレンチ領域の側壁及び底部がさらに酸化される現象を防止する目的で形成される。従って、集積度の低い半導体集積回路を製造する場合には酸化防止膜１３を形成する工程を省いても良い。次に前記酸化防止膜１３の形成された基板の表面に深いトレンチ領域ＤＴ及び浅いトレンチ領域ＳＴ全てを充填する絶縁体膜１５形成する。絶縁体膜１５は、段差塗布性に優れたＣＶＤ等により形成された膜であることが好ましい。例としては、ＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）が挙げられる。このように形成された絶縁体膜１５の表面段差Ｓは、第２開口部ＷＯに浅いトレンチ領域ＳＴを形成せずに深いトレンチ領域のみが存在する従来の場合より著しく小さくなる。
【００２５】
次に、前記マスクパターン６が露出するまで絶縁体膜１５を化学機械的研磨工程で平坦化させてトレンチ領域内に絶縁体膜パターン及び酸化防止膜ライナー１３ａ、１３ｂを形成する。この際、低密度領域ｂにおいて前記絶縁体膜１５の段差Ｓが低いので化学機械的研磨工程によるディッシング現象を著しく改善させうる。即ち、第２開口部ＷＯの中心部上に一定の厚さ以上の絶縁体膜パターンが残存する。最後に、図６に示すように前記マスクパターン６を除去してトレンチ領域間の活性領域を露出させる。この際、前記絶縁体膜パターンが変形した素子分離膜１５ａ、１５ｂが形成される。このように形成された素子分離膜１５ａ、１５ｂ、特に低密度領域ｂに形成された素子分離膜１５ｂは従来の方法で形成された素子分離膜に比べて格段に優れた平坦度を有する。
【００２６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、当業者の容易に考えられる変形及び改良は本発明の範囲に含まれるものである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、前記第２開口部のように広い開口部に浅いトレンチ領域及び深いトレンチ領域を１回のエッチング工程で同時に形成でき、かつ浅いトレンチ領域形成のための犠牲物質膜パターンがトレンチ領域を形成する際に別の工程段階を経ずとも完全に除去される。従って、広い開口部にトレンチ領域を形成する工程を単純化でき、工程再現性が向上する。また、低密度領域と高密度領域に形成される絶縁体膜の段差が低いため、ディッシング現象の問題を解決でき、素子分離膜の平坦度を改善することができ、生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るトレンチ分離方法において、マスクパターンが形成された状態を示す断面図である。
【図２】  本発明に係るトレンチ分離方法において、犠牲物質膜が形成された状態を示す断面図である。
【図３】  本発明に係るトレンチ分離方法において、犠牲物質膜パターンが形成された状態を示す断面図である。
【図４】  本発明に係るトレンチ分離方法において、トレンチ領域が形成された状態を示す断面図である。
【図５】  本発明に係るトレンチ分離方法において、絶縁体膜が形成された状態を示す断面図である。
【図６】  本発明に係るトレンチ分離方法において、素子分離膜が形成された状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１        半導体基板
３        パッド酸化膜パターン
５        パッド窒化膜パターン
６        マスクパターン
７ａ      第１スペーサー
７ｂ      第２スペーサー
９        犠牲物質膜
９ａ      犠牲物質膜の残余物
９ｂ      犠牲物質膜のパターン
１１        熱酸化膜
１３        酸化防止膜
１３ａ、ｂ  酸化防止膜ライナー
１５        絶縁体膜
１５ａ、ｂ  素子分離膜
ａ        高密度領域
ｂ        低密度領域
ＮＯ        第１開口部
ＷＯ        第２開口部
ＤＴ        深いトレンチ領域
ＳＴ        浅いトレンチ領域
Ｓ        表面段差
【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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