(57)【要約】【課題】  狭スペースのトレンチを形成する場合にもサイドエッチングの発生を防止しつつ、トレンチのテーパ角が必要以上に小さくなることも防止する。【解決手段】  誘導結合型プラズマエッチング装置から、臭化水素と窒素とを含む混合ガスを用いてプラズマエッチングを行ってトレンチを形成する。エッチング深さが大きくなるに従って、窒素の流量を減少させる。窒素の流量が零となる時点におけるエッチング深さは、トレンチの最小幅が小さくなる程大きくなる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも臭化水素と窒素とを含む混合ガスを用いた被エッチング材のエッチングによりトレンチを形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、
前記エッチング中に前記窒素の流量を減少させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
少なくとも臭化水素と窒素とを含む混合ガスを用いた被エッチング材のエッチングにより複数のトレンチを形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、
前記エッチング中に前記窒素の流量が零となるように前記窒素の流量を減少させ、
前記窒素の流量が零となる時点におけるエッチング深さＤｎ０は、前記複数のトレンチの最小幅をＸとしたとき、５５０−２５０ｌｏｇＸ≦Ｄｎ０≦７５０−２５０ｌｏｇＸの範囲内に設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
エッチング開始時の前記混合ガス総流量中における前記窒素の流量が１〜２０％であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記窒素の流量が複数回階段状に変化するように、前記窒素の流量を減少させることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記混合ガスは塩素及び酸素の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１又は２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】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に被エッチング材例えばシリコンをエッチングしてトレンチを形成する工程を含む製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの半導体基板上に形成された複数の素子を絶縁分離するための技術として、シャロートレンチアイソレーション（shallow trench isolation（ＳＴＩ））が多用されている。このＳＴＩにおいて、シリコン基板にトレンチ（溝）を形成するため、ＳｉＯ２膜等をマスク材としたプラズマエッチング等を用いた異方性エッチングが行われる。プラズマエッチングに用いるエッチングガスとして、臭化水素（ＨＢｒ）を主体にＣｌ２やＯ２を含む混合ガスは、高い選択比が得られるとして広く用いられている。
【０００３】
しかし、ＨＢｒを主体にＣｌ２やＯ２を含む混合ガスで最小幅が１５０ｎｍ以下の狭いトレンチを形成する場合、トレンチ側面への堆積物質の付着量（デポ量）が少なくなってしまい、これにより意図しないサイドエッチングが発生してしまう。これを抑制するため、上記混合ガスに更に窒素（Ｎ２）を添加することが行われている（例えば、特許文献１参照）。しかし、Ｎ２が添加されることにより、特にトレンチ下部においてデポ量が増加するため、広スペース部分においてテーパ角が必要以上に小さくなってしまう（寝てしまう）という問題が新たに生ずる。
【特許文献１】特開平３―１４１６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、狭スペースのトレンチを形成する場合にもサイドエッチングの発生を防止しつつ、トレンチのテーパ角が必要以上に小さくなることも防止することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、少なくとも臭化水素と窒素とを含む混合ガスを用いた被エッチング材のエッチングによりトレンチを形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、前記エッチング中に前記窒素の流量を減少させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
この発明によれば、狭スペースのトレンチを形成する場合にもサイドエッチングの発生を防止しつつ、トレンチのテーパ角が必要以上に小さくなることも防止することができる半導体装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態の方法を実施する装置の一例としての誘導結合型プラズマエッチング装置の概要を図１に示す。真空チャンバ１内に、被エッチング材とされるシリコンウエハＷ（以下単にウエハＷともいう）を載置する載置台２が設けられており、この載置台２にはカソード電極３が設置されている。
【０００８】
ウエハＷは、シリコン基板上に、トレンチ形成パターンに沿って酸化膜系ハードマスク、例えばＳｉＯ２膜Ｍ１を形成したものである。すなわち、シリコン基板上にＳｉＯ２膜を全面堆積させ、その上にフォトレジストパターンを形成し、このフォトレジストパターンをマスクにＳｉＯ２膜をエッチングした後、フォトレジストを剥離したものである。
【０００９】
真空チャンバ１の天壁４にはガス導入管５が接続され、ガス導入管５から真空チャンバ１内にガスが導入される。ここで用いられるエッチングガスは一例として、ＨＢｒを主成分として、Ｃｌ２、Ｏ２、Ｎ２を含む混合ガスである。ただし、ＨＢｒを主成分とし、Ｎ２を含むものであればこれに限定されるものではない。
【００１０】
また、被エッチング材は単結晶シリコンの他、ポリシリコンなども含まれ、特に限定されるものではない。導入されたガスは排気口６から排出されるが、排気口６に設けられた図示しない排気弁の制御により、真空チャンバ１内の圧力が調整される。
【００１１】
ガス導入管５の周囲には、螺旋状に巻かれたループアンテナ７が形成されており、このループアンテナ７にはプラズマ発生のための高周波電力が印加される。例えば、真空チャンバ１内の圧力を５〜５０Ｔｏｒｒ、導入される混合ガスの総流量を１００〜４００ｓｃｃｍ、カソード電極３にイオンエネルギー照射のために印加されるバイアス電圧を１００〜６００Ｖ、プラズマを発生させるためにループアンテナ７に与えられる高周波電力を３００〜２０００Ｗに設定することにより、プラズマエッチングを実行することができる。
【００１２】
ガス導入管５に導入される混合ガスを構成する各成分（ＨＢｒ、Ｃｌ２、Ｏ２、Ｎ２）の割合は、各成分が供給される配管に設けられたマスフローコントローラ１３により調整される。マスフローコントローラ１３は、制御部としてのコンピュータ１１からの制御信号に基づき制御される。コンピュータ１１は、ウエハＷに形成すべきトレンチの最小幅Ｘのデータ、及びルックアップテーブル１２に格納されたテーブルに基づき、マスフローコントローラ１３を制御して混合ガスの各成分の流量比を調整する。
【００１３】
ここでは、ＨＢｒ、Ｃｌ２、Ｏ２の流量は、エッチング実行中において略一定とされる一方、図２に示すように、エッチング深さが大きくなるに従ってＮ２の流量が徐々に減少するような制御がなされるものとする。あるいは、Ｎ２の流量が減少するのと連動させて、Ｃｌ２やＯ２といった他の添加ガスの流量をＮ２の流量の減少分だけ増加させてもよい。すなわち、Ｎ２の流量は、エッチング開始時のＦ・Ｎ０（Ｆは混合ガスの総流量、Ｎ０はその総流量中に占めるＮ２の割合）から徐々に減少し、エッチングが進行してエッチング深さＤｎ０が得られた時点でＮ２の流量が零になるように制御がされる。エッチング深さＤｎ０以上ではＮ２を添加しなくても、他の添加ガスの効果により十分にトレンチ側壁に堆積物質が堆積しサイドエッチングの発生を防止することができる。逆に、エッチング深さＤｎ０以上でＮ２が添加されると、堆積物質が過剰となりテーパ角が必要以上に小さくなってしまう（寝てしまう）ことが起こり得る。
【００１４】
このため、エッチング深さＤｎ０が得られた時点でＮ２の流量が零になるように制御がなされる。なお上記の割合Ｎ０は、０．０１〜０．２、即ち１〜２０％が好適である。１％未満であると、狭スペースのトレンチにおいてサイドエッチングの発生を防止することが困難となり、２０％を超えると、途中でＮ２流量を減じても、広スペースのトレンチにおいて堆積物質が過剰となりテーパ角が寝てしまうという問題が生ずる虞があるためである。
【００１５】
Ｎ２の流量が零となるエッチング深さＤｎ０は、例えば図３に示すように、形成しようとするトレンチの最小幅Ｘをパラメータとして設定され、トレンチの最小幅Ｘが小さい程エッチング深さＤｎ０が大きく設定される。一例として、深さＤｎ０（理想値）が、最小幅Ｘの対数に反比例するよう、Ｄｎ０の値を決定することができる。このとき、図３のＹに示されるように、ｌｏｇＸの関数として表されるＤｎ０（理想値）の直線を挟む一対の平行な直線Ｄ１、Ｄ２（それぞれ縦軸上下方向に例えば１００ｎｍだけシフトさせた直線）によって規定される許容範囲内の深さで、Ｎ２の流量が零となるよう制御するのでも構わない。
【００１６】
図３は、Ｄｎ０＝６５０−２５０ｌｏｇＸ（従って、Ｄ１＝５５０−２５０ｌｏｇＸ、Ｄ２＝７５０−２５０ｌｏｇＸ）とした例を示している。例えば、近年一般的な最小幅Ｘが１００ｎｍ程度のデザインルールの場合、Ｄｎ０は１５０ｎｍであり、この目標値１５０ｎｍを中心とした±１００ｎｍの許容範囲内、５０〜２５０ｎｍ程度の深さでＮ２の流量が零となるように制御を行う。Ｎ２の流量が零となるエッチング深さがこのような許容範囲未満だと、狭スペースのトレンチにおいてサイドエッチングの発生を防止することが困難となり、許容範囲を超えて大きいと広スペースのトレンチにおいて堆積物質が過剰となりテーパ角が寝てしまう虞が生じる。
【００１７】
ただし、トレンチの狙いの深さＤがこのＤｎ０よりも浅い場合には、現実にはＮ２流量が零にならず、エッチング工程の間Ｎ２は量として減少はするものの添加され続けることになる。しかし、この図３のグラフに従って定められる仮想の深さＤｎ０においてＮ２流量が零になるような減少曲線に従い、Ｎ２を減少させていけばよい。図３に示すようなＸとＤｎ０との関係を規定するデータをルックアップテーブル１２に格納しておき、設定されたＸに基づいて、Ｄｎ０を決定し、この決定されたＤｎ０の値に基づきＮ２流量を制御することができる。
【００１８】
また、Ｎ２の流量の減少のさせ方として、図２のように二次関数的に減少させることも可能であるが、これ以外に一次関数的即ち直線的に減少させる方法、階段状に減少させる方法も採用することが可能である。例えば、エッチング工程を複数例えばＳ個のエッチングステップに分割し、エッチングステップが移行するに従って、Ｎ２の流量を階段状に減少させることができる（各ステップの実行中は、Ｎ２の流量は略一定である）。
【００１９】
表１は、エッチングステップ数Ｓ、各ステップのエッチング深さの比率（％）、各ステップでのＮ２流量比（％）を変化させた様々な条件（１〜４）で形成した、最終のエッチング深さが３００ｎｍのトレンチのテーパ角を計測した結果を示す表である。トレンチのテーパ角は、最小幅が適用されるトレンチ（１００ｎｍ幅程度の狭スペース部）と、広い幅が与えられるトレンチ（２μｍ幅以上の広スペース部）とにおけるテーパ角をそれぞれ計測した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
条件１、すなわちステップ数Ｓが１でＮ２流量比が常に一定（２．５０％）の場合においては、特に広スペース部において、テーパ角の低下が顕著となった（図４参照）。一方条件４、すなわちステップ数Ｓが１でＮ２を添加しない場合においては、広スペース部においては許容範囲のテーパ角が得られるものの、狭スペース部においてはサイドエッチングが発生した（図５参照）。
【００２２】
しかし条件２や条件３のように、複数のステップ数Ｓを有し、Ｎ２流量比をステップの進行に従って減少させ、最終ステップにおいてＮ２流量を零としたものでは、狭スペース部、広スペース部いずれにおいても許容範囲のテーパ角が得られた（図６参照）。従って、本実施の形態によれば、狭スペース部、広スペース部のいずれにおいても良好なＳＴＩ形状を得ることができることが確認された。
【００２３】
また、条件３のようにＮ２流量が複数回変化する場合は、ステップ数Ｓをより多くすることにより、一層理想的なテーパ角に近づけることが可能となる。
【００２４】
一般的に、複数のステップ数Ｓを設定し、各ステップの切り替わり毎にＮ２流量比を減少させ、最終ステップでＮ２流量を零とする場合、以下の式に従って、最終ステップに至る前の各ステップＮ（Ｎ＝１，２・・・）でのＮ２流量ｆＮ及びエッチング深さＤＮ（目標値）を決定することができる。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
ただし、Ｄはトレンチの狙いの深さ、ｋＮ２はＮ２流量が零となる時点でのエッチング深さＤｎ０のＤに対する割合、Ｓはエッチングステップ総数、Ｆはエッチング開始時の混合ガスの総流量、Ｎ１は１ステップ目の総流量Ｆに対するＮ２の流量の割合を示す。
ｋＮ２は、Ｄｎ０と同様に最小幅Ｘによって変化する値である。例えば、Ｎ１＝５（％）、ｋＮ２＝５０（％）、Ｓ＝４、Ｆ＝３００（ｓｃｃｍ）とした場合、各ステップにおけるＮ２流量ｆＮとエッチング深さＤＮは次のようになる。
【００２７】
１ステップ目（Ｎ＝１）：ｆＮ＝１５ｓｃｃｍ、ＤＮ＝０〜５０ｎｍ
２ステップ目（Ｎ＝２）：ｆＮ＝１０ｓｃｃｍ、ＤＮ＝５０〜１００ｎｍ
３ステップ目（Ｎ＝３）：ｆＮ＝５ｓｃｃｍ、ＤＮ＝１００〜１５０ｎｍ
４ステップ目（最終ステップ）：ｆＮ＝０ｓｃｃｍ、ＤＮ＝１５０〜３００ｎｍ
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施の形態の方法を実施する装置の一例としての誘導結合型プラズマエッチング装置の概要を示す図である。
【図２】エッチング深さとＮ２流量の関係の一例を示すグラフである。
【図３】最小幅Ｘと、Ｎ２流量が０となる深さＤｎ０の関係を示すグラフである。
【図４】Ｎ２をエッチング工程中を通して流量比一定で添加した場合におけるトレンチ形状の一例を示す模式図である。
【図５】Ｎ２をエッチング工程において添加しない場合におけるトレンチ形状の一例を示す模式図である。
【図６】Ｎ２の流量比を減少させつつ添加した場合におけるトレンチ形状の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２９】
１・・・真空チャンバ、  Ｗ・・・シリコンウエハ、  ２・・・載置台、３・・・カソード電極、  Ｍ１・・・ＳｉＯ２膜、  ４・・・天壁、  ５・・・ガス導入管、  ７・・・ループアンテナ、  １１・・・コンピュータ、  １２・・・ルックアップテーブル、  １３・・・マスフローコントローラ。
【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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