(57)【要約】【課題】素子分離領域などの溝に埋め込んだ絶縁物を低温で酸化処理できる半導体装置のを提供する。【解決手段】半導体基板に溝を形成する工程と、前記溝を絶縁物材料により埋め込む工程と、前記絶縁物材料を酸素の活性種にさらして前記溝の底部に至るまで酸化させる工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に溝を形成する工程と、
前記溝を絶縁物材料により埋め込む工程と、
前記絶縁物材料を酸素の活性種にさらして前記溝の底部に至るまで酸化させる工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板に溝を形成する工程と、
前記溝を絶縁物材料により埋め込む工程と、
前記絶縁物材料の一部を除去し前記溝内における前記絶縁物材料の厚みを減らす工程と、
前記絶縁物材料を酸素の活性種にさらして酸化させる工程と、
前記溝の残余の部分を絶縁物材料により新たに埋め込む工程と、
前記新たに埋め込んだ前記絶縁物材料を酸素の活性種にさらして、前記新たに埋め込んだ前記絶縁物材料のうちで少なくとも前記溝の最も底部の部分を酸化させる工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記酸化させる工程の前に、前記埋め込んだ前記絶縁物材料を加熱して前記絶縁物材料に含有される溶媒の少なくとも一部を揮発させる工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記酸素の活性種を、表面波プラズマにより生成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
酸素と希ガスとの混合ガスのプラズマにより前記酸素の活性種を生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記混合ガスにおける前記酸素の濃度を１０パーセント以下とすることを特徴とする請求項５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、例えば溝型素子分離領域に絶縁膜を埋め込む工程を含む半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体メモリなどの集積回路装置に代表される半導体装置の微細化に伴い、溝型素子分離領域の幅が極めて狭くなりアスペクト比が高くなりつつある。そのため、従来用いられてきたＨＤＰ−ＣＤＶＤ（High Density Plasma Chemical Vapor Deposition）では、絶縁膜の埋め込み不良を生じさせずに素子分離領域を形成することが困難になりつつある。ＨＤＰ−ＣＶＤ法は、形成される絶縁膜の膜質に優れるという利点はあるが、適切な埋め込みを行うには、溝のアスペクト比（溝の幅に対する深さの比率）が概ね４で、溝の幅が概ね１００ｎｍが限界とされる。アスペクト比がこれよりも大きく、または溝の幅がこれよりも狭くなると、溝内のボイドの発生が避けられない。
【０００３】
そこで、埋め込み性に優れた塗布型成膜、すなわちスピンコートにより素子分離用の溝を絶縁物で埋め込み、水蒸気を含む大気中でホットプレート等を用いて熱処理または高温アニール（９００℃程度）等を施し、絶縁物をシリコン酸化物に変換することで素子分離領域を完成させている。
【０００４】
しかし、水蒸気を含む熱処理によって塗布膜の酸化は進行するが、塗布膜中に水分が残留する。また、塗布膜にはポリシラザンを有機溶媒に溶かして用いるため、塗布膜成膜後に炭素等の不純物が残留する。そのため、熱処理の過程で水分と熱によるゲート絶縁膜の劣化が生じることがある。また、膜中のＮやＨを完全には除去できない。さらに、膜厚が増大することでバーズビークが生じることがある。従って、高温で水蒸気を含む大気中で熱処理を行う工程には改良の余地があった。
【０００５】
なお、素子分離用の溝に絶縁材料を埋め込み、水などのラジカルを含む雰囲気中で熱処理することによって、絶縁材料の表面近傍でラジカルを反応させる技術が開示されている（特許文献１）。  
また、多結晶シリコンを用いたＴＦＴ（Thin Film Transistor）のゲート絶縁膜を形成する方法としてプラズマ酸化を用いる技術が開示されている（非特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−１５０５００号公報
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) pp. 7033-7038
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、素子分離領域などの溝に埋め込んだ絶縁物を低温で酸化処理できる半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、半導体基板に溝を形成する工程と、前記溝を絶縁物材料により埋め込む工程と、前記絶縁物材料を酸素の活性種にさらして前記溝の底部に至るまで酸化させる工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００８】
また、本発明の他の一態様によれば、半導体基板に溝を形成する工程と、前記溝を絶縁物材料により埋め込む工程と、前記絶縁物材料の一部を除去し前記溝内における前記絶縁物材料の厚みを減らす工程と、前記絶縁物材料を酸素の活性種にさらして酸化させる工程と、前記溝の残余の部分を絶縁物材料により新たに埋め込む工程と、前記新たに埋め込んだ前記絶縁物材料を酸素の活性種にさらして、前記新たに埋め込んだ前記絶縁物材料のうちで少なくとも前記溝の最も底部の部分を酸化させる工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、素子分離領域などの溝に埋め込んだ絶縁物を低温で酸化処理できる半導体装置の製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明をする。  
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表すフローチャートである。  また、図２〜図４は、本実施形態の半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【００１１】
まず、図２（ａ）に表すように、半導体基板などの上に溝を形成するための所定の構造を形成する。図２（ａ）に表した具体例においては、シリコン基板１０１上に、酸化膜１０２を熱酸化法を用いて形成し、さらにポリシリコン（多結晶シリコン）膜１０３を成膜し、さらにシリコン窒化膜１０４を成膜する。ここで、酸化膜１０２は、例えばゲート絶縁膜として用い、ポリシリコン膜１０３は、ゲート電極として用いることができる。
【００１２】
その後、シリコン窒化膜１０４の上に図示しないマスク層を形成し、フォトリソグラフィ技術、ドライエッチング技術を用いて、図２（ｂ）に表したように素子分離用の溝Ｔを形成する（ステップＳ１０２）。
【００１３】
次に、図３（ａ）に表したように、絶縁物材料１０５を埋め込む（ステップＳ１０４）。絶縁物材料１０５としては、例えばポリシラザンなどを用いることができる。また、その埋め込み方法としては、スピンコートなどによる塗布型成膜法を用いることができる。
【００１４】
その後、例えば１５０℃程度の温度にて３分間程度のプリベイクを行うことにより、溶媒を揮発させる（ステップＳ１０６）。この時点では、ポリシラザンなどからなる絶縁物材料１０５は、酸化反応は進行しておらず、材料中に溶媒やＮＨ結合などが残留している。また、溶媒も完全には除去されておらず、絶縁物材料中に残留している。これらの不純物がそのまま残留すると、ゲート酸化膜（酸化膜１０２）のバーズビークの発生や、信頼性の劣化などの原因となる場合がある。
【００１５】
これに対して、本実施形態においては、図３（ｂ）に表したように、プラズマ処理を施す（ステップＳ１０８）。この処理により、酸素の活性種２００が絶縁物材料１０５に作用して酸化が促進される。  
具体的には、プラズマ処理装置へ基板を搬入し、酸素を含むガスのプラズマを発生させて、そのプラズマ生成物を絶縁物材料１０５に作用させる。このプラズマ処理により、絶縁物材料１０５の酸化が進行し、酸化物からなる絶縁物１０６に変換される。
【００１６】
ここで、プラズマを生成する雰囲気としては、ヘリウム、アルゴン、クリプトンなどの希ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いることができる。  
また、プラズマを発生させる方法としては、容量結合型プラズマ法、誘導結合型プラズマ法、表面波プラズマ法などを用いることができる。ただし、容量結合型プラズマ法の場合、低密度で高電子温度のプラズマが発生することが特徴であり、低密度のため十分な酸素ラジカルを発生することが困難で、電子温度が高いため基板へのプラズマダメージがやや大きい傾向がある。また、誘導結合型プラズマ法の場合、コイルに数百ＫＨｚから数ＭＨｚの高周波を印加することで高密度プラズマを形成することができるが、やはり電子温度が高い。
【００１７】
これに対して、表面波プラズマ法は、高いプラズマ密度が得られ、しかも電子温度が低いという特徴を有する。  
図５は、表面波プラズマ法の原理を説明するための模式図である。  
真空チャンバ２０２の中には、基板ステージ２２０が設けられ、基板Ｗが載置される。真空チャンバ２０２の中は、排気ポート２０４を介して真空ポンプにより排気可能とされ、一方、ガス導入口２０６から所定のガスを導入可能とされている。そして、基板ステージ２２０に対向して石英製の透過窓２０８が設けられている。透過窓２０８の大気側には、スロットアンテナ２１０が設けられ、発振器２１２からチューナー２１４、導波管２１６を介して導波されたマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を、透過窓２０８を介して真空チャンバ２０２の中に導入可能とされている。
【００１８】
真空チャンバ２０２の中を所定のガスの減圧状態とし、透過窓２０８を介してマイクロ波を導入すると、真空チャンバ２０２の中において、導入ガスを電離、励起することにより高密度のプラズマＰを形成できる。この方法によれば、プラズマ密度が高く、しかも電子温度が低いため、基板Ｗへのプラズマ損傷を抑制でき、絶縁物材料１０５の酸化に用いるのに好ましい。
【００１９】
真空チャンバ２０２に酸素ガスと希ガスを導入し、チャンバ内の圧力を数Ｔｏｒｒ程度に保ちつつ、透過窓２０８からマイクロ波を導入すると高密度のプラズマＰが得られる。酸素を含んだガスのプラズマＰを形成すると、酸素のラジカルや原子などの活性種が得られる。これら活性種２００が絶縁物材料１０５に作用することにより、絶縁物材料１０５の酸化が進行する。
【００２０】
図４（ａ）は、酸素のラジカルや原子などの活性種の作用を概念的に表した説明図である。  
すなわち、酸素の活性種は、ポリシラザンなどからなる絶縁物材料１０５の中に侵入し、シリコンの酸化を促進させる。同時に、絶縁物材料１０５に含まれているＮＨ結合などを分離し、絶縁物材料１０５から脱離させる。またこの時、絶縁物材料１０５に残留している溶媒に含有される炭素（Ｃ）も酸素の活性種の作用によりＣＯｘとして絶縁物材料１０５から脱離する。すなわち、絶縁物材料１０５に残留している溶媒を酸素の活性種により酸化・燃焼させ、取り除くことができる。
【００２１】
本実施形態においては、プラズマＰを生成する雰囲気における酸素の濃度を低くすると酸化作用が顕著となる。  
図６は、表面波プラズマ法により生成される酸素原子の密度を例示するグラフ図である（非特許文献１）。  
ここでは、ＫｒとＯ２との混合ガスを用い、マイクロ波のパワーを１２００ワットとし、チャンバ内の圧力は８０パスカルに維持して、表面波プラズマを生成する。そして、プラズマにより分解されて生成した酸素原子の密度を評価した。
【００２２】
図６から、混合ガス中のＯ２の濃度が１０パーセントよりも低くなると、酸素原子の密度が急激に上昇することが分かる。すなわち、混合ガス中のＯ２の濃度を１０パーセント以下にすることにより、酸素の活性種の密度を顕著に上げることができる。この理由は、酸素と比べて相対的に原子量の大きいＫｒの数が増加することにより、プラズマ中でＯ２とＫｒとの衝突の頻度が高くなり、酸素の分解や励起が促進されるからであると推測される。同様の効果は、ＡｒやＮｅ、Ｘｅなどの希ガスを希釈ガスとして用いた場合にも得られると考えられる。また、原子量が大きい元素を希釈ガスとして用いたほうがより顕著な効果が得られると考えられる。
【００２３】
このように、本実施形態においては、酸素と希ガスとの混合ガスを用い、表面波プラズマ法によりプラズマを生成する際に、酸素の濃度を１０パーセント以下とすることにより、酸素の活性種の密度を顕著に高くできる。図６から、酸素の濃度を５パーセント以下とすると、活性種の密度をさらに高くできることが分かる。その結果として、高いアスペクト比を有する溝Ｔに埋め込んだ絶縁物材料１０５の酸化を促進させ、溝Ｔの底部まで酸化物からなる絶縁物１０６に変換できる。
【００２４】
このようにしてプラズマ処理により絶縁物材料１０５を酸化させた後、図４（ｂ）に表したように、表面を平坦化する（ステップＳ１１０）。これは例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などにより行うことができる。なお、平坦化の工程は必ずしも必要ではなく、製造する半導体装置の構造によっては省略することも可能である。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態によれは、高アスペクト比の溝Ｔを絶縁物材料１０５で埋め込み、プラズマ処理によりシリコン酸化物からなる絶縁物１０６に変換することにより、低温で、高アスペクト比の素子分離領域を完成させることが可能になる。低温で酸化反応が進行するために、ゲート絶縁膜の劣化などを防ぐことができる。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。  
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表すフローチャートである。  
また、図８〜図１２は、本実施形態の半導体装置の製造方法を表す工程断面図である。  これらの図については、図１〜図７に関して前述したものと同様にステップについては同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２７】
本実施形態においては、絶縁物材料１０５を埋め込んだ（ステップＳ１０４）後に、その一部を除去し厚みを減らす（ステップＳ１０５）。そして、プラズマ処理により酸化物からなる絶縁物１０６に変換する（ステップＳ１０８）。この一連のステップ（Ｇ１００）を繰り返すことにより、溝Ｔの全体を絶縁物１０６により埋め込むことができる。なお、溶媒の揮発（ステップＳ１０６）のステップは、一部除去（ステップＳ１０５）の前でも後でもよい。
【００２８】
図８〜図１２を参照しつつ説明すると、まず、図８（ａ）に表したように、溝Ｔを形成した後に、図８（ｂ）に表したようにポリシラザンなどの絶縁物材料１０５を塗布法などにより埋め込む。この時、例えばスピンコート法を用いると、溝Ｔの深さ方向に途中まで絶縁物材料１０５を埋め込むことは困難であり、ウェーハ全体に亘って溝Ｔを絶縁物材料１０５により完全に埋め込むこととなる。
【００２９】
しかる後に、図９（ａ）に表したように、絶縁物材料１０５を一部除去し、厚みを減らす（ステップＳ１０５）。これは例えば、ウエットエッチングやドライエッチングにより行うことができる。溝Ｔに埋め込んだ絶縁物材料１０５を表面から溶媒により溶解除去してもよい。
【００３０】
そして、図９（ｂ）に表したように、プラズマ処理により酸素の活性種２００を作用させる（ステップＳ１０８）。絶縁物材料１０５の厚みが減らされているので、その全体を迅速且つ確実に酸化させて酸化物からなる絶縁物１０６に変換することができる。また、絶縁物材料１０５に残留する不純物や溶媒も酸素の活性種により酸化・燃焼させ、迅速且つ確実に取り除くことができる。なお、この時、絶縁物材料１０５により覆われていない溝Ｔの側壁なども酸素の活性種２００の作用により酸化される場合がある。しかし、これら側壁を構成する材料は絶縁物材料１０５よりもはるかに緻密であり、その酸化速度は小さい。また、そのようにして側壁に形成された酸化層は、素子分離領域を構成する絶縁物の一部として有効に機能する。
【００３１】
このようにして厚みの薄い絶縁物材料１０５を酸化物からなる絶縁物１０６に変換したら、図１０（ａ）に表したように、再び絶縁物材料１０５を埋め込む。そして、図１０（ｂ）に表したように、またその一部を除去することにより未酸化の絶縁物材料１０５の厚みを減らす。そして、図１１（ａ）に表したようにプラズマ処理により酸素の活性種２００を作用させ、酸化物からなる絶縁物１０６に変換する。
【００３２】
その後、図１１（ｂ）に表したように、再び絶縁物材料１０５を埋め込む。そして、図１２（ａ）に表したように、またその一部を除去することにより未酸化の絶縁物材料１０５の厚みを減らす。そして、図１２（ｂ）に表したようにプラズマ処理により酸素の活性種２００を作用させ、酸化物からなる絶縁物１０６に変換する。
【００３３】
以上説明したように、絶縁物材料１０５の埋め込み（ステップＳ１０４）、その一部除去（ステップＳ１０５）、プラズマ処理（ステップＳ１０８）という一連にステップを繰り返すことにより、アスペクト比が極めて大きい溝Ｔであっても、低温プロセスで絶縁物１０６により埋め込むことができる。
【００３４】
なお、図８〜図１２においては、溝Ｔを３回に分けて絶縁物材料１０５により埋め込む具体例を表したが、本発明はこれには限定されず、溝Ｔを２回に分けて埋め込んでもよく、４回以上に分けて埋め込んでもよい。埋め込む回数を少なくすると工程数が減る。一方、埋め込む回数を多くした場合には、工程数は増えるが、より迅速且つ確実に酸化物に変換できる。
【００３５】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明をした。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
【００３６】
前述の具体例に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【００３７】
例えば、溝Ｔを形成する基板の構造は、前述した具体例には限定されず、各種の半導体装置において設けられるあらゆる構造を採用して同様の作用効果が得られる。また、絶縁物材料１０５もポリシラザンには限定されず、その他、酸化することにより絶縁性の酸化物が得られるものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表すフローチャートである。
【図２】本実施形態の半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図３】本実施形態の半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図４】本実施形態の半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図５】表面波プラズマ法の原理を説明するための模式図である。
【図６】表面波プラズマ法により生成される酸素原子の密度を例示するグラフ図である
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表すフローチャートである。
【図８】第２実施形態の半導体装置の製造方法を表す工程断面図である。
【図９】第２実施形態の半導体装置の製造方法を表す工程断面図である。
【図１０】第２実施形態の半導体装置の製造方法を表す工程断面図である。
【図１１】第２実施形態の半導体装置の製造方法を表す工程断面図である。
【図１２】第２実施形態の半導体装置の製造方法を表す工程断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１ シリコン基板、１０２ 酸化膜、１０３ ポリシリコン膜、１０４ シリコン窒化膜、１０５ 絶縁物材料、１０６ 絶縁物、２００ 活性種、２０２ 真空チャンバ、２０４ 排気ポート、２０６ ガス導入口、２０８ 透過窓、２１０ スロットアンテナ、２１２ 発振器、２１４ チューナー、２１６ 導波管、２２０ 基板ステージ、Ｔ 溝、Ｗ 基板
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2008078588.tif 000011
【図１０】
2008078588.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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