(57)【要約】【課題】パターンの疎密によらず安定的な素子分離領域を形成でき、良質な半導体の製造方法を提供する。【解決手段】パターンニングされたレジスト２０１の下層に存在する反射防止膜２０２直下のシリコン窒化膜２０３およびシリコン酸化膜２０４から形成される絶縁膜層までのエッチングにおいて、シリコン基板２０５に対しシリコン酸化膜２０４の選択比が低いＨＢｒおよびＣＨＦ３とＣＦ４の混合ガスを用いたエッチング条件および０．５〜１．５Ｐａの処理圧力でトレンチのエッチング終了付近のエッチングを行い、シリコン窒化膜２０３およびシリコン酸化膜２０４から形成される絶縁膜層壁面に反応生成物２０７を付着させながらエッチングを進行させ、パターン間隔によらず、形状差の少なくまた十分に丸みを帯びたトップラウンドを形成させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマエッチング装置を用いて、シリコン基板上にレジストおよび絶縁膜層から構成される多層膜をエッチングしてトレンチ上端部に丸みを形成するトレンチ加工用のマスクを形成する工程を有する半導体の製造方法において、
ＣＨＦ３、ＣＦ４およびＨＢｒの混合ガスを用いて前記絶縁膜層とシリコン基板のエッチング処理を行う
ことを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体の製造方法において、
ＣＨＦ３、ＣＦ４およびＨＢｒのガス流量比は４〜６：１：１であり、処理圧力は０．５〜１．５Ｐａの範囲である
ことを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体の製造方法において、
絶縁膜層のエッチング工程で所定の膜厚でエッチング処理を中断し、ＣＨＦ３、ＣＦ４およびＨＢｒのガス流量比は４〜６：１：１であり、処理圧力は０．５〜１．５Ｐａの範囲のエッチング条件にてエッチング処理を継続する
ことを特徴とする半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いてトレンチを形成する工程を含む半導体の製造方法に関する。本発明は、特にトレンチ上端部の丸み（トップラウンド）を形成する工程を含む半導体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体を製造する工程の中で、半導体素子同士を絶縁膜層により分離する工程がある。この工程での半導体基板上の素子分離領域に近年ではＳｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ（ＳＴＩ）が広く用いられている。このＳＴＩの形成にはシリコン基板をトレンチ形状にエッチングした後、絶縁膜を埋め込み、半導体素子同士を絶縁膜層により分離する必要がある。
【０００３】
トレンチ形状や絶縁膜の埋め込み方法によっては、トレンチの上端部および下端部において結晶欠陥やＰＡＤ酸化膜の膜厚不均一が原因と考えられる電界集中が起こる。この解決策として、シリコン基板上のトレンチ上端部と下端部を丸めることで電界集中を抑制することができる。
【０００４】
従来技術として、レジストをマスクとする状態でＨＢｒおよびＣＦ４をエッチングガスとしてシリコン基板上のトレンチ上端部を丸め加工を行った例（例えば、特許文献１参照）やレジストをマスクとして、シリコン基板上に有するシリコン窒化膜およびシリコン酸化膜から構成される絶縁膜層をエッチングした後、Ｃ４Ｆ８およびＡｒをエッチングガスとしてシリコン基板上のトレンチ上端部を丸め加工を行った例（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００５】
また、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜から構成される絶縁膜層においてエッチング終了後に高圧条件へ切り替えるのではなく、シリコン窒化膜を所定の膜厚までエッチングを行うための機構が提案されている（特許文献３参照）。
【０００６】
上述したように、素子分離領域形成の為、シリコン基板に形成したトレンチ開口部の上端部の丸め加工は、これまで多々行なわれてきた。
トレンチ上端部に丸め加工を行なう場合、シリコン基板の上層を構成する絶縁膜層のエッチング終了後、反応生成物が多く形成される堆積性の強いガスと処理圧力の高いエッチング条件を用いシリコン基板の開口部側面にエッチングガスとシリコン基板との反応生成物を付着させながらエッチングを進行させ、トップラウンドを形成していた。
【特許文献１】特開２００１−３４５３７５号公報
【特許文献２】特開２００６−２３７１８２号公報
【特許文献３】特開２００６−１１９１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年のデバイスの微細化や高密化により半導体基板上の隣接する該パターン同士が近接に配置された密の部分（パターン密部）において、トレンチ間隔が狭くなってきている。これに伴い、隣接する該パターン同士が近接に配置された密の部分（パターン密部）と、隣接する該パターン同士が離れて配置された疎の部分（パターン疎部）との間のエッチング雰囲気状態に今まで以上の差が生じ始め、当該の雰囲気差はシリコン基板上のトレンチ形状や当該上端部のラウンド部に影響を与えている。特に、トレンチ上端部のラウンド部を形成させるために、ＣＨＦ３およびＣＦ４混合ガスの高圧エッチング条件にてプラズマ処理を行なった場合に、このパターン密部と疎部との間において、形状差が発生するなど両立が困難であった。
【０００８】
上記問題に対処するため、本発明は、シリコン窒化物およびシリコン酸化物から構成される絶縁膜をパターンニングされたレジストマスクを介してエッチングを行い、レジストおよび反射防止膜を剥離せず、前記エッチング後の絶縁膜層をマスクとしてシリコン基板上のトレンチ上端部にトップラウンド部を形成する場合において、パターン密部とパターン疎部との間のトレンチ上端部に形成されたトップラウンド部の形状差を低減することを目的とする。
【０００９】
すなわち、本発明は、パターン間隔によらず安定的な素子分離領域を形成でき、良質な半導体を製造するためのドライエッチング方法を提供することを目的とし、トレンチ上端部に丸み（トップラウンド）を形成する半導体の製造方法において、密パターン部と疎パターン部におけるトップラウンド形状差を低減するとともに、特に、密部パターンにおける結晶欠陥やトレンチ内に埋め込まれる絶縁膜の膜厚不均一を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、トレンチ上端部にトップラウンド部を形成するためのエッチングを従来のように２．０Ｐａ以上の高圧条件ではなく、０．５〜１．５Ｐａの範囲の低圧条件にて処理を行う。低圧条件にて処理を行うには、低圧においてもシリコン基板との反応生成物が多く形成される堆積性の強いガスが必要となるが、本発明ではシリコン基板との反応生成物を形成するためにゲートエッチングで一般的に使用されているＨＢｒガスを、ＣＨＦ３およびＣＦ４混合ガスに添加し、エッチング処理を行う。
【００１１】
また、上記特許文献３に示される、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜から構成される絶縁膜層のエッチングにおいて、エッチング終了後に高圧条件へ切り替えるのではなく、シリコン窒化膜を所定の膜厚までエッチングを行うための機構を使用し、残ったシリコン窒化膜のエッチングをＣＨＦ３、ＣＦ４およびＨＢｒの混合ガスを用い、０．５〜１．５Ｐａの範囲の低圧条件を使用して、エッチング処理を行う。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、パターンニングされたレジストをマスクとして、絶縁膜より構成されるシリコン窒化膜およびシリコン酸化膜をエッチングした後、または、シリコン窒化膜エッチング途中より、上記ＨＢｒガスをＣＨＦ３およびＣＦ４に添加した混合ガスをＣＨＦ３：ＣＦ４：ＨＢｒの比を４〜６：１：１としたエッチングガスに用い、０．５〜１．５Ｐａの範囲の低圧条件にてエッチングすることで、所定のトップラウンド形状を形成することができる。また、パターン密部とパターン疎部での形状差低減のための調整を行っても、トップラウンド形状を維持することが可能となる。
【００１３】
これにより、密パターン部と疎パターン部におけるトップラウンド形状差を低減することができ、特に密部パターンにおける結晶欠陥やトレンチ内に埋め込まれる絶縁膜の膜厚の不均一を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。図１は、本発明にかかる半導体製造方法が適用されるプラズマ処理装置のプラズマ生成部の構成を説明する図である。図２および図３は、本発明にかかる半導体製造方法の処理工程を説明する図である。図４は、ＨＢｒ添加量と半導体基板上のトレンチ部のパターン密部およびパターン疎部のトップラウンドテーパ角の差との関係を説明する図である。図５は、処理圧力とトレンチ部上端に形成されるトップラウンドの半径の関係を説明する図である。
【００１５】
本発明による半導体の製造方法（ドライエッチング方法）が適用されるプラズマ処理装置の概要を、図１を用いて説明する。図１に示すように、本発明にかかる半導体の製造方法が適用されるプラズマ処理装置（エッチング装置）は、例として、プラズマを生成する手段としてＵＨＦ波と磁界を利用してプラズマを生成する装置であり、アンテナ１０１と、ＵＨＦ透過板１０２と、ソレノイドコイル１０３と、処理台１０７の上にはウェハ１０５が載置され、ウェハ１０５とＵＨＦ透過板１０２の間にプラズマ１０４が生成される。プラズマ生成電力源であるＵＨＦ電源からアンテナ１０１を通り、ＵＨＦ透過板１０２を通過して処理室内に到達したＵＨＦ波は、処理室を取り囲むように配置されたソレノイドコイル１０３が発生する磁界との作用により、プロセスガスを伴ってＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：電子サイクロトロン共鳴）を引き起こし、高密度なプラズマ１０４を処理室内に生成する。
【００１６】
ウェハ１０５は、静電吸着電源１０８により直流電圧の印加された処理台１０７に静電吸着される。プラズマ生成ガスを処理室内に供給し、プラズマ生成高周波電力を印加するとともに、ソレノイドコイル１０３から処理室内に磁場を形成することによって、処理室内に高密度プラズマを生成した後、処理台１０７に高周波電源１０６から、高周波バイアス電圧を印加して、高密度プラズマ中に局在するイオンに試料（ウェハ）方向側（下向き）へ加速電位を与えることによりプロセス処理が開始される。
【００１７】
また、プロセス処理中は、真空ポンプおよびターボ分子ポンプならびに該ターボ分子ポンプとの間に設けたバリアブル・バルブから構成される排気構造により処理室内の圧力は調圧可能とされる。
【００１８】
図２および図３を用いて、図１に示したエッチング装置に本発明にかかる半導体製造方法を適用した場合のウェハの処理過程を説明する。
【００１９】
[実施例１]図２（ａ）は、ウェハ１０５が、上層から順に露光技術により既にパターンニングされたレジスト２０１、反射防止膜２０２、シリコン窒化膜２０３、シリコン酸化膜２０４、シリコン基板２０５より構成されることを示している。
【００２０】
上記エッチング装置を用いて、パターンニングされたレジスト２０１をマスクとして反射防止膜２０２をＣｌ２およびＯ２混合ガスによりエッチングした後（図２（ｂ））、次いで、シリコン窒化膜２０３をＳＦ６、ＣＨＦ３およびＡｒ混合ガスを用いて、処理圧力を低圧の０．８Ｐａでエッチングを行った（図２（ｃ））。
【００２１】
次に、ＣＨＦ３、ＣＦ４およびＨＢｒの混合ガスと低圧条件によるトップラウンドステップを、０．５〜１．５Ｐａの低圧力、ＣＨＦ３、ＣＦ４およびＨＢｒのガス流量比を４〜６／１／１のエッチング条件で実施した結果、絶縁膜の側壁には、反応生成物２０７が堆積し、トップラウンドを形成した（図２（ｄ））。
【００２２】
ここで、上記の処理ガスを上記の組成とするのは、トップラウンド形状を保つことと疎部と密部の形状差を小さくすることを両立させるために必要な組み合わせである。すなわち、ＣＨＦ３が６を超えて多くなりすぎるとトレンチ側壁の表面への堆積がふえエッチングが阻害されてしまい、疎部と密部のトップラウンド形状に差が生じやすくなる。逆に、ＣＨＦ３が４未満と少なすぎると、トップラウンドを形成しにくくなる。したがって、ＣＨＦ３：ＣＦ４：ＨＢｒの比を４〜６：１：１の範囲とする。
【００２３】
シリコン基板２０５の上層にある絶縁層を構成するシリコン室化膜２０３およびシリコン酸化膜２０４のエッチングが終了した時点（図２（ｃ））で、シリコン基板２０５上に形成されるトレンチ２０６開口部のパターン密部とパターン疎部を比較した場合、パターン密部においてはシリコン酸化膜２０４のエッチング量は僅かであるのに対し、パターン疎部においてはシリコン酸化膜２０４のエッチングはほぼ完了しており、シリコン基板２０５が露出している。ここで、上記のＣＨＦ３、ＣＦ４およびＨＢｒの混合ガスと低圧条件によりエッチングを行うと、シリコン基板２０５が露出したパターン疎部とシリコン酸化膜２０４が局在するパターン密部において同時にエッチングが進行し、堆積性の大きいＨＢｒが堆積してシリコンが削れにくくなる。これは、ＣＨＦ３にＣＦ４およびＨＢｒを添加したことおよび処理圧力を低圧とすることによりシリコン酸化膜に対して多結晶もしくは非結晶シリコンのエッチング速度を速めたこと（選択比が低い）の効果である。さらに、トップラウンドの角度やラウンド量は、ＣＨＦ３、ＣＦ４およびＨＢｒのガス流量比やエッチング時間により制御できる。ＣＨＦ３にＣＦ４およびＨＢｒを添加したガスを用いたトップラウンドのエッチングにおいて多結晶シリコンに対するシリコン酸化膜エッチング選択比は、２．０〜１．０程度が望ましい。
【００２４】
トップラウンドの形状は、ガスの組成およびＲＦパワーならびに処理圧力条件を制御することによって、所望の形状を得ることができる。また、シリコン窒化膜２０３を所定の膜厚までエッチング処理し、残り膜厚を上記ＣＨＦ３にＣＦ４およびＨＢｒを添加した混合ガスを用いて、上記低圧の条件でエッチング処理することでも、トップラウンド形状の形成が可能である。
【００２５】
[実施例２]図２（ａ）に示されたと同じウェハ（図３（ａ）)を用い、パターン化されたレジスト２０１をマスクとし反射防止膜２０２のエッチングを行う。次にシリコン窒化膜２０３をＳＦ６、ＣＨＦ３およびＡｒ混合ガスを用いて初期膜厚に対して所定の膜厚まで処理を行う機構を用い、所定の膜厚までエッチングを行う（図３（ｂ））。この場合、シリコン窒化膜２０３の残り膜厚は、約２０ｎｍ程度であることが望ましい。
【００２６】
次に、残ったシリコン窒化膜２０３とシリコン酸化膜２０４をＣＨＦ３、ＣＦ４およびＨＢｒの混合ガスを用い、低圧力（１．０Ｐａ以下）、ＣＨＦ３にＣＦ４およびＨＢｒを添加した混合ガス流量比を４〜６／１／１としたエッチング条件にて処理を行い、トップラウンド形状が容易に得ることができる（図３（ｃ））。トップラウンドの形状は、図３（ｃ）の下部に示す拡大図のように、必要とするトップラウンドテーパ角２０８を有するトップラウンドを形成することができる。本発明においては、トレンチの底部における傾斜をトップラウンドという。また、種折圧力を０．５〜１．５Ｐａの範囲で制御することによって、トップラウンド形状の疎部と密部の間の形状差の調整を行っても、トップラウンド形状を維持することが可能である。
【００２７】
図４は、本発明で用いたＣＨＦ３、ＣＦ４およびＨＢｒ混合ガスを使用した場合のＨＢｒの流量と、トップラウンドテーパ角の疎密差の関係をウェハ中央部とウェハ端部で測定した結果である。図４において、縦軸は中心と外周部の測定点でのトップラウンドのテーパ角を算出し、疎部と密部でどれだけ差があるかを示したものである。
ここで、ＣＨＦ３とＣＦ４の流量をそれぞれ１００ｍＬ／ｍｉｎおよび２０ｍＬ／ｍｉｎとした。ＣＨＦ３とＣＦ４の混合ガス系に比べ、ＣＨＦ３とＣＦ４およびＨＢｒの混合ガス系は、トップラウンドテーパ角の疎密差において良好な結果が得られている。すなわち、ＨＢｒなしの場合、中心（Ｃｅｎｔｅｒ）部における疎密部でのテーパー角度差が約２３度、外周（Ｅｄｇｅ）部における疎密部でのテーパー角度差が約１７度に対し、ＨＢｒを２０ｍＬ／ｍｉｎ添加した結果では、中心部における疎密部でのテーパー角度差が約１２度、外周（Ｅｄｇｅ）部における疎密部でのテーパー角度差が約１４度と面内に亘って揃っているので疎密差を小さくできる。
【００２８】
また、図５は、本発明で用いたＣＨＦ３とＣＦ４およびＨＢｒの混合ガスと、ＣＨＦ３およびＣＦ４の混合ガスを使用した場合の処理圧力とトレンチ部上端に形成されるトップラウンドの半径の関係を示しており、ＣＨＦ３およびＣＦ４混合ガスを用いた場合、低圧力〜中圧力（１．５Ｐａ以下）ではトレンチ上端部に十分な大きさのトップラウンド形状を得ることができないが、ＣＨＦ３とＣＦ４およびＨＢｒの混合ガスを用いると、０．５Ｐａの低圧力から１．５Ｐａの中圧力の範囲でも十分な大きさのトップラウンド形状を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の半導体製造方法が適用されるＵＨＦプラズマエッチング装置の概略図。
【図２】本発明の半導体製造方法（実施例１）による半導体基板の処理過程を説明する断面図。
【図３】本発明の半導体製造方法（実施例２）による半導体基板の処理過程を説明する断面図。
【図４】ＨＢｒ添加量と半導体基板上のトレンチ部のパターン密部およびパターン疎部のトップラウンドテーパ角差の関係を説明する図。
【図５】処理圧力とトレンチ部上端に形成されるトップラウンドの半径の関係を説明する図。
【符号の説明】
【００３０】
１０１…アンテナ、１０２…ＵＨＦ透過板、１０３…ソレノイドコイル、１０４…プラズマ、１０５…処理ウェハ、１０６…高周波電源、１０７…処理台、１０８…静電吸着電源、２０１…パターンニングされたレジスト、２０２…反射防止膜、２０３…シリコン窒化膜、２０４…シリコン酸化膜、２０５…シリコン基板、２０６…トレンチ開口部、２０７…反応生成物、２０８…トップラウンドテーパ角
【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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