(57)【要約】【課題】本発明は、先に形成されている絶縁膜（例えば、ゲート絶縁膜など）の品質に悪影響を及ぼさず、また、欠陥が少ない絶縁膜をトレンチに埋め込むことができる半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。【解決手段】反応ガスを分解して基板のトレンチに絶縁膜の埋め込みを行う工程を備えた半導体装置の製造方法であって、前記反応ガスと、少なくともＤ２（重水素）ガスを含む希釈ガスとを供給して、前記絶縁膜の埋め込みを行うことを特徴とする半導体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】
反応ガスを分解して基板のトレンチに絶縁膜の埋め込みを行う工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記反応ガスと、少なくともＤ２（重水素）ガスを含む希釈ガスとを供給して、前記絶縁膜の埋め込みを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
反応ガスを分解して基板のトレンチに絶縁膜の埋め込みを行う工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記反応ガスと、少なくともＤ２（重水素）ガスを含む希釈ガスとを供給して第一の絶縁膜の埋め込みを行い、その後、
前記反応ガスと、少なくともＨ２（水素）ガスを含む希釈ガスとを供給して第二の絶縁膜の埋め込みを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
反応ガスを分解して基板のトレンチに絶縁膜の埋め込みを行う工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記反応ガスと、少なくともＤ２（重水素）ガスを含む希釈ガスとを供給して第一の絶縁膜の埋め込みを行い、その後、
前記反応ガスと、少なくともＨ２（水素）ガスを含む希釈ガスとを供給して第二の絶縁膜の埋め込みを行い、その後、
前記反応ガスと、少なくともＨｅ（ヘリウム）ガスを含む希釈ガスとを供給して第三の絶縁膜の埋め込みを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
基板主面の第１の領域にトランジスタのゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記基板主面の前記第１の領域に隣接する第２の領域に前記基板主面から深さ方向に向かって素子間分離用トレンチを形成する工程と、
前記素子間分離用トレンチの内部に、反応ガスと、少なくともＤ２（重水素）ガスを含む希釈ガスとを供給し、前記反応ガスを分解して絶縁膜の埋め込みを行う工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記Ｄ２（重水素）の質量流量は、前記反応ガスの質量流量の１０倍以上であ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】
前記基板のトレンチに絶縁膜の埋め込みを行うに先立って、トランジスタのゲート絶縁膜の形成を行うことを特徴とする請求項１〜３、及び５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記基板のトレンチに絶縁膜を埋め込む工程は、プラズマ処理法を用いて行われることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
基板のトレンチに絶縁膜を埋め込んだ半導体装置であって、
前記絶縁膜には、Ｄ（重水素原子）が含有されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
基板のトレンチに絶縁膜を埋め込んだ半導体装置であって、
前記絶縁膜は、Ｄ（重水素原子）が含有されている第一の絶縁膜と、
前記第一の絶縁膜上に形成され、Ｈ（水素原子）が含有されている第二の絶縁膜とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
前記トレンチの側壁において前記絶縁膜に接するように設けられたゲート絶縁膜を備えたことを特徴とする請求項８または９に記載の半導体装置。
【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および半導体装置に関し、特に反応ガスを分解して基板のトレンチに絶縁膜の埋め込みを行う半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の基板上に多数の素子を形成して集積回路を構成させるためには、各素子間を電気的に絶縁するアイソレーション領域が必要となる。このアイソレーション領域を形成させる方法には、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法やＳＴＩ（Shallow Trench Isolation)法などがあるが、アイソレーション領域の面積を少なくする必要性からＳＴＩ法が広く用いられるようになってきている。そして、高速バイポーラデバイスやフラッシュメモリデバイスなどでは、ディープトレンチ（深い溝）を形成して各素子間を絶縁する技術も用いられるようになってきている。
【０００３】
このようなトレンチ構造により各素子間を絶縁する場合、トレンチ部分に発生する欠陥が大きな問題となる。そのため、トレンチ部分を重水素でアニール処理して結晶欠陥を修復させる技術が提案されている。（特許文献１を参照）
しかし、この重水素アニール処理では、トレンチ内壁層の結晶欠陥を修復させることができても、先に形成されている膜（例えば、ゲート絶縁膜など）の品質に悪影響を及ぼさない埋め込みをすることや、トレンチに埋め込まれる絶縁膜に発生する欠陥を防止することができなかった。
【特許文献１】特開２００５−１５０４１５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、先に形成されている絶縁膜（例えば、ゲート絶縁膜など）の品質に悪影響を及ぼさず、また、欠陥が少ない絶縁膜をトレンチに埋め込むことができる半導体装置の製造方法、及び信頼性の高い半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、
反応ガスを分解して基板のトレンチに絶縁膜の埋め込みを行う工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記反応ガスと、少なくともＤ２（重水素）ガスを含む希釈ガスとを供給して、前記絶縁膜の埋め込みを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００６】
また、本発明の他の一態様によれば、
反応ガスを分解して基板のトレンチに絶縁膜の埋め込みを行う工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記反応ガスと、少なくともＤ２（重水素）ガスを含む希釈ガスとを供給して第一の絶縁膜の埋め込みを行い、その後、
前記反応ガスと、少なくともＨ２（水素）ガスを含む希釈ガスとを供給して第二の絶縁膜の埋め込みを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００７】
さらにまた、本発明の他の一態様によれば、
反応ガスを分解して基板のトレンチに絶縁膜の埋め込みを行う工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記反応ガスと、少なくともＤ２（重水素）ガスを含む希釈ガスとを供給して第一の絶縁膜の埋め込みを行い、その後、
前記反応ガスと、少なくともＨ２（水素）ガスを含む希釈ガスとを供給して第二の絶縁膜の埋め込みを行い、その後、
前記反応ガスと、少なくともＨｅ（ヘリウム）ガスを含む希釈ガスとを供給して第三の絶縁膜の埋め込みを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
さらにまた、本発明の一態様によれば、基板主面の第１の領域にトランジスタのゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記基板主面の前記第１の領域に隣接する第２の領域に前記基板主面から深さ方向に向かって素子間分離用トレンチを形成する工程と、
前記素子間分離用トレンチの内部に、反応ガスと、少なくともＤ２（重水素）ガスを含む希釈ガスとを供給し、前記反応ガスを分解して、絶縁膜の埋め込みを行う工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
さらにまた、本発明の他の一態様によれば、
基板のトレンチに絶縁膜を埋め込んだ半導体装置であって、
前記絶縁膜には、Ｄ（重水素原子）が含有されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
さらにまた、本発明の他の一態様によれば、
基板のトレンチに絶縁膜を埋め込んだ半導体装置であって、
前記絶縁膜は、Ｄ（重水素原子）が含有されている第一の絶縁膜と、
前記第一の絶縁膜上に形成され、Ｈ（水素原子）が含有されている第二の絶縁膜と、を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、先に形成されている絶縁膜（例えば、ゲート絶縁膜など）の品質に悪影響を及ぼさず、また、欠陥が少ない絶縁膜をトレンチに埋め込む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。また本発明によれば、信頼性の高い半導体装置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】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。  
図１は、本発明の実施形態に係るトレンチへの絶縁膜の埋め込みを説明するための工程断面図である。
【００１０】
図１（ａ）は、素子分離用のトレンチが形成されたウェーハの模式断面図である。本具体例のウェーハは、単結晶ＳｉからなるＳｉ層１の上に、ＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜２、多結晶シリコンからなる電極層３、トレンチ加工用のＳｉＯ２からなるマスク４が下層から順番に積層されている。そして、マスク４を用いて選択的にエッチングすることにより、トレンチＴが形成されている。
【００１１】
図１（ｂ）は、第一段階目の成膜後のウェーハの模式断面図である。第一段階目の成膜では、反応ガスとしてＳｉＨ４（シラン）ガス、Ｏ２（酸素）ガスを、希釈ガスとしてＤ２（重水素）ガスを用いる。この成膜により、トレンチＴにＳｉＯ２を主成分とする絶縁膜が部分的に埋め込まれる。
【００１２】
トレンチへの絶縁膜の埋め込みには、プラズマＣＶＤ装置が用いられる。プラズマＣＶＤ装置における埋め込みでは、ウェーハに生じる自己バイアスによってイオンがウェーハ面に垂直に衝突し、成膜とスパッタによるエッチングが同時に進む。そのため、トレンチなどの深い溝への埋め込みに適している。
【００１３】
しかし、このプラズマＣＶＤ装置を用いたトレンチへの絶縁膜の埋め込みでは、一度スパッタされた粒子が埋め込みセルの側壁に再付着する「リスパッタ」が問題となる。このリスパッタが起きると、トレンチ部分の開口部の寸法が狭まりオーバーハングが形成されて埋め込み性を劣化させ、ボイド（巣）などの欠陥が発生しやすくなるという不具合が生じる。
【００１４】
ここで、リスパッタを抑制するためには、反応ガス（ＳｉＨ４など）とともに軽元素の希釈ガスを供給することが好ましい。この場合、希釈ガスの原子量が小さいほどリスパッタの抑制効果が大きい傾向にあるので、Ａｒ（アルゴン）ガス、Ｏ２（酸素）ガス、Ｈｅ（ヘリウム）ガス、Ｈ２（水素）ガスなどを希釈ガスとして用いることがより好ましい。特に、大流量のＨ２（水素）ガスを希釈ガスとして用いれば、最も高いリスパッタの抑制効果を得ることができる。
【００１５】
しかしながら、例えば、絶縁膜としてＳｉＯ２膜を埋め込もうとする場合、Ｈ２（水素）ガスを希釈ガスとして用いると化学量論的にＳｉがリッチな膜が埋め込まれてしまい、絶縁性が落ちるという品質的な問題を生じる。
【００１６】
また、例えば、フラッシュメモリデバイスなどのように、製造過程で、所謂トランジスタのゲート絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２膜など）が先に形成されているような場合においては、トレンチへの絶縁膜の埋め込みの最中に、ゲート絶縁膜中に希釈ガス中のＨ（水素原子）がトラップ（捕獲）されてしまう。そして、このトラップ（捕獲）されたＨ（水素原子）が経時的にデトラップ（離脱）されると、デバイス特性が劣化するため、経年劣化等、製品の信頼性を低下させる原因となる。
【００１７】
ここで、デトラップ（離脱）の原因としては、例えばホットキャリアによるものが考えられる。「ホットキャリア」とは、電圧が半導体装置の電極に加えられた時に生じる高電界によって高いエネルギーを得たキャリア（電子またはホール）のことをいう。このようなホットキャリアがゲート絶縁膜中に飛び込むと、トラップ（捕獲）されていたＨ（水素原子）が、ホットキャリアによって追い出されるため、Ｈ（水素原子）のデトラップ（離脱）が生じる。
【００１８】
しかしながら、先にゲート絶縁膜が形成されている以上、ゲート絶縁膜への希釈ガス元素のトラップ（捕獲）を抑制することは困難である。また、トラップ（捕獲）が行われればゲート絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２膜）中のシリコン原子の未結合手（ダングリングボンド）を良好に終端させることができるので、かえってゲート絶縁膜の機能の安定が図れることにもなる。そのため、トラップ（捕獲）よりもデトラップ（離脱）の方が大きな問題となる。
本発明者は、検討の結果、希釈ガスとしてＤ２（重水素）ガスを用いれば、Ｈ２（水素）ガスを用いる場合と同様に、ゲート絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２膜）中のシリコン原子の未結合手（ダングリングボンド）を良好に終端させることができ、かつ、Ｈ２（水素）ガスを用いる場合に比べてデトラップ（離脱）の量を大幅に抑制することができるとの知見を得た。
【００１９】
これは、Ｄ２（重水素）はＨ２（水素）よりも質量が大きく、未結合手（ダングリングボンド）を一度終端すると、その結合を破壊するためのエネルギーがその分大きくなるため、デトラップ（離脱）がされにくくなるからであると考えられる。
【００２０】
そして、Ｄ２（重水素）の質量流量を反応ガスの質量流量の１０倍以上とすれば、デトラップ（離脱）の量を実用上問題がないレベルに抑えることができるとの知見も得た。
また、Ｄ２（重水素）ガスの質量流量を反応ガスの質量流量の１０倍以上とすれば、狭いトレンチＴ内にも良好な埋め込みができるとの知見をも得た。
前述したような、反応ガスによる成膜と希釈ガスによるエッチングとの競合により狭いトレンチＴ内を埋め込むプロセスにおいては、希釈ガスによるエッチングが重要となるが、特に、希釈ガスとしてＤ２（重水素）ガスのような質量が軽いガスを用いた場合は、エッチング量が低くなってしまう。そのため、反応ガスを希釈ガスで１０倍程度以上に希釈して、成膜レートを下げエッチングレートを上げるよう調整することで、狭いトレンチＴ内にも良好な埋め込みができるようになった。
【００２１】
図１（ｂ）に表したトレンチＴの埋め込みに対しては、反応ガスを以下の式に示すように酸化反応させて、ＳｉＯ２を生成させる。生成されたＳｉＯ２がウェーハ表面上に達し、第一段階目の絶縁膜５が成膜される。
【００２２】
【化１】
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本実施形態においては、希釈ガスとしてＤ２（重水素）ガスを用いるので、先に形成されているゲート絶縁膜２中のシリコン原子の未結合手（ダングリングボンド）を良好に終端させることができ、かつ、トラップ（捕獲）されたＤ（重水素原子）のデトラップ（離脱）を大幅に減らすことができる。
図１（ｂ）に示したオーバーハングＬは、リスパッタによるものである。前述したように、リスパッタは希釈ガスの原子量が小さいほど少ない。そのため、Ｄ２（重水素）ガスの場合は、Ａｒ（アルゴン）ガス、Ｏ２（酸素）ガス、Ｈｅ（ヘリウム）ガスなどに比べてリスパッタによるオーバーハングＬをかなり小さくすることができる。
このようなオーバーハングＬが余り大きくなると、トレンチＴの開口寸法が狭まりボイド（巣）などの欠陥が発生する虞がある。これに対して、Ｄ２（重水素）ガスを用いた場合には、オーバーハングＬを抑制でき、トレンチＴに埋め込む絶縁膜のボイドの発生を抑制できる。
【００２３】
本発明者は、さらなる検討の結果、Ｄ２（重水素）ガスを希釈ガスとしてそのまま埋め込みを行うことも可能ではあるが、トレンチＴ部分の開口部寸法が狭まる段階で、希釈ガスをリスパッタがより少ないＨ２（水素）ガスとした方がより望ましいとの知見を得た。
【００２４】
また、第一段階目の成膜に続いて、リスパッタのより少ない第二段階目の成膜を直接することもできるが、オーバーハングＬを除去してトレンチＴ部分の開口部寸法を広げ、その後第二段階目の成膜をした方が、ボイド（巣）などの欠陥の発生をより抑制することができるとの知見も得た。
【００２５】
図１（ｃ）は、第一段階目の成膜をエッチングした後の（シリコン）ウェーハの模式断面図である。このエッチングは、オーバーハングＬを除去してトレンチＴ部分の開口部寸法を広げることを主目的としている。エッチングガスとしては、例えば、ＮＦ３（三フッ化窒素）ガスを主体としたものを用いることができる。また、このエッチングの際に、ウェーハにバイアスを印加してＲＩＥ（reactive ion etching）モードにてエッチングを実施するとオーバーハングＬをより効率的に除去できる。
【００２６】
図１（ｄ）は、第二段階目の成膜後のウェーハの模式断面図である。第二段階目の成膜では、反応ガスとしてＳｉＨ４（シラン）ガス、Ｏ２（酸素）ガスを、希釈ガスとしてＨ２（水素）ガスを用いる。
【００２７】
この場合においても、反応ガスが前述の式に示したように酸化されて、ＳｉＯ２が生成される。そして、生成されたＳｉＯ２がウェーハ表面上に達し、第二段階目の絶縁膜６が成膜される。ここで、希釈ガスとしてＨ２（水素）ガスを用いるので、リスパッタのより少ない埋め込みをすることができる。その結果、ボイド（巣）などの欠陥のない埋め込みを実現できる。
【００２８】
これは、Ｈ２（水素）はＤ２（重水素）より原子量が少なくリスパッタの抑制効果がより大きいためである。また、このようにしても、第二段階目の成膜はトレンチＴ部分の開口部寸法が狭まる段階での成膜であり薄い膜で足りる。そのため、埋め込まれる絶縁膜全体がＳｉリッチとなり絶縁性が落ちるという品質的な問題が生じることがない。そして、下地に第一段階目の絶縁膜があるので、希釈ガスとしてＨ２（水素）ガスを用いてもゲート絶縁膜へのＨ（水素原子）のトラップ（捕獲）やデトラップ（離脱）を生じることもない。
【００２９】
また、第二段階目の成膜で形成された絶縁膜（ＳｉＯ２膜）中のシリコン原子の未結合手（ダングリングボンド）が、Ｈ（水素原子）により終端させられるので、安定度の高い絶縁膜をも得ることができる。これは、下地に第一段階目の絶縁膜があるので、ホットスポットによるデトラップ（離脱）が生じないからである。第二段階目の成膜によりトレンチＴの埋込はさらに進行し、アスペクト比の小さい凹部Ｃが残された状態とすることができる。
【００３０】
図１（ｅ）は、第三段階目の成膜後のウェーハの模式断面図である。この第三段階目の成膜においては、アスペクト比が小さい凹部Ｃを埋め込む。従って、リスパッタによる悪影響を考慮する必要が無い部分を、デポレート（堆積速度）が高いプロセス条件で成膜して生産性を上げることができる。このために、第三段階目の成膜では、反応ガスとしてＳｉＨ４（シラン）ガス、Ｏ２（酸素）ガスを、希釈ガスとしてＨｅ（ヘリウム）ガスを用いる。
【００３１】
この場合においても、反応ガスが前述の式に示したように酸化されて、ＳｉＯ２が生成される。そして、生成されたＳｉＯ２がウェーハ表面上に達し、第三段階目の絶縁膜７が成膜される。ここで、希釈ガスとしてＨｅ（ヘリウム）ガスを用いたので、デポレート（堆積速度）の高い埋め込みをすることができる。その結果、生産性を上げることができる。この後、必要に応じて例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などの方法により、ウェーハ上の絶縁膜を除去し表面を平坦化してもよい。
【００３２】
このようにして形成された半導体装置は、図１（ｅ）に表したように、トレンチＴが絶縁膜５、６、７により順次埋め込まれた構造を有する。ここで、絶縁膜５は、その成膜に起因してＤ（重水素）の含有量が絶縁膜６、７よりも多い。一方、絶縁膜６は、その成膜に起因してＨ（水素）の含有量が絶縁膜５、７よりも多い。また、絶縁膜７は、その成膜に起因してＨｅ（ヘリウム）の含有量が絶縁膜５、６よりも多い。  
尚、図１では説明の便宜上、絶縁膜５、絶縁膜６、絶縁膜７を破線で区切っているが、成膜後の状態では、これら絶縁膜５、６、７は一体化されている。
【００３３】
以上説明したように、第一段階目の成膜においてデトラップ（離脱）の少ないＤ２（重水素）ガスを希釈ガスとしてを用いるため、先に形成されている膜（例えば、ゲート絶縁膜など）の品質に悪影響を及ぼすことがない絶縁膜の埋め込みをすることができる。
【００３４】
また、第二段階目の成膜においてリスパッタの少ないＨ２（水素）ガスを希釈ガスとして用いるため、ボイド（巣）などの欠陥がない絶縁膜の埋め込みをすることができる。また、Ｈ（水素原子）により絶縁膜（ＳｉＯ２膜）中のシリコン原子の未結合手（ダングリングボンド）を良好に終端させることもできる。
【００３５】
そして、第三段階目の成膜においてデポレート（堆積速度）の高いＨｅ（ヘリウム）ガスを希釈ガスとして用いるため、生産性を上げることができる。
【００３６】
尚、説明の便宜上、第一段階目の成膜〜第三段階目の成膜までを行う場合を説明したが、第一段階目の成膜のみで埋め込みを行うことや、第一段階目の成膜〜第二段階目の成膜で埋め込みを行うこともできる。その場合でも、前述の各段階における効果をそれぞれ享受することができる。
図２は、本発明の実施形態に係るトレンチＴへの絶縁膜の埋め込みを説明するためのフローチャートである。    
尚、説明の便宜上、トレンチＴへの埋め込みにはプラズマＣＶＤ装置を用い、埋め込まれる絶縁膜はＳｉＯ２膜とし、先にゲート絶縁膜（ＳｉＯ２膜）が形成されている場合を説明する。
【００３７】
まず、プラズマＣＶＤ装置においてプラズマ放電を行い、このプラズマに向けてＳｉＨ４（シラン）ガス、Ｏ２（酸素）ガスを主体とした反応ガスと希釈ガスであるＤ２（重水素）ガスを供給して第一段階目の成膜を行う（ステップＳ１）。この時の成膜条件を例示すると、ソースパワーを２０００Ｗ（ワット）以上、バイアスパワー２０００Ｗ（ワット）以上、ＳｉＨ４（シラン）ガス流量を５０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍ、Ｏ２（酸素）ガス流量を７５ｓｃｃｍ〜４００ｓｃｃｍ、Ｄ２（重水素）ガス流量を５００ｓｃｃｍ以上、基板温度５００℃以上、処理圧力を１．３Ｐａ以下とすることができる。この場合、前述したように、Ｄ２（重水素）ガスの質量流量をＳｉＨ４（シラン）ガスの質量流量の１０倍以上とすることが好ましい。このように本実施形態においては、希釈ガスとしてＤ２（重水素）ガスを用いたので、Ｈ２（水素）ガスを用いる場合のようにゲート絶縁膜（ＳｉＯ２膜）中のシリコン原子の未結合手（ダングリングボンド）を良好に終端させることができ、かつ、Ｈ２（水素）ガスを用いる場合に比べてデトラップ（離脱）の量を大幅に抑制することができる。
この第一段階目の成膜では、トレンチＴの開口部が塞がらない程度まで成膜を行う。例えば、開口している部分の寸法が１０〜１５ｎｍ（ナノメートル）程度以上あることが好ましい。
尚、この第一段階目の成膜においては、最初にＡｒ（アルゴン）ガスなどを供給してプラズマ放電をさせるようにしてもよい。ＳｉＨ４（シラン）ガスは放電させにくく、最初にＡｒ（アルゴン）ガスなどを供給するようにすれば、プラズマ放電がしやすくなるからである。また、例示したように、成膜の作業効率を高めるために、ウェーハの載置台に高周波電力（バイアスパワー）を印加するようにしてもよい。
【００３８】
次に、残留ガスなどを排気した後、ＮＦ3（三フッ化窒素）ガスを主体としたエッチングガスを供給して、第一段階目の絶縁膜（ＳｉＯ２膜）のオーバーハングＬを除去してトレンチ部分の開口部寸法を広げる（ステップＳ２）。この時のエッチング条件を例示すると、ソースパワーを２０００Ｗ（ワット）以上、バイアスパワーを５００Ｗ（ワット）以上、ＮＦ３（三フッ化窒素）ガスを１００ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍ、基板温度を５００℃以上、処理圧力を１．３Ｐａ以下とすることができる。尚、この際に、前述したようにＲＩＥモードでエッチングをすると、オーバーハングＬをより効率的に除去することができる。また、Ｈ２（水素）ガスやＨｅ（ヘリウム）ガスを適宜添加することもできる。
【００３９】
次に、残留ガスなどを排気した後、ＳｉＨ４（シラン）ガスとＯ２（酸素）ガスを主体とした反応ガスと希釈ガスであるＨ２（水素）ガスを供給して、第二段階目の成膜をおこなう（ステップＳ３）。この時の成膜条件を例示すると、ソースパワーを２０００Ｗ（ワット）以上、バイアスパワーを２０００Ｗ（ワット）以上、ＳｉＨ４（シラン）ガス流量を５０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ、Ｏ２（酸素）ガス流量を７５ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍ、Ｈ２（水素）ガス流量を５００ｓｃｃｍ以上、基板温度を５００℃以上、処理圧力を１．３Ｐａ以下とすることができる。この場合、希釈ガスとしてＨ２（水素）ガスを用いたので、リスパッタのより少ない埋め込みをすることができる。その結果、ボイド（巣）などの欠陥のない埋め込みを実現できる。また、第二段階目に成膜する絶縁膜は薄くて済むため、埋め込まれた絶縁膜全体がＳｉリッチとなり絶縁性が落ちるという品質的な問題を生じることがない。そして、下地に第一段階目の絶縁膜があるので、希釈ガスとしてＨ２（水素）ガスを用いてもゲート絶縁膜へのＨ（水素原子）のトラップ（捕獲）やデトラップ（離脱）を生じることもない。また、Ｈ（水素原子）により絶縁膜（ＳｉＯ２膜）中のシリコン原子の未結合手（ダングリングボンド）を良好に終端させることもできる。
【００４０】
次に、残留ガスなどを排気した後、ＳｉＨ４（シラン）ガスとＯ２（酸素）ガスを主体とした反応ガスと希釈ガスであるＨｅ（ヘリウム）ガスを供給して、第三段階目の成膜をおこなう（ステップＳ４）。この時の成膜条件を例示すると、ソースパワーを２０００Ｗ（ワット）以上、バイアスパワーを２０００Ｗ（ワット）以上、ＳｉＨ４（シラン）ガス流量を１００ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍ、Ｏ２（酸素）ガス流量を２００ｓｃｃｍ〜４００ｓｃｃｍ、Ｈｅ（ヘリウム）ガス流量を１００ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍ、基板温度を５００℃以上、処理圧力を１．３Ｐａ以下とすることができる。この第三段階目の成膜は、リスパッタによる悪影響を考慮する必要が無い部分を、デポレート（堆積速度）が高いプロセス条件で成膜して生産性を上げることを目的としている。そのため、ステップＳ４は必ずしも必要ではなく、ステップＳ３でそのまま成膜するようにしてもよい。
ステップＳ３からステップＳ４への切替時期は、例えば、後工程でＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により不要な絶縁膜の除去を行う場合には、トレンチＴの底面の成膜位置が、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)を行う際にストッパーとなる膜の上面位置以上になった時とすることができる。ストッパーとなる膜より上に成膜された部分はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing)により除去されるため、リスパッタによるボイドなどを考慮する必要がなくなるからである。
ステップＳ４の後、必要に応じてＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法などにより、不要な絶縁膜の除去（平坦化）を行う。
【００４１】
尚、説明の便宜上、第一段階目の成膜〜第三段階の成膜までを行う場合を説明したが、前述したように第一段階目の成膜のみで埋め込みを行ってもよく、また後に詳述するように、第一段階目の成膜〜第二段階目の成膜などで埋め込みを行うこともできる。
【００４２】
図３は、本発明の実施形態に係るトレンチへの絶縁膜の埋め込みを行うためのプラズマＣＶＤ装置を説明するための模式図である。
【００４３】
図３に示すように、プラズマＣＶＤ装置８にはチャンバ９が設けられており、チャンバ９の天井側には天板１０が、また、底側には底板１１と底板１２とがそれぞれ図示しないＯリングなどにより気密となるように設けられている。
チャンバ９と天板１０は誘電体（例えば、石英など）からなり、コイル状のアンテナ１３、アンテナ１４が設けられている。アンテナ１３にはマッチングボックス１５と高周波電源１６が接続されている。アンテナ１４にはマッチングボックス１７と高周波電源１８が接続されている。
チャンバ９には、複数の反応ガス供給管１９と複数の希釈ガス供給管２０とが接続されている。反応ガス供給管１９と希釈ガス供給管２０の他端には、それぞれ図示しない反応ガス供給手段、希釈ガス供給手段が接続されている。
【００４４】
チャンバ９内の下部には、ウェーハＷを載置、保持するための載置台２１が設けられており、載置台２１はマッチングボックス２２を介して高周波電源２３と接続されている。
【００４５】
底板１２には、チャンバ９内の排気を行うための排気管２４が設けられ、排気管２４の他端には図示しない排気手段が接続されている。
【００４６】
次に、プラズマＣＶＤ装置８の動作を説明する。  
まず、図示しない搬入搬出手段によりウェーハＷがチャンバ９内の載置台２１上に載置される。ここで、ウェーハＷの搬入搬出はチャンバ９に設けられた図示しない気密扉を有する開口部を介して行われる。また、載置されたウェーハＷは、成膜する温度によっては、載置台２１に内蔵された図示しない静電チャックにより保持される場合もある。
【００４７】
次に、チャンバ９内の圧力を所望の圧力まで減圧する。減圧は、図示しない排気手段により排気管２４を通じて行われる。
【００４８】
次に、高周波電源１６からマッチングボックス１５を介して高周波電力がアンテナ１３に供給される。また、高周波電源１８からマッチングボックス１７を介して高周波電力がアンテナ１４にも供給される。そして、これらにより天板１０の直下にプラズマＰが生成される。この時、放電を容易とするために反応ガス供給管１９または希釈ガス供給管２０からＡｒ（アルゴン）ガスなどを供給するようにしてもよい。
【００４９】
次に、図示しない反応ガス供給手段から反応ガスが反応ガス供給管１９を通じてチャンバ９内に供給される。同様に図示しない希釈ガス供給手段から希釈ガスが希釈ガス供給管２０を通じてチャンバ９内に供給される。例えば、反応ガスとしてＳｉＨ４（シラン）ガス、Ｏ２（酸素）ガス、ＮＦ3（三フッ化窒素）ガスなどが、希釈ガスとしてＤ２（重水素）ガス、Ｈ２（水素）ガス、Ｈｅ（ヘリウム）ガス、Ａｒ（アルゴン）ガスなどが供給される。
【００５０】
プラズマＰにより、供給された反応ガスが分解・合成されて、ウェーハＷ上に所望の膜が成膜される。例えば、供給されたＳｉＨ４（シラン）ガスとＯ２（酸素）ガスとが酸化反応を起こして、ＳｉＯ２膜がウェーハＷ上に成膜される。この際、高周波電源２３からマッチングボックス２２を介して高周波電力を載置台２１に供給するようにする。このようにすれば、ウェーハＷの表面においてＲＦバイアスが印可されるので、プラズマＰが生成されるとともに、プラズマＰからのイオンを加速することができスパッタ効果を高めることができる。
【００５１】
成膜が完了した時は、反応ガスと希釈ガスの供給を停止し、各高周波電力の供給も停止する。その後、残留ガスの排出を排気管２４を通じて行う。
【００５２】
必要があれば次の成膜処理を行い、トレンチへの絶縁膜の埋め込み作業が完了した場合には、図示しない搬入搬出手段によりウェーハＷがチャンバ９の外に搬出される。
【００５３】
図４は、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法の第１の変型例を表すフローチャートである。  
本変型例においては、第一段階目の成膜（ステップＳ１）の後に、絶縁膜５のオーバーハングＬを除去するエッチング工程（ステップＳ２）を実施し、しかる後に、Ｈ２（水素）ガスを用いた第二段階目の成膜（ステップＳ３）を実施してトレンチの埋込を終了する。この後、必要に応じてＣＭＰなどの方法により平坦化してもよい。
【００５４】
Ｈｅ（ヘリウム）ガスを用いる第三段階目の成膜を用いない場合でも、時間をかければトレンチＴの埋込は可能である。従って、このような場合には半導体装置のトレンチＴは、Ｄ（重水素）の含有量が相対的に大きい絶縁膜５と、Ｈ（水素）の含有量が相対的に大きい絶縁膜６と、の積層構造により埋め込まれる。
【００５５】
図５は、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法の第２の変型例を表すフローチャートである。  
本変型例においては、第一段階目の成膜（ステップＳ１）の後に、絶縁膜５のオーバーハングＬを除去するエッチング工程（ステップＳ２）を実施し、しかる後に、Ｈｅ（ヘリウム）ガスを用いた成膜（ステップＳ４）を実施してトレンチの埋込を終了する。つまり、Ｈ２（水素）ガスを用いた成膜が省略されている。
【００５６】
例えば、エッチング工程（ステップＳ２）を実施した後のトレンチの開口が比較的浅く、あるいはそのアスペクト比が小さい（開口幅に対して、深さが小さい）場合には、オーバーハングの発生による弊害が少ない。このような場合には、直ちにＨｅ（ヘリウム）ガスを用いた成膜（ステップＳ４）を実施することにより、高速で成膜でき、短時間でトレンチＴの埋込を完了させることが可能である。本変型例によれば、半導体装置のトレンチＴは、Ｄ（重水素）の含有量が相対的に大きい絶縁膜５と、Ｈｅ（ヘリウム）の含有量が相対的に大きい絶縁膜７と、の積層構造により埋め込まれる。
【００５７】
図６は、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法の第３の変型例を表すフローチャートである。  
本変型例においては、エッチング工程（ステップＳ２）が省略されている。すなわち、第一段階目の成膜（ステップＳ１）の後に、Ｈ２（水素）ガスを用いた成膜（ステップＳ３）を実施し、しかる後に、Ｈｅ（ヘリウム）ガスを用いた成膜（ステップＳ４）を実施してトレンチの埋込を終了する。
【００５８】
例えば、第１段階目の成膜に（ステップＳ１）を実施し、トレンチＴの内壁を絶縁膜５により被覆すれば、ライナーとしての効果が得られる。従って、その後にＨ２（水素）ガスを用いた第２段階目の成膜（ステップＳ３）を実行しても、ゲート絶縁膜２へのＨ（水素）のトラップやその後のデトラップが生ずることを抑制できる。また、Ｈ２（水素）ガスを用いた第２段階目の成膜（ステップＳ３）においては、リスパッタは抑制されるので、オーバーハングの発生が抑制される。このようにしてトレンチＴをある程度埋め込んだ後に、Ｈｅ（ヘリウム）ガスを用いた第３段階目の成膜（ステップＳ４）を実施することにより、より短時間でトレンチＴを埋め込むことができる。
【００５９】
本変型例によれば、図１（ｅ）に関して前述したものと同様に、Ｄ（重水素）の含有量が相対的に大きい絶縁膜５と、Ｈ（水素）の含有量が相対的に大きい絶縁膜６と、Ｈｅ（ヘリウム）の含有量が相対的に大きい絶縁膜７と、の積層構造によりトレンチＴが埋め込まれる。
【００６０】
図７は、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法の第４の変型例を表すフローチャートである。  
本変型例においては、第一段階目の成膜（ステップＳ１）の後に、Ｈ２（水素）ガスを用いた成膜（ステップＳ３）を実施してトレンチの埋込を終了する。
【００６１】
すなわち、第１段階目の成膜に（ステップＳ１）を実施し、トレンチＴの内壁を絶縁膜５により被覆すれば、ライナーとしての効果が得られる。従って、その後にＨ２（水素）ガスを用いた第２段階目の成膜（ステップＳ３）を実行しても、ゲート絶縁膜２へのＨ（水素）のトラップやその後のデトラップが生ずることを抑制できる。また、Ｈ２（水素）ガスを用いた第２段階目の成膜（ステップＳ３）においては、リスパッタは抑制されるので、オーバーハングの発生が抑制される。従って、そのまま第２段階目の成膜（ステップＳ３）を続行してトレンチＴを埋め込むことができる。
【００６２】
本変型例によれば、Ｄ（重水素）の含有量が相対的に大きい絶縁膜５と、Ｈ（水素）の含有量が相対的に大きい絶縁膜６と、の積層構造によりトレンチＴが埋め込まれる。
【００６３】
図８は、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法の第５の変型例を表すフローチャートである。  
本変型例においては、第一段階目の成膜（ステップＳ１）の後に、Ｈｅ（ヘリウム）ガスを用いた成膜（ステップＳ４）を実施してトレンチの埋込を終了する。
【００６４】
例えば、第１段階目の成膜に（ステップＳ１）を実施し、リスパッタを抑制しながらトレンチＴをある程度埋め込めば、その後にＨｅ（ヘリウム）ガスを用い成膜してもオーバーハングによる弊害が表れる前に埋込を完了することも可能である。つまり、Ｄ２（重水素）ガスを用いた成膜（ステップＳ１）の後に、直ちにＨｅ（ヘリウム）ガスを用いた第３段階目の成膜（ステップＳ４）を実施することにより、より短時間でトレンチＴを埋め込むことができる。
【００６５】
本変型例によれば、Ｄ（重水素）の含有量が相対的に大きい絶縁膜５と、Ｈｅ（ヘリウム）の含有量が相対的に大きい絶縁膜７と、の積層構造によりトレンチＴが埋め込まれる。
【００６６】
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。
【００６７】
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、本発明の範囲に含有される。
【００６８】
例えば、トレンチに埋め込まれる絶縁膜としてＳｉＯ２膜を例示したがこれに限定されるわけではなく、Ｓｉ３Ｎ４膜としても同様の効果が期待できる。
【００６９】
また、希釈ガスとしてＤ２（重水素）ガス、Ｈ２（水素）ガス、Ｈｅ（ヘリウム）ガスを例示したが、これらのガスを単独で用いる必要はなく主成分とされていればよい。例えばこれらに不活性ガスを添加したものなどであってもよい。
【００７０】
また、反応ガスとしてＳｉＨ４（シラン）ガス、Ｏ２（酸素）ガス、エッチングガスとしてＮＦ3（三フッ化窒素）ガスを例示したが、これらに限定されるわけではなく適宜選択が可能である。
【００７１】
また、絶縁膜が埋め込まれるウェーハの構造についても、ゲート絶縁膜を有するものには限定されず、その他、あらゆる構造の半導体装置に適用できる。すなわち、絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２膜など）が先に形成されている場合として、フラッシュメモリデバイスを例示したがこれに限定されるわけではなく、トレンチ型素子分離領域を備える半導体装置に広く適応が可能である。
【００７２】
また、プラズマＣＶＤ装置８として例示した、チャンバ９、天板１０、底板１１、底板１２、アンテナ１３、マッチングボックス１５、高周波電源１６、アンテナ１４、マッチングボックス１７、高周波電源１８、反応ガス供給管１９、希釈ガス供給管２０、載置台２１、載置台２１、マッチングボックス２２、高周波電源２３、排気管２４などの形状、配置、サイズ、材質などは図示したものに限定されるわけではなく適宜変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態に係るトレンチへの絶縁膜の埋め込みを説明するための工程断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るトレンチへの絶縁膜の埋め込みを説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に係るトレンチへの絶縁膜の埋め込みを行うためのプラズマＣＶＤ装置を説明するための模式図である。
【図４】本実施形態にかかる半導体装置の製造方法の第１の変型例を表すフローチャートである。
【図５】本実施形態にかかる半導体装置の製造方法の第２の変型例を表すフローチャートである。
【図６】本実施形態にかかる半導体装置の製造方法の第３の変型例を表すフローチャートである。
【図７】本実施形態にかかる半導体装置の製造方法の第４の変型例を表すフローチャートである。
【図８】本実施形態にかかる半導体装置の製造方法の第５の変型例を表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７４】
２  ゲート絶縁膜、３  電極層、５  絶縁膜、６  絶縁膜、７  絶縁膜、８  プラズマＣＶＤ装置、１９  反応ガス供給管、２０  希釈ガス供給管、Ｔ  トレンチ、Ｃ  凹部
【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】
2008071888.tif 000009
【図７】
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【図８】
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