(57)【要約】【課題】半導体層に対しディープトレンチ構造の絶縁分離トレンチ及びＳＴＩ技術による浅部トレンチの双方を形成する場合に、そのプロセスコストを抑制すること。【解決手段】（ｂ）絶縁分離トレンチ用開口部３０及び浅部トレンチ用開口部３１を備えた層構造のトレンチエッチングマスク３２を形成する。（ｄ）単結晶シリコン層２１Ｃにおける浅部トレンチ用開口部３１に臨んだ領域のみに熱酸化膜３３を形成する。（ｅ）トレンチエッチングマスク３２を利用した反応性イオンエッチングを、単結晶シリコン及び酸化シリコン間のエッチング選択比が高い反応性ガスを使用して行うことにより単結晶シリコン層２１Ｃを異方性エッチングする。上記反応性イオンエッチングを、単結晶シリコン及び酸化シリコン間のエッチング選択比が低い反応性ガスに切り替えて行うことにより熱酸化膜３３及び単結晶シリコン層２１Ｃを異方性エッチングする。【選択図】　図１
2004055908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上に当該支持基板と電気的に絶縁した状態で形成された半導体層に対し、当該絶縁機能部分まで達するディープトレンチ構造の絶縁分離トレンチ及びＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）技術による浅部トレンチの双方を形成して成る半導体装置の製造方法において、
前記半導体層上に、絶縁膜、酸化半導体に対しエッチング選択性を有する材料より成るストッパ膜、酸化半導体より成るマスク膜を順次積層状に成膜する成膜工程と、
この成膜工程により形成された積層膜に前記絶縁分離トレンチ及び浅部トレンチの形成位置にそれぞれ対応した絶縁分離トレンチ用開口部及び浅部トレンチ用開口部を形成することにより層構造のトレンチエッチングマスクを形成する開口部形成工程と、
前記半導体層における前記浅部トレンチ用開口部に臨んだ領域を酸化半導体膜により覆った状態とする酸化膜形成工程と、
前記トレンチエッチングマスクを利用した反応性イオンエッチングを、半導体及び酸化半導体間のエッチング選択比が高い反応性ガスを使用して行うことにより前記半導体層を異方性エッチングして前記絶縁分離トレンチ用開口部と対応した位置にディープトレンチを形成する第１のエッチング工程と、
前記トレンチエッチングマスクを利用した反応性イオンエッチングを、半導体及び酸化半導体間のエッチング選択比が低い反応性ガスを使用して行うことにより前記酸化半導体膜及び半導体層を異方性エッチングして前記浅部トレンチ用開口部と対応した位置にトレンチを形成する第２のエッチング工程と、
化学的気相成長法により酸化半導体膜を堆積することにより前記ディープトレンチ及びトレンチを埋め戻すトレンチ埋め戻し工程と、
このトレンチ埋め戻し工程において堆積された酸化半導体膜及び前記マスク膜を、前記ストッパ膜をストッパとした化学的機械的研磨法などにより除去して加工面を平坦化する平坦化工程と、
前記ストッパ膜及び絶縁膜を除去する除去工程と、
前記半導体層の表面に熱酸化膜を形成する熱酸化工程とを実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記酸化膜形成工程は、
前記半導体層における前記絶縁分離トレンチ用開口部及び浅部トレンチ用開口部に臨んだ領域に熱酸化膜を形成する熱酸化ステップと、
前記熱酸化膜のうち前記絶縁分離トレンチ用開口部に対応した部分を除去する酸化膜除去ステップとを組み合わせたものであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディープトレンチ構造の絶縁分離トレンチ及びＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）技術による浅部トレンチを備えた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、通信用ＬＳＩなどの用途においてバイポーラＣＭＯＳ技術を使用した半導体装置の需要が高まっている。このような半導体装置では、低電力デバイス用として有益なＳＯＩ基板を使用すると共に、バイポーラトランジスタ領域の絶縁性を高めるためにディープトレンチ構造の絶縁分離トレンチを形成する一方で、ＣＭＯＳ素子部分での素子分離幅を小さくして集積度を高めるために、従来一般的であったＬＯＣＯＳ膜に代えてＳＴＩ技術による浅部トレンチを形成することが考えられている。このような半導体装置を製造する場合には、従来より、絶縁分離トレンチを形成するプロセスと浅部トレンチを形成するプロセスとを個別に実行するという製造方法が採用されている。
【０００３】
具体的には、絶縁分離トレンチは図４及び図５に模式的に示す製造工程を経て形成され、浅部トレンチは図６及び図７に模式的に示す製造工程を経て形成されるものであり、以下、各工程の内容について個々に説明する。但し、図４〜図７における寸法比は正確ではない。
【０００４】
（１）絶縁分離トレンチの製造工程
▲１▼　成膜工程
まず、図４（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板１Ａ上に、酸化シリコン膜より成る絶縁分離層１Ｂを介して単結晶シリコン層１Ｃを形成したＳＯＩ基板１を用意し、その単結晶シリコン層１Ｃ上に、絶縁膜となる酸化シリコン膜２を熱酸化により成膜した後に、ストッパ膜となる窒化シリコン膜３及びマスク膜となる酸化シリコン膜４をＣＶＤ法などにより順次成膜する。
【０００５】
▲２▼　開口部形成工程
この後、図４（ｂ）に示すように、酸化シリコン膜２、窒化シリコン膜３及び酸化シリコン膜４の三層構造膜をフォトエッチング技術によりパターンニングすることによって所定位置に開口部５を備えた層構造のトレンチエッチングマスク（符号なし）を形成する。
【０００６】
▲３▼　トレンチエッチング工程
上記のようなマスク形成工程の後には、単結晶シリコン層１Ｃに対し酸化シリコン膜４をマスクとした状態の異方性ドライエッチングを行うことにより、図４（ｃ）に示すように、絶縁分離層１Ｂまで達するディープディープトレンチ６を形成する。
【０００７】
▲４▼　側壁酸化工程
上記トレンチエッチング工程の実行後に、ディープトレンチ６の側壁を熱酸化することにより側壁酸化膜７を形成する（図４（ｄ）参照）。
【０００８】
▲５▼　トレンチ埋め戻し工程
酸化シリコン膜４上の全面にＣＶＤ法によりポリシリコンを堆積することにより、ディープトレンチ６を埋め戻した状態のポリシリコン膜８を成膜する（図４（ｅ）参照）。
【０００９】
▲６▼　第１エッチバック工程
酸化シリコン膜４をストッパとしたＣＭＰ（化学的機械的研磨）処理または異方性エッチングを行うことにより、ポリシリコン膜８を酸化シリコン膜４の面までエッチバックする（図５（ｆ）参照）。
【００１０】
▲７▼　マスク除去工程
トレンチエッチングマスクとして使用された酸化シリコン膜４を、窒化シリコン膜３をストッパとしたウエットエッチングにより除去する（図５（ｇ）参照）。
【００１１】
▲８▼　第２エッチバック工程
ディープトレンチ６の上部に突き出した状態のポリシリコン膜８を、窒化シリコン膜３をマスクとしたドライエッチングにより酸化シリコン膜２の面まで除去する（図５（ｈ）参照）。
【００１２】
▲９▼　マスク除去及び酸化工程
窒化シリコン膜３及び酸化シリコン膜２をウエットエッチングにより順次除去した後に、単結晶シリコン層１Ｃの表面を熱酸化し、酸化膜９を形成する（図５（ｉ）参照）。
【００１３】
（２）浅部トレンチの製造工程
▲１▼　成膜工程
上述した絶縁分離トレンチの製造工程と同様に、図６（ａ）に示すような酸化シリコン膜２、窒化シリコン膜３及び酸化シリコン膜４を単結晶シリコン層１Ｃ上に順次成膜する。
【００１４】
▲２▼　開口部形成工程
この後、図６（ｂ）に示すように、その三層構造膜をフォトエッチング技術によりパターンニングすることによって所定位置に開口部１０を備えた層構造のトレンチエッチングマスク（符号なし）を形成する。
【００１５】
▲３▼　トレンチエッチング工程
上記のようなマスク形成工程の後には、単結晶シリコン層１Ｃに対し酸化シリコン膜４をマスクとした状態の異方性ドライエッチングを行うことにより、図６（ｃ）に示すようなトレンチ１１を形成する。
【００１６】
▲４▼　トレンチ埋め戻し工程
酸化シリコン膜４上の全面にＣＶＤ法により酸化シリコンを堆積することにより、トレンチ１１を埋め戻した状態の酸化シリコン膜１２を成膜する（図６（ｄ）参照）。
【００１７】
▲５▼　エッチバック工程
窒化シリコン膜３をストッパとしたＣＭＰ処理を行うことにより、酸化シリコン膜１２及び４を当該窒化シリコン膜３の面までエッチバックする（図７（ｅ）参照）。
【００１８】
▲６▼　マスク除去及び酸化工程
窒化シリコン膜３及び酸化シリコン膜２をウエットエッチングにより順次除去した後に、単結晶シリコン層１Ｃの表面を熱酸化し、酸化膜１３を形成する（図７（ｆ）参照）。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ディープトレンチ構造の絶縁分離トレンチの形成工程は非常に複雑であり、また浅部トレンチの形成工程もこれに準じて複雑であるという事情があり、このため、それら絶縁分離トレンチ及び浅部トレンチを個別に形成する従来の半導体装置の製造方法では、そのプロセスコストが嵩んで製品コストの引き下げが困難になるという問題点があった。
【００２０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体層に対しディープトレンチ構造の絶縁分離トレンチ及びＳＴＩ技術による浅部トレンチの双方を形成する場合に、そのプロセスコストを抑制できるようになる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の半導体装置の製造方法によれば、半導体層に対してディープトレンチ構造の絶縁分離トレンチ及び浅部トレンチの双方を形成するに当たって、絶縁分離トレンチを形成するための第１のエッチング工程と、浅部トレンチを形成するための第２のエッチング工程とを、同一の反応性イオンエッチング装置を利用して実行できる。具体的には、第１及び第２のエッチング工程は、ワークを反応性イオンエッチング装置のエッチング室内に設置したままの状態で、反応性ガスを切り替えることにより連続して実行できる。また、絶縁分離トレンチ及び浅部トレンチを形成する際に、トレンチエッチングマスクのための成膜工程及び開口部形成工程、そのトレンチエッチングマスクを構成するストッパ膜及び絶縁膜を除去するための除去工程、半導体層の表面に熱酸化膜を形成するための熱酸化工程など他に、ディープトレンチ・ＳＴＩ技術による浅部トレンチの埋め戻し、エッチバック（平坦化）工程なども互いに兼用できるようになる。この結果、半導体層に対しディープトレンチ構造の絶縁分離トレンチ及びＳＴＩ技術による浅部トレンチの双方を形成するに当たって、それら絶縁分離トレンチ及び浅部トレンチの製造工程を個別に行う場合に比べて、必要となる製造工程が格段に減ることになり、従って、プロセスコストの大幅な抑制が可能になる。
【００２２】
請求項２記載の半導体装置の製造方法によれば、半導体層における浅部トレンチ用開口部に臨んだ領域を覆った状態の酸化半導体膜を、当該半導体層における絶縁分離トレンチ用開口部及び浅部トレンチ用開口部に臨んだ領域に熱酸化膜を形成する熱酸化ステップと、その熱酸化膜のうち前記絶縁分離トレンチ用開口部に対応した部分を除去する酸化膜除去ステップとを経るにより確実に形成できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図１〜図３を参照しながら説明する。
図３には、本実施例の製造方法により製造される半導体装置の部分的な断面構造が模式的に示されている（寸法比は正確ではない）。この図３において、製造対象の半導体装置は、例えばバイポーラＣＭＯＳであり、単結晶シリコン基板２１Ａ（本発明でいう支持基板に相当）上に、酸化シリコン膜より成る絶縁分離層２１Ｂを介して単結晶シリコン層２１Ｃ（半導体層に相当）を形成したＳＯＩ基板２１を利用して形成される。この場合、単結晶シリコン層２１Ｃには、大電流駆動及び高速動作用の回路素子であるバイポーラトランジスタを形成するための素子形成領域２２ａと、高集積度及び低消費電力の回路素子であるＣＭＯＳを形成するための素子形成領域２２ｂとが設定されるものであり、各素子形成領域２２ａ及び２２ｂを電気的に分離するために、絶縁分離層２１Ｂまで達するディープトレンチ構造の絶縁分離トレンチ２３が形成される。また、ＣＭＯＳ用の素子形成領域２２ｂ内には、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）技術による浅部トレンチ２４が形成される。尚、絶縁分離トレンチ２３及び浅部トレンチ２４内には、酸化シリコン２５が埋め込まれた状態とされるものであり、また、単結晶シリコン層２１Ｃ上には熱酸化膜２６が形成される。
【００２４】
図１及び図２には、上記のような半導体装置を製造するための各工程が模式的な断面図（寸法比は正確ではない）により示されており、以下、各工程の内容について個別に説明する。
【００２５】
▲１▼　成膜工程
図１（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板２１の単結晶シリコン層２１Ｃ上に、酸化シリコン膜２７（絶縁膜に相当）を熱酸化により成膜した後に、窒化シリコン膜２８（ストッパ膜に相当）、酸化シリコン膜２９（マスク膜に相当）を順次積層状に成膜する。ここで、酸化シリコン膜２９は、単結晶シリコン層２１Ｃを異方性エッチングしてトレンチを形成する際のエッチングマスクとして機能する。また、窒化シリコン膜２８は、上記酸化シリコン膜２９を除去する際のストッパの機能を果たすものであり、酸化シリコン膜２７は、窒化シリコン膜２８を成膜する際の応力を緩和する役目を果たすものである。
【００２６】
▲２▼　開口部形成工程
上記成膜工程により成膜された三層構造の積層膜に対し、図１（ｂ）に示すように、絶縁分離トレンチ２３及び浅部トレンチ２４の形成位置にそれぞれ対応した絶縁分離トレンチ用開口部３０及び浅部トレンチ用開口部３１を形成することにより、層構造のトレンチエッチングマスク３２を形成する。
【００２７】
▲３▼　酸化膜形成工程
この工程は、熱酸化ステップと酸化膜除去ステップとを順次実行することにより構成されている。熱酸化ステップでは、熱酸化装置を利用した酸化処理を実行することにより、図１（ｃ）に示すように、単結晶シリコン層２１Ｃにおける絶縁分離トレンチ用開口部３０及び浅部トレンチ用開口部３１に臨んだ領域に熱酸化膜３３を形成する。また、酸化膜除去ステップでは、絶縁分離トレンチ用開口部３０と対応した部分のみが開口したマスクを形成した状態で例えばドライエッチングを行うことにより、熱酸化膜３３のうち絶縁分離トレンチ用開口部３０に対応した部分を除去し、この後に上記マスクもエッチングにより除去する（図１（ｄ）参照）。従って、浅部トレンチ用開口部３１に対応した部分の熱酸化膜３３は、そのまま残された状態となる。
【００２８】
▲４▼　第１のエッチング工程
トレンチエッチングマスク３２を利用した反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を、単結晶シリコン及び酸化シリコン間のエッチング選択比が高い反応性ガス（例えば、臭素（Ｂｒ　）をベースとした化学系ガス）を使用して行うことにより、絶縁分離トレンチ用開口部３０に対応した単結晶シリコン層２１Ｃを異方性エッチングし、以て、絶縁分離トレンチ２３に対応したディープトレンチ２３ａを形成する（図１（ｅ）参照）。尚、この場合には、図示したようにディープトレンチ２３ａの底部が絶縁分離層２１Ｂまで到達する必要はなく、その底部に、後述する第２のエッチング工程でのエッチング量に応じて決まる厚み分だけ単結晶シリコン層２１Ｃを残しておくことが望ましい。
【００２９】
▲５▼　第２のエッチング工程
トレンチエッチングマスク３２を利用した反応性イオンエッチングを、単結晶シリコン及び酸化シリコン間のエッチング選択比が低い反応性ガス（例えば、フッ素をベースとした化学系ガス）に切り替えて行うことにより、浅部トレンチ用開口部３１に対応した熱酸化膜３３及び単結晶シリコン層２１Ｃを異方性エッチングし、以て、浅部トレンチ２４に対応したトレンチ２４ａを形成する（図１（ｆ）参照）。尚、この第２のエッチング工程の実行に応じてディープトレンチ２３ａの底部が絶縁分離層２１Ｂまで到達することになる。
【００３０】
▲６▼　トレンチ埋め戻し工程
化学的気相成長（ＣＶＤ）法により酸化シリコン膜３４を堆積することによりディープトレンチ２３ａ及びトレンチ２４ａを埋め戻す（図２（ｇ）参照）。
【００３１】
▲７▼　平坦化工程
上記トレンチ埋め戻し工程において堆積された酸化シリコン膜３４及び酸化シリコン膜２９を、窒化シリコン膜２８をストッパとした化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法などにより除去して加工面を平坦化する（図２（ｈ）参照）。尚、この平坦化に応じて、酸化シリコン膜３４が図３に示す埋め込み酸化シリコン２５となる。
【００３２】
▲８▼　除去工程
まず、リン酸系のエッチング液によりウエットエッチングを行うことにより窒化シリコン膜２８を除去する（図２（ｉ）参照）。次いで、フッ酸系のエッチング液によりウエットエッチングを行うことにより酸化シリコン膜２７を除去する（図２（ｊ）参照）。
【００３３】
▲９▼　熱酸化工程
熱酸化装置を利用した酸化処理を実行することにより、単結晶シリコン層２１Ｃの表面に熱酸化膜２６を形成し（図２（ｋ）参照）、以て図３に示すような半導体装置を完成させる。
【００３４】
尚、反応性イオンエッチングに用いる反応性ガス及び流量は、下表のような特性を考慮して決めることができる。
【００３５】
【表１】
2004055908.tif 000003
【００３６】
要するに、本実施例による半導体装置の製造方法は、以下に述べるような特徴を有するものである。
単結晶シリコン層２１Ｃに対してディープトレンチ構造の絶縁分離トレンチ２３及び浅部トレンチ２４の双方を形成するに当たって、絶縁分離トレンチ２３を形成するための第１のエッチング工程と、浅部トレンチ２４を形成するための第２のエッチング工程とを、同一の反応性イオンエッチング装置を利用して実行できる。具体的には、第１及び第２のエッチング工程は、ワーク（ＳＯＩ基板２１）を反応性イオンエッチング装置のエッチング室内に設置したままの状態で、反応性ガスを、単結晶シリコン及び酸化シリコン間のエッチング選択比が高いものから低いものへ切り替えることにより連続して実行できる。また、絶縁分離トレンチ２３及び浅部トレンチ２４を形成する際に、トレンチエッチングマスク３２のための成膜工程（図１（ａ））及び開口部形成工程（図１（ｂ））、ディープトレンチ２３ａ及びトレンチ２４ａを酸化シリコン膜３４により埋め戻すためのトレンチ埋め戻し工程（図２（ｇ））、その酸化シリコン膜３４及び酸化シリコン膜２９を化学的機械的研磨法などにより除去する平坦化工程（図２（ｈ））、トレンチエッチングマスク３２を構成する窒化シリコン膜２８及び酸化シリコン膜２７を除去するための除去工程（図２（ｉ）、（ｊ））、単結晶シリコン層２１Ｃの表面に熱酸化膜２６を形成するための熱酸化工程（図２（ｋ））を互いに兼用できるようになる。この結果、単結晶シリコン層２１Ｃに対しディープトレンチ構造の絶縁分離トレンチ２３及びＳＴＩ技術による浅部トレンチ２４の双方を形成する場合、それら絶縁分離トレンチ２３及び浅部トレンチ２４の製造工程を個別に行う場合に比べて、必要となる製造工程が格段に減ることになり、従って、プロセスコストの大幅な抑制が可能になる。
【００３７】
（他の実施の形態）
その他、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、以下に述べるような変形或いは拡張が可能である。
単結晶シリコン基板２１Ａを支持基板としたＳＯＩ基板２１を利用する例で説明したが、支持基板の材料としては、単結晶シリコン基板に限らず、他の半導体基板或いは絶縁性を有するセラミック基板やガラス基板などを用いることができ、特に、絶縁性を有する基板を用いる場合には絶縁分離層（上記した各実施例の場合、酸化シリコン膜より成る絶縁分離層２１Ｂ）が不要になる（例えば、ＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｓａｐｐｈｉｒｅ　）基板を用いる場合が該当する）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による製造工程の流れを示す模式的断面図その１
【図２】製造工程の流れを示す模式的断面図その２
【図３】製造対象の半導体装置の模式的断面図
【図４】従来例による製造工程の流れを示す模式的断面図その１
【図５】従来例による製造工程の流れを示す模式的断面図その２
【図６】従来例による製造工程の流れを示す模式的断面図その３
【図７】従来例による製造工程の流れを示す模式的断面図その４
【符号の説明】
２１はＳＯＩ基板、２１Ａは単結晶シリコン基板（支持基板）、２１Ｂは絶縁分離層、２１Ｃは単結晶シリコン層（半導体層）、２３は絶縁分離トレンチ、２３ａはディープトレンチ、２４は浅部トレンチ、２４ａはトレンチ、２６は熱酸化膜、２７は酸化シリコン膜（絶縁膜）、２８は窒化シリコン膜（ストッパ膜）、２９は酸化シリコン膜（マスク膜）、３０は絶縁分離トレンチ用開口部、３１は浅部トレンチ用開口部、３２はトレンチエッチングマスク、３３は熱酸化膜、３４は酸化シリコン膜を示す。
【図１】
2004055908.tif 000004
【図２】
2004055908.tif 000005
【図３】
2004055908.tif 000006
【図４】
2004055908.tif 000007
【図５】
2004055908.tif 000008
【図６】
2004055908.tif 000009
【図７】
2004055908.tif 000010