(57)【要約】【課題】  高アスペクト比のトレンチ内部への絶縁膜の埋め込み特性を高めることができるようにする。【解決手段】  フラッシュメモリにおいて、メモリセル領域３のトレンチ１ａは、アスペクト比が高く、周辺回路領域４のトレンチ２ｂはアスペクト比が低い。この関係を利用して、ハロゲン系ガスと酸素とフロロカーボン系ガスを混合したエッチングガスでエッチングをすることで、トレンチ２ａの側壁部はテーパー角αを大きくし且つ底面部に向かうにしたがって傾斜角度が大きくなる構成となり、トレンチ２ｂの側壁部はテーパー角を小さくする構成を得る。これにより、トレンチ２ａ内部への絶縁膜の埋め込み特性を向上させることができる。【選択図】  図１
2005276930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
この半導体基板の表面に形成されたアスペクト比の異なる複数のトレンチを備え、
前記複数のトレンチのうちで高アスペクト比のトレンチは、底面部に対する側壁部の傾斜角度が底面部側で直角に近い第１の傾斜角度となるように形成され、開口部側では第１の傾斜角度よりも小さい第２の傾斜角度となるように形成され、
前記複数のトレンチのうちで低アスペクト比のトレンチは、底面部に対する側壁部の傾斜角度が底面部側から開口部側までほぼ一定で前記第１の傾斜角度より小さい第３の傾斜角度となるように形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記高アスペクト比のトレンチはメモリセルが形成される領域の素子分離領域として形成され、
前記低アスペクト比のトレンチは周辺回路が形成される領域の素子分離領域として形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記第３の傾斜角度は前記第２の傾斜角度にほぼ等しいことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の半導体装置において、
前記複数のトレンチを形成する半導体基板には、ゲート絶縁膜およびゲート電極が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
半導体基板の表面に高アスペクト比のトレンチおよび低アスペクト比のトレンチをエッチングにより形成する半導体装置の製造方法において、
前記半導体基板に前記高アスペクト比および低アスペクト比のトレンチを開口するようにエッチングマスク材をパターニングする工程と、
前記エッチングマスク材がパターニングされた半導体基板をハロゲン系ガスにフロロカーボン系ガスおよび酸素を混合したエッチングガスを用いてエッチング処理し、前記高アスペクト比のトレンチおよび前記低アスペクト比のトレンチを同時形成す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高アスペクト比のトレンチおよび低アスペクト比のトレンチを備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、素子分離を図るための構造として、半導体基板にトレンチを形成しそのトレンチ内に酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のような絶縁性を有する材料を埋め込むようにして形成する素子分離構造（Shallow Trench Isolation：ＳＴＩ）が用いられている。
これは、あるパターンを有する基板を装置の真空反応室内に設置し、その真空反応室内に反応ガスを導入するとともに放電プラズマを発生させ、反応性イオンや活性種（ラジカル）によりエッチングを進行させてトレンチ加工を行うものである。そして、このトレンチ部に絶縁性物質を成膜することで、ＳＴＩ構造を得ることができる。これらは、イオンやラジカルのエネルギーや量を調整することで、被エッチング膜における所望な形状の加工、堆積膜の高い埋め込み特性、高い加工・成膜速度の確保を行っている。
【０００３】
しかし、素子構造の微細化が進み、ＳＴＩ形成部分のアスペクト比が高くなることによって、絶縁膜材の埋め込み特性が低下していく傾向にあり、この結果、ＳＴＩ内部が絶縁膜材で完全に埋まらず、内部にボイド等が発生し、これによって素子間のショート発生等の新たな不具合が発生する頻度が高くなってきた。
このようなトレンチ内部への絶縁膜の埋め込み特性の改善を図るようにしたものとしては、例えば特許文献１に示されるものがある。
【特許文献１】特開２００２−４３４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したような絶縁膜の埋め込み特性の改善を図るためには、例えばＳＴＩのテーパー角すなわちトレンチの底面部に対する側壁部の傾斜角度を小さくすること、つまり側壁部の傾斜を緩やかになるように形成することで埋め込み特性を良好に維持するといった方法が考えられる。しかし、このような解決方法では、素子構造の微細化が進むにしたがって素子間距離を短く設定する必要上から、テーパー角を小さくしていって底面部で側壁部同士が接する状態までの距離が短くなることになり、ＳＴＩを形成するトレンチの開口幅に対応してテーパー角の下限値の制約が厳しくなってきていて対応が困難であるのが実情である。
【０００５】
上記のようにテーパー角を小さくしていく場合には、実効的に素子間の絶縁距離が短くなってしまうことで耐圧劣化が生じ、ＳＴＩの本来の素子分離の機能が低下してしまう事態を招くからである。したがって、このような不具合を引き起こさないようにするためには、ある程度テーパー角を高い値に保つことが必要となり、これによって、トレンチの開口幅とテーパー角とが共に特性を優位にするための条件は相反することになり、この制約の中で埋め込み特性を前世代の設計ルール程度に維持することが困難となってきた。
【０００６】
そこで、上記のようなトレンチ内部への絶縁膜の埋め込み特性を良好にするために、従来では、１回で成膜するのではなく、例えば数度の埋め込み工程を繰り返し施すことでトレンチ内を完全に絶縁膜で埋め込むような処理工程を採用する必要がある。ところが、この場合には、埋め込み特性を満たすことができても、生産性の向上を望めず、また低コスト化を図ることが難しい状況である。
【０００７】
本発明は、上記した事情を考慮してなされたもので、その目的は、素子設計ルールの微細化が進んでも、高アスペクト比のトレンチ内への絶縁膜の埋め込み特性を良好に維持することができるようにした構成のトレンチ形状を備えた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、
半導体基板と、
この半導体基板の表面に形成されたアスペクト比の異なる複数のトレンチを備え、
前記複数のトレンチのうちで高アスペクト比のトレンチを、底面部に対する側壁部の傾斜角度が底面部側で直角に近い第１の傾斜角度となるように形成され、開口部側では第１の傾斜角度よりも小さい第２の傾斜角度となるように形成し、
前記複数のトレンチのうちで低アスペクト比のトレンチは、底面部に対する側壁部の傾斜角度が底面部側から開口部側までほぼ一定で前記第１の傾斜角度より小さい第３の傾斜角度となるように形成したところに特徴を有する。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板の表面に高アスペクト比のトレンチおよび低アスペクト比のトレンチをエッチングにより形成する半導体装置の製造方法において、
前記半導体基板に前記高アスペクト比および低アスペクト比のトレンチを開口するようにエッチングマスク材をパターニングする工程と、
前記エッチングマスク材がパターニングされた半導体基板をハロゲン系ガスにフロロカーボン系ガスおよび酸素を混合したエッチングガスを用いてエッチング処理し、前記高アスペクト比のトレンチおよび前記低アスペクト比のトレンチを同時形成する工程とを備えたところに特徴を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、高アスペクト比のトレンチでは側壁部の傾斜角度を底面部側と開口部側とで変化させることで、平面ではなく膨らみを持たせた曲面状に形成しているので、耐圧特性の劣化をなくしながら、トレンチ内部への絶縁膜の埋め込み特性の向上が可能となり、この構造を採用することにより、工程削減による生産効率の向上、低コスト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を不揮発性メモリの一つであるフラッシュメモリに適用した場合の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１はトレンチ形成工程を実施した後の模式的な断面図である。また、図２は、ゲート電極が形成された状態の平面図を示しており、図中Ａ−Ａ線で示す部分の断面が図１に示す構成と対応している。フラッシュメモリを構成するチップは、半導体基板上に多数のメモリセルが形成されるメモリセル領域と、これらメモリセルを駆動するための周辺回路が形成された周辺回路領域とから構成されている。
【００１１】
図１において、半導体基板であるシリコン基板１には、その上面から所定箇所に素子分離領域形成用のトレンチ２ａ、２ｂが、それぞれ開口幅寸法Ａ１、Ａ２で、同じ深さ寸法Ｄで形成されている。トレンチ２ａは、メモリセル領域３に対応して形成された高アスペクト比Ｒ１（＝Ｄ／Ａ１）で形成されたものであり、トレンチ２ｂは、周辺回路領域４に対応して形成された低アスペクト比Ｒ２（＝Ｄ／Ａ２）で形成されたものである。
【００１２】
メモリセル領域３と周辺回路領域４とでは、周辺回路領域４に形成するトランジスタがメモリセルトランジスタに比べて高耐圧のものがあり、トレンチ２ａの幅寸法Ａ１よりもトレンチ２ｂの幅寸法Ａ２の方が広く設定されている。また、トレンチ２ｂの底面部にはエッチング処理条件の関係で一部にエッチングで除去されていない残渣５が堆積して残る状態に形成される。
【００１３】
トレンチ２ａ、２ｂにより、メモリセル領域３、境界部分、周辺回路領域４のそれぞれに分離形成された活性領域６ａ、６ｂ、６ｃには、シリコン基板１の上面に、ゲート絶縁膜としてのシリコン酸化膜７、ゲート電極材料としての多結晶シリコン膜８、ＣＭＰ処理のストッパとなるシリコン窒化膜９およびシリコン基板１のエッチングマスク材として用いるシリコン酸化膜１０が順次積層された構成となっている。
【００１４】
図２で示す構成では、図１のトレンチ２ａ、２ｂ内にシリコン酸化膜を埋め込んで形成したＳＴＩ１１ａ、１１ｂが形成されていると共に、活性領域６ａ、６ｃを横切る方向に形成されたゲート電極１２が示されている。
図３はトレンチ２ａおよびトレンチ２ｂの形状を比較するために示すもので、高アスペクト比のトレンチ２ａと低アスペクト比のトレンチ２ｂとが隣接する境界部分すなわち図１に示す活性領域６ａおよび６ｂの部分の断面を示している。この図において、トレンチ２ａはシリコン基板１の上部開口部での幅寸法Ａ１に対して底面部では幅寸法Ｂ１に狭められた形状となっている。
【００１５】
いま、底面端部のＰ１と開口端部Ｐ２とを結んだ線Ｌが底面に平行な線Ｈとなす角度をテーパー角と定義し、トレンチ２ａのテーパー角をαとすると、このトレンチ２ａの側壁部１３ａは、底面端部Ｐ１においてテーパー角αよりも直角に近い急峻な傾斜角度θ１（底面端部Ｐ１における側壁部１３ａの形状に沿った接線Ｓ１と線Ｈとの成す角）で立ち上がり、上方に行くにしたがって徐々に傾斜角度が緩やかになり、開口端部Ｐ２ではテーパー角αよりも小さい傾斜角度θ２（開口端部Ｐ２における側壁部１３ａの形状に沿った接線Ｓ２と線Ｈと成す角）で終端している。
【００１６】
また、トレンチ２ａの側壁部１３ａは、上記した条件を満たしながら、開口端部Ｐ２付近での形状は、丸みを帯びた形状に形成されている。この結果、トレンチ２ａ内部の断面形状は、底面部から開口部に向かって拡開する度合いが増加するいわゆるラッパ状をなすように形成されている。
一方、トレンチ２ｂのテーパー角をβとすると、このトレンチ２ｂの側壁部１３ｂは、底面端部Ｐ３から開口端部Ｐ４に至るまで、上記した定義に基づいたテーパー角βとほぼ同じ傾斜角度θ３となるように形成されている。また、開口端部Ｐ２、Ｐ４における傾斜角度θ２とθ３とはほぼ同じ値になるように形成されている。
【００１７】
上記したトレンチ２ａ、２ｂの各テーパー角α、βは、上記した各寸法から式（１）、（２）のようにあらわすことができる。
テーパー角  α＝arctan（２Ｄ／（Ａ１−Ｂ１））              …（１）
テーパー角  β＝arctan（２Ｄ／（Ａ２−Ｂ２））              …（２）
なお、傾斜角度θ２とθ３は必ずしもほぼ同じ値になる必要はなく、傾斜角度θ３が傾斜角度θ１より小さければよい。
【００１８】
上記のようにトレンチ２ａの側壁の傾斜角が開口部付近で緩やかに、底面部付近で急峻に形成され、トレンチ２ｂの側壁の傾斜角がトレンチ２ａの底面部付近の傾斜角より小さな傾斜角で一定に形成されるので、その後トレンチ内部を埋めるシリコン酸化膜の埋め込み特性が向上するようになる。これは、後述する比較結果からわかるように、高アスペクト比のトレンチ２ａの内部の容積が、他の形状の構成のものに比べて相対的に減少することで、内部への充填性が良好になるためと推定され、埋め込み用シリコン酸化膜の形成を１回の処理で行えると共に、膜厚を厚くすることで埋め込み特性を向上させるなどの必要もなくなるので、生産性の向上も図ることができるようになる。
【００１９】
次に、図１の構成に至るまでの製造工程について図４を参照して説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板１上にシリコン酸化膜７、多結晶シリコン膜８、シリコン窒化膜９およびシリコン酸化膜（ＢＳＧ膜）１０を順次成膜する。シリコン酸化膜７はフローティングゲートのゲート絶縁膜として機能するものであり、多結晶シリコン膜８はフローティングゲートとして機能する構成の一部（後工程で多結晶シリコン膜が積層される）であり、シリコン窒化膜９はＣＭＰ処理工程におけるストッパとして機能するものである。また、シリコン酸化膜１０は、シリコン基板１のエッチング時にマスク材として機能するものである。
【００２０】
次に、図４（ｂ）に示すように、活性領域６ａ〜６ｃに対応してフォトリソグラフィ処理によりレジスト１４の塗布および露光現像処理を行いパターニングする。この後、図４（ｃ）に示すように、レジスト１４をマスク材としてシリコン酸化膜１０をエッチング加工し、レジスト１４を剥離する。続いて、シリコン酸化膜１０をマスク材として、シリコン窒化膜９、多結晶シリコン膜８およびシリコン酸化膜７をエッチング加工する。
【００２１】
続いて、図４（ｄ）に示すように、シリコン基板１を処理装置の反応真空容器にて、ハロゲン系ガスにフロロカーボン系ガスおよび酸素を添加したエッチングガスを用いてエッチング処理を行い、トレンチ２ａ、２ｂを形成する。
このとき用いるエッチングガスのガス種としては、例えば、ハロゲン系ガスとしてＣｌ２（塩素ガス）、ＨＢｒ（臭化水素ガス）などであり、フロロカーボン系ガスとして、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６などである。
【００２２】
上記したガス種の機能としては、主としてハロゲン系ガスによりシリコンをエッチングし、酸素によりエッチングしたシリコンを酸化させることで反応性生物として酸化シリコンを生成してこれを堆積シリコン基板１の表面に堆積させる。フロロカーボン系ガスは、酸化シリコンとして堆積する残渣を再びエッチングして飛ばす機能を有している。
また、酸素により酸化されたシリコンは、アスペクト比が高いトレンチすなわちメモリセル領域３のトレンチ２ａにおいては底面部側に進入し難く、トレンチ２ａの底面部がエッチングにより掘り下げられるにしたがって堆積する量が少なくなるため、その側壁部１３ａでは傾斜角度が大きくなっていく。これに対して、アスペクト比が低いトレンチ２ｂでは、開口部の幅寸法Ａ２が広いので、酸化シリコンが底面部まで十分到達可能であり、側壁部１３ｂは緩やかな傾斜角度θ３をもつ形状となる。
【００２３】
したがって、上記したガスの混合比を適当に設定することで反応性生物の生成量をコントロールしたり、あるいは生成された反応性生物の堆積量をコントロールしたりすることができるようになり、所望の形状が得られる条件を設定することができる。また、上記のようにしてエッチング処理をすることで、１回のエッチング処理で同時にトレンチ２ａおよび２ｂの形状を形成することができる。
【００２４】
具体的なエッチング条件の例は以下のとおりである。
ガス流量比：ハロゲン系ガス約７０％、酸素約２０％、フロロカーボン系ガス約１０％、
エッチング圧力：約２０ｍＴ、
ＲＦパワー：５００Ｗ程度。
【００２５】
次に、本実施形態の構成のトレンチ２ａ、２ｂのものと、比較のために作成した他の形状をなすトレンチのものについて絶縁膜としてのシリコン酸化膜の埋め込み特性を調べた結果について説明する。図５（ａ）は本実施形態の構成のトレンチ２ａを備えたシリコン基板１を示し、（ｂ）はトレンチ１５の形状がストレートテーパー型のものを備えたシリコン基板１６を示し、（ｃ）はトレンチ１７の形状がボウイング型（弓状型）のものを備えたシリコン基板１８を示している。各トレンチ２ａ、１５、１７には埋め込み特性を測定するための埋め込み用のシリコン酸化膜１９が形成された状態を示している。
【００２６】
図６は、上記したシリコン基板１、１６、１８について、トレンチ２ａ、１５、１７の埋め込み特性を比較した図である。ここで、ボトム高さ量ＢＴ（ｎｍ）とは、図５（ａ）に示したように、シリコン基板１の上面つまりシリコン酸化膜７との界面高さと埋め込み用のシリコン酸化膜１９の成膜状態での表面の底の高さとの差の長さを表したものである。この結果から、本実施形態のものが最もボトム高さ量ＢＴが最も大きく、ストレートテーパー型、ボウイング型の順にボトム高さ量ＢＴが減少している。
【００２７】
また、上記の場合に、本実施形態のトレンチ２ａのシリコン基板１とストレートテーパー型のトレンチ１５のシリコン基板１６について、両者のテーパー角αを同じに設定したときの埋め込み特性を調べた。この結果、同じテーパー角αであるが、ボトム高さ量ＢＴは、それぞれ、１４３ｎｍ、９１ｎｍであった。この結果からも、本実施形態のトレンチ２ａを形成したシリコン基板１を用いた場合が、他のものに比べて埋め込み特性に優位性があることが確認できる。
【００２８】
なお、この場合に、ＳＴＩ１１ａを形成した状態では、隣接する活性領域６ａ間で、トレンチ２ａの底面部を介した素子間距離が同等であることから、絶縁特性を維持しつつ埋め込み特性が向上されていることが分かる。
次に、本実施形態におけるトレンチ２ａを形成したシリコン基板１を用いた場合で、トレンチ開口部側の傾斜角度θ２を変化させた場合の埋め込み特性の評価を行った結果について説明する。なお、ここでは、傾斜角度θ２に代えて、トレンチ２ａの側壁部１６ａについて、開口部側の丸みを帯びた部分を円の一部に近似してその曲率半径ｒをパラメータとして埋め込み特性の評価を行った。
【００２９】
ここで、曲率半径ｒはシリコン基板１の上面から深さ２０ｎｍ程度の部分にて算出した値を用いている。図７はその結果を示すもので、上記した定義に基づく曲率半径ｒが大きくなるに連れ、埋め込み特性が向上（ボトム高さ量ＢＴの増加）していることが分かる。これは、傾斜角度θ２に対応させると、より小さくした方が埋め込み特性が向上するということになる。
【００３０】
したがって、この曲率半径ｒを制御することで埋め込み時のボトム高さ量ＢＴを調整することも可能であることが分かる。そして、これによって、従来の埋め込み処理に要する工程数および時間に対して、この構成を採用することで、約２／３に短縮することが確認され、工数削減の効果も得られることがわかった。
次に、計算機のシミュレーションにより、本実施形態のトレンチ２ａの形状の埋め込み特性の評価を行った結果について説明する。このシミュレーションでは、トレンチ２ａの側壁部１６ａについて、深さ方向に上部／中部／下部の３段階に分割し、それぞれの分割領域におけるテーパー角αを変化させて組み合わせを行い、同様に埋め込み特性の評価を行った。この結果から、埋め込み特性における影響度は、上部傾斜部＞中部傾斜部＞下部傾斜部の順に大きいことがわかった。そして、その傾斜角度が緩やかである方が、また、曲率半径で言えば大きい方が埋め込み特性が向上することが、図８に示す結果からわかった。
【００３１】
上記した結果を総合すると、トレンチ２ａの側壁部１６ａについて、開口部側（上部傾斜部）の曲率半径ｒを大きく形成したもの、あるいは開口部側のテーパー角αが緩やかとなるように形成したものが、埋め込み特性を向上しつつ、絶縁性を確保した素子分離機能を十分に満足する構成として得ることができることがわかった。なお、本評価にておいては、トレンチ２ａの側壁部１６ａを深さ方向に３分割してシミュレーションした場合で説明したが、その分割数は任意数に設定することができ、その場合でも、同様な結果・効果が得られることは明白である。
【００３２】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
エッチングガスは、実施形態中で例示したもの以外でも、同種の系列に属するガスであれば適用することができる。また、混合比あるいは流量比も適宜の設定をすることで目的を達成することができる。
【００３３】
フラッシュメモリに限らず、不揮発性メモリ全般に適用することができるし、不揮発性メモリ以外でも、アスペクト比の異なるトレンチを複数形成すると共に、そのトレンチ内部を絶縁膜で埋める構成を採用する半導体装置全般に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態を示すトレンチ形成状態の模式的な断面図
【図２】ゲート電極を形成した状態で示す模式的な平面図
【図３】トレンチの詳細な形状を説明するための模式的な断面図
【図４】製造工程の各段階に対応した模式的な断面図
【図５】埋め込み特性の比較を行ったトレンチの形状を示す図
【図６】種々のタイプのトレンチについて埋め込み特性をボトム高さ量で示した測定結果図
【図７】トレンチの上部の曲率半径を変えたときの埋め込み特性をボトム高さ量で示した測定結果図
【図８】トレンチの上部のテーパー角を変えたときの埋め込み特性をボトム高さ量で示したシミュレーション結果図
【符号の説明】
【００３５】
図面中、１はシリコン基板（半導体基板）、２ａ、２ｂはトレンチ、３はメモリセル領域、４は周辺回路領域、６ａ〜６ｃは活性領域、７はシリコン酸化膜（ゲート絶縁膜）、８は多結晶シリコン膜、９はシリコン窒化膜、１０はシリコン酸化膜、１１ａ、１１ｂはＳＴＩ、１２はゲート電極、１３ａ、１３ｂは側壁面である。
【図１】
2005276930.tif 000003
【図２】
2005276930.tif 000004
【図３】
2005276930.tif 000005
【図４】
2005276930.tif 000006
【図５】
2005276930.tif 000007
【図６】
2005276930.tif 000008
【図７】
2005276930.tif 000009
【図８】
2005276930.tif 000010