(57)【要約】【課題】ＳＴＩの侵食の問題に対して改善された半導体デバイス構造の製造方法を提供する。【解決手段】酸窒化物材料を用いて、集積回路構造内に浅いトレンチ分離領域を形成する。酸窒化物は、トレンチ・ライナ（２７）およびトレンチ充填材料（２９）の両方に用いることができる。酸窒化物ライナ（２７）は、最初に形成された酸化物トレンチ・ライナを窒化することにより形成する。酸窒化物トレンチ充填材料は（２９）、ＳｉＨ4およびＯ2の高密度プラズマ酸化物混合物を直接に付着し、かつ制御された量のＮＨ3をプラズマ混合物に加えることにより形成する。得られた酸窒化物構造は、例えばウェット・エッチングによるトレンチ充填材料の侵食に対する抵抗がより大きくなり、さらに周囲シリコンへのストレスを最小にする。ストレスを更に減らすため、窒素濃度が充填材料の上部において最大になるように、プラズマ混合物中のＯ2対ＮＨ3の比を変えることによって、窒素濃度を変えてもよい。【選択図】図７
2004530304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスの分離構造を形成する方法であって、
半導体基板（３）内にトレンチ領域（１１）を形成する工程と、
前記トレンチ領域（１１）内に、酸化物ライナを形成する工程と、
前記酸化物ライナを窒化して、前記トレンチ領域（１１）内に酸窒化物ライナ（２７）を形成する工程と、
前記トレンチ領域（１１）を、酸素および窒素を含む充填材料の付着から形成された酸窒化物材料で直接に充填する工程と
を含む、方法。
【請求項２】
前記トレンチ領域（１１）を酸窒化物材料（２９）で充填する前記工程は、窒素を含む高密度プラズマ酸化物混合物を用いて前記トレンチ領域を充填する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸窒化物材料中の窒素濃度が前記トレンチ領域（１１）の上部で高くなるように、前記プラズマ酸化物混合物中の前記窒素の量が前記トレンチ（１１）の充填中に増加される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
窒素を含む前記プラズマ酸化物混合物は、調整された量のＮＨ3を含む、ＳｉＨ4およびＯ2の混合物から作成される、請求項３に記載の方法
【請求項５】
前記プラズマ中のＮＨ3対Ｏ2の比が０．１〜１０である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記酸化物ライナを窒化して酸窒化物ライナ（２７）を形成する前記工程は、窒素含有雰囲気中でアニールすることによる窒化工程を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記酸化物ライナを窒化して酸窒化物ライナ（２７）を形成する前記工程は、プラズマ窒化による窒化工程を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記酸化物ライナを窒化して酸窒化物ライナ（２７）を形成する前記工程は、前記トレンチの側壁の上部における高濃度の窒素で前記酸化物ライナを窒化する工程を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記トレンチの前記側壁の上部における高濃度の窒素で前記酸化物ライナを窒化する前記工程は、イオン注入によって窒化する工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記酸窒化物材料（２９）をエッチングして、上面が前記基板（３）の表面の上に延びている酸窒化物トレンチ・プラグ（２９ａ）を形成する工程と、前記酸窒化物トレンチ・プラグ（２９ａ）の上面を窒化する工程とをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板（３）の前記表面の上に延びている前記酸窒化物トレンチ・プラグ（２９ａ）の少なくとも側壁部が窒化される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記側壁部がイオン注入によって窒化される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
酸窒化物トレンチ・プラグ（２９ａ）を形成するために酸窒化物材料で充填されたトレンチ領域を有する基板（３）を含み、前記酸窒化物材料の窒素濃度が、前記トレンチ・プラグ（２９ａ）の底部よりも前記トレンチ・プラグ（２９ａ）の上部において大きいことを特徴とする半導体デバイス・トレンチ分離構造。
【請求項１４】
前記酸窒化物材料の窒素濃度が、前記トレンチ・プラグ（２９ａ）の底部から前記トレンチ・プラグ（２９ａ）の上部に向かって次第に増加する、請求項１３に記載のトレンチ分離構造。
【請求項１５】
前記トレンチ領域は、前記トレンチ領域の壁をライニングする酸窒化物ライナ（２７）を含み、前記トレンチ領域の上部における前記酸窒化物ライナ（２７）の側壁は、前記トレンチ領域の下部における前記酸窒化物ライナの側壁よりも大きい窒素濃度を有する、請求項１３に記載のトレンチ分離構造。
【請求項１６】
前記酸窒化物トレンチ・プラグ（２９ａ）の側壁の上部５０Å内の窒素濃度が、前記酸窒化物トレンチ・プラグ（２９ａ）の側壁の上部５０Åより下の窒素濃度よりも高い、請求項１５に記載のトレンチ分離構造。
【請求項１７】
前記酸窒化物トレンチ・プラグ（２９ａ）が前記基板（３）の表面の上に延び、少なくとも前記基板（３）の表面の上に延びている前記酸窒化物トレンチ・プラグ（２９ａ）の部分が、前記基板（３）の表面の下に延びている前記酸窒化物トレンチ・プラグ（２９ａ）の部分よりも大きい窒素濃度を有する、請求項１６に記載のトレンチ分離構造。
【請求項１８】
前記酸窒化物トレンチ・プラグ（２９ａ）が前記基板（３）の表面の上に延び、前記基板（３）の表面の上に延びている前記トレンチ・プラグ（２９ａ）の側壁部が前記トレンチ・プラグ（２９ａ）の内部よりも大きい窒素濃度を有する、請求項１６に記載のトレンチ分離構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、半導体デバイスに関し、より具体的には、半導体デバイスの浅いトレンチ分離（ＳＴＩ）構造、および酸窒化物をトレンチ充填材料として用いて、製造中にＳＴＩエッチング侵食を阻止するような構造を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の性能を増大させるために、ＦＥＴのポリシリコン・ゲートの限界寸法（ＣＤ）が小さくなるにつれて、ゲートＣＤのより厳密な制御が必要とされる。チップ全体にわたるゲートＣＤの変動は、チップ内ライン幅変動（ＡＣＬＶ）として知られており、総合回路速度の決定要因である。
【０００３】
超大規模集積（ＵＬＳＩ）回路においてポリシリコン・ゲートをパターニングする典型的な方法は、小さい波長の光（２４８ｎｍ以下）によるリソグラフィを用いることである。リソグラフィ・プロセスを制御するためには、フォトレジストがスピン塗布される前に、反射防止膜が、ブランケット・ポリシリコン膜上に典型的にスピン塗布される。反射防止膜の厚さは、基板ウェハから反射する光が最小となるように、最適化される。反射防止膜の厚さが、チップ内にわたって変動するならば、光の反射量が変化し、このことはフォトリソグラフィ・プロセスの不十分な制御を生じさせる。この不十分な制御は、ＡＣＬＶを大きくし、回路性能を低下させる。
【０００４】
チップ内にわたる反射防止膜の厚さ変動の主な一因は、デバイスが設けられるシリコン活性領域に対する、浅いトレンチ分離（ＳＴＩ）材料の高さである。ゲートレベル・マスクおよびフォトリソグラフィ・ツールを最適化し、ポリシリコン・エッチング・プロセスを最適化した後、ＳＴＩ高さの変動は、ＡＣＬＶを増大させる残りの一因となる。
【０００５】
典型的な半導体デバイス製造方法においては、ＳＴＩ領域は、高密度プラズマ（＋ＨＤＰ）酸化物またはプラズマ・テトラエチル・オルトシリケート（ＴＥＯＳ）のような純粋な酸化物材料よりなる。ＳＴＩトレンチ形成プロセスおよびＳＴＩ充填プロセスが、チップ製造プロセスの初めに行われるので、ＳＴＩ酸化物は、続いて多くのウェット・エッチング処理工程（例えば、希釈ＨＦまたは緩衝ＨＦ）およびドライ・エッチング処理工程（例えば、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ））を受ける。したがって、製造プロセスのうち、通常の最終デバイスに近づくにつれて、ＳＴＩ酸化物は、エッチング除去される。このことは、シリコン・ウェハがチップ製造プロセスを進むにつれて、各々の高さが変動するシリコン活性領域に対するＳＴＩ酸化物の高さの変化につながる。
【０００６】
ＳＴＩ形成とポリシリコン付着との間には、多数のエッチング工程があり、各エッチング工程はそれに関連する可変性を有するので、実際に施されるＳＴＩのエッチング量に対する不十分な制御が存在する。ウェット化学槽においては、例えば、ＨＦ濃度は、槽の寿命につれて変化することが知られている。また、ＨＦを施すのに用いられる供給技術に応じて、エッチング速度のウェハ内変動がさらに存在する。同様に、一度に１つのウェハを典型的に処理するＲＩＥツールは、周知のウェハ内変動と、ウェハ間変動とを有している。
【０００７】
ＳＴＩ領域の侵食を低減する１つの方法は、ＳＴＩ形成と付着との間の多くのウェットおよびドライ・エッチング工程をできるだけ排除することである。例えば、活性領域表面を調整するために用いられる犠牲酸化工程および酸化物除去工程の排除は、簡略化を実現する。しかし、この手法は、単に採用できるというにすぎない。というのは、これらの工程のうちのいくつかが、最終回路を形成し、および必要な歩留りを実現するために必要だからである。ＳＴＩ侵食を低減する他の方法は、必要とされるエッチング工程の各々において、化学エッチャントへの暴露量を減らすことである。同様に、この手法は問題がある。というのは、微粒子を除去する、あるいは不適切な酸化物厚さを修正する、あるいは以降のプロセスのための水素停止表面を作成するために、エッチング工程を意図的に長くしなければならないことがあるからである。
【０００８】
活性領域を形成するために用いられる後続のエッチング工程の間のＳＴＩ侵食を抑制するために、ＳＴＩ材料の上にキャップを形成するという他の努力がなされてきた。例えば、米国特許第６１４６９７０号明細書は、ＴＥＯＳのような酸化物ＳＴＩ材料をキャップするために、窒化シリコンまたは窒素リッチのシリコン酸窒化物の層を用いることを述べている。しかし、この米国特許の２層手法は、ＳＴＩの形成に対して、かなりのコストおよびプロセスの複雑さを増加する。例えば、この米国特許は、２つの別個のライナ・プロセスと、２つの別個の付着プロセスと、２つの別個のＣＭＰプロセスとを用いている。
【０００９】
この点では、ＳＴＩの侵食に対し受け入れられる解決方法は、簡単でコスト効果的でなければならない。さらに、簡略化および低コストを示すことに加えて、受け入れることのできる解決方法は、ＳＴＩ高さを制御するのに、単に他のプロセス変数を制約することが不必要なように、十分な妥当性を有さなければならない。同時に、このような解決方法は、製品歩留りおよびコストへの影響を避けるために、既存のプロセスに好適に適合しなければならない。
【特許文献１】
米国特許第６１４６９７０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明の目的は、改善された半導体デバイス構造およびその製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、ＦＥＴのような半導体デバイス用の改善されたＳＴＩを提供することにある。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、ＵＬＳＩ半導体デバイス用の改善されたＳＴＩ構造およびそのような構造を製造する方法を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、改善されたＳＴＩ構造、およびその簡単な製造方法を提供することにある。このような構造および方法は、改善された製造制御、したがって改善されたデバイス性能を与える。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、ＳＴＩ侵食、および半導体活性領域に対するＳＴＩ材料の高さを制御するように、改善されたＳＴＩ構造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】
【００１５】
本発明によれば、半導体デバイスの活性領域間のＳＴＩを、酸窒化物の種々の構造的構成で形成する。酸窒化物は、トレンチ・ライナおよびトレンチ充填材料の両方に用いることができる。酸化物ライナおよびプラズマ酸化物充填材料の両方に窒素を導入することは、既存のプロセスを有効に利用することを可能にする。酸窒化物ＳＴＩは、周辺シリコンへのストレスを最小にするように形成され、ＳＴＩ付着に続く必要な製造工程中に、エッチング侵食に抵抗するＳＴＩ構造を提供する。
【００１６】
ＳＴＩに酸窒化物を使用することにより、トレンチ充填材料の侵食は最小になるので、酸窒化物の使用は、ウェハ内およびウェハ間で、シリコン活性領域に対するＳＴＩの高さの精密制御を可能にする。最初に、トレンチ酸化物ライナを、例えば窒素雰囲気中でアニールすることによって、窒化して酸窒化物ライナとする。次に、酸窒化物ＳＴＩ充填材料を、トレンチ内に直接に付着して、トレンチ・プラグを形成する。この場合、ＳＴＩＳｉＯ2プラズマ・トレンチ充填プロセスに、窒素を付加する。トレンチ充填プロセスの際に、窒素濃度を動的に変えて、プロセス全体に対して窒素濃度を調整するようにする。最大の窒素濃度がプラグの表面の方に存在するように、窒素濃度を変えることは、プラグ侵食と、活性エリア領域下の周辺シリコンへのストレスとを最小にする。
【００１７】
本発明のこれらの前述したおよび他の目的、特徴および利点は、同じ参照番号が本発明の同じ部分を示している添付図面に例示される本発明の好適な実施例のより詳細な以下の説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、従来の技術において既知である、従来の半導体トレンチ構造１を示す。図１において、半導体基板または半導体ウェハ３が準備される。パッド酸化物または熱酸化物層５が、基板３上に形成される。厚い窒化シリコン層７が、薄い酸化物層５の上に典型的に付着されて、ハードマスクとして働く。次に、窒化物層が、フォトレジスト９で覆われる。次に、従来のフォトリソグラフィ処理を用いて、窒化シリコン層７および酸化物層５に開口１１をエッチングして、基板３の上面部分を露出させる。次に、誘電体層５および７内のこの開口を、１つ以上のＲＩＥシリコン・エッチング工程によって、基板内に拡げて、図１に示すように、ＳＴＩ領域１１を形成する。ＳＴＩ領域１１を形成した後、フォトレジスト９を除去して、熱酸化プロセスを利用して、図１に示すように、ＳＴＩ領域１１の側壁および底面上に、薄い酸化物ライナ層１３を形成する。
【００１９】
図２は、従来のＳＴＩ充填プロセスおよび研磨プロセスを示す。次に、二酸化シリコンＳＴＩ充填材料１５を、基板上にコンフォーマルに付着して、トレンチ１１を充填する。次に、化学機械研磨（ＣＭＰ）のような技術を用いて、基板を典型的に研磨して、窒化物層７上に設けられた過剰なＳＴＩ充填材料を除去する。基板の表面は、平坦であり、したがって、ＳＴＩ充填材料は、破線１７で示されるように、窒化物層１７の表面と共面をなす。
【００２０】
図３は、従来のＳＴＩリセス・プロセスの結果を示す。これを行うには、ＳＴＩＳｉＯ2充填材料を、ウェットＨＦプロセスまたはドライＲＩＥプロセスによって、意図的にエッチングし、窒化物と共面をなす破線１７のレベルから、窒化物の下側のレベル１９まで、酸化物をリセスする。その目的は、ＳＴＩ材料の初期の高さを設定することによって、後続する製造処理工程の後に、ポリシリコンの付着の際に、ＳＴＩ材料が、平均して基板３に共面となるようにするためである。ＳＴＩレベルをリセスした後、窒化物層７を典型的に熱リン酸ウェット・エッチングによって除去する。その結果、基板３は、酸化物層５によって覆われ、ＳＴＩ酸化物充填材料は、酸化物５の表面より上に、ライン１９に相当するレベルにまで盛り上がったＳＴＩ酸化物プラグ１５ａを形成する。次に、ＳＴＩ材料１５を、炉または急速熱処理で、不活性または酸化雰囲気内でアニールして、高密度プラグ１５ａを得る。しかし、これは、ＳＴＩ材料の付着または窒化物除去後のいかなる時点においても行うことができる。
【００２１】
図４は、ポリシリコン層２１の付着時のＳＴＩ領域を示す。窒化物層７の除去と、ＦＥＴゲートに用いられるポリシリコン層２１の付着との間に、多くの処理工程が行われる。これらの処理工程のいくつかは、ドライおよび／またはウェット・エッチングを含むので、ＳＴＩ酸化物プラグ材料の高さは、ライン２３で示されるレベルにある。処理工程のいくつかは、熱酸化および／またはＳｉＯ2付着を含むので、基板３上の酸化物層は、異なる酸化物層２５となっている。理想的には、ＳＴＩプラグ・レベル２３は、ポリシリコン層２１が付着されるときに、酸化物層２５の表面と共面になる。しかし、実際には、これを実現するのは極めて困難である。
【００２２】
図に示された要素は、必ずしもスケール通りに描かれておらず、説明の理解を容易にするために、単に与えられていることを理解すべきである。例えば、要素のいくつかの寸法は、他の要素に対して誇張されている。
【００２３】
本発明の特徴および利点を、図５〜図８を参照して、詳細に説明する。記述および断面図は、本発明のＳＴＩ構造およびその製造方法と、従来技術で用いられるＳＴＩ構造およびその製造方法との間の類似性と相違点とを示している。ＳＴＩ材料のトレンチ充填材料侵食の問題を克服することにおいて、コストおよび信頼性の見地から、できるだけ多くの既存の処理工程を用いることが有益である。
【００２４】
図５には、従来の半導体トレンチ構造の断面図を示す。この半導体トレンチ構造は、図１の構造に似ているが、フォトレジスト層９が除かれている。図５〜図８においては、図１〜図４に示された構造的特徴と同一の構造的特徴には、同一の参照番号を用いる。半導体基板３は、シリコン、シリコン・オン・インシュレータ、シリコンゲルマニウムなどのような種々の基板のいずれかとすることができることを理解すべきである。
【００２５】
したがって、図５は、パッド酸化物層５と窒化シリコン層７とで覆われた基板３を示している。これらの層内には、トレンチ１１が形成されている。本発明による酸窒化物ＳＴＩ構造を形成するプロセスは、トレンチ酸化物ライナの窒化により行うことができる。このトレンチ酸化物ライナは、図１〜図４においては、酸化物ライナ１３として示されているが、図５〜図８においては、酸窒化物ライナ２７として示されている。ライナの窒化は、ＳＴＩ充填材料がトレンチ内に付着される前に行われる。プロセスのこの時点で、ライナを窒化することの１つの利点は、もしトレンチ１１の上部コーナーが、ＳＴＩ形成の後ではなく、ポリシリコン付着の前に露出されるならば、化学エッチング侵食に対する上部コーナーの追加の保護が与えられることである。これは、化学エッチングにより、半導体−ＳＴＩ界面に小さな“くぼみ”を生じる。
【００２６】
酸化物ライナは、代表的に３０Å〜５００Åの厚さを有しているので、酸窒化物ライナ２７を形成する１つの有効な方法は、Ｎ含有雰囲気内で酸化物ライナをアニールすることである。したがって、図５に示すように、初期酸化物ライナを有するトレンチ１１を、例えば代表的に５００℃〜１１００℃の温度、および３．３８Ｐａ〜１．０１×１０6Ｐａ（１ｍｔｏｒｒ〜１０ａｔｍ）の圧力で、Ｎ2Ｏ、ＮＯ、ＮＨ3およびＮ2Ｈ4のいずれか１つに晒すことができる。気体の選択は、ライナへ取り込まれる窒素の量および位置を調整する。例えば、Ｎ2Ｏ、ＮＯおよびＮＨ3は、酸化物層中を拡散し、シリコン−ＳｉＯ2の界面に窒素を取り込み、他方、ＮＨ3およびＮ2Ｈ4は、ＳｉＯ2−大気の界面に、窒素を取り込むこともできる。この点に関し、Ｎ2Ｏは１％未満の窒素濃度（［Ｎ］）を、酸化物中に取り込ませることができるのみであり、他方、ＮＯ、ＮＨ3およびＮ2Ｈ4は、アニール温度、圧力および時間に基づいて、１％〜２０％の［Ｎ］をどこにでも取り込むことができる。気体露出の時間は、アニール・ツール設計および所望のロー・プロセス時間に対して、最適化される。
【００２７】
酸化物ライナを酸窒化物ライナに変える他の方法は、プラズマ窒化（ＰＮ）プロセスによる。このようなプロセスは、通常、リモートまたはダイレクトとして特徴づけられる。リモート・プラズマ窒化プロセスでは、取り付けられてはいるが別個のチャンバ内で、プラズマが発生されて、励起種が、不活性キャリア・ガスを用いて、ウェハを保持するチャンバ内に送られる。ダイレクト・プラズマ窒化プロセスでは、不活性ガスの存在のもとで、ウェハと同じチャンバ内で、プラズマが形成される。リモート・プラズマ窒化プロセスは、ウェハに対するダメージが小さいという利点を有している。というのは、高エネルギープラズマ種は、別個のチャンバに閉じ込められているからである。しかし、ダイレクト・プラズマ窒化プロセスは、ウェハ上の［Ｎ］に対して、良好な制御を与える。というのは、プラズマは、ウェハの全面上で均一になるように、設計できるからである。両方のプロセスは、１％〜２０％の［Ｎ］を取り込むことができ、両方のケースにおいて、［Ｎ］は、酸化物−雰囲気界面に存在する傾向がある。というのは、励起窒素種は、酸化物層に完全に拡散する前に反応する傾向があるからである。両方のケースにおいて、ウェハ温度は、プラズマ処理中は代表的に２０℃〜８００℃の値に保持される。チャンバ圧力は、代表的に１．３３Ｐａ〜９．３３×１０4Ｐａ（１０ｍｔｏｒｒ〜７００ｔｏｒｒ）であり、窒素源は、典型的に分子（Ｎ2）またはアンモニア（ＮＨ3）である。
【００２８】
上述した窒化プロセスの各々に共通の１つの面は、トレンチの底部における窒素深さプロファイルと同じトレンチの側壁における窒素深さプロファイルを得ることである。いくつかのケースでは、トレンチ１１の側壁の上部領域での酸窒化物ライナ２７の［Ｎ］を最大にして、エッチング除去によるくぼみ形成をさらに最小にし、同時に、トレンチ上部に増大した［Ｎ］が導入されたとき生じる、トレンチの底部での追加のストレスを避けることが望ましい。この特徴を実現する最良の方法は、ウェハ表面の法線から大きな角度で、分子または原子の窒素を、ダイレクト・イオン注入することにより、酸窒化物ライナ２７の上部領域に追加の窒素を取り込むことである。代表的な注入角は、法線から１０゜〜４５゜の範囲で変更できる。この傾斜イオン注入は、４つの別個の工程で行うことができ、各注入工程の間にウェハを９０゜回転させる。このことは、異なる方向に配置されたトレンチ構造のすべての側面への、窒素種および取り込まれた窒素のより均一なカバレジを生じる。代表的な原子窒素ドーズ量は、１×１０13原子／ｃｍ2〜５×１０15原子／ｃｍ2の間で変化し、１％〜２０％の［Ｎ］が得られる。イオン注入エネルギーは、注入プロファイルの大部分が、薄い酸化物（酸窒化物に変わっている）ライナ内にあるように、調整しなければならない。３０Å〜５００Åの酸化物層に対して、代表的な注入エネルギーは、５００ｅＶ〜５０ｋｅＶである。
【００２９】
イオン注入された窒素が、基板表面からトレンチ内に拡がり、ライナ２７の側壁をイオン注入する程度は、イオン注入角、原子窒素ドーズ量および注入エネルギーによって決定されることは明らかである。この点に関し、このイオン注入、したがって増大した［Ｎ］は、基板３の表面より下の側壁の５００Åまで拡がることが好ましい。当業者にわかるように、イオン注入角、原子窒素ドーズ量および注入エネルギーを容易に選択して、所望の増大した［Ｎ］を与えることに加えて、基板の表面よりすぐ下のライナ２７の側壁の５００Åまで窒素を注入することができる。
【００３０】
いかにして窒素が図５の酸化物ライナに取り込まれるかにかかわらず、この段階で窒素を取り込むことのさらなる利点は、デバイス活性領域が、窒化物層７によって保護されることであることは、指摘されねばならない。したがって、例えば表面上に形成されたＦＥＴの歩留りまたはデバイス特性に、ＳＴＩプロセスを改善しながら、影響を与える危険性は少ない。
【００３１】
酸化物ライナを酸窒化物２７に変えた後、図２〜図４において前述した全プロセスを、適当に変更して用いることができる。純酸化物のＳＴＩ充填プラグは、前述したように、この時点では、酸窒化物ライナ２７の内側に形成することができるが、このことは、ＳＴＩ侵食問題を完全に解決しない。というのは、純酸化物プラグは、後続のウェットまたはドライ・エッチング・プロセスによって容易に侵食されて、酸窒化物ライナ２７を残したままにするからである。
【００３２】
したがって、酸窒化物充填材料のＳＴＩ構造を形成することによって、この侵食問題を克服し、さらに、この酸窒化物ＳＴＩ充填材料をトレンチ内に直接に付着させることが、本発明の特徴である。図６は、適当な付加による、従来のＳＴＩトレンチ充填材料付着時に、酸窒化物ＳＴＩ材料を、普通の酸化物ＳＴＩ材料の代わりに、容易に付着することができることを示している。これは、酸化物ＳＴＩ材料付着プロセスを変更することによって、最も効果的に行われる。この段階で付着される代表的な材料は、ＳｉＨ4およびＯ2のプラズマ混合物によって作成される高密度プラズマ（ＨＤＰ）酸化物である。例えば、プラズマ混合物に、制御された量のＮＨ3を付加することによって、図６に示すように、均一な［Ｎ］のＨＤＰ酸窒化物トレンチ充填層２９を、容易に付着することができる。
【００３３】
プラズマ混合物におけるＯ2とＮＨ3の割合は、変化したまたは傾斜した［Ｎ］を有するＳＴＩ充填材料２９を形成するために、付着プロセス中、動的に変化させることができることに留意すべきである。代表的なＮＨ3／Ｏ2ガス流量比は、プロセス中、一定に保持されようが、あるいは動的に変化されようが、０．１〜１０の間とすることができる。流量比のこの範囲は、３％〜２５％の［Ｎ］を有する酸窒化物を生成する。ＳＴＩ酸窒化物充填材料の［Ｎ］を変えるまたは傾斜させることの１つの利点は、充填材料の基板３との相互作用によって生成されるストレスを同時に最小にしながら、ＳＴＩ充填材料における［Ｎ］の効果を最適化することである。この点に関し、化学量論的窒化シリコンは、活性エリア領域に、大きなストレスを発生するので、良好なＳＴＩ充填材料ではないということが知られている。したがって、ストレスが現れるかもしれない程度にまで、このような影響を軽減するためには、低ＮＨ3／Ｏ2比でＨＤＰ付着プロセスを開始して、付着が進むにつれて、ＮＨ3／Ｏ2比を増大させる。トレンチ深さは、典型的に極めて大きい（１０００Å〜６０００Å）ので、ここで説明する以外の窒化プロセスは、酸窒化物ＨＤＰ付着プロセスと同じ程度の制御で、ＳＴＩ充填材料中に高［Ｎ］を容易に含ませることができないことに留意すべきである。
【００３４】
図６において、酸窒化物ＳＴＩ充填材料２９を付着した後、充填材料にＣＭＰプロセスを行って、平坦な表面を形成する。これによって、図６に示すＳＴＩレベル３１は、図７に示すように、窒化物層７の表面と共面になる。これにより、酸窒化物プラグ２９ａを形成する。従来技術において用いられる典型的なＣＭＰ摩擦エンドポイント技術は、酸窒化物充填材料に対して、良好に働く。というのは、化学量論的窒化シリコンは、依然として、ＣＭＰパッドに対して、２５％［Ｎ］の酸窒化物よりも、より大きな摩擦を与えるからである。
【００３５】
酸窒化物ＳＴＩ形成における次の工程は、図７に示すように、最終ＣＭＰレベル３１から所望のレベル３３に、ＳＴＩ高さをリセスすることである。ＨＦ−ＥＧ（エチレングリコール）を含むウェット・エッチングを、このために用いることができる。この場合、エチレングリコールは、匹敵する速度で、酸化物および窒化物をエッチングし、酸化物対窒化物の相対エッチング速度は、槽温度に対して調整できることが知られている。したがって、この形のリセス・プロセスは、窒化物層７および酸窒化物を侵食するが、ＣＭＰ停止層として窒化物の目的は、すでに達成されたので、その厚さは、もはや重要ではない。
【００３６】
いずれにしても、ポリシリコンを付着するときに、ＳＴＩ材料を、基板と共面にすることが最終目的であるため、酸窒化物ＳＴＩレベル３３は、基板の平坦レベルより上にある。したがって、エチレングリコール・プロセス後には、窒化物層７の材料が常に残る。
【００３７】
図７において、レベル３１とレベル３３との間の所望のリセスの量は、ＳＴＩ材料の［Ｎ］に依存することに留意すべきである。［Ｎ］が低いと、ＳＴＩは、後続するウェットおよびドライ・エッチング・プロセスによって、依然としてある程度、侵食されるであろう。したがって、要求されるリセスの量は、比較的小さい。しかし、より典型的かつ好適な手法では、ＳＴＩ酸窒化物材料の［Ｎ］は、特にプラグの上部では高く（２５％の［Ｎ］に近い）、したがって後続するウェットおよびドライ・エッチングは、酸窒化物ＳＴＩの高さにあまり影響を与えないであろう。これらの後者の手法では、レベル３３は、基板３の表面にほぼ共面になることが明らかである。したがって、［Ｎ］が高い場合、いくつかのウェットおよびドライ・エッチング・プロセスよりもむしろ、ウェハ内、ウェハ間およびロット間での制御が必要とされる唯一のエッチング・プロセス（エチレングリコール・リセス・プロセス）が存在する。
【００３８】
酸窒化物ＳＴＩプラグ２９ａの上面において高い［Ｎ］を保証するには、追加のプラズマ窒化プロセスを、リセス・プロセスが終わった後に、用いることができる。この窒化プロセスは、図５に関連する説明に対して上述したプロセス・パラメータに類似のプロセス・パラメータを、典型的に有している。
【００３９】
このように、リモート・プラズマ窒化プロセスまたはダイレクト・プラズマ窒化プロセスに対して、上述したパラメータを用いることによって、励起窒素種が、図７に示すように、酸窒化物ＳＴＩプラグ２９ａの最上部（上部５０Å内）に取り込まれる。さらに、プラズマ窒化プロセスは、浅い窒素イオン注入で補足して、リモートまたはダイレクト・プラズマ窒化によって、酸窒化物ＳＴＩプラグ２９ａの表面に前に取り込まれた窒素の層の下に、追加量の窒素種を配置することができる。この追加量の窒素種は、酸窒化物ＳＴＩプラグ２９ａが、基板表面より上に或る増大量だけ露出しても、側面からの化学侵食から、酸窒化物ＳＴＩプラグ２９ａをさらに保護する。例えば、窒化物層７をエッチング除去すると、プラグ２９ａの側壁部３９は、侵食を受けるであろう。
【００４０】
浅いイオン注入の深さは、基板表面より上の露出プラグの増大量と、少なくとも同じ領域を占めて、最も完全な保護を保証することは明らかである。上記窒化プロセスは、活性領域上に残る窒化物層７からの残留窒化物が存在する間に、好適に実行しなければならない。このような残留窒化物は、最終デバイスの閾値電圧Ｖtに影響を与えるダメージまたは材料変化から、活性領域を保護するように働く。
【００４１】
また、トレンチ内に付着された酸窒化物の［Ｎ］の全量は、活性領域に用いられる回路およびデバイスの構造の種類に、ある程度依存することは明らかである。この点に関し、回路およびデバイスのいくつかの構造は、ＳＴＩ周辺の半導体材料へのストレスの影響に非常に敏感である。したがって、このような構造は、１０％以下の［Ｎ］を有する酸窒化物を用いることを必要とする。しかし、この［Ｎ］レベルでさえ、酸窒化物は、ＳｉＯ2よりも低い侵食速度を示す。さらに、前述したように、［Ｎ］を変更または傾斜させることができるので、酸窒化物プラグの上部は、最大の［Ｎ］を示す。この最大［Ｎ］は、プラグ上部の耐侵食性を最大にしながら、周囲シリコン上のストレスの量を最小にする。
【００４２】
構造を考慮した結果、１０％より小さい［Ｎ］を有する酸窒化物ＳＴＩプラグを用いることが必要な場合には、酸窒化物ＳＴＩプラグ２９ａの上面に高［Ｎ］のキャップを形成する。これは、軽プラズマ窒化プロセスを用いて行うことができる。このプロセスは、そのターゲットの上面に窒素を取り込むのみであるので、酸化物層５は、活性エリア領域を、窒素から依然として保護するほどに十分に厚い。しかし、ＳＴＩ酸窒化物プラグ２９ａは、基板表面より上に延びているので、基板表面より上のプラグ側壁部３９は、例えば、ウェット化学エッチング侵食を受ける。
【００４３】
プラグ側壁部３９を侵食から保護するためには、追加のステップを用いて、窒素を、ＳＴＩプラグの側壁に、イオン注入することができる。これは、図８に示すように、レジスト層３５を酸化物５上に設けることによって、行うことができる。次に、図５に関連して説明したように、基板表面の法線から大きな角度で、分子または原子の窒素を、ダイレクト・イオン注入することによって、ＳＴＩプラグ２９ａの側壁に取り込むことができる。このような注入のための代表的な角度は、法線から１０゜〜４５゜の間で変更できる。傾斜窒素は、４つの別個の工程において、各注入の間で、ウェハを９０゜回転させることによって、典型的に行われる。原子窒素を、１×１０13原子／ｃｍ2〜５×１０15原子／ｃｍ2の範囲で変えることができ、その結果、１％〜２０％の［Ｎ］が得られる。代表的な注入エネルギーは、５００ｅＶ〜５０ｋｅＶである。
【００４４】
ＳＴＩプラグ２９ａの側壁３９に増大した量の窒素を注入した後、レジスト層３５を除去する。側壁への［Ｎ］の追加の程度は、ウェット化学エッチングによる侵食に対して十分に抵抗する限り、重要ではない。側壁内へ５０Å〜１００Åの厚さを有する［Ｎ］の領域は、この目的には十分である。
【００４５】
以上の説明から、本発明の真の精神から逸脱することなく、本発明の好ましい実施例に対して種々の修正および変更をなし得ることは理解されよう。意図としては、この説明は、例示のみを目的としており、限定の意味に解釈されるべきではない。本発明の範囲を限定するのは、特許請求の範囲の言葉だけである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来技術において知られている、ＳＴＩ製造工程と、トレンチ充填材料侵食の問題とを説明するための断面図である。
【図２】従来技術において知られている、ＳＴＩ製造工程と、トレンチ充填材料侵食の問題とを説明するための断面図である。
【図３】従来技術において知られている、ＳＴＩ製造工程と、トレンチ充填材料侵食の問題とを説明するための断面図である。
【図４】従来技術において知られている、ＳＴＩ製造工程と、トレンチ充填材料侵食の問題とを説明するための断面図である。
【図５】本発明による製造工程と、トレンチ充填材料侵食の問題を克服する構造とを説明するための断面図である。
【図６】本発明による製造工程と、トレンチ充填材料侵食の問題を克服する構造とを説明するための断面図である。
【図７】本発明による製造工程と、トレンチ充填材料侵食の問題を克服する構造とを説明するための断面図である。
【図８】本発明による製造工程と、トレンチ充填材料侵食の問題を克服する構造とを説明するための断面図である。
【図１】
2004530304.tif 000003
【図２】
2004530304.tif 000004
【図３】
2004530304.tif 000005
【図４】
2004530304.tif 000006
【図５】
2004530304.tif 000007
【図６】
2004530304.tif 000008
【図７】
2004530304.tif 000009
【図８】
2004530304.tif 000010
【国際公開パンフレット】
2004530304.tif 000011
2004530304.tif 000012
2004530304.tif 000013
2004530304.tif 000014
2004530304.tif 000015
2004530304.tif 000016
2004530304.tif 000017
2004530304.tif 000018
2004530304.tif 000019
2004530304.tif 000020
2004530304.tif 000021
2004530304.tif 000022
2004530304.tif 000023
2004530304.tif 000024
2004530304.tif 000025
2004530304.tif 000026
2004530304.tif 000027
2004530304.tif 000028
2004530304.tif 000029
【国際調査報告】
2004530304.tif 000030
2004530304.tif 000031