(57)【要約】【課題】トレンチの深さの変動を防止し、且つパッド窒化膜のトップ部が損傷されたり、パッド窒化膜のエッチング形状がスロープ形状になったりすることを防止できる半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを利用した半導体素子の素子分離方法を提供すること。【解決手段】半導体素子のトレンチ形成方法は、基板２１上にパッド酸化膜２２Ａ、パッド窒化膜２３Ｂ、非晶質カーボン層２４Ｂ、エッチング防止層、反射防止層、及び感光膜パターンを順に形成するステップと、感光膜パターンをエッチングバリアにして、反射防止層、エッチング防止層、及び非晶質カーボン層を順次エッチングするステップＡと、非晶質カーボン層をエッチングバリアにして、パッド窒化膜、パッド酸化膜及び半導体基板を順次エッチングしてトレンチ２８を形成するステップＢとを含み、ステップＡとステップＢを同じポリシリコンエッチングチャンバーにてインシチューで行う。【選択図】図４Ｆ
2007134668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に酸化膜及び窒化膜を順に積層して第１のハードマスクを形成するステップと、
前記第１のハードマスク上に、前記半導体基板のエッチングの際に高い選択比を有する第２のハードマスクを形成するステップと、
前記第２のハードマスク上にエッチング防止層及び反射防止層を順に形成するステップと、
前記反射防止層上に感光膜パターンを形成するステップと、
前記感光膜パターンをエッチングバリアにして、前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記第２のハードマスクを順次エッチングするステップと、
前記第２のハードマスクをエッチングバリアにして、前記第１のハードマスク及び前記半導体基板を順次エッチングしてトレンチを形成するステップと、
前記第２のハードマスクを除去するステップと、を含むことを特徴とする半導体素子のトレンチ形成方法。
【請求項２】
前記第２のハードマスクは、非晶質カーボン層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のトレンチ形成方法。
【請求項３】
前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記第２のハードマスクを順次エッチングする前記ステップと、前記第１のハードマスク及び前記半導体基板を順次エッチングして前記トレンチを形成する前記ステップとは、
同じ第１のチャンバーにてインシチューで行われることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子のトレンチ形成方法。
【請求項４】
前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記第２のハードマスクを順次エッチングする前記ステップと、前記第１のハードマスク及び前記半導体基板を順次エッチングして前記トレンチを形成する前記ステップと、前記第２のハードマスクを除去する前記ステップとは、
同じ第１のチャンバーにてインシチューで行なわれることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子のトレンチ形成方法。
【請求項５】
前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記第２のハードマスクを順次エッチングする前記ステップと、前記第１のハードマスク及び前記半導体基板を順次エッチングして前記トレンチを形成する前記ステップとは、同じ第１のチャンバーにてインシチューで行なわれ、
前記第２のハードマスクを除去する前記ステップは、前記第１のチャンバーと異なる第２のチャンバーにてエックスシチューで行われることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子のトレンチ形成方法。
【請求項６】
インシチューで処理を行う前記第１のチャンバーが、ポリシリコンエッチングチャンバーであることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子のトレンチ形成方法。
【請求項７】
前記エッチング防止層は、酸窒化シリコン膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のトレンチ形成方法。
【請求項８】
前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記第２のハードマスクを順次エッチングする前記ステップにおいて、
前記反射防止層及び前記エッチング防止層のエッチング後の側面形状を少なくとも約８０度以下の角度を有するスロープ形状に形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のトレンチ形成方法。
【請求項９】
前記第２のハードマスクをエッチングする前記ステップにおいて、前記第２のハードマスクのエッチング後の側面形状をほぼ垂直な形状に形成することを特徴とする請求項８に記載の半導体素子のトレンチ形成方法。
【請求項１０】
半導体基板上にパッド酸化膜及びパッド窒化膜を順に積層するステップと、
前記パッド窒化膜上に非晶質カーボン層を形成するステップと、
前記非晶質カーボン層上にエッチング防止層及び反射防止層を順に形成するステップと、
前記反射防止層上に感光膜パターンを形成するステップと、
前記感光膜パターンをエッチングバリアにして、前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記非晶質カーボン層を順次エッチングするステップと、
前記非晶質カーボン層をエッチングバリアにして、前記パッド窒化膜、前記パッド酸化膜及び前記半導体基板を順次エッチングしてトレンチを形成するステップと、
前記非晶質カーボン層を除去するステップと、
前記トレンチを埋め込むギャップフィル絶縁膜を形成するステップと、
前記パッド窒化膜を除去するステップと、を含むことを特徴とする半導体素子の素子分離方法。
【請求項１１】
前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記非晶質カーボン層を順次エッチングする前記ステップと、前記パッド窒化膜、前記パッド酸化膜及び前記半導体基板を順次エッチングして前記トレンチを形成する前記ステップとは、
同じ第１のチャンバーにてインシチューで行なわれることを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項１２】
前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記非晶質カーボン層を順次エッチングする前記ステップと、前記パッド窒化膜、前記パッド酸化膜及び前記半導体基板を順次エッチングして前記トレンチを形成する前記ステップと、前記非晶質カーボン層を除去する前記ステップとは、
同じ第１のチャンバーにてインシチューで行なわれることを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項１３】
前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記非晶質カーボン層を順次エッチングする前記ステップと、前記パッド窒化膜、前記パッド酸化膜及び前記半導体基板を順次エッチングして前記トレンチを形成する前記ステップとは、同じ第１のチャンバーにてインシチューで行なわれ、
前記非晶質カーボン層を除去する前記ステップは、前記第１のチャンバーと異なる第２のチャンバーにてエックスシチューで行なわれることを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項１４】
インシチューで処理を行う前記第１のチャンバーが、ポリシリコンエッチングチャンバーであることを特徴とする請求項１１〜請求項１３のいずれか１項に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項１５】
前記反射防止層のエッチングは、
圧力が約０．６７Ｐａ〜５．３３Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ〜４０ｍＴｏｒｒ）の範囲内であり、トップパワーがボトムパワーより少なくとも２倍以上高く設定され、且つＣＦ４／ＣＨＦ３／Ｏ２の混合ガスを使用する条件下で行われ、前記反射防止層のエッチング後の側面形状を約８０度以下の角度を有するスロープ形状に形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子のトレンチ形成方法。
【請求項１６】
前記トップパワーは約３００Ｗ〜９００Ｗ、前記ボトムパワーは約２０Ｗ〜４００Ｗの範囲内であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項１７】
前記混合ガスのうち、前記ＣＨＦ３ガスの流量が前記ＣＦ４ガスの流量より少なくとも４倍以上大きいことを特徴とする請求項１５に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項１８】
前記ＣＦ４ガスの流量は、約５ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍ、前記ＣＨＦ３ガスの流量は、約２０ｓｃｃｍ〜１２０ｓｃｃｍ、前記Ｏ２ガスの流量は、約０ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍの範囲内であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項１９】
前記エッチング防止層は、酸窒化シリコン膜であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項２０】
前記エッチング防止層のエッチングは、
圧力を約０．６７Ｐａ〜５．３３Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ〜４０ｍＴｏｒｒ）の範囲内に、トップパワーをボトムパワーより約２〜３倍高く設定し、ＣＦ４／ＣＨ２Ｆ２またはＣＦ４／ＣＨＦ３の混合ガスを使用する条件下で行われ、前記エッチング防止層のエッチング後の側面形状を約８０度以下の角度を有するスロープ形状に形成することを特徴とする請求項１９に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項２１】
前記トップパワーは約３００Ｗ〜９００Ｗ、前記ボトムパワーは約２０Ｗ〜４００Ｗの範囲内であることを特徴とする請求項２０に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項２２】
前記混合ガスを使用する時、前記ＣＨ２Ｆ２または前記ＣＨＦ３の流量を、前記ＣＦ４ガスの流量より少なくとも２倍以上多く維持することを特徴とする請求項２０に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項２３】
前記混合ガスを使用する時、
前記ＣＦ４ガスの流量は、約５ｓｃｃｍ〜４０ｓｃｃｍ、前記ＣＨ２Ｆ２ガスの流量は、約１０ｓｃｃｍ〜８０ｓｃｃｍ、前記ＣＨＦ３ガスの流量は、約１０ｓｃｃｍ〜１２０ｓｃｃｍの範囲内であることを特徴とする請求項２２に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項２４】
前記非晶質カーボン層のエッチングは、
約０．４０Ｐａ〜２．６７Ｐａ（３ｍＴｏｒｒ〜２０ｍＴｏｒｒ）の範囲内の圧力、約３００Ｗ〜８００Ｗの範囲内のトップパワー、約１００Ｗ〜５００Ｗの範囲内のボトムパワー、並びにＮ２／Ｏ２、Ｎ２／Ｏ２／ＨＢｒ／Ｃｌ２、及びＮ２／Ｈ２／ＣＨＦ３からなる群の中から選択されるいずれか１つの混合ガスの使用を条件にして行われ、前記非晶質カーボン層のエッチング後の側面形状をほぼ垂直な形状に形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項２５】
前記パッド窒化膜のエッチングは、
約０．４０Ｐａ〜２．６７Ｐａ（３ｍＴｏｒｒ〜２０ｍＴｏｒｒ）の範囲内の圧力、各々が約３００Ｗ〜８００Ｗの範囲内に維持されるトップパワー及びボトムパワー、並びにＣＦ４、ＣＨ２Ｆ２、Ｏ２、及びＨｅからなる群の中から選択されるいずれか一つのガス、あるいは該群の中から選択される少なくとも２つからなる混合ガスの使用を条件にして行われ、前記パッド窒化膜のエッチング後の側面形状をほぼ垂直な形状に形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項２６】
前記パッド窒化膜のエッチングの際、前記パッド酸化膜がエッチングされ、かつ前記半導体基板の表面もエッチングされるようにオーバーエッチングを行うことを特徴とする請求項２５に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項２７】
前記半導体基板の表面は、約１００Å〜２００Åの範囲内の深さにエッチングされることを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項２８】
前記トレンチを形成する前記ステップは、
Ｃｌ２／Ｏ２、ＨＢｒ／Ｏ２、及びＨＢｒ／Ｃｌ２／Ｏ２からなる群の中から選択されるいずれか１つの混合ガスを使用することを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項２９】
前記非晶質カーボン層を除去する前記ステップは、
Ｏ２ガスを単独で使用したプラズマ、あるいはＯ２／Ｎ２、Ｎ２／Ｈ２、及びＯ２／ＣＦ４からなる群の中から選択されるいずれか１つの混合ガスを使用したプラズマを用いることを特徴とする請求項１０〜請求項１３のいずれか１項に記載の半導体素子の素子分離方法。
【請求項３０】
前記非晶質カーボン層は、約３００°Ｃ〜６００°Ｃの範囲内の温度で、約１０００Å〜５０００Åの範囲内の厚さに化学気相蒸着法で蒸着されることを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子のトレンチ形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、特に、半導体素子のトレンチ形成方法及び素子分離方法、さらには、高選択比のハードマスクを用いたインシチュー（In-situ）トレンチエッチングを利用した半導体素子の素子分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の素子分離方法には、高集積化のニーズに応えるために浅いトレンチ素子分離方法、すなわち、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法が主に使用されている。
【０００３】
ＳＴＩ法による素子分離方法では、一般にパッド酸化膜、及びパッド窒化膜を導入し、感光膜を用いた素子分離マスクをエッチングバリアにしてパッド窒化膜とパッド酸化膜とを順次エッチングした後、パッド窒化膜をハードマスクとして使用し、半導体基板を所定の深さにエッチングすることにより、素子分離領域となるトレンチを形成する。
【０００４】
図１Ａ及び図１Ｂは、従来の技術に係るＳＴＩ法を利用した素子分離方法を概略的に説明するための図であり、各処理段階における素子の構造を示す断面図である。
【０００５】
図１Ａに示すように、半導体基板１１上にパッド酸化膜１２とパッド窒化膜１３とを順に積層した後、パッド窒化膜１３上に感光膜の塗布、露光及び現像を行って素子分離マスク１４を形成する。
【０００６】
次いで、素子分離マスク１４をエッチングバリアとして、酸化膜エッチングチャンバー内でパッド窒化膜１３とパッド酸化膜１２とを順次エッチングする。
【０００７】
次に、図１Ｂに示したように、素子分離マスク１４をエッチングバリアとして使用し、ポリシリコンエッチングチャンバー（Polysilicon etch chamber）内で半導体基板１１をエッチングしてトレンチ１５を形成する。これは、酸化膜エッチングチャンバーからポリシリコンエッチングチャンバーに移動して、すなわち、エックスシチュー（Ex-situ）でトレンチ１５を形成するためのエッチングを行うことを意味する。
【０００８】
以後、素子分離マスク１４に使用された感光膜を除去し、そして洗浄を行う。
【０００９】
上記のように、従来の技術は、トレンチ１５を形成するために感光膜を導入しているので、一般に感光膜バリアＳＴＩ法と呼ばれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上述した従来の技術は、トレンチ１５を形成するためにハードマスク（パッド窒化膜）エッチング、トレンチエッチング、感光膜の除去、及び洗浄の４ステップの処理を行わなければならないなど、複数の工程を経なければならないという工程上の複雑さがあるため、処理時間において遅延が生じ、また処理費用の増加が避けられないという問題がある。
【００１１】
また、ハードマスク（パッド窒化膜及びパッド酸化膜）のエッチングを行った後、トレンを形成するチエッチングをエックスシチューで行うため、処理時間が長引きがちになり、それが原因で自然酸化膜、ポリマーなどが発生して、トレンチの深さの変動を招いてしまうという問題がある。
【００１２】
なお、感光膜の選択比の不足に起因するパッド窒化膜のトップアタック（Nitride top attack、図２の符号１６で示した箇所を参照）、及びパッド窒化膜のスロープ形状（Nitride slope profile、図３の符号１７で示した箇所を参照）などの問題も存在する。
【００１３】
図２は、従来の技術に係るパッド窒化膜のトップアタックを示す顕微鏡写真であり、図３は、従来の技術に係るパッド窒化膜のスロープ形状を示す顕微鏡写真である。
【００１４】
図２及び図３に示すように、パッド窒化膜のトップアタック１６及びパッド窒化膜のスロープ形状１７が発生すれば、トレンチのＣＤ（Critical Dimension）及び深さの変動が生じてしまい、その結果、高集積素子に対しては、素子分離方法を採用することが困難となる。
【００１５】
本発明は、上記した従来の技術の問題を解決するためになされたものであって、その目的は、エッチングをエックスシチューで行うことに起因するトレンチのＣＤ及び深さの変動を防止し、さらに、トレンチのエッチングの際、パッド窒化膜のトップ部が損傷されたり、パッド窒化膜のエッチング後の側面形状がスロープ形状になったりすることを防止できる、半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを利用した半導体素子の素子分離方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
そこで、上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体素子のトレンチ形成方法は、半導体基板上に酸化膜及び窒化膜を順に積層して第１のハードマスクを形成するステップと、前記第１のハードマスク上に、前記半導体基板のエッチングの際に高い選択比を有する第２のハードマスクを形成するステップと、前記第２のハードマスク上にエッチング防止層及び反射防止層を順に形成するステップと、前記反射防止層上に感光膜パターンを形成するステップと、前記感光膜パターンをエッチングバリアにして、前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記第２のハードマスクを順次エッチングするステップと、前記第２のハードマスクをエッチングバリアにして、前記第１のハードマスク及び前記半導体基板を順次エッチングしてトレンチを形成するステップと、前記第２のハードマスクを除去するステップとを含むことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る半導体素子の素子分離方法は、半導体基板上にパッド酸化膜及びパッド窒化膜を順に積層するステップと、前記パッド窒化膜上に非晶質カーボン層を形成するステップと、前記非晶質カーボン層上にエッチング防止層及び反射防止層を順に形成するステップと、前記反射防止層上に感光膜パターンを形成するステップと、前記感光膜パターンをエッチングバリアにして、前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記非晶質カーボン層を順次エッチングするステップと、前記非晶質カーボン層をエッチングバリアにして、前記パッド窒化膜、前記パッド酸化膜及び前記半導体基板を順次エッチングしてトレンチを形成するステップと、前記非晶質カーボン層を除去するステップと、前記トレンチを埋め込むギャップフィル絶縁膜を形成するステップと、前記パッド窒化膜を除去するステップとを含むことを特徴とする。
【００１８】
上記の構成において、前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記非晶質カーボン層を順次エッチングする前記ステップと、前記パッド窒化膜、前記パッド酸化膜及び前記半導体基板を順次エッチングして前記トレンチを形成する前記ステップとは、同じ第１のチャンバーにてインシチューで行われることが好ましい。又、前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記非晶質カーボン層を順次エッチングする前記ステップと、前記パッド窒化膜、前記パッド酸化膜及び前記半導体基板を順次エッチングして前記トレンチを形成する前記ステップと、前記非晶質カーボン層を除去する前記ステップとは、同じ第１のチャンバーにてインシチューで行われることが一層好ましい。
【００１９】
さらに、前記反射防止層、前記エッチング防止層及び前記非晶質カーボン層を順次エッチングする前記ステップと、前記パッド窒化膜、前記パッド酸化膜及び前記半導体基板を順次エッチングして前記トレンチを形成するステップとは、同じ第１のチャンバーにてインシチューで行われ、前記非晶質カーボン層を除去するステップは、前記第１のチャンバーと異なる第２のチャンバーにてエックスシチューで行われることもできる。
【００２０】
上記の各構成において、前記インシチューを行う時、チャンバーが、ポリシリコンエッチングチャンバーであることを特徴とし、前記非晶質カーボン層のエッチングは、約０．４０Ｐａ〜２．６７Ｐａ（３ｍＴｏｒｒ〜２０ｍＴｏｒｒ）の範囲内の圧力、約３００Ｗ〜８００Ｗの範囲内のトップパワー、約１００Ｗ〜５００Ｗの範囲内のボトムパワー、並びにＮ２／Ｏ２、Ｎ２／Ｏ２／ＨＢｒ／Ｃｌ２、及びＮ２／Ｈ２／ＣＨＦ３からなる群の中から選択されるいずれか１つの混合ガスの使用を条件にして行われ、前記非晶質カーボン層のエッチング形状をほぼ垂直な形状に形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを利用した半導体素子の素子分離方法によれば、素子分離のためのトレンチを形成する工程をインシチューＳＴＩエッチング工程と洗浄工程との２ステップに簡素化させることにより、素子分離工程を単純化させて、ＴＡＴ（Turn Around Time）短縮を通じた費用低減を実現することができるという効果がある。
【００２２】
また、本発明に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを利用した半導体素子の素子分離方法によれば、トレンチのＣＤ（Critical Dimension）及び深さの変動、パッド窒化膜のトップアタック及びスロープ形状を防止することにより、感光膜を用いた従来のＳＴＩ法の限界を克服して、５０ｎｍ級の高集積半導体素子の製造工程に採用できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
後述するように本発明では、高選択比を有するハードマスク（例えば、非晶質カーボン層）を用いたインシチューＳＴＩ法を利用して素子分離を行う。すなわち、本発明では、パッド酸化膜とパッド窒化膜との積層構造を第１のハードマスクとし、第１のハードマスク上に第２のハードマスクとして形成される非晶質カーボン層は、第１のハードマスクのエッチングの際にエッチングバリアの役割を果たし、かつ、後続のシリコントレンチのエッチングの際にもエッチングバリアの役割を果たす。すなわち、第２のハードマスクとして使用される非晶質カーボン層は、シリコントレンチのエッチングの際に、高い選択比を有するため、トレンチが形成されるまで除去されずに残留して、その下にある第１のハードマスクのパッド窒化膜が損傷されることを防止する。
【００２４】
以下、添付された図面を参照して本発明の実施の形態に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを利用した素子分離方法を、より詳細に説明する。
【００２５】
図４Ａ〜図４Ｈは、本実施の形態に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを利用した素子分離方法を説明するための図であり、製造工程の各段階における素子の構造を示す断面図である。
【００２６】
まず、図４Ａに示したように、半導体基板２１上に熱酸化を行うことにより約５０Å〜３００Åの範囲内の厚さのパッド酸化膜２２を形成し、そしてパッド酸化膜２２上にパッド窒化膜２３と非晶質カーボン層２４とをＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で順に蒸着する。この時、パッド窒化膜２３は、約４００Å〜８００Åの範囲内の厚さに蒸着される。非晶質カーボン層２４は、約３００°Ｃ〜６００°Ｃの範囲内の温度で、約１０００Å〜５０００Åの範囲内の厚さに蒸着される。なお、非晶質カーボン層２４の蒸着厚は、後続の半導体基板２１をエッチングして形成されるトレンチの深さに応じて調節が可能である。
【００２７】
次いで、非晶質カーボン層２４上に、酸窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ）２５を約２００Å〜８００Åの範囲内の厚さに形成し、そしてシリコン酸窒化膜２５上に反射防止層２６をコーティングする。ここで、酸窒化シリコン膜２５は、後述の非晶質カーボン層２４のエッチングの時に、素子分離マスク２７及び反射防止層２６の消耗によって、反射防止層２６下の非晶質カーボン層２４がエッチングされるのを防止するためのエッチングバリヤの役割を果たす。また、酸窒化シリコン膜２５は、ＣＶＤ法で蒸着され、その蒸着厚は、非晶質カーボン層２４及びパッド窒化膜２３の厚さに応じて調節が可能である。そして、反射防止層２６は、一般に有機物質を含み、例えば、炭素Ｃ、水素Ｈを含む物質で形成される。
【００２８】
続いて、反射防止層２６上に感光膜を塗布した後、露光及び現像を通じてパターニングし、感光膜パターン、すなわち、素子分離マスク２７を形成する。
【００２９】
次に、トレンチを形成するためのエッチング工程、すなわち、反射防止層２６のエッチング、酸窒化シリコン膜２５のエッチング、非晶質カーボン層２４のエッチング、パッド窒化膜２３のエッチング、パッド酸化膜２２のエッチング、及び半導体基板２１のエッチングを順次行うが、本実施の形態では、反射防止層２６のエッチングから半導体基板２１のエッチングまでの一連のエッチングをインシチューで行い、これを「インシチューＳＴＩエッチング工程」と呼ぶ。好ましくは、このインシチューＳＴＩエッチング工程は、ＴＣＰ(Transformer Coupled Plasma）をプラズマソースとして使用するポリシリコンエッチャー、すなわち、ポリシリコンエッチングチャンバーで実施される。即ち、全てのエッチングが同じポリシリコンエッチングチャンバーで順次行われることができる。
【００３０】
次に、インシチューＳＴＩエッチング工程の詳細を説明する。
【００３１】
まず、図４Ｂに示したように、素子分離マスク２７をエッチングバリアとして反射防止層２６をエッチングする。この時のエッチングは、圧力が約０．６７Ｐａ〜５．３３Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ〜４０ｍＴｏｒｒ）の範囲内に、トップパワー（Top power）がボトムパワー（Bottom power）より少なくとも２倍以上高く（例えば、トップパワーは約３００Ｗ〜９００Ｗ、ボトムパワーは約２０Ｗ〜４００Ｗの範囲内にある）設定され、且つＣＦ４／ＣＨＦ３／Ｏ２の混合ガスを使用するという条件下で行われる。そして、反射防止層２６は、形成される側面が傾斜するようにエッチングされる。即ち、反射防止層２６のエッチング後の側面形状２６Ａを、少なくとも約８０度以下（例えば、約７０度〜８０度）の角度を有するスロープ形状（Slope profile）に形成する。参照符号２６Ｂは、このエッチング工程でパターニングされた反射防止層を示す。
【００３２】
上記反射防止層２６をエッチングする時には、混合ガスのうちＣＨＦ３ガスの流量をＣＦ４ガスより少なくとも約４倍以上（約４倍〜６倍）多くしてポリマーが多く生成され得る条件を維持させる。例えば、ＣＦ４ガスの流量は、約５ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３ガスの流量は、約２０ｓｃｃｍ〜１２０ｓｃｃｍ、Ｏ２ガスの流量は、約０ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍの範囲内とすることができる。このような条件下で、反射防止層２６のエッチング後の側面形状２６Ａがスロープ形状に形成され得る。
【００３３】
次に、図４Ｃに示したように、酸窒化シリコン膜２５をエッチングする。この時、圧力が約０．６７Ｐａ〜５．３３Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ〜４０ｍＴｏｒｒ）に、トップパワーがボトムパワーより約２〜３倍高く設定され（例えば、トップパワーは約３００Ｗ〜９００Ｗ、ボトムパワーは約２０Ｗ〜４００Ｗの範囲内である）、ＣＦ４／ＣＨ２Ｆ２、またはＣＦ４／ＣＨＦ３の混合ガスを使用することを条件とする。なお、酸窒化シリコン膜２５は、そのエッチング後の側面形状２５Ａが最大限に傾斜するようにエッチングされる。即ち、エッチング形状２５Ａを、少なくとも約８０度以下（例えば約７０度〜８０度）の角度に最大限に傾斜するスロープ形状に形成する。参考に、符号２５Ｂは、上述のエッチング工程でパターニングされた酸窒化シリコン膜を示す。
【００３４】
上記酸窒化シリコン膜２５をエッチングする時には、混合ガスのうちＣＨ２Ｆ２ガス（またはＣＨＦ３ガス）の流量をＣＦ４ガスより少なくとも２倍以上（２倍〜４倍）多く維持して、最大限に傾斜する形状を具現させる。例えば、ＣＦ４ガスの流量は、約５ｓｃｃｍ〜４０ｓｃｃｍ、ＣＨ２Ｆ２ガスの流量は、約１０ｓｃｃｍ〜８０ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３ガスの流量は、約１０ｓｃｃｍ〜１２０ｓｃｃｍの範囲内としうる。
【００３５】
上記のような酸窒化シリコン膜２５のエッチング完了の際、素子分離マスク２７がほとんど除去され、残っている素子分離マスク２７Ａは、後続の非晶質カーボン層２４をエッチングする時に全て除去される。
【００３６】
また、反射防止層２６と酸窒化シリコン膜２５とのエッチングの際、エッチング後の側面形状をスロープ形状にする理由は、後続のトレンチを微細パターンに形成するためである。参考に、後続の非晶質カーボン層２４及びパッド窒化膜２３のエッチングは、垂直の側面形状を有するように行われるが、これは、トレンチが所望の形状及び深さを有するようにするためである。
【００３７】
次に、図４Ｄに示したように、非晶質カーボン層２４をエッチングするが、この時、約２．６７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）以下（例えば約０．４０Ｐａ〜２．６７Ｐａ（３ｍＴｏｒｒ〜２０ｍＴｏｒｒ）の範囲内）の圧力、約３００Ｗ〜８００Ｗの範囲内のトップパワー、約１００Ｗ〜５００Ｗの範囲内のボトムパワー、並びにＮ２／Ｏ２、Ｎ２／Ｏ２／ＨＢｒ／Ｃｌ２、及びＮ２／Ｈ２／ＣＨＦ３からなる群の中から選択されるいずれか１つの混合ガスを使用することを条件とする。なお、いずれの混合ガスにおいても、Ｎ２ガス、Ｏ２ガスの流量はそれぞれ約５０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍ、ＨＢｒガス、Ｃｌ２ガス、及びＣＨＦ３ガスの流量はそれぞれ約１０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ、Ｈ２ガスの流量は約５０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍの範囲内である。上述したように、非晶質カーボン層２４は、そのエッチング後の側面形状２４Ａが少なくとも約８９度以上（例えば約８９度〜９０度の範囲内）の角度で傾斜するようにエッチングされる。即ち、エッチング後の側面形状２４Ａは、実質的に垂直な形状（Vertical profile）に形成される。参照符号２４Ｂは、上述のエッチング工程によってパターニングされた非晶質カーボン層、即ち第２ハードマスクを示す。
【００３８】
上記非晶質カーボン層２４をエッチングする過程で、残っていた素子分離マスク２７Ａ及びパターニングされた反射防止層２６Ｂは、残らずに完全に除去され、パターニングされた酸窒化シリコン膜２５Ｂは、一部が除去されて薄い厚さになって残留する。これは、図４Ｄにおいて、参照符号２５Ｃとして表示されている。すなわち、薄い厚さの酸窒化シリコン膜２５Ｃだけが、パターニングされた非晶質カーボン層２４Ｂ上に残留する。
【００３９】
このように、反射防止層２６下に形成された酸窒化シリコン膜２５は、非晶質カーボン層２４のエッチングの時に、非晶質カーボン層２４の上面がエッチングされるのを防止する。参考に、素子分離マスク２７は、反射防止層２６がエッチングされる時に一部除去される。もし酸窒化シリコン膜２５が形成されずに、この残留する素子分離マスク２７Ａ及びパターニングされた反射防止層２６Ｂだけをエッチングバリヤとして非晶質カーボン層２４をエッチングすれば、非晶質カーボン層２４に対して選択比のない素子分離マスク２７Ａとパターニングされた反射防止層２６Ｂとは同時に除去されて、非晶質カーボン層２４の上面（トップ）が損傷される。しかし、酸窒化シリコン膜２５が中間に存在すれば、非晶質カーボン層２４のエッチングの初期に、残留する素子分離マスク２７Ａ及びパターニングされた反射防止層２６Ｂがエッチングされても、酸窒化シリコン膜２５は非晶質カーボン層２４に対して選択比を有するので完全にはエッチングされず、よって、非晶質カーボン層２４の上面を保護して、非晶質カーボン層２４の上面の損失が生じない。
【００４０】
次に、図４Ｅに示したように、パターンニングされた非晶質カーボン層２４Ｂをハードマスクとしてパッド窒化膜２３をエッチングする。この時、約２．６７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）以下（例えば約０．４０Ｐａ〜２．６７Ｐａ（３ｍＴｏｒｒ〜２０ｍＴｏｒｒ）の範囲内）の圧力、各々が約３００Ｗ〜８００Ｗの範囲内に維持されたトップパワー及びボトムパワー、並びにＣＦ４、ＣＨ２Ｆ２、Ｏ２、及びＨｅからなる群の中から選択されるいずれか一つのガス、あるいはその群の中から選択される少なくとも２つのガスからなる混合ガスの使用を条件とする。ここで、パッド窒化膜２３は、そのエッチング後の側面形状２３Ａが少なくとも約８９度以上（例えば約８９度〜９０度）の角度を有し、実質的に垂直な形状となるようにエッチングされる。図４Ｅにおいて、参照符号２３Ｂは、上記エッチングでパターニングされたパッド窒化膜を示す。
【００４１】
上記したように、ＣＦ４、ＣＨ２Ｆ２、Ｏ２、及びＨｅを使用することによって、パッド窒化膜２３をエッチングする場合、ポリマーの発生を防止できるため、パッド窒化膜２３は垂直のエッチング後の側面形状を有することができる。さらに、選択比の高いパターニングされた非晶質カーボン層２４Ｂをエッチングバリア（即ち、第２ハードマスク）にしてパッド窒化膜２３をエッチングするので、パッド窒化膜２３のエッチング後の側面形状２３Ａを垂直な形状に形成することができる。
【００４２】
パッド窒化膜２３をエッチングする時に、パターニングされた非晶質カーボン層２４Ｂ上に残っていた残留酸窒化シリコン膜２５Ｃは、パッド窒化膜２３より厚さが薄いため、パッド窒化膜２３がエッチングされる間に、同時に除去されて残留しない。
【００４３】
特に、パッド窒化膜２３をエッチングする時には、パッド窒化膜２３が、エッチングされる領域に残留しないようにオーバーエッチングを行う。このオーバーエッチングは、半導体基板２１が約１００Å〜２００Åの範囲内の深さＬにエッチングされるように行なわれる。より具体的には、パッド窒化膜２３をエッチングする時、オーバーエッチングを行うことにより、パッド酸化膜２２までエッチングし、かつ、パッド酸化膜２２をエッチングして露出された半導体基板２１を、上述の深さＬ（即ち、約１００Å〜２００Å）にエッチングする。図において、参照符号２２Ａは、上記エッチングでパターニングされたパッド酸化膜を示す。
【００４４】
次に、図４Ｆに示したように、オーバーエッチング後の残留しているパターン化された非晶質カーボン層２４Ｂをエッチングバリアとし、半導体基板２１の露出された部分を所定の深さ（約２０００Å〜３０００Å）にエッチングしてトレンチ２８を形成する。このトレンチ２８の形成工程を、シリコントレンチエッチング工程（Silicon trench etch）と呼ぶ。
【００４５】
シリコントレンチエッチング工程において、エッチングガスは、Ｃｌ２／Ｏ２、ＨＢｒ／Ｏ２、及びＨＢｒ／Ｃｌ２／Ｏ２からなる群の中から選択されるいずれか１つの混合ガスを使用し、エッチング期間中の圧力、トップパワー、ボトムパワー、及びガス流量の割合などは、所望のトレンチ２８のスロープ形状２８Ａに応じて自由に調整が可能である。いずれの場合において非晶質カーボン層２４は選択比が高いので、パッド窒化膜２３Ｂのトップアタックの可能性は殆ど存在しない。
【００４６】
すなわち、シリコントレンチエッチング工程において、工程条件が変わってもエッチングガスとして使用されるＣｌ２／Ｏ２、ＨＢｒ／Ｏ２、及びＨＢｒ／Ｃｌ２／Ｏ２からなる群の中から選択されるいずれか１つの混合ガスに対して、パターニングされる非晶質カーボン層２４Ｂは、高い選択比を有するため、トレンチ２８の形成が完了する時点まで除去されずに残留することとなり、これにより、パターニングされた非晶質カーボン層２４Ｂ下のパターニングされたパッド窒化膜２３Ｂが全く損傷を受けず、かつ、パッド窒化膜２３Ｂのエッチング後の側面形状２３Ａの変化が防止されることになる。
【００４７】
例えば、トレンチ２８の形成のために、約２．６７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）以下（例えば、約０．４０Ｐａ〜２．６７Ｐａ（３ｍＴｏｒｒ〜２０ｍＴｏｒｒ））の圧力、約３００Ｗ〜８００Ｗの範囲内のトップパワー、約１００Ｗ〜４００Ｗの範囲内のボトムパワー、流量が約５０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍの範囲内のＯ２ガス、それぞれの流量が約１０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍの範囲内のＨＢｒ及びＣｌ２ガスを使用する。このような条件下でエッチングを行う場合、パターニングされた非晶質カーボン層２４Ｂは、高い選択比を有する。さらに、圧力、トップパワー、ボトムパワー、各エッチングガスの流量を変えてエッチングを行っても、非晶質カーボン層２４は依然として高い選択比を有する。
【００４８】
以上により、インシチューＳＴＩエッチング工程が終了する。
【００４９】
次に、図４Ｇに示したように、トレンチ２８が形成された後でもまだ残留しているパターニングされた非晶質カーボン層２４Ｂを除去する洗浄工程を行う。この洗浄工程は、トレンチ２８を形成するまでの一連の工程（インシチューＳＴＩエッチング工程）が行われるチャンバーと同じチャンバーにてインシチューで行われても、また、他の異なるチャンバーにてエックスシチューで行われてもよい。また、この洗浄工程は、Ｏ２ガスを単独で使用し、あるいはＯ２／Ｎ２、Ｎ２／Ｈ２、及びＯ２／ＣＦ４からなる群の中から選択されたいずれか１つの混合ガスを使用したプラズマを用いて行われる。
【００５０】
上記のように、パターニングされた非晶質カーボン層２４Ｂが除去されると、素子分離のためのトレンチを形成する工程が完了する。
【００５１】
次に、図４Ｈに示したように、トレンチ２８を埋め込むギャップフィル絶縁膜２９を蒸着する工程、ギャップフィル絶縁膜２９に対する素子分離のためのＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程、パターニングされたパッド窒化膜２３Ｂの除去工程を行って、トレンチ型の素子分離構造を完成する。ここで、ギャップフィル絶縁膜２９は、高密度プラズマ酸化膜で形成され、パターニングされたパッド窒化膜２３Ｂの除去は、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）溶液を用いて行なわれる。
【００５２】
図５は、本発明の実施の形態に係る半導体素子のトレンチ形成方法（インシチューＳＴＩエッチング工程）によって形成された構造を示す顕微鏡写真である。図５から分かるように、トレンチ２８を形成した後でも非晶質カーボン層２４が残留し、よって、パッド窒化膜２３のトップアタックが生じていない。また、パッド窒化膜２３のエッチング形状２３Ａが実質的に垂直である。
【００５３】
以上において実施の形態として示したように、本発明では、素子分離のためのトレンチを形成するエッチング工程（インシチューＳＴＩエッチング工程）時、すなわち、反射防止層２６のエッチング、酸窒化シリコン膜２５のエッチング、非晶質カーボン層２４のエッチング、パッド窒化膜２３のエッチング、パッド酸化膜２２のエッチング、及びトレンチ２８のエッチングを順次行う時、反射防止層２６のエッチングからトレンチ２８のエッチングまでをインシチューで行う。インシチューＳＴＩエッチング工程は、プラズマソースとしてＴＣＰを使用するポリシリコンエッチャーで実施され、全てのエッチングが同じポリシリコンエッチングチャンバーで順次行われるのが望ましい。
【００５４】
このように、インシチューでエッチングを行えば、時間の遅延を減少できるので、自然酸化膜、ポリマーなどが発生せず、且つトレンチの深さが変動しないという効果が得られる。また、本実施の形態に係るインシチューＳＴＩエッチング工程において、非晶質カーボン層をハードマスクとして使用したので、感光膜の選択比の不足に起因するパッド窒化膜のトップアタック及びパッド窒化膜のスロープ形状を防止することができる。
【００５５】
さらに、パッド窒化膜のエッチング、トレンチのエッチング、感光膜の除去、及び残留物の洗浄の４ステップからなっていた従来の工程を、非晶質カーボン層をハードマスクとして利用したインシチューＳＴＩエッチングと洗浄との２ステップに簡素化させることができる。
【００５６】
以上では、本発明を特定の好ましい実施の形態に関連して説明したが、本発明は、上記で説明した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲により定められる技術的思想及び分野から逸脱しない範囲内で上記の実施の形態を多様に変更及び修正できることは、当技術分野で通常の知識を有する者であれば容易に分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１Ａ】従来の技術に係るＳＴＩ法を利用した素子分離方法を概略的に説明するための断面図である。
【図１Ｂ】従来の技術に係るＳＴＩ法を利用した素子分離方法を概略的に説明するための断面図である。
【図２】従来の技術に係るパッド窒化膜のトップアタックを示す写真である。
【図３】従来の技術に係るパッド窒化膜のスロープ形状を示す写真である。
【図４Ａ】本発明の実施の形態に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを用いた素子分離方法の各段階における素子の構造を示す断面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施の形態に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを用いた素子分離方法の各段階における素子の構造を示す断面図である。
【図４Ｃ】本発明の実施の形態に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを用いた素子分離方法の各段階における素子の構造を示す断面図である。
【図４Ｄ】本発明の実施の形態に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを用いた素子分離方法の各段階における素子の構造を示す断面図である。
【図４Ｅ】本発明の実施の形態に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを用いた素子分離方法の各段階における素子の構造を示す断面図である。
【図４Ｆ】本発明の実施の形態に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを用いた素子分離方法の各段階における素子の構造を示す断面図である。
【図４Ｇ】本発明の実施の形態に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを用いた素子分離方法の各段階における素子の構造を示す断面図である。
【図４Ｈ】本発明の実施の形態に係る半導体素子のトレンチ形成方法及びそれを用いた素子分離方法の各段階における素子の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るインシチューＳＴＩ工程によって形成された構造を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００５８】
１１、２１  半導体基板
１２、２２  パッド酸化膜
１３、２３  パッド窒化膜
１４        素子分離マスク
１５        トレンチ
１６        トップアタック
１７        スロープ形状
２３Ｂ      パターニングされたパッド窒化膜
２４        非晶質カーボン層
２４Ａ      非晶質カーボン層のエッチング後の側面形状
２４Ｂ      パターニングされた非晶質カーボン層（第２ハードマスク）
２５        酸窒化シリコン膜
２５Ａ      酸窒化シリコン膜のエッチング後の側面形状
２５Ｂ      パターニングされた酸窒化シリコン膜
２５Ｃ      残留する酸窒化シリコン膜
２６        反射防止層
２６Ｂ      パターニングされた反射防止層
２６Ａ      反射防止層のエッチング後の側面形状
２７        素子分離マスク
２７Ａ      残留する素子分離マスク
２８        トレンチ
２９        ギャップフィル絶縁膜
【図１Ａ】
2007134668.tif 000003
【図１Ｂ】
2007134668.tif 000004
【図４Ａ】
2007134668.tif 000005
【図４Ｂ】
2007134668.tif 000006
【図４Ｃ】
2007134668.tif 000007
【図４Ｄ】
2007134668.tif 000008
【図４Ｅ】
2007134668.tif 000009
【図４Ｆ】
2007134668.tif 000010
【図４Ｇ】
2007134668.tif 000011
【図４Ｈ】
2007134668.tif 000012
【図２】
2007134668.tif 000013
【図３】
2007134668.tif 000014
【図５】
2007134668.tif 000015