(57)【要約】【課題】シリコン窒化膜を誘電体とし、ポリシリコン膜を上部電極とするキャパシタをシリコン基板に形成する際に、素子分離用のシリコン酸化膜とシリコン基板の両方に対するエッチングの進行を抑制できるようにした半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】素子分離酸化層（ＳｉＯ2）を有するＳｉ基板表面に形成されたＰｏｌｙ−Ｓｉ膜（上層）とＳｉ3Ｎ4膜（下層）とを同一の装置内で連続してドライエッチング処理を施す工程では、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜とＳｉ3Ｎ4膜のエッチングの選択比が小さい低選択比条件［１］でエッチングを開始し、Ｓｉ3Ｎ4膜のエッチングの終点（ｂ）を検出した時点で、当該エッチングの条件を低選択比条件［１］から、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチング速度が低選択比条件［１］よりも小さく、且つＳｉＯ2に対するＰｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチングの選択比が低選択比条件［１］よりも大きい高選択比条件［２］、に切り替える。【選択図】図２
2007251103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子分離用のシリコン酸化膜によって他の領域から分離された領域のシリコン基板表面にシリコン窒化膜と、ポリシリコン膜とが積層されてなるキャパシタ、を有する半導体装置の製造方法であって、
前記シリコン酸化膜が形成された前記シリコン基板表面に前記シリコン窒化膜を形成し、その上にポリシリコン膜を形成する工程と、
前記ポリシリコン膜と前記シリコン窒化膜とを同一の装置内で連続してドライエッチングする工程と、を含み、
前記ドライエッチング工程では、
前記ポリシリコン膜と前記シリコン窒化膜のエッチングの選択比が小さい第１条件でエッチングを開始し、
前記シリコン窒化膜のエッチングの終点を検出した時点で、当該エッチングの条件を前記第１条件から、
前記ポリシリコン膜のエッチング速度が前記第１条件よりも小さく、且つ前記シリコン酸化膜に対する前記ポリシリコン膜のエッチングの選択比が前記第１条件よりも大きい第２条件、に切り替えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
素子分離用のシリコン酸化膜によって他の領域から分離された領域のシリコン基板表面にシリコン窒化膜と、ポリシリコン膜とが積層されてなるキャパシタ、を有する半導体装置の製造方法であって、
前記シリコン酸化膜が形成された前記シリコン基板表面に前記シリコン窒化膜を形成し、その上にポリシリコン膜を形成する工程と、
前記ポリシリコン膜と前記シリコン窒化膜とを同一の装置内で連続してドライエッチングする工程と、を含み、
前記ドライエッチング工程では、
前記ポリシリコン膜と前記シリコン窒化膜のエッチングの選択比が小さい第１条件でエッチングを開始し、
前記ポリシリコン膜のエッチングの終点を検出してから所定時間が経過した時点で、当該エッチングの条件を前記第１条件から、
前記ポリシリコン膜のエッチング速度が前記第１条件よりも小さく、且つ前記シリコン酸化膜に対する前記ポリシリコン膜のエッチングの選択比が前記第１条件よりも大きい第２条件、に切り替える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、半導体装置の製造方法に関し、特に、シリコン窒化膜を誘電体とし、ポリシリコン膜を上部電極とするキャパシタをシリコン基板に形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体装置の製造分野では、下地絶縁膜にポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜を形成し、その上にレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクにポリシリコン膜をドライエッチングすることによって、ポリシリコン膜を所定形状に形成することが行われている。
【０００３】
このようなポリシリコン膜のドライエッチングによるパターン形成には、一般には、下地絶縁膜との高選択比を得るため特殊なガス系を用いる方法（例えば、特許文献１参照。）や、オーバエッチがかかる前にステップを切り替える方法が採られている（例えば、特許文献２、３参照。）。また、シリコン酸化（ＳｉＯ2）膜上に形成されたシリコン窒化（Ｓｉ3Ｎ4）膜をエッチングする場合には、ＳｉＯ2膜との選択比を高めるためにＨを含んだガス系を用いることも知られている（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開平５−１４４７８０号公報
【特許文献２】特開２００１−２３７２１８号公報
【特許文献３】特開２００３−６８７０９号公報
【特許文献４】特開平１１−２６０７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、半導体装置の製造工程では、素子分離酸化層（ＳｉＯ2）を有するＳｉ基板上に、誘電体となるＳｉ3Ｎ4膜を形成し、その上にＰｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成し、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜とＳｉ3Ｎ4膜とを所定形状にエッチングすることによって、Ｓｉ基板にキャパシタを形成する場合がある。Ｓｉ基板には素子分離酸化層が形成されている領域と、そうでない領域（即ち、Ｓｉ基板表面が露出している領域）とが存在しており、上記キャパシタはＳｉ基板表面が露出している領域の一部に形成する。Ｓｉ3Ｎ4膜直下のＳｉ基板がキャパシタの下部電極であり、Ｓｉ3Ｎ4膜がキャパシタの誘電体であり、その上のＰｏｌｙ−Ｓｉ膜がキャパシタの上部電極である。
【０００５】
しかしながら、このような構造のキャパシタを従来の技術を用いて形成しようとすると、素子分離酸化層とＳｉ基板の両方に対するＳｉ3Ｎ4膜の選択性を成立させるのが難しく、Ｓｉ3Ｎ4膜をエッチングする際に素子分離酸化層とＳｉ基板の両方が大きく削られてしまうという問題があった。
そこで、この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、シリコン窒化膜を誘電体とし、ポリシリコン膜を上部電極とするキャパシタをシリコン基板に形成する際に、素子分離用のシリコン酸化膜とシリコン基板の両方に対するエッチングの進行を抑制できるようにした半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
〔発明１〕  上記目的を達成するために、発明１の半導体装置の製造方法は、素子分離用のシリコン酸化膜によって他の領域から分離された領域のシリコン基板表面にシリコン窒化膜と、ポリシリコン膜とが積層されてなるキャパシタ、を有する半導体装置の製造方法であって、前記シリコン酸化膜が形成された前記シリコン基板表面に前記シリコン窒化膜を形成し、その上にポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜と前記シリコン窒化膜とを同一の装置内で連続してドライエッチングする工程と、を含み、前記ドライエッチング工程では、前記ポリシリコン膜と前記シリコン窒化膜のエッチングの選択比が小さい第１条件でエッチングを開始し、前記シリコン窒化膜のエッチングの終点を検出した時点で、当該エッチングの条件を前記第１条件から、前記ポリシリコン膜のエッチング速度が前記第１条件よりも小さく、且つ前記シリコン酸化膜に対する前記ポリシリコン膜のエッチングの選択比が前記第１条件よりも大きい第２条件、に切り替えることを特徴とするものである。
【０００７】
ここで、ポリシリコン膜とシリコン窒化膜のエッチングの選択比が小さいとは、即ち、シリコン窒化膜に対するポリシリコン膜のエッチングの選択比（即ち、ポリシリコン膜のエッチング速度／シリコン窒化膜のエッチング速度）が１〜１０程度の場合のことである。
発明１の半導体装置の製造方法によれば、素子分離用のシリコン酸化膜とシリコン基板の両方に対するエッチングの進行を抑制することができる。また、ポリシリコン膜とシリコン窒化膜とを同一装置内で連続してドライエッチングしているので、別々の装置を用いてドライエッチングする場合と比べて、生産性の向上に寄与することができる。
【０００８】
〔発明２〕  発明２の半導体装置の製造方法は、素子分離用のシリコン酸化膜によって他の領域から分離された領域のシリコン基板表面にシリコン窒化膜と、ポリシリコン膜とが積層されてなるキャパシタ、を有する半導体装置の製造方法であって、前記シリコン酸化膜が形成された前記シリコン基板表面に前記シリコン窒化膜を形成し、その上にポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜と前記シリコン窒化膜とを同一の装置内で連続してドライエッチングする工程と、を含み、前記ドライエッチング工程では、前記ポリシリコン膜と前記シリコン窒化膜のエッチングの選択比が小さい第１条件でエッチングを開始し、前記ポリシリコン膜のエッチングの終点を検出してから所定時間が経過した時点で、当該エッチングの条件を前記第１条件から、前記ポリシリコン膜のエッチング速度が前記第１条件よりも小さく、且つ前記シリコン酸化膜に対する前記ポリシリコン膜のエッチングの選択比が前記第１条件よりも大きい第２条件、に切り替えることを特徴とするものである。
【０００９】
このような構成であれば、たとえシリコン窒化膜のエッチングの終点検出が困難な場合でも、素子分離用のシリコン酸化膜とシリコン基板の両方に対するエッチングの進行を抑制することができる。また、ポリシリコン膜とシリコン窒化膜とを同一装置内で連続してドライエッチングしているので、別々の装置を用いてドライエッチングする場合と比べて、生産性の向上に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。また、図２は、エッチング工程におけるチャンバ内でのＳｉの発光強度と、時間との関係を示す図である。ここでは、シリコン窒化（Ｓｉ3Ｎ4）膜を誘電体とし、ポリシリコン膜を上部電極とするキャパシタをシリコン（Ｓｉ）基板に形成する。
【００１１】
まず始めに、図１（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板１にシリコン酸化（ＳｉＯ2）膜からなる素子分離酸化層３を形成する。この素子分離酸化層３の形成は、例えばＬＯＣＯＳ（ＬＯＣａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法又はＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法によって行う。
次に、素子分離酸化層３が形成されたＳｉ基板１上にＳｉ3Ｎ4膜５を形成する。Ｓｉ3Ｎ4膜５の厚さは例えば５０〜１０００［Å］程度であり、その形成は例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって行う。さらに、Ｓｉ3Ｎ4膜５上にＰｏｌｙ−Ｓｉ膜７を形成する。Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜７の厚さは例えば１０００〜５０００［Å］程度であり、その形成は例えばＣＶＤ法によって行う。
【００１２】
次に、キャパシタ形成領域を覆い、それ以外の領域を露出するレジストパターン（図示せず）をＰｏｌｙ−Ｓｉ膜７上に形成する。そして、図１（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、このレジストパターンをマスクにＰｏｌｙ−Ｓｉ膜７とＳｉ3Ｎ4膜５とを同一のドライエッチング装置内で連続的にドライエッチングしてキャパシタを形成する。
このドライエッチング工程では、まず始めに、レジストパターンが形成されたＳｉ基板（以下、「ウエーハ」ともいう。）１をドライエッチング装置のチャンバ（図示せず）内に配置する。次に、例えばＣｌ2、ＨＢｒ、Ｏ2からなるガス系でＰｏｌｙ−Ｓｉ膜／Ｓｉ3Ｎ4膜選択比が１０未満となる低選択比条件［１］で、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜７とＳｉ3Ｎ4膜５とを連続的にドライエッチングする。このとき、図２に示すように、Ｓｉの発光波長４０５ｎｍの変化からＰｏｌｙ−Ｓｉ膜７の終点（ａ）と、Ｓｉ3Ｎ4膜５の終点（ｂ）を各々検出する。
【００１３】
図２において、（ａ）はＰｏｌｙ−Ｓｉ膜７のエッチングの終点が検出されたとき、（ａ´）はＰｏｌｙ−Ｓｉ膜７のエッチングがウエーハ全面で終わったとき、（ｂ´）はＳｉ基板１のエッチングがウエーハ面内の一部で始まったとき、（ｂ）はＳｉ3Ｎ4膜５のエッチングの終点が検出されたとき、を示している。
【００１４】
そして、このドライエッチング工程では、ウエーハ面内のエッチ残り防止のため終点（ｂ）を検出した時点でチャンバ内でのエッチング条件を低選択比条件［１］から高選択比条件［２］に切り替える。ここで、高選択比条件［２］は、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチングレートが低選択比条件［１］よりも低く、且つＰｏｌｙ−Ｓｉ膜に対するＳｉＯ2膜のエッチングの選択比が低選択比条件［１］よりも高い条件である。例えば、Ｃｌ2、ＨＢｒ、Ｏ2からなるガス系における各ガスの混合比を変えたり、チャンバ内で放電状態を作り出す電力（ＰＯＷＥＲ）を下げたりすることで、低選択比条件［１］から高選択比条件［２］に切り替えることが可能である。
【００１５】
図２に示すように、高選択比条件［２］に切り替えてから一定時間経過後、又は、高選択比条件［２］に切り替えてからＳｉの発光強度に変化が見られなくなったら、チャンバ内でのエッチングを終了する。
低選択比条件［１］による各膜のエッチング速度は、例えば、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が１００００［Å／ｍｉｎ］、ＳｉＯ2膜が２０００［Å／ｍｉｎ］、Ｓｉ3Ｎ4膜が２０００［Å／ｍｉｎ］である。Ｓｉ3Ｎ4膜に対するＰｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチングの選択比は５（＝１００００［Å／ｍｉｎ］／２０００［Å／ｍｉｎ］）である。Ｓｉ3Ｎ4膜に対するＰｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチングの選択比が５と低い値であるため、チャンバ内ではＰｏｌｙ−Ｓｉ膜７に続いてＳｉ3Ｎ4膜５を比較的短時間の間に削り取ることが可能である。
【００１６】
一方、高選択比条件［２］による各膜のエッチング速度は、例えば、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が１０００［Å／ｍｉｎ］、ＳｉＯ2膜が２０［Å／ｍｉｎ］、Ｓｉ3Ｎ4膜が２０［Å／ｍｉｎ］である。ＳｉＯ2膜に対するＰｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチングの選択比は５０（＝１０００［Å／ｍｉｎ］／２０［Å／ｍｉｎ］）である。高選択比条件［２］では、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチング速度が低いため、Ｓｉ基板１表面でのエッチングの進行は抑制される。また、ＳｉＯ2膜に対するＰｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチングの選択比は５０と高い値であるため、素子分離酸化層３表面でのエッチングの進行も抑制される。つまり、Ｓｉ基板１と素子分離酸化層３とが受けるエッチングダメージを低減することができる。
【００１７】
このように、本発明の実施の形態によれば、Ｓｉ3Ｎ4膜５を誘電体とし、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜７を上部電極とするキャパシタをＳｉ基板１に形成する際に、素子分離酸化層３とＳｉ基板１の両方に対するエッチングの進行を抑制することができる。また、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜７とＳｉ3Ｎ4膜５とを同一のドライエッチング装置内で連続してドライエッチングしているので、キャパシタの形成が容易であり生産性の向上に寄与することができる。
【００１８】
なお、この実施の形態では、ウエーハ面内のエッチ残り防止のため、Ｓｉ3Ｎ4膜５のエッチングの終点（ｂ）を検出した時点で、チャンバ内でのエッチング条件を低選択比条件［１］から高選択比条件［２］に切り替えることについて説明した。
しかしながら、例えば、Ｓｉ3Ｎ4膜５のエッチングの終点（ｂ）の検出が困難な場合には、図３に示すように、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜７のエッチングの終点を検出してから所定時間ｔが経過した時点で、エッチングの条件を低選択比条件［１］から高選択比条件［２］に切り替えるようにしても良い。或いは、（ａ´）から一定時間ｔ´が経過した時点でエッチング条件を低選択比条件［１］から高選択比条件［２］に切り替えるようにしても良い。
【００１９】
図３において、（ａ）はＰｏｌｙ−Ｓｉ膜７のエッチングの終点が検出されたとき、（ａ´）はＰｏｌｙ−Ｓｉ膜７のエッチングがウエーハ全面で終わったとき、（ｃ）は（ａ）又は（ａ´）から一定時間が経過した後の条件切り替えのタイミング、（ｂ´）はＳｉ基板１のエッチングがウエーハ面内の一部で始まったとき、を示している。
【００２０】
ここで、ｔを決める方法としては、例えば（イ）、（ロ）の方法がある。
（イ）：（ａ）又は（ａ´）の時間から一定の比率を設定
（ロ）：（ａ）又は（ａ´）の時間によらずＳｉ3Ｎ4膜５の膜厚から予め時間設定
上記の（イ）、（ロ）について例を挙げて説明する。（イ）は例えばＳｉ3Ｎ4膜に対するＰｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチングの選択比が５の条件であり、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜７の膜厚が５０００Å、Ｓｉ3Ｎ4膜５の膜厚が５００Å、（ａ）が６０秒の場合には、ｔ＝（ａ）×（５００Å／５０００Å）×５＝３０［ｓｅｃ］である。
【００２１】
また、（ロ）は、例えばＳｉ3Ｎ4膜５の膜厚が１０００［Å］で、低選択比条件［１］でのＳｉ3Ｎ4膜５のエッチング速度が２０００［Å／ｍｉｎ］の場合には、ｔを３０秒に設定する。ｔ＝（１０００［Å］／２０００［Å／ｍｉｎ］）・６０［ｓｅｃ／ｍｉｎ］＝３０［ｓｅｃ］である。
【００２２】
このような構成であっても、素子分離酸化層３とＳｉ基板１の両方に対するエッチングの進行を抑制することができる。また、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜７とＳｉ3Ｎ4膜５とを同一のドライエッチング装置内で連続してドライエッチングしているので、キャパシタの形成が容易であり生産性の向上に寄与することができる。
【００２３】
この実施の形態では、低選択比条件［１］が本発明の「第１条件」に対応し、高選択比条件［２］が本発明の「第２条件」に対応している。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。
【図２】チャンバ内でのＳｉの発光強度と時間との関係を示す図（その１）。
【図３】チャンバ内でのＳｉの発光強度と時間との関係を示す図（その２）。
【符号の説明】
【００２５】
１  Ｓｉ基板、３  素子分離酸化層、５  Ｓｉ3Ｎ4膜、７  Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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