(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化膜が形成された半導体基板の該酸化膜上にマスク層を堆積する工程と、
前記マスク層に、それぞれが前記酸化膜に達する第１開口部と第２開口部とを、該第２開口部の開口幅が該第１開口部の開口幅よりも広く、かつ、前記酸化膜においてプラズマエッチングにより逆マイクロローディング効果が発生する条件で形成する工程と、
次いで、前記マスク層をマスクとして前記酸化膜をプラズマエッチングすることにより、該酸化膜に、前記第１開口部に対応させて前記半導体基板に達する第３開口部と、前記第２開口部に対応させて前記半導体基板に達しない第４開口部とをそれぞれ形成する工程と、
次いで、前記酸化膜をマスクとして、該酸化膜と前記半導体基板とを、該半導体基板のエッチングレートが該酸化膜のエッチングレートよりも大きい条件でエッチングすることによって、前記第３開口部および前記第４開口部のそれぞれに対応した前記半導体基板の領域に、トレンチを、該第４開口部に対応した領域よりも該第３開口部に対応した領域において深く形成する工程と、
を包含する、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記トレンチを形成する工程に次いで、前記半導体基板上に誘電体材料を堆積して、前記トレンチを該誘電体材料で埋め込む工程と、
次いで、前記半導体基板の表面が露出するように、前記誘電体材料を除去する工程とをさらに包含する請求項１に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、半導体装置の製造方法に関し、さらに詳しくは、素子分離部を備えた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路において素子間を電気的に分離するために、半導体基板を選択的に酸化して厚いフィールド酸化膜を形成する方法、いわゆる口コス法(ＬＯＣＯＳ法)が用いられてきた。しかし、ロコス法ではフィールド酸化膜の端部にバーズビークが現れるので、広い素子分離部を必要とする。よって、これを考慮して素子の設計を行わなければならなず、素子領域が狭くなるという問題がある。
【０００３】
近年の半導体集積回路の高集積化に伴って、素子分離部をより小さくできるトレンチ分離を用いる方法が採用されつつある。トレンチ分離法とは、素子間分離を行なう領域に素子間を電気的に分離するのに必要な深さを有する溝(トレンチ)を設け、さらにこのトレンチを絶縁体等で埋込むことにより、このトレンチを挟む領域間の電気的絶縁を行う方法である。この方法により、素子寸法と比較して十分に小さいトレンチを形成することができ、半導体集積回路のより一層の高集積化が達成される。
【０００４】
例えば、特公平７−７９１２７号公報は、半導体基板にトレンチを形成し、この基板上にＴＥＯＳ(Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ)等の絶縁膜をトレンチを埋め込むようにして堆積し、基板が露出するまでエッチバック法や化学的機械研磨(ＣＭＰ)法を行うことにより素子分離部を形成する方法を記載している。
【０００５】
さらに、半導体集積回路技術の進展にともない、一種類の素子分離部のみではなく、回路内において、深さの異なるトレンチ素子分離部を必要に応じて用いる方法が提案されている。
【０００６】
例えば、ＣＭＯＳ回路においては、異なるウェル間の素子分離には深い素子分離部を設け、同じウェル内での素子分離には浅い素子分離部を設けることにより、確実にラッチアップを防止すると共に、回路の高速化も達成できる。一方、バイポーラ回路においても、通常の深い素子分離部以外にベース−コレクタ間耐圧を向上させるための浅い分離領域を設けることにより、高速、高耐圧のバイポーラ素子を形成することができる。さらに、バイポーラとＣＭＯＳがともに存在するような回路にも、２種類の深さの素子分離が必要である。このような深さの異なるトレンチの形成は、従来、通常のトレンチ形成工程を２回以上くり返し、それぞれのトレンチを形成するためのエッチング工程におけるエッチング時間およびエッチング条件を変えることによって行なわれている。
【０００７】
例えば、特開平７−６６２７６号公報に従来例として記載される、深さの異なるトレンチを形成する方法を以下に説明する。
【０００８】
最初に、半導体基板として用いられるシリコンウェハ表面に、後にトレンチエッチングを行なう際のエッチングマスクとして用いるためのＳｉＯ2膜を形成する。
【０００９】
次いで、フォトリソグラフィー法によって、ＳｉＯ2膜上に、第１のトレンチ領域のみ開口しているレジストパターンを形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとしてＳｉＯ2膜をドライエッチング法によりエッチングする。
【００１０】
さらに、ＳｉＯ2膜のエッチングマスクとして用いたレジストパターンを除去してから、第１のトレンチ領域のみ開口しているＳｉＯ2膜をエッチングマスクとしてシリコンウェハ表面をエッチングすることにより、第１のトレンチを得る。  次に、形成された第１のトレンチ内部を熱酸化法とＣＶＤ法を用いてＳｉＯ2で埋め込み、表面を平坦化することにより第１のトレンチ分離領域が形成される。  次いで、第２のトレンチ領域を形成するために用いるエッチングマスクとして機能するＳｉＯ2膜を形成し、次いで第１のトレンチの場合と同様にフォトリソグラフィー法により第２のトレンチ領域のみ開口しているレジストパターンを形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとしてＳｉＯ2膜をドライエッチング法によってエッチングする。
【００１１】
さらにＳｉＯ2膜のエッチングマスクとして用いたレジストパターンを除去してから、第２のトレンチ領域のみ開口しているＳｉＯ2膜をエッチングマスクとしてシリコンウェハ表面をエッチングすることにより第２のトレンチが形成される。この時、トレンチエッチングの条件を第１のトレンチ形成プロセスの場合と変えることにより、深さや形状等の異なる第２のトレンチを形成することができる。
【００１２】
次に第２のトレンチ内へのＳｉＯ2の埋込み、さらにウェハ表面の平坦化を行なうことにより、２種の異なる深さを持ったトレンチ分離領域を形成することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の方法では、深さの異なるトレンチを形成するために、トレンチ分離形成プロセスを全て、トレンチの種類数に応じてくり返して行わなければならないため、工程数が大幅に増加してしまうという問題点があった。さらに、レジストを形成するために、アライメントを必要とする露光をそれぞれ独立して行なわなければならない。このため、トレンチ間にアライメント誤差が生じてしまうという問題があった。
【００１４】
このような問題を解決するために、前述の特開平７−６６２７６号公報は、エッチングマスクを工夫する方法とイオン注入を用いる方法とを提案している。しかし、いずれの方法もフォトリソグラフィー法を２回用いる必要があり、余分な工程を含んでるためスループットの低下を招いていた。
【００１５】
一方、特開平９−２６０４８５号公報は、エッチングの際に、マイクロローディング効果を用いて異なる深さのトレンチ素子分離部を形成する方法を開示している。この方法を用いた場合、素子分離深さは素子分離幅、すなわちエッチングによりトレンチを形成する時のトレンチ開口幅に依存する。詳細には、トレンチ開口幅の広い領域で深く、トレンチ開口幅の挟い領域で浅く形成される。
【００１６】
この方法によれば、エッチングによりトレンチを形成した後にトレンチを絶縁体で埋め込む場合に、開口幅が広く、深さが深いトレンチの埋め込みは、これに堆積する絶縁膜などの層の堆積膜厚を大きくしなければならず、非常に製造が難しくなるという問題があった。例えば、図１０に示すように、半導体基板１１上に形成された開口幅の広いトレンチ１２と開口幅の狭いトレンチ１３とを、絶縁体材料を堆積させて埋め込み、埋め込み絶縁体膜１４を形成する場合に、トレンチ１２において埋め込みが良好でない部分１５が生じる。よって、ウェハー基板上にくぼみ(段差)が生じ、ダストの発生およびエッチング不良などを招き、歩留まりが低下するという問題がある。さらに、このような段差は電気的性能にも影響し、トランジスタの電流電圧特性においてキンク現象を招き、安定したデバイス設計が行えなくなる。
【００１７】
これに対して、トレンチ開口幅が狭い領域では、一般に最小加工寸法で設計を行うことが多い。上記のようにマイクロローディング効果を用いて異なる深さのトレンチ素子分離の製造を行う場合、トレンチ開口幅が小さい程マイクロローディング効果が顕著に作用する。よって、最小加工寸法でトレンチ開口幅を設計すると、開口幅のわずかなばらつきおよびエッチングパターンの形状に依存して、エッチング深さが影響されやすく、トレンチ深さが大きく変化する問題がある。そのため、デバイスを安定して動作させることが難しく、デバイスの設計が難しくなるという問題点がある。
【００１８】
本発明の目的は、上記のような問題点を解決し、トレンチ形成プロセスの工程数の増加を最小限に抑えて、異なる深さのトレンチを制御よく、かつアライメント誤差を生じることなく形成する半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１９】
本発明の半導体装置の製造方法は、酸化膜が形成された半導体基板の該酸化膜上にマスク層を堆積する工程と、前記マスク層に、それぞれが前記酸化膜に達する第１開口部と第２開口部とを、該第２開口部の開口幅が該第１開口部の開口幅よりも広く、かつ、前記酸化膜においてプラズマエッチングにより逆マイクロローディング効果が発生する条件で形成する工程と、次いで、前記マスク層をマスクとして前記酸化膜をプラズマエッチングすることにより、該酸化膜に、前記第１開口部に対応させて前記半導体基板に達する第３開口部と、前記第２開口部に対応させて前記半導体基板に達しない第４開口部とをそれぞれ形成する工程と、次いで、前記酸化膜をマスクとして、該酸化膜と前記半導体基板とを、該半導体基板のエッチングレートが該酸化膜のエッチングレートよりも大きい条件でエッチングすることによって、前記第３開口部および前記第４開口部のそれぞれに対応した前記半導体基板の領域に、トレンチを、該第４開口部に対応した領域よりも該第３開口部に対応した領域において深く形成する工程と、を包含する。
【００２０】
好適な実施態様においては、前記トレンチを形成する工程に次いで、前記半導体基板上に誘電体材料を堆積して、前記トレンチを該誘電体材料で埋め込む工程と、次いで、前記半導体基板の表面が露出するように、前記誘電体材料を除去する工程とをさらに包含する。
【００２６】
以下に本発明の作用を説明する。
【００２７】
本発明によれば、エッチングによってマスク層に第１領域と第１領域よりも幅の広い第２領域とを形成し、このマスク層をマスクとして、半導体基板をエッチングして第１領域に第２領域よりも深いトレンチを形成する。このように形成された２種類のトレンチは、幅の広い方が深さが浅いので、これらを埋め込んで素子分離部を形成する場合に良好な段差被覆性(ステップカバレッジ)を示す。このような幅の広い方が深さが浅い２種のトレンチを形成する方法は、半導体基板および／またはマスク層のエッチング速度が、第１領域と第１領域よりも幅の広い第２領域とで異なる現象(マイクロローディング効果および／または逆マイクロローディング効果)を利用することによって達成される。
【００２８】
本発明の好適な実施態様においては、半導体基板の第１領域におけるエッチング速度が、第１領域よりも幅の広い第２領域におけるエッチング速度よりも速い。これは、圧力などのエッチング条件を適切に選択して、逆マイクロローディング効果を利用することによって達成される。好適な実施態様においては、半導体基板のエッチング時の圧力は１ｍＴｏｒｒ以上、９０ｍＴｏｒｒ以下である。このように圧力条件を比較的低くすることによって、逆マイクロローディング効果を効果的にもたらすことができる。
【００２９】
本発明の好適な実施態様においては、マスク層のエッチング工程において、第１領域と第２領域に厚さの異なるマスク層が残留する。これは、第１領域におけるエッチング速度が、第１領域よりも幅の広い第２領域におけるエッチング速度よりも速くなるように、すなわち逆マイクロローディング効果をもたらすようにマスク層のエッチング条件を適切に選択することにより達成される。このようにして形成された第１領域のマスク層残留膜厚は、第２領域のものよりも薄い。第２領域よりもマスク層残留膜厚が薄い第１領域を有するマスク層をマスクとしてエッチングすることにより、マスク層と半導体基板とのエッチング選択比が異なることを利用することができる。よって、幅の広い方が深さが浅い２種のトレンチを形成することができる。
【００３０】
あるいはまた、上記のマスク層のエッチング工程において第１領域と第２領域に厚さの異なるマスク層を残留させることは、本発明の好適な実施態様に示すように、第１領域におけるエッチング速度が、第１領域よりも幅の広い第２領域におけるエッチング速度よりも遅くなるように、すなわちマイクロローディング効果をもたらすように、酸化防止膜を含むマスク層をプラズマエッチングすることにより達成される。このようにして形成された第１領域のマスク層残留膜厚は、第２領域のものよりも厚い。さらに、本発明の好適な実施態様に示すように、酸化防止膜を含み、第２領域よりもマスク層残留膜厚が厚い第１領域を有するマスク層をマスクとして半導体基板を酸化することにより、第２領域にのみ選択的に酸化膜を形成することができる。これにより、マスク層および酸化膜と半導体基板とのエッチング選択比が異なることを利用することができる。よって、幅の広い方が深さが浅い２種のトレンチを形成することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本明細書を通じて、用語「開口」は、その「開口」領域において層全体が除去されている必要はなく、層が少なくとも凹部を有していることを示すものとする。このときの「開口」領域の基板面に水平な方向に対する幅を「開口幅」、あるいはこの「開口」領域に形成されるトレンチの幅に等しいことから「トレンチ開口幅」とする。
【００３２】
一般に、開口幅の異なる領域を通して基板をエッチングしてトレンチを形成する際に、エッチングされる深さはほぼ一定ではなく、開口幅(トレンチ開口幅)の大きさに依存する。例えば、比較的高い圧力条件下でエッチングを行った場合、開口幅が挟くなるにつれて、エッチングレートが低下する。このような現象は、一般に「マイクロローディング効果」と呼ばれ、よく知られている。
【００３３】
図１(ａ)に示すように、マイクロローディング効果は、トレンチ開口幅が狭くなる程顕著にあらわれ、エッチングレートも急激に低下する。このような現象は、エッチングの際に、プラズマ中のラジカルがトレンチの形状的な影響を受けて、トレンチの奥深くにまで進入する量が制限されることに起因すると一般的に言われている。図２(ａ)は、シリコン酸化膜２２に開口幅が約０．３μｍおよび約２．０μｍである領域を形成し、比較的高い圧力条件下(例えば、マグネトロンＲＩＥ装置を用いて、Ｃｌ2＝４０ｓｃｃｍ、Ｏ2＝６ｓｃｃｍ、ガス圧力＝１００ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワー＝１０００Ｗの条件下)でエッチングした後のトレンチの形状を示す。開口幅約０．３μｍのトレンチ２３ではエッチング深さが約０．５μｍとなり、開口幅約２．０μｍのトレンチ２４ではエッチング深さが約１．０μｍとなった。
【００３４】
これに対して本発明者らは、低圧力条件下で、高密度のプラズマエッチングによりエッチングを行った場合、マイクロローディング効果の他に、図１(ｂ)に示すような変化が起こり得ることを見い出した。図１(ｂ)における領域(ｘ)の部分では、従来と同様にマイクロローティング効果が起こっている。しかし、図１(ｂ)における領域(ｙ)の部分では、領域(ｚ)よりもエッチングレートが増加している。このような現象をマイクロローディング効果と対比させて、「逆マイクロローディング効果」に起因するものとする。図２(ｂ)は、シリコン酸化膜２２に開口幅が約０．３μｍおよび約２．０μｍである領域を形成し、比較的低い圧力条件下(例えば、ＥＣＲ装置を用いて、Ｃｌ2＝４０ｓｃｃｍ、Ｏ2＝６ｓｃｃｍ、ガス圧力＝３ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー＝２２０Ｗ、ＲＦパワー＝９０Ｗの条件下)でエッチングした後のトレンチの形状を示す。開口幅約０．３μｍのトレンチ２３ではエッチング深さが約１．０５μｍとなり、開口幅約２．０μｍのトレンチ２４ではエッチング深さが約０．８μｍとなった。
【００３５】
このような現象が起こる範囲は、エッチングガスによって変わるが、エッチング時の圧力が比較的高い場合にはほとんど起こらず、比較的低い場合に起こる。具体的には、圧力が約１ｍＴｏｒｒから約９０ｍＴｏｒｒの範囲である場合に起こり、特に、約１ｍＴｏｒｒから約１０ｍＴｏｒｒの範囲である場合に顕著であった。エッチング圧力が、約１ｍＴｏｒｒから約９０ｍＴｏｒｒの範囲であるような、比較的低い条件下では、マイクロローディング効果がより起こりにくく、このような逆マイクロローディング効果による現象が起こると考えられる。
【００３６】
上記のようにエッチング条件を適切に選択することにより、開口幅のより狭い領域の方が開口幅のより広い領域よりも、エッチングレートを大きく、形成されるトレンチの深さを深くすることが可能である。
【００３７】
本発明では、このようにして形成されるトレンチ深さを制御するために、図１(ｂ)に示すように、あらかじめ開口幅とエッチングされる深さの関係の測定を行った。トレンチ深さのばらつきがデバイスに及ぼす影響を考慮して、開口幅の設計ばらつきに対応するトレンチ深さのばらつきがデバイスにほとんど影響しないように、エッチングレートの変化(図中では、エッチング深さの変化に相当)の充分少ない開口幅の範囲を、図１(ｂ)における領域(ｙ)と領域(ｚ)においてそれぞれ決める。このように決定した開口幅の範囲に基づいてマスクパターンのトレンチ開口幅のサイズを決める。そして、このサイズに基づきデバイスを設計する。このように設計されたデバイスは、トレンチ開口幅が広い領域でトレンチ深さを浅く、トレンチ開口幅の狭い領域でトレンチ深さを深く設定されている。
【００３８】
なお、逆マイクロローディング効果が起こる機構は、以下のように考えられるが、本発明はこれに限定されるものではない。トレンチエッチングの場合と、マスクエッチングの場合について、それぞれ用いられるガス種(エッチャント)が異なるので、逆マイクロローディング効果が起こる機構も異なると考えられる。
【００３９】
トレンチエッチングの場合については、トレンチの側壁に対して浅い角度で入射した高エネルギーのイオンに起因すると考えられる。浅い角度で入射したイオンがトレンチ側壁部で反射された反射イオン、および／またはこのように入射したイオンによってトレンチ側壁部がスパッタされて生成した高エネルギーのイオンが、トレンチの底部に衝突して、その場所のエッチング速度を向上させていると考えられる。あるいは、トレンチの側壁部に吸着されたエッチャントが上記のように入射したイオンによってスパッタされて、トレンチの底部に供給され、その場所のエッチング速度を向上させていると考えられる。これらのエッチング速度が増加する機構は、本発明のような条件下においては、開口幅の広いトレンチよりも開口幅の狭いトレンチにおいて著しく、逆マイクロローディング効果が起こると考えられる。さらに、マスクなどからのエッチング生成物または堆積性のラジカルがトレンチ内に堆積してエッチング速度に影響を与える場合、本発明のような条件下においては、開口幅の広いトレンチの底部に堆積しやすく、開口幅の狭いトレンチの底部に堆積しにくくなり、開口幅の狭いトレンチの方が開口幅の広いトレンチよりもエッチング速度が低下しにくくなっていると考えられる。実際には、これらの機構が複合して、逆マイクロローディング効果が起こると思われる。
【００４０】
マスクエッチングの場合については、通常、エッチング速度はエッチャント(ラジカル)の量が多くなるにつれて増加するが、ラジカルの量が多すぎるとトレンチの底部に過剰にラジカルが堆積して、エッチング速度は減少する。開口幅の狭いマスクでは、ラジカルはマスクの側壁部に付着して、底部にまで到達しにくくなる。従って、本発明のような条件下においては、開口幅の広いマスクではラジカルが過剰に堆積して底部のエッチング速度は低下するが、開口幅の狭いマスクではこのようなラジカルの過剰堆積が起こらないのでエッチング速度は開口幅の広いトレンチよりもエッチング速度が大きくなると考えられる。
【００４１】
以下に本発明に実施の形態を詳細に説明する。
【００４２】
まず、半導体基板上の全面にマスク層を形成する。半導体基板材料としては、任意の適切な材料を用い得るが、例えば、シリコン、およびＧａＡｓなどの化合物半導体などが挙げられる。マスク層としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、およびシリコン窒化酸化膜、ならびにフォトレジストおよび多層レジストなどが挙げられる。
【００４３】
このマスク層を、例えばフォトリソグラフィー法によってエッチングして、上記のように設定された開口幅の異なる領域を形成する。
【００４４】
このマスク層をマスクとして半導体基板をエッチングして、基板表面に異なる深さのトレンチを形成する。ここで、先に開口幅を決める際に用いた、異なる開口幅の間でエッチング深さに差が生じる条件下でエッチングを行う。この工程は、比較的低い圧力条件下で行われることが好ましく、具体的には、約１ｍＴｏｒｒ以上、約９０ｍＴｏｒｒ以下が好ましく、より好ましくは約１ｍＴｏｒｒ以上、約１０ｍＴｏｒｒ以下である。このような圧力条件下では、エッチング深さに差が生ずる効果が顕著である。図１(ｂ)に示すエッチング深さの絶対値は、この例に限るものではない。さらに、エッチングガス種、流量、およびＲＦパワー等の条件は任意の適切な条件を取り得る。必要に応じて各デバイスに必要な深さになる条件を適宜選択すれば良い。
【００４５】
これにより、開口幅のより狭い領域でより深いトレンチを、開口幅のより広い領域でより浅いトレンチを制御良く形成することができる。このように、開口幅とトレンチ深さとの関係が規定されるので、後のトレンチ埋め込みが容易に行える。
【００４６】
本発明の別の実施形態においては、マスク層をエッチングする際に、マスク層を半導体基板に達するまでエッチングせずに、開口領域の半導体基板上にマスク層の一部を残留させて、開口幅のより広い領域と、開口幅のより狭い領域とでマスク層が残留する層厚を変えても良い。この方法は、マスクの開口幅によってエッチングの深さの違うエッチング条件、すなわちマイクロローディング効果が起こる条件下、または逆マイクロローディング効果が起こる条件下でエッチングを行って、マスクの残膜を変化させることにより実施され得る。この工程は、例えば、マイクロローディング効果が発生するプラズマエッチングによって行われても良い。
【００４７】
このマスク層のエッチングの後に、トレンチを形成するためのエッチングを行う。このトレンチを形成するエッチング工程(以下、トレンチエッチング工程とする)では、必ずしも逆マイクロローディング効果が起こるようなエッチング条件を選択する必要はない。このトレンチエッチング工程では、まずマスク層の残留部分がエッチングされ、次いで半導体基板がエッチングされる。つまり、マスク層の残留部分のエッチングが完了するまでは、半導体基板のエッチングは行われない。その結果、開口幅の広い領域と狭い領域とで半導体基板のエッチングが開始される時間が異なり、よって形成されるトレンチ深さが異なる。このようにして形成されるトレンチの深さは、マスク層の残留層厚、およびトレンチエッチング工程におけるマスク層と半導体基板とのエッチングレートの比で決まる。従って、トレンチエッチング工程におけるエッチング条件を変えることによりエッチングレートの比を変化させ、形成されるトレンチの深さをコントロールすることができる。
【００４８】
また、本発明の別の実施形態においては、マスク層は、窒化シリコン膜等からなる酸化防止膜を含み、マスク層をエッチングする工程と、トレンチエッチング工程との間に、該半導体基板を酸化する工程をさらに包含しても良い。
【００４９】
そのマスク層を、トレンチの開口幅に依存してエッチングレートに差が生じる条件下でエッチングを行う。例えば、マイクロローディング効果が発生するプラズマエッチングなどにより達成される。これにより、開口幅のより狭い領域には酸化防止膜層を好ましくは約５ｎｍ以上残し、開口幅のより広い領域では酸化防止層を完全に取り除く。その後、半導体基板を選択酸化する。次いで、マスク層を利用してトレンチエッチングを行う。
【００５０】
その結果、開口幅の小さいトレンチを深く、開口幅の広いトレンチを浅くすることが可能となり、埋め込みが容易に行えるトレンチを形成することが可能となった。
【００５１】
【実施例】
(参考例１)
本参考例は、半導体基板上にシリコン酸化膜層を形成し、このシリコン酸化膜層をエッチングマスクとして用いて、異なる深さのトレンチをエッチングにより形成し、その後、トレンチの埋め込みを行って、トレンチ素子分離部を形成する、半導体装置の製造例である。さらに本参考例は、トレンチエッチング時に逆マイクロローディング効果を応用した、半導体装置の製造例である。
【００５２】
以下、図３(ａ)〜(ｅ)を参照して本参考例を説明する。
【００５３】
図３(ａ)を参照して、シリコンからなる半導体基板３１を熱酸化して、約０．２μｍの膜厚のシリコン酸化膜３２を形成した。このシリコン酸化膜３２は、後にトレンチをエッチングにより形成する際にエッチングマスクとして用いられる。このシリコン酸化膜３２の上に、フォトリソグラフィー法によって、レジストマスク３３をパターニングした。ここで、レジストは、化学増幅型レジストを用い、エキシマステッパーで露光を行った。このとき、深いトレンチ部を形成する部分である狭い開口部(図中左側)のレジストマスク３３の開口幅は、約０．２〜約０．５μｍの範囲、例えば、０．３μｍとし、浅いトレンチを形成する部分である広い開口部(図中右側)のレジストマスク３３の開口幅は、約１μｍ以上、例えば、１．５μｍとした。
【００５４】
次に、図３(ｂ)に示すように、このレジストマスク３３を用いてシリコン酸化膜３２をエッチングした。ここで、エッチング装置はマグネトロンＲＩＥ装置を用いた。このときのマスクエッチング条件を以下に示す。
【００５５】
ＣＨＦ3＝約６０ｓｃｃｍ
ＣＦ4＝約３０ｓｃｃｍ
Ａｒ＝約１０ｓｃｃｍ
ガス圧力＝約５０ｍＴｏｒｒ
ＲＦパワー＝約７００Ｗ(約１３．５６ＭＨｚ)
このエッチング工程において、オーバエッチを約５０％行った。これにより、開口幅約０．２〜約０．５μｍの部分においても、開口幅約１．０μｍ以上の部分においても、エッチングによってシリコン酸化膜３２が完全に取り除かれた。
【００５６】
次いで、アッシングおよび洗浄を行ってレジストマスク３３を除去した後に、図３(ｃ)に示すように、シリコン酸化膜３２をエッチングマスクとしてエッチングして、トレンチ３４および３５を形成した。このときのトレンチ３４および３５を形成するためのエッチング(トレンチエッチング)条件を以下に示す。
【００５７】
Ｃｌ2＝約４０ｓｃｃｍ
Ｏ2＝約６ｓｃｃｍ
ガス圧力＝約３ｍ
Ｔｏｒｒマイクロ波パワー＝約２２０Ｗ
ＲＦバイアスパワー＝約９０Ｗ(約２ＭＨｚ)
上記のような条件を用いた場合、トレンチ開口幅(本参考例においてはシリコン酸化膜３２の開口幅)と、エッチング深さの関係は図４に示すようになることが、あらかじめの測定によりわかっている。図４より、トレンチ開口幅が約０．２〜約０．５μｍの範囲の場合はエッチングレートが速く、トレンチ開口幅が約１μｍ以上の場合はエッチングレートが遅い。また、トレンチ開口幅が約０．２〜約０．５μｍの範囲では、開口幅の変化に対してエッチング深さはほぼ一定であり、比較的安定している。これに対して、開口幅が約０．６〜約０．９μｍの範囲では、開口幅の変化に対して、エッチング深さが急激に変化する。さらに、開口幅が約１．０μｍ以上の範囲では、開口幅の変化に対してエッチング深さはほぼ一定であり、比較的安定している。前もって開口幅を設計する際に、開口幅のばらつきに起因するエッチングの深さのばらつきが大きくならないように、開口幅の寸法を決定する必要がある。
【００５８】
そこで、本参考例では、トレンチの開口幅を上述のように、約０．２〜約０．５μｍ、および約１μｍ以上に設定した。その結果、図３(ｃ)に示すようにマスクの開口幅が約０．２〜約０．５μｍの場合では、深さ約１．０５μｍのトレンチ３４が形成され、マスクの開口幅が約１μｍ以上の場合では、深さ約０．８μｍのトレンチ３５が形成された。
【００５９】
次いで、この基板を洗浄した後に、図３(ｄ)に示すようにＣＶＤ法によりシリコン酸化物からなる誘電体材料を基板全面に堆積して、このシリコン酸化膜３６で、トレンチ３４および３５をステップカバレッジ良く埋め込んだ。このトレンチの埋め込み工程において、開口部が広いトレンチ部分はトレンチ深さが浅いので、開口部が広いトレンチ部分であっても容易にトレンチを埋め込むことが出来た。
【００６０】
次に、図３(ｅ)に示すように、エッチバック法によりシリコン基板が露出するまでシリコン酸化膜３６および３２をエッチングした。
【００６１】
以上のようにして、トレンチ３４および３５が埋め込まれたトレンチ素子分離部が得られた。さらに、シリコン基板上にくぼみが生ずることなくトレンチ素子分離部を形成する事ができた。
【００６２】
本参考例では、トレンチエッチング時のエッチングマスクとしてＳｉＯ2層を採用したが、ＳｉＮx層またはＳｉＯxＮy層、あるいは各種金属膜等の無機マスクを用いても良い。あるいはまた、レジストマスクや多層レジストマスク等を用いても良い。
【００６３】
(実施例)
本実施例は、半導体基板上にシリコン酸化膜層を形成し、このシリコン酸化膜層をエッチングマスクとして用いて、異なる深さのトレンチをエッチングにより形成した、半導体装置の製造例である。さらに本実施例は、シリコン酸化膜層加工時に逆マイクロローディング効果を応用した、半導体装置の製造例である。
【００６４】
以下、図５(ａ)〜(ｃ)を参照して本実施例を説明する。
【００６５】
図５(ａ)を参照して、シリコンからなる半導体基板５１を熱酸化して、約０．３５μｍの膜厚のシリコン酸化膜を形成した。このシリコン酸化膜５２の上に参考例１と同様に、フォトリソグラフィー法によって、レジストマスク５３をパターニングした。このとき、深いトレンチ部を形成する部分である狭い開口部(図中左側)のレジストマスク５３の開口幅は、約０．２〜約０．５μｍの範囲、例えば、０．２４μｍとし、浅いトレンチを形成する部分である広い開口部(図中右側)のレジストマスク５３の開口幅は、約１μｍ以上、例えば、１．８μｍとした。
【００６６】
次に、図５(ｂ)に示すように、このレジストマスク５３を用いてシリコン酸化膜５２をエッチングした。ここで、エッチング装置はＩＣＰプラズマ型装置を用いた。このときのマスクエッチング条件を以下に示す。
【００６７】
Ｃ2Ｆ6＝約３０ｓｃｃｍ
ガス圧力＝約３ｍＴｏｒｒ
ＲＦパワー＝約７００Ｗ
上部電極パワー＝約２５００Ｗ
このエッチング工程において、オーバエッチを行わずに、約０．２〜約０．５μｍの狭い開口部においてシリコン酸化膜５２が全てエッチングされて、半導体基板５１が露出したときにエッチングを終了した。
【００６８】
上記のような条件を用いた場合、トレンチ開口幅(本実施例においてはレジストマスク５３の開口幅)と、エッチング深さの関係は図６に示すようになることが、あらかじめの測定によりわかっている。図６より、トレンチ開口幅が約０．２〜約０．５μｍの範囲の場合はエッチングレートが速く、トレンチ開口幅が約１μｍ以上の場合はレートが遅い。
【００６９】
従って、図５(ｂ)に示すように、狭い開口部においてシリコン酸化膜５３が全てエッチングされて、半導体基板５１が露出したときにエッチングを終了して、広い開口部において約０．０５μｍのシリコン酸化膜の残膜を残した。
【００７０】
次いで、アッシングおよび洗浄を行ってレジストマスク５３を除去した後に、図５(ｃ)を参照して、シリコン酸化膜５２をエッチングマスクとしてエッチングして、トレンチ５４および５５を形成した。ここで、エッチング装置はＥＣＲプラズマ装置を用いた。このときのトレンチ５４および５５を形成するためのトレンチエッチング条件を以下に示す。
【００７１】
Ｃｌ2＝約４０ｓｃｃｍ
Ｏ2＝約２ｓｃｃｍ
ガス圧力＝約２０ｍＴｏｒｒ
マイクロ波パワー＝約２２０Ｗ
ＲＦバイアスパワー＝約９０Ｗ(約１３．５６ＭＨｚ)
この条件においては、トレンチエッチングのシリコン基板５１／シリコン酸化膜５２の選択比を２０に設定しているので、トレンチエッチング工程においてシリコンだけでなくマスクであるシリコン酸化膜５２もエッチングされることが予めわかっている。
【００７２】
よって、約０．２〜約０．５μｍの狭い開口部においてシリコン基板５１を約１μｍエッチングしたときに、約１μｍ以上の広い開口部においてはシリコン酸化膜５２がシリコン基板５１のエッチング深さの約２０分の１、すなわち約０．０５μｍエッチングされた。これにより、広い開口部においてもシリコン酸化膜５２がすべて除去されてシリコン基板５１が露出した。
【００７３】
約１μｍ以上の広い開口部でシリコン基板５１が露出した後、さらにエッチング続けて、シリコンのエッチング深さで約０．５μｍエッチングした。このときトレンチを形成しない領域においてシリコン酸化膜５２もエッチングされるが、前述のようにシリコン酸化膜のエッチングレートが非常に遅く、シリコン酸化膜５２はこの領域において半導体基板５１が露出しない程度に十分な厚さを有するので、半導体基板５１は露出しなかった。
【００７４】
その結果、図５(ｃ)に示すように、約０．２〜約０．５μｍの狭い開口部には約１．５μｍの深さのトレンチ５４が形成された。これに対して、約１μｍ以上の広い開口部には約０．５μｍの深さのトレンチ５５が形成された。
【００７５】
次いで、参考例１と同様の方法で、図３(ｄ)および(ｅ)に示すように、トレンチ５４および５５を埋め込み、次にシリコン酸化膜をエッチングしてシリコン基板５１を露出させた。
【００７６】
以上のようにして、トレンチ５４および５５が埋め込まれたトレンチ素子分離部が得られた。本実施例においても、参考例１と同様にくぼみが生じることなく埋め込みを行うことができた。本実施例では、シリコン基板５１とシリコン酸化膜５２とのエッチングの選択比を変化させることで、トレンチの深さの制御を行うことができる。
【００７７】
(参考例２)
本参考例は、半導体基板上に窒化シリコン層を形成し、この窒化シリコン層をエッチングマスクとして用いて、異なる深さのトレンチをエッチングにより形成した、半導体装置の製造例である。ここで、窒化シリコン層は後工程のＣＭＰ(化学的機械研磨)工程においては研磨ストッパ層として用いられる。さらに本参考例は、この窒化シリコン層加工時にマイクロローディング効果を応用した、半導体装置の製造例である。
【００７８】
以下、図７(ａ)〜(ｅ)を参照して本参考例を説明する。
【００７９】
図７(ａ)を参照して、シリコンからなる半導体基板７１上に応力緩和層としてシリコン酸化膜(図示せず)を約０．０２μｍ形成し、その上にＣＶＤ装置を用いて窒化シリコン層７２を約０．２５μｍ堆積した。次に、参考例１および実施例と同様に、フォトリソグラフィー法によって、レジストマスク７３をパターニングした。このとき、深いトレンチ部を形成する部分である狭い開口部(図中左側)のレジストマスク７３の開口幅は、約０．２〜約０．５μｍの範囲、例えば、０．２μｍとし、浅いトレンチを形成する部分である広い開口部(図中右側)のレジストマスク７３の開口幅は、約１μｍ以上、例えば、２．０μｍとした。
【００８０】
次に、図７(ｂ)に示すように、マグネトロンＲＩＥ装置を用いてプラズマエッチング条件で、レジストマスク７３を用いて窒化シリコン層７２をエッチングした。このときのマスクエッチング条件を以下に示す。
【００８１】
ＣＨＦ3＝約４６ｓｃｃｍ
Ｏ2＝約４ｓｃｃｍ
ガス圧力＝約１００ｍＴｏｒｒ
ＲＦパワー＝約１．０ｋＷ(約１３．５６ＭＨｚ)
上記のような条件を用いた場合、トレンチ開口幅(本参考例においてはレジストマスク７３の開口幅)と、エッチング深さの関係は図８に示すようになることが、あらかじめの測定によりわかっている。図８より、トレンチ開口幅が約０．２〜約０．５μｍの範囲の場合はエッチングレートが遅く、マスクの開口幅が約１μｍ以上の場合はエッチングレートが速い。
【００８２】
本条件を用いて、窒化シリコン膜層７２のエッチングを行い、図７(ｂ)に示すように、エッチング終点検出装置(ＥＰＤ)等を用いて、エッチングが進行して広い開口部(図中右側)において窒化シリコン膜層７２のエッチングが終わり下地層であるシリコン基板７１が露出した時点でエッチングを終了した。このときマイクロローディング効果により、狭い開口部(図中左側)では窒化シリコン膜層７２が全てエッチングされずに約１０ｎｍ以上の膜厚で残った。
【００８３】
次いで、アッシングおよび洗浄を行ってレジストマスク７３を除去した後に、図７(ｃ)に示すように、この基板を酸化炉を用いて熱酸化した。
【００８４】
この熱酸化工程において、狭い開口部は窒化シリコン膜層７２に覆われて、半導体基板７１が露出していないので、熱酸化膜が形成されなかった。これに対して、広い開口部は窒化シリコン膜層７２に覆われず、半導体基板７１が露出しているので、膜厚約０．１μｍの熱酸化膜７４が形成された。
【００８５】
図９は、上記のような酸化条件下での窒化シリコン膜の残留膜厚と、窒化シリコン膜の残留する部分での窒化シリコン膜の下で酸化されるシリコン基板７１の量との関係を示す図である。図９からわかるように、窒化シリコン膜の残留膜厚が約５ｎｍ以上である時には、シリコン酸化膜は全く形成されない。これは、窒化シリコン膜がある程度の厚さを有すると、酸化種が窒化シリコン層を拡散してシリコン基板まで到達することができないようになるからである。
【００８６】
その後、図７(ｄ)を参照して、この窒化シリコン層７２をマスクとしてトレンチエッチングを行った。以下にこのトレンチエッチングをより詳細に説明する。
【００８７】
まず、最初に、狭い開口部に残っている窒化シリコン膜層７２の残膜をエッチングした。このとき、広い開口部では、シリコン酸化膜７４が同時に約１０ｎｍ程度エッチングされた。ここで、シリコン酸化膜７４はもともと約０．１μｍの膜厚を有していたので、熱酸化膜７４はその約９０ｎｍがエッチングされないで残った。
【００８８】
次に、実施例と同様のトレンチエッチング条件でエッチングを行った。狭い開口部では基板７１がエッチングされた。これに対して、広い開口部ではシリコン酸化膜７４が存在するので、シリコン酸化膜７４のエッチングが終わるまで、基板７１がエッチングされなかった。広い開口部で熱酸化膜７４が約９０ｎｍエッチングされてその全てが除去される間に、トレンチエッチングのシリコン基板７１／シリコン酸化膜７４の選択比を２０に設定しているので、狭い開口部ではシリコン基板７１が約１．８μｍエッチングされた。広い開口部でシリコン酸化膜７４が全て除去されてから、さらにシリコン基板７１を約０．３μｍエッチングした。
【００８９】
その結果、図７(ｄ)に示すように、広い開口部では深さ約０．３μｍのトレンチ７６、狭い開口部では深さ約２．１μｍのトレンチ７５を作製することができた。
【００９０】
次いで、参考例１および実施例と同様に、ＣＶＤ装置でトレンチ７５および７６をシリコン酸化物で埋め込んだ。次いで、図７(ｅ)に示すように、ＣＭＰ装置で研磨して基板を平坦化した後、窒化シリコン膜層７２を除去した。以上のようにしてトレンチ７５および７６が埋め込まれたトレンチ素子分離部を形成した。
【００９１】
本参考例では、最初の窒化シリコン膜層７２のエッチングにおいて、狭い開口部で窒化シリコン膜層７２が、後のシリコン基板の熱酸化を抑制し得る程度の膜厚以上であれば良いので、狭い開口部に残留する窒化シリコン膜層７２の膜厚を厳密にコントロールする必要はない。異なる２つのトレンチの深さは、広い開口部で起こるシリコン基板７１の酸化の量とトレンチエッチングの条件(シリコン基板／シリコン酸化膜の選択比)のみで設定することができる。すなわち、マイクロローディング効果の程度は、トレンチ深さに著しく影響せず、マイクロローディング効果が起こって、狭い開口部に窒化シリコン膜層７２の残膜がある程度残留すれば良い。従って、トレンチ深さを制御よく形成することができる。
【００９２】
本参考例では、窒化シリコン膜層７２を開口幅の異なるエッチングマスク層と、ＣＭＰストッパ層とに兼用した。
【００９３】
このエッチングマスク層は単層である必要はなく、例えば、トレンチエッチングの際に選択比が必要であれば、トレンチエッチング条件において窒化シリコン膜に対するよりもシリコン酸化膜に対する方が選択比が高いことを利用して、窒化シリコン層の上に酸化膜をＣＶＤで堆積して、多層にすることも可能である。この場合、このＣＶＤで堆積した酸化膜は、熱酸化工程におけるシリコン基板７１の酸化膜の膜厚にほとんど影響しない。
【００９４】
本参考例では、最初の窒化シリコン膜層７２のマスクエッチング工程において、マイクロローディング効果を用いているが、これに換えて逆マイクロローディング効果を用いることもできる。この場合は、広い開口部で深いトレンチが、狭い開口部で浅いトレンチが形成される。
【００９５】
以上のように、本実施例および参考例１から２では、半導体基板材料としてシリコン基板を用いたが、ＧａＡｓ等の化合物半導体基板を用いても良い。
【００９６】
さらにまた、エッチング装置としてマグネトロンＲＩＥ装置および基板バイアス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置の他に、一般的な平行平板型ＲＩＥ装置、誘導結合プラズマエッチング装置、およびヘリコン波プラズマエッチング装置などの任意のエッチング装置を用いても良い。ここで、各エッチング装置の特性により、マイクロローディング効果、または逆マイクロローディング効果が発生するガス圧力やアスペクト比は、装置ファクタによって変動するので、グラフ等を予め作成してエッチング条件を設定することが望ましい。
【００９７】
さらにまた、トレンチの埋め込みには酸化膜を用いて説明を行ったが、トレンチ壁面を酸化した後に、これにポリシリコンを埋め込む方法を用いることも可能である。この場合ポリシリコン膜は、酸化膜に比べて埋め込み特性が良いので、本発明の方法を用いるのに適している。
【００９８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、異なる深さのトレンチを一回のエッチングにより同時に形成することが可能となる。よって、深さの異なるトレンチ、すなわちトレンチ素子分離部を容易に形成することができる。
【００９９】
さらにこれにより、複数のエッチング工程によってトレンチ素子分離部が形成される場合には必要なトレンチ間のアライメントが不要となる。よって、合わせマージンを考慮して半導体装置を設計する必要がなく、半導体セルを縮小でき、コストを低減することができる。
【０１００】
さらに、エッチングに必要なマスクを形成するためのフォトリソグラフィー工程を削減することができる。従って、半導体装置をスループットよく製造することができる。
【０１０１】
さらにまた、本発明の製造方法は、静電容量の異なる複数のトレンチ・キャパシタの製造などに応用することが可能である。
【０１０２】
さらに、本発明の製造方法では、開口幅の狭いトレンチが深く、開口幅の広いトレンチが浅く形成され得るので、トレンチの埋め込みを容易に行うことができ、かつ、開口幅の広いトレンチ部での凹段差を生じにくくすることができて、トランジスタ電流電圧特性におけるキンク発生を防止する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  トレンチ開口幅とエッチング深さの関係を表す図であり、(ａ)は従来の製造方法、(ｂ)は本発明の製造方法による図である。
【図２】  トレンチ開口幅と形成されるトレンチ深さとの関係を表す断面模式図であり、(ａ)は従来の製造方法、(ｂ)は本発明の製造方法による断面模式図である。
【図３】  本発明の参考例１における、製造プロセスを説明する断面模式図である。
【図４】  参考例１の開口幅を設定する際に用いた、トレンチ開口幅とエッチング深さの関係を表す図である。
【図５】  本発明の実施例における、製造プロセスを説明する断面模式図である。
【図６】  実施例の開口幅を設定する際に用いた、トレンチ開口幅とエッチング深さの関係を表す図である。
【図７】  本発明の参考例２における、製造プロセスを説明する断面模式図である。
【図８】  参考例２の開口幅を設定する際に用いた、トレンチ開口幅とエッチング深さの関係を表す図である。
【図９】  参考例２の酸化条件下での窒化シリコン膜の残留膜厚と、窒化シリコン膜の残留する部分での窒化シリコン膜の下で酸化されるシリコン基板の量との関係を示す図である。
【図１０】  従来の製造方法によって作製されたトレンチ素子分離部の断面模式図である。
【図１】
0004039504.tif 000002
【図２】
0004039504.tif 000003
【図３】
0004039504.tif 000004
【図４】
0004039504.tif 000005
【図５】
0004039504.tif 000006
【図６】
0004039504.tif 000007
【図７】
0004039504.tif 000008
【図８】
0004039504.tif 000009
【図９】
0004039504.tif 000010
【図１０】
0004039504.tif 000011