(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）  シリコン基板上に研磨阻止層を形成するステップ、
（ｂ）  前記研磨阻止層をパターン化するステップ
（ｃ）  前記基板が前記パターン化された阻止層によって露出される所で前記基板内にトレンチを形成するステップ、
（ｄ）  前記トレンチ内の露出されたシリコン上に酸化シリコンを堆積するステップ、
（ｅ）  前記トレンチ内の前記酸化シリコン上に、誘導結合高密度プラズマのみによって第一のプラズマ・バイアスで絶縁材料の第一層を堆積するステップ、
（ｆ）  前記トレンチ内の前記酸化シリコン上に、誘導結合高密度プラズマのみによって、前記第一のプラズマ・バイアスよりも大きな第二のプラズマ・バイアスで、絶縁材料の第一層を被うように絶縁材料の第二層を堆積して前記トレンチを充填するステップ、及び
（ｇ）  前記研磨阻止層まで前記絶縁材料を化学的機械的に研磨するステップ、
を含むトレンチ分離製作方法。
【請求項２】
前記絶縁材料が酸化シリコンである請求項１記載のトレンチ分離製作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス、特に集積回路絶縁及び絶縁製作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路は、典型的に電界効果トランジスタを含み、これらの電界効果トランジスタはシリコン基板内に形成されたソースとドレイン、及び基板上の絶縁ゲートを備え、更にこれらの上に横たわる多数の金属（又はポリシリコン）配線レベルを備え、これの配線レベルはゲート、ソース、ドレインと第１金属配線レベルとの間の絶縁層及び逐次重なる金属配線レベル間の絶縁層を備える。金属（又はポリシリコン）で充填されたこれらの絶縁層内の垂直バイアは、隣り合う金属配線レベルの配線間及びゲート、ソース、ドレインと第１金属配線レベルの配線との間の接続を施す。更に、これらのトランジスタは、酸化によって形成された絶縁領域で以て基板上で互いに分離される。デバイス分離のためのシリコン基板のこの局部酸化（以下、ＬＯＣＯＳと称する）は、分離酸化物の成長中にこの酸化物によるデバイス領域内への「バーズビーク」横方向浸食を含む問題を抱える。この横方向浸食は、トランジスタの寸法が小さくなるに連れて利用可能なシリコン基板領域の許容し難い大きな部分を占める。
【０００３】
０．２５〜０．３５μｍの線幅を有する集積回路に対する浅いトレンチ分離が、ＬＯＣＯＳ分離のバーズビーク浸食問題に対する解決として提案された。特に、ゴーショ他、バイアスＥＣＲ  ＣＶＤによる０．３５μｍデバイスに対するトレンチ分離技術、１９９１ＶＬＳＩシンポジウム技術ダイジュエスト８７（Ｇｏｓｈｏ  ｅｔ  ａｌ，Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  ０．３５μｍＤｅｖｉｃｅｓ  ｂｙ  Ｂｉａｓ  ＥＣＲ  ＣＶＤ，１９９１ＶＬＳＩ  Ｓｙｍｐ  Ｔｅｃｈ  Ｄｉｇｅｓｔ  ８７）は、まず基板内にトレンチをエッチングし、次いで、電子共鳴（以下、ＥＣＲと称する）プラズマエンハンスト酸化物堆積によって酸化物で以てこれらのトレンチを充填するプロセスを記載している。この堆積は、シラン（ＳｉＨ4 ）と亜酸化窒素（Ｎ2 Ｏ）のガス混合物を使用し、プラズマよりのイオン衝撃の方向から３０度未満又は６０度より大きく傾斜させた表面に対して酸化物がスパッタリングするよりも高速でこの表面に堆積するようにシランの亜酸化窒素に対する比を設定することで以て開始する。いったん、トレンチが充填されると（かつこれらのトレンチ間の大きな領域に厚い酸化物堆積が累積されると）、シランと亜酸化窒素の比を、イオン衝撃の方向から約０度又は８０度よい大きく傾斜した表面に対して酸化物がスパッタリングするよりも高速でこの表面に堆積するように調節する。プラズマ堆積のこの第２ステップは、これらのトレンチ間の領域上の酸化物堆積を基本的に収縮させる。ホトリソグラフィ技術を使用してこれらのトレンチ及びこれに極く隣接した領域をマスクする。これは、これらのトレンチ間の領域上の酸化物堆積を露出する。最後に、これら露出された酸化物堆積をストリップして酸化物で充填されたトレンチを残す。この浅いトレンチ分離プロセスを示す図３ａ〜図３ｆ、及び２つの異なるガス混合物に対して傾斜した表面に依存するそれぞれスパッタリングエッチング速度及び堆積速度対表面傾斜角度を示す図４を参照されたい。
【０００４】
これに代わるトレンチ分離方式は、ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ（以下、ＨＳＱと称する）のようなスピンオンガラス又はオゾンにｔｅｔｒａｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ（以下、ＴＥＯＳと称する）を加えたものを使用する化学気相成長（以下、ＣＶＤと称する）で以てトレンチを充填することを含む。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらの調査研究は、ＨＳＱ及びＴＥＯＳに対する熱アニーリング及びコンプレックスプレーナ化（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）及びトレンチエッジへのＥＣＲ損傷のおそれを含む問題を抱える。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、研磨阻止層としてトレンチエッチングマスクの部分を使用する堆積酸化物の化学的機械的研磨と共に、トレンチ充填に酸化物の誘導結合高密度プラズマエンハンスト堆積を使用するトレンチ分離方式を提供する。
【０００７】
この堆積方法は、単純な処理及びプラズマイオン衝撃損傷の回避を含む利点を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
第１好適実施例によるトレンチ分離
図１ａ〜図１ｆは、トレンチ分離構造を形成する本発明の第１好適実施例の方法のステップの正断面図である。明瞭のために、これらの図は、単一トレンチしか示しておらずかつそのシリコン基板内のいかなるドープドウェル又はエピタキシャル層をも示していない。事実、図１ａは、シリコン基板１０２、その上に横たわる厚さ１０ｎｍのパッド二酸化シリコン層（以下、パッド酸化物層と称する）１０４、厚さ２００ｎｍの窒化シリコン層（以下、窒化物層と称する）１０６、及びパターン化ホトレジスト１０８を示す。パッド酸化物層１０４は堆積又は熱的成長によって形成でき、及び窒化物層１０６は堆積により形成できる。ホトレジスト１０８は、約１μｍの厚さであろうかつ分離トレンチを形成するためにシリコン基板の部分を露出させてエッチングされるようにパターン化される。これらのトレンチは幅０．３μｍであってよい。
【０００９】
図１ｂは、図１ａの構造の塩素基剤化学物質を用いるプラズマエッチングの結果を示す。シリコン基板１０２内にエッチングされたトレンチは、深さ０．５μｍでよくかつ７５度の側壁傾斜を有する。それゆえ、トレンチ１１０は、ほぼ２：１のアスペクト比を有してよい。トレンチ側壁内へのチャネルストップ不純物打ち込みは、これを回避する。なぜならば、これらの不純物が隣接活性デバイス領域を減少させるからである。
【００１０】
図１ｃは、ホトレジスト層１０８のストリッピングとこれに続くトレンチ１１０の側壁及び底に沿う厚さ２０ｎｍの熱酸化層１１４を示す。この酸化は、５％ＨＣ1 雰囲気で以て９００℃で行ってよい。この酸化はまた、基板表面でのトレンチ１１０の隅を丸めることがあるが、しかし窒化物層１０６は更に酸化が行われるのを防止する。パッド酸化物層１０４及び窒化物層１０６は、トレンチ１１０の充填に使用される絶縁材料の後の化学的機械的研磨に対する研磨阻止層と名付けられる。パッド酸化物層１０４、窒化物層１０６、及び熱酸化物層１１４は、シリコン基板１０２の連続被覆を形成し、かつトレンチ１１０充填ステップにおけるプラズマイオン衝撃に対する保護を行う。
【００１１】
次に、トレンチされた基板を図２に示されたような、誘導結合高密度プラズマ反応容器２００内に挿入する。次いで、ソースガスを使用するプラズマエンハンスト堆積により０．９μｍの酸化物１２０を堆積し、これらのソースガスにはシラン、酸素、及びアルゴン希釈分がある。図１ｄ参照。プラズマ加熱は基板温度を上昇させ、かつこの温度は冷却によって約３３０℃に維持される。ソースガス流量は、シラン約３０ｓｃｃｍ、酸素約４０ｓｃｃｍ、及びアルゴン約２０ｓｃｃｍである。反応室内の全圧は約０．５３３Ｐａ（４ｍＴｏｒｒ）であるが、低圧にかかわらず、イオン密度は反応容器２００の場合約１０13／ｃｍ3 であり、かつ酸化物は約３００ｎｍ／ｍｉｎの速度で堆積する。事実、堆積した酸化物は、高品質を有し、高温緻密化又はキュアアニールを必要としない。
【００１２】
高イオン密度は、慣例的な容量結合又はＥＣＲ結合ではなくフィードガスを用いる高周波源、すなわち、高密度プラズマ源２０１の誘導結合に由来する。反応容器２００内の誘導結合は、プラズマ密度に影響することなくプラズマとチャック２０２上の基板との間のバイアス高周波容量性電圧（これは基板のイオン衝撃に対するプラズマ電位を決定する）の調節を可能にする。このバイアス電圧を約１２５０Ｖに設定する。これが、（イオン衝撃方向から０度傾斜した基板に対して）約３．４の堆積対スパッタリング比を生じる。これが、酸化物層１０４、窒化物層１０６及び熱酸化物層１１４を除去することなくトレンチ１１０を充填し、かつトレンチ１１０側壁頂上に沿うシリコン基板１０２のプラズマイオン衝撃へ露出するのを保証する。これが、トレンチ１１０側壁に沿う漏れを限定する。
【００１３】
本発明の代替実施例では、熱酸化物層１１４を成長させないで、無バイアスでトレンチ１１０充填堆積を開始して、シリコン基板１０２を損傷することなく酸化物の共形層（無スパッタリング）を生じ、次いでバイアス電圧を漸次上昇させて酸化物１２０によるトレンチ１１０の充填を保証する。事実、２０ｎｍの厚さまでの酸化物の初期の零バイアス又は低バイアスプラズマエンハンスト堆積はトレンチ側壁用保護ライナを施し、その後の高バイアス堆積はトレンチ１１０の残りの部分を充填する。
【００１４】
ソースガス流量及び全圧を変調することによって堆積速度及び酸化物品質を変化させることができる。
【００１５】
次いで、研磨阻止層として窒化物層１０６を使用して化学的機械的研磨（ＣＭＰと称することがある）を適用することによってトレンチ１１０の外側の酸化物１２０の部分を除去する。トレンチ１１０内に残る酸化物１２２を示す図１ｅ参照。
【００１６】
最後にリン酸エッチング又は選択プラスマエッチングで以て窒化物層１０６をストリップする。図１ｆは、最終分離構造を示す。その後の処理は、トランジスタ及びその他のデバイスを形成し、層を絶縁し、かつ配線を相互接続して集積回路を完成する。
【００１７】
図２は、反応容器２００を概略縦断面図で示し、この反応容器は３５００Ｗの最大出力を持つ高周波発生器によって附勢される高密度プラズマ（ＨＤＰと称することがある）源２０１、ウェーハ（すなわち、基板）保持用可動チャック２０２、及び反応室２０４を含む。チャック２０２は、処理中、基板温度を安定させるために裏側にヘリウムガスを供給され、かつ２０００Ｗの最大出力を有する容量性高周波発生器によって附勢される。チャック２０２は、単一２０ｃｍ（８インチ）直径基板を保持することができる。高密度プラズマ源２０１への高周波電力の制御はプラズマ密度を制御し、及びチャック２０２への高周波電力の制御はプラズマと基板との間に発生されるバイアス電圧を制御し、それゆえ基板をイオン衝撃するイオンのイオンエネルギーを制御する。チャック２０２への高周波電力は、第１好適実施例の低バイアス堆積初期部分に対しては小さく、かつ高バイアス堆積部分に対しては増大する。
【００１８】
集積回路
図５は、ＮＭＯＳトランジスタ５２２−５２４−５２６及びＰＭＯＳトランジスタ５３２−５３４を備える双子形ウェルＣＭＯＳ集積回路に対する本発明の第１好適実施例のトレンチ分離構造５０２−５０４−５０６−５０８−５１２を示す。明瞭のために、これらの上に横たわる絶縁層及び相互接続層は図５では省略されている。
【００１９】
【発明の効果】
変形と利点
本発明の好適実施例を、誘導結合高密度プラズマ酸化物充填トレンチの１つ以上の特徴及び化学的機械的研磨阻止層として窒化物エッチングマスクの部分の使用を保有する一方、様々なやり方で変化させることができる。
【００２０】
例えば、トレンチの寸法を、最少幅０．２５〜０．３５μｍ、深さ０．３５〜０．７μｍ、及び側壁傾斜７０〜８０度のように、変化させることもできる。層の厚さを、パッド酸化物層の厚さ７〜１５ｎｍの範囲で、窒化物層の厚さを１５０〜２５０ｎｍの範囲で、等々に変化させることもできる。酸化物堆積用ソースガスを変化させることもでき、かつソースガスはシラン、ジクロシラン、オゾン、亜硝酸等々、を含むこともできる。プラズマ堆積中のバイアス電圧を低バイアス電圧から漸次上昇させて、依然トレンチ充填を保証することもできる。
【００２１】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
【００２２】
（１）  （ａ）  シリコン基板上に研磨阻止層を形成するステップ、
（ｂ）  前記研磨阻止層をパターン化するステップ
（ｃ）  前記基板が前記パターン化された阻止層によって露出される所で前記基板内にトレンチを形成するステップ、
（ｄ）  前記基板上に絶縁材料を堆積するステップであって、前記絶縁材料が前記トレンチを充填する前記堆積するステップ、及び
（ｅ）  前記研磨阻止層まで前記基板を化学的機械的に研磨するステップ
を含むトレンチ分離製作方法。
【００２３】
（２）  トレンチ分離構造は、非トレンチ酸化物の化学的機械的研磨除去を用いる高密度プラズマエンハンストシリコン二酸化物充填１２２を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】集積回路に対する本発明の第１好適実施例のトレンチ分離構造形成方法のステップを示す縦断面図であって、ａはホトレジストマスクを施した図、ｂはプラズマエッチングの結果の図、ｃはホトレジストをストリップしかつ熱酸化物層を形成した図、ｄは反応容器内でプラズマエンハンスト酸化物堆積した図、ｅはトレンチ外側の酸化物層を除去した図、ｆは最終トレンチ分離構造を示す図。
【図２】本発明の方法に使用される高密度プラズマ反応容器の縦断面図。
【図３】集積回路に対する先行技術によるトレンチ分離構造形成方法のステップを示す縦断面図であって、ａはトレンチ及び熱酸化層を形成した図、ｂはプラズマエンハンスト酸化物堆積の第１ステップ結果の図、ｃはプラズマエンハンスト酸化物堆積の第２ステップ結果の図、ｄはトレンチをマスクした図、ｅは露出した酸化物層をストリップした図、ｆは最終トレンチ分離構造を示す図。
【図４】先行技術によるエッチング速度及び堆積速度対傾斜角度を示す図。
【図５】本発明の好適実施例のトレンチ分離形成方法を適用されたＣＭＯＳ構造の縦断面図。
【符号の説明】
１０２  シリコン基板
１０４  パッド酸化物層
１０６  窒化物層
１０８  パターン化ホトレジスト
１１０  トレンチ
１１４  熱酸化物層
１２０  酸化物
１２２  トレンチに残る酸化物
２００  反応容器
２０１  高周波源
２０２  チャック
５０２−５０４−５０６−５０８−５１０−５１２  トレンチ分離構造
５２４  ＮＭＯＳトランジスタ
５３２  ＰＭＯＳトランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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