JP2000012519A

JP2000012519A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2000012519A
Application number: JP10169585A
Authority: JP
Inventors: Sadayuki Jinbo; 保定之神; Yoko Okawa; 川陽子大
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2000-01-14

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体装置の一要素を構成する膜を所定量だ
けエッチングにより除去する場合、あるいは下地膜から
所定量だけ残して他の部分を除去する場合に、再現性の
あるエッチング量の制御、及び基板上での中央部と周辺
部との間での均一なエッチング量の制御が困難であっ
た。【解決手段】半導体基板２１の表面部分に溝２２が形
成され、膜２３で埋め込まれており、溝２２の内部のＡ
点まで膜２２に対してエッチングを行う場合、Ａ点まで
不純物イオンを注入することで、基板表面のＢ点からＡ
点までのエッチング速度が、Ａ点から溝底面のＣ点まで
の速度よりも速くなる。これにより、Ａ点までのエッチ
ング量を高精度で制御することができる。この場合に、
基板２１表面の発光強度や波長、分子質量を測定しなが
らエッチングを行うことで、Ａ点までエッチングが到達
したことを容易に検出することが可能となる。

Description

【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
方法に係わり、特に溝又はホールの内部に埋め込まれた
膜を所定の深さまでエッチングする方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置を製造する場合、装置の一要
素を構成する膜を半導体基板上に堆積した後、この膜を
所定箇所から所定量削る、あるいは下地となる基板の表
面上から所定量だけ残して他の部分を除去することが行
われる。このような処理には、エッチング工程が用いら
れ、従来の溝の内部の膜を所定深さまでエッチングする
方法について、図面を用いて説明する。

【０００３】先ず、エッチング装置として、図６に示さ
れたダウンフロー方式あるいは図７に示された反応性イ
オンエッチング（以下、ＲＩＥという）方式によるもの
が用いられている。

【０００４】図６に示されたダウンフロー方式による装
置１００は、マイクロ波導入口１０６から導入したガス
が、マイクロ波導入管１０３より発生したマイクロ波に
よってプラズマ状態になる。このプラズマ状態のガスが
最終的には活性種となって、処理室１０４内でステージ
１０１上に載置された半導体基板１０１の表面の膜を除
去する。図７に示されたＲＩＥ方式による装置２００で
は、ガス導入口２０６から導入されたガスがＲＦ２０７
によってプラズマ状態となり、やはり最終的には活性種
となって処理室２０４内のステージ２０２上の半導体基
板１０１上の膜をエッチングする。

【０００５】ここで、エッチング量を制御する主な方法
として、エッチングすべき膜の種類やエッチングに用い
るガスの種類、装置、エッチング時の条件に応じて、予
め測定したエッチング速度から換算し、エッチング時間
を管理して制御する方法や、エッチングすべき膜の表面
における発光強度や特定波長の変化をモニタすることで
制御する方法等がある。ダウンフロー方式による装置を
用いる場合は、放電管１０５が発生する光が処理室１０
４内の半導体基板１０１上まで届かず、基板１０１上の
膜のエッチング量に伴う発光強度の変化を検出すること
が可能である。しかし、ＲＩＥ方式による装置では、処
理室２０４の内部全体がプラズマ光により明るいので、
基板１０１上で起こる発光強度の微小な変化を測定する
ことが困難である。そこで、上述した方法とは異なり、
エッチングすべき膜に含まれる特定の分子の分子質量を
測定する等の制御方法が用いられる。

【０００６】このような制御によりエッチング量を管理
する場合、エッチングすべき膜にパターンが存在しない
場合はエッチング開始から終了までの間エッチングする
総面積は一定であるため、再現性、加工形状とも良好な
状態でエッチングを行うことができる。また、図８に示
されたように、半導体基板１上に溝２が形成され、表面
全体に膜３が堆積されており、膜３の表面のＢ点から溝
２に到達しないＡ点までエッチングする場合は、エッチ
ング速度にパターンは影響しない。よって、Ｂ点からＡ
点までのエッチング速度ＥＲ１は一定である。また、パ
ターンのある膜をエッチングする場合であっても、エッ
チングする膜の総面積がいずれの時間帯においてもほぼ
一定であるような場合には、従来の方法でも問題は生じ
ない。

【０００７】しかし、図９に示されたように、膜１の表
面に深いトレンチ溝１２が形成され、この溝１２の内部
及び基板表面全体に膜１３が堆積されており、溝の所定
深さＡ点までエッチングを行う場合には、エッチングす
る面積が基板表面のＢ点から急激に減少する。このよう
な場合は、Ｂ点までのエッチング速度ＥＲ１１に対し、
Ｂ点からＡ点までのエッチング速度ＥＲ１２はローディ
ング効果により急に速くなってしまい、エッチング量の
制御及びエッチングの終点の検出が困難になる。

【０００８】また、通常は１枚の半導体基板１から複数
の半導体チップをとるが、エッチング装置によっては基
板１の中心部と周辺部とでエッチング量の均一性に差が
ある場合がある。この結果、基板１の中心部と周辺部と
でエッチングがＡ点に到達するタイミングに差が生じて
しまい、エッチング量が不均一になる場合があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の製
造方法では、装置の一要素となる膜を所定量だけエッチ
ングにより除去する場合、あるいは下地から所定量だけ
残して他の部分を除去すような場合に、高精度で再現性
のあるエッチング量の制御が困難であり、また基板上で
の中央部と周辺部との間での均一なエッチング量の制御
が困難であるという問題があった。

【００１０】本発明は上記事情に鑑み、膜にエッチング
を行う場合、パターンがない領域あるいは粗なパターン
が形成された領域からエッチングを開始し、深さ方向に
向かって途中で密なパターンが形成された領域から所定
の深さまでにエッチングを行うような場合であっても、
再現性よくエッチング量を制御することが可能であり、
かつ基板上での中央部と周辺部とで均一なエッチングを
行うことができる半導体装置の製造方法を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、半導体基板上に形成され、深さ方向に向かっ
てパターンの密度が粗である領域と密である領域とが存
在する膜の内部に、所定深さまでエッチング速度を変化
させる物質を導入する工程と、前記膜に対してエッチン
グを行っていき、前記所定深さと略同一の深さに到達し
た時点でエッチングを終了する工程とを備えている。

【００１２】あるいは、本発明の半導体装置の製造方法
は、半導体基板の表面部分に溝を形成し、又は半導体基
板上に形成した絶縁膜にホールを形成する工程と、前記
溝が形成された前記半導体基板の表面、又は前記ホール
が形成された前記絶縁膜の表面及び前記ホール内の前記
半導体基板の表面に膜を堆積する工程と、前記膜をエッ
チングするときの速度を変化させる物質を、前記溝又は
ホール内の所定深さまで前記膜に導入する工程と、前記
膜に対してエッチングを行っていき、前記所定深さと略
同一の深さに到達した時点でエッチングを終了する工程
とを備えている。

【００１３】ここで、前記物質を導入する工程では、前
記物質を前記膜の前記所定深さまでイオン注入してもよ
く、あるいは、前記物質を含むガスを用いて前記膜の所
定深さまで前記物質を拡散させてもよい。

【００１４】また、前記膜にエッチングを行う工程で
は、エッチングを行っている前記膜の表面の発光強度を
観測しながらエッチングを行っていき、前記発光強度の
変化に基づいてエッチングを終了してもよく、エッチン
グを行っている前記膜から発光される光に含まれる前記
物質に対応する波長成分を観測しながらエッチングを行
っていき、この波長成分の変化に基づいてエッチングを
終了してもよく、あるいは、エッチングを行っている前
記膜から検出される前記物質に対応した分子質量を測定
しながらエッチングを行っていき、この分子質量の変化
に基づいてエッチングを終了してもよい。

【００１５】エッチングが所定深さまで進むと、エッチ
ング速度が急激に変化するので、エッチング量の制御が
容易である。

【００１６】また、エッチングを行っている膜の発光強
度、導入された物質に対応する特定波長、又は特定分子
の質量を測定しながらエッチングを行う場合には、エッ
チングが所定深さまで到達すると、以降の段階では物質
が導入されていない深さに入るので、発光強度や波長、
分子質量が大幅に減少し、エッチングの終点を高い精度
でかつ再現性よく検出することができる。また、エッチ
ングに用いる装置に、基板の中心部と周辺部とでエッチ
ング量に不均一性がある場合は、所定深さまでエッチン
グが進んでいないような領域が存在する場合がある。し
かし、この領域における所定深さまでのエッチング速度
と、エッチングが終点に到達した他の領域における所定
深さよりも深い領域へのエッチング速度とは、物質を含
んでいるか否かにより異なる。従って、最終的なエッチ
ング量の均一性を向上させることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。本実施の形態による半導
体装置の製造方法は、装置の一要素を構成する膜を所定
深さまでエッチングする工程において、この膜の表面か
らエッチングすべき所定深さまでエッチング速度を変化
させる物質を注入し、エッチング面の発光強度又は波
長、あるいは注入した物質の分子質量をモニタしながら
エッチングを行っていき、エッチングの終点が検知され
た時点で終了する点に特徴がある。

【００１８】以下の本発明の第１の実施の形態では、エ
ッチング速度を変化させる物質の導入として不純物イオ
ンの注入を用い、第２の実施の形態ではリンの拡散を行
う。

【００１９】先ず、第１の実施の形態による半導体装置
の製造方法を、工程別に縦断面を示した図１を用いて述
べる。この実施の形態では、エッチング装置として図６
に示されたようなダウンフロー方式によるものを用いて
ドライエッチングを行う。

【００２０】図１（ａ）に示されたように、半導体基板
２１の表面部分に写真蝕刻法及びエッチング技術を用い
てトレンチ溝２２を形成し、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure
Chemical Vapor Deposition）法により多結晶シリコン
膜２３でトレンチ溝２２を埋め込んでいる。ここで、基
板２１の表面をＢ点、トレンチ溝２２の底をＣ点、さら
に多結晶シリコン膜２３を除去すべき深さをＡ点とす
る。

【００２１】図１（ｂ）に示されたように、エッチング
速度を速める物質であるリンイオン（Ｐ+ ）２４を、多
結晶シリコン膜２３中のＡ点の深さまで注入する。この
後、図１（ｃ）に示されたように多結晶シリコン膜２３
に対してエッチングを行っていく。

【００２２】ここで、不純物が導入されていない多結晶
シリコン膜にリンを注入した場合におけるリンの注入量
とエッチング速度との関係を図２に示す。このグラフよ
り、リンの濃度が高くなるにつれてエッチング速度が上
昇することがわかる。例えば、リンを５．１×１０
²⁰（atoms/cm³）の濃度で多結晶シリコン膜に注入する
と、不純物が導入されていない時よりもエッチング速度
は約１．７倍になる。従って、リンが注入されているＢ
点からＡ点まではエッチング速度が速く、Ａ点からは急
激に低下することになる。

【００２３】また、エッチング速度の変化は、エッチン
グが行われている半導体基板２１の表面の発光強度をモ
ニタすることで検出することができる。図３に示された
ように、発光強度はエッチング速度が速いＢ点からＡ点
に至るまでは速く、Ａ点を過ぎると急激に低下する。こ
れは、エッチング速度が速い期間は化学反応が速く進行
するので、安定に至るまでに放出するエネルギの量が多
く、その結果として発光強度も高くなると考えられる。

【００２４】このように、リンが導入されていないＡ点
を境として、発光強度が大幅に減少するので、発光強度
をモニタしながらエッチングを行っていくことで、エッ
チングを終了すべきＡ点を制御性及び再現性よく検出す
ることが可能となる。

【００２５】また、上述のように、エッチング装置によ
っては１枚の半導体基板２１において中央部と周辺部と
でエッチング量に不均一性がある場合がある。このよう
な場合にも、リンが注入されたＡ点まではエッチング速
度が速く、Ａ点を過ぎると急激に遅くなるので、不純物
を導入しない状態で多結晶シリコン膜２３をエッチング
した場合よりも高い均一性が得られる。

【００２６】ここで、エッチング装置として図６に示さ
れたようなダウンフロー方式によるものを用いている。
ダウンフロー方式による装置では、上述したように処理
室１０４内が暗く、半導体基板１０１の表面で発生して
いる発光強度の変化を検出することが可能である。これ
に対し、図７に示されたようなＲＩＥ方式によるエッチ
ング装置では、処理室２０４内でプラズマ光が発生し明
るいので、基板１０１上の発光強度の変化をモニタする
ことが困難である。

【００２７】そこで、ＲＩＥ方式による装置を用いる場
合には、導入したリン等の不純物を含んだ膜がエッチン
グされるときに発生する特定波長をモニタしたり、ある
いは不純物の特定の分子質量を測定することにより、エ
ッチング速度の変化をモニタすることができる。

【００２８】次に、本発明の第２の実施の形態による半
導体装置の製造方法について説明する。上記第１の実施
の形態では、エッチング速度を速くする物質としてのリ
ンを、多結晶シリコン膜にイオン注入することで導入し
ている。これに対し、本実施の形態では、イオン注入の
替わりにリンの拡散を行って導入している。

【００２９】リンの導入には、例えば次のような二種類
の方法がある。先ず、不純物が導入されていない１層目
の多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により堆積する。次に、
ＣＶＤ法により、ホスフィン（ＰＨ₃）ガスの雰囲気中
で、リンが導入された２層目の多結晶シリコン膜を堆積
する。次に、アニール処理を行うことで、２層目のリン
が１層目の多結晶シリコン膜まで拡散され、リンが導入
された多結晶シリコン膜を得ることができる。

【００３０】あるいは、ＣＶＤ法により、不純物が導入
されていない多結晶シリコン膜を堆積する。次に、塩化
ホスホリル（ＰＯＣｌ₃）ガスの雰囲気中でアニール処
理を行い、リンが導入された多結晶シリコン膜を得る。

【００３１】上述のいずれかの方法により、リンを多結
晶シリコン膜内に拡散させることで導入してもよい。こ
こで、リンを多結晶シリコン膜中に拡散させるときの深
さの制御であるが、温度を摂氏９００度よりも低く設定
し、及び／又は、常圧よりも低い圧力に設定すること
で、リンを多結晶シリコン膜に均一に拡散させることな
く、所望の深さまで拡散させることができる。このよう
な方法でリンを導入しても、上記第１の実施の形態と同
様に所定深さまでエッチング速度を速めることができる
ので、同様な効果を得ることができる。

【００３２】上記第１、第２の実施の形態では、半導体
基板の表面部分に形成されたトレンチ溝の内部におい
て、所定深さまで残存するように多結晶シリコン膜にエ
ッチングを行う工程において、本発明を適用している。
しかし、本発明はこのような工程に限定されず、半導体
基板上の絶縁膜に形成したコンタクトホール内にプラグ
を形成する工程に対しても適用することが可能であり、
以下に第３の実施の形態として説明する。

【００３３】図４（ａ）に示されたように、半導体基板
３１の表面上に１層目の層間絶縁膜として、ＣＶＤ法に
よりシリコン酸化膜３２が形成される。

【００３４】図４（ｂ）のように、写真蝕刻法及びエッ
チング技術を用いて、半導体基板３１の表面部分に形成
された図示されていない拡散層とコンタクトをとるため
のコンタクトホール３３をシリコン酸化膜３２に形成す
る。このコンタクトホール３３は、紙面に垂直な方向に
複数個並ぶように形成される。

【００３５】この後、表面全体に、ＣＶＤ法を用いて多
結晶シリコンを堆積し、多結晶シリコン膜３４を形成す
る。ここで、コンタクトホール３３において、多結晶シ
リコン膜３４を残存すべき深さＡ点まで、リンイオンを
注入する。

【００３６】図４（ｃ）に示されたように、多結晶シリ
コン膜３４にエッチングを行っていく。ここで、上記第
１の実施の形態と同様に、発光強度、特定波長、あるい
は特定分子の質量をモニタしながらエッチングを行って
いき、Ａ点の深さに到達した時点でエッチングを終了す
る。これにより、コンタクトホール３３内に、所定深さ
を有する多結晶シリコン膜３４から成るプラグが形成さ
れる。

【００３７】図４（ｄ）に示されたように、写真蝕刻法
及びエッチング技術を用いてシリコン酸化膜３２にエッ
チングを行い、溝３５を形成する。この溝３５は、斜視
図である図５に示されたように、複数のコンタクトホー
ル３３を含むように、紙面に垂直な方向にＡ点までの深
さを有する。

【００３８】図４（ｅ）に示されたように、表面全体に
タングステン等の高融点金属をスパッタリング等により
堆積し、金属膜３６を形成する。この金属膜３６を半導
体基板３１の高さまでエッチバックし、ＣＭＰ等により
平坦化して溝３５の内部を高融点金属で埋め込む。この
金属膜３６と半導体基板３１の表面部分の拡散層とが、
複数のコンタクトホール３３内に形成されたプラグを介
して電気的に接続される。

【００３９】本実施の形態においても、上記第１、第２
の実施の形態と同様に、多結晶シリコン膜３２の所定深
さＡ点までエッチング速度を速める不純物を導入し、発
光強度等をモニタしながらエッチングを行い終了点を検
出してエッチングを終了するので、エッチング量の高精
度な制御を再現性よく行うことができる。

【００４０】上述した実施の形態はいずれも一例であ
り、本発明を限定するものではない。例えば、上記実施
の形態では多結晶シリコン膜にエッチングを行う場合
に、エッチング速度を速める物質としてリンを導入して
いる。しかし、エッチングすべき物質は多結晶シリコン
膜に限定されず、またエッチング速度を速めるための物
質はリンに限定されない。

【００４１】さらに、エッチングの工程として、トレン
チ溝内部の所定深さまでエッチングを行う工程、あるい
はコンタクトホール内部の所定深さまでエッチングを行
う工程に限らず、半導体装置を構成する一要素としての
特定の膜を所定深さまでエッチングするあらゆる工程に
対して、本発明を適用することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置の製造方法によれば、装置を構成する一要素としての
膜にエッチングを行う場合、このエッチング速度を変化
させる物質をエッチングすべき所定深さまで導入するこ
とにより、エッチング量を高精度で再現性よく制御する
ことが可能であり、基板上の中心部と周辺部との間のエ
ッチング量の不均一性も改善される。また、エッチング
を行っていく間、発光強度、波長、あるいは分子質量を
観測しながらエッチング速度の変化を測定する場合に
は、所定深さまでエッチングが到達したことを容易に検
出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体装置の
製造方法を工程別に示した縦断面図。

【図２】同製造方法において、多結晶シリコン膜にリン
をイオン注入したときのエッチング速度の変化を示した
グラフ。

【図３】同製造方法において、リンが導入されているＢ
点からＡ点までエッチングしたときの発光強度と、リン
が導入されていないＡ点からＣ点までエッチングしたと
きの発光強度を示したグラフ。

【図４】本発明の第３の実施の形態による半導体装置の
製造方法を工程別に示した縦断面図。

【図５】図４（ｄ）の工程において溝が形成された半導
体基板の表面を示した斜視図。

【図６】ダウンフロー方式によるエッチング装置の構成
を示した縦断面図。

【図７】ＲＩＥ方式によるエッチング装置の構成を示し
た縦断面図。

【図８】従来の製造方法によりエッチングを行うときの
半導体基板の構造を示した縦断面図。

【図９】従来の製造方法によりエッチングを行うときの
半導体基板の構造を示した縦断面図。

【符号の説明】

２１、３１、１０１半導体基板２２トレンチ溝２３、３４多結晶シリコン膜２４リン３２シリコン酸化膜３３コンタクトホール３５溝３６金属膜１００、２００エッチング装置１０２、２０２ステージ１０３マイクロ波導入管１０４、２０４処理室１０５放電管１０６マイクロ波導入口２０６ガス導入口２０７高周波電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に形成され、深さ方向に向か
ってパターンの密度が粗である領域と密である領域とが
存在する膜の内部に、所定深さまでエッチング速度を変
化させる物質を導入する工程と、前記膜に対してエッチングを行っていき、前記所定深さ
と略同一の深さに到達した時点でエッチングを終了する
工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】半導体基板の表面部分に溝を形成し、又は
半導体基板上に形成した絶縁膜にホールを形成する工程
と、前記溝が形成された前記半導体基板の表面、又は前記ホ
ールが形成された前記絶縁膜の表面及び前記ホール内の
前記半導体基板の表面に膜を堆積する工程と、前記膜をエッチングするときの速度を変化させる物質
を、前記溝又はホール内の所定深さまで前記膜に導入す
る工程と、前記膜に対してエッチングを行っていき、前記所定深さ
と略同一の深さに到達した時点でエッチングを終了する
工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記物質を導入する工程では、前記物質を
前記膜の前記所定深さまでイオン注入することを特徴と
する請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記物質を導入する工程では、前記物質を
含むガスを用いて前記膜の所定深さまで前記物質を拡散
させることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装
置の製造方法。
【請求項５】前記膜にエッチングを行う工程では、エッ
チングを行っている前記膜の表面の発光強度を観測しな
がらエッチングを行っていき、前記発光強度の変化に基
づいてエッチングを終了することを特徴とする請求項１
乃至４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記膜にエッチングを行う工程は、エッチ
ングを行っている前記膜から発光される光に含まれる前
記物質に対応する波長成分を観測しながらエッチングを
行っていき、この波長成分の変化に基づいてエッチング
を終了することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記膜にエッチングを行う工程は、エッチ
ングを行っている前記膜から検出される前記物質に対応
した分子質量を測定しながらエッチングを行っていき、
この分子質量の変化に基づいてエッチングを終了するこ
とを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導
体装置の製造方法。