JP3732381B2 - 浅いトレンチ分離構造の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体製造プロセスにかかる浅いトレンチ分離（shallow trench isolation = STI）構造の製造方法に関し、特に、浅いトレンチ分離構造をレベリング（STI leveling）するところの、材料膜表面をレベリングする半導体デバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化シリコン膜は、半導体製造プロセスにおいて、その材料特性が酸化シリコンより硬く、シリコン材料とも異なるため、しばしばエッチングまたは化学機械研磨（chemical mechanical polish = CMP）のストップ膜（stop layer）として使用されており、とりわけ浅いトレンチ分離構造の製造プロセスによく使用されている。
【０００３】
図１において、従来技術にかかる浅いトレンチ分離構造の製造プロセスは、一般的に窒化シリコン膜をハードマスク（hard mask）として、基板１００上に浅いトレンチ１０２を形成してから、この浅いトレンチ１０２中に絶縁材料を充填するものであって、通常は、その絶縁材料を酸化物としていた。そして、窒化シリコン膜を研磨終点として、化学機械研磨により絶縁材料を研磨し、図１のような分離構造１０４を形成していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化シリコン膜を用いて基板１００をパターニングする時、絶縁材料をエッチングして浅いトレンチ１０２を形成する工程において、絶縁材料をエッチングするステップで絶縁材料を除去することができるが、窒化シリコン膜の表面も損傷を受け易く、窒化シリコン膜の厚さが非常に不均一なものになっていた。また、化学機械研磨で絶縁材料を研磨するステップでは、窒化シリコン膜の材質が酸化物膜よりも硬く、さらに化学機械研磨の研磨特性も加わるために、チップの中央部分および周辺部分で化学機械研磨より除去される厚さが異なるものとなり、窒化シリコン膜の不均一性が更に深刻なものとなっていた。最終的には、分離構造１０４と基板１００との境目に凹所（recess）１０６が形成されて、基板１００表面および分離構造１０４表面のステップ高（step height）hを発生させてしまい、浅いトレンチ分離構造の表面がレベリングされたものではなくなり、後に形成するデバイスのしきい値電圧（threshold voltage）に影響を与える、いわゆるキンク効果（kink effect）を引き起こすものとなっていた。
【０００５】
そこで、この発明の目的は、浅いトレンチ分離構造のレベリング度を向上させて、レベリングされていない表面がしきい値電圧に与える影響を低減させる、浅いトレンチ分離構造の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、所望の目的を達成するために、この発明にかかる浅いトレンチ分離構造の製造方法は、以下のステップ：
（ａ）基板上にパッド酸化膜、第１硬質材料膜、エッチングストップ膜、第２硬質材料膜を順番に形成するステップと、
（ｂ）前記第２硬質材料膜上にパターン化されたフォトレジストを形成して前記パターン化されたフォトレジストにより前記第２硬質材料膜、前記エッチングストップ膜、前記第１硬質材料膜、前記パッド酸化膜をパターニングするステップと、
（ｃ）少なくともトレンチを前記基板中に形成するステップと、
（ｄ）前記第１硬質材料膜に対してプルバック工程を行うと同時に、前記第２硬質材料膜を除去するステップと、
（ｅ）前記トレンチに絶縁材料を形成して前記エッチングストップ膜まで延伸させるステップと、
（ｆ）前記第１硬質材料膜上の前記絶縁材料および前記エッチングストップ膜を除去するステップと、
（ｇ）前記第１硬質材料膜ならびに前記パッド酸化膜を順番に除去するステップと
を含むものである。
【０００８】
【作用】
この発明は「サンドイッチ（sandwich）」構造、例えば第１窒化シリコン膜／酸化物膜／第２窒化シリコン膜構造を利用するものであり、基板上にハードマスク膜を形成して、このハードマスク膜を利用して基板をパターニングすることによりトレンチを形成するが、トレンチを形成する時に、最も上方にある第２窒化シリコン膜がエッチングにより損傷を受けて、窒化シリコン膜表面が不均一となるので、酸化物膜をエッチングストップ膜として、損傷を受けた第２窒化シリコン膜を除去するものである。エッチング工程を酸化物膜でストップするように制御してレベリングされていない第２窒化シリコン膜を除去するため、レベリングされた表面を提供することができ、後続する化学機械研磨工程においては、浅いトレンチ分離構造の均一度を改善することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる好適な実施例を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図２において、基板２００上にパッド酸化膜（pad oxide）２０２を形成するが、基板２００を例えば半導体シリコン基板とし、パッド酸化膜２０２を例えば熱酸化法により形成される厚さが約50〜100Åの酸化物膜とする。そして、パッド酸化膜２０２上に第１硬質材料膜２０４、例えば化学気相堆積法により窒化シリコン膜を形成して、ブランケット（blanket）式に第１硬質材料膜２０４を被覆するが、このパッド酸化膜２０２は、第１硬質材料膜２０４および基板２００間の接着性（adhesion）を増大させるために用いられる。
【００１１】
同じく図２において、次に、第１硬質材料膜２０４上にエッチングストップ膜２０６を形成してから、エッチングストップ膜２０６上に第２硬質材料膜２０８を形成するが、第２硬質材料膜２０８を例えば窒化シリコン膜とし、化学気相堆積によりブランケット式にエッチングストップ膜２０６上に形成する。そして、エッチングストップ膜２０６を第２硬質材料膜２０８のエッチング終点とするため、その材質を第２硬質材料膜２０８と異なるものとして、エッチングストップ膜２０６をエッチング終点として機能させる必要があるから、第２硬質材料膜２０８を窒化シリコン膜とする時には、エッチングストップ膜２０６を酸化シリコンとすることができる。
【００１２】
図３において、第２硬質材料膜２０８上にフォトレジスト（図示せず）を塗布し、リソグラフィーおよびエッチングを用いてフォトレジストにより第２硬質材料膜２０８とエッチングストップ膜２０６と第１硬質材料膜２０４とをパターニングし、第２硬質材料膜２０８とエッチングストップ膜２０６と第１硬質材料膜２０４とを順番にエッチングして、予定開口（図示せず）を形成してから、フォトレジストを剥離除去する。なお、第２硬質材料膜２０８とエッチングストップ膜２０６と第１硬質材料膜２０４とをエッチングするステップは、例えばドライエッチング法により行い、第１硬質材料膜２０４および第２硬質材料膜２０８が窒化シリコンである時には、SF₆とヘリウムガスと酸素ガスとを含む適切な混合ガスをエッチング剤とすることができる。エッチングストップ膜２０６およびパッド酸化膜２０２のエッチングは、CHF₃と酸素ガスとアルゴンガスとを含むガス混合物をエッチング剤とする。
【００１３】
次に、第２硬質材料膜２０８をハードマスク膜としてフォトレジストを用いて予定開口をパターニングした後、異方性エッチング（anisotropic etching）によるエッチングで基板２００上にトレンチ２１０を形成すると、図３に示したものとなる。なお、基板２００に対するエッチングは、例えば反応性イオンエッチング（RIE）により行い、塩素ガスとフッ素ガスとHBrと酸素ガスとの混合ガスをエッチング剤とするドライエッチングにより基板２００をエッチングしてトレンチ２１０を形成することができる。
【００１４】
しかしながら、基板２００をエッチングする工程時に利用するプラズマエッチングによって第２硬質材料膜２０８が損傷され、その表面が不均一となるので、第２硬質材料膜２０８aが図３に示したようになり、後工程が順調に行える平坦な表面を提供することができなって、浅いトレンチ分離構造の完成時に表面がレベリングされていないのため、完成されたデバイスのしきい値電圧が変化し、デバイスの信頼性が降下することになる。そのため、この発明にかかる好適な実施例では、第２硬質材料膜２０８と第１硬質材料膜２０４との間にエッチングストップ膜２０６を形成し、エッチングストップ膜２０６を利用して、損傷を受けた第２硬質材料膜２０８aを除去し、エッチングストップ膜２０６によって図４のように均一な表面を有するチップを提供することができるようにする。なお、第２硬質材料膜２０８aを除去するエッチング剤は、比較的高いエッチング選択比を有するものとし、エッチング工程がエッチングストップ膜２０６aで停止し、エッチングストップ膜２０６aを露出させることが必要であり、エッチングストップ膜２０６が十分な厚さを備えて、エッチング剤によるオーバエッチングに対処できるものである必要がある。
【００１５】
なお、第２硬質材料膜２０８aを除去するステップは、浅いトレンチ分離構造製造プロセスの「プルバック（pull back）」工程と併せて行うことができる。「プルバック」 工程とは半導体デザインルール（design rule）を考慮したものであって、トレンチ２１０の寸法がますます小さなものとなり、トレンチ２１０の開口が小さ過ぎて後続する絶縁材料の堆積が行い難くなるため、トレンチ２１０を完成した後で、トレンチ２１０の側壁部位にある第１硬質材料膜２０４aおよびエッチングストップ膜２０６aを部分的に除去して、図４の符号２１２が示すような第１硬質材料膜２０４aとエッチングストップ膜２０６aとを形成し、基板２００より高い部分にあるトレンチ２１０開口を大きくさせるものである。「プルバック」工程を行う時、例えばHF―EG（フッ化水素酸＋エチレングリコール）により第１硬質材料膜２０４aを部分的に除去する。第２硬質材料膜２０８を形成する際にその厚さを制御して、図３で除去した第２硬質材料膜２０８aおよび「プルバック」工程で除去した第１硬質材料膜２０４aの厚さをほぼ同じとし、同じエッチング剤で同時に行うことができるようにすることで、工程時間ならびにコストを低減させる。
【００１６】
図５において、トレンチ２１０中に絶縁材料２１４を形成してエッチングストップ膜２０６aを被覆するが、例えばオゾンTEOSまたはCVD TEOSで厚い酸化物膜を堆積することができる。従来技術の化学気相堆積法（CVD）には、常圧化学気相堆積法（APCVD）と、低圧化学気相堆積法（LPCVD）と、プラズマ化学気相堆積法（PECVD）とがあるが、いずれも絶縁材料２１４の酸化物膜を形成することができる。次に、絶縁材料２１４をエッチバックして、例えば第１硬質材料膜２０４aを研磨終点として、化学機械研磨により第１硬質材料膜２０４a表面上の絶縁材料を除去し、図６に示す絶縁材料２１４aを形成する。化学機械研磨を行う前に、すでに厚さの不均一な第２硬質材料膜２０８aが除去されて、エッチングストップ膜２０６aにより均一な表面が提供されるため、後続する化学機械研磨を行う際に、厚さが極めて不均一となる現象を改善することができる。そして、絶縁材料２１４aおよびパッド酸化膜２０２を除去するが、絶縁材料２１４aを例えば熱リン酸により除去し、パッド酸化膜２０２を例えばフッ化水素酸により除去する。
【００１７】
この発明の好適な実施例は、化学機械研磨を行う前に、エッチングストップ膜をエッチング終点として利用して厚さが不均一である硬質材料膜を除去し、後工程のためにより良い均一度を有する表面を提供できるので、浅いトレンチ分離構造表面のレベリング度を向上させ、しきい値電圧の変化がデバイスに与える影響を低減させることができる。
【００１８】
また、この発明にかかる好適な実施例を上述した浅いトレンチ分離構造製造プロセスにより開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではない。この発明にかかる好適な実施例が提供する「第１硬質材料膜／エッチングストップ膜／第２硬質材料膜」構造は、エッチングにより表面が均一でなくなる半導体製造プロセスに応用できるばかりではなく、化学機械研磨により表面均一性が悪くなる製造プロセスにも使用することができる。
【００１９】
図７において、基板３００上に順番に第１硬質材料膜３０２とエッチングストップ膜３０４と第２硬質材料膜３０６とを形成し、エッチングストップ膜３０４が第１硬質材料膜３０２と第２硬質材料膜３０６との間となるように形成する。次に、製造プロセスの必要に応じてエッチングまたは化学機械研磨、例えば平坦化またはエッチバックなどを行うが、第２硬質材料膜３０６a表面が、長時間のエッチングによって図８のように損傷を受けたり、または化学機械研磨によりチップ中央および周辺部分での厚さの差異が大き過ぎる状況になったりする。そこで、図９に示したように、エッチングストップ膜３０４をエッチング終点として表面の不均一な第２硬質材料膜３０６aを除去し、エッチングストップ膜３０４を露出させる。次に、図１０に示したように、再び比較的高いエッチング選択比を有するエッチング剤を利用して、エッチングストップ膜３０４を除去し、第１硬質材料膜３０２を露出させるが、第１硬質材料膜３０２は除去しない。引き続き、後続する製造プロセスを継続するが、第１硬質材料膜３０２および第２硬質材料膜３０６を例えば窒化シリコンとし、エッチングストップ膜３０４を酸化物とすることができる。
【００２０】
以上のごとく、この発明を好適な実施例により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
【００２１】
【発明の効果】
上記構成により、この発明にかかる浅いトレンチ分離構造の製造方法は、化学機械研磨を行う前に、エッチングストップ膜をエッチング終点として厚さが不均一である硬質材料膜を除去し、後工程のためにより良い均一度を有する表面を提供できるので、浅いトレンチ分離構造表面のレベリング度を向上させ、しきい値電圧の変化がデバイスに与える影響を低減させることができる。また、この発明にかかる好適な実施例が提供する「第１硬質材料膜／エッチングストップ膜／第２硬質材料膜」構造は、エッチングにより表面が均一でなくなる半導体製造プロセスに応用できるばかりではなく、化学機械研磨により表面均一性が悪くなる製造プロセスにも使用することができる。従って、産業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来技術にかかる浅いトレンチ分離構造を示す断面図である。
【図２】図２は、この発明にかかる好適な実施例の浅いトレンチ分離構造の製造フローを示す要部断面図である。
【図３】図３は、この発明にかかる好適な実施例の浅いトレンチ分離構造の製造フローを示す要部断面図である。
【図４】図４は、この発明にかかる好適な実施例の浅いトレンチ分離構造の製造フローを示す要部断面図である。
【図５】図５は、この発明にかかる好適な実施例の浅いトレンチ分離構造の製造フローを示す要部断面図である。
【図６】図６は、この発明にかかる好適な実施例の浅いトレンチ分離構造の製造フローを示す要部断面図である。
【図７】図７は、この発明にかかる好適な実施例の材料膜表面をレベリングする半導体デバイス製造フローを示す要部断面図である。
【図８】図８は、この発明にかかる好適な実施例の材料膜表面をレベリングする半導体デバイス製造フローを示す要部断面図である。
【図９】図９は、この発明にかかる好適な実施例の材料膜表面をレベリングする半導体デバイス製造フローを示す要部断面図である。
【図１０】図１０は、この発明にかかる好適な実施例の材料膜表面をレベリングする半導体デバイス製造フローを示す要部断面図である。
【符号の説明】
２００ 基板
２０２ パッド酸化膜
２０４ 第１硬質材料膜
２０４a 第１硬質材料膜
２０６ エッチングストップ膜
２０６a エッチングストップ膜
２０８ 第２硬質材料膜
２０８a 第２硬質材料膜
２１０ トレンチ
２１４ 絶縁材料
２１４a 絶縁材料
３００ 基板
３０２ 第１硬質材料膜
３０４ エッチングストップ膜
３０６ 第２硬質材料膜
３０７ 第２硬質材料膜

Claims (9)

1. 浅いトレンチ分離構造の製造方法であって、以下のステップ：
   （ａ）基板上にパッド酸化膜、第１硬質材料膜、エッチングストップ膜、第２硬質材料膜を順番に形成するステップと、
   （ｂ）前記第２硬質材料膜上にパターン化されたフォトレジストを形成して前記パターン化されたフォトレジストにより前記第２硬質材料膜、前記エッチングストップ膜、前記第１硬質材料膜、前記パッド酸化膜をパターニングするステップと、
   （ｃ）少なくともトレンチを前記基板中に形成するステップと、
   （ｄ）前記第１硬質材料膜に対してプルバック工程を行うと同時に、前記第２硬質材料膜を除去するステップと、
   （ｅ）前記トレンチに絶縁材料を形成して前記エッチングストップ膜まで延伸させるステップと、
   （ｆ）前記第１硬質材料膜上の前記絶縁材料および前記エッチングストップ膜を除去するステップと、
   （ｇ）前記第１硬質材料膜ならびに前記パッド酸化膜を順番に除去するステップと
   を含む浅いトレンチ分離構造の製造方法。
2. 前記第１硬質材料膜が窒化シリコン膜を含むものである請求項１記載のトレンチ分離構造の製造方法。
3. 前記第２硬質材料膜が窒化シリコン膜を含むものである請求項１記載のトレンチ分離構造の製造方法。
4. 前記エッチングストップ膜が酸化物膜を含むものである請求項１記載のトレンチ分離構造の製造方法。
5. 上記エッチングストップ膜の厚さが、十分な厚さを備えたものであり、上記プルバック工程のエッチング剤で上記第２硬質材料膜を除去できるが、上記エッチングストップ膜は除去しないものである請求項１記載のトレンチ分離構造の製造方法。
6. 上記プルバック工程が、HF−EGにより行われるものを含むものである請求項１記載のトレンチ分離構造の製造方法。
7. 上記第１硬質材料膜上の上記絶縁材料および上記エッチングストップ膜の除去が、化学機械研磨を含むのである請求項１記載のトレンチ分離構造の製造方法。
8. 上記第１硬質材料膜の除去が、熱リン酸による除去を含むものである請求項１記載のトレンチ分離構造の製造方法。
9. 上記パッド酸化膜の除去が、フッ化水素酸による除去を含むものである請求項１記載のトレンチ分離構造の製造方法。

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