JP3905882B2 - 分離トレンチを有するトレンチキャパシタを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁トレンチを有するトレンチキャパシタを製造する方法に関する。トレンチキャパシタは、カラー（ｃｏｌｌａｒ）分離を有し、シリコンによって満たされ、覆われる。

トレンチキャパシタは、スタンドアロンデバイスまたは埋め込みメモリの形式で、好ましくはＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）に大きいキャパシタンスを得るために用いられる。トレンチキャパシタは、単結晶構造を有する半導体基板内の深いトレンチ内に形成される。トレンチキャパシタの電極の内の１つは、ドープ半導体基板であり、他方の電極またはメモリセルの格納ノードは、トレンチ内に配置され、誘電体層によって第１の電極から分けられている。格納ノードおよび２つの電極は、バルク基板に向けられたトレンチの下部に位置される。メモリセルは、半導体基板の表面付近に配置される、アクセストランジスタをさらに含む。このいわゆる活性領域をトレンチキャパシタから分離するために、基板内のキャパシタの第１の電極は、埋没されたドープ領域によって垂直方向に閉じ込められ、水平方向から見ると、キャパシタのポリシリコンからできた内部電極は、垂直分離層、いわゆるカラー分離、好ましくはカラー酸化物シリコンによって囲まれる。

格納デバイスの製造中に、トレンチキャパシタがまず製造され、その後、活性領域が製造される。公知のキャパシタ配置において、２つの深いトレンチキャパシタは、隣接して配置される。それぞれのメモリセルの活性領域は、２つのトレンチキャパシタの中間ではなく、トレンチキャパシタの二重配置の外側領域に位置する。トレンチキャパシタの中間の上部分は、例えば、第１のトレンチの中央から到達し、第１のトレンチキャパシタのカラー分離の片面を超え、シリコン基板を超えおよび第２のトレンチキャパシタの反対側のカラー分離を越え、第２のトレンチキャパシタの中央へ入る。この分離は、隣接して位置する２つのトレンチキャパシタの上部分を分割する。カラー分離の上部区域の外部部品は、アクティブ領域からトレンチキャパシタの内部電極まで接触を得るように変更される。

上述のトレンチキャパシタの２つの対向する面の間の分離は、おおよそ第１のキャパシタの内部電極の中央の間から第２のキャパシタの内部電極の中央まで到達する領域において、２つのキャパシタの上端部を覆うシャロートレンチによって達成される。ポリシリコンおよびカラー分離、好ましくはカラー酸化物、および単結晶シリコンの組み合わせをエッチングするために、エッチングされる材料が、エッチングされる水平表面上に現れるシリコン材料および分離材料の組み合わせであることが考慮される必要がある。エッチング処理は、同時にエッチングガスにさらされるカラー分離およびシリコンの異なる特性を考慮しなければならない。リアクタ内のエッチングガスの異なるエッチングの選択性のため、特に、半導体ウエハの表面をパターニングするハードマスクは、典型的には、酸化物またはＢＳＧ（ホウケイ酸塩ガラス）であるハードマスクであるので、シャロー分離トレンチの底部に滑らかで平坦な表面を得ることは困難である。従って、ウエハ上のハードマスクを侵食することなくカラー酸化物をエッチングすることは困難である。

カラー分離を有するトレンチキャパシタの最上部分にシャロー分離トレンチをエッチングする従来のエッチング処理の流れにおいて、シリコンをエッチングする工程中に選択性があり、その結果、カラー酸化物はシリコンよりも少なくエッチングされる。結果として、カラー酸化物は、依然として存在し、既にエッチングされたシャロートレンチの底部から突出している。その後、カラー酸化物は、さらなる処理工程によって取り除かれる必要がある。前工程として、ハードマスクは開けられなければならない。

本発明の目的は、最上部分にシャロートレンチ分離を有するトレンチキャパシタであって、該トレンチキャパシタンスは、カラー分離を有する、トレンチキャパシタンスを製造する方法を提供することである。本方法は、分離トレンチを得るためにエッチング工程を数工程のみ要し、その結果、トレンチの底部表面は実質的に平坦で均一である。

この目的は、半導体基板内に配置されるトレンチキャパシタであって、該トレンチキャパシタは、第１の外部電極および第２の内部電極ならびに第１電極と第２電極との間に配置される誘電体を有する下部と、トレンチの側壁にカラー分離を有する上部とを含むトレンチキャパシタを提供する工程を含む、分離トレンチを有するトレンチキャパシタを製造する方法によって解決される。それによって、シリコン層はカラー分離上のトレンチキャパシタを覆い、ハードマスクはシリコン層を覆う。本方法は、シリコン層の表面が到達されるようにハードマスクを開ける工程をさらに含み、第１の工程において、カラー分離が到達されるまで、塩素および臭素を含むエッチングガスを用いてドライエッチングし、第２の工程において、シリコンフッ化物を含むエッチングガスを用いてドライエッチングを引き続いて実行する。

本発明による方法は、異なるエッチング成分を用いる２つのエッチング工程のみを要する。さらに、ハードマスクは、従来のエッチング工程によって、事前に開けられる必要がある。第１の工程用のエッチングガスは、塩素および臭素を含む。エッチング成分は、カラー分離が到達される深さまで維持される。その後、所望される深さまでエッチングを仕上げるために、エッチング成分は、シリコンフッ化物（ＳｉＦ_４）ベースの成分に変えられる。塩素成分は、シリコンまたはポリシリコンを酸化物またはＢＳＧに対して選択的にエッチングすることは公知である。結果として、酸化物またはＢＳＧから作られるハードマスクは侵食されず、トレンチキャパシタの最上部上のシリコンおよびポリシリコンのエッチングは迅速に進む。第２のエッチング工程において、ＳｉＦ_４が、それぞれに対して選択性をほとんど有することなく、シリコン、およびシリコン酸化物およびシリコン窒化物のような分離材料をエッチングすることは公知である。しかし、ＳｉＦ_４を酸素（Ｏ_２）と組み合わせて使用することは、ウエハ上のハードマスクに堆積する副生物、例えばシリコン酸化物が形成されるという利点を有する。結果として、トレンチの底部は同様にエッチングされ、それによって、トレンチの平面で平坦な底部を得る。シリコンフッ化物ベースのエッチング成分は、シリコン、酸化物、分離材料またはＢＳＧをほぼ平等にエッチングするが、ハードマスクにウエハの表面上に堆積することはハードマスクを維持する。さらに、硬質マスクの上面の上のエッチングおよび堆積の平衡があり、マスクは、実質的に維持され、侵食によって劣化されない。対照的に、トレンチ底部における少ない酸化物の量のため、トレンチ内、特にトレンチの底面上に、シリコン酸化物副生物は存在せず、トレンチ底部に堆積は実質的にはない。トレンチ底部において、シリコン、ポリシリコンおよびカラー分離を形成するシリコン酸化物のエッチングは、実質的に同じエッチング速度で進行する。

第１の工程用のエッチングガス、すなわち塩素または臭素ベースのガスは、塩化水素（ＨＣｌ）または塩素（Ｃｌ_２）であり得、ヘリウム（Ｈｅ）または酸素（Ｏ_２）によって希釈され得る。第２のエッチング工程中のエッチングガスは、既に開示されたようにＳｉＦ_４を含み、ＣＦ_４（四フッ化炭素）をさらに含み得る。第２の工程におけるエッチングガスは、酸素（Ｏ_２）および／またはアルゴン（Ａｒ）によってさらに希釈され得る。

第１のエッチング成分から第２のエッチング成分に切り替えるために、生成される副生物の検出を通して、カラー分離またはカラー酸化物のエッチングを検出する測定が実行される。測定技術は、光学照射分光法であり得る。あるいは、干渉法もまた用いられ得る。さらなる選択肢として、第１のエッチング成分から第２のエッチング成分への遷移が、時間測定によって判定され得る。カラー分離の上部に到達するために必要な最適な期間は、事前の実験によって判定され得る。この時間は、生産実行に対して事前に設定され、事前に設定された時間が経過した場合に、第１から第２のエッチング成分への切り替えが行われる。

カラー分離は、カラー酸化物、好ましくはシリコン酸化物からつくられ得る。ハードマスクは、ＢＳＧから作られるか、酸化物、好ましくはシリコン酸化物から作られる。

シャロー分離トレンチは、互いに対して隣り合わせに近接して位置される２つの深いトレンチキャパシタの最上部を互いから分離するために用いられる。カラー分離の対向する部分は取り除かれ、カラー酸化物の対向しない外部部分は維持される。上から見られる分離トレンチは、トレンチキャパシタの内部ポリシリコン電極内で始まり、このキャパシタのカラー酸化物を超え、半導体基板の２つのキャパシタ間のシリコンを超え、隣り合う隣接トレンチキャパシタのカラー酸化物を超えて延び、その内部電極のポリシリコン内で終了する。

本発明は、図に関連して、ここで詳細に記述される。

図１に描かれる断面は、この製造段階でほぼ完成された２つのキャパシタ２０、３０を有するシリコン基板１０を示す。キャパシタは、シャロートレンチキャパシタであり、ＤＲＡＭデバイス上に数百万個が規則的に配置される。キャパシタ２０、３０は、共に寄せ集められている。キャパシタ３０は、詳細に説明され、キャパシタ２０は対応する構造を有する。キャパシタ３０は、下部３４および上部３５を有する。下部３４は、電荷を格納する格納ノードである。下部３４は、基板内の第１の電極３４１、トレンチの壁に配置される誘電体層３４２およびトレンチの下部３４を満たす内部電極３４３を有する。誘電体材料３４２は、シリコン窒化物である。トレンチキャパシタ３０の上部３５は、基板１０から内部電極３３を分離するカラー酸化物３１、３２を有する。キャパシタ３０の右端の近くに、メモリセル用のアクセストランジスタが後に形成される。記述された構造は、もう１つのキャパシタ２０に反映される。キャパシタ２０、３０の両方は、間に活性な領域を有さないが、キャパシタ２０の左側およびキャパシタ３０の右側に互いに近く配置される。２つのキャパシタを互いから分離するように、シャロー分離トレンチ５０が、基板およびキャパシタ２０、３０にドライエッチング処理によって形成されなければならない。エッチング処理は、キャパシタの内部電極、カラー酸化物およびキャパシタ間のバルクシリコンの単結晶シリコンを同時にエッチングする必要がある。

ウエハは、シリコンのエピタキシャル層を用いて既に覆われている。トレンチキャパシタの内部電極２３、３３は、ポリシリコンで満たされている。半導体基板１０もまた、シリコンから作られている。図１に描かれる断面は、エピタキシャルシリコン層の上のＰＡＤ窒化物４２およびハードマスク４０を示す。ハードマスク４０は、ＢＳＧ（ホウケイ酸塩ガラス）から作製されるか、またはシリコン酸化物であってもよい。ハードマスク４０は、先行するハードマスクオープンエッチング工程中に、既にパターニングされている。ハードマスク層４０への開口４１は、それに続くエッチング処理工程に対してマスクを提供する。ハードマスクの開口は、従来の方法によって実行される。本発明の処理は、ハードマスクが既に開口された後、エピタキシャルシリコン層の表面４３が既に開放されている場合に開始する。

図２に端部が示される、マスク開口区域４１内のポリシリコンおよびシリコン材料１２は、第１のエッチング工程において、ドライエッチングによって取り除かれる。エッチング工程は、ドライエッチングツール、例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｃ．によるＤＰＳチャンバ内で実行される。ハードマスクの開口部分４１内のシリコン層１２を取り除くために、リアクタ内のエッチング成分は、シリコンに対して選択性が高いように選択される。第１の工程用のエッチング成分は、塩素か、あるいは、臭素に基づいている。エッチング成分は、ＨＣｌおよびＣｌ_２または、代わりにＨＢｒを含み得る。エッチング成分はＨｅまたはＯ_２、あるいはＨｅおよびＯ_２の組み合わせを用いて希釈され得る。これらのエッチングガスは、選択性の高いシリコンエッチングに対して提供され、その結果、シリコン１２は容易にエッチされるが、酸化物またはＢＳＧで作られた硬質マスク４０は、維持され、いかなる侵食の対象でもない。

この第１のエッチング工程は、酸化物に対して選択性の高いエッチング成分を用い、その結果、シリコンはエッチングされる。図２に示されるように、隣り合うトレンチ２０、３０のカラー酸化物２２および３１の上部が到達されるまで、第１のエッチング工程は実行される。エッチング処理のこの地点は、干渉法または光学発光分光法を用いる測定によって検出され得る。あるいは、図２に示される状態は、エッチング時間を監視することによって決定され得る。先行する実験で、予め決定される時間は、エッチング処理がカラー酸化物の上部に到達するために十分であると定義され得る。あらかじめ決定されたエッチング時間に等しい期間にわたってウエハをエッチングした後、図２に示されるエッチング処理の状況は、到達され得る。

カラー分離２２、３１の酸化物材料に到達した後、カラー分離も含むシリコンがエッチングされるように、エッチング成分は変化される必要がある。図２に示される状況に到達することによって、チャンバ内のエッチング成分は、Ｏ_２も含むＳｉＦ_４ベースに変化される。ＳｉＦ_４／Ｏ_２が、実質的に同じ速度で酸化物およびシリコンをエッチングすることは公知である。これから始まる第２のエッチング工程中で、エッチング成分はＣＦ_４をさらに含み得る。エッチング成分は、Ａｒによって希釈され得る。酸化物またはＢＳＧをエッチングする場合、ＳｉＦ_４ベースのエッチング成分が、ＳｉＯ_２副生物を生成することは公知である。シリコン酸化物副生物は、副生物の濃度がある程度高いので、主にハードマスク上に堆積する。シリコン材料は、トレンチの底部５２で支配的であるため、この領域に実質的にシリコン酸化物副生物はない。従って、分離トレンチの底部５２上でシリコン酸化物の堆積は実質的には起こらないため、エッチング処理は、半導体ウエハをさらに深くエッチング続ける。対照的に、堆積およびエッチングの平衡は、ＢＳＧまたはシリコン酸化物ハードマスクの領域において確立される。結果として、実質的にはハードマスクを侵食することなく、エッチング処理はトレンチ内で進む。

本発明による処理の流れは、２つの工程のみを用いて、実質的に平坦で均一な分離トレンチの底面５２をもたらす。処理チャンバを変える必要はない。エッチング成分のみが、第１の工程中の塩素または臭素ベースのエッチング成分から、カラー分離に到達した後第２の工程中のＳｉＦ_４／Ｏ_２ベースの成分に変化される必要がある。本発明による処理の流れは、高度な統合されたＤＲＡＭにおけるより小さいフィーチャーサイズにとって好ましくは価値があるものである。トレンドは、より小さい幅およびより大きい深さの分離トレンチを有することで、その結果、トレンチのアスペクト比が増加する。本発明による処理は、フィーチャーサイズが０．１４μｍ（マイクロメーター）以下の特定の値のものである。

シャロー分離トレンチエッチングの終了後、分離材料、例えばシリコン酸化物でトレンチは満たされる。さらに、メモリセルのアクセストランジスタを含むいわゆる活性領域、トレンチの内部ポリシリコン電極に対するアクセストランジスタの接続、最後に、ワードおよびビットラインが形成される。

分離トレンチは、２つのトレンチキャパシタ２０、３０の対向して隣接するカラー分離２２、３１のみを覆う。対向しないカラー酸化物２１、３２は、変化されない。トレンチの側壁は、トレンチの内部電極のポリシリコン材料内、おおよそトレンチ電極の中央で終了する。その結果、トレンチキャパシタとメモリセルとの両方は、互いから絶縁される。

ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）型エッチングチャンバ内の組み合わされた堆積／エッチング工程のため、新しい処理の流れは、工程の数を２に減少する。他の方法と比較すると、カラー分離を取り除く別個の工程を要しない。本発明の利点として、上側のポリシリコン材料は、高い選択性を有するポリシリコンエッチング成分を用いてエッチングされ、カラー分離およびポリシリコンは、分離トレンチ内でエッチングのみの動作ではなく、ハードマスク上で侵食／堆積の平衡を確立する表面保護成分を用いて、後でエッチングされる。堆積動作は、第２のエッチング工程中に上部で優勢であるが、トレンチの底部は、大部分がエッチングされる。

エチングチャンバ、例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｃ．によるＤＰＳエッチングチャンバにおける第１および第２のエッチング工程中の処理パラメータは、以下の表に示される通りである。パラメータは、エッチングチャンバの上部誘導コイル用の電力およびウエハチャックに印加されるバイアス電力を実行する下部誘導手段用の電力を含む。パラメータは、チャンバに導入されるエッチングガスに対して、ｓｃｃｍを単位にしてフロー速度についておおよその値をさらに含む。

上で与えられた数は、±１０％の範囲で変化し、サイズが３００ｍｍのウエハ用のリアクションチャンバを有するエッチングツールに適用し得る。

図１は、既に開いたハードマスクを有する２つの隣接するトレンチキャパシタを有する半導体ウエハを通る断面図を示す。 図２は、第１のエッチング工程後の断面の同じ部分を示す。 図３は、エッチング工程の完了後の断面を示す。

符号の説明

１０ シリコン基板
１２ シリコン層
２０、３０ トレンチキャパシタ
２１、２２、３１、３２ カラー酸化物
３３ 内部電極
３４ トレンチキャパシタの下部
３５ トレンチキャパシタの上部
３４１ 第１の電極
３４２ 誘電体
３４３ 内部電極
４０ ハードマスク
４１ ハードマスク開口
４２ 窒化物パッド
４３ シリコン層表面
５０ 分離トレンチ
５１、５２ 分離トレンチの底部

Claims (12)

1. 分離トレンチを有するトレンチキャパシタを製造する方法であって、
   該方法は、
   半導体基板のトレンチにトレンチキャパシタを形成することであって、該トレンチキャパシタは、外部電極と内部電極と該外部電極と該内部電極との間の誘電体とで形成された下部と、該トレンチの側壁にカラー酸化物で形成された上部とを有し、シリコン層は、該カラー酸化物の上で該トレンチキャパシタを覆い、ハードマスクは、該シリコン層を覆う、ことと、
   該シリコン層の表面に達するように、該ハードマスクを開口することと、
   第１のエッチング工程において、該カラー酸化物に達するまで、Ｃｌ _２ 、ＨＣｌまたはＨＢｒを含むエッチングガスを用いてドライエッチングすることと、
   第２のエッチング工程において、ＳｉＦ _４ およびＯ _２ を含むエッチングガスを用いて該半導体基板と該カラー酸化物と該トレンチキャパシタの内部電極とをドライエッチングすることと
   を包含する、方法。
2. 前記第１の工程におけるエッチングガスは、ヘリウムガスおよび酸素ガスのうち少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の工程におけるエッチングガスは、アルゴンガスをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第２の工程におけるエッチングガスは、ＣＦ_４ガスをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１のエッチング工程中に、前記カラー酸化物から生成された副生成物が検出された場合、該第１のエッチング工程を終了し、前記第２のエッチング工程を開始することを包含する、請求項１に記載の方法。
6. 干渉法を用いる測定から得られた信号に応答して、前記第１のエッチング工程を終了し、前記第２のエッチング工程を開始することを包含する、請求項１に記載の方法。
7. 光学発光分光法を用いる測定から得られた信号に応答して、前記第１のエッチング工程を終了し、前記第２のエッチング工程を開始することを包含する、請求項１に記載の方法。
8. 所定の期間の間、前記第１のエッチング工程を実行した後に、前記第２のエッチング工程を開始することを包含する、請求項１に記載の方法。
9. 前記ハードマスクは、ホウケイ酸塩ガラスを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記ハードマスクは、シリコン酸化物を含む、請求項１に記載の方法。
11. カラー酸化物を有する少なくとも２つの隣接したトレンチキャパシタを前記半導体基板に形成し、該少なくとも２つのトレンチキャパシタに対して前記ハードマスクを形成することにより、前記第２のエッチング工程中に、互いに向かい合う該カラー酸化物の部分がエッチングされ、該第２のエッチング工程中に、互いに向かい合わない該カラー酸化物の部分が維持されることを包含する、請求項１に記載の方法。
12. 前記カラー酸化物は、シリコン酸化物からなる分離酸化物である、請求項１に記載の方法。

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