JP3980866B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの製造方法に係り、より詳しくは、トレンチ分離(Shallow Trench Isolation:STI)構造を有する半導体デバイスの製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
超LSIのような素子が高集積された半導体デバイスにおいては、従来より微細化が図られており、近年、その傾向はますます顕著となっている。このような半導体デバイスの製造においては、半導体基板上に形成される素子間を電気的に分離するために、半導体基板に形成されるトレンチに絶縁膜を埋め込むトレンチ分離(Shallow Trench Isolation:STI)構造を製造する工程が含まれている。
【0003】
このSTI構造は一般に、半導体基板にトレンチを形成し、次いで図6(a)に示すように、半導体基板100に形成されたトレンチ101内に絶縁膜(例えばSiO2)102を成膜してトレンチ101に絶縁膜102を埋め込んだ後、半導体基板100の表面より上の絶縁膜102を半導体基板100の表面まで除去することにより形成される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体デバイスにおいては、上述したように、微細化が図られており、近年では、STI構造におけるトレンチの幅が従来の0.18μmから0.15μm以下へと移行しつつある。
【0005】
しかしながら、0.15μm以下という狭い幅を持つトレンチ101に絶縁膜102を成膜しようとすると、絶縁膜102がトレンチ101の上方で張り出す現象(以下、「オーバーハング」と言う)が生じ(図6(a)参照)、トレンチ101内に、大きなボイド103が形成されるといった埋め込み不良が生じる場合があった(図6(b)参照)。このため、素子間で電流のリークが生じたり、最終的に得られる半導体デバイスが動作不良を起こす場合があった。
【0006】
なお、上述した絶縁膜102のオーバーハングの十分な抑制を図るために、高密度プラズマCVD法を用いて、オーバーハングする部分102aをアルゴン(Ar)でスパッタしながら絶縁膜102を形成することも行われているが(図6(c)参照)、この場合でも、絶縁膜102中におけるボイドの発生を十分に防止することには至らなかった。
【0007】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、半導体基板に形成される凹部に埋め込まれた絶縁膜中におけるボイドの形成を十分に防止することができる半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、チャンバ内にプラズマを生成させた後、絶縁膜形成用ガスを導入して、半導体基板に形成された凹部に絶縁膜を成膜する際に、フッ素原子を含む化合物からなるフッ素含有ガスをチャンバ内に導入することにより、絶縁膜中のボイドの形成が十分に防止されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0009】
すなわち、本発明の半導体デバイスの製造方法は、シリコン基板に該シリコン基板をエッチングしてなるトレンチを形成するトレンチ形成工程と、前記トレンチが形成されたシリコン基板をチャンバ内に収容する収容工程と、前記チャンバ内でプラズマを生成させるプラズマ生成工程と、前記チャンバ内に、SiH ガス、O ガス、およびNF ガスを共に導入して前記トレンチを絶縁膜で埋め込む成膜工程と、前記シリコン基板の表面より上の前記絶縁膜を除去して素子間分離構造を得る除去工程と、を含み、前記成膜工程において、前記SiH ガス及び前記O ガスの導入を開始して所定時間経過してから前記NF ガスを導入することを特徴とする。
【0010】
この発明によれば、半導体基板に形成されたトレンチに絶縁膜を成膜するときに、絶縁膜のオーバーハングが十分に抑制され、絶縁膜中におけるボイドの形成を十分に防止することができる。また成膜工程においてチャンバ内にフッ素含有ガスを導入すると、プラズマによって、フッ素含有ガスに由来するフッ素ラジカル等の活性種が生じ、この活性種は、トレンチ内面にフッ素原子の偏積を起こしたり、トレンチ内面をエッチングする傾向がある。本発明によれば、チャンバ内にSiH ガス及びO ガスの導入を開始して所定時間経過してからNF ガスを導入することで、トレンチ側壁にSiO 膜が成膜され、これが上記活性種に対する保護膜として作用するので、上述したようなトレンチ内面にフッ素原子の偏積が起こったり、トレンチ内面がエッチングされることが十分に防止される。さらに、本発明のようにフッ素含有ガスが窒素原子を含むと、絶縁膜中にSiNが残ることがあるが、このSiNは、絶縁膜の絶縁性に悪影響を与えることが無い。また、フッ素含有ガスが窒素原子を含まない場合に比べて、トレンチ内面へのフッ素原子の偏積やトレンチ内面へのエッチングを十分に防止することもできる。さらにまた、本発明では、上記窒素原子を含むフッ素含有ガスがNF であるが、これは、ガス1分子中に含まれるフッ素原子数が、例えばN などの窒素原子を含有する他のフッ素含有ガスに比べて多いからである。
本発明において、NF ガスは、間欠的に導入することが好ましい。この場合、トレンチ内面へのフッ素原子の偏積やトレンチ内面へのエッチングがより十分に防止される。
【0011】
上記発明は、前記トレンチ形成工程において、トレンチの幅が0.15μm以下となるように前記トレンチを形成する場合に有効である。これは、トレンチの幅が0.15μm以下の場合に絶縁膜のオーバーハングが起こりやすい傾向があるからである。
【0012】
なお、本発明において、「トレンチの幅」は、半導体基板の表面におけるトレンチの側壁間の幅をいうものとする。
【0013】
上記発明は、前記トレンチ形成工程において半導体基板の表面上にマスク層が設けられており、前記マスク層の表面から前記トレンチの底部までの長さと、前記トレンチの幅が下記式:
d/t≧3.0
(上記式中、dは、前記マスク層の表面から前記トレンチの底部までの長さを表し、tは前記トレンチの幅を表す)
を満たす場合に特に有効である。
【0014】
これは、上記dとtが上記関係式を満たす場合に、絶縁膜のオーバーハングが特に起こりやすい傾向があるからである。
【0019】
前記成膜工程において、前記SiH ガスに対するNF ガスの流量比を2以下にすることが好ましい。
【0020】
SiH ガスに対するNF ガスの流量比が2を超えると、トレンチ内面にフッ素原子の偏積が起こったり、トレンチの内面がエッチングされる傾向がある。
【0021】
前記成膜工程において、前記SiH ガスに対するNF ガスの流量比の流量比を0.2以上にすることが好ましい。
【0022】
前記SiH ガスに対するNF ガスの流量比が0.2未満になると、絶縁膜のオーバーハングが生じやすくなり、絶縁膜中にボイドが発生する傾向がある。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【0027】
図1(a)〜(g)は、半導体基板上にSTI構造を作製するまでの一連の工程を示す工程図である。
【0028】
まず、図1(a)に示すように、シリコン基板(半導体基板)1を熱酸化してシリコン基板1の表面にシリコン熱酸化膜2を形成する。次いで、シリコン基板1上にシリコン窒化膜3を形成する(マスク形成工程)。
【0029】
次に、図1(b)に示すように、シリコン熱酸化膜2及びシリコン窒化膜3にパターニングを行い、シリコン基板1の表面を露出させる(パターニング工程)。
【0030】
その後、図1(c)に示すように、露出されたシリコン基板1に、シリコン窒化膜3をマスク層として、ドライエッチングによりトレンチ(凹部)4を形成する(凹部形成工程)。このとき、トレンチ4の幅tは0.15μm以下(例えば0.13μm)とする。これは、後述する成膜工程において、トレンチ4の幅が0.15μm以下になったときに特に絶縁膜であるSiO2のオーバーハングが起こりやすい傾向があるからである。
【0031】
また、シリコン窒化膜(マスク層)3の上面からトレンチ4の底部までの長さ(シリコン窒化膜3の上面からの溝の深さ)と、トレンチ4の幅tとが下記式:
d/t≧3.0
(上記式中、dは、シリコン窒化膜3層の上面からトレンチ4の底部までの長さを表す)
を満たす。上記比(d/t)が3.0未満では、後述する成膜工程において、絶SiO2膜5のオーバーハングが起こりやすい傾向がある。
【0032】
次に、図1(d)に示すように、シリコン基板1上にSiO2膜5の成膜を行う。成膜方法の詳細については後述する。
【0033】
次に、図1(e)に示すように、例えば化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)によりシリコン窒化膜3の上面まで平坦化する。その後、図1(f)に示すように、シリコン窒化膜3及びシリコン熱酸化膜2をウェットエッチングにより除去する。続いて図1(g)に示すように、SiO2膜5の一部を除去してシリコン基板1の表面まで平坦化し、STI構造(素子間分離構造)を得る(除去工程)。
【0034】
こうしてシリコン基板1にSTI構造を製造した後は、公知の方法でMOSトランジスタなどの素子を形成し、半導体デバイスを得る。
【0035】
次に、前述した成膜方法について詳細に説明する。この成膜方法は、高密度プラズマ(High Density Plasma:HDP)式のCVD装置で行われる。
【0036】
図2は、上記成膜方法を実施するHDP式のCVD装置の一例を示す概略構成図である。HDP式のCVD装置10は、トレンチ4が形成されたシリコン基板1(以下、「被処理板W」という)を内部に導入するための導入口11aを有するチャンバ11を備えている。チャンバ11内には、シリコン基板1を支持する支持部材12が設けられ、この支持部材12の上部には、被処理板Wを支持部材12に固定するための静電チャック13が設けられている。この静電チャック13には、図示しない直流電源が接続されている。
【0037】
また、支持部材12には、被処理板Wを持ち上げる(リフトアップ)ためのリフトピン等を有するリフト機構(図示せず)が設けられている。このリフト機構は、帯電した被処理板Wをプラズマに接触させて被処理板Wから電荷を除去する際に使用される。さらに、チャンバ11の上部には、ドーム14がチャンバ11を覆うように設置されている。このドーム14上には、ドーム温度を設定するヒータープレート15及びコールドプレート16が置かれている。またさらに、チャンバ11はガス導入口17aを有しており、ドーム14にはガス導入口17bが設けられている。
【0038】
これらのガス導入口17a,17bは、それぞれガス供給ライン18a,18bを介してガス供給源19a〜19dに接続されており、これらのガス供給源19a〜19dから所定のガスがガス導入口17a,17bを通してチャンバ11内に導入される。ここで、ガス供給源19a〜19dは、それぞれSiH4ガス、O2ガス、Arガス、及びNF3ガスの供給源である。
【0039】
また、ガス供給ライン18a,18bには、ガス導入口17a,17bに導入される各ガスの量を制御する質量流量コントローラ20が設けられている。特に、SiH4が貯留されるガス供給源19a、及び、NF3が貯留されるガス供給源19dが接続されたガス供給ライン18a,18bに設けられた質量流量コントローラ20は、両ガスの流量比を適宜又は所定の値に調整する制御機能を有している。
【0040】
なお、これらのガスのうちSiH4ガス及びO2ガスは、被処理板W上にSiO2膜を形成せしめるための主原料ガス(絶縁膜形成用ガス)である。さらに、NF3ガスは、SiO2膜の成膜時にチャンバ11内に導入されるものである。
【0041】
さらに、チャンバ11の下方には、二枚ブレード式のターボスロットルバルブ21が格納されたスロットル弁チャンバ22が、チャンバ11と連通するように設けられている。このスロットル弁チャンバ22の下方には、ゲートバルブ24を介して、チャンバ11内を真空引きするターボ分子ポンプ25が設置されており、ゲートバルブ24を開閉することによって、スロットル弁チャンバ22とターボ分子ポンプ25の吸気口とを連通・隔離できるようになっている。このようなターボスロットルバルブ21、ゲートバルブ24及びターボ分子ポンプ25を設けることにより、被処理板Wの処理時にチャンバ11内の圧力が安定に制御される。
【0042】
また、ターボ分子ポンプ25の排気口26は、排気配管27を介してチャンバ11内を真空引きするドライポンプ28に接続されている。また、この排気配管27と、スロットル弁チャンバ22に設けられた排気口29とは、ラフスロットルバルブ31を有する排気配管30で接続されている。これらの排気配管27,30には、それぞれアイソレーションバルブ32,33が設けられている。
【0043】
さらに、チャンバ11には、クリーニングガスの供給ライン34を介してリアクターキャビティ35に接続されたガス導入口36が設けられている。このリアクターキャビティ35は、プラズマを生成するためのマイクロ波ジェネレータ37を有すると共に、ガス供給ライン38を介してガス供給源19cと接続されている。また、ガス供給ライン38には、リアクターキャビティ35に導入される各ガスの量を制御する質量流量コントローラ39が設けられている。
【0044】
またさらに、ドーム14には、コイル40a,40b(それぞれサイドコイル及びトップコイル)が取り付けられている。各コイル40a,40bは、それぞれRFジェネレータ41a,41bに接続されており、これらのRFジェネレータ41a,41bからの高周波電力の印加により、チャンバ11内にプラズマが生成される。
【0045】
また、コイル40a,40bとRFジェネレータ41a,41bとの間には、RFジェネレータ41a,41bの出力インピーダンスをコイル40a,40bに整合させるマッチングネットワーク42a,42bが設けられている。さらに、静電チャック13は、マッチングネットワーク42cを介してバイアス用のRFジェネレータ41cに接続されている。
【0046】
次に、このように構成されたHDP式のCVD装置10を用いた成膜方法について説明する。
【0047】
まず、図1(c)に示す構成を有する被処理板Wを導入口11aを通してチャンバ11内に収容し支持部材12上に載置する(収容工程)。
【0048】
次に、ゲートバルブ24を開き、ターボスロットルバルブ21を所定の角度に開いた状態で、ドライポンプ28及びターボ分子ポンプ25によりチャンバ11内を減圧する。チャンバ11内の圧力が所定値になった後、ガス供給源19bのO2ガスをガス供給口17a,17bからチャンバ11内に導入する。
【0049】
次いで、RFジェネレータ41b,41aからコイル40b,40aにこの順で高周波電力を印加し、チャンバ11内にプラズマを生成させる(プラズマ生成工程)。このとき、被処理板Wはプラズマによって加熱される。続いて、静電チャック13を介して被処理板Wに直流電圧を印加して静電チャック13をONにする。これにより、被処理板Wがプラズマシースに対して所定の電位となるように帯電する。
【0050】
次に、ガス供給源19aのSiH4ガスをガス供給口17a,17bからチャンバ11内に導入する。チャンバ11内に導入されたSiH4ガス及びO2ガスは、プラズマによって活性種を生じる。さらに、やや遅れて被処理板Wの冷却を開始する。それから、RFジェネレータ41cから静電チャック13を介して被処理板Wにバイアス用の高周波電力を印加する。これにより、SiH4、O2から生じる活性種が支持部材12上の被処理板W側に引き込まれ、被処理板W上に達し、化学反応によって被処理板Wの表面にSiO2が堆積成長し、トレンチ4の内壁面上にSiO2が成長し、トレンチ4が埋め込まれていく(成膜工程)。
【0051】
トレンチ4の開口端部近傍、特にシリコン窒化膜3のテーパ部にはSiO2が堆積し易く、従来は、オーバーハング等によりトレンチ4内のSiO2膜中にボイドを残した状態でトレンチ4が閉塞されることがあった。
【0052】
そこで、本実施形態では、上記成膜工程において、ガス供給源19dのNF3ガスをガス供給口17a,17bからチャンバ11内に導入することとしている。このとき、チャンバ11内にはプラズマが生成されており、このプラズマは、チャンバ11内に導入されたNF3ガスから、NF3ガス由来のフッ素を含む化学種の活性種(フッ素ラジカル、フッ素系ラジカル等)を生成させる。そして、この活性種は、成膜工程においてエッチング剤として作用し、オーバーハングが起り易い部位に堆積したSiO2が活性種によってエッチングされながら成膜が進行する。このため、成膜工程において、SiO2のオーバーハングが十分に抑制され、SiO2膜中におけるボイドの生成を十分に防止することができる。
【0053】
ここで、上記成膜工程において、上記NF3ガスは、チャンバ11内にSiH4ガスを導入して所定時間経過してからチャンバ11内に導入することが好ましい。
【0054】
上記成膜工程においてチャンバ11内にNF3ガスを導入すると、プラズマによって、NF3ガスに由来するフッ素ラジカル等の活性種が生じる。この活性種は、成膜時におけるSiO2のオーバーハングしている部位をエッチングし、SiO2のオーバーハングを十分に抑制する反面、トレンチ4の側壁にアタッキングして、フッ素原子の偏積を起こしたり、トレンチ4の側壁を過度にエッチングする傾向がある。そのため、チャンバ11内にSiH4ガスを所定時間導入することでトレンチ4の側壁にSiO2膜が成膜され、これが上記活性種に対する保護膜として作用するので、上述したようなトレンチ4の側壁にフッ素原子の偏積が起こったり、トレンチ4の側壁がエッチングされる事態を十分に防止することができる。
【0055】
ここで、所定時間とは、SiH4ガスの流量等に依存し、例えばSiH4ガスの流量を50sccmとする場合に8秒である。
【0056】
チャンバ11内にSiH4ガスを所定時間導入する場合は、NF3ガスは、間欠的に導入することが好ましい。この場合、トレンチ4の側壁へのフッ素原子の偏積やトレンチ4の側壁へのエッチングがより十分に防止される。
【0057】
NF3ガスを間欠的に導入する場合、1回あたりの導入時間は、例えば20秒である。
【0058】
また、上記成膜工程において、SiH4ガスとNF3ガスをともにチャンバ11内に導入する場合、SiH4ガスに対するNF3ガスの流量は、好ましくは2以下であり、より好ましくは1以下である。
【0059】
このガス流量の比が2を超えると、トレンチ4の側壁にフッ素原子の偏積が起こったり、フッ素プラスマ等の活性種により、トレンチ4の側壁がエッチングされる傾向がある。
【0060】
また、SiH4ガスとNF3ガスをともにチャンバ11内に導入する場合、SiH4ガスに対するNF3ガスの流量の比は、好ましくは0.2以上であり、より好ましくは0.5以上であり、更に好ましくは1.0以上である。このガス流量の比が0.2未満では、SiO2膜5中におけるボイドの形成を十分に防止できない傾向がある。
【0061】
また、SiO2膜5の成膜を行っているときのチャンバ11内の圧力としては、好ましくは50mTorr以下、特に好ましくは10mTorr以下である。このチャンバ11内の圧力が50mTorrを超過すると、SiO2膜中におけるボイドの生成を十分に防止できなくなる傾向がある。
【0062】
またさらに、チャンバ11内に導入する各ガスの流量としては、以下の条件であると好適である。
[各ガス供給流量の好適条件]
・SiH4ガス:25〜100mL/min
・O2ガス:50〜200mL/min
・Arガス:0〜200mL/min
・NF3ガス:25〜100mL/min
さらにまた、RFジェネレータ41a,41bから印加する高周波電力の周波数は、好ましくは1.8〜2.2MHz、出力は、好ましくは1000〜5000Wであり、これらは、RFジェネレータ41aと41bとで同一であっても異なっていてもよい。一方、RFジェネレータ41cから印加する高周波電力の周波数としては、好ましくは13.56MHz、出力は、好ましくは1000〜5000W、より好ましくは1500〜3500Wとされる。
【0063】
次いで、所定時間、SiO2膜の成膜を行った後、ガス供給源19a,19dからのSiH4ガス及びNF3ガスの導入を停止し、それと同時又は略同時に、RFジェネレータ41cからの高周波電力の印加を停止してバイアス用RFを休止する。この時点で被処理板W上へのSiO2膜の成膜を実質的に終了する。その後、被処理板Wの冷却を停止し、被処理板Wの静電チャック13を切り、RFジェネレータ41a,41bからコイル40a,40bへの高周波電力の印加を停止する。また、それと共に、ガス供給源19b,19cからのO2ガス及びArガスの導入を停止する。
【0064】
このような構成を有するHDP式のCVD装置10を用いた半導体デバイスの製造方法によれば、SiH4ガスと共にNF3ガスをチャンバ11内に導入することにより、プラズマによって生成されたフッ素を含む化学種の活性種がエッチング剤として作用しつつSiO2膜の成膜が行われる。これにより、被処理基板Wに形成されたトレンチ4内の特に開口部近傍における、オーバーハングが生じ易い部位に堆積して成長するSiO2が効果的にエッチングされる。その結果、トレンチ4の幅が小さくなっても、オーバーハングの発生を抑制でき、SiO2膜を成膜されたトレンチ4内にボイドが発生することを十分に防止できる。したがって、素子間の電流リークや半導体デバイスの動作不良が十分に防止される半導体デバイスを製造することができる。
【0065】
なお、本発明の実施形態は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態においては、各ガスのチャンバ11への導入手順及びRFジェネレータからの高周波電力の印加手順は、上述した手順に限定されない。
【0066】
また、上記実施形態では、フッ素含有ガスとしてNF3ガスを用いたが、NF3ガス以外に、例えば一フッ化窒素(N22)ガスでもよく、これらは単独で又は混合して用いることができる。さらに、これらのガスに二フッ化窒素(NF2)ガスが混合されていてもよい。また、SiO2膜中におけるボイドの形成を十分に防止するという観点からは、窒素原子を含まないフッ素含有ガス、例えばフッ化炭素(CFX)、フッ化ケイ素(SiFX)等を用いることもできる。但し、フッ素含有ガスをフッ化炭素(CFX)とすると、SiO2膜5中にカーボンが残り、SiO2膜5の絶縁抵抗が低くなる傾向があり、フッ素含有ガスをフッ化ケイ素(SiFX)とすると、SiO2膜5中にSiFが不純物として残り、これが後工程のアニール工程で拡散し、トレンチ4の側壁にフッ素原子の偏積が起こったり、トレンチ4の側壁がエッチングされる傾向がある。これに対して、フッ素含有ガスが窒素原子を含むと、絶縁膜中にSiNが残るが、このSiNは、SiO2膜の絶縁性に悪影響を与えることが無い。また、フッ素含有ガスが窒素原子を含まない場合に比べて、トレンチ4の側壁へのフッ素原子の偏積やトレンチ4の内面へのエッチングを十分に防止することもできる。
【0067】
更に、半導体基板としてシリコン基板1が用いられているが、シリコンに代えて、Ge、SiGe、GaAs、InAs、InPなどを用いることもできる。
【0068】
次に、本発明の内容を、実施例及び比較例を用いてより具体的に説明する。
【0069】
【実施例】
(実施例1)
シリコン基板1を熱酸化してシリコン基板1の表面に厚さ約10nmのシリコン熱酸化膜2を形成した。次いで、シリコン基板1上に厚さ150nmのシリコン窒化膜3を形成した。次に、シリコン熱酸化膜2及びシリコン窒化膜3にパターニングを行い、シリコン基板1の表面を露出させた。
【0070】
その後、ドライエッチングによりシリコン窒化膜3をマスク層として、シリコン基板1に幅0.13μmのトレンチ4を形成した。このとき、マスク層であるシリコン窒化膜3の上面からトレンチ4の底部までの長さ(シリコン窒化膜4の表面からの溝の深さ)を約0.45μmとした。次に、図2に示すHDP式のCVD装置を用いて、以下の成膜条件で、シリコン基板1上にSiO2膜5を形成した。
[成膜条件]
・チャンバ内圧力:2mTorr
・成膜温度:600℃
・SiH4ガス流量:50mL/min
・O2ガス流量:100mL/min
・NF3ガス流量:50mL/min
・RFジェネレータ41a(サイド):周波数2.0MHz,出力3500W
・RFジェネレータ41b(トップ):周波数2.0MHz,出力5000W
なお、成膜時においては、NF3ガスは、SiH4ガスと同時にチャンバ11内に導入した。
【0071】
こうして成膜したSiO2膜の断面を、走査型電子顕微鏡(日立製作所製S5000)により観察した。その結果を図3に示す。
【0072】
参考例
上記成膜条件のうち、NF3ガスをSiFに代えた以外は実施例1と同様にしてシリコン基板上にSiO膜を形成した。そして、実施例1と同様にして、成膜したSiO膜の断面を観察した。結果を図4に示す。
【0073】
(比較例1)
上記成膜条件のうち、NF3ガスの流量をゼロとした以外は実施例1と同様にしてシリコン基板上にSiO2膜を形成した。そして、実施例1と同様にして、成膜したSiO2膜の断面を観察した。結果を図5に示す。
【0074】
上記実施例1、参考例及び比較例1の結果から、成膜工程でNF3を添加しない場合は、SiO膜5において、トレンチ4の内部のみならず、トレンチ4の上方にも大きなボイド50ができることが分かった(図5参照)。
【0075】
これに対し、成膜工程でNF3を添加した場合には、SiO2膜5において、全くボイドが見られなかった(図3参照)。また、SiF4を添加した場合には、SiO2膜5において、トレンチ4の内部にボイド50が見られたが(図4参照)、フッ素含有ガスを添加しない場合に比べるとかなりボイド50が小さくなっていることが分かった。
【0076】
(実施例3)
SiH4ガスをチャンバ11内に導入した後、8秒後にNF3ガスを間欠的にチャンバ11内に導入した以外は実施例1と同様にしてシリコン基板1上にSiO2膜を形成した。このとき、NF3ガスをチャンバ11内に導入する時間は20秒とし、導入しない時間は8秒とし、これを交互に行った。これにより、NF3ガスを導入しない始めの8秒間でSiO2膜を300Å堆積し、その後NF3ガスを導入した20秒間でSiO2膜を750Å堆積した。そして、実施例1と同様にして、成膜したSiO2膜の断面を観察した。
【0077】
(実施例4)
SiH4ガスをチャンバ11内に導入した後、40秒後にNF3ガスをチャンバ11内に導入した以外は実施例1と同様にしてシリコン基板1上にSiO2膜を形成した。このとき、NF3ガスは、チャンバ11内に160秒導入した。これにより、NF3ガスを導入しない始めの40秒間でSiO2膜を1500Å堆積し、その後NF3ガスを導入した160秒間でSiO2膜を6000Å堆積した。そして、実施例1と同様にして、成膜したSiO2膜の断面を観察した。
【0078】
実施例3及び実施例4の結果から、NF3ガスを間欠的に導入しなかった実施例4の場合は、SiO2膜5中にボイドは全く見られなかったものの、トレンチ4の側壁へのフッ素原子の偏積が起こっていた。これに対して、NF3ガスを間欠的に導入した実施例3の場合は、SiO2膜5中にボイドは全く見られなかったのみならず、トレンチ4の側壁へのフッ素原子の偏積領域が実施例4の場合よりも十分に小さくなることが分かった。
【0079】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体デバイスの製造方法によれば、絶縁膜のオーバーハングが抑制され、絶縁膜中におけるボイドの形成を十分に防止することができる。このため、素子間の電流リークや半導体デバイスの動作不良が十分に防止された半導体デバイスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(g)は、STI構造を有する半導体デバイスを作製するための一連の工程を示す工程図である。
【図2】成膜工程を行うHDP式のCVD装置の一例を示す概略断面図である。
【図3】実施例1に係るSiO2膜を示す断面図である。
【図4】実施例2に係るSiO2膜を示す断面図である。
【図5】比較例1に係るSiO2膜を示す断面図である。
【図6】(a)は、成膜工程においてSiO2膜がオーバーハングしている状態を示す断面図、(b)は、成膜工程により得られたSiO2膜中にボイドが発生している状態を示す断面図である。
【符号の説明】
1…シリコン基板(半導体基板)、4…トレンチ(凹部)、5…SiO2膜(絶縁膜)。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method of manufacturing a semiconductor device having a trench isolation (STI) structure.
[0002]
[Prior art]
In semiconductor devices in which elements such as VLSI are highly integrated, miniaturization has been attempted conventionally, and in recent years, the tendency has become more prominent. In manufacturing such a semiconductor device, a trench isolation (STI) structure in which an insulating film is embedded in a trench formed in a semiconductor substrate in order to electrically isolate elements formed on the semiconductor substrate. The process of manufacturing is included.
[0003]
In this STI structure, a trench is generally formed in a semiconductor substrate, and then an insulating film (for example, SiO 2) is formed in the trench 101 formed in the semiconductor substrate 100 as shown in FIG.2) 102 is formed and the insulating film 102 is buried in the trench 101, and then the insulating film 102 above the surface of the semiconductor substrate 100 is removed to the surface of the semiconductor substrate 100.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, as described above, semiconductor devices have been miniaturized, and in recent years, the width of trenches in the STI structure is shifting from 0.18 μm to 0.15 μm or less.
[0005]
However, when the insulating film 102 is formed in the trench 101 having a narrow width of 0.15 μm or less, a phenomenon that the insulating film 102 protrudes above the trench 101 (hereinafter referred to as “overhang”) occurs (see FIG. 6 (a)), there is a case where a filling defect occurs such that a large void 103 is formed in the trench 101 (see FIG. 6B). For this reason, current leakage may occur between elements, or the semiconductor device finally obtained may malfunction.
[0006]
Note that in order to sufficiently suppress the overhang of the insulating film 102 described above, the insulating film 102 may be formed by sputtering the overhanging portion 102a with argon (Ar) by using a high-density plasma CVD method. Although it has been performed (see FIG. 6C), even in this case, generation of voids in the insulating film 102 has not been sufficiently prevented.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a semiconductor device manufacturing method capable of sufficiently preventing formation of voids in an insulating film embedded in a recess formed in a semiconductor substrate. With the goal.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive research to solve the above problems, the present inventors have generated plasma in the chamber, and then introduced an insulating film forming gas to form an insulating film in the recess formed in the semiconductor substrate. It was found that the formation of voids in the insulating film was sufficiently prevented by introducing a fluorine-containing gas comprising a compound containing fluorine atoms into the chamber during film formation, and the present invention was completed. .
[0009]
  That is, the present inventionMethod for manufacturing semiconductor deviceIssiliconOn the boardTrench formed by etching the silicon substrateFormTrenchForming step, andTrenchFormedsiliconA housing step of housing the substrate in the chamber; a plasma generating step of generating plasma in the chamber; and, SiH 4 Gas, O 2 Gas and NF 3 Gas togetherIntroduce the aboveTrenchInsulation filmEmbed withA film forming step;siliconRemoving the insulating film above the surface of the substrate to obtain an element isolation structure.SeeIn the film forming step,SiH 4 Gas and O 2 The NF after a predetermined time has passed since the introduction of gas 3 Introducing gasIt is characterized by.
[0010]
  According to this invention, formed on the semiconductor substrateTrenchWhen the insulating film is formed on the insulating film, the overhang of the insulating film is sufficiently suppressed, and the formation of voids in the insulating film can be sufficiently prevented.Also, when fluorine-containing gas is introduced into the chamber in the film formation process, active species such as fluorine radicals derived from the fluorine-containing gas are generated by the plasma, and this active species causes uneven deposition of fluorine atoms on the inner surface of the trench, There is a tendency to etch the inner surface of the trench. According to the present invention, SiH is contained in the chamber. 4 Gas and O 2 NF after starting the gas introduction for a predetermined time 3 By introducing gas, it is SiO on the trench side wall. 2 Since a film is formed and this acts as a protective film against the active species, it is possible to sufficiently prevent the fluorine atoms from being unevenly deposited on the inner surface of the trench and the inner surface of the trench from being etched. Further, when the fluorine-containing gas contains nitrogen atoms as in the present invention, SiN may remain in the insulating film, but this SiN does not adversely affect the insulating properties of the insulating film. Further, as compared with the case where the fluorine-containing gas does not contain nitrogen atoms, the uneven deposition of fluorine atoms on the inner surface of the trench and etching on the inner surface of the trench can be sufficiently prevented. Furthermore, in the present invention, the fluorine-containing gas containing a nitrogen atom is NF. 3 However, this is because the number of fluorine atoms contained in one gas molecule is N, for example. 2 F 2 This is because it is larger than other fluorine-containing gases containing nitrogen atoms.
  In the present invention, NF 3 The gas is preferably introduced intermittently. In this case, uneven deposition of fluorine atoms on the inner surface of the trench and etching on the inner surface of the trench are more sufficiently prevented.
[0011]
  The above invention is the aboveTrenchIn the formation process,Trench widthTo be 0.15 μm or lessTrenchIt is effective when forming. this is,Trench widthThis is because when the thickness is 0.15 μm or less, the insulating film tends to overhang.
[0012]
  In the present invention,"Trench width"WhenIsThe width between the sidewalls of the trench on the surface of the semiconductor substrate is assumed.
[0013]
  The above invention is the aboveTrenchIn the forming step, a mask layer is provided on the surface of the semiconductor substrate, and the surface of the mask layerTrenchThe length to the bottom of theTrench widthIs the following formula:
d / t ≧ 3.0
(In the above formula, d is from the surface of the mask layer.TrenchRepresents the length to the bottom ofTrench widthRepresents
It is particularly effective when satisfying
[0014]
  This is because when the above d and t satisfy the above relational expression, the overhang of the insulating film tends to occur particularly easily.
[0019]
  In the film forming step,SiH 4 NF for gas 3 Make the gas flow ratio 2 or lessIs preferred.
[0020]
  SiH 4 NF for gas 3 Gas flow ratioIs greater than 2,TrenchFluorine atoms are unevenly deposited on the inner surface,TrenchThe inner surface of the metal tends to be etched.
[0021]
  In the film forming step,SiH 4 NF for gas 3 Gas flow ratioThe flow rate ratio is preferably 0.2 or more.
[0022]
  SiH 4 NF for gas 3 Gas flow ratioIf the value is less than 0.2, the insulating film tends to overhang, and voids tend to be generated in the insulating film.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0027]
1A to 1G are process diagrams showing a series of processes until an STI structure is formed on a semiconductor substrate.
[0028]
First, as shown in FIG. 1A, a silicon substrate (semiconductor substrate) 1 is thermally oxidized to form a silicon thermal oxide film 2 on the surface of the silicon substrate 1. Next, a silicon nitride film 3 is formed on the silicon substrate 1 (mask formation process).
[0029]
Next, as shown in FIG. 1B, the silicon thermal oxide film 2 and the silicon nitride film 3 are patterned to expose the surface of the silicon substrate 1 (patterning step).
[0030]
Thereafter, as shown in FIG. 1C, trenches (recesses) 4 are formed on the exposed silicon substrate 1 by dry etching using the silicon nitride film 3 as a mask layer (recess formation step). At this time, the width t of the trench 4 is 0.15 μm or less (for example, 0.13 μm). This is because, in the film forming process described later, when the width of the trench 4 becomes 0.15 μm or less, it is especially an insulating film, SiO.2This is because the overhang tends to occur easily.
[0031]
The length from the upper surface of the silicon nitride film (mask layer) 3 to the bottom of the trench 4 (the depth of the groove from the upper surface of the silicon nitride film 3) and the width t of the trench 4 are expressed by the following formula:
d / t ≧ 3.0
(In the above formula, d represents the length from the upper surface of the silicon nitride film 3 layer to the bottom of the trench 4)
Meet. When the ratio (d / t) is less than 3.0, in the film forming process described later, the SiO 22There is a tendency that overhang of the film 5 is likely to occur.
[0032]
Next, as shown in FIG. 1 (d), SiO 2 is formed on the silicon substrate 1.2The film 5 is formed. Details of the film forming method will be described later.
[0033]
Next, as shown in FIG. 1E, the upper surface of the silicon nitride film 3 is planarized by, for example, chemical mechanical polishing (CMP). Thereafter, as shown in FIG. 1F, the silicon nitride film 3 and the silicon thermal oxide film 2 are removed by wet etching. Subsequently, as shown in FIG.2A part of the film 5 is removed and planarized to the surface of the silicon substrate 1 to obtain an STI structure (inter-element isolation structure) (removal step).
[0034]
After the STI structure is manufactured on the silicon substrate 1 in this way, elements such as MOS transistors are formed by a known method to obtain a semiconductor device.
[0035]
Next, the film forming method described above will be described in detail. This film forming method is performed by a high density plasma (HDP) type CVD apparatus.
[0036]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an HDP type CVD apparatus that performs the film forming method. The HDP type CVD apparatus 10 includes a chamber 11 having an introduction port 11a for introducing a silicon substrate 1 (hereinafter referred to as a “processed plate W”) having a trench 4 formed therein. A support member 12 that supports the silicon substrate 1 is provided in the chamber 11, and an electrostatic chuck 13 for fixing the processing target plate W to the support member 12 is provided above the support member 12. . A DC power source (not shown) is connected to the electrostatic chuck 13.
[0037]
The support member 12 is provided with a lift mechanism (not shown) having lift pins and the like for lifting (lifting up) the processing target plate W. This lift mechanism is used when the charged plate W is brought into contact with plasma to remove charges from the plate W. Furthermore, a dome 14 is installed on the upper portion of the chamber 11 so as to cover the chamber 11. A heater plate 15 and a cold plate 16 for setting the dome temperature are placed on the dome 14. Furthermore, the chamber 11 has a gas inlet 17a, and the dome 14 is provided with a gas inlet 17b.
[0038]
These gas inlets 17a and 17b are connected to gas supply sources 19a to 19d via gas supply lines 18a and 18b, respectively, and a predetermined gas is supplied from these gas supply sources 19a to 19d to the gas inlets 17a and 17d. It is introduced into the chamber 11 through 17b. Here, the gas supply sources 19a to 19d are respectively SiH.FourGas, O2Gas, Ar gas, and NFThreeIt is a gas supply source.
[0039]
The gas supply lines 18a and 18b are provided with a mass flow controller 20 for controlling the amount of each gas introduced into the gas inlets 17a and 17b. In particular, SiHFourGas supply source 19a in which gas is stored, and NFThreeThe mass flow rate controller 20 provided in the gas supply lines 18a and 18b to which the gas supply source 19d in which the gas is stored is connected has a control function of adjusting the flow rate ratio between the two gases to an appropriate value or a predetermined value.
[0040]
Of these gases, SiHFourGas and O2The gas is SiO on the processed plate W.2This is a main source gas (insulating film forming gas) for forming a film. In addition, NFThreeGas is SiO2This is introduced into the chamber 11 when the film is formed.
[0041]
Further, a throttle valve chamber 22 in which a two-blade turbo throttle valve 21 is housed is provided below the chamber 11 so as to communicate with the chamber 11. Below the throttle valve chamber 22 is installed a turbo molecular pump 25 that evacuates the chamber 11 through a gate valve 24. By opening and closing the gate valve 24, the throttle valve chamber 22 and the turbo molecular pump The inlet of the pump 25 can be communicated and isolated. By providing the turbo throttle valve 21, the gate valve 24, and the turbo molecular pump 25, the pressure in the chamber 11 can be stably controlled when the processing target plate W is processed.
[0042]
The exhaust port 26 of the turbo molecular pump 25 is connected to a dry pump 28 that evacuates the chamber 11 through an exhaust pipe 27. The exhaust pipe 27 and an exhaust port 29 provided in the throttle valve chamber 22 are connected by an exhaust pipe 30 having a rough throttle valve 31. These exhaust pipes 27 and 30 are provided with isolation valves 32 and 33, respectively.
[0043]
Further, the chamber 11 is provided with a gas inlet port 36 connected to the reactor cavity 35 via a cleaning gas supply line 34. The reactor cavity 35 has a microwave generator 37 for generating plasma, and is connected to a gas supply source 19 c through a gas supply line 38. The gas supply line 38 is provided with a mass flow controller 39 that controls the amount of each gas introduced into the reactor cavity 35.
[0044]
Furthermore, the dome 14 is provided with coils 40a and 40b (side coils and top coils, respectively). The coils 40a and 40b are connected to RF generators 41a and 41b, respectively, and plasma is generated in the chamber 11 by applying high frequency power from the RF generators 41a and 41b.
[0045]
Further, matching networks 42a and 42b for matching the output impedance of the RF generators 41a and 41b to the coils 40a and 40b are provided between the coils 40a and 40b and the RF generators 41a and 41b. Further, the electrostatic chuck 13 is connected to a bias RF generator 41c via a matching network 42c.
[0046]
Next, a film forming method using the thus configured HDP type CVD apparatus 10 will be described.
[0047]
First, the target plate W having the configuration shown in FIG. 1C is accommodated in the chamber 11 through the introduction port 11a and placed on the support member 12 (accommodating step).
[0048]
Next, the inside of the chamber 11 is decompressed by the dry pump 28 and the turbo molecular pump 25 with the gate valve 24 opened and the turbo throttle valve 21 opened at a predetermined angle. After the pressure in the chamber 11 reaches a predetermined value, the O of the gas supply source 19b2Gas is introduced into the chamber 11 from the gas supply ports 17a and 17b.
[0049]
Next, high frequency power is applied in this order from the RF generators 41b and 41a to the coils 40b and 40a to generate plasma in the chamber 11 (plasma generation step). At this time, the processed plate W is heated by the plasma. Subsequently, a DC voltage is applied to the processing target plate W through the electrostatic chuck 13 to turn on the electrostatic chuck 13. Thereby, the to-be-processed board W is charged so that it may become a predetermined electric potential with respect to a plasma sheath.
[0050]
Next, SiH of the gas supply source 19aFourGas is introduced into the chamber 11 from the gas supply ports 17a and 17b. SiH introduced into the chamber 11FourGas and O2The gas generates active species by plasma. Furthermore, cooling of the processed plate W is started with a slight delay. Then, a high frequency power for bias is applied from the RF generator 41 c to the processing target plate W through the electrostatic chuck 13. As a result, SiHFour, O2The active species generated from the substrate are drawn to the processed plate W side on the support member 12, reach the processed plate W, and are formed on the surface of the processed plate W by a chemical reaction.2Is deposited and grown on the inner wall surface of the trench 4.2Grows and the trench 4 is buried (film formation step).
[0051]
In the vicinity of the opening end of the trench 4, particularly in the tapered portion of the silicon nitride film 3, SiO2In the prior art, SiO in the trench 4 is caused by overhang or the like.2In some cases, the trench 4 was blocked with a void left in the film.
[0052]
Therefore, in the present embodiment, in the film forming step, the NF of the gas supply source 19dThreeThe gas is introduced into the chamber 11 from the gas supply ports 17a and 17b. At this time, plasma is generated in the chamber 11, and this plasma is NF introduced into the chamber 11.ThreeFrom gas, NFThreeActive species (fluorine radicals, fluorine radicals, etc.) of chemical species containing fluorine derived from gas are generated. This active species acts as an etchant in the film forming process, and is deposited on a site where overhang is likely to occur.2The film formation proceeds while being etched by the active species. Therefore, in the film forming process, SiO2Overhang is sufficiently suppressed, and SiO2Generation of voids in the film can be sufficiently prevented.
[0053]
Here, in the film forming step, the NFThreeThe gas is contained in the chamber 11 with SiHFourIt is preferable to introduce the gas into the chamber 11 after a predetermined time has passed since the gas was introduced.
[0054]
In the film forming process, NF is placed in the chamber 11.ThreeWhen gas is introduced, NFThreeActive species such as fluorine radicals derived from gas are generated. This active species is SiO during film formation.2Etch the overhanging part of SiO22However, it tends to attack the side walls of the trench 4 to cause uneven deposition of fluorine atoms or to etch the side walls of the trench 4 excessively. Therefore, SiH in the chamber 11FourBy introducing the gas for a predetermined time, the sidewall of the trench 4 is SiO.2Since a film is formed and this acts as a protective film against the active species, it is possible to sufficiently prevent the situation where the fluorine atoms are unevenly deposited on the side walls of the trench 4 or the side walls of the trench 4 are etched as described above. be able to.
[0055]
Here, the predetermined time is SiH.FourDepending on gas flow rate etc., for example SiHFour8 seconds when the gas flow rate is 50 sccm.
[0056]
SiH in the chamber 11FourNF when introducing gas for a predetermined timeThreeThe gas is preferably introduced intermittently. In this case, uneven deposition of fluorine atoms on the side walls of the trench 4 and etching on the side walls of the trench 4 are more sufficiently prevented.
[0057]
NFThreeWhen the gas is introduced intermittently, the introduction time per time is, for example, 20 seconds.
[0058]
In the film formation step, SiHFourGas and NFThreeWhen both gases are introduced into the chamber 11, SiHFourNF for gasThreeThe gas flow rate is preferably 2 or less, more preferably 1 or less.
[0059]
When the ratio of the gas flow rates exceeds 2, there is a tendency that fluorine atoms are unevenly deposited on the sidewalls of the trench 4 or the sidewalls of the trench 4 are etched by active species such as fluorine plasma.
[0060]
SiHFourGas and NFThreeWhen both gases are introduced into the chamber 11, SiHFourNF for gasThreeThe ratio of the gas flow rates is preferably 0.2 or more, more preferably 0.5 or more, and further preferably 1.0 or more. If the gas flow ratio is less than 0.2, SiO 22There is a tendency that formation of voids in the film 5 cannot be sufficiently prevented.
[0061]
In addition, SiO2The pressure in the chamber 11 when the film 5 is formed is preferably 50 mTorr or less, particularly preferably 10 mTorr or less. When the pressure in the chamber 11 exceeds 50 mTorr, SiO2There is a tendency that generation of voids in the film cannot be sufficiently prevented.
[0062]
Furthermore, the flow rate of each gas introduced into the chamber 11 is preferably the following conditions.
[Preferred conditions for each gas supply flow rate]
・ SiHFourGas: 25-100 mL / min
・ O2Gas: 50 to 200 mL / min
Ar gas: 0 to 200 mL / min
・ NFThreeGas: 25-100 mL / min
Furthermore, the frequency of the high frequency power applied from the RF generators 41a and 41b is preferably 1.8 to 2.2 MHz, and the output is preferably 1000 to 5000 W. These are the same in the RF generators 41a and 41b. It may or may not be. On the other hand, the frequency of the high frequency power applied from the RF generator 41c is preferably 13.56 MHz, and the output is preferably 1000 to 5000 W, more preferably 1500 to 3500 W.
[0063]
Next, for a predetermined time, SiO2After film formation, SiH from gas supply sources 19a and 19dFourGas and NFThreeThe introduction of the gas is stopped, and at the same time or substantially the same time, the application of the high frequency power from the RF generator 41c is stopped and the bias RF is stopped. At this point, SiO on the plate W to be processed2The film formation is substantially finished. Thereafter, the cooling of the processed plate W is stopped, the electrostatic chuck 13 of the processed plate W is turned off, and the application of the high frequency power from the RF generators 41a and 41b to the coils 40a and 40b is stopped. At the same time, O from the gas supply sources 19b and 19c.2The introduction of gas and Ar gas is stopped.
[0064]
According to the semiconductor device manufacturing method using the HDP type CVD apparatus 10 having such a configuration, SiHFourNF with gasThreeBy introducing the gas into the chamber 11, active species of chemical species including fluorine generated by plasma act as an etching agent while acting as an etchant.2A film is formed. As a result, SiO is deposited and grows in a portion where an overhang is likely to occur in the trench 4 formed in the target substrate W, particularly in the vicinity of the opening.2Is effectively etched. As a result, even if the width of the trench 4 is reduced, the occurrence of overhang can be suppressed, and SiO 22It is possible to sufficiently prevent the generation of voids in the trench 4 where the film is formed. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor device in which current leakage between elements and malfunction of the semiconductor device are sufficiently prevented.
[0065]
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, in the above-described embodiment, the procedure for introducing each gas into the chamber 11 and the procedure for applying high-frequency power from the RF generator are not limited to the above-described procedures.
[0066]
In the above embodiment, NF is used as the fluorine-containing gas.ThreeGas was used but NFThreeFor example, nitrogen monofluoride (N2F2) Gases may be used alone or in combination. In addition, these gases include nitrogen difluoride (NF2) Gas may be mixed. In addition, SiO2From the viewpoint of sufficiently preventing the formation of voids in the film, a fluorine-containing gas not containing nitrogen atoms, such as carbon fluoride (CFX), Silicon fluoride (SiF)X) Etc. can also be used. However, the fluorine-containing gas is fluorocarbon (CFX) And SiO2Carbon remains in the film 5, and SiO2The insulation resistance of the film 5 tends to be low, and the fluorine-containing gas is changed to silicon fluoride (SiFX) And SiO2SiF remains as an impurity in the film 5, and this diffuses in a subsequent annealing step, and there is a tendency that fluorine atoms are unevenly deposited on the sidewalls of the trench 4 or the sidewalls of the trench 4 are etched. On the other hand, when the fluorine-containing gas contains nitrogen atoms, SiN remains in the insulating film.2There is no adverse effect on the insulating properties of the film. Further, as compared with the case where the fluorine-containing gas does not contain nitrogen atoms, the uneven accumulation of fluorine atoms on the sidewalls of the trench 4 and the etching on the inner surface of the trench 4 can be sufficiently prevented.
[0067]
Furthermore, although the silicon substrate 1 is used as the semiconductor substrate, Ge, SiGe, GaAs, InAs, InP, or the like can be used instead of silicon.
[0068]
Next, the contents of the present invention will be described more specifically using examples and comparative examples.
[0069]
【Example】
Example 1
The silicon substrate 1 was thermally oxidized to form a silicon thermal oxide film 2 having a thickness of about 10 nm on the surface of the silicon substrate 1. Next, a silicon nitride film 3 having a thickness of 150 nm was formed on the silicon substrate 1. Next, the silicon thermal oxide film 2 and the silicon nitride film 3 were patterned to expose the surface of the silicon substrate 1.
[0070]
Thereafter, a trench 4 having a width of 0.13 μm was formed in the silicon substrate 1 by dry etching using the silicon nitride film 3 as a mask layer. At this time, the length from the upper surface of the silicon nitride film 3 as the mask layer to the bottom of the trench 4 (depth of the groove from the surface of the silicon nitride film 4) was set to about 0.45 μm. Next, SiOD is deposited on the silicon substrate 1 under the following film formation conditions using the HDP type CVD apparatus shown in FIG.2A film 5 was formed.
[Film formation conditions]
-Chamber pressure: 2 mTorr
・ Film formation temperature: 600 ℃
・ SiHFourGas flow rate: 50 mL / min
・ O2Gas flow rate: 100 mL / min
・ NFThreeGas flow rate: 50 mL / min
RF generator 41a (side): frequency 2.0MHz, output 3500W
-RF generator 41b (top): frequency 2.0MHz, output 5000W
During film formation, NFThreeThe gas is SiHFourThe gas was introduced into the chamber 11 simultaneously with the gas.
[0071]
SiO film thus formed2The cross section of the film was observed with a scanning electron microscope (S5000, manufactured by Hitachi, Ltd.). The result is shown in FIG.
[0072]
  (Reference example)
  Among the above film forming conditions, NFThreeGas is SiF4In the same manner as in Example 1, except that2A film was formed. Then, in the same manner as in Example 1, the deposited SiO2The cross section of the film was observed. The results are shown in FIG.
[0073]
(Comparative Example 1)
Among the above film forming conditions, NFThreeA SiO 2 film is formed on the silicon substrate in the same manner as in Example 1 except that the gas flow rate is zero.2A film was formed. Then, in the same manner as in Example 1, the deposited SiO2The cross section of the film was observed. The results are shown in FIG.
[0074]
  Example above1. Reference exampleFrom the results of Comparative Example 1 and NF,ThreeWhen not added, SiO2In the film 5, it has been found that a large void 50 is formed not only inside the trench 4 but also above the trench 4 (see FIG. 5).
[0075]
In contrast, NF in the film formation processThreeWhen SiO is added, SiO2In the film 5, no void was observed (see FIG. 3). SiFFourWhen SiO is added, SiO2In the film 5, the void 50 was observed inside the trench 4 (see FIG. 4), but it was found that the void 50 was considerably smaller than when no fluorine-containing gas was added.
[0076]
(Example 3)
SiHFour8 seconds after introducing gas into the chamber 11 NFThreeExcept that the gas was intermittently introduced into the chamber 11, SiO 2 was formed on the silicon substrate 1 in the same manner as in Example 1.2A film was formed. At this time, NFThreeThe time for introducing the gas into the chamber 11 was 20 seconds, and the time for not introducing it was 8 seconds, which were alternately performed. As a result, NFThreeSiO in the first 8 seconds without introducing gas2Deposit 300 mm of film, then NFThreeSiO in 20 seconds after introducing gas2A film of 750 mm was deposited. Then, in the same manner as in Example 1, the deposited SiO2The cross section of the film was observed.
[0077]
Example 4
SiHFour40 seconds after the gas is introduced into the chamber 11 NFThreeExcept that the gas was introduced into the chamber 11, SiO 2 was formed on the silicon substrate 1 in the same manner as in Example 1.2A film was formed. At this time, NFThreeThe gas was introduced into the chamber 11 for 160 seconds. As a result, NFThreeSiO in the first 40 seconds without introducing gas2Deposit 1500 of film, then NFThreeIn 160 seconds after introducing gas, SiO2A film of 6000 mm was deposited. Then, in the same manner as in Example 1, the deposited SiO2The cross section of the film was observed.
[0078]
From the results of Example 3 and Example 4, NFThreeIn the case of Example 4 where the gas was not intermittently introduced, SiO 22Although no voids were found in the film 5, fluorine atoms were unevenly deposited on the side walls of the trench 4. In contrast, NFThreeIn the case of Example 3 where gas was introduced intermittently, SiO2It was found that not only voids were found in the film 5, but also the area where fluorine atoms were unevenly deposited on the side walls of the trench 4 was sufficiently smaller than in the case of Example 4.
[0079]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the overhang of the insulating film is suppressed, and the formation of voids in the insulating film can be sufficiently prevented. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor device in which current leakage between elements and malfunction of the semiconductor device are sufficiently prevented.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1G are process diagrams showing a series of steps for manufacturing a semiconductor device having an STI structure. FIGS.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of an HDP type CVD apparatus that performs a film forming process.
FIG. 3 shows SiO according to Example 1.2It is sectional drawing which shows a film | membrane.
4 shows SiO 2 according to Example 2. FIG.2It is sectional drawing which shows a film | membrane.
FIG. 5 shows SiO according to Comparative Example 1.2It is sectional drawing which shows a film | membrane.
FIG. 6A is a diagram illustrating SiO in a film forming process.2Sectional drawing which shows the state in which the film | membrane is overhanging, (b) is SiO obtained by the film-forming process2It is sectional drawing which shows the state in which the void has generate | occur | produced in the film | membrane.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate (semiconductor substrate), 4 ... Trench (concave part), 5 ... SiO2Film (insulating film).

Claims (6)

シリコン基板に該シリコン基板をエッチングしてなるトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
前記トレンチが形成されたシリコン基板をチャンバ内に収容する収容工程と、
前記チャンバ内でプラズマを生成させるプラズマ生成工程と、
前記チャンバ内に、SiH ガス、O ガス、およびNF ガスを共に導入して前記トレンチを絶縁膜で埋め込む成膜工程と、
前記シリコン基板の表面より上の前記絶縁膜を除去して素子間分離構造を得る除去工程と、を含み、
前記成膜工程において、前記SiH ガス及び前記O ガスの導入を開始して所定時間経過してから前記NF ガスを導入することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
A trench forming step of forming a trench formed by etching the silicon substrate in the silicon substrate ;
A housing step of housing the silicon substrate in which the trench is formed in a chamber;
A plasma generating step for generating plasma in the chamber;
Into the chamber, and the deposition step of embedding the SiH 4 gas, O 2 gas, and NF 3 gas together by introducing the trench with an insulating film,
See containing and a removal step of obtaining a device isolation structure wherein the insulating film is removed above the surface of the silicon substrate,
In the film forming step, the NF 3 gas is introduced after a predetermined time has elapsed after the introduction of the SiH 4 gas and the O 2 gas is started .
前記NFNF 3 ガスは、間欠的に導入されることを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイスの製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the gas is intermittently introduced. 前記トレンチ形成工程において、前記トレンチの幅が0.15μm以下となるように前記トレンチを形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体デバイスの製造方法。3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein, in the trench formation step, the trench is formed so that a width of the trench is 0.15 μm or less. 前記トレンチ形成工程において前記シリコン基板の表面上にマスク層が設けられており、前記マスク層の表面から前記トレンチの底部までの長さと、前記トレンチの幅が下記式:In the trench forming step, a mask layer is provided on the surface of the silicon substrate, and the length from the surface of the mask layer to the bottom of the trench and the width of the trench are expressed by the following formula:
d/t≧3.0d / t ≧ 3.0
(上記式中、dは、前記マスク層の表面から前記トレンチの底部までの長さを表し、tは前記トレンチの幅を表す)を満たすことを特徴とする請求項3に記載の半導体デバイスの製造方法。4. The semiconductor device according to claim 3, wherein d represents a length from a surface of the mask layer to a bottom of the trench, and t represents a width of the trench. 5. Production method.
前記成膜工程において、前記SiHIn the film forming step, the SiH 4 ガスに対するNFNF for gas 3 ガスの流量比を2以下にすることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体デバイスの製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a gas flow ratio is set to 2 or less. 前記成膜工程において、前記SiHIn the film forming step, the SiH 4 ガスに対するNFNF for gas 3 ガスの流量比を0.2以上にすることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体デバイスの製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the gas flow ratio is 0.2 or more.
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