JP4039504B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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【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関し、さらに詳しくは、素子分離部を備えた半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路において素子間を電気的に分離するために、半導体基板を選択的に酸化して厚いフィールド酸化膜を形成する方法、いわゆる口コス法(LOCOS法)が用いられてきた。しかし、ロコス法ではフィールド酸化膜の端部にバーズビークが現れるので、広い素子分離部を必要とする。よって、これを考慮して素子の設計を行わなければならなず、素子領域が狭くなるという問題がある。
【0003】
近年の半導体集積回路の高集積化に伴って、素子分離部をより小さくできるトレンチ分離を用いる方法が採用されつつある。トレンチ分離法とは、素子間分離を行なう領域に素子間を電気的に分離するのに必要な深さを有する溝(トレンチ)を設け、さらにこのトレンチを絶縁体等で埋込むことにより、このトレンチを挟む領域間の電気的絶縁を行う方法である。この方法により、素子寸法と比較して十分に小さいトレンチを形成することができ、半導体集積回路のより一層の高集積化が達成される。
【0004】
例えば、特公平7−79127号公報は、半導体基板にトレンチを形成し、この基板上にTEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)等の絶縁膜をトレンチを埋め込むようにして堆積し、基板が露出するまでエッチバック法や化学的機械研磨(CMP)法を行うことにより素子分離部を形成する方法を記載している。
【0005】
さらに、半導体集積回路技術の進展にともない、一種類の素子分離部のみではなく、回路内において、深さの異なるトレンチ素子分離部を必要に応じて用いる方法が提案されている。
【0006】
例えば、CMOS回路においては、異なるウェル間の素子分離には深い素子分離部を設け、同じウェル内での素子分離には浅い素子分離部を設けることにより、確実にラッチアップを防止すると共に、回路の高速化も達成できる。一方、バイポーラ回路においても、通常の深い素子分離部以外にベース−コレクタ間耐圧を向上させるための浅い分離領域を設けることにより、高速、高耐圧のバイポーラ素子を形成することができる。さらに、バイポーラとCMOSがともに存在するような回路にも、2種類の深さの素子分離が必要である。このような深さの異なるトレンチの形成は、従来、通常のトレンチ形成工程を2回以上くり返し、それぞれのトレンチを形成するためのエッチング工程におけるエッチング時間およびエッチング条件を変えることによって行なわれている。
【0007】
例えば、特開平7−66276号公報に従来例として記載される、深さの異なるトレンチを形成する方法を以下に説明する。
【0008】
最初に、半導体基板として用いられるシリコンウェハ表面に、後にトレンチエッチングを行なう際のエッチングマスクとして用いるためのSiO2膜を形成する。
【0009】
次いで、フォトリソグラフィー法によって、SiO2膜上に、第1のトレンチ領域のみ開口しているレジストパターンを形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとしてSiO2膜をドライエッチング法によりエッチングする。
【0010】
さらに、SiO2膜のエッチングマスクとして用いたレジストパターンを除去してから、第1のトレンチ領域のみ開口しているSiO2膜をエッチングマスクとしてシリコンウェハ表面をエッチングすることにより、第1のトレンチを得る。 次に、形成された第1のトレンチ内部を熱酸化法とCVD法を用いてSiO2で埋め込み、表面を平坦化することにより第1のトレンチ分離領域が形成される。 次いで、第2のトレンチ領域を形成するために用いるエッチングマスクとして機能するSiO2膜を形成し、次いで第1のトレンチの場合と同様にフォトリソグラフィー法により第2のトレンチ領域のみ開口しているレジストパターンを形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとしてSiO2膜をドライエッチング法によってエッチングする。
【0011】
さらにSiO2膜のエッチングマスクとして用いたレジストパターンを除去してから、第2のトレンチ領域のみ開口しているSiO2膜をエッチングマスクとしてシリコンウェハ表面をエッチングすることにより第2のトレンチが形成される。この時、トレンチエッチングの条件を第1のトレンチ形成プロセスの場合と変えることにより、深さや形状等の異なる第2のトレンチを形成することができる。
【0012】
次に第2のトレンチ内へのSiO2の埋込み、さらにウェハ表面の平坦化を行なうことにより、2種の異なる深さを持ったトレンチ分離領域を形成することができる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の方法では、深さの異なるトレンチを形成するために、トレンチ分離形成プロセスを全て、トレンチの種類数に応じてくり返して行わなければならないため、工程数が大幅に増加してしまうという問題点があった。さらに、レジストを形成するために、アライメントを必要とする露光をそれぞれ独立して行なわなければならない。このため、トレンチ間にアライメント誤差が生じてしまうという問題があった。
【0014】
このような問題を解決するために、前述の特開平7−66276号公報は、エッチングマスクを工夫する方法とイオン注入を用いる方法とを提案している。しかし、いずれの方法もフォトリソグラフィー法を2回用いる必要があり、余分な工程を含んでるためスループットの低下を招いていた。
【0015】
一方、特開平9−260485号公報は、エッチングの際に、マイクロローディング効果を用いて異なる深さのトレンチ素子分離部を形成する方法を開示している。この方法を用いた場合、素子分離深さは素子分離幅、すなわちエッチングによりトレンチを形成する時のトレンチ開口幅に依存する。詳細には、トレンチ開口幅の広い領域で深く、トレンチ開口幅の挟い領域で浅く形成される。
【0016】
この方法によれば、エッチングによりトレンチを形成した後にトレンチを絶縁体で埋め込む場合に、開口幅が広く、深さが深いトレンチの埋め込みは、これに堆積する絶縁膜などの層の堆積膜厚を大きくしなければならず、非常に製造が難しくなるという問題があった。例えば、図10に示すように、半導体基板11上に形成された開口幅の広いトレンチ12と開口幅の狭いトレンチ13とを、絶縁体材料を堆積させて埋め込み、埋め込み絶縁体膜14を形成する場合に、トレンチ12において埋め込みが良好でない部分15が生じる。よって、ウェハー基板上にくぼみ(段差)が生じ、ダストの発生およびエッチング不良などを招き、歩留まりが低下するという問題がある。さらに、このような段差は電気的性能にも影響し、トランジスタの電流電圧特性においてキンク現象を招き、安定したデバイス設計が行えなくなる。
【0017】
これに対して、トレンチ開口幅が狭い領域では、一般に最小加工寸法で設計を行うことが多い。上記のようにマイクロローディング効果を用いて異なる深さのトレンチ素子分離の製造を行う場合、トレンチ開口幅が小さい程マイクロローディング効果が顕著に作用する。よって、最小加工寸法でトレンチ開口幅を設計すると、開口幅のわずかなばらつきおよびエッチングパターンの形状に依存して、エッチング深さが影響されやすく、トレンチ深さが大きく変化する問題がある。そのため、デバイスを安定して動作させることが難しく、デバイスの設計が難しくなるという問題点がある。
【0018】
本発明の目的は、上記のような問題点を解決し、トレンチ形成プロセスの工程数の増加を最小限に抑えて、異なる深さのトレンチを制御よく、かつアライメント誤差を生じることなく形成する半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0019】
本発明の半導体装置の製造方法は、酸化膜が形成された半導体基板の該酸化膜上にマスク層を堆積する工程と、前記マスク層に、それぞれが前記酸化膜に達する第1開口部と第2開口部とを、該第2開口部の開口幅が該第1開口部の開口幅よりも広く、かつ、前記酸化膜においてプラズマエッチングにより逆マイクロローディング効果が発生する条件で形成する工程と、次いで、前記マスク層をマスクとして前記酸化膜をプラズマエッチングすることにより、該酸化膜に、前記第1開口部に対応させて前記半導体基板に達する第3開口部と、前記第2開口部に対応させて前記半導体基板に達しない第4開口部とをそれぞれ形成する工程と、次いで、前記酸化膜をマスクとして、該酸化膜と前記半導体基板とを、該半導体基板のエッチングレートが該酸化膜のエッチングレートよりも大きい条件でエッチングすることによって、前記第3開口部および前記第4開口部のそれぞれに対応した前記半導体基板の領域に、トレンチを、該第4開口部に対応した領域よりも該第3開口部に対応した領域において深く形成する工程と、を包含する
【0020】
好適な実施態様においては、前記トレンチを形成する工程に次いで、前記半導体基板上に誘電体材料を堆積して、前記トレンチを該誘電体材料で埋め込む工程と、次いで、前記半導体基板の表面が露出するように、前記誘電体材料を除去する工程とをさらに包含する
【0026】
以下に本発明の作用を説明する。
【0027】
本発明によれば、エッチングによってマスク層に第1領域と第1領域よりも幅の広い第2領域とを形成し、このマスク層をマスクとして、半導体基板をエッチングして第1領域に第2領域よりも深いトレンチを形成する。このように形成された2種類のトレンチは、幅の広い方が深さが浅いので、これらを埋め込んで素子分離部を形成する場合に良好な段差被覆性(ステップカバレッジ)を示す。このような幅の広い方が深さが浅い2種のトレンチを形成する方法は、半導体基板および/またはマスク層のエッチング速度が、第1領域と第1領域よりも幅の広い第2領域とで異なる現象(マイクロローディング効果および/または逆マイクロローディング効果)を利用することによって達成される。
【0028】
本発明の好適な実施態様においては、半導体基板の第1領域におけるエッチング速度が、第1領域よりも幅の広い第2領域におけるエッチング速度よりも速い。これは、圧力などのエッチング条件を適切に選択して、逆マイクロローディング効果を利用することによって達成される。好適な実施態様においては、半導体基板のエッチング時の圧力は1mTorr以上、90mTorr以下である。このように圧力条件を比較的低くすることによって、逆マイクロローディング効果を効果的にもたらすことができる。
【0029】
本発明の好適な実施態様においては、マスク層のエッチング工程において、第1領域と第2領域に厚さの異なるマスク層が残留する。これは、第1領域におけるエッチング速度が、第1領域よりも幅の広い第2領域におけるエッチング速度よりも速くなるように、すなわち逆マイクロローディング効果をもたらすようにマスク層のエッチング条件を適切に選択することにより達成される。このようにして形成された第1領域のマスク層残留膜厚は、第2領域のものよりも薄い。第2領域よりもマスク層残留膜厚が薄い第1領域を有するマスク層をマスクとしてエッチングすることにより、マスク層と半導体基板とのエッチング選択比が異なることを利用することができる。よって、幅の広い方が深さが浅い2種のトレンチを形成することができる。
【0030】
あるいはまた、上記のマスク層のエッチング工程において第1領域と第2領域に厚さの異なるマスク層を残留させることは、本発明の好適な実施態様に示すように、第1領域におけるエッチング速度が、第1領域よりも幅の広い第2領域におけるエッチング速度よりも遅くなるように、すなわちマイクロローディング効果をもたらすように、酸化防止膜を含むマスク層をプラズマエッチングすることにより達成される。このようにして形成された第1領域のマスク層残留膜厚は、第2領域のものよりも厚い。さらに、本発明の好適な実施態様に示すように、酸化防止膜を含み、第2領域よりもマスク層残留膜厚が厚い第1領域を有するマスク層をマスクとして半導体基板を酸化することにより、第2領域にのみ選択的に酸化膜を形成することができる。これにより、マスク層および酸化膜と半導体基板とのエッチング選択比が異なることを利用することができる。よって、幅の広い方が深さが浅い2種のトレンチを形成することができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
本明細書を通じて、用語「開口」は、その「開口」領域において層全体が除去されている必要はなく、層が少なくとも凹部を有していることを示すものとする。このときの「開口」領域の基板面に水平な方向に対する幅を「開口幅」、あるいはこの「開口」領域に形成されるトレンチの幅に等しいことから「トレンチ開口幅」とする。
【0032】
一般に、開口幅の異なる領域を通して基板をエッチングしてトレンチを形成する際に、エッチングされる深さはほぼ一定ではなく、開口幅(トレンチ開口幅)の大きさに依存する。例えば、比較的高い圧力条件下でエッチングを行った場合、開口幅が挟くなるにつれて、エッチングレートが低下する。このような現象は、一般に「マイクロローディング効果」と呼ばれ、よく知られている。
【0033】
図1(a)に示すように、マイクロローディング効果は、トレンチ開口幅が狭くなる程顕著にあらわれ、エッチングレートも急激に低下する。このような現象は、エッチングの際に、プラズマ中のラジカルがトレンチの形状的な影響を受けて、トレンチの奥深くにまで進入する量が制限されることに起因すると一般的に言われている。図2(a)は、シリコン酸化膜22に開口幅が約0.3μmおよび約2.0μmである領域を形成し、比較的高い圧力条件下(例えば、マグネトロンRIE装置を用いて、Cl2=40sccm、O2=6sccm、ガス圧力=100mTorr、RFパワー=1000Wの条件下)でエッチングした後のトレンチの形状を示す。開口幅約0.3μmのトレンチ23ではエッチング深さが約0.5μmとなり、開口幅約2.0μmのトレンチ24ではエッチング深さが約1.0μmとなった。
【0034】
これに対して本発明者らは、低圧力条件下で、高密度のプラズマエッチングによりエッチングを行った場合、マイクロローディング効果の他に、図1(b)に示すような変化が起こり得ることを見い出した。図1(b)における領域(x)の部分では、従来と同様にマイクロローティング効果が起こっている。しかし、図1(b)における領域(y)の部分では、領域(z)よりもエッチングレートが増加している。このような現象をマイクロローディング効果と対比させて、「逆マイクロローディング効果」に起因するものとする。図2(b)は、シリコン酸化膜22に開口幅が約0.3μmおよび約2.0μmである領域を形成し、比較的低い圧力条件下(例えば、ECR装置を用いて、Cl2=40sccm、O2=6sccm、ガス圧力=3mTorr、マイクロ波パワー=220W、RFパワー=90Wの条件下)でエッチングした後のトレンチの形状を示す。開口幅約0.3μmのトレンチ23ではエッチング深さが約1.05μmとなり、開口幅約2.0μmのトレンチ24ではエッチング深さが約0.8μmとなった。
【0035】
このような現象が起こる範囲は、エッチングガスによって変わるが、エッチング時の圧力が比較的高い場合にはほとんど起こらず、比較的低い場合に起こる。具体的には、圧力が約1mTorrから約90mTorrの範囲である場合に起こり、特に、約1mTorrから約10mTorrの範囲である場合に顕著であった。エッチング圧力が、約1mTorrから約90mTorrの範囲であるような、比較的低い条件下では、マイクロローディング効果がより起こりにくく、このような逆マイクロローディング効果による現象が起こると考えられる。
【0036】
上記のようにエッチング条件を適切に選択することにより、開口幅のより狭い領域の方が開口幅のより広い領域よりも、エッチングレートを大きく、形成されるトレンチの深さを深くすることが可能である。
【0037】
本発明では、このようにして形成されるトレンチ深さを制御するために、図1(b)に示すように、あらかじめ開口幅とエッチングされる深さの関係の測定を行った。トレンチ深さのばらつきがデバイスに及ぼす影響を考慮して、開口幅の設計ばらつきに対応するトレンチ深さのばらつきがデバイスにほとんど影響しないように、エッチングレートの変化(図中では、エッチング深さの変化に相当)の充分少ない開口幅の範囲を、図1(b)における領域(y)と領域(z)においてそれぞれ決める。このように決定した開口幅の範囲に基づいてマスクパターンのトレンチ開口幅のサイズを決める。そして、このサイズに基づきデバイスを設計する。このように設計されたデバイスは、トレンチ開口幅が広い領域でトレンチ深さを浅く、トレンチ開口幅の狭い領域でトレンチ深さを深く設定されている。
【0038】
なお、逆マイクロローディング効果が起こる機構は、以下のように考えられるが、本発明はこれに限定されるものではない。トレンチエッチングの場合と、マスクエッチングの場合について、それぞれ用いられるガス種(エッチャント)が異なるので、逆マイクロローディング効果が起こる機構も異なると考えられる。
【0039】
トレンチエッチングの場合については、トレンチの側壁に対して浅い角度で入射した高エネルギーのイオンに起因すると考えられる。浅い角度で入射したイオンがトレンチ側壁部で反射された反射イオン、および/またはこのように入射したイオンによってトレンチ側壁部がスパッタされて生成した高エネルギーのイオンが、トレンチの底部に衝突して、その場所のエッチング速度を向上させていると考えられる。あるいは、トレンチの側壁部に吸着されたエッチャントが上記のように入射したイオンによってスパッタされて、トレンチの底部に供給され、その場所のエッチング速度を向上させていると考えられる。これらのエッチング速度が増加する機構は、本発明のような条件下においては、開口幅の広いトレンチよりも開口幅の狭いトレンチにおいて著しく、逆マイクロローディング効果が起こると考えられる。さらに、マスクなどからのエッチング生成物または堆積性のラジカルがトレンチ内に堆積してエッチング速度に影響を与える場合、本発明のような条件下においては、開口幅の広いトレンチの底部に堆積しやすく、開口幅の狭いトレンチの底部に堆積しにくくなり、開口幅の狭いトレンチの方が開口幅の広いトレンチよりもエッチング速度が低下しにくくなっていると考えられる。実際には、これらの機構が複合して、逆マイクロローディング効果が起こると思われる。
【0040】
マスクエッチングの場合については、通常、エッチング速度はエッチャント(ラジカル)の量が多くなるにつれて増加するが、ラジカルの量が多すぎるとトレンチの底部に過剰にラジカルが堆積して、エッチング速度は減少する。開口幅の狭いマスクでは、ラジカルはマスクの側壁部に付着して、底部にまで到達しにくくなる。従って、本発明のような条件下においては、開口幅の広いマスクではラジカルが過剰に堆積して底部のエッチング速度は低下するが、開口幅の狭いマスクではこのようなラジカルの過剰堆積が起こらないのでエッチング速度は開口幅の広いトレンチよりもエッチング速度が大きくなると考えられる。
【0041】
以下に本発明に実施の形態を詳細に説明する。
【0042】
まず、半導体基板上の全面にマスク層を形成する。半導体基板材料としては、任意の適切な材料を用い得るが、例えば、シリコン、およびGaAsなどの化合物半導体などが挙げられる。マスク層としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、およびシリコン窒化酸化膜、ならびにフォトレジストおよび多層レジストなどが挙げられる。
【0043】
このマスク層を、例えばフォトリソグラフィー法によってエッチングして、上記のように設定された開口幅の異なる領域を形成する。
【0044】
このマスク層をマスクとして半導体基板をエッチングして、基板表面に異なる深さのトレンチを形成する。ここで、先に開口幅を決める際に用いた、異なる開口幅の間でエッチング深さに差が生じる条件下でエッチングを行う。この工程は、比較的低い圧力条件下で行われることが好ましく、具体的には、約1mTorr以上、約90mTorr以下が好ましく、より好ましくは約1mTorr以上、約10mTorr以下である。このような圧力条件下では、エッチング深さに差が生ずる効果が顕著である。図1(b)に示すエッチング深さの絶対値は、この例に限るものではない。さらに、エッチングガス種、流量、およびRFパワー等の条件は任意の適切な条件を取り得る。必要に応じて各デバイスに必要な深さになる条件を適宜選択すれば良い。
【0045】
これにより、開口幅のより狭い領域でより深いトレンチを、開口幅のより広い領域でより浅いトレンチを制御良く形成することができる。このように、開口幅とトレンチ深さとの関係が規定されるので、後のトレンチ埋め込みが容易に行える。
【0046】
本発明の別の実施形態においては、マスク層をエッチングする際に、マスク層を半導体基板に達するまでエッチングせずに、開口領域の半導体基板上にマスク層の一部を残留させて、開口幅のより広い領域と、開口幅のより狭い領域とでマスク層が残留する層厚を変えても良い。この方法は、マスクの開口幅によってエッチングの深さの違うエッチング条件、すなわちマイクロローディング効果が起こる条件下、または逆マイクロローディング効果が起こる条件下でエッチングを行って、マスクの残膜を変化させることにより実施され得る。この工程は、例えば、マイクロローディング効果が発生するプラズマエッチングによって行われても良い。
【0047】
このマスク層のエッチングの後に、トレンチを形成するためのエッチングを行う。このトレンチを形成するエッチング工程(以下、トレンチエッチング工程とする)では、必ずしも逆マイクロローディング効果が起こるようなエッチング条件を選択する必要はない。このトレンチエッチング工程では、まずマスク層の残留部分がエッチングされ、次いで半導体基板がエッチングされる。つまり、マスク層の残留部分のエッチングが完了するまでは、半導体基板のエッチングは行われない。その結果、開口幅の広い領域と狭い領域とで半導体基板のエッチングが開始される時間が異なり、よって形成されるトレンチ深さが異なる。このようにして形成されるトレンチの深さは、マスク層の残留層厚、およびトレンチエッチング工程におけるマスク層と半導体基板とのエッチングレートの比で決まる。従って、トレンチエッチング工程におけるエッチング条件を変えることによりエッチングレートの比を変化させ、形成されるトレンチの深さをコントロールすることができる。
【0048】
また、本発明の別の実施形態においては、マスク層は、窒化シリコン膜等からなる酸化防止膜を含み、マスク層をエッチングする工程と、トレンチエッチング工程との間に、該半導体基板を酸化する工程をさらに包含しても良い。
【0049】
そのマスク層を、トレンチの開口幅に依存してエッチングレートに差が生じる条件下でエッチングを行う。例えば、マイクロローディング効果が発生するプラズマエッチングなどにより達成される。これにより、開口幅のより狭い領域には酸化防止膜層を好ましくは約5nm以上残し、開口幅のより広い領域では酸化防止層を完全に取り除く。その後、半導体基板を選択酸化する。次いで、マスク層を利用してトレンチエッチングを行う。
【0050】
その結果、開口幅の小さいトレンチを深く、開口幅の広いトレンチを浅くすることが可能となり、埋め込みが容易に行えるトレンチを形成することが可能となった。
【0051】
【実施例】
(参考例1)
参考例は、半導体基板上にシリコン酸化膜層を形成し、このシリコン酸化膜層をエッチングマスクとして用いて、異なる深さのトレンチをエッチングにより形成し、その後、トレンチの埋め込みを行って、トレンチ素子分離部を形成する、半導体装置の製造例である。さらに本参考例は、トレンチエッチング時に逆マイクロローディング効果を応用した、半導体装置の製造例である。
【0052】
以下、図3(a)〜(e)を参照して本参考例を説明する。
【0053】
図3(a)を参照して、シリコンからなる半導体基板31を熱酸化して、約0.2μmの膜厚のシリコン酸化膜32を形成した。このシリコン酸化膜32は、後にトレンチをエッチングにより形成する際にエッチングマスクとして用いられる。このシリコン酸化膜32の上に、フォトリソグラフィー法によって、レジストマスク33をパターニングした。ここで、レジストは、化学増幅型レジストを用い、エキシマステッパーで露光を行った。このとき、深いトレンチ部を形成する部分である狭い開口部(図中左側)のレジストマスク33の開口幅は、約0.2〜約0.5μmの範囲、例えば、0.3μmとし、浅いトレンチを形成する部分である広い開口部(図中右側)のレジストマスク33の開口幅は、約1μm以上、例えば、1.5μmとした。
【0054】
次に、図3(b)に示すように、このレジストマスク33を用いてシリコン酸化膜32をエッチングした。ここで、エッチング装置はマグネトロンRIE装置を用いた。このときのマスクエッチング条件を以下に示す。
【0055】
CHF3=約60sccm
CF4=約30sccm
Ar=約10sccm
ガス圧力=約50mTorr
RFパワー=約700W(約13.56MHz)
このエッチング工程において、オーバエッチを約50%行った。これにより、開口幅約0.2〜約0.5μmの部分においても、開口幅約1.0μm以上の部分においても、エッチングによってシリコン酸化膜32が完全に取り除かれた。
【0056】
次いで、アッシングおよび洗浄を行ってレジストマスク33を除去した後に、図3(c)に示すように、シリコン酸化膜32をエッチングマスクとしてエッチングして、トレンチ34および35を形成した。このときのトレンチ34および35を形成するためのエッチング(トレンチエッチング)条件を以下に示す。
【0057】
Cl2=約40sccm
2=約6sccm
ガス圧力=約3m
Torrマイクロ波パワー=約220W
RFバイアスパワー=約90W(約2MHz)
上記のような条件を用いた場合、トレンチ開口幅(本参考例においてはシリコン酸化膜32の開口幅)と、エッチング深さの関係は図4に示すようになることが、あらかじめの測定によりわかっている。図4より、トレンチ開口幅が約0.2〜約0.5μmの範囲の場合はエッチングレートが速く、トレンチ開口幅が約1μm以上の場合はエッチングレートが遅い。また、トレンチ開口幅が約0.2〜約0.5μmの範囲では、開口幅の変化に対してエッチング深さはほぼ一定であり、比較的安定している。これに対して、開口幅が約0.6〜約0.9μmの範囲では、開口幅の変化に対して、エッチング深さが急激に変化する。さらに、開口幅が約1.0μm以上の範囲では、開口幅の変化に対してエッチング深さはほぼ一定であり、比較的安定している。前もって開口幅を設計する際に、開口幅のばらつきに起因するエッチングの深さのばらつきが大きくならないように、開口幅の寸法を決定する必要がある。
【0058】
そこで、本参考例では、トレンチの開口幅を上述のように、約0.2〜約0.5μm、および約1μm以上に設定した。その結果、図3(c)に示すようにマスクの開口幅が約0.2〜約0.5μmの場合では、深さ約1.05μmのトレンチ34が形成され、マスクの開口幅が約1μm以上の場合では、深さ約0.8μmのトレンチ35が形成された。
【0059】
次いで、この基板を洗浄した後に、図3(d)に示すようにCVD法によりシリコン酸化物からなる誘電体材料を基板全面に堆積して、このシリコン酸化膜36で、トレンチ34および35をステップカバレッジ良く埋め込んだ。このトレンチの埋め込み工程において、開口部が広いトレンチ部分はトレンチ深さが浅いので、開口部が広いトレンチ部分であっても容易にトレンチを埋め込むことが出来た。
【0060】
次に、図3(e)に示すように、エッチバック法によりシリコン基板が露出するまでシリコン酸化膜36および32をエッチングした。
【0061】
以上のようにして、トレンチ34および35が埋め込まれたトレンチ素子分離部が得られた。さらに、シリコン基板上にくぼみが生ずることなくトレンチ素子分離部を形成する事ができた。
【0062】
参考例では、トレンチエッチング時のエッチングマスクとしてSiO2層を採用したが、SiNx層またはSiOxNy層、あるいは各種金属膜等の無機マスクを用いても良い。あるいはまた、レジストマスクや多層レジストマスク等を用いても良い。
【0063】
(実施例)
本実施例は、半導体基板上にシリコン酸化膜層を形成し、このシリコン酸化膜層をエッチングマスクとして用いて、異なる深さのトレンチをエッチングにより形成した、半導体装置の製造例である。さらに本実施例は、シリコン酸化膜層加工時に逆マイクロローディング効果を応用した、半導体装置の製造例である。
【0064】
以下、図5(a)〜(c)を参照して本実施例を説明する。
【0065】
図5(a)を参照して、シリコンからなる半導体基板51を熱酸化して、約0.35μmの膜厚のシリコン酸化膜を形成した。このシリコン酸化膜52の上に参考例1と同様に、フォトリソグラフィー法によって、レジストマスク53をパターニングした。このとき、深いトレンチ部を形成する部分である狭い開口部(図中左側)のレジストマスク53の開口幅は、約0.2〜約0.5μmの範囲、例えば、0.24μmとし、浅いトレンチを形成する部分である広い開口部(図中右側)のレジストマスク53の開口幅は、約1μm以上、例えば、1.8μmとした。
【0066】
次に、図5(b)に示すように、このレジストマスク53を用いてシリコン酸化膜52をエッチングした。ここで、エッチング装置はICPプラズマ型装置を用いた。このときのマスクエッチング条件を以下に示す。
【0067】
26=約30sccm
ガス圧力=約3mTorr
RFパワー=約700W
上部電極パワー=約2500W
このエッチング工程において、オーバエッチを行わずに、約0.2〜約0.5μmの狭い開口部においてシリコン酸化膜52が全てエッチングされて、半導体基板51が露出したときにエッチングを終了した。
【0068】
上記のような条件を用いた場合、トレンチ開口幅(本実施例においてはレジストマスク53の開口幅)と、エッチング深さの関係は図6に示すようになることが、あらかじめの測定によりわかっている。図6より、トレンチ開口幅が約0.2〜約0.5μmの範囲の場合はエッチングレートが速く、トレンチ開口幅が約1μm以上の場合はレートが遅い。
【0069】
従って、図5(b)に示すように、狭い開口部においてシリコン酸化膜53が全てエッチングされて、半導体基板51が露出したときにエッチングを終了して、広い開口部において約0.05μmのシリコン酸化膜の残膜を残した。
【0070】
次いで、アッシングおよび洗浄を行ってレジストマスク53を除去した後に、図5(c)を参照して、シリコン酸化膜52をエッチングマスクとしてエッチングして、トレンチ54および55を形成した。ここで、エッチング装置はECRプラズマ装置を用いた。このときのトレンチ54および55を形成するためのトレンチエッチング条件を以下に示す。
【0071】
Cl2=約40sccm
2=約2sccm
ガス圧力=約20mTorr
マイクロ波パワー=約220W
RFバイアスパワー=約90W(約13.56MHz)
この条件においては、トレンチエッチングのシリコン基板51/シリコン酸化膜52の選択比を20に設定しているので、トレンチエッチング工程においてシリコンだけでなくマスクであるシリコン酸化膜52もエッチングされることが予めわかっている。
【0072】
よって、約0.2〜約0.5μmの狭い開口部においてシリコン基板51を約1μmエッチングしたときに、約1μm以上の広い開口部においてはシリコン酸化膜52がシリコン基板51のエッチング深さの約20分の1、すなわち約0.05μmエッチングされた。これにより、広い開口部においてもシリコン酸化膜52がすべて除去されてシリコン基板51が露出した。
【0073】
約1μm以上の広い開口部でシリコン基板51が露出した後、さらにエッチング続けて、シリコンのエッチング深さで約0.5μmエッチングした。このときトレンチを形成しない領域においてシリコン酸化膜52もエッチングされるが、前述のようにシリコン酸化膜のエッチングレートが非常に遅く、シリコン酸化膜52はこの領域において半導体基板51が露出しない程度に十分な厚さを有するので、半導体基板51は露出しなかった。
【0074】
その結果、図5(c)に示すように、約0.2〜約0.5μmの狭い開口部には約1.5μmの深さのトレンチ54が形成された。これに対して、約1μm以上の広い開口部には約0.5μmの深さのトレンチ55が形成された。
【0075】
次いで、参考例1と同様の方法で、図3(d)および(e)に示すように、トレンチ54および55を埋め込み、次にシリコン酸化膜をエッチングしてシリコン基板51を露出させた。
【0076】
以上のようにして、トレンチ54および55が埋め込まれたトレンチ素子分離部が得られた。本実施例においても、参考例1と同様にくぼみが生じることなく埋め込みを行うことができた。本実施例では、シリコン基板51とシリコン酸化膜52とのエッチングの選択比を変化させることで、トレンチの深さの制御を行うことができる。
【0077】
(参考例2)
参考例は、半導体基板上に窒化シリコン層を形成し、この窒化シリコン層をエッチングマスクとして用いて、異なる深さのトレンチをエッチングにより形成した、半導体装置の製造例である。ここで、窒化シリコン層は後工程のCMP(化学的機械研磨)工程においては研磨ストッパ層として用いられる。さらに本参考例は、この窒化シリコン層加工時にマイクロローディング効果を応用した、半導体装置の製造例である。
【0078】
以下、図7(a)〜(e)を参照して本参考例を説明する。
【0079】
図7(a)を参照して、シリコンからなる半導体基板71上に応力緩和層としてシリコン酸化膜(図示せず)を約0.02μm形成し、その上にCVD装置を用いて窒化シリコン層72を約0.25μm堆積した。次に、参考例1および実施例と同様に、フォトリソグラフィー法によって、レジストマスク73をパターニングした。このとき、深いトレンチ部を形成する部分である狭い開口部(図中左側)のレジストマスク73の開口幅は、約0.2〜約0.5μmの範囲、例えば、0.2μmとし、浅いトレンチを形成する部分である広い開口部(図中右側)のレジストマスク73の開口幅は、約1μm以上、例えば、2.0μmとした。
【0080】
次に、図7(b)に示すように、マグネトロンRIE装置を用いてプラズマエッチング条件で、レジストマスク73を用いて窒化シリコン層72をエッチングした。このときのマスクエッチング条件を以下に示す。
【0081】
CHF3=約46sccm
2=約4sccm
ガス圧力=約100mTorr
RFパワー=約1.0kW(約13.56MHz)
上記のような条件を用いた場合、トレンチ開口幅(本参考例においてはレジストマスク73の開口幅)と、エッチング深さの関係は図8に示すようになることが、あらかじめの測定によりわかっている。図8より、トレンチ開口幅が約0.2〜約0.5μmの範囲の場合はエッチングレートが遅く、マスクの開口幅が約1μm以上の場合はエッチングレートが速い。
【0082】
本条件を用いて、窒化シリコン膜層72のエッチングを行い、図7(b)に示すように、エッチング終点検出装置(EPD)等を用いて、エッチングが進行して広い開口部(図中右側)において窒化シリコン膜層72のエッチングが終わり下地層であるシリコン基板71が露出した時点でエッチングを終了した。このときマイクロローディング効果により、狭い開口部(図中左側)では窒化シリコン膜層72が全てエッチングされずに約10nm以上の膜厚で残った。
【0083】
次いで、アッシングおよび洗浄を行ってレジストマスク73を除去した後に、図7(c)に示すように、この基板を酸化炉を用いて熱酸化した。
【0084】
この熱酸化工程において、狭い開口部は窒化シリコン膜層72に覆われて、半導体基板71が露出していないので、熱酸化膜が形成されなかった。これに対して、広い開口部は窒化シリコン膜層72に覆われず、半導体基板71が露出しているので、膜厚約0.1μmの熱酸化膜74が形成された。
【0085】
図9は、上記のような酸化条件下での窒化シリコン膜の残留膜厚と、窒化シリコン膜の残留する部分での窒化シリコン膜の下で酸化されるシリコン基板71の量との関係を示す図である。図9からわかるように、窒化シリコン膜の残留膜厚が約5nm以上である時には、シリコン酸化膜は全く形成されない。これは、窒化シリコン膜がある程度の厚さを有すると、酸化種が窒化シリコン層を拡散してシリコン基板まで到達することができないようになるからである。
【0086】
その後、図7(d)を参照して、この窒化シリコン層72をマスクとしてトレンチエッチングを行った。以下にこのトレンチエッチングをより詳細に説明する。
【0087】
まず、最初に、狭い開口部に残っている窒化シリコン膜層72の残膜をエッチングした。このとき、広い開口部では、シリコン酸化膜74が同時に約10nm程度エッチングされた。ここで、シリコン酸化膜74はもともと約0.1μmの膜厚を有していたので、熱酸化膜74はその約90nmがエッチングされないで残った。
【0088】
次に、実施例と同様のトレンチエッチング条件でエッチングを行った。狭い開口部では基板71がエッチングされた。これに対して、広い開口部ではシリコン酸化膜74が存在するので、シリコン酸化膜74のエッチングが終わるまで、基板71がエッチングされなかった。広い開口部で熱酸化膜74が約90nmエッチングされてその全てが除去される間に、トレンチエッチングのシリコン基板71/シリコン酸化膜74の選択比を20に設定しているので、狭い開口部ではシリコン基板71が約1.8μmエッチングされた。広い開口部でシリコン酸化膜74が全て除去されてから、さらにシリコン基板71を約0.3μmエッチングした。
【0089】
その結果、図7(d)に示すように、広い開口部では深さ約0.3μmのトレンチ76、狭い開口部では深さ約2.1μmのトレンチ75を作製することができた。
【0090】
次いで、参考例1および実施例と同様に、CVD装置でトレンチ75および76をシリコン酸化物で埋め込んだ。次いで、図7(e)に示すように、CMP装置で研磨して基板を平坦化した後、窒化シリコン膜層72を除去した。以上のようにしてトレンチ75および76が埋め込まれたトレンチ素子分離部を形成した。
【0091】
参考例では、最初の窒化シリコン膜層72のエッチングにおいて、狭い開口部で窒化シリコン膜層72が、後のシリコン基板の熱酸化を抑制し得る程度の膜厚以上であれば良いので、狭い開口部に残留する窒化シリコン膜層72の膜厚を厳密にコントロールする必要はない。異なる2つのトレンチの深さは、広い開口部で起こるシリコン基板71の酸化の量とトレンチエッチングの条件(シリコン基板/シリコン酸化膜の選択比)のみで設定することができる。すなわち、マイクロローディング効果の程度は、トレンチ深さに著しく影響せず、マイクロローディング効果が起こって、狭い開口部に窒化シリコン膜層72の残膜がある程度残留すれば良い。従って、トレンチ深さを制御よく形成することができる。
【0092】
参考例では、窒化シリコン膜層72を開口幅の異なるエッチングマスク層と、CMPストッパ層とに兼用した。
【0093】
このエッチングマスク層は単層である必要はなく、例えば、トレンチエッチングの際に選択比が必要であれば、トレンチエッチング条件において窒化シリコン膜に対するよりもシリコン酸化膜に対する方が選択比が高いことを利用して、窒化シリコン層の上に酸化膜をCVDで堆積して、多層にすることも可能である。この場合、このCVDで堆積した酸化膜は、熱酸化工程におけるシリコン基板71の酸化膜の膜厚にほとんど影響しない。
【0094】
参考例では、最初の窒化シリコン膜層72のマスクエッチング工程において、マイクロローディング効果を用いているが、これに換えて逆マイクロローディング効果を用いることもできる。この場合は、広い開口部で深いトレンチが、狭い開口部で浅いトレンチが形成される。
【0095】
以上のように、本実施例および参考例1から2では、半導体基板材料としてシリコン基板を用いたが、GaAs等の化合物半導体基板を用いても良い。
【0096】
さらにまた、エッチング装置としてマグネトロンRIE装置および基板バイアス印加型ECRプラズマエッチング装置の他に、一般的な平行平板型RIE装置、誘導結合プラズマエッチング装置、およびヘリコン波プラズマエッチング装置などの任意のエッチング装置を用いても良い。ここで、各エッチング装置の特性により、マイクロローディング効果、または逆マイクロローディング効果が発生するガス圧力やアスペクト比は、装置ファクタによって変動するので、グラフ等を予め作成してエッチング条件を設定することが望ましい。
【0097】
さらにまた、トレンチの埋め込みには酸化膜を用いて説明を行ったが、トレンチ壁面を酸化した後に、これにポリシリコンを埋め込む方法を用いることも可能である。この場合ポリシリコン膜は、酸化膜に比べて埋め込み特性が良いので、本発明の方法を用いるのに適している。
【0098】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、異なる深さのトレンチを一回のエッチングにより同時に形成することが可能となる。よって、深さの異なるトレンチ、すなわちトレンチ素子分離部を容易に形成することができる。
【0099】
さらにこれにより、複数のエッチング工程によってトレンチ素子分離部が形成される場合には必要なトレンチ間のアライメントが不要となる。よって、合わせマージンを考慮して半導体装置を設計する必要がなく、半導体セルを縮小でき、コストを低減することができる。
【0100】
さらに、エッチングに必要なマスクを形成するためのフォトリソグラフィー工程を削減することができる。従って、半導体装置をスループットよく製造することができる。
【0101】
さらにまた、本発明の製造方法は、静電容量の異なる複数のトレンチ・キャパシタの製造などに応用することが可能である。
【0102】
さらに、本発明の製造方法では、開口幅の狭いトレンチが深く、開口幅の広いトレンチが浅く形成され得るので、トレンチの埋め込みを容易に行うことができ、かつ、開口幅の広いトレンチ部での凹段差を生じにくくすることができて、トランジスタ電流電圧特性におけるキンク発生を防止する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 トレンチ開口幅とエッチング深さの関係を表す図であり、(a)は従来の製造方法、(b)は本発明の製造方法による図である。
【図2】 トレンチ開口幅と形成されるトレンチ深さとの関係を表す断面模式図であり、(a)は従来の製造方法、(b)は本発明の製造方法による断面模式図である。
【図3】 本発明の参考例1における、製造プロセスを説明する断面模式図である。
【図4】 参考例1の開口幅を設定する際に用いた、トレンチ開口幅とエッチング深さの関係を表す図である。
【図5】 本発明の実施例における、製造プロセスを説明する断面模式図である。
【図6】 実施例の開口幅を設定する際に用いた、トレンチ開口幅とエッチング深さの関係を表す図である。
【図7】 本発明の参考例2における、製造プロセスを説明する断面模式図である。
【図8】 参考例2の開口幅を設定する際に用いた、トレンチ開口幅とエッチング深さの関係を表す図である。
【図9】 参考例2の酸化条件下での窒化シリコン膜の残留膜厚と、窒化シリコン膜の残留する部分での窒化シリコン膜の下で酸化されるシリコン基板の量との関係を示す図である。
【図10】 従来の製造方法によって作製されたトレンチ素子分離部の断面模式図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including an element isolation portion.
[0002]
[Prior art]
In order to electrically isolate elements in a semiconductor integrated circuit, a method of selectively oxidizing a semiconductor substrate to form a thick field oxide film, a so-called mouth cost method (LOCOS method) has been used. However, since the bird's beak appears at the end of the field oxide film in the LOCOS method, a wide element isolation portion is required. Therefore, the element must be designed in consideration of this, and there is a problem that the element region becomes narrow.
[0003]
With the recent high integration of semiconductor integrated circuits, a method using trench isolation that can make the element isolation portion smaller is being adopted. In the trench isolation method, a trench (trench) having a depth necessary for electrically isolating elements is provided in a region where the elements are to be isolated, and this trench is buried by an insulator or the like. In this method, electrical insulation is performed between regions sandwiching a trench. By this method, a sufficiently small trench can be formed as compared with the element size, and higher integration of the semiconductor integrated circuit can be achieved.
[0004]
For example, in Japanese Patent Publication No. 7-79127, a trench is formed in a semiconductor substrate, and an insulating film such as TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) is deposited on the substrate so as to fill the trench, and the substrate is exposed. Until now, a method of forming an element isolation portion by performing an etch back method or a chemical mechanical polishing (CMP) method is described.
[0005]
Further, with the progress of semiconductor integrated circuit technology, a method has been proposed in which not only one type of element isolation portion but also trench element isolation portions having different depths are used as needed in the circuit.
[0006]
For example, in a CMOS circuit, a deep element isolation part is provided for element isolation between different wells, and a shallow element isolation part is provided for element isolation in the same well, thereby reliably preventing latch-up and Can also be achieved. On the other hand, in the bipolar circuit, a high-speed, high-breakdown-voltage bipolar element can be formed by providing a shallow isolation region for improving the base-collector breakdown voltage in addition to the normal deep element isolation portion. Furthermore, even in a circuit where both bipolar and CMOS exist, element isolation of two kinds of depths is necessary. Such trenches having different depths are conventionally formed by repeating a normal trench forming process twice or more and changing the etching time and etching conditions in the etching process for forming each trench.
[0007]
For example, a method for forming trenches having different depths described as a conventional example in Japanese Patent Laid-Open No. 7-66276 will be described below.
[0008]
First, SiO for use as an etching mask when performing trench etching later on the surface of a silicon wafer used as a semiconductor substrate. 2 A film is formed.
[0009]
Then, by photolithography, SiO 2 A resist pattern having an opening only in the first trench region is formed on the film, and the resist pattern is used as an etching mask to form SiO. 2 The film is etched by a dry etching method.
[0010]
Furthermore, SiO 2 After removing the resist pattern used as an etching mask for the film, SiO is opened only in the first trench region 2 A first trench is obtained by etching the surface of the silicon wafer using the film as an etching mask. Next, the inside of the formed first trench is SiO 2 by thermal oxidation and CVD. 2 The first trench isolation region is formed by filling in and planarizing the surface. Next, SiO that functions as an etching mask used to form the second trench region 2 A film is formed, and then a resist pattern having an opening only in the second trench region is formed by photolithography as in the case of the first trench, and this resist pattern is used as an etching mask to form SiO. 2 The film is etched by a dry etching method.
[0011]
Furthermore, SiO 2 After removing the resist pattern used as an etching mask for the film, SiO is opened only in the second trench region 2 A second trench is formed by etching the silicon wafer surface using the film as an etching mask. At this time, a second trench having a different depth and shape can be formed by changing the trench etching conditions from those in the first trench formation process.
[0012]
Next, SiO into the second trench 2 The trench isolation region having two different depths can be formed by embedding and further planarizing the wafer surface.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method as described above, in order to form trenches having different depths, the entire trench isolation formation process must be repeated according to the number of types of trenches, so the number of steps is greatly increased. There was a problem of doing. Furthermore, in order to form a resist, each exposure that requires alignment must be performed independently. For this reason, there has been a problem that an alignment error occurs between the trenches.
[0014]
In order to solve such a problem, the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-66276 proposes a method for devising an etching mask and a method using ion implantation. However, in any method, it is necessary to use the photolithography method twice, and an extra step is included, resulting in a decrease in throughput.
[0015]
On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. 9-260485 discloses a method of forming trench element isolation portions having different depths by using a microloading effect during etching. When this method is used, the element isolation depth depends on the element isolation width, that is, the trench opening width when the trench is formed by etching. Specifically, it is formed deep in a region having a wide trench opening width and shallow in a region sandwiching the trench opening width.
[0016]
According to this method, when a trench is buried by an insulator after the trench is formed by etching, the trench having a wide opening width and a deep depth is buried in the deposited film thickness of a layer such as an insulating film deposited thereon. There was a problem that it had to be made large and manufacturing was very difficult. For example, as shown in FIG. 10, a trench 12 having a wide opening width and a trench 13 having a narrow opening width formed on a semiconductor substrate 11 are buried by depositing an insulator material to form a buried insulator film 14. In some cases, a portion 15 is formed in the trench 12 which is not well filled. Therefore, there is a problem that a dent (step) is formed on the wafer substrate, dust is generated and etching is defective, and the yield is lowered. Further, such a step also affects electrical performance, causing a kink phenomenon in the current-voltage characteristics of the transistor, and a stable device design cannot be performed.
[0017]
On the other hand, in a region where the trench opening width is narrow, the design is generally performed with a minimum processing dimension. When manufacturing trench element isolations having different depths using the microloading effect as described above, the microloading effect is more noticeable as the trench opening width is smaller. Therefore, when the trench opening width is designed with the minimum processing dimension, there is a problem that the etching depth is easily influenced depending on a slight variation in the opening width and the shape of the etching pattern, and the trench depth changes greatly. Therefore, there is a problem that it is difficult to stably operate the device and it is difficult to design the device.
[0018]
An object of the present invention is to solve the above-described problems, minimize the increase in the number of steps of the trench formation process, and form a trench having different depths with good control and without causing an alignment error. It is to provide a method for manufacturing an apparatus.
[0019]
A method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes: A step of depositing a mask layer on the oxide film of the semiconductor substrate on which the oxide film is formed, and a first opening and a second opening respectively reaching the oxide film on the mask layer, the second opening A step of forming under the condition that the opening width of the portion is wider than the opening width of the first opening portion and a reverse microloading effect is generated by plasma etching in the oxide film, and then the oxidation is performed using the mask layer as a mask. By performing plasma etching on the film, a third opening that reaches the semiconductor substrate corresponding to the first opening and a fourth that does not reach the semiconductor substrate corresponding to the second opening are formed in the oxide film. Forming the openings, and then using the oxide film as a mask, the oxide film and the semiconductor substrate, and the etching rate of the semiconductor substrate is higher than the etching rate of the oxide film. By etching under a larger condition, a trench is formed in the region of the semiconductor substrate corresponding to each of the third opening and the fourth opening than in the region corresponding to the fourth opening. Forming deep in a region corresponding to the portion. .
[0020]
In a preferred embodiment, Following the step of forming the trench, depositing a dielectric material on the semiconductor substrate, filling the trench with the dielectric material, and then exposing the surface of the semiconductor substrate to expose the dielectric And further removing the material. .
[0026]
The operation of the present invention will be described below.
[0027]
According to the present invention, the first region and the second region wider than the first region are formed in the mask layer by etching, and the semiconductor substrate is etched using the mask layer as a mask to form the second region in the first region. A trench deeper than the region is formed. The two types of trenches formed in this manner have a shallower depth when they are wider, and therefore show good step coverage (step coverage) when an element isolation portion is formed by embedding them. Such a method of forming two types of trenches having a wider width and a shallower depth is that the etching rate of the semiconductor substrate and / or the mask layer is higher than that of the first region and the second region wider than the first region. This is achieved by utilizing different phenomena (microloading effect and / or reverse microloading effect).
[0028]
In a preferred embodiment of the present invention, the etching rate in the first region of the semiconductor substrate is faster than the etching rate in the second region wider than the first region. This is achieved by appropriately selecting etching conditions such as pressure and utilizing the reverse microloading effect. In a preferred embodiment, the pressure during etching of the semiconductor substrate is 1 mTorr or more and 90 mTorr or less. Thus, the reverse microloading effect can be effectively brought about by making the pressure condition relatively low.
[0029]
In a preferred embodiment of the present invention, in the mask layer etching step, mask layers having different thicknesses remain in the first region and the second region. This is because the etching conditions of the mask layer are appropriately selected so that the etching rate in the first region is higher than the etching rate in the second region which is wider than the first region, that is, the reverse microloading effect is brought about. Is achieved. The mask layer residual film thickness of the first region thus formed is thinner than that of the second region. By using the mask layer having the first region whose mask layer residual film thickness is thinner than that of the second region as a mask, it is possible to use the fact that the etching selectivity between the mask layer and the semiconductor substrate is different. Therefore, it is possible to form two types of trenches having a shallower depth with a wider width.
[0030]
Alternatively, in the above mask layer etching process, leaving the mask layers having different thicknesses in the first region and the second region may cause the etching rate in the first region as shown in a preferred embodiment of the present invention. This is achieved by plasma etching the mask layer including the antioxidant film so as to be slower than the etching rate in the second region wider than the first region, that is, to provide a microloading effect. The mask layer residual film thickness of the first region thus formed is thicker than that of the second region. Furthermore, as shown in a preferred embodiment of the present invention, by oxidizing the semiconductor substrate using a mask layer having a first region that includes an antioxidant film and has a mask layer residual film thickness larger than that of the second region as a mask, An oxide film can be selectively formed only in the second region. Thereby, it can be used that the etching selectivity of the mask layer and the oxide film and the semiconductor substrate is different. Therefore, it is possible to form two types of trenches having a shallower depth with a wider width.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Throughout this specification, the term “opening” shall indicate that the entire layer need not be removed in that “opening” region, but that the layer has at least a recess. At this time, the width of the “opening” region in the direction horizontal to the substrate surface is set to “opening width” or “trench opening width” because it is equal to the width of the trench formed in this “opening” region.
[0032]
In general, when a trench is formed by etching a substrate through regions having different opening widths, the etched depth is not substantially constant and depends on the size of the opening width (trench opening width). For example, when etching is performed under a relatively high pressure condition, the etching rate decreases as the opening width becomes narrower. Such a phenomenon is generally called “microloading effect” and is well known.
[0033]
As shown in FIG. 1A, the microloading effect becomes more prominent as the trench opening width becomes narrower, and the etching rate also decreases rapidly. It is generally said that such a phenomenon is caused by the fact that radicals in the plasma are affected by the shape of the trench during etching, and the amount of penetration into the deep portion of the trench is limited. In FIG. 2A, a region having an opening width of about 0.3 μm and about 2.0 μm is formed in the silicon oxide film 22, and Cl 2 is used under relatively high pressure conditions (eg, using a magnetron RIE apparatus). 2 = 40 sccm, O 2 = 6 sccm, gas pressure = 100 mTorr, RF power = 1000 W) The shape of the trench after etching is shown. The trench 23 having an opening width of about 0.3 μm has an etching depth of about 0.5 μm, and the trench 24 having an opening width of about 2.0 μm has an etching depth of about 1.0 μm.
[0034]
On the other hand, the present inventors have found that when etching is performed by high-density plasma etching under low pressure conditions, in addition to the microloading effect, changes as shown in FIG. I found it. In the region (x) in FIG. 1B, the micro-rotating effect occurs as in the conventional case. However, in the region (y) in FIG. 1B, the etching rate is higher than that in the region (z). Such a phenomenon is contrasted with the microloading effect and is attributed to the “reverse microloading effect”. FIG. 2B shows a case where a region having an opening width of about 0.3 μm and about 2.0 μm is formed in the silicon oxide film 22 under a relatively low pressure condition (for example, using an ECR apparatus, Cl 2 = 40 sccm, O 2 The shape of the trench after etching under the conditions of = 6 sccm, gas pressure = 3 mTorr, microwave power = 220 W, and RF power = 90 W is shown. The trench 23 having an opening width of about 0.3 μm has an etching depth of about 1.05 μm, and the trench 24 having an opening width of about 2.0 μm has an etching depth of about 0.8 μm.
[0035]
The range in which such a phenomenon occurs varies depending on the etching gas, but hardly occurs when the pressure during etching is relatively high, and occurs when the pressure is relatively low. Specifically, it occurred when the pressure was in the range of about 1 mTorr to about 90 mTorr, and was particularly noticeable when the pressure was in the range of about 1 mTorr to about 10 mTorr. Under relatively low conditions where the etching pressure is in the range of about 1 mTorr to about 90 mTorr, the microloading effect is less likely to occur, and this reverse microloading effect is considered to occur.
[0036]
By appropriately selecting the etching conditions as described above, it is possible to increase the etching rate and deepen the trench to be formed in the narrower opening width region than in the wider opening width region. It is.
[0037]
In the present invention, in order to control the depth of the trench formed in this way, as shown in FIG. 1B, the relationship between the opening width and the etched depth was measured in advance. Considering the effect of variations in trench depth on the device, the etching rate changes (in the figure, the etching depth varies so that the variation in trench depth corresponding to the design variation in the opening width has little effect on the device. The range of the sufficiently small opening width (corresponding to a change) is determined in each of the region (y) and the region (z) in FIG. The size of the trench opening width of the mask pattern is determined based on the range of the opening width thus determined. And a device is designed based on this size. In the device designed in this way, the trench depth is shallow in the region where the trench opening width is wide, and the trench depth is set deep in the region where the trench opening width is narrow.
[0038]
The mechanism that causes the reverse microloading effect is considered as follows, but the present invention is not limited to this. In the case of trench etching and the case of mask etching, the gas species (etchant) used are different, and it is considered that the mechanism in which the reverse microloading effect occurs is also different.
[0039]
In the case of trench etching, it is considered to be caused by high energy ions incident at a shallow angle with respect to the sidewall of the trench. Reflected ions in which ions incident at a shallow angle are reflected on the trench sidewall and / or high-energy ions generated by sputtering the trench sidewall by the incident ions collide with the bottom of the trench, It is thought that the etching rate at that place is improved. Alternatively, it is considered that the etchant adsorbed on the side wall of the trench is sputtered by the incident ions as described above and supplied to the bottom of the trench, thereby improving the etching rate at that location. It is considered that the mechanism by which these etching rates increase is remarkably caused in a trench having a narrow opening width than in a trench having a wide opening width under the conditions of the present invention, and the reverse microloading effect occurs. Furthermore, when etching products from the mask or the like, or depositing radicals, are deposited in the trench and affect the etching rate, it is easy to deposit at the bottom of the trench having a wide opening width under the conditions of the present invention. Therefore, it is difficult to deposit at the bottom of a trench having a narrow opening width, and it is considered that a trench having a narrow opening width has a lower etching rate than a trench having a wide opening width. In practice, these mechanisms are combined to produce a reverse microloading effect.
[0040]
In the case of mask etching, the etching rate usually increases as the amount of etchant (radical) increases, but if the amount of radicals is too large, excessive radicals accumulate at the bottom of the trench and the etching rate decreases. . In a mask having a narrow opening width, radicals adhere to the side wall portion of the mask and do not easily reach the bottom portion. Therefore, under conditions such as those of the present invention, radicals are excessively deposited in a mask having a wide opening width and the etching rate at the bottom is reduced, but such a mask is not excessively deposited in a mask having a narrow opening width. Therefore, it is considered that the etching rate is higher than that of the trench having a wide opening width.
[0041]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0042]
First, a mask layer is formed on the entire surface of the semiconductor substrate. As the semiconductor substrate material, any appropriate material can be used, and examples thereof include compound semiconductors such as silicon and GaAs. Examples of the mask layer include a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, a photoresist, a multilayer resist, and the like.
[0043]
This mask layer is etched by, for example, photolithography to form regions with different opening widths set as described above.
[0044]
Using this mask layer as a mask, the semiconductor substrate is etched to form trenches having different depths on the substrate surface. Here, the etching is performed under the condition that the difference in the etching depth is used between the different opening widths used when the opening width is previously determined. This step is preferably performed under relatively low pressure conditions. Specifically, it is preferably about 1 mTorr or more and about 90 mTorr or less, more preferably about 1 mTorr or more and about 10 mTorr or less. Under such pressure conditions, the effect of causing a difference in etching depth is significant. The absolute value of the etching depth shown in FIG. 1B is not limited to this example. Further, the conditions such as the etching gas type, the flow rate, and the RF power can take any appropriate conditions. It is only necessary to appropriately select a condition that provides a depth necessary for each device as necessary.
[0045]
Thereby, a deeper trench can be formed in a region with a narrower opening width and a shallower trench can be formed in a region with a wider opening width with good control. Thus, since the relationship between the opening width and the trench depth is defined, the subsequent trench filling can be easily performed.
[0046]
In another embodiment of the present invention, when the mask layer is etched, the mask layer is not etched until it reaches the semiconductor substrate, and a part of the mask layer is left on the semiconductor substrate in the opening region, thereby reducing the opening width. The layer thickness in which the mask layer remains may be changed between the wider region and the narrower opening width region. In this method, the remaining film of the mask is changed by performing etching under the etching conditions in which the etching depth varies depending on the opening width of the mask, that is, under the condition where the microloading effect occurs or under the condition where the reverse microloading effect occurs. Can be implemented. This step may be performed, for example, by plasma etching that generates a microloading effect.
[0047]
After the mask layer is etched, etching for forming a trench is performed. In an etching process for forming the trench (hereinafter referred to as a trench etching process), it is not always necessary to select an etching condition that causes the reverse microloading effect. In this trench etching process, the remaining portion of the mask layer is first etched, and then the semiconductor substrate is etched. That is, the etching of the semiconductor substrate is not performed until the etching of the remaining portion of the mask layer is completed. As a result, the time for starting the etching of the semiconductor substrate differs between the wide opening area and the narrow opening area, and thus the depth of the formed trench differs. The depth of the trench thus formed is determined by the residual layer thickness of the mask layer and the ratio of the etching rate between the mask layer and the semiconductor substrate in the trench etching process. Therefore, by changing the etching conditions in the trench etching process, the ratio of the etching rates can be changed to control the depth of the formed trench.
[0048]
In another embodiment of the present invention, the mask layer includes an antioxidant film made of a silicon nitride film or the like, and the semiconductor substrate is oxidized between the step of etching the mask layer and the trench etching step. A process may be further included.
[0049]
The mask layer is etched under conditions that cause a difference in etching rate depending on the opening width of the trench. For example, this can be achieved by plasma etching that generates a microloading effect. Thereby, the antioxidant film layer is preferably left in a region having a narrower opening width, preferably about 5 nm or more, and the antioxidant layer is completely removed in a region having a wider opening width. Thereafter, the semiconductor substrate is selectively oxidized. Next, trench etching is performed using the mask layer.
[0050]
As a result, a trench having a small opening width can be deepened and a trench having a wide opening width can be shallowed, and a trench that can be easily embedded can be formed.
[0051]
【Example】
( Reference example 1)
Book Reference example Forming a silicon oxide film layer on a semiconductor substrate, using this silicon oxide film layer as an etching mask, forming trenches with different depths by etching, and then filling the trenches to form trench element isolation portions Is a manufacturing example of a semiconductor device. More books Reference example These are examples of manufacturing a semiconductor device in which the reverse microloading effect is applied during trench etching.
[0052]
Hereinafter, the book will be described with reference to FIGS. Reference example Will be explained.
[0053]
Referring to FIG. 3A, a semiconductor substrate 31 made of silicon is thermally oxidized to form a silicon oxide film 32 having a thickness of about 0.2 μm. This silicon oxide film 32 is used as an etching mask when a trench is later formed by etching. A resist mask 33 was patterned on the silicon oxide film 32 by photolithography. Here, a chemically amplified resist was used as the resist, and exposure was performed with an excimer stepper. At this time, the opening width of the resist mask 33 in the narrow opening (left side in the figure), which is a portion for forming the deep trench, is in the range of about 0.2 to about 0.5 μm, for example, 0.3 μm, and the shallow trench. The opening width of the resist mask 33 at the wide opening (the right side in the figure), which is a portion for forming the film, is about 1 μm or more, for example, 1.5 μm.
[0054]
Next, as shown in FIG. 3B, the silicon oxide film 32 was etched using the resist mask 33. Here, a magnetron RIE apparatus was used as the etching apparatus. The mask etching conditions at this time are shown below.
[0055]
CHF Three = About 60 sccm
CF Four = About 30 sccm
Ar = about 10 sccm
Gas pressure = about 50mTorr
RF power = about 700W (about 13.56MHz)
In this etching step, overetching was performed about 50%. As a result, the silicon oxide film 32 was completely removed by etching both at the opening width of about 0.2 to about 0.5 μm and at the opening width of about 1.0 μm or more.
[0056]
Next, after ashing and washing to remove the resist mask 33, as shown in FIG. 3C, the silicon oxide film 32 is used as an etching mask to form trenches 34 and 35. The etching (trench etching) conditions for forming the trenches 34 and 35 at this time are shown below.
[0057]
Cl 2 = About 40 sccm
O 2 = Approx. 6 sccm
Gas pressure = about 3m
Torr microwave power = about 220W
RF bias power = about 90W (about 2MHz)
When the above conditions are used, the trench opening width (this Reference example 4 shows that the relationship between the opening width of the silicon oxide film 32) and the etching depth is as shown in FIG. From FIG. 4, when the trench opening width is in the range of about 0.2 to about 0.5 μm, the etching rate is fast, and when the trench opening width is about 1 μm or more, the etching rate is slow. In addition, when the trench opening width is in the range of about 0.2 to about 0.5 μm, the etching depth is substantially constant with respect to the change in the opening width, and is relatively stable. On the other hand, when the opening width is in the range of about 0.6 to about 0.9 μm, the etching depth changes rapidly with respect to the change in the opening width. Further, in the range where the opening width is about 1.0 μm or more, the etching depth is substantially constant with respect to the change in the opening width, and is relatively stable. When designing the opening width in advance, it is necessary to determine the dimension of the opening width so that the variation in the etching depth due to the variation in the opening width does not increase.
[0058]
So book Reference example Then, as described above, the opening width of the trench was set to about 0.2 to about 0.5 μm and about 1 μm or more. As a result, when the mask opening width is about 0.2 to about 0.5 μm as shown in FIG. 3C, a trench 34 having a depth of about 1.05 μm is formed, and the mask opening width is about 1 μm. In the above case, the trench 35 having a depth of about 0.8 μm was formed.
[0059]
Next, after cleaning the substrate, a dielectric material made of silicon oxide is deposited on the entire surface of the substrate by CVD as shown in FIG. 3 (d), and the trenches 34 and 35 are stepped by the silicon oxide film 36. Embedded with good coverage. In this trench embedding step, the trench portion having the wide opening portion has a shallow trench depth, and therefore, the trench portion can be easily embedded even in the trench portion having the wide opening portion.
[0060]
Next, as shown in FIG. 3E, the silicon oxide films 36 and 32 were etched until the silicon substrate was exposed by an etch back method.
[0061]
As described above, a trench element isolation portion in which the trenches 34 and 35 were embedded was obtained. Furthermore, the trench element isolation part could be formed without causing a depression on the silicon substrate.
[0062]
Book Reference example In this embodiment, the SiO2 layer is used as an etching mask for trench etching, but an SiNx layer, a SiOxNy layer, or an inorganic mask such as various metal films may be used. Alternatively, a resist mask, a multilayer resist mask, or the like may be used.
[0063]
( Example )
This embodiment is an example of manufacturing a semiconductor device in which a silicon oxide film layer is formed on a semiconductor substrate, and trenches having different depths are formed by etching using the silicon oxide film layer as an etching mask. Furthermore, this embodiment is an example of manufacturing a semiconductor device in which the reverse microloading effect is applied when processing a silicon oxide film layer.
[0064]
Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0065]
Referring to FIG. 5A, the semiconductor substrate 51 made of silicon was thermally oxidized to form a silicon oxide film having a thickness of about 0.35 μm. On this silicon oxide film 52 Reference example 1 Similarly to the above, the resist mask 53 was patterned by photolithography. At this time, the opening width of the resist mask 53 in the narrow opening (left side in the figure), which is a portion for forming the deep trench, is in the range of about 0.2 to about 0.5 μm, for example, 0.24 μm, and the shallow trench. The opening width of the resist mask 53 in the wide opening (the right side in the figure), which is a portion for forming the film, is about 1 μm or more, for example, 1.8 μm.
[0066]
Next, as shown in FIG. 5B, the silicon oxide film 52 was etched using the resist mask 53. Here, an ICP plasma type apparatus was used as the etching apparatus. The mask etching conditions at this time are shown below.
[0067]
C 2 F 6 = About 30 sccm
Gas pressure = about 3mTorr
RF power = about 700W
Upper electrode power = about 2500W
In this etching process, overetching was not performed, and the silicon oxide film 52 was completely etched in a narrow opening of about 0.2 to about 0.5 μm, and the etching was finished when the semiconductor substrate 51 was exposed.
[0068]
When the above conditions are used, the relationship between the trench opening width (the opening width of the resist mask 53 in this embodiment) and the etching depth is as shown in FIG. Yes. From FIG. 6, the etching rate is fast when the trench opening width is in the range of about 0.2 to about 0.5 μm, and the rate is slow when the trench opening width is about 1 μm or more.
[0069]
Accordingly, as shown in FIG. 5B, when the silicon oxide film 53 is completely etched in the narrow opening and the semiconductor substrate 51 is exposed, the etching is finished, and about 0.05 μm of silicon is formed in the wide opening. The remaining oxide film was left.
[0070]
Next, after ashing and cleaning were performed to remove the resist mask 53, referring to FIG. 5C, etching was performed using the silicon oxide film 52 as an etching mask to form trenches 54 and 55. Here, an ECR plasma apparatus was used as the etching apparatus. The trench etching conditions for forming the trenches 54 and 55 at this time are shown below.
[0071]
Cl 2 = About 40 sccm
O 2 = About 2 sccm
Gas pressure = about 20 mTorr
Microwave power = about 220W
RF bias power = about 90W (about 13.56MHz)
Under this condition, since the selection ratio of silicon substrate 51 / silicon oxide film 52 for trench etching is set to 20, not only silicon but also silicon oxide film 52 as a mask is etched in advance in the trench etching process. know.
[0072]
Therefore, when the silicon substrate 51 is etched by about 1 μm in a narrow opening of about 0.2 to about 0.5 μm, the silicon oxide film 52 is about the etching depth of the silicon substrate 51 in a wide opening of about 1 μm or more. Etched 20 times, or about 0.05 μm. As a result, the silicon oxide film 52 was completely removed even in the wide opening, and the silicon substrate 51 was exposed.
[0073]
After the silicon substrate 51 was exposed through a wide opening of about 1 μm or more, further etching was continued, and etching was performed at a silicon etching depth of about 0.5 μm. At this time, the silicon oxide film 52 is also etched in the region where the trench is not formed. However, as described above, the etching rate of the silicon oxide film is very slow, and the silicon oxide film 52 is sufficiently large so that the semiconductor substrate 51 is not exposed in this region. Therefore, the semiconductor substrate 51 was not exposed.
[0074]
As a result, as shown in FIG. 5C, a trench 54 having a depth of about 1.5 μm was formed in a narrow opening of about 0.2 to about 0.5 μm. On the other hand, a trench 55 having a depth of about 0.5 μm was formed in a wide opening of about 1 μm or more.
[0075]
Then Reference example 1 3D and 3E, trenches 54 and 55 were buried, and then the silicon oxide film was etched to expose the silicon substrate 51.
[0076]
As described above, a trench element isolation portion in which the trenches 54 and 55 are embedded is obtained. Also in this example, Reference example 1 It was possible to embed without dents as in the case. In this embodiment, the trench depth can be controlled by changing the etching selection ratio between the silicon substrate 51 and the silicon oxide film 52.
[0077]
( Reference example 2 )
Book Reference example Is a manufacturing example of a semiconductor device in which a silicon nitride layer is formed on a semiconductor substrate, and trenches having different depths are formed by etching using the silicon nitride layer as an etching mask. Here, the silicon nitride layer is used as a polishing stopper layer in a subsequent CMP (Chemical Mechanical Polishing) step. More books Reference example Is an example of manufacturing a semiconductor device in which the microloading effect is applied during the processing of the silicon nitride layer.
[0078]
Hereinafter, the book will be described with reference to FIGS. Reference example Will be explained.
[0079]
Referring to FIG. 7A, a silicon oxide film (not shown) is formed as a stress relaxation layer with a thickness of about 0.02 μm on a semiconductor substrate 71 made of silicon, and a silicon nitride layer 72 is formed thereon using a CVD apparatus. About 0.25 μm. next, Reference example 1 and Example Similarly to the above, the resist mask 73 was patterned by photolithography. At this time, the opening width of the resist mask 73 in the narrow opening (the left side in the figure), which is a portion forming the deep trench, is in the range of about 0.2 to about 0.5 μm, for example, 0.2 μm, and the shallow trench The opening width of the resist mask 73 in the wide opening (the right side in the figure), which is a portion for forming the film, is about 1 μm or more, for example, 2.0 μm.
[0080]
next, FIG. As shown in (b), the silicon nitride layer 72 was etched using the resist mask 73 under plasma etching conditions using a magnetron RIE apparatus. The mask etching conditions at this time are shown below.
[0081]
CHF Three = About 46 sccm
O 2 = About 4 sccm
Gas pressure = about 100 mTorr
RF power = about 1.0kW (about 13.56MHz)
When the above conditions are used, the trench opening width (this Reference example 8 shows that the relationship between the opening width of the resist mask 73) and the etching depth is as shown in FIG. From FIG. 8, when the trench opening width is in the range of about 0.2 to about 0.5 μm, the etching rate is low, and when the opening width of the mask is about 1 μm or more, the etching rate is high.
[0082]
Using this condition, the silicon nitride film layer 72 is etched, and as shown in FIG. 7B, the etching progresses using an etching end point detector (EPD) or the like to open a wide opening (right side in the figure). The etching was completed when the silicon nitride film layer 72 was etched and the silicon substrate 71 as the underlying layer was exposed. At this time, due to the microloading effect, in the narrow opening (left side in the figure), the silicon nitride film layer 72 was not etched and remained with a film thickness of about 10 nm or more.
[0083]
Next, ashing and cleaning were performed to remove the resist mask 73, and then the substrate was thermally oxidized using an oxidation furnace as shown in FIG. 7C.
[0084]
In this thermal oxidation process, the narrow opening was covered with the silicon nitride film layer 72, and the semiconductor substrate 71 was not exposed, so the thermal oxide film was not formed. On the other hand, since the wide opening is not covered with the silicon nitride film layer 72 and the semiconductor substrate 71 is exposed, a thermal oxide film 74 having a film thickness of about 0.1 μm is formed.
[0085]
FIG. 9 shows the relationship between the residual film thickness of the silicon nitride film under the oxidizing conditions as described above and the amount of the silicon substrate 71 oxidized under the silicon nitride film in the remaining part of the silicon nitride film. FIG. As can be seen from FIG. 9, when the residual film thickness of the silicon nitride film is about 5 nm or more, no silicon oxide film is formed. This is because if the silicon nitride film has a certain thickness, the oxidized species cannot diffuse into the silicon nitride layer and reach the silicon substrate.
[0086]
Thereafter, referring to FIG. 7D, trench etching was performed using this silicon nitride layer 72 as a mask. This trench etching will be described in detail below.
[0087]
First, the remaining film of the silicon nitride film layer 72 remaining in the narrow opening was etched. At this time, in the wide opening, the silicon oxide film 74 was simultaneously etched by about 10 nm. Here, since the silicon oxide film 74 originally had a thickness of about 0.1 μm, about 90 nm of the thermal oxide film 74 remained without being etched.
[0088]
next, Example Etching was performed under the same trench etching conditions. The substrate 71 was etched in the narrow opening. On the other hand, since the silicon oxide film 74 exists in the wide opening, the substrate 71 was not etched until the etching of the silicon oxide film 74 was completed. While the thermal oxide film 74 is etched by about 90 nm in the wide opening and all of it is removed, the selectivity ratio of the silicon substrate 71 / silicon oxide film 74 for trench etching is set to 20, so in the narrow opening The silicon substrate 71 was etched by about 1.8 μm. After all the silicon oxide film 74 was removed at the wide opening, the silicon substrate 71 was further etched by about 0.3 μm.
[0089]
As a result, as shown in FIG. 7D, a trench 76 having a depth of about 0.3 μm was formed in a wide opening, and a trench 75 having a depth of about 2.1 μm was manufactured in a narrow opening.
[0090]
Then Reference example 1 and Example Similarly, trenches 75 and 76 were filled with silicon oxide using a CVD apparatus. Next, as shown in FIG. 7E, the substrate was planarized by polishing with a CMP apparatus, and then the silicon nitride film layer 72 was removed. As described above, a trench element isolation portion in which the trenches 75 and 76 are embedded is formed.
[0091]
Book Reference example Then, in the etching of the first silicon nitride film layer 72, the silicon nitride film layer 72 in the narrow opening may be larger than the thickness that can suppress the thermal oxidation of the subsequent silicon substrate. It is not necessary to strictly control the thickness of the remaining silicon nitride film layer 72. The depths of the two different trenches can be set only by the amount of oxidation of the silicon substrate 71 occurring in the wide opening and the trench etching conditions (silicon substrate / silicon oxide film selection ratio). That is, the degree of the microloading effect does not remarkably affect the trench depth, and the microloading effect occurs so that the remaining film of the silicon nitride film layer 72 remains in the narrow opening to some extent. Therefore, the trench depth can be formed with good control.
[0092]
Book Reference example The silicon nitride film layer 72 is used as an etching mask layer having a different opening width and a CMP stopper layer.
[0093]
This etching mask layer does not need to be a single layer. For example, if a selection ratio is required during trench etching, the etching ratio is higher for a silicon oxide film than for a silicon nitride film under trench etching conditions. It is also possible to make a multilayer by depositing an oxide film on the silicon nitride layer by CVD. In this case, the oxide film deposited by this CVD hardly affects the film thickness of the oxide film of the silicon substrate 71 in the thermal oxidation process.
[0094]
Book Reference example In the mask etching process of the first silicon nitride film layer 72, the microloading effect is used, but the reverse microloading effect can be used instead. In this case, a deep trench is formed with a wide opening, and a shallow trench is formed with a narrow opening.
[0095]
As above Example and Reference examples 1 and 2 In this case, a silicon substrate is used as the semiconductor substrate material, but a compound semiconductor substrate such as GaAs may be used.
[0096]
Furthermore, in addition to a magnetron RIE apparatus and a substrate bias application type ECR plasma etching apparatus as an etching apparatus, an arbitrary etching apparatus such as a general parallel plate RIE apparatus, an inductively coupled plasma etching apparatus, and a helicon wave plasma etching apparatus may be used. It may be used. Here, depending on the characteristics of each etching apparatus, the gas pressure and aspect ratio at which the microloading effect or reverse microloading effect occurs vary depending on the apparatus factor, so it is possible to set the etching conditions by creating a graph or the like in advance. desirable.
[0097]
Furthermore, although the description has been made using the oxide film for filling the trench, it is also possible to use a method of filling the trench wall surface with polysilicon after the trench wall surface is oxidized. In this case, since the polysilicon film has better embedding characteristics than the oxide film, it is suitable for using the method of the present invention.
[0098]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, trenches having different depths can be simultaneously formed by one etching. Therefore, trenches having different depths, that is, trench element isolation portions can be easily formed.
[0099]
Further, this eliminates the need for alignment between trenches when the trench element isolation portion is formed by a plurality of etching processes. Therefore, it is not necessary to design the semiconductor device in consideration of the alignment margin, the semiconductor cell can be reduced, and the cost can be reduced.
[0100]
Furthermore, a photolithography process for forming a mask necessary for etching can be reduced. Therefore, the semiconductor device can be manufactured with high throughput.
[0101]
Furthermore, the manufacturing method of the present invention can be applied to manufacturing a plurality of trench capacitors having different capacitances.
[0102]
Further, in the manufacturing method of the present invention, since the trench having a narrow opening width can be formed deep and the trench having a wide opening width can be formed shallowly, the trench can be easily embedded, and the trench portion having a wide opening width can be formed. It is possible to make it difficult for the concave step to occur, and to prevent the occurrence of kinks in the transistor current-voltage characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are diagrams illustrating a relationship between a trench opening width and an etching depth, in which FIG. 1A is a diagram illustrating a conventional manufacturing method, and FIG. 1B is a diagram illustrating a manufacturing method according to the present invention;
FIGS. 2A and 2B are schematic cross-sectional views showing the relationship between the trench opening width and the trench depth to be formed. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the conventional manufacturing method, and FIG.
FIG. 3 of the present invention Reference example 1 It is a cross-sectional schematic diagram explaining a manufacturing process.
[Fig. 4] Reference example 1 It is a figure showing the relationship between the trench opening width and etching depth used when setting the opening width of.
FIG. 5 shows the present invention. Example It is a cross-sectional schematic diagram explaining a manufacturing process.
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the trench opening width and the etching depth used when setting the opening width of the example.
[Fig. 7] of the present invention. Reference example 2 It is a cross-sectional schematic diagram explaining a manufacturing process.
[Fig. 8] Reference example 2 It is a figure showing the relationship between the trench opening width and etching depth used when setting the opening width of.
FIG. 9 Reference example 2 It is a figure which shows the relationship between the residual film thickness of the silicon nitride film on this oxidation condition, and the quantity of the silicon substrate oxidized under the silicon nitride film in the part which a silicon nitride film remains.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a trench element isolation portion manufactured by a conventional manufacturing method.

Claims (2)

酸化膜が形成された半導体基板の該酸化膜上にマスク層を堆積する工程と、
前記マスク層に、それぞれが前記酸化膜に達する第1開口部と第2開口部とを、該第2開口部の開口幅が該第1開口部の開口幅よりも広く、かつ、前記酸化膜においてプラズマエッチングにより逆マイクロローディング効果が発生する条件で形成する工程と、
次いで、前記マスク層をマスクとして前記酸化膜をプラズマエッチングすることにより、該酸化膜に、前記第1開口部に対応させて前記半導体基板に達する第3開口部と、前記第2開口部に対応させて前記半導体基板に達しない第4開口部とをそれぞれ形成する工程と、
次いで、前記酸化膜をマスクとして、該酸化膜と前記半導体基板とを、該半導体基板のエッチングレートが該酸化膜のエッチングレートよりも大きい条件でエッチングすることによって、前記第3開口部および前記第4開口部のそれぞれに対応した前記半導体基板の領域に、トレンチを、該第4開口部に対応した領域よりも該第3開口部に対応した領域において深く形成する工程と、
を包含する、半導体装置の製造方法。
Depositing a mask layer on the oxide film of the semiconductor substrate on which the oxide film is formed;
The mask layer includes a first opening and a second opening that respectively reach the oxide film, the opening width of the second opening is wider than the opening width of the first opening, and the oxide film Forming under conditions that cause a reverse microloading effect by plasma etching,
Next, by plasma etching the oxide film using the mask layer as a mask, the oxide film corresponds to the first opening and the third opening reaching the semiconductor substrate, and the second opening. Forming a fourth opening that does not reach the semiconductor substrate,
Next, using the oxide film as a mask, the oxide film and the semiconductor substrate are etched under the condition that the etching rate of the semiconductor substrate is higher than the etching rate of the oxide film, so that the third opening and the second substrate are etched. Forming a trench deeper in the region corresponding to the third opening than in the region corresponding to the fourth opening in the region of the semiconductor substrate corresponding to each of the four openings;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記トレンチを形成する工程に次いで、前記半導体基板上に誘電体材料を堆積して、前記トレンチを該誘電体材料で埋め込む工程と、
次いで、前記半導体基板の表面が露出するように、前記誘電体材料を除去する工程とをさらに包含する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
Subsequent to forming the trench, depositing a dielectric material on the semiconductor substrate and filling the trench with the dielectric material;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , further comprising a step of removing the dielectric material so that a surface of the semiconductor substrate is exposed.
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