JP4048802B2

JP4048802B2 - トレンチ形成方法

Info

Publication number: JP4048802B2
Application number: JP2002064410A
Authority: JP
Inventors: 節子脇本
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: JP2003264227A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トレンチの内部、または側壁や底部付近に電流経路を有する半導体装置を作製するために、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングにより半導体ウエハにトレンチを形成するトレンチ形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、セルピッチの縮小や、ＭＯＳＦＥＴの場合には単位面積当りのオン抵抗の低減という利点を有するトレンチ構造の半導体デバイスが知られている。図１１は、ドライエッチングによるトレンチ形成のメカニズムを説明するためにトレンチ形成時の様子を模式的に示す図であり、同図において符号１１はＳｉ基板、符号１２はマスク酸化膜、符号１３はトレンチである。Ｓｉ基板１１はエッチングガスによりエッチングされる。エッチングによりＳｉ基板１１から除去されたＳｉは雰囲気中に浮遊し、雰囲気中のＯ₂ガスと反応する。その反応により、図１２に示すように、トレンチ１３の側壁やマスク酸化膜１２上にＳｉ酸化物１４が析出し、保護膜が形成される。
【０００３】
トレンチ形成時に、トレンチマスクの開口率が大きいと、エッチングされる領域が広くなるので、より多くのＳｉがＳｉ基板１１から除去される。そのため、Ｓｉの浮遊量が多くなり、Ｓｉ酸化物１４の析出量が増える。一方、トレンチマスクの開口率が小さい場合には、Ｓｉの浮遊量が少ない。そのため、図１３にトレンチマスクの開口率に対するマスク酸化膜の残厚の関係を示すように、マスク酸化膜１２の厚さが薄くなる。
【０００４】
また、トレンチ底面に形成される保護膜が少ないため、図１４にトレンチマスクの開口率に対するトレンチ深さの関係を示すように、トレンチが深くなってしまう。このように、トレンチの形状はトレンチマスクの開口率に大きく依存するが、トレンチマスクの開口率はデバイスごとに異なっているため、従来は、所望のトレンチ形状が得られるように、個々のデバイスごとにチャンバー内圧力やエッチングガス流量や温度などのエッチング条件を開発している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、デバイスごとにエッチング条件を開発していたのでは、デバイスの開発スピードが遅くなるという問題点がある。また、同一のウエハであっても、ウエハの中心部と端部とではトレンチマスクの開口率が局部的に異なるため、トレンチ形状が異なるという問題点もある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、デバイスの開発スピードを速めることができるとともに、ウエハ面内におけるトレンチ形状の均一性を高めることができるトレンチ形成方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、半導体ウエハの周辺近傍に半導体ウエハと同じ材料でできた物体を配置し、半導体ウエハをドライエッチングする際に、この物体に対してもドライエッチングをおこなうか、または半導体ウエハの周縁にデバイスパターン非形成領域を設け、半導体ウエハのデバイスパターン形成領域とともにこのデバイスパターン非形成領域に対してもドライエッチングをおこない、それによって、半導体ウエハの周辺近傍に、トレンチの保護膜を形成するのに必要な物質をより多く供給するものである。この発明によれば、半導体ウエハの周辺近傍に、トレンチの保護膜を形成するのに必要な物質がより多く供給される。
【０００８】
また、上記目的を達成するため、本発明は、半導体ウエハの周辺近傍に半導体ウエハの構成元素を含むガスを供給しながらドライエッチングをおこない、それによって、半導体ウエハの周辺近傍に、トレンチの保護膜を形成するのに必要な物質をより多く供給するものである。この発明によれば、半導体ウエハの周辺近傍に、トレンチの保護膜を形成するのに必要な物質がより多く供給される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
実施の形態１．
図１および図２は、それぞれ本発明の実施の形態１にかかるトレンチ形成方法によりトレンチを形成する際のウエハ配置の一例を示す平面図および側面図である。実施の形態１では、ＲＩＥなどに使用されるドライエッチング装置の陰極３１上に、半導体ウエハと同じ材料で構成された物体としてダミーウエハ２２が載置され、その上に所望のトレンチパターンを有するＳｉウエハ２１が載置される。
【００１０】
ダミーウエハ２２はＳｉでできており、Ｓｉウエハ２１よりも径が大きい。そして、ダミーウエハ２２がＳｉウエハ２１を囲むように、すなわちダミーウエハ２２の周縁が露出するように、特に限定しないが、たとえばＳｉウエハ２１はダミーウエハ２２の中央に配置される。ダミーウエハ２２の露出部分の面積は、Ｓｉウエハ２１のトレンチマスクの開口率に応じて適宜選択される。ダミーウエハ２２の露出部分の面積を変えるには、たとえばＳｉウエハ２１の大きさに対するダミーウエハ２２の大きさを変えてもよいし、酸化膜や窒化膜やレジスト膜等のマスクでダミーウエハ２２の周縁部分の覆ってもよい。このようにダミーウエハ２２およびＳｉウエハ２１を配置した状態で、チャンバー内にエッチングガスおよび保護膜形成用のＯ₂系ガスを供給し、エッチングをおこなう。
【００１１】
エッチングが開始されると、Ｓｉウエハ２１のトレンチマスクの開口部（図示省略）およびダミーウエハ２２の露出部分からＳｉが除去される。除去されたＳｉはＳｉウエハ２１に供給され、Ｏ₂系ガスと反応し、それによって保護膜が形成される。その際、ダミーウエハ２２の露出部分からもＳｉが供給されるので、十分な量のＳｉがＳｉウエハ２１に供給される。したがって、トレンチマスクの開口率が小さくても、トレンチ内の保護膜が十分に形成される。また、ダミーウエハ２２の露出部分からウエハ端部付近に十分な量のＳｉが供給されるので、ウエハ端部におけるトレンチマスクの開口率がウエハ中央部に比べて小さくても、ウエハ端部付近に形成されるトレンチ内の保護膜が十分に形成される。
【００１２】
実施の形態１によれば、トレンチマスクの開口率が小さいデバイスのトレンチを形成する場合には、ダミーウエハ２２の露出部分を多くし、またトレンチマスクの開口率が大きいデバイスのトレンチを形成する場合には、ダミーウエハ２２の露出部分を少なくすることによって、共通のエッチング条件で同じようにトレンチを形成することができる。したがって、デバイスごとにエッチング条件を開発する必要がないので、デバイスの開発スピードが速くなるという効果が得られる。また、実施の形態１によれば、ウエハ端部付近に形成されるトレンチ内の保護膜が、ウエハ中央部に形成されるトレンチ内の保護膜と同じように形成されるので、ウエハ面内におけるトレンチ形状の均一性が高くなるという効果が得られる。
【００１３】
上述した効果を検証するため、本発明者は、ダミーウエハ２２として８インチ径のＳｉウエハを用いて、６インチ径のＳｉウエハ２１にトレンチを形成する実験をおこなった。その結果を、図３および図４に示す。図３は、トレンチマスクの開口率に対するマスク酸化膜の残厚の関係を示す図であり、図４は、トレンチマスクの開口率に対するトレンチ深さの関係を示す図である。比較のため、図３および図４には、ダミーウエハ２２を用いないで６インチ径のＳｉウエハにトレンチを形成した結果も従来例として示す。
【００１４】
図３より、従来例ではトレンチマスクの開口率の減少とともにマスク酸化膜の残厚が減少しているのに対して、実施例ではマスク酸化膜の残厚はトレンチマスクの開口率にほとんど依存していないことがわかる。また、図４より、従来例ではトレンチマスクの開口率の減少とともにトレンチ深さが増大しているのに対して、実施例ではトレンチ深さはトレンチマスクの開口率にほとんど依存していないことがわかる。また、実施例のウエハ面内におけるトレンチ深さのばらつきは従来例の１割以下であった。
【００１５】
なお、実施の形態１において、ダミーウエハ２２を用いる代わりに、図５および図６にそれぞれ平面図および側面図を示すように、陰極３１上に所望のトレンチパターンを有するＳｉウエハ２１が載置され、その上に、半導体ウエハと同じ材料で構成された物体として、Ｓｉウエハ２１のデバイスパターン形成領域を開口させた環状のカバー２３が被せられる構成としてもよい。この場合も、図３および図４に示すのと同様の効果が得られる。カバー２３は、Ｓｉを含む材料でできているが、強度を高めるために他の物質が混入していてもよい。また、カバー２３の面積は、Ｓｉウエハ２１のトレンチマスクの開口率に応じて適宜選択される。カバー２３の露出部分の面積を変えるには、たとえばＳｉウエハの大きさに対するカバー２３の大きさを変えてもよいし、酸化膜や窒化膜やレジスト膜等のマスクでカバー２３の一部を覆ってもよい。
【００１６】
また、ダミーウエハ２２やカバー２３を用いる代わりに、図７および図８にそれぞれ平面図および側面図を示すように、陰極３１上に、デバイスパターン形成領域２６を囲むようにウエハ２５の周縁に沿ってデバイスパターン非形成領域２７が設けられたＳｉウエハ２５が載置され、デバイスパターン非形成領域２７のＳｉ表面が露出する構成としてもよい。
【００１７】
形成方法としては、ウエハ中央部のみにデバイスパターンを形成し、マスク酸化膜エッチングをおこなった後に、中央部をレジストで保護して外周部のマスク酸化膜を除去することによって、ウエハ外周部にＳｉ露出部を形成する。
【００１８】
この場合も、図３および図４に示すのと同様の効果が得られる。また、この場合には、ダミーウエハ２２やカバー２３が不要であるため、作製するデバイスに合わせてこれらを取り替える手間が省けるという効果がある。デバイスパターン非形成領域２７の面積は、デバイスパターン形成領域２６のトレンチマスクの開口率に応じて適宜選択される。デバイスパターン非形成領域２７の露出部分の面積を変えるには、酸化膜や窒化膜やレジスト膜等のマスクでデバイスパターン非形成領域２７の一部を覆ってもよい。
【００１９】
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２にかかるトレンチ形成方法を実施するための装置構成の一例を示す図である。図９に示すように、ＲＩＥなどに使用されるドライエッチング装置４は、チャンバー４１内の陰極４２上に載置されたＳｉウエハ５の周辺近傍にＳｉ含有ガスを噴出させるためのガス注入口４３を備えている。ガス注入口４３は複数個設定する方がより良く、ウエハ周辺にできる限り均一にガスが注入されることが必要である。
【００２０】
Ｓｉ含有ガスとしては、たとえばＳｉＨ₄、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂またはＴＥＯＳ（Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）などである。Ｓｉ含有ガスの供給量は、Ｓｉウエハ５のトレンチマスクの開口率に応じて適宜選択される。このようにしてトレンチを形成しても、Ｓｉウエハ５の周辺近傍にＳｉが供給されるので、図３および図４に示すのと同様の効果が得られる。
【００２１】
その他の構成は一般的なドライエッチング装置と同じである。すなわち、エッチングガスであるＨＢｒガス、フッ素系ガス（ＣＦ₄、ＮＦ₃、ＳＦ₆、ＣＨＦ₃等）および保護膜形成用のＯ₂系ガス（Ｏ₂、Ｈｅ−Ｏ₂等）は別のガス注入口４４よりチャンバー４１内に導入される。チャンバー４１内のガスは排気口４５より排気される。図９において、符号４６は陽極であり、符号４７は高周波電源である。
【００２２】
実施の形態２によれば、トレンチマスクの開口率が小さいデバイスのトレンチを形成する場合には、Ｓｉ含有ガスの供給量を多くし、またトレンチマスクの開口率が大きいデバイスのトレンチを形成する場合には、Ｓｉ含有ガスの供給量を少なくすることによって、共通のエッチング条件で同じようにトレンチを形成することができる。したがって、デバイスごとにエッチング条件を開発する必要がないので、デバイスの開発スピードが速くなるという効果が得られる。また、実施の形態２によれば、ウエハ端部付近に形成されるトレンチ内の保護膜が、ウエハ中央部に形成されるトレンチ内の保護膜と同じように形成されるので、ウエハ面内におけるトレンチ形状の均一性が高くなるという効果が得られる。
【００２３】
なお、実施の形態２において、ＨＢｒガス、フッ素系ガス（ＣＦ₄、ＮＦ₃、ＳＦ₆、ＣＨＦ₃等）および保護膜形成用のＯ₂系ガス（Ｏ₂、Ｈｅ−Ｏ₂等）に代えて、図１０に示すように、エッチングガスを注入するためのガス注入口４４より、Ｃｌ系ガス（Ｃｌ₂、ＣＨＣｌ₃等）、Ｎ₂ガスおよびＯ₂ガスを注入する構成としてもよい。この場合も、図３および図４に示すのと同様の効果が得られる。また、エッチングガスとして、上述したＨＢｒ系ガスやＣｌ系ガス以外のハロゲン系ガスを用いても同様の効果が得られる。また、必要に応じて少量の希ガス等を添加してもよい。
【００２４】
以上において本発明は、ＲＩＥ装置以外のドライエッチング装置にも適用可能である。実施例には、平行平板型高周波放電ＲＩＥ装置を例に挙げたが、有磁界ＲＩＥ、ＤＰＳ（非結合型プラズマソース）−ＲＩＥ等にも適用可能である。また、本発明は、Ｓｉ半導体ウエハ以外のたとえばＳｉＣなどの化合物半導体よりなるウエハやその他の半導体ウエハにも適用可能である。ただし、その場合には、ダミーウエハ２２やカバー２３を半導体ウエハの材料に用いられている物質で構成したり、Ｓｉ含有ガスの代わりに、半導体ウエハの材料に用いられている物質を含むガスを用いる必要がある。また、トレンチマスクとしては、酸化膜以外にも窒化膜やレジスト膜などを用いることができる。
【００２５】
さらに、図７に示すもの以外の実施の形態では、図７のように、ウエハ内にデバイスパターン非形成領域２７を設ける必要がないため、ウエハ全面をデバイスパターン形成領域として用いることができ、１枚のウエハから製造できるチップ数を増すことができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、ドライエッチングをおこなう際に、半導体ウエハの周辺近傍に、トレンチの保護膜を形成するのに必要な物質がより多く供給されるので、ウエハ端部付近に形成されるトレンチに対しても十分な厚さの保護膜が形成される。したがって、ウエハ面内におけるトレンチ形状の均一性が高くなるという効果が得られる。また、半導体ウエハの周辺近傍への、トレンチの保護膜を形成するのに必要な物質の供給量を調節するだけで、トレンチの保護膜を形成するのに必要な物質がトレンチマスクの開口率に見合う量で供給される。したがって、デバイスごとにチャンバー内圧力やエッチングガス流量や温度などのエッチング条件を開発する必要がないので、デバイスの開発スピードが速くなるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるトレンチ形成方法によりトレンチを形成する際のウエハ配置の一例を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるトレンチ形成方法によりトレンチを形成する際のウエハ配置の一例を示す側面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかるトレンチ形成方法によりトレンチを形成した後のトレンチマスクの開口率に対するマスク酸化膜の残厚の関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかるトレンチ形成方法によりトレンチを形成した後のトレンチマスクの開口率に対するトレンチ深さの関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかるトレンチ形成方法によりトレンチを形成する際のウエハ配置の他の例を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかるトレンチ形成方法によりトレンチを形成する際のウエハ配置の他の例を示す側面図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかるトレンチ形成方法によりトレンチを形成する際のウエハ配置のさらに他の例を示す平面図である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかるトレンチ形成方法によりトレンチを形成する際のウエハ配置のさらに他の例を示す側面図である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかるトレンチ形成方法を実施するための装置構成の一例を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態２においてエッチングガスが異なる例を示す図である。
【図１１】ドライエッチングによるトレンチ形成のメカニズムを説明するための図である。
【図１２】トレンチ形成後の状態を示す断面図である。
【図１３】従来のトレンチ形成方法によるトレンチマスクの開口率に対するマスク酸化膜の残厚の関係を示す図である。
【図１４】従来のトレンチ形成方法によるトレンチマスクの開口率に対するトレンチ深さの関係を示す図である。
【符号の説明】
５，２１，２５半導体ウエハ（Ｓｉウエハ）
２２半導体ウエハと同じ材料で構成された物体（ダミーウエハ）
２３半導体ウエハと同じ材料で構成された物体（カバー）
２６デバイスパターン形成領域
２７デバイスパターン非形成領域

Claims

半導体ウエハの周辺近傍に、前記半導体ウエハの構成元素の単体、または前記半導体ウエハの構成元素を含む化合物を供給しながら、前記半導体ウエハをドライエッチングして、前記半導体ウエハにトレンチを形成するに際し、
前記半導体ウエハの周縁にデバイスパターン非形成領域を設け、該デバイスパターン非形成領域を露出させた状態で、前記半導体ウエハのデバイスパターン形成領域のドライエッチングと同時に前記デバイスパターン非形成領域をドライエッチングして、前記半導体ウエハの構成元素の単体、または前記半導体ウエハの構成元素を含む化合物を供給することを特徴とするトレンチ形成方法。