JP5058406B2 - 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、半導体装置の製造方法に関し、特に、トレンチの形成に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年半導体装置の微細化、高集積化は進む一方であり、サブクオータミクロンの加工を高精度かつ再現性よく行う技術が必要となってきている。
なかでも素子分離をはじめ、素子の多層化あるいは3次元化をはかるにあたり、高精度かつ微細なトレンチの形成は極めて重要な課題となっている。
【0003】
トレンチを用いた素子分離を行う場合、トレンチ開口部の角が急峻である場合、半導体基板表面に形成されるMOSFETの電界集中の原因となり易いという問題がある。図11に示すように、トレンチの形状すなわち、トレンチのテーパ角度θとトレンチ上部の曲率半径RはMOSFETのId-Vg特性に大きな影響を与えることが知られている。
【0004】
すなわち、テーパ角度θが垂直に近く、コーナーRが小さいトレンチの場合、MOSFETのId-Vg特性が、ダブルハンプ(double hump)特性を示すことがある。このような問題を回避するには、トレンチのテーパ角度を緩やかにすればよい。しかしながら、素子の分離幅が微細になってきた場合、テーパを緩やかにしたのでは図12に示すようにトレンチをテーパ角度で決まる深さよりも深く形成することができなくなり、十分な分離性能を得ることができなくなる。また、所望の深さを得るためには、トレンチの開口径を極めて大きくする必要があり、微細化を阻む大きな問題となっていた。
【0005】
そこで微細なトレンチにおいて、良好なトランジスタ特性と分離性能を両立させるべく、図13に示すように、トレンチの開口部分にのみ緩やかなテーパを形成し、それ以外の部分では急峻な角度となるようなトレンチ形状の実現が望まれている。
【0006】
従来、臭化水素HBrに1−5%の酸素O2を添加することによって図13に示すようなY字形状のトレンチを得る方法が提案されている(特開平6−61190)。しかしながらこの方法では、トレンチ上部近傍には緩やかなテーパが形成されるが、図14に示すように、開口部分にはテーパが付きにくく急峻となるという問題があった。
【0007】
これは図15(a)に示すように、シリコン基板100表面に形成されたSiN(Si34)マスク101を介してトレンチ形成のためのエッチングを行う場合、エッチングの初期段階からトレンチT内壁にポリマー102を付着させながらエッチングを進行させなければならないが、HBr/O2、Cl2/O2、Cl2/N2などを用いたプロセスでは、図15(b)に示すように、反応生成物であるSiClxやSiBrxが気相に供給されて始めて気相中の酸素ラジカルと反応して、Siのハロゲン化酸化物の堆積が始める。従って、気相中へのSiClxやSiBrxの供給が開始される前の段階すなわち、エッチングの初期段階では、テーパが形成されにくく、急峻なプロファイルを形成してしまうことになる。
【0008】
そこで、エッチングの初期段階から、テーパを形成するためには、気相から堆積種を供給する必要がある。
そこで図16に示すような誘導結合型プラズマエッチング装置を用いて気相からCFxラジカルあるいはイオンを基板表面に供給し、フロロカーボンポリマーを堆積しながら、BrによってSi基板をエッチングする方法が提案されている。この装置はAl23からなるセラミックドーム201と、下部電極としてのポリイミド静電チャック202との間にプラズマ205を生成し、このポリイミド静電チャック202上に載置されたシリコン基板200表面をエッチングするものである。セラミックドーム201の外側には12.56MHzの高周波電源に接続されたコイル204が配設されている。またポリイミド静電チャック202は13.56MHzのバイアス電源203に接続されている。
【0009】
ここでは、第1ステップとして、チャンバー内の圧力を50mtorrとし、ソースパワー1200W,バイアスパワー200W、HBr/CF4=80/80sccmとして30秒間エッチングを行う。
【0010】
次に第2ステップとして、チャンバー内の圧力を40mtorrとし、ソースパワー1500W,バイアスパワー180W、HBr/Cl2/O2=160/20/5sccmとして58秒間エッチングを行う。このとき電極冷却用の冷媒温度は50℃とした。
【0011】
かかる方法を用いた場合、十分な順テーパを形成するには、比較的高い圧力でエッチングを行う必要がある。しかしながら上記誘導結合型プラズマエッチング装置を用いてエッチングを行った結果50mtorr程度の圧力では残さが発生することがわかった。エッチング圧力を低くすれば残さの発生を防止することはできるがテーパ角度が大きくなるという問題があった。
【0012】
また、Si34あるいはSiO2からなるエッチングマスクを用いてHBr/CF4あるいはHBr/CHF3プロセスにより第1のエッチング工程を行う場合、Si34あるいはSiO2に対するエッチング選択比が低く、エッチングマスクの膜減りが激しくなる。これはFラジカルによってSi3あるいはSiO2がエッチングされてしまうからである。上記条件でエッチングを行った場合Si34からなるエッチングマスクの膜減り量は20−32mであった。
【0013】
このように、Si34あるいはSiO2からなるエッチングマスクの膜減りが激しくなる。すなわちこの方法では、テーパの形成と残さ発生防止、残さ発生防止とマスクの膜減り低減がトレードオフの関係にあり、いずれも良好な結果を得るのは極めて困難な状況であった。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の方法では、トレンチエッチングを行う場合、テーパの形成と残さ発生防止、残さ発生防止とマスクの膜減り低減がトレードオフの関係にあり、開口部近傍のテーパを緩やかに、そしてトレンチ内部では急峻となるように、高度の寸法精度を有するトレンチを形成するのは、極めて困難であるという問題があった。
【0015】
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、開口部近傍で緩やかなテーパ面をもつ高精度で信頼性が高いトレンチを得ることを目的とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】
本発明の第では、半導体装置の製造方法であって、半導体基板表面に形成されたトレンチのトレンチ側壁が、トレンチ開口部で緩やかな48.2度から59.0度のテーパ角をもつ第1のテーパ面と、所定の深さよりも深い領域で前記テーパ角よりも急峻な、72.6度以上のテーパ角をなす第2のテーパ面とを含むトレンチを有し、前記半導体基板表面にトレンチを形成する工程が、ハロゲン化水素とフロロカーボンの混合ガスを用いてマスクから露呈する半導体基板表面を選択的にエッチングする第1のエッチング工程であって、HCl、HBr、HIのうちいずれか1種以上のガスと一般式C で表されるガスとの混合ガス(x≧1,z≧1,y≧0でいずれも正数、XはFまたはBrである。C Br (2x+2=y+z)を用いてもよい。)を用いる第1のエッチング工程と、前記第1のエッチング工程の後、ハロゲン含有ガスと、酸素または窒素との混合ガスプラズマを用いて半導体基板表面をエッチングする第2のエッチング工程と、前記第2のエッチング工程の後、ハロゲン含有ガスと、酸素との混合ガスプラズマを用いて半導体基板表面をエッチングする第3のエッチング工程とを含むことを特徴とする。
【0026】
かかる構成によれば、ハロゲン化水素とフロロカーボンの混合ガスを用いてプラズマから側壁保護膜形成のための活性種を半導体基板表面に供給して、緩やかなテーパ面を形成し、当該混合ガスはHCl、HBr、HIのうちいずれか1種以上のガスと一般式C で表されるガスとの混合ガス(x≧1,z≧1,y≧0でいずれも正数、XはFまたはBrである。C Br (2x+2=y+z)を用いてもよい。)を使用している。この後第2のエッチング工程においてハロゲン含有ガスと、酸素または窒素との混合ガスプラズマを用いて急峻なテーパ面を形成する。そして第3のエッチング工程においてHBrなどのハロゲン化水素を添加することによりマスクとのエッチング選択比を向上し、マスクの膜減りによる側壁の形状異常の発生を防止するようにしている。またClを添加することにより、狭いトレンチでもエッチストップが生じるのを防ぐことができる。したがって、Cl/HBr/Oを用いた第3のエッチング工程を実行することにより、微細なトレンチでも所望の深さを得ることが可能となる。
【0027】
発明の第2では、前記第1の発明に係る半導体装置の製造方法において、前記第2のエッチング工程は、Cl2/N2又はCl2/HBr/N2を用いる工程であることを特徴とする。
本発明の第では、前記第1又は第2の発明に係る半導体装置の製造方法において、前記第3のエッチング工程は、HBrと、Cl2と、O2との混合ガスを用いたエッチング工程であることを特徴とする
【0028】
かかる構成によれば、Cl2の添加により、テーパ角度が大きくなり、開口径の狭いトレンチ形成に際してもエッチストップを防止し、所望の深さのトレンチ形成を行うことが可能となる。またHBrの添加により、レジストなどのマスクとのエッチング選択比が向上し、マスクの膜減りを防止することが可能となる。
【0037】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
まず、図1に示すように、シリコン基板1表面に膜厚170nmの窒化シリコン膜Si34を形成し、パターニングし、窒化シリコン膜からなるマスク2を形成する。
【0038】
そしてこのマスク2を介して、素子分離のためのトレンチを形成する。装置としては、図16に示した誘導結合型プラズマエッチング装置を使用し、ポリイミド静電チャックに前記シリコン基板1を載置し、以下の条件で3ステップエッチングを行う。
【0039】
ステップ1:圧力=15mTorr、ソースパワー:1200W,バイアスパワー:100W、HBr/CF4=80/80sccmの混合ガスを用いて、5秒間のエッチングを行う。
【0040】
ステップ2:圧力=15mTorr、ソースパワー:1000W,バイアスパワー:150W、Cl2/N2=125/50sccmの混合ガスを用いて、15秒間のエッチングを行う。
【0041】
ステップ3:圧力=40mTorr、ソースパワー:1500W,バイアスパワー:180W、HBr/Cl2/O2=160/20/5sccmの混合ガスを用いて、50秒間のエッチングを行う。
【0042】
ここで電極冷却用の冷媒の温度は50℃とする。
このようにして得られたエッチング形状を図2に示す。このように開口部が緩やかでかつ深い領域では急峻なテーパ面をもつなだらかなトレンチを得ることが可能となる。
【0043】
図3(a)は、このようにして形成されたトレンチ底面の拡大写真である。平滑な表面状態を得ることができることがわかる。ちなみに従来の2ステップエッチング(特開平1−118628)で形成したトレンチ底面のSEM写真を図3(b)に示すとともに、および従来の方法(特開平1−118628)におけるトップラウンディングステップ終了時点でのシリコン表面のSEM写真を図3(c)に示す。これら図3(b)および図3(c)と図3(a)の比較からあきらかなように、従来の方法で形成したトレンチ底面は、図3(b)および図3(c)に示すように凹凸表面であった。
【0044】
まず上記条件でステップ1のエッチングを行う。この工程では、残さ発生防止のために、圧力は30mTorr以下に設定しておくことが望ましい。
また、マスクの膜減り量を抑えるためにソースパワーは1500W以下、バイアスパワーは300W以下とすることが望ましい。
【0045】
更にHBr/CF4の流量比は120:40から40:120sccmの範囲で使用可能であると考えられる。ただし、CF4比率が高い場合はマスクの膜減り量が大きくなる。
【0046】
なお、エッチングガスおよび流量比率は、所望のテーパ角度を得ることができるように選択すればよい。
【0047】
次に第2のエッチングステップについては、Cl2およびN2の混合ガスに限定されることなくシリコンのハロゲン化物と反応して基板表面に堆積するような反応生成物を生成することのできるガス組成を選択するようにするのが望ましい。
【0048】
このガスの組み合わせとしては、HBr+N2、HBr+Cl2+O2、HBr+Br2+O2、Cl2+O2+N2、HCl+N2、HCl2+Cl2+N2などが選択可能である。
【0049】
第3のエッチングステップにおいては、ガスとしては、Cl2、HCl、Br2、HBr、HIなどが選択可能である。
【0050】
このようにして得られたトレンチのテーパ角度は48.2度から59.0度であり、設計値どおりのものがバラツキなく得られた。バラツキはせいぜい11.8度であり、従来の方法で形成したトレンチのテーパ角度は45.7度から68.0度であり、バラツキは22.3度であった。
【0051】
次に、第3のエッチングステップにおいて、塩素の流量を変化させて、テーパ角度を測定した。その結果を図4に示す。これは0.25ミクロン幅トレンチを形成する場合のテーパ角度のCl2流量割合依存性を測定した結果を示すものである。Cl2の添加量を増大することにより、テーパ角度が大きくなっていることが分かる。
【0052】
ここでテーパ角度θと間口Wにおける最大トレンチ深さdmaxは次式で示される。
max=(W/2)tanθ
【0053】
図5は最大トレンチ深さのトレンチテーパ角度依存性を示す。
この式からトレンチの開口径が200nmであるとき、トレンチ深さ320nm以上とするためには、テーパ角度を72.6度以上となるようにエッチングプロセスを決定する必要がある。
【0054】
また、開口部近傍でテーパを緩やかにして100nmにしたのち、更に320nm深さのトレンチエッチングを行う場合、トレンチのテーパ角度は81.1度以上でなければならない。開口径200nmのトレンチでテーパ角度72.6度以上のトレンチを形成するには図4からCl2を5%程度添加すればよいことがわかる。また、開口径100nmのトレンチでテーパ角度72.6度以上のトレンチを形成するにはCl2添加割合を20%程度とすればよい。
【0055】
このようにトレンチが微細化するに従い、トレンチの第2のテーパ面のテーパ角度を大きくする必要があるがCl2の添加量を制御することにより、微細なトレンチに対して所望のトレンチ深さを得ることができることがわかる。
【0056】
また、Cl2/O2プラズマでエッチングを行う場合、側壁ポリマーに対する選択比が低いために、図6(b)に示すように、第1のエッチングステップで形成された側壁ポリマーがエッチングされ基板が露呈することがある。そして更にエッチングが進行すると、図6(c)示すように、側壁ポリマー6が除去された部分はエッチングされ、シリコン基板は削られていく。シリコン基板が新たにエッチングされてできたトレンチ側壁にはSiO2系の付着物が保護膜7として堆積するため、これらの膜に保護された部分のシリコン基板は、エッチングはされない。このため、SiO2系の反応生成物7により保護された部分が突起状の側壁を形成するのである。
【0057】
更にエッチングが進行した場合は図6(c)に示すような顕著な異常形状を呈することになる。
これに対し、前記第1の実施形態では第3のエッチングステップでHBrを添加しているため、SiO2、Si34,SiO2あるいはレジストに対する選択比が向上し、異常形状の発生を防止することが可能となる。
【0058】
なお、マスクの膜厚Dはトレンチ幅Wにしてアスペクト比(D/W)が1を越えないような範囲にマスクの膜厚を設置する必要がある。アスペクト比が1を越えると、第1のエッチングステップにおいて開口部を緩やかにする際に側壁保護膜の被覆性が急激に劣化し始めるためである。アスペクト比を1以下とすることができれば、Si34に限定されることなくフォトレジストとSi34との2層膜とするなど適宜変形可能である。
【0059】
また、前記第1のエッチングステップは、望ましくはHCl,HBr、HIのうちいずれか1種以上のガスと一般式CxHyXzで表されるガスとの混合ガス(X≧1,Z≧1,Y≧0でいずれも正数、XはFまたはBrである。CxBryFz(2x+2=y+z)を用いてもよい。)を使用している。そしてガス比率はHBr:CF4が5:3〜3:5が望ましい。プロセス圧力は30mTorr以下とする。エッチング時間はシリコン基板表面が単原子層以上エッチングされる時間であればよい。
【0060】
第2のエッチングステップはCl2/N2又はCl2/HBr/N2をエッチングガスとし、Cl2:N2は24:3から25:10程度、Cl2:HBr:N2はCl2:HBrを0:10〜10:0の範囲としこれにNを5〜15%添加したものが望ましい。プロセス圧力は30mtorr以下とする。エッチング時間はシリコン基板表面が30nm以上エッチングされる時間であればよい。
【0061】
更に第3のエッチングステップは、HBr/Cl2/O2とし,Cl2を10から50%、ICPの場合はO2を5から10%、ECRの場合は、O2を5から30%添加し、素子分離に必要なエッチング量に到達するまでエッチングを続行する。
【0062】
なお、ソースパワーはイオン電流密度が基板上で0.5−3mA/cm2となるようなパワー、バイアスパワーは、基板設置電極におけるVppが40V以上又はVdcが20eV以上となるパワーを選択する。ここでVdcを20eV以上としたのは、Si−Si結合をきるのに20eV以上のイオンエネルギーが必要であるからである。また、イオン電流密度を0.5−3mAとしたが、高すぎるとエッチング選択性が低下するという問題がある。
【0063】
次に本発明の第2の実施形態について説明する。
前記実施形態では3ステップエッチングをもちいたが、この方法では2ステップエッチングを用いたことを特徴とする。
【0064】
まず、前記第1の実施形態と同様に図1に示すように、シリコン基板1表面に膜厚170nmの窒化シリコン膜Si34を形成し、パターニングし、窒化シリコン膜からなるマスク2を形成する。
【0065】
そしてこのマスク2を介して、素子分離のためのトレンチを形成する。装置としては、図16に示した誘導結合型プラズマエッチング装置を使用し、ポリイミド静電チャックに前記シリコン基板1を載置し、以下の条件で2ステップエッチングを行う。
【0066】
ステップ1:圧力=15mTorr、ソースパワー:1200W,バイアスパワー:100W、SiCl4/N2=80/10sccmの混合ガスを用いて、10秒間のエッチングを行う。このステップ1におけるガスの流量比は、N2を5%〜20%望ましくは10%程度含有するものである必要がある。また、SiCl4、N2混合ガスにCl2を添加した場合はエッチングレートは大きくなるが、良好な順テーパ形状を得るためには、N2流量はより大きくする必要がある。
【0067】
ステップ2: ステップ3:圧力=40mTorr、ソースパワー:1500W,バイアスパワー:180W、HBr/Cl2/O2=160/20/5sccmの混合ガスを用いて、50秒間のエッチングを行う。このステップは前記第1の実施形態の第3のエッチングステップと同じ条件に設定した。
【0068】
ここで電極冷却用の冷媒の温度は50℃とする。
このようにして得られるエッチング形状も図2に示したのと同様であった。このように開口部が緩やかでかつ深い領域では急峻なテーパ面をもつなだらかなトレンチを得ることが可能となる。
【0069】
ここで第1のエッチングステップではSiCl4の他SiBr4,BCl3,BBr3等が適用可能である。
又第2のエッチングステップは前記第1の実施形態の第3のエッチングステップと同様、Cl2の他HCl、Br2,HBr,HIなどが適用可能である。
【0070】
また、エッチング装置としては図16に示した誘導結合型プラズマ型エッチング装置の他、図7に示すように、ECR(エレクトロン・サイクロトロン・レゾナンス)プラズマエッチング装置にも適用可能であることはいうまでもない。この装置は、下部電極としてのセラミック静電チャック302上に載置されたシリコン基板300表面をプラズマエッチングするものである。チャンバー301の外側には高周波電源に接続されたコイル304が配設されている。またセラミック静電チャック302は13.56MHzのバイアス電源303に接続されている。
【0071】
ここでECRプラズマエッチング装置を用いたエッチング条件は以下のとおりであった。
【0072】
ステップ1:圧力=1mTorr、ソースパワー(2.45GHzマイクロ波):1400W,RFパワー:45W、Cl2/N2=25/3〜9sccmの混合ガスを用いて、60秒間のエッチングを行う。
【0073】
ステップ2:圧力=2mTorr、ソースパワー(2.45GHzマイクロ波):1500W,RFパワー:56W、HBr/O2=100/6sccmの混合ガスを用いて、50秒間のエッチングを行う
【0074】
このようにして得られたトレンチ形状を図8乃至10に示す。これらの図は第1のエッチング工程におけるN2流量を夫々3,6,9sccmと変化させたときの状態を示す図である。
【0075】
これらの結果から、窒素流量の変化により、トレンチ間口のテーパ角を制御できることがわかる。図8乃至10より、前述のエッチング条件においては、窒素流量が3〜6sccmの時に、良好なテーパ角度を得ることができることがわかる。
【0076】
所望のテーパ角度を得るために必要なCl2:N2流量比は、プロセス圧力、ソースパワー、バイアスパワーにも依存し、エッチング条件に応じて最適化する必要がある。
【0077】
なお、以下の態様も有用である。
半導体装置において、トレンチを具備し、前記トレンチ側壁が、トレンチ開口部で緩やかな48.2度から59.0度のテーパ角をもつ第1のテーパ面と、所定の深さよりも深い領域で前記テーパ角よりも急峻な、72.6度以上のテーパ角をなす第2のテーパ面とを持つことを特徴とする。かかる構成によれば、素子の微細化を維持しつつ、表面の開口部ではなだらかで、表面に形成する膜の段切れもなく信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
さらに、前記半導体装置において、前記半導体基板はシリコン基板であり、前記トレンチは、内壁に絶縁膜が形成され、素子分離領域を構成していることを特徴とすることにより、電流集中などの問題もなく、微細で信頼性の高い半導体装置を形成することが可能となる。
また、前記半導体装置において、前記トレンチ内壁に形成された拡散層と、更にこの拡散層表面に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜表面に形成された導電性膜とによってキャパシタを構成してなり、前記導電性膜は前記トレンチの開口端から前記半導体基板表面まで到達するように形成されていることを特徴とすることや、前記トレンチ内壁にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成されており、ソース・ドレイン拡散領域の一方が前記トレンチの開口部近傍から、前記半導体表面まで到達するように形成され、トレンチ内壁の一部をチャネルとするMOSFETを構成していることを特徴とすることもできる。
また、半導体基板表面にトレンチを形成する工程が、ハロゲン化珪素、ハロゲン化ホウ素のうちの少なくとも1種類のガスと、酸素または窒素のうち少なくとも1種類のガスとの混合ガスプラズマを用いてマスクから露呈する半導体基板表面を選択的にエッチングする第1のエッチング工程と、前記第1のエッチング工程の後、ハロゲン含有ガスと、酸素または窒素との混合ガスプラズマを用いて半導体基板表面をエッチングする第2のエッチング工程とを含むことを特徴とする。
かかる構成によれば、第1のエッチング工程でハロゲン化珪素あるいはハロゲン化ホウ素と、酸素または窒素のうち少なくとも1種類のガスを添加しているため、珪素の酸化物、窒化物、酸化窒化物又はホウ素の酸化物、窒化物、酸化窒化物等側壁保護膜となる化合物をプラズマから供給しているため、トレンチ開口部がなだらかなテーパ面を持つようにトレンチ形成がなされる。そしてこのようにして開口部がなだらかに形成された後、ハロゲン含有ガスを用いてエッチングを行うことにより急峻なトレンチを形成することが可能となる。
また上記半導体装置の製造方法において、前記ハロゲン化珪素はSiCl,SiBrのいずれかであり、前記ハロゲン化ホウ素は、BCl,BBrのいずれかであることを特徴とする。
また、半導体基板表面にトレンチを形成する工程が、ハロゲンおよびまたはハロゲン化水素と有機シラン(Si(CH4−x)と酸素または窒素の混合ガスの混合ガスを用いてマスクから露呈する半導体基板表面を選択的にエッチングする第1のエッチング工程と、前記第1のエッチング工程の後、ハロゲン含有ガスと、酸素または窒素との混合ガスプラズマを用いて半導体基板表面をエッチングする第2のエッチング工程とを含むことを特徴とする。
かかる構成によれば、第1のエッチング工程でハロゲンおよびまたはハロゲン化水素と有機シラン(Si(CH4−x)の混合ガスを用いているため、珪素の酸化物、窒化物、または窒化酸化物等、側壁保護膜となる化合物をプラズマから供給しているため、トレンチ開口部がなだらかなテーパ面を持つようにトレンチ形成がなされる。そしてこのようにして開口部がなだらかに形成された後、ハロゲン含有ガスを用いてエッチングを行うことにより急峻なトレンチを形成することが可能となる。
また上記半導体装置の製造方法において、前記ハロゲンは、Cl,Br,Iの少なくとも1種を含み、かつ前記ハロゲン化水素はHCl,HBr,HIの少なくとも1種を含むことを特徴とする。
また上記半導体装置の製造方法において、前記ハロゲン含有ガスは、Cl,HCl,Br,HBr,HIの少なくとも1種を含むことを特徴とする。
また上記半導体装置の製造方法において、前記有機シランガスは、テトラメチルシラン:Si(CH,トリメチルシラン:Si(CHH,ジメチルシラン:Si(CHのいずれかであることを特徴とする。
また、半導体基板表面にトレンチを形成する工程が、ハロゲンおよびまたはハロゲン化水素と炭化水素の混合ガスを用いてマスクから露呈する半導体基板表面を選択的にエッチングする第1のエッチング工程と、前記第1のエッチング工程の後、ハロゲン含有ガスと、酸素または窒素との混合ガスプラズマを用いて半導体基板表面をエッチングする第2のエッチング工程とを含むことを特徴とする。
また、上記半導体装置の製造方法において、前記ハロゲンは、Cl,Br,Iの少なくとも1種を含み、かつ前記ハロゲン化水素はHCl,HBr,HIの少なくとも1種を含むことを特徴とする。
また、上記半導体装置の製造方法において、前記ハロゲン含有ガスは、Cl,HCl,Br,HBr,HIの少なくとも1種を含むことを特徴とする。
なお前記実施形態では窒化シリコン膜をマスクとして用いたが、酸化シリコン膜の他フォトレジストを、用いてもよい。
【0078】
なお、前記実施形態ではこのトレンチを素子分離に用いる例についてのみ説明したが、素子分離に限定されることなく、トレンチの側壁をゲートとするトレンチ型MOSFET、トレンチ側壁をキャパシタとするトレンチ型キャパシタについても適用可能である。
【0079】
トレンチ型MOSFETに適用した場合、本発明によれば、トレンチ内部で急峻でありかつトレンチ開口部近傍で緩やかなテーパ面を得ることができるため、トレンチ開口部近傍で配線の段切れが生じたりするのを防止しつつ、ほぼ垂直な面をゲートとして利用することができるため、占有面積の低減が可能となり、微細で信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
【0080】
さらにまた、トレンチ底部およびまたはトレンチ側壁をキャパシタとして用いる場合、基板表面まで伸長するようにキャパシタ電極を形成する場合あるいは、配線によって基板表面に形成された回路装置と接続する場合などにも、トレンチ開口部近傍で配線の段切れが生じたりするのを防止しつつ、ほぼ垂直な面をキャパシタとして利用することができるため、占有面積の低減が可能となり、微細で信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
【0081】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、微細でかつ信頼性の高いトレンチ形成が可能となり、素子分離に要する面積も小さく、素子の微細化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態によるトレンチの形成工程を示す図
【図2】本発明の一実施形態によるトレンチの形成工程を示す図
【図3】同工程で得られたトレンチ表面の写真および従来例の方法で形成されたトレンチ表面を示す写真
【図4】トレンチのテーパ角とCl添加量との関係を示す図
【図5】最大トレンチ深さのトレンチのテーパ角依存性を示す図
【図6】エッチング過程を示す説明図
【図7】ECRプラズマエッチング装置を示す図
【図8】図7のエッチング装置を用いて窒素添加量を変化させたときのトレンチ形状を示す写真
【図9】図7のエッチング装置を用いて窒素添加量を変化させたときのトレンチ形状を示す写真
【図10】図7のエッチング装置を用いて窒素添加量を変化させたときのトレンチ形状を示す写真
【図11】従来のトレンチを示す説明図
【図12】従来のトレンチを示す説明図
【図13】理想的なトレンチ形状を示す説明図
【図14】従来の方法で形成したトレンチ形状を示す説明図
【図15】従来の方法によるトレンチの形成工程を示す図
【図16】誘導結合型プラズマエッチング装置を示す図
【符号の説明】
100 シリコン基板
101 マスク
102 ポリマー
201 セラミックドーム
202 ポリイミド静電チャック
203 Al23
204 コイル
205 プラズマ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a semiconductor device.SetThe present invention relates to a manufacturing method, and more particularly to formation of a trench.
[0002]
[Prior art]
In recent years, miniaturization and high integration of semiconductor devices are progressing, and a technique for performing sub-quarter micron processing with high accuracy and high reproducibility is required.
In particular, the formation of high-precision and fine trenches has become an extremely important issue in order to increase the number of layers and the three-dimensionality of elements, including element isolation.
[0003]
When performing element isolation using a trench, if the corner of the trench opening is steep, there is a problem that it tends to cause electric field concentration of the MOSFET formed on the surface of the semiconductor substrate. As shown in FIG. 11, it is known that the shape of the trench, that is, the taper angle θ of the trench and the radius of curvature R of the upper portion of the trench have a great influence on the Id-Vg characteristics of the MOSFET.
[0004]
That is, in the case of a trench having a taper angle θ close to vertical and a small corner R, the Id-Vg characteristic of the MOSFET may exhibit a double hump characteristic. In order to avoid such a problem, the taper angle of the trench should be made gentle. However, when the isolation width of the element becomes finer, if the taper is made gentle, the trench cannot be formed deeper than the depth determined by the taper angle as shown in FIG. 12, and sufficient isolation performance is obtained. I can't do that. Further, in order to obtain a desired depth, it is necessary to make the opening diameter of the trench extremely large, which has been a big problem that prevents miniaturization.
[0005]
Therefore, in order to achieve both good transistor characteristics and isolation performance in a fine trench, as shown in FIG. 13, a gentle taper is formed only in the opening of the trench, and a steep angle is formed in other portions. Realization of a trench shape is desired.
[0006]
Conventionally, 1-5% oxygen O in hydrogen bromide HBr2There has been proposed a method of obtaining a Y-shaped trench as shown in FIG. However, in this method, a gentle taper is formed in the vicinity of the upper portion of the trench. However, as shown in FIG. 14, there is a problem that the opening is not easily tapered and becomes steep.
[0007]
As shown in FIG. 15 (a), this is because SiN (SiThreeNFourWhen etching for trench formation is performed through the mask 101, the etching must proceed while the polymer 102 is attached to the inner wall of the trench T from the initial stage of etching.2, Cl2/ O2, Cl2/ N2In the process using the above, as shown in FIG. 15 (b), the reaction product SiClxAnd SiBrxThe reaction with the oxygen radicals in the gas phase is started only after the gas is supplied to the gas phase, and deposition of the Si halide oxide begins. Therefore, SiCl into the gas phasexAnd SiBrxIn the stage before the start of supply, that is, in the initial stage of etching, a taper is hardly formed, and a steep profile is formed.
[0008]
Therefore, in order to form a taper from the initial stage of etching, it is necessary to supply deposition species from the gas phase.
Therefore, using an inductively coupled plasma etching apparatus as shown in FIG.xThere has been proposed a method of etching a Si substrate with Br while supplying radicals or ions to the substrate surface and depositing a fluorocarbon polymer. This equipment is Al2OThreeA plasma 205 is generated between the ceramic dome 201 made of the above and a polyimide electrostatic chuck 202 as a lower electrode, and the surface of the silicon substrate 200 placed on the polyimide electrostatic chuck 202 is etched. A coil 204 connected to a 12.56 MHz high frequency power source is disposed outside the ceramic dome 201. The polyimide electrostatic chuck 202 is connected to a 13.56 MHz bias power source 203.
[0009]
Here, as a first step, the pressure in the chamber is set to 50 mtorr, source power 1200 W, bias power 200 W, HBr / CFFourEtching is performed for 30 seconds with = 80/80 sccm.
[0010]
Next, as a second step, the pressure in the chamber is set to 40 mtorr, the source power is 1500 W, the bias power is 180 W, and HBr / Cl.2/ O2Etching is performed for 58 seconds with = 160/20/5 sccm. At this time, the temperature of the coolant for cooling the electrode was 50 ° C.
[0011]
When such a method is used, in order to form a sufficient forward taper, it is necessary to perform etching at a relatively high pressure. However, as a result of etching using the inductively coupled plasma etching apparatus, it was found that a residue was generated at a pressure of about 50 mtorr. If the etching pressure is lowered, the generation of the residue can be prevented, but there is a problem that the taper angle becomes large.
[0012]
SiThreeNFourOr SiO2HBr / CF using an etching mask made ofFourOr HBr / CHFThreeWhen performing the first etching step by the process, SiThreeNFourOr SiO2The etching selectivity with respect to is low, and the film thickness of the etching mask becomes severe. This is due to the F radicalThreeN4Or SiO2This is because of etching. When etching is performed under the above conditions, SiThreeNFourThe amount of film reduction of the etching mask made of was 20-32 m.
[0013]
Thus, SiThreeNFourOr SiO2The film thickness of the etching mask made of becomes severe. That is, in this method, there is a trade-off relationship between taper formation and residue generation prevention, residue generation prevention and mask film thickness reduction, and it was extremely difficult to obtain good results.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional method, when trench etching is performed, there is a trade-off relationship between taper formation and residue generation prevention, residue generation prevention and mask film reduction reduction. There is a problem that it is extremely difficult to form a trench having a high degree of dimensional accuracy so as to be steep inside.
[0015]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to obtain a highly accurate and highly reliable trench having a gently tapered surface in the vicinity of an opening.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
  First of the present invention1ThenA method of manufacturing a semiconductor device, wherein a trench sidewall of a trench formed on a surface of a semiconductor substrate has a first tapered surface having a gentle taper angle of 48.2 degrees to 59.0 degrees at a trench opening, and a predetermined taper surface A trench including a second tapered surface having a taper angle of 72.6 degrees or more that is steeper than the taper angle in a region deeper than the depth of the semiconductor substrate, and forming the trench on the semiconductor substrate surface, A first etching step for selectively etching the surface of a semiconductor substrate exposed from a mask using a mixed gas of hydrogen halide and fluorocarbon, wherein at least one of HCl, HBr, and HI and a general formula C x H y X z (X ≧ 1, z ≧ 1, y ≧ 0, both are positive numbers, X is F or Br. C x Br y F z (2x + 2 = y + z) may be used. ) Using a mixed gas plasma of a halogen-containing gas and oxygen or nitrogen after the first etching step, and a second etching step of etching the semiconductor substrate surface after the first etching step, After the second etching step, a third etching step for etching the surface of the semiconductor substrate using a mixed gas plasma of a halogen-containing gas and oxygen is included.
[0026]
  According to such a configuration, the active species for forming the sidewall protective film is supplied from the plasma to the semiconductor substrate surface using a mixed gas of hydrogen halide and fluorocarbon to form a gently tapered surface,The mixed gas is one or more of HCl, HBr, and HI and a general formula C x H y X z (X ≧ 1, z ≧ 1, y ≧ 0, both are positive numbers, X is F or Br. C x Br y F z (2x + 2 = y + z) may be used. ) Is used.Thereafter, in the second etching step, a steep tapered surface is formed using a mixed gas plasma of a halogen-containing gas and oxygen or nitrogen. Then, in the third etching step, a hydrogen halide such as HBr is added to improve the etching selectivity with the mask, thereby preventing the occurrence of an abnormal shape of the side wall due to the reduction of the mask film. Also Cl2By adding, etch stop can be prevented from occurring even in a narrow trench. Therefore, Cl2/ HBr / O2By executing the third etching step using the above, it is possible to obtain a desired depth even in a fine trench.
[0027]
  BookInventionSecondThenAccording to the first inventionIn the method for manufacturing a semiconductor device, the second etching step includes Cl.2/ N2Or Cl2/ HBr / N2It is a process using this.
  First of the present invention3ThenAccording to the first or second inventionIn the method of manufacturing a semiconductor device, the third etching step includes HBr, Cl2And O2It is an etching process using a mixed gas with.
[0028]
According to such a configuration, Cl2As a result of this addition, the taper angle is increased, and even when a trench having a narrow opening diameter is formed, an etch stop can be prevented and a trench having a desired depth can be formed. In addition, the addition of HBr improves the etching selectivity with a mask such as a resist, and can prevent the mask from being reduced.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, as shown in FIG. 1, a silicon nitride film Si having a thickness of 170 nm is formed on the surface of the silicon substrate 1.ThreeNFourAnd patterning to form a mask 2 made of a silicon nitride film.
[0038]
Then, a trench for element isolation is formed through this mask 2. As the apparatus, the inductively coupled plasma etching apparatus shown in FIG. 16 is used, the silicon substrate 1 is placed on a polyimide electrostatic chuck, and three-step etching is performed under the following conditions.
[0039]
Step 1: Etching is performed for 5 seconds using a mixed gas of pressure = 15 mTorr, source power: 1200 W, bias power: 100 W, HBr / CF 4 = 80/80 sccm.
[0040]
Step 2: Pressure = 15 mTorr, Source power: 1000 W, Bias power: 150 W, Cl2/ N2Etching for 15 seconds is performed using a mixed gas of = 125/50 sccm.
[0041]
Step 3: Pressure = 40 mTorr, Source power: 1500 W, Bias power: 180 W, HBr / Cl2/ O2Etching is performed for 50 seconds using a mixed gas of = 160/20/5 sccm.
[0042]
Here, the temperature of the coolant for electrode cooling is set to 50 ° C.
The etched shape thus obtained is shown in FIG. In this way, it is possible to obtain a gentle trench having a steep tapered surface in a region where the opening is gentle and deep.
[0043]
FIG. 3A is an enlarged photograph of the bottom surface of the trench thus formed. It can be seen that a smooth surface state can be obtained. Incidentally, an SEM photograph of the bottom surface of the trench formed by the conventional two-step etching (Japanese Patent Laid-Open No. 1-1118628) is shown in FIG. An SEM photograph of the silicon surface is shown in FIG. As apparent from the comparison between FIGS. 3B and 3C and FIG. 3A, the bottom surface of the trench formed by the conventional method is as shown in FIGS. 3B and 3C. The surface was uneven.
[0044]
First, the etching in step 1 is performed under the above conditions. In this step, it is desirable to set the pressure to 30 mTorr or less in order to prevent residue from being generated.
Further, in order to suppress the film loss of the mask, it is desirable that the source power is 1500 W or less and the bias power is 300 W or less.
[0045]
Furthermore, HBr / CFFourThe flow rate ratio is considered to be usable in the range of 120: 40 to 40: 120 sccm. However, CFFourWhen the ratio is high, the amount of film reduction of the mask increases.
[0046]
Note that the etching gas and the flow rate ratio may be selected so that a desired taper angle can be obtained.
[0047]
Next, for the second etching step, Cl2And N2It is desirable to select a gas composition capable of producing a reaction product that reacts with the halide of silicon and deposits on the substrate surface, without being limited to the mixed gas.
[0048]
As this gas combination, HBr + N2, HBr + Cl2+ O2, HBr + Br2+ O2, Cl2+ O2+ N2, HCl + N2, HCl2+ Cl2+ N2Etc. can be selected.
[0049]
In the third etching step, the gas is Cl.2, HCl, Br2, HBr, HI, etc. can be selected.
[0050]
The taper angle of the trench thus obtained was 48.2 degrees to 59.0 degrees, and the same as the designed value was obtained without variation. The variation was 11.8 degrees at most, and the taper angle of the trench formed by the conventional method was 45.7 degrees to 68.0 degrees, and the variation was 22.3 degrees.
[0051]
Next, in the third etching step, the taper angle was measured by changing the flow rate of chlorine. The result is shown in FIG. This is the taper angle of Cl when forming a 0.25 micron wide trench.2The result of having measured flow rate ratio dependence is shown. Cl2It can be seen that the taper angle is increased by increasing the addition amount of.
[0052]
Here, taper angle θ and maximum trench depth d at frontage WmaxIs expressed by the following equation.
dmax= (W / 2) tan θ
[0053]
FIG. 5 shows the trench taper angle dependence of the maximum trench depth.
From this equation, when the opening diameter of the trench is 200 nm, it is necessary to determine the etching process so that the taper angle is 72.6 degrees or more in order to make the trench depth 320 nm or more.
[0054]
Further, when the taper is gradually reduced to 100 nm in the vicinity of the opening and then trench etching is performed at a depth of 320 nm, the taper angle of the trench must be 81.1 degrees or more. To form a trench having a taper angle of 72.6 degrees or more with a trench having an opening diameter of 200 nm, Cl2It can be seen that about 5% should be added. In order to form a trench having a taper angle of 72.6 degrees or more with a trench having an opening diameter of 100 nm, Cl is used.2The addition ratio may be about 20%.
[0055]
As the trench becomes finer in this way, it is necessary to increase the taper angle of the second taper surface of the trench.2It can be seen that a desired trench depth can be obtained with respect to a fine trench by controlling the addition amount of.
[0056]
Also, Cl2/ O2When etching with plasma, since the selectivity to the side wall polymer is low, the side wall polymer formed in the first etching step may be etched to expose the substrate, as shown in FIG. 6B. When the etching further proceeds, as shown in FIG. 6C, the portion where the side wall polymer 6 is removed is etched, and the silicon substrate is shaved. The trench sidewall formed by newly etching the silicon substrate has SiO2Since the deposits of the system are deposited as the protective film 7, the portion of the silicon substrate protected by these films is not etched. For this reason, SiO2The part protected by the reaction product 7 of the system forms a protruding side wall.
[0057]
Further, when the etching proceeds, a remarkable abnormal shape as shown in FIG.
On the other hand, in the first embodiment, since HBr is added in the third etching step, SiO2, SiThreeNFour, SiO2Alternatively, the selectivity with respect to the resist is improved, and the occurrence of an abnormal shape can be prevented.
[0058]
Note that the mask film thickness D needs to be set in such a range that the trench width W and the aspect ratio (D / W) do not exceed 1. This is because when the aspect ratio exceeds 1, the coverage of the sidewall protective film begins to deteriorate rapidly when the opening is made gentle in the first etching step. If the aspect ratio can be 1 or less, SiThreeNFourWithout being limited to photoresist and SiThreeNFourIt can be modified as appropriate, such as a two-layer film.
[0059]
Further, the first etching step is preferably a mixed gas (X ≧ 1, Z ≧ 1, Y ≧) of any one or more of HCl, HBr, and HI and a gas represented by the general formula CxHyXz. 0 is a positive number, X is F or Br. CxBryFz (2x + 2 = y + z may be used) is used. And the gas ratio is HBr: CFFourIs preferably 5: 3 to 3: 5. The process pressure is 30 mTorr or less. The etching time may be a time during which the silicon substrate surface is etched by a monoatomic layer or more.
[0060]
The second etching step is Cl2/ N2Or Cl2/ HBr / N2As an etching gas and Cl2: N2Is about 24: 3 to 25:10, Cl2: HBr: N2Is Cl2: HBr is in the range of 0:10 to 10: 0, and N2It is desirable to add 5 to 15%. The process pressure is 30 mtorr or less. The etching time may be a time for etching the surface of the silicon substrate by 30 nm or more.
[0061]
Furthermore, the third etching step is HBr / Cl2/ O2And Cl210 to 50%, O for ICP25 to 10%, O for ECR25 to 30% is added, and etching is continued until the etching amount necessary for element isolation is reached.
[0062]
Note that the source power has an ion current density of 0.5-3 mA / cm on the substrate.2As the power and bias power, the power at which Vpp is 40 V or higher or Vdc is 20 eV or higher in the substrate installation electrode is selected. The reason why Vdc is set to 20 eV or more is that ion energy of 20 eV or more is necessary to break the Si—Si bond. Moreover, although ion current density was 0.5-3 mA, when too high, there exists a problem that etching selectivity falls.
[0063]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
Although the three-step etching is used in the embodiment, this method is characterized by using two-step etching.
[0064]
First, as shown in FIG. 1, as in the first embodiment, a silicon nitride film Si having a thickness of 170 nm is formed on the surface of the silicon substrate 1.ThreeNFourAnd patterning to form a mask 2 made of a silicon nitride film.
[0065]
Then, a trench for element isolation is formed through this mask 2. As the apparatus, the inductively coupled plasma etching apparatus shown in FIG. 16 is used, the silicon substrate 1 is placed on a polyimide electrostatic chuck, and two-step etching is performed under the following conditions.
[0066]
Step 1: Pressure = 15 mTorr, Source power: 1200 W, Bias power: 100 W, SiClFour/ N2Etching is performed for 10 seconds using a mixed gas of 80/10 sccm. The gas flow ratio in this step 1 is N25 to 20%, preferably about 10%. SiClFour, N2Cl mixed gas2However, in order to obtain a good forward taper shape, the etching rate increases.2The flow rate needs to be higher.
[0067]
Step 2: Step 3: Pressure = 40 mTorr, Source power: 1500 W, Bias power: 180 W, HBr / Cl2/ O2Etching is performed for 50 seconds using a mixed gas of = 160/20/5 sccm. This step was set to the same conditions as the third etching step of the first embodiment.
[0068]
Here, the temperature of the coolant for electrode cooling is set to 50 ° C.
The etching shape thus obtained was the same as that shown in FIG. In this way, it is possible to obtain a gentle trench having a steep tapered surface in a region where the opening is gentle and deep.
[0069]
Here, in the first etching step, SiClFourOther SiBrFour, BClThree, BBrThreeEtc. are applicable.
The second etching step is similar to the third etching step of the first embodiment, and Cl2Besides HCl, Br2, HBr, HI, etc. are applicable.
[0070]
In addition to the inductively coupled plasma etching apparatus shown in FIG. 16, the etching apparatus can be applied to an ECR (electron cyclotron resonance) plasma etching apparatus as shown in FIG. Absent. This apparatus performs plasma etching on the surface of a silicon substrate 300 placed on a ceramic electrostatic chuck 302 as a lower electrode. A coil 304 connected to a high frequency power source is disposed outside the chamber 301. The ceramic electrostatic chuck 302 is connected to a 13.56 MHz bias power source 303.
[0071]
Here, the etching conditions using the ECR plasma etching apparatus were as follows.
[0072]
Step 1: Pressure = 1 mTorr, Source power (2.45 GHz microwave): 1400 W, RF power: 45 W, Cl2/ N2Etching is performed for 60 seconds using a mixed gas of 25/3 to 9 sccm.
[0073]
Step 2: Pressure = 2 mTorr, Source power (2.45 GHz microwave): 1500 W, RF power: 56 W, HBr / O2= Etching for 50 seconds using a mixed gas of 100/6 sccm
[0074]
The trench shape thus obtained is shown in FIGS. These figures show N in the first etching step.2It is a figure which shows a state when changing flow volume with 3, 6, and 9 sccm, respectively.
[0075]
From these results, it can be seen that the taper angle of the trench front can be controlled by changing the nitrogen flow rate. 8 to 10, it can be seen that a good taper angle can be obtained when the nitrogen flow rate is 3 to 6 sccm under the above-described etching conditions.
[0076]
Cl required to obtain the desired taper angle2: N2The flow rate ratio also depends on the process pressure, source power, and bias power, and must be optimized according to the etching conditions.
[0077]
  The following modes are also useful.
  In a semiconductor device, a trench is provided, and the trench side wall has a first tapered surface having a gentle taper angle of 48.2 degrees to 59.0 degrees at a trench opening, and a region deeper than a predetermined depth. And a second tapered surface having a taper angle of 72.6 degrees or more, which is steeper than the taper angle. According to such a configuration, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device that maintains smoothness of the element and is smooth at the opening on the surface and without step breakage of the film formed on the surface.
Further, in the semiconductor device, the semiconductor substrate is a silicon substrate, and the trench has an insulating film formed on an inner wall to constitute an element isolation region, thereby causing problems such as current concentration. Thus, a fine and highly reliable semiconductor device can be formed.
In the semiconductor device, a capacitor is constituted by a diffusion layer formed on the inner wall of the trench, a dielectric film formed on the surface of the diffusion layer, and a conductive film formed on the surface of the dielectric film. The conductive film is formed so as to reach the semiconductor substrate surface from the opening end of the trench, or a gate electrode is formed on the inner wall of the trench via a gate insulating film. One of the source / drain diffusion regions is formed so as to reach the semiconductor surface from the vicinity of the opening of the trench, and constitutes a MOSFET having a part of the inner wall of the trench as a channel. You can also.
Also,A step of forming a trench on the surface of a semiconductor substrate is exposed from a mask using a mixed gas plasma of at least one gas of silicon halide and boron halide and at least one gas of oxygen or nitrogen. A first etching step for selectively etching the surface of the semiconductor substrate; and a second etching step for etching the surface of the semiconductor substrate using a mixed gas plasma of a halogen-containing gas and oxygen or nitrogen after the first etching step. And an etching process.
  According to this configuration, since silicon halide or boron halide and at least one gas of oxygen or nitrogen are added in the first etching step, silicon oxide, nitride, oxynitride or Since a compound serving as a sidewall protective film, such as boron oxide, nitride, or oxynitride, is supplied from plasma, the trench is formed so that the trench opening has a gentle tapered surface. Then, after the opening is gently formed in this way, it is possible to form a steep trench by performing etching using a halogen-containing gas.
  In the method of manufacturing a semiconductor device, the silicon halide is SiCl.4, SiBr4And the boron halide is BCl.3, BBr3It is either of these.
  In addition, the step of forming a trench on the surface of the semiconductor substrate includes halogen and / or hydrogen halide and organosilane (Si (CH3)xH4-x) And oxygen or nitrogen mixed gas to selectively etch the surface of the semiconductor substrate exposed from the mask, and after the first etching step, a halogen-containing gas and oxygen or And a second etching step of etching the surface of the semiconductor substrate using a mixed gas plasma with nitrogen.
  According to this configuration, halogen and / or hydrogen halide and organosilane (Si (CH3)xH4-x), A compound serving as a sidewall protective film, such as silicon oxide, nitride, or nitride oxide, is supplied from plasma, so that the trench opening has a gently tapered surface. A trench is formed in the step. Then, after the opening is gently formed in this way, it is possible to form a steep trench by performing etching using a halogen-containing gas.
  In the method for manufacturing a semiconductor device, the halogen may be Cl.2, Br2, I2And the hydrogen halide contains at least one of HCl, HBr, and HI.
  In the method for manufacturing a semiconductor device, the halogen-containing gas may be Cl.2, HCl, Br2, HBr, and HI.
  In the method for manufacturing a semiconductor device, the organosilane gas may be tetramethylsilane: Si (CH3)4, Trimethylsilane: Si (CH3)3H, dimethylsilane: Si (CH3)2H2It is either of these.
  A step of forming a trench on the surface of the semiconductor substrate, the first etching step of selectively etching the surface of the semiconductor substrate exposed from the mask using a halogen and / or a mixed gas of hydrogen halide and hydrocarbon; After the first etching step, the method includes a second etching step of etching the surface of the semiconductor substrate using a mixed gas plasma of a halogen-containing gas and oxygen or nitrogen.
  In the method for manufacturing a semiconductor device, the halogen may be Cl.2, Br2, I2And the hydrogen halide contains at least one of HCl, HBr, and HI.
  In the method for manufacturing a semiconductor device, the halogen-containing gas may be Cl.2, HCl, Br2, HBr, and HI.
  In the above embodiment, the silicon nitride film is used as a mask, but a photoresist other than the silicon oxide film may be used.
[0078]
In the above embodiment, only the example of using this trench for element isolation has been described. However, the present invention is not limited to element isolation, but a trench type MOSFET having a trench sidewall as a gate and a trench capacitor having a trench sidewall as a capacitor. Is also applicable.
[0079]
When applied to a trench MOSFET, according to the present invention, a steep taper surface can be obtained in the vicinity of the trench opening and in the vicinity of the trench opening, resulting in disconnection of the wiring in the vicinity of the trench opening. Therefore, since an almost vertical surface can be used as a gate, the occupied area can be reduced, and a fine and highly reliable semiconductor device can be provided.
[0080]
Furthermore, when the trench bottom and / or trench sidewall is used as a capacitor, when the capacitor electrode is formed so as to extend to the substrate surface, or when connected to a circuit device formed on the substrate surface by wiring, the trench opening is used. Since a substantially vertical plane can be used as a capacitor while preventing disconnection of wiring near the portion, the occupied area can be reduced, and a fine and highly reliable semiconductor device is provided. It becomes possible.
[0081]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a fine and highly reliable trench can be formed, the area required for element isolation is small, and the element can be miniaturized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a trench formation process according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a trench formation process according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a photograph of a trench surface obtained in the same process and a photograph showing a trench surface formed by a conventional method.
FIG. 4 shows taper angle of trench and Cl.2Diagram showing the relationship with addition amount
FIG. 5 is a graph showing the taper angle dependency of the maximum trench depth.
FIG. 6 is an explanatory view showing an etching process.
FIG. 7 is a diagram showing an ECR plasma etching apparatus.
8 is a photograph showing a trench shape when the nitrogen addition amount is changed using the etching apparatus of FIG.
9 is a photograph showing a trench shape when the nitrogen addition amount is changed using the etching apparatus of FIG.
10 is a photograph showing a trench shape when the amount of nitrogen added is changed using the etching apparatus of FIG.
FIG. 11 is an explanatory view showing a conventional trench.
FIG. 12 is an explanatory view showing a conventional trench.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing an ideal trench shape.
FIG. 14 is an explanatory view showing a trench shape formed by a conventional method.
FIG. 15 is a view showing a trench forming process by a conventional method;
FIG. 16 shows an inductively coupled plasma etching apparatus.
[Explanation of symbols]
100 silicon substrate
101 mask
102 polymer
201 ceramic dome
202 Polyimide electrostatic chuck
203 Al2OThree
204 coils
205 plasma

Claims (3)

半導体基板表面に形成されたトレンチのトレンチ側壁が、トレンチ開口部で緩やかな48.2度から59.0度のテーパ角をもつ第1のテーパ面と、所定の深さよりも深い領域で前記テーパ角よりも急峻な、72.6度以上のテーパ角をなす第2のテーパ面とを含むトレンチを有する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板表面にトレンチを形成する工程が、ハロゲン化水素とフロロカーボンの混合ガスを用いてマスクから露呈する半導体基板表面を選択的にエッチングする第1のエッチング工程であって、HCl、HBr、HIのうちいずれか1種以上のガスと一般式C で表されるガスとの混合ガス(x≧1,z≧1,y≧0でいずれも正数、XはFまたはBrである。C Br (2x+2=y+z)を用いてもよい。)を用いる第1のエッチング工程と、
前記第1のエッチング工程の後、ハロゲン含有ガスと、酸素または窒素との混合ガスプラズマを用いて半導体基板表面をエッチングする第2のエッチング工程と、
前記第2のエッチング工程の後、ハロゲン含有ガスと、酸素との混合ガスプラズマを用いて半導体基板表面をエッチングする第3のエッチング工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The trench sidewalls of the trench formed on the surface of the semiconductor substrate have a first taper surface having a gentle taper angle of 48.2 degrees to 59.0 degrees at the trench opening and the taper in a region deeper than a predetermined depth. A method of manufacturing a semiconductor device having a trench including a second taper surface having a taper angle of 72.6 degrees or more, which is steeper than an angle,
The step of forming a trench on the surface of the semiconductor substrate is a first etching step of selectively etching the surface of the semiconductor substrate exposed from the mask using a mixed gas of hydrogen halide and fluorocarbon, and includes HCl, HBr, HI. A mixed gas of at least one of these gases and a gas represented by the general formula C x H y X z (x ≧ 1, z ≧ 1, y ≧ 0, both are positive numbers, X is F or Br A first etching step using C x Br y F z (2x + 2 = y + z) may be used ;
A second etching step of etching the surface of the semiconductor substrate using a mixed gas plasma of a halogen-containing gas and oxygen or nitrogen after the first etching step;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a third etching step of etching the surface of the semiconductor substrate using a mixed gas plasma of a halogen-containing gas and oxygen after the second etching step.
前記第2のエッチング工程は、Cl/N又はCl/HBr/Nを用いる工程である請求項に記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the second etching step is a step using Cl 2 / N 2 or Cl 2 / HBr / N 2 . 前記第3のエッチング工程は、HBrと、Clと、Oとの混合ガスであることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。The third etching step, HBr and, and Cl 2, the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized in that a mixed gas of O 2.
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