JP6263569B2 - 絶縁構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

発明の分野
この発明は半導体チップ製作に関し、特に、半導体チップ上に形成された能動素子または受動素子を電気的に絶縁するための構造を製作する方法に関する。

発明の背景
半導体集積回路（ＩＣ）チップの製作では、チップの表面上に形成された素子を電気的に絶縁することが頻繁に必要である。これを行なうさまざまなやり方がある。１つの方法は、窒化ケイ素などの比較的固い材料でチップの表面がマスキングされ、厚い酸化層がマスクの開口部に熱により成長する、周知のＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）プロセスを用いることによる。別の方法は、シリコンにトレンチをエッチングし、次に、トレンチを酸化ケイ素などの誘電体材料で充填することである。

これらの絶縁構造は、ドーパントの側方拡散に対する障壁または停止要素の役割をすることもでき、それによって、チップの表面上においてより蜜に実装された素子密度が可能になるので、このプロセスの初期において形成することが望ましい。要するに、誘電体で充填されたトレンチは、電気的絶縁構造としても拡散停止要素としても機能することができる。

誘電体で充填されたトレンチをプロセスの初期に形成することに関する問題は、しばしばエッチングおよびクリーニングを含むその後のプロセス工程により、トレンチの誘電体材料がエッチングされたり侵食されたりし得ることである。これは、絶縁構造としてのトレンチの価値を減じる場合があり、チップの上面に凹みを形成しかねず、さらなる処理をより困難にする。

この問題は、図１Ａ−図１Ｃに示される。図１Ａでは、トレンチ１０１が半導体基板１００にエッチングされている。図１Ｂでは、トレンチ１０１は誘電体材料１０２で充填されており、上面は絶縁構造を形成するために（例えば化学機械的研磨によって）平坦にされている。図１Ｃはさらなる処理後の絶縁構造を示し、誘電体材料１０２の一部が取除かれ、または侵食されて、構造上面に凹部またはギャップ１０３を形成する。通常の半導体プロセスにおける耐エッチング性の誘電体材料（例えば窒化ケイ素）は、固く、脆く、高応力材料である傾向がある。これらの材料がトレンチに堆積されると、割れる傾向がある。

第２の問題は、チップが概して２つの一般領域に分割されることから生じる。広い、または幅広い「フィールド」領域と、時には「活性な」領域と呼ばれる、より密に実装された素子領域とである。密な実装密度を維持するために活性な領域に比較的狭く深いトレンチを形成することと、素子をより長い距離に間隔を空けるためにフィールド領域に比較的幅広いトレンチを形成することが好ましい。これはトレンチを満たす際に問題を引起こす。狭いトレンチは満たされ得るが、幅広いトレンチを満たすのは困難である。代替的にフィールド領域の長い距離をカバーするために多数の狭いトレンチを用いることにより、チップの構造を複雑にしかねない。

したがって、その後の処理中に誘電性の充填材料の侵食を回避する誘電体で充填された絶縁構造を形成する、柔軟で適合可能な技術を開発することが望ましい。チップのフィールドにおいて比較的幅広い構造、かつ活性領域において比較的狭い構造の形成を準備することも望ましい。

発明の概要
この発明によれば、半導体基板におけるトレンチを「誘電性充填剤」で満たすことにより絶縁構造が形成される。誘電性充填剤は、第１の誘電体材料および第２の誘電体材料を含む。第１の誘電体材料はトレンチの下部に位置し、第２の誘電体材料はトレンチの上部に位置し、下部は典型的には縦寸法で上部よりも大きい。第２の誘電体材料の表面は基板の表面と実質的に同一平面上である。第２の誘電体材料が、第１の誘電体材料をエッチングする化学薬品によってはエッチングされないという意味で、第１および第２の誘電体材料は相違する。したがって、その後の処理では、第２の誘電体材料が第１の誘電体材料の上に保護キャップを形成する。典型的には、第１の誘電体材料は比較的軟質の低応力材料であり、第２の誘電体材料は比較的固い耐エッチング性材料である。割れの問題は、後のエッチングプロセス中に保護を与えるが応力問題は引起こさない値に第２の誘電体層の厚さを制限することにより、回避され得る。

代替的には、離散的なキャップを形成する代りに、トレンチは、トレンチの口に向かって上向きに進むにつれて誘電性充填剤における第２の誘電体材料の割合が徐々に増加する、「段階的な」誘電体で充填されてもよい。

誘電性充填剤からのドーパントが半導体基板に移動するのを妨げるために、トレンチの側壁は酸化層によってライニングされてもよい。

１群の実施例では、第１の誘電体材料は、ドープされているかまたはドープされていない、酸化ケイ素およびケイ酸塩ガラスである。第２の誘電体は、窒化ケイ素、ポリイミド、または、酸化ケイ素を僅かに含むかもしくは全く含まない、いかなる誘電体材料でもあり得る。

基板はさらに、ケイ素の局所酸化（ＬＯＣＯＳ）プロセスによって典型的には形成される、フィールド酸化領域の下部を含んでもよい。フィールド酸化領域の表面もまた、基板の表面と実質的に同一平面上にある。代替的には、保護キャップがフィールド酸化膜上に形成されてもよい。

実施例の別のグループでは、基板は２つの絶縁構造を含み、第１の絶縁構造は比較的浅くて幅広いトレンチに形成され、第２の絶縁構造は比較的狭くて深いトレンチに形成される。両方のトレンチは誘電性充填剤で満たされ、誘電性充填剤の表面は基板の表面と実質的に同一平面上にある。代替的には、上述の種類の保護キャップが各トレンチの口に形成されてもよい。

実施例のさらに別の組では、１つ以上のフィールド酸化領域が１つ以上のトレンチ絶縁構造と同じ基板に形成される。予め定められた導電型およびドーピング濃度のフィールドドーピング領域がフィールド酸化領域の下に形成されてもよい。任意に、トレンチおよびフィールド酸化領域が基板の表面の面に出会うところに保護誘電体キャップが形成されてもよい。構造全体の表面は実質的に同一平面上にある。表面は、化学的エッチバック、プラズマ強化または反応イオンエッチング（ＲＩＥ）、化学機械研磨（ＣＭＰ）またはその何らかの組合せを用いることにより平坦にされていてもよい。

この発明はさらに、絶縁構造を製作する方法を含む。そのような１つの方法は、半導体基板にトレンチを形成することと、トレンチに第１の誘電体材料を堆積させることと、第
１の誘電体材料の表面が基板の上面の第２のレベルよりも下の第１のレベルに位置するように第１の誘電体材料の一部を取除いて、それによって凹部を形成することと、凹部に第２の誘電体材料を堆積させることと、第２の誘電体材料の表面が基板の表面と実質的に同一平面上になるように第２の誘電体材料の一部を取除いて、それによってトレンチに保護キャップを形成することとを含む。

別の方法は、フィールド酸化領域を半導体基板の表面に熱により形成することと、基板にトレンチを形成することと、トレンチに第１の誘電体材料を堆積させることと、第１の誘電体材料の表面が基板の表面の第２のレベルよりも下の第１のレベルに位置するように第１の誘電体材料の一部を取除いて、それによって凹部を形成することと、凹部に第２の誘電体材料を堆積させることと、フィールド酸化領域の表面および第２の誘電体材料の表面が基板の表面と実質的に同一平面上になるようにフィールド酸化領域および第２の誘電体材料の一部を取除いて、それによってトレンチに保護キャップを形成することとを含む。

この発明の方法は高度に柔軟で、半導体基板における異なる領域および素子の異なる要求に応えるのに必要な絶縁領域を形成するために用いることができる。基板の構造は極めて平らに、または少なくともその後の処理中に細い線幅およびサブミクロンの機構またはそれらの相互接続の形成を妨げず、複雑にしないよう十分に平らに維持される。その後の処理中に侵食から誘電体材料を保護するために保護キャップを用いることができる。

絶縁構造として機能するトレンチにおける誘電体が後の処理中に侵食されるときに生じる問題を示す図である。 絶縁構造として機能するトレンチにおける誘電体が後の処理中に侵食されるときに生じる問題を示す図である。 絶縁構造として機能するトレンチにおける誘電体が後の処理中に侵食されるときに生じる問題を示す図である。 誘電体で充填されたトレンチの口に保護キャップを含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 誘電体で充填されたトレンチの口に保護キャップを含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 誘電体で充填されたトレンチの口に保護キャップを含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 誘電体で充填されたトレンチの口に保護キャップを含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 誘電体で充填されたトレンチの口に保護キャップを含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 誘電体で充填されたトレンチの口に保護キャップを含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 保護キャップに隣接するトレンチの壁に酸化層が形成される、図２Ｆの絶縁構造の修正バージョンを形成するプロセスを示す図である。 保護キャップに隣接するトレンチの壁に酸化層が形成される、図２Ｆの絶縁構造の修正バージョンを形成するプロセスを示す図である。 保護キャップに隣接するトレンチの壁に酸化層が形成される、図２Ｆの絶縁構造の修正バージョンを形成するプロセスを示す図である。 保護キャップに隣接するトレンチの壁に酸化層が形成される、図２Ｆの絶縁構造の修正バージョンを形成するプロセスを示す図である。 図３Ｄに示される酸化層がその後の処理においていかに侵食され得るかを示す図である。 図２Ａ−図２Ｆおよび図３Ａ−図３Ｄに示されるプロセスの「カード」形式のフロー図である。 広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 幅広く浅いトレンチおよび狭く深いトレンチを含む絶縁構造を形成するための処理を示す図である。 幅広く浅いトレンチおよび狭く深いトレンチを含む絶縁構造を形成するための処理を示す図である。 幅広く浅いトレンチおよび狭く深いトレンチを含む絶縁構造を形成するための処理を示す図である。 幅広く浅いトレンチおよび狭く深いトレンチを含む絶縁構造を形成するための処理を示す図である。 幅広く浅いトレンチおよび狭く深いトレンチを含む絶縁構造を形成するための処理を示す図である。 幅広く浅いトレンチおよび狭く深いトレンチを含む絶縁構造を形成するための処理を示す図である。 幅広く浅いトレンチおよび狭く深いトレンチを含む絶縁構造を形成するための処理を示す図である。 幅広く浅いトレンチおよび狭く深いトレンチを含む絶縁構造を形成するための処理を示す図である。 各構造の頂部に保護キャップが形成された、広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成する別のプロセスを示す図である。 各構造の頂部に保護キャップが形成された、広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成する別のプロセスを示す図である。 各構造の頂部に保護キャップが形成された、広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成する別のプロセスを示す図である。 各構造の頂部に保護キャップが形成された、広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成する別のプロセスを示す図である。 各構造の頂部に保護キャップが形成された、広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成する別のプロセスを示す図である。 各構造の頂部に保護キャップが形成された、広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成する別のプロセスを示す図である。 各構造の頂部に保護キャップが形成された、広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成する別のプロセスを示す図である。 各構造の頂部に保護キャップが形成された、広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成する別のプロセスを示す図である。 各構造の頂部に保護キャップが形成された、広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成する別のプロセスを示す図である。 各構造の頂部に保護キャップが形成された、広い、または幅広いフィールド酸化領域および比較的狭い誘電体で充填されたトレンチを含む絶縁構造を形成する別のプロセスを示す図である。 フィールド酸化領域の下にフィールドドーピング領域を備える、フィールド酸化領域および誘電体で充填されたトレンチの対を含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 フィールド酸化領域の下にフィールドドーピング領域を備える、フィールド酸化領域および誘電体で充填されたトレンチの対を含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 フィールド酸化領域の下にフィールドドーピング領域を備える、フィールド酸化領域および誘電体で充填されたトレンチの対を含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 フィールド酸化領域の下にフィールドドーピング領域を備える、フィールド酸化領域および誘電体で充填されたトレンチの対を含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。 フィールド酸化領域の下にフィールドドーピング領域を備える、フィールド酸化領域および誘電体で充填されたトレンチの対を含む絶縁構造を形成するプロセスを示す図である。

発明の説明
図２Ａ−図２Ｆは、図１Ｃに示されるようなトレンチの頂部のギャップまたは凹部の形成を回避するトレンチ絶縁構造を製作するプロセスを示す。図２Ａに示されるように、酸化物層または「ハードマスク」層１２１が半導体基板１２０の上面に形成され、ハードマスク層１２１の上にフォトレジスト層１２２が堆積される。用語「ハードマスク」は、本願明細書において、半導体基板１２０のトレンチのエッチング中にマスクとして用いられる、熱により成長したか、または堆積された誘電体層を指すよう用いられる。たとえば、「ハードマスク」は、より機械的に軟質であるためにトレンチのエッチングプロセス中に侵食を受ける有機フォトレジスト層１２２とは区別される。通常のフォトリソグラフィプロセスによってフォトレジスト層１２２に開口部が形成され、フォトレジスト層１２２の開口部を通してハードマスク層１２１に開口部１２３がエッチングされる。

図２Ｂに示されるように、基板１２０は開口部１２３を通してエッチングされてトレンチ１２４を形成する。フォトレジスト層１３２は、トレンチエッチングプロセスを妨げ、トレンチエッチングプロセス中に形状を変え、かつトレンチに望ましくない有機汚染物質を導入しかねないので、トレンチのエッチングより前にフォトレジスト層１３２を取除くことが概して好ましい。異方性エッチングを達成するために反応性イオンエッチ（ＲＩＥ）を用いることができ、垂直の壁を有するトレンチ１２４を生成する。比較的薄い酸化層１２５がトレンチ１２４の壁および床に熱により成長する。所望であれば、ＲＩＥプロセスによって引起された結晶欠陥を取除くために犠牲酸化層を形成することができる。犠牲酸化層は取除くことができ、次に第２の酸化層が成長することができる。酸化層１２５の厚さは１００Åから１０００Å、典型的には約３００Å−４００Åであり得る。トレンチ１２４が後にドープした誘電体材料で充填されれば、酸化層１２５は、トレンチ１２４を囲む半導体材料にドーパントが入るのを防ぐ。

図２Ｃに示されるように、ＢＰＳＧ（borophosphosilicate）ガラスなどの比較的厚い
ガラスの層１２６が基板１２０の表面上にスピン形成され、完全にトレンチ１２４を充填する。ＢＰＳＧは粘性を減じるためにドープされてもよく、ドープされていなくてもよい。代替的には、ＢＰＳＧは化学蒸着法（ＣＶＤ）によって堆積することができる。上述のように、ＢＰＳＧ層１２６がドープされている場合、酸化層１２５は、ドーパントが基板１２０に入り、ドープするのを妨げる障壁として作用する。ＢＧＳＧ層１２６は十分に厚い（たとえば０．５μｍから１．０μｍの厚さ）ので、その上面は比較的平坦であって、トレンチ１２４の位置の上に小さなへこみを備えるのみである。所望であれば、ＢＰＳＧ層１２６の表面をさらに平坦にするために高温リフローを用いることもできる。

図２Ｄに示されるように、ＢＰＳＧ層１２６および側壁酸化層１２５は、その上面が基板１２０の表面より下になるまでエッチバックされて凹部１３０を形成する。エッチバックの後、ＢＰＳＧ層１２６の表面は基板１２０の表面の０．１μｍから０．５μｍ（典型的には約０．２μｍから０．３μｍ）だけ下であってもよい。次いで、図２Ｅに示されるように、別の誘電体の層１３１が堆積されて、凹部１３０を充填して基板１２０の表面から溢れる。次いで、層１３１はＣＭＰまたはエッチバックによって平坦にされて保護キャップ１３２を形成し、それが酸化層１２５およびＢＰＳＧ層１２６を完全に覆って保護する。キャップ１３２の上面は基板１２０の表面と好ましくは同一平面上にあるが、ウェーハにわたって０．１μｍずつ高さが変動し得る。図２Ｆはキャップ１３２が形成された後の構造を示す。

層１３１およびキャップ１３２は、プロセスの後期に起るクリーニング工程およびエッチング工程によって著しくエッチングされない材料から形成されるべきである。この実施例では、たとえば、層１３１は窒化ケイ素から作られてもよい。一般に、層１３１が作られる材料は、その後の処理工程において、全くエッチングしないか、またはＢＰＳＧ層１２６または酸化層１２５よりも実質的に遅いエッチングを行なう。この発明による保護キャップは、図１Ｃに示される種類のその後の侵食からトレンチ充填材料を保護するために、プロセス中にいつでも形成することができる。

なお、一般に、さらなるエッチングに対する保護シールドを与えることができる窒化ケイ素などの材料は、典型的にはあまり均一には堆積せず、したがってそれらでトレンチを充填するのは困難である。さらに、窒化ケイ素は、厚く堆積されると割れる傾向がある。これらの問題は、ＢＰＳＧなどのより軟質かつより脆くない材料でトレンチを充填し、次に、窒化ケイ素などのより固く、より脆い材料の比較的薄い保護キャップでその材料を覆うことにより克服される。

表１は、いくつかのエッチング液または除去方法について、トレンチを充填するために用いることができる材料の相対的な除去速度を示す。

図２Ａ−図２Ｆに示されるプロセスの多数の変形がある。そのような１つの変形は図３Ａ−図３Ｄに示される。図３Ａは図２Ｄに類似し、ＢＰＳＧ層１２６および酸化層１２５が、上面が基板１２０の表面の下になるまでエッチバックされた後の構造を示す。図３Ｂに示されるように、次いで薄い酸化層１４０が基板１２０の表面上に熱により成長し、次いで、図３Ｃに示されるように、窒化層１３１が堆積される。この実施例において、酸化層１４０は、半導体基板１２０から窒化物層１３１を分離する。代替的には、酸窒化層は化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いて堆積されてもよい。窒化物層１３１が、図３Ｄに示されるように、平坦にされたりエッチバックされたりするとき、トレンチに残存する窒化物キャップはトレンチの側壁に接していない。このキャップは図２Ｆに示す実施例ほど有効なシールを与えない一方、トレンチの壁の酸化（または酸窒化）層１４０の存在は、窒化物およびケイ素のそれぞれの熱膨脹係数が異なることに起因する応力を減じる傾向がある。酸化（または酸窒化）層１４０はこのように応力除去を与える。

さらに、図４に示されるように、酸化層１４０が小さなギャップ１５０を残すまで過度にエッチングされても、ギャップ１５０は図１Ｃに示される凹部１０３よりもはるかに小さく、その後のたとえばＢＰＳＧの層で充填するのははるかに簡単である。しかしながら、酸化層１４０すべてを取除かないのが好ましい。

図５は上述のプロセスを要約するフロー図であり、各工程は「カード」（省略されたカードは任意の工程を表示する）によって表されている。第１のシーケンスでは、トレンチは、ハードマスク層（例えば酸化層または窒化層）を堆積させ、フォトレジスト層を堆積させ、トレンチマスクを形成するためにフォトレジスト層をパターニングし、トレンチマスクの開口部を通してハードマスク層をエッチングし、任意でフォトレジスト層を取除き、ハードマスク層の開口部を通してトレンチをエッチングすることにより形成される。

次のシーケンスでは、任意で犠牲酸化層がトレンチの壁に形成され、取除かれることができ、ライニング酸化層が成長し、トレンチは誘電体（たとえばＢＰＳＧ）で充填され、任意で誘電体がエッチングまたはＣＭＰにより平坦にされ得る。

最後に、誘電性充填剤はトレンチにエッチバックされ、任意で酸窒化層または酸化層が成長するかトレンチの壁に堆積され、窒化物層が堆積されて基板の上面と実質的に同一平面上になるまでエッチバックされる。

上記の例は、基板の表面が本質的に平坦な構造について記載する。非平面構造２００は図６Ａに示される。基板２０５は上面２０２を有する。トレンチ２０１は基板２０５にエッチングされており、フィールド酸化領域２０３は、フィールド酸化領域が基板内に下向きに延在するとともに表面２０２を越えて上向きにも延在するように、熱により基板に成長している。ポリシリコン層２０４がフィールド酸化領域２０３の上に堆積されている。明らかなように、トレンチ２０１の底部とポリシリコン層２０４の頂部とでは相当な高さの差がある。トレンチ２０１が誘電体で充填される場合、誘電体の表面を表面２０２に対して平坦にするためにエッチバックを用いることができる。そうではなくて誘電体を平坦にするためにＣＭＰが用いられる場合、フィールド酸化領域２０３の一部と同様にポリシリコン層２０４も取除かれることは明らかである。

この問題の１つの解決策は、ポリシリコン２０４を省略し（またはプロセスフローの後期までポリシリコン２０４の形成を延期し）、表面２０２より下の部分が必要な電気特性を与えるのに十分になるほどフィールド酸化領域２０３を十分厚く成長させることである。図６Ｂは、酸化層２０６にライニングされ、ＢＰＳＧ２０７で充填され、その両方がトレンチにエッチバックされた、トレンチ２０１を示す。構造全体が窒化物層２０８で覆われ、窒化物層２０８はトレンチの上部をも満たしている。図６Ｃでは、上面は、フィールド酸化領域２０３の底部部分２０９およびＢＰＳＧ２０７と酸化層２０６との上の窒化物保護キャップ２１０を残して、ＣＭＰによって平坦にされている。上面は完全に平らである。非平坦な上面を有することがさらなる処理を非常に複雑にするので、図６Ｃに示される平らな構造は、図６Ａに示される構造よりも好ましい。さらに、フィールド酸化領域２０３が熱的手段によって成長するので、残りの領域２０９は非常に幅広くなり得るが、トレンチは非常に狭くなり得る。要約すると、図６Ｃに示される構造は、キャップ２１０によって耐エッチング性となる「キャップ付きの」トレンチ、および「キャップのない」フィールド酸化領域２０９を含む。

代替として、図７Ａ−図７Ｈは、幅広い絶縁トレンチおよび狭い絶縁トレンチを最小限の工程数を用いて形成することができるプロセスを示す。

図７Ａでは、基板２５１にハードマスク層２５２が堆積されており、ハードマスク層２５２の上にフォトレジスト層２５３が堆積されている。フォトレジスト層２５３はエッチングされて幅広い開口部を形成し、ハードマスク層２５２はフォトレジスト層２５３の幅広い開口部を通してエッチングされて基板２５１の表面を露出する幅広い開口部２５４を形成する。

図７Ｂに示されるように、基板２５１はＲＩＥによってエッチングされて幅広いトレンチ２６０を形成する。フォトレジスト層２５３は取除かれて、新しいフォトレジスト層２５７が堆積する。トレンチ２６０が深すぎない場合、フォトレジスト層２５７はトレンチ２６０の底部と基板２５１の上面との間の段差を覆う。フォトレジスト層２５７に比較的狭い開口部がエッチングされ、そのフォトレジスト層２５７の開口部を通してハードマスク層２５２がエッチングされて、基板２５１の表面を露出する狭い開口部２５６を形成する。代替的には、層２５７は、フォトレジスト層（示されない）によってパターニングされてエッチングされた、堆積されたハードマスク誘電体層を表してもよい。

図７Ｃに示されるように、基板２５１がＲＩＥによってエッチングされて狭いトレンチ２６１を形成する。次いで、フォトレジスト（またはハードマスク）層２５７およびハードマスク層２５２が取除かれるか、またはパターニングされエッチングされる。

任意に、ＲＩＥプロセスに起因するいかなる結晶損傷をも修理するために、犠牲酸化層（示されない）がトレンチ２６０および２６１において成長し、取除かれることができる。図７Ｄに示されるように、基板２５１へのドーパントの拡散に対する障壁として薄い酸化層２６２が成長し、ＢＰＳＧの層２６３が構造の表面全体にわたって堆積される。代替的には、層２６３は、ドープされたかもしくはドープされていない、ＣＶＤ堆積されたかスピンオンされた酸化ケイ素、ケイ酸塩ガラス、または、誘電性「充填」剤材料がその後の処理工程中、アセンブリ中、および素子の動作中に生じる温度変化における割れを回避するのに十分に低い応力を示すことを条件に、いかなる他の誘電体「充填」材料をも含むことができる。

当然、プロセスシーケンスは、狭い方のトレンチが幅広い方のトレンチの前に形成されるように改訂されてもよい。

次に、図７Ｅに示されるように、構造の上面全体はＣＭＰまたはＣＭＰが後続する短い化学エッチバックによって平坦にされる。

任意で、図７Ｆに示されるように、酸化層２６２およびＢＰＳＧ層２６３はトレンチ２６０および２６１に（たとえば酸またはドライエッチングによって）エッチバックされ、凹み２７０および２７１を形成する。図７Ｇに示されるように、二酸化ケイ素、ケイ酸塩ガラスまたはＢＰＳＧ（たとえば窒化物またはポリイミド）に類似しない誘電体が構造の上面上に堆積され、図７Ｈに示されるように、上面は再び平坦にされてトレンチ２６０および２６１の口に保護キャップ２８０を形成する。誘電性充填剤材料２６３と異なり、キャップ２８０を形成するのに用いられる材料は、その材料がＩＣ製造におけるその後のウェーハ処理中に行なわれる通常のエッチングによって侵食されないこと、かつキャップ２８０が割れを回避するのに十分に薄く作られることを条件に、脆い、または高応力の材料を含んでもよい。

図８Ａ−図８Ｊは、キャップ付きの絶縁トレンチおよびキャップ付きのフィールド酸化領域を形成するプロセスを示す。図８Ａに示されるように、パッド酸化層３０２がシリコン基板３０１上に成長し、典型的なケイ素局所酸化（ＬＯＣＯＳ）シーケンスにおけるように、窒化物層３０３がパッド酸化層３０２に堆積する。パッド酸化層はたとえば３００Åから１０００Åの厚さであり得る。窒化物層３０３は、マスク層（示されない）を通してエッチングされ、パッド酸化層３０２を露出する幅広い開口部３０４を形成する。図８Ｂに示されるように、構造は（たとえば９００℃から１１００℃で１時間から４時間）加熱されて、開口部３０４に厚いフィールド酸化領域３０５を形成する。ＬＯＣＯＳプロセスにおいて通常であるように、窒化物層３０３は、開口部３０４の縁部において拡大する酸化物によって持ち上げられ、よく知られた「鳥の嘴」形状を形成する。次に、窒化物層３０３の残りの部分がエッチングされ（図８Ｃ）、上面はＣＭＰプロセスによって平坦にされて、フィールド酸化領域３０５の残りの部分３０６およびパッド酸化層３０２の間の滑らかな遷移を示す、図８Ｄに示される結果をもたらす。

次に、図８Ｅに示されるように、フォトレジスト層３０８が堆積され、パターニングされて狭い開口部３０９を形成する。酸化層３０７は開口部３０９を通してエッチングされ、図８Ｆに示されるように、基板３０１はＲＩＥプロセスによってエッチングされ、酸化層３０７がハードマスクの役割をして、狭いトレンチ３１０を形成する。酸化層３０７の残りは短いクリーニング工程で取除かれてもよい。

図８Ｇに示されるように、薄い酸化層３１１がトレンチ３１０の壁に成長し、ＢＰＳＧまたは任意の他の誘電性充填材の層３１２も堆積する。基板３０１の上面はエッチングまたはＣＭＰにより平坦にされる。

図８Ｈに示されるように、トレンチ３１０の酸化層３１１およびＢＰＳＧ層３１２、およびフィールド酸化領域３０５の残りの部分３０６は、これらの要素の上面が基板３０１の上面より下になるまでエッチバックされる。窒化物などの類似しない誘電体の層３１５が構造にわたって堆積し（図８Ｉ）、構造は再びＣＭＰプロセスを受けて上面が平坦になり、トレンチ３１０およびフィールド酸化３０６上に保護キャップ３１６を形成する（図８Ｊ）。

図９Ａ−図９Ｅは、フィールド酸化絶縁領域の下にはフィールドドーピング領域を有するがトレンチ絶縁構造の下には有しない構造を生成するプロセスを示す。

図９Ａでは、パッド酸化層３５１がシリコン基板３５０上に成長し、窒化物層３５２およびフォトレジスト層３５３がパッド酸化層３５１の上にその順で堆積されている。フォトレジスト層３５３はパターニングされて２つの開口部３５４Ａおよび３５４Ｂを形成し、窒化物層３５２は開口部３５４Ａおよび３５４Ｂを通してエッチングされてパッド酸化層３５１を露出する。リン（Ｐ＋）が開口部３５４Ａおよび３５４Ｂを通して注入されてＮ型領域３５６Ａを形成する。リンの注入量は、典型的には５×１０¹²ｃｍ^-2から３×１０¹³ｃｍ^-2の範囲にあり、注入エネルギは、典型的には約８０ｋｅＶから１２０ｋｅＶである。代替的には、ポリイミドの層が窒化物層３５２の代わりに用いられてもよく、トレンチ３７４のエッチングのためのハードマスクを形成するために用いられてもよい。

図９Ｂに示されるように、フォトレジスト層３５３が取除かれて新しいフォトレジスト層３５５が堆積し、パターニングされて、フォトレジスト層３５３の以前の開口部３５４Ｂの場所を含む開口部を形成する。フォトレジスト層３５５の開口部を通してホウ素（Ｂ＋）が注入されて、Ｐ型領域３５６Ｂを形成する。ホウ素の注入量が、典型的にはリン注入量より一桁多い（たとえば８×１０¹³ｃｍ^-2から２×１０¹⁴ｃｍ^-2）ので、開口部３５４Ｂの下のリン領域をホウ素がカウンタードープしてＰ型領域３５６Ｂを形成する。ホウ素注入のエネルギは、典型的には６０ｋｅＶからｌ２０ｋｅＶである。

次に、図９Ｃに示されるように、構造は加熱されて開口部３５４Ａおよび３５４Ｂの位置に厚いフィールド酸化領域３７０Ａおよび３７０Ｂを形成する。フィールド酸化領域３７０Ａおよび３７０Ｂは２０００Åから２μｍの厚さ（典型的には約０．８μｍ）であってもよい。この熱プロセスはさらにリンおよびホウ素ドーパントを活性化し、フィールド酸化領域３７０Ａの下にＮ型フィールドドーピング領域３５８Ａ、フィールド酸化領域３７０Ｂの下にＰ型フィールドドーピング領域３５８Ｂを形成する。

窒化物層３５２の残りが取除かれ（図９Ｄ）、任意に犠牲酸化物が予備成形されてもよい。次に、図９Ｅに示されるように、トレンチ３７４がエッチングされ酸化されて酸化層３７１を形成し、その後に以前に記載された態様でＢＰＳＧ３７２などの材料での誘電性充填が続く。構造の上面はＣＭＰまたはエッチバックによって平坦にされ、酸化層３７１、ＢＰＳＧ３７２、ならびにフィールド酸化領域３７０Ａおよび３７０Ｂの残りが、上述の態様でエッチバックされる。窒化物（または、トレンチ３７４を充填するために用いられる材料に類似しない別の誘電体）の層が上面で堆積し、次に表面が平坦にされて保護キャップ３７３を形成する。

このプロセスは、たとえば低電圧素子を絶縁するために用いられ得るフィールドドーピングを持たない比較的狭いトレンチ、および、たとえば高圧ＣＭＯＳ素子を絶縁するために用いられ得るフィールドドーピングを備えた幅広いフィールド酸化領域を生じる。このプロセスは、いかなる他の処理も単純にする平らな上面を備えた、同じ半導体基板における異なる幅および異なるフィールドドーピングの絶縁領域を形成する能力を設計者に与える。さらに、所望であれば、保護キャップを備えた絶縁領域を作ることができる。

いくつかの実施例では、トレンチにおける材料は、離散的なトレンチキャップの代わりに段階的な誘電体充填剤によって保護される。そのような実施例では、トレンチは、比較的軟質の低応力誘電体と比較的固い耐エッチング性の誘電体との混合物で少なくとも部分的に充填される。混合物のうち比較的固い耐エッチング性の誘電体の割合は、トレンチの口に接近すると上昇する。たとえば、二酸化ケイ素と窒化ケイ素との混合物がトレンチに堆積されることができ、混合物のうち窒化ケイ素の百分率がトレンチの口の近くで増加する。

この発明の具体的な実施例が記載されているが、これらの実施例が例示でしかなく、限定的でないことが理解される。この発明の大原則に従う多くの付加的または代替的な実施例が当業者には明らかである。

Claims (10)

1. 半導体基板に形成された絶縁構造であって、前記絶縁構造は前記半導体基板に形成されたトレンチを含み、前記トレンチは第１の誘電体材料と第２の誘電体材料との混合物を含み、前記混合物における前記第２の誘電体材料の割合は、前記トレンチにおける深さが浅くなるほど高く、前記第２の誘電体材料は、前記第１の誘電体材料と比較して、相対的に硬質であり、かつ相対的に低いエッチング速度を有し、前記第２の誘電体材料は前記第１の誘電体材料と異なり、前記絶縁構造の表面は前記半導体基板の表面と同一平面にある、絶縁構造。
2. 前記第１の誘電体材料は酸化ケイ素である、請求項１に記載の絶縁構造。
3. 前記第２の誘電体材料は窒化ケイ素である、請求項１または請求項２に記載の絶縁構造。
4. 前記第１の誘電体材料は、ドープされているケイ酸塩ガラスまたはドープされていないケイ酸塩ガラスである、請求項１に記載の絶縁構造。
5. 前記第２の誘電体材料は、窒化ケイ素、ポリイミド、または酸化ケイ素を含まない誘電体材料である、請求項１、請求項２または請求項４に記載の絶縁構造。
6. 酸化物層が前記トレンチの側壁および底部上に形成されている、請求項１、請求項３、請求項４および請求項５のいずれか一項に記載の絶縁構造。
7. 半導体基板にトレンチを形成する工程と、
   前記トレンチを第１の誘電体材料と第２の誘電体材料との混合物で充填する工程とを備え、前記混合物における前記第２の誘電体材料の割合は、前記トレンチにおける深さが浅くなるほど高く、前記第２の誘電体材料は、前記第１の誘電体材料と比較して、相対的に硬質であり、かつ相対的に低いエッチング速度を有し、前記第２の誘電体材料は前記第１の誘電体材料と異なり、
   充填された前記トレンチの上面が前記半導体基板の表面と同一平面となるように前記充填されたトレンチを平坦化する工程をさらに備えた絶縁構造の製造方法。
8. 前記トレンチを前記第１の誘電体材料と前記第２の誘電体材料との混合物で充填する工程は、前記第１の誘電体材料として、ドープされているケイ酸塩ガラスまたはドープされていないケイ酸塩ガラスを前記トレンチに充填する工程を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記トレンチを前記第１の誘電体材料と前記第２の誘電体材料との混合物で充填する工程は、前記第２の誘電体材料として窒化ケイ素を前記トレンチに充填する工程を含む、請求項７または請求項８に記載の方法。
10. 前記トレンチを前記第１の誘電体材料と前記第２の誘電体材料との混合物で充填する前に、前記トレンチの側壁または底部上に酸化物層を形成する工程をさらに備える、請求項７、請求項８、または請求項９に記載の方法。