JPH08288256A - トレンチエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 微細なトレンチを所望の深さに形成するとと
もに、後工程での誘導体材料層等の埋め込み時におけ
る、ステップカバレッジを改善する。 【構成】 レジストマスクの後退を利用し、多段階エッ
チングすることによりトレンチ肩部分をテーパ化する。
等方性エッチングによるレジストマスク下部のサイドエ
ッチングを利用する。 【効果】 トレンチ肩部分のみをテーパ形状化し、肩部
分以外はほぼ垂直形状のトレンチが形成される。このた
め、従来技術のように、全体がテーパ形状のトレンチと
異なり、微細幅のトレンチであっても深さのの制限がな
くなる。誘導体材料層等のボイドの発生もない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造工程等
に用いられるトレンチエッチングに関し、更に詳しく
は、トレンチの上部肩部分の形状を制御しうるトレンチ
エッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置のデザインルール
がハーフミクロンからサブクォータミクロンのレベルへ
と微細化されるに伴い、素子分離は従来のＬＯＣＯＳ
（Ｌｏｃａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃ
ｏｎ）からトレンチアイソレーションに移行しつつあ
る。またＤＲＡＭにおける蓄積容量においても、トレン
チキャパシタが採用されつつある。これらは、シリコン
等の半導体基板に形成したトレンチを利用し、ここに誘
電体材料や電極材料を埋め込む３次元的な構造をとるこ
とにより、素子間分離能やキャパシタ容量を確保しつ
つ、半導体素子の占有面積を縮小することが可能であ
る。

【０００３】従来シリコン基板へのトレンチエッチング
方法としては、Ｃｌ系ガスあるいはＢｒ系ガスを主体と
するプラズマエッチングが採用されている。これらのエ
ッチングガスは、シリコンとの反応生成物であるＳｉＣ
ｌ_x やＳｉＢｒ_x の蒸気圧がＳｉＦ_x に比較して小さ
い。このため、イオン入射面ではイオンアシスト反応で
エッチングが進行する反面、イオンが原理的に入射しな
いパターン側面では反応生成物が付着残留し、ラジカル
反応によるサイドエッチングを防止する。このため、垂
直な側面を有する異方性エッチングが原理的に可能であ
り、さらにＯ系ガスやＮ系ガスを混合して側壁保護膜の
付着量や膜質を制御すれば、トレンチ側面のテーパ角度
を選ぶことも可能である。実際の半導体デバイスにおい
ては、誘電体膜等の埋め込みにおけるステップカバレッ
ジの問題や、絶縁耐圧の確保の目的のため、８５°程度
のテーパ形状とすることが一般的である。

【０００４】ところで、半導体装置の微細化が進行し、
トレンチエッチングにおいてもクォータミクロン以下の
開口径が要求されてくると、このような単なるテーパエ
ッチングでは対処しきれない問題が発生してくる。この
問題を図３（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。例えば
図３（ａ）に示すように、広い開口径と狭い開口径を有
するレジストマスク２をマスクとして、シリコン等の半
導体基板１をエッチングしてトレンチを形成する場合を
想定する。開口径は１．０μｍと０．２μｍとする。こ
のような試料に対し、テーパエッチングを施して、例え
ば１．０μｍの深さのトレンチを形成すると、幅の広い
レジスト開口径部分では正常な形状のトレンチ３ａが形
成される。しかし幅の狭いレジスト開口径部分ではトレ
ンチ側面同士が接し合い、所望の深さのトレンチが得ら
れない。０．２μｍの開口幅のレジストマスクにより、
８５°のテーパ角度でトレンチエッチングをおこなった
場合、得られるトレンチの深さは０．６μｍが計算上の
限界となる。このためトレンチアイソレーションであれ
ば充分な素子分離機能が得られなし、トレンチキャパシ
タであれば蓄積容量が不足することとなる。これはサブ
クォータミクロンのデザインルールの半導体装置におい
ては致命的な問題である。

【０００５】微細開口径のトレンチにおいても、所望の
深さの形状を得るためには、トレンチ側面形状をより垂
直に近付ければよい。９０°の側面を有するトレンチで
あれば、深さに関する制限は一切なくなる。しかしなが
ら図４に示すように、かかる垂直形状のトレンチに例え
ばＳｉＯ₂ 等の誘電体材料層５を埋め込む場合、誘電体
材料層５のステップカバレッジの不足により、トレンチ
３内部にボイド（鬆）が発生する。またトレンチキャパ
シタの場合にはトレンチ上部肩部分において電界が集中
し、絶縁耐圧の低下が問題化する。

【０００６】かかる問題に対処するため、トレンチをＹ
字状に形成する方法が例えば特開平６−６１１９０号公
報に開示されている。しかしながら、この方法はエッチ
ングガスの混合比の微妙な制御によりＹ字形状を得るた
め、エッチングの再現性に改善の余地があり、またＳｉ
Ｏ₂ マスクを用いるため、プロセスが複雑化する難点が
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上述
した従来技術の問題点を解決することをその課題とし、
微細幅の開口径を有するトレンチを所望の深さに形成す
るとともに、垂直な側面を有するトレンチの上部肩部分
のみをテーパ形状にすることが可能な、再現性に富んだ
トレンチエッチング方法を提供することである。

【０００８】また本発明の課題は、トレンチ内にＳｉＯ
₂ 等の誘導体材料層を埋め込む際にボイドの発生がな
く、また電界集中による絶縁耐圧の発生がない半導体装
置を製造できる、トレンチエッチング方法を提供するこ
とである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のトレンチエッチ
ング方法は、上述の課題を解決するために提案するもの
である。すなわち、半導体基板上に形成した、所定の開
口幅を有するレジストマスクをマスクとして、この半導
体基板に所望の深さのトレンチを形成するトレンチエッ
チング方法であって、所望の深さ未満の深さを有するト
レンチを、異方性エッチングにより形成する工程と、こ
のレジストマスクの開口幅を拡げ、トレンチの上部肩部
分を露出する工程と、所望の深さに至るまでのトレンチ
を形成するとともに、露出したこのトレンチの上部肩部
分を除去する工程とを、この順に施すことを特徴とする
ものである。

【００１０】レジストマスクの開口幅を拡げ、トレンチ
の上部肩部分を露出する工程は、Ｏ₂ やＣＯ等のＯ系ガ
スによるプラズマ処理工程であることが望ましい。

【００１１】さらに、本発明の別のトレンチエッチング
方法は、半導体基板上に形成した、所定の開口幅を有す
るレジストマスクをマスクとして、この半導体基板に所
望の深さのトレンチを形成するトレンチエッチング方法
であって、所望の深さ未満の深さを有するトレンチを、
等方性エッチングにより形成する工程と、所望の深さに
至るまでのトレンチを、異方性エッチングにより形成す
る工程とを、この順に施すことを特徴とするものであ
る。

【００１２】

【作用】本発明のトレンチエッチング方法によれば、ま
ず通常の異方性エッチング条件により、所望のトレンチ
深さ未満、例えば８０％の深さまで垂直加工する。つぎ
にレジストマスクをＯ₂ 等でプラズマ処理して後退さ
せ、トレンチの肩部分の半導体基板を露出させる。この
状態で再びトレンチエッチングを続行して所望の深さの
トレンチを形成すると、露出したトレンチ肩部分も同時
にエッチングないしはスパッタリングされ、この部分が
略テーパ形状となる。したがって、この後の誘導体材料
層等の埋め込みや絶縁耐圧に有利なトレンチ形状が達成
される。テーパ形状は、最初の異方性エッチングにおけ
る加工深さの選択と、レジストマスクの後退量の選択に
より、幅広い制御が可能である。

【００１３】本発明の２番目のトレンチエッチング方法
においては、まずＦ系ガスによるプラズマエッチングに
よりレジストマスク開口部直下にサイドエッチングを発
生させておく。この後異方性エッチングにより垂直加工
し、所望の深さに達するトレンチを形成すれば、トレン
チ肩部分が拡がったワイングラス形状のトレンチが得ら
れる。したがって、この場合にも後の誘導体材料層等の
埋め込みや絶縁耐圧に有利なトレンチ形状が達成され
る。この場合も、テーパ形状の制御は最初の等方性エッ
チングによるサイドエッチング量により決定される。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき、添付図
面を参照しながら説明する。

【００１５】実施例１ 本実施例は請求項１のトレンチエッチング方法を適用し
たものであり、これを図１（ａ）〜（ｅ）を参照して説
明する。なお同図では従来技術の説明に供した図３
（ａ）〜（ｂ）における構成部分と同様の構成部分に
は、同一の参照符号を付すものとする。

【００１６】まず図１（ａ）に示すようにＳｉからなる
半導体基板１上にレジストマスク２を形成し、トレンチ
形成予定部分にリソグラフィにより開口を設ける。レジ
ストマスク２の開口幅は例えば０．２μｍとする。この
被エッチング基板を、基板バイアス印加型ＥＣＲプラズ
マエッチング装置の基板ステージ上にセッティングし、
一例として下記エッチング条件によりレジストマスク２
から露出する半導体基板１を異方性エッチングする。 ＨＢｒ １２０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ ２ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４００ ｍＰａ マイクロ波電力 ８００ Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ） 基板バイアス電力 ６０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板温度 ４０ ℃ 本エッチング工程では、反応生成物ＳｉＢｒ_x がイオン
アシスト反応に除去されてエッチングが進行するととも
に、形成されるトレンチ側面にはＳｉＢｒ_x Ｏ_y やＳｉ
Ｂｒ_x を主体とする側壁保護膜（図示せず）が付着して
異方性加工に寄与する。本エッチング条件により、所望
のトレンチ深さの約８０％程度を加工する。すなわち、
５００ｎｍの深さのトレンチを必要とする場合には、４
００ｎｍの深さだけ加工する。この状態を図１（ｂ）に
示す。

【００１７】つぎに、一例として下記条件のＯ₂ プラズ
マによる等方性エッチングにより、レジストマスク２を
部分的にエッチングし、レジストマスク２を後退させ、
その開口幅を例えば０．２５μｍに拡げる。この結果、
トレンチの肩部分４が露出する。この状態を図１（ｃ）
に示す。 Ｏ₂ ５ ｓｃｃｍ Ｈｅ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ５００ ｍＰａ マイクロ波電力 ６００ Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ） 基板バイアス電力 ０ Ｗ（ 基板温度 ２０ ℃

【００１８】さらに、トレンチの残り２０％の深さに相
当する１００ｎｍを、一例として下記条件により異方性
エッチングする。 ＨＢｒ １２０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ ２ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４００ ｍＰａ マイクロ波電力 ８００ Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ） 基板バイアス電力 ６０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板温度 ４０ ℃ 本エッチング工程において、所望の深さのトレンチ３が
形成されるとともに、レジストマスク２から露出したト
レンチの肩部分４も削られ、図１（ｄ）に示すようにテ
ーパ形状となる。これは、スパッタリング効果が大きい
トレンチの肩部分４のエッチング速度が大きいためと考
えられる。

【００１９】最後にレジストマスク２を常法に準拠して
アッシング除去し、さらに必要に応じて側壁保護膜の残
渣を希ＨＦ水溶液等でライトエッチングし、図１（ｅ）
に示すように開口の肩部分がテーパ状に拡がったトレン
チ３を完成する。トレンチ３は、肩部分以外の開口幅
は、初期のレジストマスクの開口幅と同じ０．２μｍで
ある。

【００２０】本実施例によれば、トレンチの肩部分のみ
がテーパ形状を有し、肩部分以外は略９０°の垂直な側
面を有する微細なトレンチの形成が可能となる。このた
め、後工程での誘導体材料等の埋め込み工程でのステッ
プカバレッジが向上し、ボイドの発生が防止される。

【００２１】実施例２ 本実施例は、請求項３のトレンチエッチング方法を適用
したものであり、これを図２（ａ）〜（ｄ）を参照して
説明する。なお同図でも従来技術の説明に供した図３
（ａ）〜（ｂ）における構成部分と同様の構成部分に
は、同一の参照符号を付すものとする。

【００２２】図２（ａ）に示す被エッチング基板は、前
実施例１で図１（ａ）を参照して説明したものと同じで
あるので重複する説明を省略する。この被エッチング基
板を、基板バイアス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装
置の基板ステージ上にセッティングし、一例として下記
エッチング条件によりレジストマスク２から露出する半
導体基板１を等方性エッチングする。 ＳＦ₆ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４００ ｍＰａ マイクロ波電力 ８００ Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ） 基板バイアス電力 ３０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板温度 ２０ ℃ 本エッチング工程では、ラジカル反応による反応生成物
ＳｉＦ_x が除去されるおとによりエッチングが進行し、
レジストマスク２開口部の半導体基板１がサイドエッチ
ングされる。サイドエッチング量は、例えば片側３０ｎ
ｍとする。この状態を図２（ｂ）に示す。

【００２３】つぎに、一例として下記条件により所望の
深さ、例えば、５００ｎｍの深さのトレンチが得られる
まで異方性エッチングする。 ＨＢｒ １２０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ ２ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４００ ｍＰａ マイクロ波電力 ８００ Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ） 基板バイアス電力 ６０ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板温度 ４０ ℃ 本エッチング工程においては、イオンアシスト反応によ
りレジストマスク２の開口径に相当する幅のトレンチ３
が異方性加工される。すなわち、イオンの垂直入射成分
のみによりエッチングが進行するので、レジストマスク
２下部のサイドエッチング形状の影響を受けず、ほぼ垂
直に加工される。この状態を図２（ｃ）に示す。

【００２４】最後にレジストマスク２を常法に準拠して
アッシング除去し、さらに必要に応じて側壁保護膜の残
渣を希ＨＦ水溶液等でライトエッチングし、図２（ｃ）
に示すように開口の肩部分がワイングラス状に拡がった
トレンチ３を完成する。トレンチ３は、肩部分以外の開
口幅は、初期のレジストマスクの開口幅と略同じ０．２
μｍである。

【００２５】本実施例によれば、トレンチの肩部分のみ
が拡がった形状を有し、肩部分以外は略９０°の垂直な
側面を有する微細なトレンチの形成が可能となる。この
ため、後工程での誘導体材料等の埋め込み工程でのステ
ップカバレッジが向上し、ボイドの発生が防止される。

【００２６】以上、本発明を２例の実施例により説明し
たが本発明はこれら実施例になんら限定されるものでは
ない。

【００２７】例えば、半導体基板の材料としてシリコン
を例示したが、ＧａＡｓやＩｎＰ等の化合物半導体基板
にトレンチやメサを形成する場合に利用することも可能
である。

【００２８】レジストマスクとして単層のフォトレジス
トを想定して説明したが、多層レジストマスクや、無機
系のマスクであっても本発明の技術的思想を適用するこ
とは可能である。

【００２９】エッチング装置として基板バイアス印加型
ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いたが、一般的な平
行平板型ＲＩＥ装置や、あるいは誘導結合型プラズマエ
ッチング装置、ヘリコン波プラズマエッチング装置を任
意に用いてよい。基板バイアスを独立に制御できるプラ
ズマエッチング装置であれば、異方性エッチングと等方
性エッチングを同一チャンバ内で連続的に施すことが可
能であるので好適である。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば０．２５μｍ以下の微細幅のトレンチを所望の
深さに再現性よく形成することができ、後工程で埋め込
む誘導体材料層のステップカバレッジを損なうこともな
い。またトレンチキャパシタの場合には、絶縁耐圧の向
上が図れる。したがって、本発明を採用することによ
り、微細なデザインルールによる半導体装置の素子間分
離や容量素子を、再現性良く形成することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施例１のトレンチエッチン
グ方法を示す概略断面図であり、（ａ）は半導体基板上
にレジストマスクを形成した状態、（ｂ）は所望の深さ
未満のトレンチを形成した状態、（ｃ）はレジストマス
クの開口幅を拡げた状態、（ｄ）は所望の深さのトレン
チを形成するとともにトレンチ肩部分をテーパ化した状
態、そして（ｅ）はレジストマスクを除去してトレンチ
が完成した状態である。

【図２】本発明を適用した実施例２のトレンチエッチン
グ方法を示す概略断面図であり、（ａ）は半導体基板上
にレジストマスクを形成した状態、（ｂ）はレジストマ
スク開口部分直下の半導体基板をサイドエッチングした
状態、（ｃ）はさらに所望の深さまでトレンチエッチン
グした状態、そして（ｄ）はレジストマスクを除去して
トレンチが完成した状態。

【図３】従来のトレンチエッチング方法の問題点を示す
概略断面図であり、（ａ）は半導体基板上に開口幅の異
なるレジストマスクを形成した状態、（ｂ）はテーパエ
ッチングにより、開口幅の異なるトレンチを形成した状
態である。

【図４】従来のトレンチの問題点を示す概略断面図であ
り、トレンチ開口後の後工程で、誘導体材料層を埋め込
む際にボイドが発生する様子を示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ レジストマスク ３、３ａ、３ｂ トレンチ ４ トレンチの肩部分 ５ 誘導体材料層 ６ ボイド

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に形成した、所定の開口幅
   を有するレジストマスクをマスクとして、前記半導体基
   板に所望の深さのトレンチを形成するトレンチエッチン
   グ方法であって、 所望の深さ未満の深さを有するトレンチを、異方性エッ
   チングにより形成する工程、 前記レジストマスクの開口幅を拡げ、前記トレンチの上
   部肩部分を露出する工程、 所望の深さに至るまでのトレンチを形成するとともに、
   露出した前記トレンチの上部肩部分を除去する工程、 とをこの順に施すことを特徴とする、トレンチエッチン
   グ方法。
2. 【請求項２】 レジストマスクの開口幅を拡げ、トレン
   チの上部肩部分を露出する工程は、Ｏ系ガスによるプラ
   ズマ処理工程であることを特徴とする、請求項１記載の
   トレンチエッチング方法。
3. 【請求項３】 半導体基板上に形成した、所定の開口幅
   を有するレジストマスクをマスクとして、前記半導体基
   板に所望の深さのトレンチを形成するトレンチエッチン
   グ方法であって、 所望の深さ未満の深さを有するトレンチを、等方性エッ
   チングにより形成する工程、 所望の深さに至るまでのトレンチを、異方性エッチング
   により形成する工程、 とをこの順に施すことを特徴とする、トレンチエッチン
   グ方法。