JP4564272B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
これは、あるパターンを有する基板を装置の真空反応室内に設置し、その真空反応室内に反応ガスを導入するとともに放電プラズマを発生させ、反応性イオンや活性種(ラジカル)によりエッチングを進行させてトレンチ加工を行うものである。そして、このトレンチ部に絶縁性物質を成膜することで、STI構造を得ることができる。これらは、イオンやラジカルのエネルギーや量を調整することで、被エッチング膜における所望な形状の加工、堆積膜の高い埋め込み特性、高い加工・成膜速度の確保を行っている。
このようなトレンチ内部への絶縁膜の埋め込み特性の改善を図るようにしたものとしては、例えば特許文献1に示されるものがある。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板の表面に高アスペクト比の第1のトレンチおよび低アスペクト比の第2のトレンチをエッチングにより形成して絶縁膜を埋め込むことで素子分離構造を形成する半導体装置の製造方法において、前記シリコン基板に前記高アスペクト比および低アスペクト比のトレンチを開口するようにエッチングマスク材をパターニングする工程と、前記エッチングマスク材がパターニングされた前記シリコン基板を、ハロゲン系ガスにフロロカーボン系ガスおよび酸素を添加したエッチングガスを用いてエッチング処理し、前記第1のトレンチおよび前記第2のトレンチを同時形成する工程と、前記第1のトレンチおよび前記第2のトレンチ内に前記絶縁膜を埋め込む工程とを備え、前記第1のトレンチおよび第2のトレンチを同時形成する工程では、前記第1のトレンチを、前記第1のトレンチの底面部に対する前記第1のトレンチの側壁部の傾斜角度が前記底面部側で直角に近い第1の傾斜角度となるように形成し、前記第1のトレンチの開口部側では前記第1の傾斜角度よりも小さい第2の傾斜角度となるように形成し、前記第2のトレンチを、前記第2のトレンチの底面部に対する前記第2のトレンチの側壁部の傾斜角度が前記底面部側から前記第2のトレンチの開口部側まで一定で前記第1の傾斜角度より小さい第3の傾斜角度となるように形成するところに特徴を有する。
図1はトレンチ形成工程を実施した後の模式的な断面図である。また、図2は、ゲート電極が形成された状態の平面図を示しており、図中A−A線で示す部分の断面が図1に示す構成と対応している。フラッシュメモリを構成するチップは、半導体基板上に多数のメモリセルが形成されるメモリセル領域と、これらメモリセルを駆動するための周辺回路が形成された周辺回路領域とから構成されている。
図3はトレンチ2aおよびトレンチ2bの形状を比較するために示すもので、高アスペクト比のトレンチ2aと低アスペクト比のトレンチ2bとが隣接する境界部分すなわち図1に示す活性領域6aおよび6bの部分の断面を示している。この図において、トレンチ2aはシリコン基板1の上部開口部での幅寸法A1に対して底面部では幅寸法B1に狭められた形状となっている。
一方、トレンチ2bのテーパー角をβとすると、このトレンチ2bの側壁部13bは、底面端部P3から開口端部P4に至るまで、上記した定義に基づいたテーパー角βとほぼ同じ傾斜角度θ3となるように形成されている。また、開口端部P2、P4における傾斜角度θ2とθ3とはほぼ同じ値になるように形成されている。
テーパー角 α=arctan(2D/(A1−B1)) …(1)
テーパー角 β=arctan(2D/(A2−B2)) …(2)
なお、傾斜角度θ2とθ3は必ずしもほぼ同じ値になる必要はなく、傾斜角度θ3が傾斜角度θ1より小さければよい。
まず、図4(a)に示すように、シリコン基板1上にシリコン酸化膜7、多結晶シリコン膜8、シリコン窒化膜9およびシリコン酸化膜(BSG膜)10を順次成膜する。シリコン酸化膜7はフローティングゲートのゲート絶縁膜として機能するものであり、多結晶シリコン膜8はフローティングゲートとして機能する構成の一部(後工程で多結晶シリコン膜が積層される)であり、シリコン窒化膜9はCMP処理工程におけるストッパとして機能するものである。また、シリコン酸化膜10は、シリコン基板1のエッチング時にマスク材として機能するものである。
このとき用いるエッチングガスのガス種としては、例えば、ハロゲン系ガスとしてCl2(塩素ガス)、HBr(臭化水素ガス)などであり、フロロカーボン系ガスとして、CF4、CHF3、CH2F2、C5F8、C4F6などである。
また、酸素により酸化されたシリコンは、アスペクト比が高いトレンチすなわちメモリセル領域3のトレンチ2aにおいては底面部側に進入し難く、トレンチ2aの底面部がエッチングにより掘り下げられるにしたがって堆積する量が少なくなるため、その側壁部13aでは傾斜角度が大きくなっていく。これに対して、アスペクト比が低いトレンチ2bでは、開口部の幅寸法A2が広いので、酸化シリコンが底面部まで十分到達可能であり、側壁部13bは緩やかな傾斜角度θ3をもつ形状となる。
ガス流量比:ハロゲン系ガス約70%、酸素約20%、フロロカーボン系ガス約10%、
エッチング圧力:約20mTorr、
RFパワー:500W程度。
次に、本実施形態におけるトレンチ2aを形成したシリコン基板1を用いた場合で、トレンチ開口部側の傾斜角度θ2を変化させた場合の埋め込み特性の評価を行った結果について説明する。なお、ここでは、傾斜角度θ2に代えて、トレンチ2aの側壁部16aについて、開口部側の丸みを帯びた部分を円の一部に近似してその曲率半径rをパラメータとして埋め込み特性の評価を行った。
次に、計算機のシミュレーションにより、本実施形態のトレンチ2aの形状の埋め込み特性の評価を行った結果について説明する。このシミュレーションでは、トレンチ2aの側壁部16aについて、深さ方向に上部/中部/下部の3段階に分割し、それぞれの分割領域におけるテーパー角αを変化させて組み合わせを行い、同様に埋め込み特性の評価を行った。この結果から、埋め込み特性における影響度は、上部傾斜部>中部傾斜部>下部傾斜部の順に大きいことがわかった。そして、その傾斜角度が緩やかである方が、また、曲率半径で言えば大きい方が埋め込み特性が向上することが、図8に示す結果からわかった。
本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
エッチングガスは、実施形態中で例示したもの以外でも、同種の系列に属するガスであれば適用することができる。また、混合比あるいは流量比も適宜の設定をすることで目的を達成することができる。
Claims (5)
- 第1のアスペクト比を有する第1のトレンチとこの第1のアスペクト比より低い第2のアスペクト比を有する第2のトレンチが形成されたシリコン基板と、
前記第1のトレンチに隣接した前記シリコン基板上にゲート絶縁膜を介して形成された第1のゲート電極と、
前記第2のトレンチに隣接した前記シリコン基板上にゲート絶縁膜を介して形成された第2のゲート電極と、
前記第1のトレンチおよび第2のトレンチに埋め込まれた絶縁膜と
を具備し、
前記第1のトレンチは、前記第1のトレンチの底面部に対する前記第1のトレンチの側壁部の傾斜角度が前記底面部側で直角に近い第1の傾斜角度となるように形成され、前記第1のトレンチの開口部側では前記第1の傾斜角度よりも小さい第2の傾斜角度となるように形成され、
前記第2のトレンチは、前記第1のトレンチと同時に形成され、前記第2のトレンチの底面部に対する前記第2のトレンチの側壁部の傾斜角度が前記底面部側から前記第2のトレンチの開口部側まで一定で前記第1の傾斜角度より小さい第3の傾斜角度となるように形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1のトレンチはメモリセルが形成される領域に形成され、
前記第2のトレンチは周辺回路が形成される領域に形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または2に記載の半導体装置において、
前記第3の傾斜角度は前記第2の傾斜角度に等しいことを特徴とする半導体装置。 - シリコン基板の表面に高アスペクト比の第1のトレンチおよび低アスペクト比の第2のトレンチをエッチングにより形成して絶縁膜を埋め込むことで素子分離構造を形成する半導体装置の製造方法において、
前記シリコン基板に前記高アスペクト比および低アスペクト比のトレンチを開口するようにエッチングマスク材をパターニングする工程と、
前記エッチングマスク材がパターニングされた前記シリコン基板を、ハロゲン系ガスにフロロカーボン系ガスおよび酸素を添加したエッチングガスを用いてエッチング処理し、前記第1のトレンチおよび前記第2のトレンチを同時形成する工程と、
前記第1のトレンチおよび前記第2のトレンチ内に前記絶縁膜を埋め込む工程と
を備え、
前記第1のトレンチおよび第2のトレンチを同時形成する工程では、
前記第1のトレンチを、前記第1のトレンチの底面部に対する前記第1のトレンチの側壁部の傾斜角度が前記底面部側で直角に近い第1の傾斜角度となるように形成し、前記第1のトレンチの開口部側では前記第1の傾斜角度よりも小さい第2の傾斜角度となるように形成し、
前記第2のトレンチを、前記第2のトレンチの底面部に対する前記第2のトレンチの側壁部の傾斜角度が前記底面部側から前記第2のトレンチの開口部側まで一定で前記第1の傾斜角度より小さい第3の傾斜角度となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4に記載の半導体装置の製造方法において、
前記エッチング処理の条件は、ガス流量比がハロゲン系ガス70%、酸素20%、フロロカーボン系ガス10%、エッチング圧力が20mTorr、RFパワーが500Wであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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