JP5069982B2

JP5069982B2 - 半導体装置の製造方法および半導体装置

Info

Publication number: JP5069982B2
Application number: JP2007231408A
Authority: JP
Inventors: 雄介村木; 茂樹戸澤
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: JP2009064956A

Description

本発明は、半導体装置に関し、特にシャロートレンチアイソレーション（Shallow Trench Isolation：STI）を用いる半導体装置とその製造方法に関する。

半導体装置の製造分野においては、動作速度の向上や低消費電力といった性能向上、製造コストの抑制などの観点から、ますます高集積化が求められている。高集積化のためには、基板の表面に形成されたトランジスタ間を分離する素子分離構造の微細化が重要である。近年、この素子分離構造を微細化させる技術としてＳＴＩが採用されている。ＳＴＩは、異方性エッチングで基板表面に形成された溝部に絶縁部を埋め込むことによって、素子分離構造を形成する技術である。

ＳＴＩで形成される素子分離構造に用いられる絶縁部には、従来からＢＰＳＧ（ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ
ｇｌａｓｓ）法や、オゾンＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）法、ＵＳＧ（ｕｎｄｏｐｅｄｓｉｌｉｃａｔｅｇｌaｓｓ）法、ＨＤＰ（ｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｐｌａｓｍａｅｎｈａｎｃｅｄｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により成膜されたＳｉＯ₂膜が用いられている。

しかしながら、微細化に伴い、素子分離構造を形成する溝部のアスペクト比が非常に高くなっており、このアスペクト比の高い溝部を埋め込もうとすると、上述のＢＰＳＧ法やオゾンＴＥＯＳ法、ＨＤＰ法等の手法で形成されたＳｉＯ₂膜は、溝部の埋め込み性が悪いという問題が生じる。

そこで、アスペクト比の高い溝部への埋め込み性を向上させるために、ポリシラザン溶液を基板の表面に塗布し、次いで熱処理を行うことによりＳｉＯ_２に変質させて形成されたＳｉＯ₂膜を素子分離構造として用いることが検討されている。その理由は、ポリシラザン溶液は高い流動性を有するため、高アスペクト比の溝部を容易に埋め込むことができるからである。また、ポリシラザン溶液は下地依存性が弱いので、ボイドレス、あるいはシームレスの素子分離絶構造を容易に形成することができる。

一方、ポリシラザン溶液中には流動性を高めるために多くの不純物が含まれている。この不純物の影響により、ポリシラザン溶液を焼成して得られる絶縁部は部分的に密度が低くなり、ウエットエッチング耐性が弱くなる。ところが、半導体装置の製造工程では、例えばゲート酸化膜の除去などでウエットエッチングが繰り返し行われる。ポリシラザン溶液を焼成して得られた絶縁部は、低密度な部分のウエットエッチング耐性が低いので、ウエットエッチングの際に部分的なエッチングが進行しやすく、ボイドが発生しやすい。その結果、トランジスタ間の分離性能が低下してしまう。

そこで、このようなウエットエッチング耐性の低下といった不具合を回避するために、ハイブリッド埋め込みプロセスが検討されている（特開２００６−１５６４７１号公報）。ハイブリッド埋め込みプロセスとは、素子分離溝部にポリシラザン溶液を焼成して得られた絶縁部を埋め込んだ後、溝部の上部からポリシラザン溶液由来の絶縁部を除去（エッチバック）し、溝部上部の未充填部分をＨＤＰシリコン酸化膜等の緻密な絶縁膜で埋め込む技術である。
特開２００６−１５６４７１号公報

上記特許文献１のハイブリッド埋め込みプロセスでは、溝部に埋め込んだポリシラザン溶液由来の絶縁部を溝上部から除去（エッチバック）するに際し、ウエットエッチングを行っていた。しかしながら、上述の様にポリシラザン溶液を焼成して得られた絶縁部は、低密度ゆえにウエットエッチング耐性が低く、エッチバックの際に溝部の底部に存在する絶縁部まで除去されてしまう心配があった。溝部の底部に存在する絶縁部まで除去されてしまうと、トランジスタ間の分離性能が低下してしまう。

本発明の目的は、ハイブリッド埋め込みプロセスを用いて、分離性能の高い素子分離構造を得ることにある。

本発明によれば、トランジスタ間を分離する素子分離構造を有する半導体装置の製造方法であって、前記素子分離構造を形成する工程は、基板に形成された溝部の底部に第１の絶縁部を埋め込む工程と、前記第１の絶縁部の上に第２の絶縁部を埋め込む工程を有し、前記第１の絶縁部を埋め込む工程は、前記第１の絶縁部の材料を基板の表面に成膜する工程と、前記溝部の上部から前記第１の絶縁部の材料を除去する工程と、前記溝部の上部において、前記溝部の内壁に付着していた前記第１の絶縁部の材料の残留層を除去する工程を有し、前記成膜する工程は、ポリシラザン溶液を基板の表面に塗布する工程と、熱処理により、ポリシラザン溶液をＳｉＯ _２に変質させる工程を有し、前記第１の絶縁部の材料を除去する工程は、反応性イオンエッチングにより行われ、前記残留層を除去する工程は、フッ化水素ガスおよびアンモニアガスにより、前記残留層を反応生成物に変質させる工程と、前記反応生成物を加熱して除去する工程を有することを特徴とする、半導体装置の製造方法が提供される。

前記残留層を反応生成物に変質させる工程において、温度またはフッ化水素ガスおよびアンモニアガスの混合比が調節されても良い。また、前記第２の絶縁部を埋め込む工程は、プラズマＣＶＤによって行われても良い。

また、本発明によれば、トランジスタ間を分離する素子分離構造を有する半導体装置であって、上記製造方法によって製造されたことを特徴とする、半導体装置が提供される。

また、本発明によれば、処理システムの制御コンピュータによって実行することが可能なプログラムが記録された記録媒体であって、前記プログラムは、前記制御コンピュータによって実行されることにより、前記処理システムに、上記のいずれかの製造方法を行わせるものであることを特徴とする、記録媒体が提供される。

本発明によれば、近年の微細化に伴ってアスペクト比が非常に高くなっている素子分離構造についても、ハイブリッド埋め込みプロセスを用いて、分離性能の高い半導体装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照にして説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

先ず、本発明方法によって製造される半導体装置１の部分的な構成の一例を、図１を参照に説明する。例えばＰ型シリコン（Ｓｉ）ウェハよりなる基板Ｗには、Ｎ^＋ソース１１とＮ^＋ドレイン１２が形成されており、それらＮ^＋ソース１１とＮ^＋ドレイン１２の間には、トランジスタ間を分離するための素子分離構造１３が形成されている。

素子分離構造１３は、いわゆるハイブリッド埋め込みプロセスによって形成されたシャロートレンチアイソレーション（ＳｈａｌｌｏｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ：ＳＴＩ）に構成されている。即ち、素子分離構造１３は、基板Ｗに形成された溝部１５の底部に埋め込まれた第１の絶縁部１６と、溝部１５の上部において、この第１の絶縁部１６の上に埋め込まれた第２の絶縁部１７を有している。第１の絶縁部１６は、シラザン溶液を基板Ｗの表面に塗布し、次いで熱処理を行うことによりＳｉＯ_２に変質させたＳｉＯ_２膜からなる。第２の絶縁部１７は、ＨＤＰＳｉＯ_２膜等の緻密な絶縁膜からなる。

基板Ｗの上層には、第１の層間絶縁膜２０が形成されると共に、例えばＳｉＯ₂膜よりなるゲート酸化膜２１と、例えばポリシリコン膜よりなるゲート電極２２とがこの順序で設けられている。更に、第１の層間絶縁膜２０の上層にはメタル配線層をなすＣｕ（銅）（あるいはＡｌ（アルミニウム））の配線層２３が形成されている。また、前述のＮ^＋ソース１１およびＮ_＋ドレイン１２と配線層２３との間はＷ（タングステン）のプラグ層２５にて接続されている。第１の層間絶縁膜２０の上層には、第２の層間絶縁膜２６が設けられ、この第２の層間絶縁膜２６の上層には、例えば窒化膜よりなるハードマスク２７を介して第３の層間絶縁膜２８が形成されている。

次に、半導体装置１が備える素子分離構造１３を形成する工程を図２〜５を参照にして説明する。なお、理解を容易にさせるために、本発明に至るまでの経緯を含めて説明する。

先ず、一般的なフォトリソグラフィー工程を経て、基板Ｗに溝部１５が形成される。即ち、基板Ｗ上にシリコン熱酸化膜が形成され、更に、シリコン熱酸化膜上にＣＭＰの研磨ストッパとなるシリコン窒化膜３０が形成される。次に、基板Ｗ（シリコン窒化膜３０）上にＣＶＤシリコン酸化膜が形成され、更に、ＣＶＤシリコン酸化膜上にフォトレジスト膜が塗布される。次に、フォトレジス膜が所定のパターンに加工され、更に、加工されたフォトレジスト膜（レジストパターン）をマスクとして、ＣＶＤシリコン酸化膜がエッチングされ、ハードマスクが形成される。その後、フォトレジスト膜（レジストパターン）は、アッシング、エッチングにより除去される。次に、ハードマスク（ＣＶＤシリコン酸化膜）をマスクとして、シリコン窒化膜３０、シリコン熱酸化膜、シリコン基板Ｗがエッチングされ、基板Ｗの表面に溝部１５（シャロートレンチ）が形成される（図２（ａ））。エッチング後、弗酸蒸気によって、ハードマスクが除去される。なお、溝部１５には、更に、シリコン熱酸化膜等が形成される場合もある。

次に、基板Ｗの表面にポリシラザン溶液が塗布される。ポリシラザン溶液は、キシレン、ジブチルエーテル等の溶剤中に、過水素化シラザン（パーハイドロシラザン）重合体［（ＳｉＨ₂ＮＨ）_n］を分散させることにより生成される。このポリシラザン溶液が、例えばスピンコーティング法により、基板Ｗの表面に塗布される。この場合、ポリシラザン溶液は、高い流動性を有し、下地依存性も弱いため、シャロートレンチのような高アスペクト比の溝部１５の内部にも、ボイド等を生じさせずに埋め込まれる。

次に、熱処理を行い、ポリシラザン溶液の塗布膜をＳｉＯ_２膜３１に変質させる。こうして、第１の絶縁部の材料としてのＳｉＯ_２膜３１を、溝部１５の内部に埋め込んだ状態で基板Ｗの表面に成膜する（図２（ｂ））。

次に、シリコン窒化膜３０をストッパとして、ＣＭＰプロセスにより、ＳｉＯ_２膜３１が研磨された後、更に、エッチングによって、溝部１５の上部から第１の絶縁部の材料としてのＳｉＯ_２膜３１が除去される。こうして、溝部１５の底部のみにＳｉＯ_２膜３１の一部からなる第１の絶縁部３２が埋め込まれた状態となる（図２（ｃ））。

ここで、このように溝部１５の上部から第１の絶縁部の材料としてのＳｉＯ_２膜３１をエッチングで除去する場合、従来は、ウエットエッチングを行っていた。しかしながら、ポリシラザン溶液を焼成して得られたＳｉＯ_２膜３１は、低密度のためウエットエッチング耐性が低く、エッチバックの際に溝部１５の底部に存在するＳｉＯ_２膜３１まで除去されてしまい、トランジスタ間の分離性能が低下する恐れがある。

そこで本発明者は、溝部１５の上部からＳｉＯ_２膜３１を除去するに際し、反応性イオンエッチング(Reactive Ion
Etching; RIE)を採用することを試みた。反応性イオンエッチングは、イオンによるスパッタリングと、エッチングガスの化学反応を利用したエッチング技術であり、微細加工に適し、異方性エッチングも可能である。反応性イオンエッチングを利用することにより、溝部１５の底部に第１の絶縁部３２を残した状態で、溝部１５の上部からＳｉＯ_２膜３１を除去することが可能となる。

しかしながら、このように反応性イオンエッチングを利用して、溝部１５の上部からＳｉＯ_２膜３１を除去した場合、溝部１５の底部に第１の絶縁部３２を残すことができるが、その一方で、溝部１５に面しているシリコン窒化膜３０の側壁３０’が、反応性イオンエッチングによってテーパー状に削れてしまうといった、新たな問題が生じた（図２（ｃ））。

即ち、このようにシリコン窒化膜３０の側壁３０’がテーパー状に削れた状態で、その後、プラズマＣＶＤによって、第１の絶縁部３２の上に第２の絶縁部の材料としてのＨＤＰＳｉＯ_２膜３３が埋め込まれる（図２（ｄ））。次に、シリコン窒化膜３０をストッパとして、ＣＭＰプロセスにより平坦化され、ＨＤＰシリコン酸化膜３３が所定の形状の第２の絶縁部３４となる（図２（ｅ））。次に、例えばホット燐酸溶液により、シリコン窒化膜３３が除去されて、素子分離構造１３が形成される（図２（ｆ））。

しかしながら、このようにして製造された素子分離構造１３にあっては、第２の絶縁部３４の側面３４’が横へ外側に突出したいわゆるオーバーハング形状となってしまう。このようにオーバーハング形状となった第２の絶縁部３４は、その後に行われる成膜プロセスや、リソグラフィープロセス等の後工程に悪影響を及ぼす可能性がある。また、このようにオーバーハング形状となった第２の絶縁部３４が形成されたことに起因して、デバイス歩留まりの低下、Ｇａｔｅ長のばらつき、断線等の不良が発生する可能性もある。

そこで次に、本発明者は、溝部１５の上部から反応性イオンエッチングによってＳｉＯ_２膜３１を除去するに際し、溝部１５に面しているシリコン窒化膜３０の側壁３０’が削れないように、ＳｉＯ_２膜３１をエッチングすることを試みた。

即ち、先ず、一般的なフォトリソグラフィー工程を経て、基板Ｗに溝部１５が形成される（図３（ａ））。次に、ポリシラザン溶液の塗布、熱処理を経て、第１の絶縁部の材料としてのＳｉＯ_２膜３１が、溝部１５の内部に埋め込まれた状態で基板Ｗの表面に成膜される（図３（ｂ））。なお、これら図３（ａ）（ｂ）の工程は、先に図２（ａ）（ｂ）で説明した工程と同様である。

次に、反応性イオンエッチングを利用することにより、溝部１５の底部に第１の絶縁部３２を残した状態で、溝部１５の上部からＳｉＯ_２膜３１を除去した。その際、処理ガスの成分、分圧、チャンバー内圧力、プラズマ状態、処理温度、エッチング時間などの種々のパラメータを調整することで、溝部１５に面しているシリコン窒化膜３０の側壁３０’がエッチングされるのを防止した（図３（ｃ））。この場合、シリコン窒化膜３０の側壁３０’の形状はテーパー状とならず、ほぼ垂直のままに保たれた。しかし一方で、シリコン窒化膜３０の側壁３０’が削れないようなエッチング条件とした場合、溝部１５の上部からＳｉＯ_２膜３１を完全には除去できず、溝部１５の上部において、溝部１５の内壁面に第１の絶縁部３２の残留層３２ａが残ってしまった。このように残留層３２ａを残したまま素子分離構造１３を製造した場合、次に説明するように、更に別の新たな問題が生じた。

即ち、このように溝部１５の上部において、溝部１５の内壁面に第１の絶縁部３２の残留層３２ａが付着して残っている状態で、その後、プラズマＣＶＤによって、第１の絶縁部３２の上に第２の絶縁部の材料としてのＨＤＰＳｉＯ_２膜３３が埋め込まれる（図３（ｄ））。次に、シリコン窒化膜３０をストッパとして、ＣＭＰプロセスにより平坦化され、ＨＤＰシリコン酸化膜３３が所定の形状の第２の絶縁部３４となる（図３（ｅ））。次に、例えば燐酸溶液により、シリコン窒化膜３３が除去されて、素子分離構造１３が形成される（図３（ｆ））。

しかしながら、このようにして製造された素子分離構造１３にあっては、溝部１５の上部において、第２の絶縁部３４の側面と、溝部１５の内壁面との間に、第１の絶縁部３２の残留層３２ａが入り込んだ状態で残ってしまった。ところが、半導体装置１の製造では、後工程において、例えばゲート酸化膜の除去などの目的でウエットエッチングが繰り返し行われる。そのようなウエットエッチングの際に、第２の絶縁部３４の側面と溝部１５の内壁面との間に残っていた第１の絶縁部３２の残留層３２ａを通じて、エッチング液ｘが浸み込み、第２の絶縁部３４の側面と溝部１５の内壁面との間に隙間が生じるとともに、溝部１５の底部に埋め込まれていた第１の絶縁部３２がエッチングされてしまう（図３（ｆ））。これにより、素子分離構造１３の分離性能が低下してしまう。

そこで次に、本発明者は、溝部１５の内壁面に付着している第１の絶縁部３２の残留層３２ａをウエットエッチングで除去することを試みた。

即ち、先ず、一般的なフォトリソグラフィー工程を経て、基板Ｗに溝部１５が形成される（図４（ａ））。次に、ポリシラザン溶液の塗布、熱処理を経て、第１の絶縁部の材料としてのＳｉＯ_２膜３１が、溝部１５の内部に埋め込まれた状態で基板Ｗの表面に成膜される（図４（ｂ））。次に、反応性イオンエッチングを利用して、溝部１５の上部からＳｉＯ_２膜３１が除去される。この場合、溝部１５の上部の内壁面に第１の絶縁部３２の残留層３２ａがまだ付着して残っている状態でＳｉＯ_２膜３１のエッチングを停止させることにより、溝部１５に面しているシリコン窒化膜３０の側壁３０’の形状をテーパー状とせず、ほぼ垂直のままに保つことができる（図４（ｃ））。なお、これら図４（ａ）（ｂ）（ｃ）の工程は、先に図３（ａ）（ｂ）（ｃ）で説明した工程と同様である。

次に、ウエットエッチングを利用することにより、溝部１５の内壁面に付着している第１の絶縁部３２の残留層３２ａを除去した。しかしながら、残留層３２ａをウエットエッチングで除去した場合、残留層３２ａのみならず、溝部１５の底部に埋め込まれていた第１の絶縁部３２まで一緒にエッチングされ、更に、第１の絶縁部３２中の低密度部分にボイドが形成されてしまった。

そこで、本発明者は、このように溝部１５の内壁面に付着している第１の絶縁部３２の残留層３２ａを除去する工程について、更なる検討を重ねた。その結果、フッ化水素ガスおよびアンモニアガスにより、残留層３２ａを先ず反応生成物３２ｂに変質させ、その後、変質させた反応生成物３２ｂを加熱して除去することにより、溝部１５の底部に第１の絶縁部３２を残したまま、残留層３２ａのみを除去することができるという新規な知見を得た。

ここで先ず、フッ化水素ガスおよびアンモニアガスにより、残留層３２ａを反応生成物３２ｂに変質させる工程（ＣＯＲ処理工程）と、変質させた反応生成物３２ｂを加熱して除去する工程（ＰＨＴ処理工程）を行う処理システム１００について説明する。図５に示すように、処理システム１００は、基板Ｗを処理システム１００に対して搬入出させる搬入出部１０１、搬入出部１０１に隣接させて設けられた２つのロードロック室１０２、各ロードロック室１０２にそれぞれ隣接させて設けられ、反応生成物３２ｂを加熱して除去する工程を行うＰＨＴ（ＰｏｓｔＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔ）処理装置１０３、各ＰＨＴ処理装置１０３にそれぞれ隣接させて設けられ、残留層３２ａを反応生成物３２ｂに変質させる工程を行うＣＯＲ（ＣｈｅｍｉｃａｌＯｘｉｄｅＲｅｍｏｖａｌ）処理装置１０４、処理システム１００の各部に制御命令を与える制御コンピュータ１０５を有している。各ロードロック室１０２に対してそれぞれ連結されたＰＨＴ処理装置１０３、ＣＯＲ処理装置１０４は、ロードロック室１０２側からこの順に一直線上に並べて設けられている。

搬入出部１０１は、基板Ｗを搬送する第一のウェハ搬送機構１１０が内部に設けられた搬送室１１１を有している。ウェハ搬送機構１１０は、基板Ｗを略水平に保持する２つの搬送アーム１１０ａ、１１０ｂを有している。搬送室１１１に隣接して、基板Ｗを複数枚並べて収容可能なキャリア１１２を載置する載置台１１３が配置されている。また、搬送室１１１の側方には、基板Ｗを回転させて偏心量を光学的に求めて位置合わせを行うオリエンタ１１４が設置されている。

かかる搬入出部１０１において、基板Ｗは、搬送アーム１１０ａ、１１０ｂによって保持され、基板搬送装置１１０の駆動により略水平面内で回転及び直進移動、また昇降させられることにより、所望の位置に搬送させられる。そして、載置台１１３上のキャリア１１２、オリエンタ１１４、ロードロック室１０２に対して、搬送アーム１１０ａ、１１０ｂによって、基板Ｗが搬入出させられるようになっている。

各ロードロック室１０２と搬送室１１１との間にそれぞれゲートバルブ１１５が備えられている。各ロードロック室１０２内には、基板Ｗを搬送する第二の基板搬送機構１１６が設けられている。この第二の基板搬送機構１１６は、基板Ｗを略水平に保持する搬送アーム１１７を有している。また、ロードロック室１０２は真空引き可能になっている。

かかるロードロック室１０２において、基板Ｗは、搬送アーム１１７によって保持され、基板搬送機構１１６の駆動により略水平面内で回転及び直進移動、また昇降させられることにより搬送させられる。そして、各ロードロック室１０２に対して縦列に連結されたＰＨＴ処理装置１０３に対して搬送アーム１１７が進退させられることにより、ＰＨＴ処理装置１０３に対して基板Ｗが搬入出させられる。さらに、各ＰＨＴ処理装置１０３を介してＣＯＲ処理装置１０４に対して、搬送アーム１１７が進退させられることにより、ＣＯＲ処理装置１０４に対して基板Ｗが搬入出させられるようになっている。

ＰＨＴ処理装置１０３の内部は、基板Ｗを収納する密閉構造の処理室（処理空間）１２０に構成されている。また、図示はしないが、基板Ｗをロードロック室１０２と処理室１２０の間で搬入出させるための搬入出口が設けられており、この搬入出口を開閉するゲートバルブ１２１が、ロードロック室１０２と処理室１２０の間に設けられている。

ＣＯＲ処理装置１０４の内部は、基板Ｗを収納する密閉構造の処理室（処理空間）１２２に構成されている。また、基板ＷをＰＨＴ処理装置１０３の処理室１２０とＣＯＲ処理装置１０４の処理室１２２の間で搬入出させるための搬入出口１２３（図７参照）が設けられており、この搬入出口１２３を開閉するゲートバルブ１２４が、ＰＨＴ処理装置１０３とＣＯＲ処理装置１０４の間に設けられている。

図６に示すように、ＰＨＴ処理装置１０３の処理室１２０内には、基板Ｗを略水平にして載置させる載置台１３０が設けられている。さらに、処理室１２０内に例えば窒素ガス（Ｎ_２）などの不活性ガスを加熱して供給する供給路１３１を備えた供給機構１３２、処理室１２０内を排気する排気路１３３を備えた排気機構１３４が備えられている。供給路１３１は窒素ガスの供給源１３５に接続されている。また、供給路１３１には、供給路１３１の開閉動作及び窒素ガスの供給流量の調節が可能な流量調整弁１３６が設けられている。排気路１３３には、開閉弁１３７、強制排気を行うための排気ポンプ１３８が設けられている。

なお、ＰＨＴ処理装置１０３のゲートバルブ１２１、流量調整弁１３６、開閉弁１３７、排気ポンプ１３８等の各部の動作は、制御コンピュータ１０５の制御命令によってそれぞれ制御されるようになっている。即ち、供給機構１３２による窒素ガスの供給、排気機構１３４による排気などは、制御コンピュータ１０５によって制御される。

図７に示すように、ＣＯＲ処理装置１０４は、密閉構造のチャンバー１４０を備えており、チャンバー１４０の内部が、前述の処理室１２２になっている。処理室１２２の内部には、基板Ｗを略水平にした状態で載置させる載置台１４１が設けられている。

載置台１４１は、平面視において略円形をなしており、チャンバー１４０の底部に固定されている。載置台１４１の内部には、載置台１４１の温度を調節する温度調節器１４２が設けられている。温度調節器１４２は、例えば温調用の液体（例えば水など）が循環させられる管路を備えており、かかる管路内を流れる液体と熱交換が行われることにより、載置台１４１の上面の温度が調節され、さらに、載置台１４１と載置台１４１上の基板Ｗとの間で熱交換が行われることにより、基板Ｗの温度が調節されるようになっている。なお、温度調節器１４２はかかるものに限定されず、例えば抵抗熱を利用して載置台１４１および基板Ｗを加熱する電気ヒータ等であっても良い。

また、ＣＯＲ処理装置１０４には、処理室１２２内にガスを供給する供給機構１４３、処理室１２２内を排気する排気機構１４４が設けられている。

チャンバー１４０の側壁部には、基板Ｗを処理室１２２内に搬入出させるための前述した搬入出口１２３が設けられており、この搬入出口１２３を開閉するゲートバルブ１２４が設けられている。また、チャンバー１４０の天井部には、処理室１２２内に処理ガスを吐出させる複数の吐出口を有するシャワーヘッド１５０が備えられている。

供給機構１４３は、処理室１２２内にフッ化水素ガス（ＨＦ）を供給するフッ化水素ガス供給路１５１、処理室１２２内にアンモニアガス（ＮＨ_３）を供給するアンモニアガス供給路１５２、処理室１２２内に不活性ガスとしてアルゴンガス（Ａｒ）を供給するアルゴンガス供給路１５３、処理室１２２内に不活性ガスとして窒素ガス（Ｎ_２）を供給する窒素ガス供給路１５４を備えている。フッ化水素ガス供給路１５１、アンモニアガス供給路１５２、アルゴンガス供給路１５３、窒素ガス供給路１５４は、シャワーヘッド１５０に接続されており、処理室１２２内には、シャワーヘッド１５０を介してフッ化水素ガス、アンモニアガス、アルゴンガス、窒素ガスが拡散されて吐出される。

フッ化水素ガス供給路１５１は、フッ化水素ガスの供給源１６０に接続されている。また、フッ化水素ガス供給路１５１には、フッ化水素ガス供給路１５１の開閉動作及びフッ化水素ガスの供給流量の調節が可能な流量調整弁１６１が設けられている。アンモニアガス供給路１５２はアンモニアガスの供給源１６２に接続されている。また、アンモニアガス供給路１５２には、アンモニアガス供給路１５２の開閉動作及びアンモニアガスの供給流量の調節が可能な流量調整弁１６３が設けられている。アルゴンガス供給路１５３はアルゴンガスの供給源１６４に接続されている。また、アルゴンガス供給路１５３には、アルゴンガス供給路１５３の開閉動作及びアルゴンガスの供給流量の調節が可能な流量調整弁１６５が設けられている。窒素ガス供給路１５４は窒素ガスの供給源１６６に接続されている。また、窒素ガス供給路１５４には、窒素ガス供給路１５４の開閉動作及び窒素ガスの供給流量の調節が可能な流量調整弁１６７が設けられている。

排気機構１４４は、開閉弁１７０、強制排気を行うための排気ポンプ１７１を備える排気路１７２を有している。排気路１７２の上流端部は、チャンバー１４０の底部に開口している。

なお、ＣＯＲ処理装置１０４のゲートバルブ１２４、温度調節器１４２、流量調整弁１６１、１６３、１６５、１６７、開閉弁１７０、排気ポンプ１７１等の各部の動作は、制御コンピュータ１０５の制御命令によってそれぞれ制御されるようになっている。即ち、供給機構１４３によるフッ化水素ガス、アンモニアガス、アルゴンガス、窒素ガスの供給、排気機構１４４による排気、温度調節器１４２による温度調節などは、制御コンピュータ１０５によって制御される。

処理システム１００の各機能要素は、処理システム１００全体の動作を自動制御する制御コンピュータ１０５に、信号ラインを介して接続されている。ここで、機能要素とは、例えば前述した基板搬送機構１１０、１１６、ＰＨＴ処理装置１０３のゲートバルブ１２１、流量調整弁１３６、排気ポンプ１３８、ＣＯＲ処理装置１０４のゲートバルブ１２４、温度調節器１４２、流量調整弁１６１、１６３、１６５、１６７、開閉弁１７０、排気ポンプ１７１等の、所定のプロセス条件を実現するために動作する総ての要素を意味している。制御コンピュータ１０５は、典型的には、実行するソフトウェアに依存して任意の機能を実現することができる汎用コンピュータである。

図５に示すように、制御コンピュータ１０５は、ＣＰＵ（中央演算装置）を備えた演算部１０５ａと、演算部１０５ａに接続された入出力部１０５ｂと、入出力部１０５ｂに挿着され制御ソフトウェアを格納した記録媒体１０５ｃと、を有する。この記録媒体１０５ｃには、制御コンピュータ１０５によって実行されることにより処理システム１００に後述する所定の基板処理を行わせる制御ソフトウェア（プログラム）が記録されている。制御コンピュータ１０５は、該制御ソフトウェアを実行することにより、処理システム１００の各機能要素を、所定のプロセスレシピにより定義された様々なプロセス条件（例えば、処理室１２０、１２２の圧力等）が実現されるように制御する。

記録媒体１０５ｃは、制御コンピュータ１０５に固定的に設けられるもの、あるいは、制御コンピュータ１０５に設けられた図示しない読み取り装置に着脱自在に装着されて該読み取り装置により読み取り可能なものであっても良い。最も典型的な実施形態においては、記録媒体１０５ｃは、処理システム１００のメーカーのサービスマンによって制御ソフトウェアがインストールされたハードディスクドライブである。他の実施形態においては、記録媒体１０５ｃは、制御ソフトウェアが書き込まれたＣＤ−ＲＯＭ又はＤＶＤ−ＲＯＭのような、リムーバブルディスクである。このようなリムーバブルディスクは、制御コンピュータ１０５に設けられた図示しない光学的読取装置により読み取られる。また、記録媒体１０５ｃは、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ）又はＲＯＭ（ｒｅａｄｏｎｌｙｍｅｍｏｒｙ）のいずれの形式のものであっても良い。さらに、記録媒体１０５ｃは、カセット式のＲＯＭのようなものであっても良い。要するに、コンピュータの技術分野において知られている任意のものを記録媒体１０５ｃとして用いることが可能である。なお、複数の処理システム１００が配置される工場においては、各処理システム１００の制御コンピュータ１０５を統括的に制御する管理コンピュータに、制御ソフトウェアが格納されていても良い。この場合、各処理システム１００は、通信回線を介して管理コンピュータにより操作され、所定のプロセスを実行する。

次に、以上のように構成された処理システム１００を用いた残留層３２ａの除去工程について説明する。

即ち、先ず、一般的なフォトリソグラフィー工程を経て、基板Ｗに溝部１５が形成される（図８（ａ））。次に、ポリシラザン溶液の塗布、熱処理を経て、第１の絶縁部の材料としてのＳｉＯ_２膜３１が、溝部１５の内部に埋め込まれた状態で基板Ｗの表面に成膜される（図８（ｂ））。次に、反応性イオンエッチングを利用して、溝部１５の上部からＳｉＯ_２膜３１が除去される。この場合、溝部１５の上部の内壁面に第１の絶縁部３２の残留層３２ａがまだ付着して残っている状態でＳｉＯ_２膜３１のエッチングを停止させることにより、溝部１５に面しているシリコン窒化膜３０の側壁３０’の形状をテーパー状とせず、ほぼ垂直のままに保つことができる（図８（ｃ））。なお、これら図８（ａ）（ｂ）（ｃ）の工程は、先に図４（ａ）（ｂ）（ｃ）で説明した工程と同様である。

次に、フッ化水素ガスおよびアンモニアガスにより、残留層３２ａを先ず反応生成物３２ｂに変質させ、その後、変質させた反応生成物３２ｂを加熱して除去することにより、溝部１５の底部に第１の絶縁部３２を残したまま、残留層３２ａのみを除去する。

即ち、図８（ｃ）に示したように溝部１５の内壁面にまだ第１の絶縁部３２の残留層３２ａが付着している基板Ｗが、キャリア１１２内に収納されて、図５で説明した処理システム１００に搬送される。

処理システム１００では、基板搬送機構１１０によってキャリア１１２から一枚の基板Ｗが取り出され、ロードロック室１０２に搬入される。ロードロック室１０２にウェハＷが搬入されると、ロードロック室１０２が密閉され、減圧される。その後、ゲートバルブ１２１、１２４が開かれ、いずれも減圧されているロードロック室１０２、ＰＨＴ処理装置１０３の処理室１２０、ＣＯＲ処理装置１０４の処理室１２２が、互いに連通させられる。基板Ｗは、基板搬送機構１１７によってロードロック室１０２から搬出され、ＰＨＴ処理装置１０３の処理室１２０内を通過するように直進移動させられ、ＣＯＲ処理装置１０４の処理室１２２内に搬入される。

ＣＯＲ処理装置１０４の処理室１２２内において、基板Ｗは、デバイス形成面を上面とした状態で、載置台１４１上に受け渡される。その後、搬入出口１２３が閉じられ、処理室１２２内が密閉される。

処理室１２２内が密閉された後、処理室１２２内には、アンモニアガス供給路１５２、アルゴンガス供給路１５３、窒素ガス供給路１５４からそれぞれアンモニアガス、アルゴンガス、窒素ガスが供給される。また、処理室１２２内の圧力は、大気圧よりも低圧状態にされる。さらに、載置台１４２上の基板Ｗの温度は、温度調節器１４２によって所定の目標値（例えば約３５℃程度）に調節される。

その後、フッ化水素ガス供給路１５１から処理室１２２内にフッ化水素ガスが供給される。ここで処理室１２２内には、予めアンモニアガスが供給されているので、フッ化水素ガスを供給することにより、処理室１２２内の雰囲気はフッ化水素ガスとアンモニアガスとを含む混合ガスからなる処理雰囲気にされる。こうして処理室１２２内の基板Ｗの表面に混合ガスが供給されることで、基板Ｗに対してＣＯＲ処理が行われる。

処理室１２２内の低圧状態の処理雰囲気によって、基板Ｗ表面の溝部１５の内壁面に付着している第１の絶縁部３２の残留層３２ａは、混合ガス中のフッ化水素ガスの分子及びアンモニアガスの分子と化学反応して、反応生成物３２ｂに変質させられる（図８（ｄ））。この場合、反応生成物としては、フルオロケイ酸アンモニウムや水分等の混合物が生成される。

なお、この化学反応は等方的に進行するので、溝部１５の内壁面に付着している第１の絶縁部３２の残留層３２ａのみならず、第１の絶縁部３２の上面も部分的に反応生成物３２ｂに変質させられる。しかしながら、第１の絶縁部３２の上面から所定の深さのところで反応が飽和し、第１の絶縁部３２の内部までは、化学反応が進行しない。

ＣＯＲ処理中は、各処理ガスの供給流量、不活性ガスの供給流量、排気流量等を調節することにより、混合ガス（処理雰囲気）が大気圧より減圧された一定の圧力（例えば約８０ｍＴｏｒｒ（約１０．７Ｐａ）程度）に維持されるように調節する。また、混合ガス中のフッ化水素ガスの分圧は、約１５ｍＴｏｒｒ（約２．００Ｐａ）以上になるように調節しても良い。また、反応生成物３２ｂ中のフルオロケイ酸アンモニウムの昇華点は約１００℃であり、基板Ｗの温度を１００℃以上にすると、反応生成物３２ｂの生成が良好に行われなくなるおそれがある。そのため、基板Ｗの温度は約１００℃未満にすることが好ましい。

上記の化学反応が飽和状態になる深さは、変質させる対象物である残留層３２ａ（第１の絶縁部３２）の種類、混合ガスの温度、混合ガス中のフッ化水素ガスの分圧等に依存する。即ち、残留層３２ａの種類に応じて、基板Ｗの温度、フッ化水素ガスの分圧をそれぞれ調節することで、化学反応が飽和状態になる深さ、反応生成物３２ｂの生成量等を制御することができ、ひいては、後に詳細に説明するＰＨＴ処理後の第１の絶縁部３２の上面のエッチング量を制御することができる。

溝部１５の内壁面に付着していた第１の絶縁部３２の残留層３２ａが反応生成物３２ｂに十分に変質され、ＣＯＲ処理が終了すると、処理室１２２内が強制排気されて減圧される。これにより、フッ化水素ガスやアンモニアガスが処理室１２２内から強制的に排出される。この強制排気が終了すると、搬入出口１２３が開口させられ、基板Ｗは基板搬送機構１１７によって処理室１２２内から搬出され、ＰＨＴ処理装置１０３の処理室１２０内に搬入される。

ＰＨＴ処理装置１０３において、基板Ｗは表面を上にした状態で処理室１２０内の載置台１３０に載置される。処理室１２０内が密閉され、処理室１２０内が排気されながら、高温の加熱ガスが処理室１２０内に供給され、処理室１２０内が昇温される。これにより、上記ＣＯＲ処理によって生じた反応生成物３２ｂが加熱されて昇華（気化）し、溝部１５内から排出される（図８（ｅ））。即ち、溝部１５の内壁面に付着していた第１の絶縁部３２の残留層３２ａが除去され、溝部１５の底部に第１の絶縁部３２のみが埋め込まれた状態となる。

こうして、ＣＯＲ処理の後にＰＨＴ処理を実施することで、溝部１５の内壁面に付着していた第１の絶縁部３２の残留層３２ａが除去され、溝部１５の底部に第１の絶縁部３２のみが埋め込まれた状態とすることができる。なお、前述したＣＯＲ処理においては、第１の絶縁部３２の上面に対しても、混合ガスとの化学反応が若干生じるため、第１の絶縁部３２の上面が変質させられて少量の反応生成物３２ｂが生じているが、前述したように、反応生成物３２ｂに変質させる化学反応は所定の深さのところで飽和するため、第１の絶縁部３２の上面が変質させられる深さは、非常に少ない。そのため、その後のＰＨＴ処理によって第１の絶縁部３２の上面（反応生成物３２ｂ）が除去される深さ、即ちエッチング量は、第１の絶縁部３２の全体の深さに比較して非常に少ない量に抑えられる。なお、このように第１の絶縁部３２の上面から反応生成物３２ｂとなってエッチング除去される量は、ＣＯＲ処理において混合ガス中のアンモニアガスの分圧、フッ化水素ガスの分圧等を調節することで、抑制することができる。

ＰＨＴ処理が終了すると、加熱ガスの供給が停止され、ＰＨＴ処理装置１０３の搬入出口が開かれる。その後、基板Ｗは基板搬送機構１１７によって処理室１２０から搬出され、ロードロック室１０２に戻される。そして、ロードロック室１０２が密閉された後、ロードロック室１０２と搬送室１１１とが連通させられる。そして、基板搬送機構１１０によって、基板Ｗがロードロック室１０２から搬出され、載置台１１３上のキャリア１１２に戻される。以上のようにして、処理システム１００における一連のエッチング工程が終了する。

こうして、処理システム１００において、溝部１５の内壁面に付着していた第１の絶縁部３２の残留層３２ａが除去された基板Ｗに対して、他の処理システムにおいて、第１の絶縁部３２の上に第２の絶縁部を埋め込む工程が行われる。

即ち、残留層３２ａが除去された基板Ｗは、例えばＣＶＤ装置等の成膜装置に搬入され、先ず、ウェハＷに対して成膜処理が行われる。例えばプラズマＣＶＤによって、第１の絶縁部３２の上に第２の絶縁部の材料としてのＨＤＰＳｉＯ_２膜３３が埋め込まれる（図８（ｆ））。次に、シリコン窒化膜３０をストッパとして、ＣＭＰプロセスにより平坦化され、ＨＤＰＳｉＯ_２膜３３が所定の形状の第２の絶縁部３４となる（図８（ｇ））。次に、例えばホット燐酸溶液により、シリコン窒化膜３０が除去されて、素子分離構造１３が形成される（図８（ｈ））。

こうして製造された素子分離構造１３にあっては、シリコン窒化膜３０の側壁３０’の形状がほぼ垂直のままに保たれていたために、第２の絶縁部３４の側面３４’がほぼ垂直の形状となる。このため、その後に行われる成膜プロセスや、リソグラフィープロセス等の後工程に悪影響を及ぼす心配の無い素子分離構造１３を得ることができる。

また、溝部１５の内壁面に第１の絶縁部３２の残留層３２ａが残っていないので、後工程で行われるウエットエッチングの際、素子分離構造１３の上部は、ＨＤＰＳｉＯ_２膜３３からなる第２の絶縁部３４によって保護される。これにより、マルチオキサイドプロセスのように、素子分離構造１３が複数回ウエットエッチングに曝される場合でも、分離性能を維持できる。

その後、周知のトランジスタ等の素子を形成する工程が続き、先に図１で説明した半導体装置１が得られる。トランジスタは、例えば、トレンチＤＲＡＭまたはトレンチＤＲＡＭ混載（混載ＬＳＩ）中のメモリセル中のトランジスタである。

以上、本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、シャロートレンチアイソレーションを用いた半導体装置の製造分野に適用できる。

半導体装置の部分的な構成の一例の説明図である。本発明に至る過程における、素子分離構造を形成する工程の説明図である。本発明に至る過程における、素子分離構造を形成する工程の説明図である。本発明に至る過程における、素子分離構造を形成する工程の説明図である。処理システムの概略平面図である。ＰＨＴ処理装置の構成を示した説明図である。ＣＯＲ処理装置の構成を示した説明図である。本発明の実施の形態にかかる、素子分離構造を形成する工程の説明図である。

符号の説明

Ｗ基板
１半導体装置
１３素子分離構造
１５溝部
１６第１の絶縁部
１７第２の絶縁部
３０シリコン窒化膜
３２ａ残留層
３４第２の絶縁部
３２ｂ反応生成物
１００処理システム
１０１搬入出部
１０２ロードロック室１０２
１０３ＰＨＴ処理装置
１０４ＣＯＲ処理装置
１０５制御コンピュータ

Claims

トランジスタ間を分離する素子分離構造を有する半導体装置の製造方法であって、
前記素子分離構造を形成する工程は、基板に形成された溝部の底部に第１の絶縁部を埋め込む工程と、前記第１の絶縁部の上に第２の絶縁部を埋め込む工程を有し、
前記第１の絶縁部を埋め込む工程は、前記第１の絶縁部の材料を基板の表面に成膜する工程と、前記溝部の上部から前記第１の絶縁部の材料を除去する工程と、前記溝部の上部において、前記溝部の内壁に付着していた前記第１の絶縁部の材料の残留層を除去する工程を有し、
前記成膜する工程は、ポリシラザン溶液を基板の表面に塗布する工程と、熱処理により、ポリシラザン溶液をＳｉＯ _２に変質させる工程を有し、
前記第１の絶縁部の材料を除去する工程は、反応性イオンエッチングにより行われ、
前記残留層を除去する工程は、フッ化水素ガスおよびアンモニアガスにより、前記残留層を反応生成物に変質させる工程と、前記反応生成物を加熱して除去する工程を有することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
前記残留層を反応生成物に変質させる工程において、温度またはフッ化水素ガスおよびアンモニアガスの混合比が調節されることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２の絶縁部を埋め込む工程は、プラズマＣＶＤによって行われ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。
トランジスタ間を分離する素子分離構造を有する半導体装置であって、
請求項１〜３のいずれかの製造方法によって製造されたことを特徴とする、半導体装置。
処理システムの制御コンピュータによって実行することが可能なプログラムが記録された記録媒体であって、
前記プログラムは、前記制御コンピュータによって実行されることにより、前記処理システムに、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法を行わせるものであることを特徴とする、記録媒体。