JPH0715938B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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JPH0715938B2
JPH0715938B2 JP60109356A JP10935685A JPH0715938B2 JP H0715938 B2 JPH0715938 B2 JP H0715938B2 JP 60109356 A JP60109356 A JP 60109356A JP 10935685 A JP10935685 A JP 10935685A JP H0715938 B2 JPH0715938 B2 JP H0715938B2
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silicon oxide
oxide film
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porous
silicon substrate
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学 逸見
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    • H01L21/70Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76Making of isolation regions between components

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体集積回路の素子間分離構造に関するもの
であり、さらに詳しくは、分離特性にすぐれ,寄生容量
が小さく,絶縁耐圧の大きな素子間分離構造に関するも
のである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an element isolation structure of a semiconductor integrated circuit, and more specifically, it relates to an element isolation structure having excellent isolation characteristics, small parasitic capacitance, and large withstand voltage. It concerns a separation structure.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第10図はMOS型集積回路に用いられる従来の素子間分離
構造の一例を示す断面図である。同図において、p型の
シリコン基板1上に厚い酸化シリコン膜2が区域的に設
けられている。この酸化シリコン膜2に覆われていない
領域にゲート酸化膜3が形成されており、そのゲート酸
化膜3上に区域的に多結晶シリコンゲート4が設けられ
ている。多結晶シリコンゲート4に関連して、ソース,
ドレイン用のn+拡散層5が形成されている。CVD法によ
り形成された酸化シリコン膜6の上にAl配線層7が設け
られている。酸化シリコン膜2に接するシリコン基板1
の表面には反転防止用のp型拡散層2aが設けられること
もある。この厚い酸化シリコン膜2とp型拡散層2aは、
2つのMOS型トランジスタ、すなわち、Tr.1とTr.2の間
の電気的な相互干渉を抑制するいわゆる素子間分離の機
能をもつ。
FIG. 10 is a sectional view showing an example of a conventional element isolation structure used in a MOS integrated circuit. In the figure, a thick silicon oxide film 2 is provided in a region on a p-type silicon substrate 1. A gate oxide film 3 is formed in a region which is not covered with the silicon oxide film 2, and a polycrystalline silicon gate 4 is provided on the gate oxide film 3 in regions. In connection with the polycrystalline silicon gate 4, the source,
An n + diffusion layer 5 for drain is formed. An Al wiring layer 7 is provided on the silicon oxide film 6 formed by the CVD method. Silicon substrate 1 in contact with silicon oxide film 2
A p-type diffusion layer 2a for preventing inversion may be provided on the surface of the. The thick silicon oxide film 2 and the p-type diffusion layer 2a are
It has a so-called element isolation function of suppressing electrical mutual interference between two MOS type transistors, that is, Tr.1 and Tr.2.

また第11図は従来の素子間分離構造の一例を示す断面図
である。この構造の特徴は、酸化シリコン層8がシリコ
ン基板1上に埋置されており、その分だけ表面段差が軽
減されていることにある。この構造でも、酸化シリコン
層8に接するシリコン基板1の表面領域に反転防止用の
p型拡散層8aが設けられることが多い。酸化シリコン層
8とp型拡散層8aは、2つのMOS型トランジスタ、すな
わち、Tr.1とTr.2の間の電気的な相互干渉を抑制し、素
子間分離構造として作用する。
FIG. 11 is a sectional view showing an example of a conventional element isolation structure. The feature of this structure is that the silicon oxide layer 8 is embedded on the silicon substrate 1, and the surface step difference is reduced accordingly. Also in this structure, the p-type diffusion layer 8a for preventing inversion is often provided in the surface region of the silicon substrate 1 which is in contact with the silicon oxide layer 8. The silicon oxide layer 8 and the p-type diffusion layer 8a suppress electric mutual interference between the two MOS transistors, that is, Tr.1 and Tr.2, and act as an element isolation structure.

第10図,第11図において、厚い酸化シリコン膜2,酸化シ
リコン層8を設け、p型拡散層2a,8aを設けるのは以下
の理由による。素子間分離領域のしきい値電圧、いわゆ
る、寄生MOSトランジスタのしきい値電圧Vthは、 Vth=φMS+2φ+A…(1) ここで、φMSはAl配線とシリコン基板表面との仕事関数
差、φはフェルミ準位、tは絶縁膜の厚さ、ε
絶縁膜の比誘電率、εは真空の誘電率、QSSは絶縁膜
とシリコン基板との界面における表面電荷、εSiはシリ
コン基板の比誘電率、qは電気素量、Nはシリコン基
板表面のアクセプタ濃度である。しきい値電圧Vthを上
げるには、絶縁膜の厚さtを大きくすることとアクセ
プタ濃度Nを大きくすることが効果的である。これ
が、厚い酸化シリコン膜2,8を設け、p型拡散層2a,8aを
設ける理由である。
In FIGS. 10 and 11, the thick silicon oxide film 2 and the silicon oxide layer 8 are provided and the p-type diffusion layers 2a and 8a are provided for the following reason. The threshold voltage of the element isolation region, that is, the threshold voltage V th of the parasitic MOS transistor is V th = φ MS + 2φ F + A (1) Here, φ MS is the work function difference between the Al wiring and the surface of the silicon substrate, φ F is the Fermi level, t I is the thickness of the insulating film, ε I is the relative permittivity of the insulating film, and ε O is the vacuum dielectric. rate, Q SS is an acceptor concentration of surface charge, epsilon Si is the dielectric constant of the silicon substrate, q is the elementary charge, N a is the silicon substrate surface at the interface between the insulating film and the silicon substrate. To increase the threshold voltage V th , it is effective to increase the thickness t I of the insulating film and increase the acceptor concentration N A. This is the reason why the thick silicon oxide films 2 and 8 are provided and the p-type diffusion layers 2a and 8a are provided.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

上述したしきい値電圧Vthを高くするために酸化シリコ
ン膜2,8を厚くしようとすると、第10図の構造において
は表面段差の増大を招き、第11図の構造においては酸化
シリコン膜を埋置するための溝を深く掘り込まなければ
ならないという問題がある。このことから、絶縁膜をあ
まり厚くしなくても、しきい値電圧Vthが十分高くなる
構造あるいは手段の実現が強く望まれていた。
If the thickness of the silicon oxide films 2 and 8 is increased in order to increase the above-mentioned threshold voltage V th , the surface step difference is increased in the structure of FIG. 10 and the silicon oxide film is increased in the structure of FIG. There is a problem that the groove for burying must be dug deeply. For this reason, it has been strongly desired to realize a structure or means in which the threshold voltage V th is sufficiently high without increasing the thickness of the insulating film.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

このような問題点を解決するために本発明は、半導体装
置において、素子間分離構造を備え、この一部あるいは
全部を、孔が内部に集中して表面が平滑な構造であっ
て、誘電率が熱酸化により形成される酸化シリコン膜よ
り小さい多孔質酸化シリコン膜とするようにしたもので
ある。
In order to solve such a problem, the present invention provides, in a semiconductor device, an element isolation structure, part or all of which has a structure in which holes are concentrated inside and the surface has a smooth dielectric constant. Is a porous silicon oxide film smaller than the silicon oxide film formed by thermal oxidation.

また半導体装置の製造方法において、リン,ヒ素あるい
はほう素を含む酸化シリコン膜を所望の領域に形成する
工程と、水素ガスを含む雰囲気中にて熱処理を行う工程
とを備えるようにしたものである。
Further, the method of manufacturing a semiconductor device is provided with a step of forming a silicon oxide film containing phosphorus, arsenic or boron in a desired region and a step of performing heat treatment in an atmosphere containing hydrogen gas. .

〔作用〕[Action]

本発明においては、多孔質酸化シリコン膜により、しき
い値電圧が高く寄生容量が小さい素子間分離構造を得る
ことができる。
In the present invention, the porous silicon oxide film can provide an element isolation structure having a high threshold voltage and a small parasitic capacitance.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明に係わる半導体装置の一実施例を示す断
面図である。第1図において、9は絶縁膜としての多孔
質の酸化シリコン膜、9aは反転防止用のp型拡散層であ
る。第1図において第10図と同一部分又は相当部分には
同一符号が付してある。この多孔質の酸化シリコン膜9
の比誘電率は、通常の酸化シリコン膜の比誘電率3.9よ
りずっと小さな値、たとえば、1.3〜3である。ここで
多孔質の酸化シリコン膜9の比誘電率を2.5とすると、
式(1),(2)から、通常の酸化シリコン膜の比誘電
率3.9と比べ、しきい値電圧Vthがおおよそ3.9/2.5≒1.
6倍だけ大きくなることがわかる。ただしφMS,2φ
小さいので無視できるものとする。これだけしきい値が
向上するならば、逆に、この分だけ絶縁膜の厚さを小さ
くすることができると言ってもよい。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a semiconductor device according to the present invention. In FIG. 1, 9 is a porous silicon oxide film as an insulating film, and 9a is a p-type diffusion layer for preventing inversion. In FIG. 1, the same or corresponding parts as those in FIG. 10 are designated by the same reference numerals. This porous silicon oxide film 9
The relative permittivity of is much smaller than the relative permittivity of 3.9 of a normal silicon oxide film, for example, 1.3 to 3. If the relative permittivity of the porous silicon oxide film 9 is 2.5,
From the equations (1) and (2), the threshold voltage V th is approximately 3.9 / 2.5≈1 compared with the relative dielectric constant of 3.9 of a normal silicon oxide film.
You can see that it is 6 times larger. However, since φ MS and 2φ F are small, they can be ignored. If the threshold value is improved by this amount, it can be said that the thickness of the insulating film can be reduced correspondingly.

第2図は本発明に係わる半導体装置の第2の実施例を示
す断面図である。第2図において、10は絶縁膜としての
多孔質の酸化シリコン層、10aは反転防止用のp型拡散
層である。第2図において第11図と同一部分又は相当部
分には同一符号が付してある。この構造では多孔質の酸
化シリコン層10がシリコン基板1内に埋置されている。
この構造でも多孔質の酸化シリコン層10の比誘電率が通
常の酸化シリコン膜の比誘電率3.9よりずっと小さいこ
とが利用されており、その結果として、しきい値電圧V
thが大幅に高くなる。
FIG. 2 is a sectional view showing a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention. In FIG. 2, 10 is a porous silicon oxide layer as an insulating film, and 10a is a p-type diffusion layer for preventing inversion. In FIG. 2, the same or corresponding parts as in FIG. 11 are designated by the same reference numerals. In this structure, a porous silicon oxide layer 10 is embedded in the silicon substrate 1.
Even in this structure, the fact that the relative dielectric constant of the porous silicon oxide layer 10 is much smaller than the relative dielectric constant of 3.9 of the ordinary silicon oxide film is used, and as a result, the threshold voltage V
th is significantly higher.

第3図は本発明に係わる半導体装置の第3の実施例を示
す断面図である。第3図において、11は絶縁膜としての
多孔質の酸化シリコン膜、11aは反転防止用のp型拡散
層である。第3図において第10図と同一部分又は相当部
分には同一符号が付してある。この構造では多孔質の酸
化シリコン膜11とシリコン基板1との間に窒化シリコン
膜12が設けられている。この窒化シリコン膜12は、多孔
質の酸化シリコン膜11中に含まれるリンがシリコン基板
1に拡散するのを抑制するバリヤーとして作用する。
FIG. 3 is a sectional view showing a third embodiment of the semiconductor device according to the present invention. In FIG. 3, 11 is a porous silicon oxide film as an insulating film, and 11a is a p-type diffusion layer for preventing inversion. In FIG. 3, the same or corresponding parts as those in FIG. 10 are designated by the same reference numerals. In this structure, the silicon nitride film 12 is provided between the porous silicon oxide film 11 and the silicon substrate 1. The silicon nitride film 12 acts as a barrier that suppresses the diffusion of phosphorus contained in the porous silicon oxide film 11 into the silicon substrate 1.

第4図は本発明に係わる半導体装置の第4の実施例を示
す断面図である。第4図において、13は絶縁膜としての
多孔質の酸化シリコン層、13aは反転防止用のp型拡散
層である。第4図において第11図と同一部分又は相当部
分には同一符号が付してある。この構造では多孔質の酸
化シリコン層13とシリコン基板1との間に窒化シリコン
膜14が設けられている。この窒化シリコン膜14は、多孔
質の酸化シリコン層13中に含まれるリンがシリコン基板
1に拡散するのを抑制するバリヤーとして作用する。
FIG. 4 is a sectional view showing a fourth embodiment of the semiconductor device according to the present invention. In FIG. 4, 13 is a porous silicon oxide layer as an insulating film, and 13a is a p-type diffusion layer for preventing inversion. In FIG. 4, the same or corresponding parts as in FIG. 11 are designated by the same reference numerals. In this structure, a silicon nitride film 14 is provided between the porous silicon oxide layer 13 and the silicon substrate 1. This silicon nitride film 14 acts as a barrier that suppresses the diffusion of phosphorus contained in the porous silicon oxide layer 13 into the silicon substrate 1.

第3図,第4図とも比誘電率の大きな(約7)窒化シリ
コン膜12,14を設けているが、厚さが小さいため、全体
として、多孔質の酸化シリコン膜11,酸化シリコン層13
の低誘電率のメリットに与える影響は無視できる程度で
ある。従って、第3図,第4図とも、寄生トランジスタ
のしきい値電圧Vthは従来の構造のものよりずっと大き
くなるという利点をもつ。
3 and 4, the silicon nitride films 12 and 14 having a large relative dielectric constant (about 7) are provided, but since the thickness is small, the porous silicon oxide film 11 and the silicon oxide layer 13 as a whole are formed.
The effect on the merit of low dielectric constant is negligible. Therefore, both FIG. 3 and FIG. 4 have the advantage that the threshold voltage V th of the parasitic transistor is much higher than that of the conventional structure.

次に多孔質の酸化シリコンの構造の一例とその製造方法
について述べる。第5図は多孔質の酸化シリコン膜の一
例を示すへきかい後の断面写真である。この写真は米国
電気化学学会誌(H.Takeuchi and J.Murota,J.Electroc
hem.Soc.,127,p.752)に掲載された写真である。第5図
中、21はシリコン基板、22は通常の酸化シリコン膜、23
は多孔質の酸化シリコン膜である。この例では、直径0.
1μm〜0.5μmの孔が数多く見られる。多孔質の酸化シ
リコン膜23の比誘電率は約1.4であり、通常の酸化シリ
コン膜の比誘電率3.9と比べ1/3近くまで小さくなってい
る。これは、前述したようなしきい値向上の効果の他
に、Al配線とシリコン基板間の浮遊容量が1/3近くまで
小さくなるという利点もある。さらに、多孔質の酸化シ
リコン膜の孔の部分は中空(気体)であり、絶縁耐圧が
大きいため、全体として多孔質酸化シリコン膜の絶縁耐
圧も大きくなる。孔の部分の絶縁耐圧が大きいのは次の
理由による。シリコン基板の伝導帯端と真空準位との間
の障壁高さは約4.0eVであり、通常の酸化シリコン膜の
伝導帯端とシリコン基板の伝導帯端との間の障壁高さ約
3.1eVと比べ、約30%も高い。なお、この理由において
は、真空準位について述べたが、空気準位の場合も殆ん
ど同じである。
Next, an example of the structure of porous silicon oxide and its manufacturing method will be described. FIG. 5 is a cross-sectional photograph showing an example of a porous silicon oxide film after being cleaved. This photo is published by H. Takeuchi and J. Murota, J. Electroc
hem.Soc., 127, p.752). In FIG. 5, 21 is a silicon substrate, 22 is a normal silicon oxide film, and 23.
Is a porous silicon oxide film. In this example, the diameter is 0.
Many pores of 1 μm to 0.5 μm are seen. The relative permittivity of the porous silicon oxide film 23 is about 1.4, which is smaller than the relative permittivity of a normal silicon oxide film of 3.9 by almost 1/3. This has the advantage of reducing the stray capacitance between the Al wiring and the silicon substrate to about 1/3, in addition to the effect of improving the threshold value as described above. Further, since the pores of the porous silicon oxide film are hollow (gas) and have a high withstand voltage, the withstand voltage of the porous silicon oxide film also becomes large as a whole. The breakdown voltage of the hole is large for the following reason. The barrier height between the conduction band edge of the silicon substrate and the vacuum level is about 4.0 eV, and the barrier height between the conduction band edge of a normal silicon oxide film and the conduction band edge of the silicon substrate is about
About 30% higher than 3.1eV. For this reason, the vacuum level has been described, but the air level is almost the same.

次にこの多孔質の酸化シリコン膜の製造方法について述
べる。まずリンを含む酸化シリコン膜を形成した後、水
素を含む雰囲気中で熱処理を行うと、第5図に示すよう
な多孔質酸化シリコン膜が得られる。多孔質化する前の
酸化シリコン膜中のリン濃度は7Wt.%以上が望ましい。
このリン濃度の高い酸化シリコン膜は、リン濃度の高い
ことを強調する場合には、PSG(Phospho Silicate Glas
s)と呼ばれることもある。
Next, a method of manufacturing this porous silicon oxide film will be described. First, when a silicon oxide film containing phosphorus is formed and then heat treatment is performed in an atmosphere containing hydrogen, a porous silicon oxide film as shown in FIG. 5 is obtained. The phosphorus concentration in the silicon oxide film before being made porous is preferably 7 Wt.% Or more.
The PSG (Phospho Silicate Glas) layer can be used to emphasize the high phosphorus concentration.
s) is also called.

第6図は熱処理の効果を示し、横軸は熱処理温度,縦軸
はリンを含む酸化シリコン膜の膜厚を示す。このデータ
は、リン濃度9Wt.%の酸化シリコン膜を0.63μm形成し
た後、水素雰囲気(図中白丸〇で示す)あるいは窒素雰
囲気(図示黒丸●で示す)で20分の熱処理を施した場合
の膜厚を示す。水素雰囲気中で1000℃以上の熱処理を行
うと、急激な膜厚増加が認められる。この膜厚増加はリ
ンを含む酸化シリコン膜の多孔質化によって達成されて
いる。同図の特性曲線24より、0.63μm厚の酸化シリコ
ン膜が実に2.4倍の1.52μm厚にまで厚くなっているこ
とがわかる。この多孔質の酸化シリコン膜は、第5図か
らもわかるように、多孔質の部分は内部(バルク中)に
集中し、表面層は多孔質の孔の影響はほとんど現れてい
なく滑らかであり凹凸がないことがわかる。従って、こ
の酸化シリコン膜は、その上にAl配線層を形成するのに
都合がよい。
FIG. 6 shows the effect of heat treatment. The horizontal axis shows the heat treatment temperature, and the vertical axis shows the thickness of the silicon oxide film containing phosphorus. This data shows that after a silicon oxide film with a phosphorus concentration of 9 Wt.% Was formed to 0.63 μm, heat treatment was performed for 20 minutes in a hydrogen atmosphere (indicated by white circles in the figure) or a nitrogen atmosphere (indicated by black circles in the figure). The film thickness is shown. A rapid increase in film thickness is observed when heat treatment is performed at 1000 ° C or higher in a hydrogen atmosphere. This increase in film thickness is achieved by making the silicon oxide film containing phosphorus porous. It can be seen from the characteristic curve 24 in the figure that the 0.63 μm thick silicon oxide film is actually 2.4 times thicker to 1.52 μm thick. As can be seen from FIG. 5, in this porous silicon oxide film, the porous portion is concentrated inside (in the bulk), and the surface layer is smooth and uneven with almost no effect of the porous pores. You can see that there is no. Therefore, this silicon oxide film is convenient for forming an Al wiring layer thereon.

リンを含む酸化シリコン膜に一旦水素雰囲気中で熱処理
を施した後、あらためて窒素中熱処理を行うとどうなる
かを示すのが第7図の特性曲線25である。リンを含む0.
55μm厚の酸化シリコン膜(リン濃度9.5Wt.%)に900
℃のH2中熱処理を施したものを出発試料とする。この試
料に対し900℃〜1100℃の窒素中熱処理を行うと、膜厚
増加が認められる。1100℃の膜厚は1.75μmであり、0.
55μmに比べ実に3.2倍にまで増加している。参考とし
て、900℃で窒素中熱処理を施したものを出発材料とし
た場合を示したのが第4図の特性曲線26である。この場
合は1100℃の窒素中熱処理でも膜厚増加はみられない。
A characteristic curve 25 in FIG. 7 shows what happens when the silicon oxide film containing phosphorus is once subjected to a heat treatment in a hydrogen atmosphere and then again subjected to a heat treatment in nitrogen. 0 including phosphorus.
900 for a 55 μm thick silicon oxide film (phosphorus concentration 9.5 Wt.%)
A sample that has been heat treated in H 2 at ℃ is used as the starting sample. When this sample is heat-treated in nitrogen at 900 ° C to 1100 ° C, an increase in film thickness is observed. The film thickness at 1100 ° C is 1.75 μm, and
It is 3.2 times larger than 55 μm. As a reference, the characteristic curve 26 in FIG. 4 shows the case where a material that has been heat treated in nitrogen at 900 ° C. is used as the starting material. In this case, no increase in film thickness is observed even by heat treatment in nitrogen at 1100 ° C.

なお、多孔質の酸化シリコン膜に対し窒素雰囲気中の熱
処理の代わりに酸化雰囲気中の熱処理を行ったときの変
化について述べる。酸化熱雰囲気で熱処理を行うと、多
孔質の酸化シリコン膜は収縮し、孔が失われる。この変
化は、孔の生成に関与した水素が酸素との反応によって
消費されるため、孔の維持ができなくなる結果生じるも
のと推測される。酸化雰囲気中での膜厚の減少について
は後述する製造工程において注意を要する。すなわち、
多孔質の酸化シリコン膜の表面を露出したまま酸化雰囲
気中で熱処理をすることは避けることである。どうして
も酸化雰囲気中で熱処理をしたい場合には、多孔質の酸
化シリコン膜の表面を他の材料、たとえば、窒化シリコ
ン膜で被覆することが望ましい。
The change when the heat treatment in the oxidizing atmosphere is performed on the porous silicon oxide film instead of the heat treatment in the nitrogen atmosphere will be described. When the heat treatment is performed in an oxidizing heat atmosphere, the porous silicon oxide film shrinks and the pores are lost. It is speculated that this change results from the inability to maintain the pores because the hydrogen involved in the formation of the pores is consumed by the reaction with oxygen. Attention should be paid to the reduction of the film thickness in the oxidizing atmosphere in the manufacturing process described later. That is,
It is necessary to avoid heat treatment in an oxidizing atmosphere with the surface of the porous silicon oxide film exposed. When it is absolutely necessary to perform heat treatment in an oxidizing atmosphere, it is desirable to coat the surface of the porous silicon oxide film with another material, for example, a silicon nitride film.

第8図の特性曲線27,28は、多孔質の酸化シリコン膜に
ついて、孔の平均半径rと単位面積あたりの個数Nvが熱
処理時間とともにどのように変化するかを示すものであ
る。この場合条件として、窒素雰囲気は950℃であり、
また多孔質の酸化シリコン膜は900℃のH2雰囲気中で240
分の前処理を行ったものであり、その膜厚は0.55μmで
ある。特性曲線27により、N2雰囲気中での熱処理時間の
増加とともに孔の平均半径rは増加しやがて飽和するこ
とがわかる。また特性曲線28により、単位面積あたりの
個数Nvは、孔の平均半径rとは逆に、N2雰囲気中での熱
処理時間の増加とともに減少しやがて一定値に収束する
ことがわかる。
Characteristic curves 27 and 28 in FIG. 8 show how the average radius r of the pores and the number Nv per unit area of the porous silicon oxide film change with the heat treatment time. In this case, as a condition, the nitrogen atmosphere is 950 ° C.,
The silicon oxide film porous is in H 2 atmosphere at 900 ° C. 240
The film thickness is 0.55 μm. From the characteristic curve 27, it can be seen that the average radius r of the pores increases and saturates as the heat treatment time in the N 2 atmosphere increases. Further, from the characteristic curve 28, it can be seen that the number Nv per unit area is opposite to the average radius r of the holes and decreases with the increase of the heat treatment time in the N 2 atmosphere and then converges to a constant value.

次に第4図に示す構造の製造工程について第9図を用い
て説明する。シリコン基板1の表面の所望の領域に0.7
μm深さのエッチング溝15を設け、そのエッチング溝の
底部のシリコン基板表面にほう素のイオン打ち込みを行
い、p型拡散層13aを形成すると、第9図(a)の構造
が得られる。
Next, the manufacturing process of the structure shown in FIG. 4 will be described with reference to FIG. 0.7 on the desired area of the surface of the silicon substrate 1.
An etching groove 15 having a depth of μm is provided, boron ions are implanted on the surface of the silicon substrate at the bottom of the etching groove, and a p-type diffusion layer 13a is formed, whereby the structure of FIG. 9A is obtained.

次いで100Åの酸化シリコン膜16を熱酸化法にて形成
し、その上にCVD法にて400Åの窒化シリコン膜14を形成
すると、第9図(b)の構造が得られる。
Then, a 100 Å silicon oxide film 16 is formed by a thermal oxidation method, and a 400 Å silicon nitride film 14 is formed on the silicon oxide film 16 by a CVD method to obtain the structure shown in FIG. 9B.

次いでエッチング溝15にリン濃度9Wt.%の酸化シリコン
層17を0.3μm埋置すると、第9図(c)の構造を得
る。
Then, a silicon oxide layer 17 having a phosphorus concentration of 9 Wt.% Is embedded in the etching groove 15 by 0.3 μm to obtain the structure shown in FIG. 9C.

次いで水素雰囲気中で1050℃,20分の熱処理を行うと、
第9図(d)に示すように、酸化シリコン層17の体積が
膨張し、多孔質の酸化シリコン層13に変質する。ここで
窒化シリコン膜14は、熱処理の際にリンがシリコン基板
1に拡散するのを抑制するマスクとして作用する。多孔
質の酸化シリコン層13の表面とシリコン基板1の表面は
同図に示すようにほぼ平坦化されている。
Then, heat treatment at 1050 ° C for 20 minutes in a hydrogen atmosphere
As shown in FIG. 9 (d), the volume of the silicon oxide layer 17 expands and changes into a porous silicon oxide layer 13. Here, the silicon nitride film 14 acts as a mask that suppresses the diffusion of phosphorus into the silicon substrate 1 during the heat treatment. The surface of the porous silicon oxide layer 13 and the surface of the silicon substrate 1 are substantially flattened as shown in FIG.

次いで熱リン酸にて400Åの窒化シリコン膜14をエッチ
ングすると、第9図(e)の構造を得る。
Then, the 400 Å silicon nitride film 14 is etched with hot phosphoric acid to obtain the structure shown in FIG. 9 (e).

次いでゲート酸化膜3の上に区域的に多結晶シリコンゲ
ートとしての多結晶シリコン層4を設ける。この多結晶
シリコン層4をマスクにヒ素のイオン打ち込みを自己整
合(セルフアライン)的に行うと、第9図(f)に示す
ように、n+拡散層5が得られる。このn+拡散層5はソー
ス,ドレインとして作用する。
Then, a polycrystalline silicon layer 4 serving as a polycrystalline silicon gate is locally provided on the gate oxide film 3. By performing arsenic ion implantation in a self-aligned manner using this polycrystalline silicon layer 4 as a mask, an n + diffusion layer 5 is obtained as shown in FIG. 9 (f). The n + diffusion layer 5 acts as a source and a drain.

次いで通常の製造工程を利用して酸化シリコン膜6,Al配
線層7を設けると、第9図(g)の構造を得る。
Then, the silicon oxide film 6 and the Al wiring layer 7 are provided by using the usual manufacturing process, and the structure of FIG. 9 (g) is obtained.

以上の説明においてはnチャネルMOSトランジスタの集
積回路の例について述べたが、pチャネルMOSトランジ
スタの集積回路の場合でも本発明は有効であり、さら
に、両者を併せもつCMOSトランジスタの集積回路でも有
効であることは言うまでもない。
In the above description, the example of the integrated circuit of the n-channel MOS transistor has been described, but the present invention is also effective in the case of the integrated circuit of the p-channel MOS transistor, and is also effective in the integrated circuit of the CMOS transistor having both of them. Needless to say.

また製造方法において、多孔質の酸化シリコン膜を形成
するために酸化シリコン膜に混入する不純物としてリン
を用いた場合について説明したが、他の不純物、たとえ
ば、ヒ素,ほう素,ナトリウムあるいは鉛を用いてもよ
いことは言うまでもない。
Further, in the manufacturing method, the case where phosphorus is used as an impurity mixed into the silicon oxide film to form the porous silicon oxide film has been described, but other impurities such as arsenic, boron, sodium or lead are used. It goes without saying that it is okay.

また第3図中の窒化シリコン膜12あるいは第4図中の窒
化シリコン膜14は、他の絶縁膜、たとえば、酸化シリコ
ン膜を用いてもよいことは勿論である。リンの拡散を抑
制するという観点から評価すると、酸化シリコン膜は窒
化シリコン膜ほど効果的ではないが、熱処理条件によっ
ては酸化シリコン膜でも十分有効である。
It is needless to say that the silicon nitride film 12 in FIG. 3 or the silicon nitride film 14 in FIG. 4 may use another insulating film, for example, a silicon oxide film. From the viewpoint of suppressing the diffusion of phosphorus, the silicon oxide film is not as effective as the silicon nitride film, but depending on the heat treatment conditions, the silicon oxide film is sufficiently effective.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明は、半導体装置において、素
子間分離構造を備え、この一部あるいは全部を孔が内部
に集中して表面が平滑な構造であって、誘電率が熱酸化
により形成される酸化シリコン膜より小さい多孔質酸化
膜にすることにより、また、半導体装置の製造方法にお
いて、リン,ヒ素あるいはほう素を含む酸化シリコン膜
を所望の領域に形成する工程と、水素ガスを含む雰囲気
中にて熱処理を行う工程とを備えることにより、寄生容
量が半減し,かつ,絶縁耐圧が大きいという分離特性の
すぐれた素子間分離構造を実現することができる効果が
ある。従って本発明を論理回路に適用した場合、寄生容
量が半減するため、動作速度の向上が達成できる。本発
明を記憶回路に適用した場合も同じく動作速度の向上が
達成できる他に、蓄積電荷のリークが少なく,リフレッ
シュの回数を従来より少なくできるという利点をもつ。
As described above, the present invention provides a semiconductor device having an inter-element isolation structure, a part or all of which has a structure in which holes are concentrated inside and the surface is smooth, and the dielectric constant is formed by thermal oxidation. A porous oxide film smaller than a silicon oxide film, and in the method of manufacturing a semiconductor device, a step of forming a silicon oxide film containing phosphorus, arsenic or boron in a desired region, and an atmosphere containing hydrogen gas. By providing the step of performing the heat treatment inside, there is an effect that it is possible to realize an element isolation structure having excellent isolation characteristics such that the parasitic capacitance is halved and the withstand voltage is large. Therefore, when the present invention is applied to the logic circuit, the parasitic capacitance is halved, and the operation speed can be improved. When the present invention is applied to a memory circuit, the operating speed can be improved in the same manner, and further, there is an advantage that the leakage of accumulated charges is small and the number of times of refreshing can be made smaller than before.

また本発明による素子間分離構造が上述したすぐれた分
離特性をもつことから、逆に、素子間分離領域の専有面
積を従来より小さくすることが可能となる。これは、半
導体集積回路の微細化,高集積化にとって大きな利点と
なる。
Further, since the element isolation structure according to the present invention has the excellent isolation characteristics described above, it is possible to make the area occupied by the element isolation region smaller than that of the conventional one. This is a great advantage for miniaturization and high integration of semiconductor integrated circuits.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図,第2図,第3図,第4図は本発明に係わる半導
体装置の第1,第2,第3,第4の実施例を示す断面図、第5
図は多孔質の酸化シリコン膜の一例を示すへきかい後の
断面写真、第6図はリンを含む酸化シリコン膜の膜厚に
及ぼす熱処理温度の効果を示すグラフ、第7図は水素あ
るいは窒素の雰囲気中で熱処理を施したリンを含む酸化
シリコン膜についての窒素中での熱処理温度依存性を示
すグラフ、第8図は孔の半径,孔の単位面積あたりの個
数に及ぼす熱処理時間の効果を示すグラフ、第9図はこ
の平坦化の方法を実際の素子製造工程に適用した時の工
程を示す断面図、第10図,第11図は従来の半導体装置を
示す断面図である。 1……シリコン基板、3……ゲート酸化膜、4……多結
晶シリコンゲート、5……n+拡散層、6,9,11,16……酸
化シリコン膜、7……モリブデン配線層、9a,10a,11a,1
3a……p型拡散層、10,13,17……酸化シリコン層、12,1
4……窒化シリコン膜、15……エッチング溝。
1, 2, 3, and 4 are sectional views showing the first, second, third, and fourth embodiments of the semiconductor device according to the present invention, and FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional photograph showing an example of a porous silicon oxide film after cleavage, FIG. 6 is a graph showing the effect of heat treatment temperature on the thickness of a silicon oxide film containing phosphorus, and FIG. 7 is an atmosphere of hydrogen or nitrogen. Fig. 8 is a graph showing the temperature dependence of heat treatment in nitrogen for a silicon oxide film containing phosphorus heat-treated in Fig. 8, and Fig. 8 is a graph showing the effect of heat treatment time on the radius of a hole and the number of holes per unit area. FIG. 9 is a sectional view showing a process when the planarizing method is applied to an actual device manufacturing process, and FIGS. 10 and 11 are sectional views showing a conventional semiconductor device. 1 ... Silicon substrate, 3 ... Gate oxide film, 4 ... Polycrystalline silicon gate, 5 ... N + diffusion layer, 6,9,11,16 ... Silicon oxide film, 7 ... Molybdenum wiring layer, 9a , 10a, 11a, 1
3a …… p-type diffusion layer, 10,13,17 …… silicon oxide layer, 12,1
4 ... Silicon nitride film, 15 ... Etching groove.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコン基板上の所定領域に区域的に設け
られた絶縁膜あるいはシリコン基板上の所定領域に区域
的に埋設された絶縁層からなる素子間分離構造と、前記
所定領域以外の領域に設けられたMOS型トランジスタと
を有する半導体装置において、 前記素子間分離構造はその一部あるいは全部が多孔質酸
化シリコン膜からなり、 前記多孔質酸化シリコン膜は、表面が平滑で、かつ孔が
内部に集中した構造であって、誘電率が熱酸化により形
成される酸化シリコン膜より小さいことを特徴とする半
導体装置。
1. An element isolation structure comprising an insulating film provided in a predetermined region on a silicon substrate or an insulating layer provided in a predetermined region on a silicon substrate, and a region other than the predetermined region. In a semiconductor device having a MOS transistor provided in, a part or all of the element isolation structure is made of a porous silicon oxide film, and the porous silicon oxide film has a smooth surface and pores. A semiconductor device having a structure concentrated inside and having a dielectric constant smaller than that of a silicon oxide film formed by thermal oxidation.
【請求項2】シリコン基板上の所定領域に区域的に設け
られた絶縁膜あるいはシリコン基板上の所定領域に区域
的に埋設された絶縁層からなる素子間分離構造と、前記
所定領域以外の領域に設けられたMOS型トランジスタと
を有する半導体装置の製造方法であって、 リン,ヒ素あるいはホウ素を含む酸化シリコン膜を所望
の領域に形成する工程と、水素ガスを含む雰囲気中にて
熱処理を行う工程とを備えたことを特徴とする半導体装
置の製造方法。
2. An element isolation structure comprising an insulating film provided in a predetermined region on a silicon substrate or an insulating layer provided in a predetermined region on a silicon substrate, and a region other than the predetermined region. A method for manufacturing a semiconductor device having a MOS transistor provided in, wherein a step of forming a silicon oxide film containing phosphorus, arsenic or boron in a desired region and a heat treatment in an atmosphere containing hydrogen gas are performed. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
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