JP2000156402A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JP2000156402A
JP2000156402A JP10373732A JP37373298A JP2000156402A JP 2000156402 A JP2000156402 A JP 2000156402A JP 10373732 A JP10373732 A JP 10373732A JP 37373298 A JP37373298 A JP 37373298A JP 2000156402 A JP2000156402 A JP 2000156402A
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trench
opening width
insulating film
etching
protective film
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Tetsuji Nagayama
哲治 長山
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 STI構造の素子分離を用いた高集積度半導
体装置において、トレンチに埋め込まれた絶縁膜の側面
の段差を減らすための過剰のCMPにも耐え得る半導体
装置の製造方法、またこの結果として、ゲート電極の加
工マージンを高め、配線短絡が防止された高い歩留りの
半導体装置の製造方法を提供する。さらに、半導体基体
全面にわたり平坦な埋め込み絶縁膜を有するSTI構造
の半導体装置を提供する。 【解決手段】 孤立活性領域Bの広いトレンチ6の底部
中央領域に凸部を形成しておく。 【効果】 広いトレンチに埋め込まれた絶縁膜表面も凸
状に形成され、後工程におけるCMPでのディッシング
形状、ならびに孤立活性領域の削れを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置およびそ
の製造方法に関し、さらに詳しくは、トレンチ素子分離
を用いた高集積度半導体装置およびその製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の高集積度化および高性能化
が進み、MIS (Metal Insulator Semiconductor)型半
導体装置においてもゲート電極や素子分離領域の微細
化、およびこれらの距離の縮小化の要求が厳しさを増し
ている。これらのうち、ゲート電極の微細化は、リソグ
ラフィ工程で採用するステッパの性能、すなわち露光光
源の波長や、アライメント性能に依存するところが大き
い。
【0003】一方の素子分離領域の微細化およびゲート
電極との距離の縮小については、リソグラフィ精度の向
上の他に、従来法と異なる新しい製造方法が注目されて
いる。すなわち、半導体装置の素子分離およびウェル分
離として、従来からLOCOS (Local Oxidation of S
ilicon) 法が用いられていた。LOCOS法は、Si3
4 による耐酸化マスクから露出するシリコン基体表面
を熱酸化してフィールド絶縁膜を形成する簡便な工程に
より形成され、酸化膜による素子領域への応力が少な
く、また生成する酸化膜の膜質にも優れる。しかしなが
ら、耐酸化マスクの下部に酸化膜が侵入するバーズビー
クの発生が避けられない等、高集積度化には不向きとさ
れている。バーズビークを防止するためには、耐酸化マ
スクの下部のパッド酸化膜を削除して、Si3 4 のみ
で耐酸化マスクを構成する方法が効果的である。しかし
この場合には、Si3 4 による半導体基体への応力が
強く働き、半導体基体の結晶欠陥を誘起する問題が別途
生じる。
【0004】そこで半導体基体に浅い溝を形成し、この
溝内にCVD(Chemical Vapor Deposition) 法等で形成
した絶縁膜、例えば酸化シリコン等を埋め込むSTI
(Shallow Trench Isolation) 法が採用され始めてい
る。STIは、設計寸法からの寸法変換差が少なく、原
理的に微細化に適している。また絶縁膜を埋め込んだ後
は、何らかの方法でその表面を平坦化するため、後工程
における高精度リソグラフィに必要とされる表面平坦性
に関しても有利である。このSTIは、同じく半導体基
体にアスペクト比5程度以上の深い溝を形成し、ここに
DRAM (Dynamic Random Access Memory) のトレンチ
キャパシタを形成する方法と区別するために、Shallow
Trenchと呼称される。STIの製造工程を図17〜図1
8を参照して説明する。
【0005】図17(a): 半導体基体1上に酸化シ
リコン膜2および窒化シリコン膜3からなる保護膜4を
形成する。この保護膜4は広い開口幅と狭い開口幅を有
する。つぎにこの保護膜4から露出する半導体基体1を
エッチングして複数の浅いトレンチ6を形成する。この
トレンチも、広い開口幅と狭い開口幅を有する。続けて
絶縁膜8をバイアスECR (Electron Cyclotron Reson
ance) CVD法等、埋め込み能力に優れた堆積方法で形
成する。絶縁膜8の成膜厚さは、トレンチ6が埋まり保
護膜4表面とほぼ同一レベルとなる程度とする。この結
果、パターン幅の広い保護膜4上には同程度の厚さの絶
縁膜8が堆積する。パターン幅の狭い保護膜4上の絶縁
膜8の厚さは薄い。これら保護膜4上の絶縁膜8は不要
である。そこで、まずパターン幅の広い保護膜4上の厚
い絶縁膜8の大部分を除去するために、この部分に開口
部を有するレジストマスク5を形成し、絶縁膜8の厚い
部分をエッチングにより除去する。図17(a)はこの
エッチング前の状態を示す。
【0006】レジストマスク5に開口部を形成する際、
ステッパのミスアライメントにより隣接するトレンチ6
に跨がって開口部が形成される懸念がある。この場合に
は、このトレンチ6に埋め込まれた、本来残すべき絶縁
膜8も不所望にエッチングされ、絶縁膜8の埋め込み形
状が悪化する。したがって、レジストマスクの開口部幅
を、パターン幅の広い保護膜4の幅より大幅に狭く設定
し、アライメントずれが発生しても、隣接するトレンチ
6に埋め込まれた絶縁膜8がエッチングされないように
するのが普通である。また同じ理由から、図17(a)
の右端に示すような、中程度に幅の広い保護膜4上の絶
縁膜8部分に、レジストマスク5の開口を形成すること
はできない。
【0007】図17(b): この結果、絶縁膜8のエ
ッチング終了後も、パターン幅の広い保護膜4上や、中
程度に幅の広い保護膜4上には、パターン幅の狭い保護
膜4上に比較して、依然として厚い絶縁膜8が残留す
る。
【0008】図18(c): この状態でCMP (Chem
ical Mechanical Polishing)を施して保護膜4上に堆積
した不要の絶縁膜8を除去し、トレンチ6内にのみ絶縁
膜8を残す。この際、パターン幅の広い保護膜4上の厚
い絶縁膜8を充分除去できる程度にオーバーポリッシン
グをかけると、幅の広いトレンチ6に埋め込まれた絶縁
膜8が中弛み状に凹み、Dishing と称される形状不良が
発生する。この理由は、CMPにおける研磨ストッパと
しても機能する窒化シリコン膜3の面積割合が、幅の広
いトレンチ6部分では小さいためである。
【0009】図18(d): 窒化シリコン膜3および
酸化シリコン膜2からなる保護膜4をウェットエッチン
グ等で除去し、STI構造の素子分離領域が形成され
る。この状態で、半導体基体1へのトランジスタ等の素
子形成工程に入る準備が完了する。素子分離領域間に露
出する半導体基体1は、素子等が作り込まれる活性領域
である。この活性領域の幅も、保護膜4の幅に応じた広
狭および疎密が存在する。半導体装置としてDRAM
(Dynamic Random Access Memory) を例にとれば、図の
A領域はメモリセル領域に相当する。B領域は孤立活性
領域、C領域は広い活性領域である。
【0010】保護膜4を除去した後には、図に示される
ようにA領域や広いC領域では、トレンチ6に埋め込ま
れた絶縁膜8の側面に大きな段差8sが生じる。この結
果、後のゲート電極のエッチング工程におけるプロセス
マージンが著しく狭くなる。具体的にはゲート電極材料
層を異方性エッチングする際に段差8s部分で、サイド
ウォール状の残渣(不図示)が発生する。この残渣は導
電性であるので、短絡や抵抗異常等の事故が発生する虞
が高く、歩留り低下の原因となる。残渣除去のためには
オーバーエッチング時間を延長すればよいが、ゲート絶
縁膜のエッチオフ防止との兼ね合いで、オーバーエッチ
ング時間のプロセスマージンが極端に狭く困難になる。
【0011】図18(e): 段差8sを低減するため
に、CMP工程でのオーバーポリッシングを長く設定す
ると、今度はB領域の保護膜が消失したり、さらに露出
した狭い活性領域までもポリッシングされる。この場合
も所望の特性のトランジスタ等を形成することができな
い。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来技
術の問題点に鑑み提案するものである。すなわち本発明
の課題は、STI構造を採用する高集積度の半導体装置
の製造方法において、トレンチに埋め込まれた絶縁膜の
側面の段差を減らすための、過剰のCMPにも耐え得る
半導体装置の製造方法を提供することである。またこの
結果として、ゲート電極の加工マージンを高め、高い歩
留りの半導体装置の製造方法を提供することである。さ
らに本発明の別の課題は、かかる半導体装置の製造方法
を採用することにより、良好なSTI形状を有する、信
頼性の高い高集積度の半導体装置を提供することであ
る。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は上述した課題を
達成するために提案するものである。すなわち、本発明
者は絶縁膜側面の段差を減らすための過剰なCMPにも
耐え得るSTIを形成するためには、Dishing が発生し
易い、幅の広いトレンチに埋め込む絶縁膜表面の中央領
域を、予め凸状に盛り上げて形成することが有効である
ことを見出し、本発明を完成するに至った。
【0014】すなわち本発明の半導体装置の製造方法
は、半導体基体上に、広い開口幅と、この広い開口幅よ
り狭い開口幅を有する保護膜を形成する工程、この保護
膜の開口部に露出する半導体基体をエッチングして、広
い開口幅と、この広い開口幅より狭い開口幅を有する複
数のトレンチを形成する工程、この複数のトレンチに絶
縁膜を埋め込むとともに、保護膜上にも絶縁膜を堆積す
る工程、保護膜上の絶縁膜を選択的に除去する工程、こ
の保護膜を除去し、複数のトレンチ内に絶縁膜を残す工
程以上の工程を具備する半導体装置の製造方法であっ
て、この複数のトレンチを形成する工程においては、広
い開口幅のトレンチの底部中央領域に凸部を形成すると
ともに、この複数のトレンチに絶縁膜を埋め込む工程に
おいては、この広い開口幅のトレンチに埋め込まれた絶
縁膜の表面中央領域を凸状に形成し、保護膜上の絶縁膜
を選択的に除去する工程においては、広い開口幅のトレ
ンチ内および狭い開口幅のトレンチ内に残された絶縁膜
の表面を、略平坦に形成することを特徴とする。
【0015】保護膜上の絶縁膜を選択的に除去する工程
は、化学的機械研磨工程を含むことが望ましい。
【0016】また複数のトレンチを形成する工程におい
ては、堆積性のガスを含むエッチングガスを用いて前記
半導体基体をエッチングすることが望ましい。堆積性の
ガスを含むエッチングガスの使用により、広い開口幅の
トレンチの底部中央領域に凸部を形成することができ
る。堆積性のガスとしては、CH4 、C2 6 、C2
4 等のCH系ガス、CHF3 、CH2 2 、CH3 F等
のCHF系ガスが代表的である。
【0017】また複数のトレンチを形成する工程の別の
態様においては、広い開口幅を有する保護膜から露出す
る半導体基体に、選択的に不純物を導入した後、この半
導体基体をエッチングすることが望ましい。この選択的
に不純物を導入する工程は、広い開口幅を有する保護膜
から露出する半導体基体の中央領域に、p型不純物を導
入する工程であることが望ましい。
【0018】あるいは、この選択的に不純物を導入する
工程は、広い開口幅を有する保護膜から露出する半導体
基体の周縁領域に、n型不純物を導入する工程であるこ
とが望ましい。
【0019】このように、広い開口幅を有する保護膜か
ら露出する半導体基体に、選択的に特定の不純物を導入
することによっても、広い開口幅のトレンチの底部中央
領域に凸部を形成することができる。不純物の導入手段
は、イオン注入、イオンドーピング、プラズマドーピン
グ、GILD (Gas Immersion Laser Doping) のごとき
不純物ガス中での光照射あるいは加熱、あるいは固相拡
散等の方法を任意に採用できる。
【0020】つぎに本発明の半導体装置は、半導体基体
上に形成された、広い開口幅と、この広い開口幅より狭
い開口幅を有する複数のトレンチと、この複数のトレン
チ内に埋め込まれ、表面が略平坦な絶縁膜とを具備する
半導体装置であって、広い開口幅のトレンチの底部中央
領域は、凸部を有することを特徴とする。
【0021】〔作用〕本発明の半導体装置の製造方法
は、Dishing が発生し易い、開口幅の広いトレンチの底
部中央領域に凸部を形成しておき、これにより、埋め込
まれる絶縁膜表面の中央領域を、予め凸状に盛り上げて
形成する。こうすると、過剰なCMPを施しても、Dish
ing 発生が防止され、孤立活性領域(図18(d)のB
領域)の保護膜4や半導体基体1が削られる虞が解消す
る。この結果、オーバーポリッシングを充分にかけるこ
とができ、トレンチ6に埋め込まれる絶縁膜8側面の段
差8sが低減し、半導体基体全面に渡り、略平坦な表面
を持つSTI構造が形成され、ゲート電極加工のプロセ
スマージンが向上する。
【0022】開口幅の広いトレンチの底部中央領域に凸
部を形成する方法として、堆積性ガスを含むエッチング
ガスを用いてエッチングすれば、トレンチ底部中央領域
に凸部が形成され、すなわちトレンチ底部周縁領域に凹
部が形成され、いわゆる trenching形状とすることがで
きる。これは、堆積性ガスにより生成する堆積物は、活
性種の入射見込み角が大きい領域ほど多いことによる。
すなわち、活性種の入射見込み角が大きい開口幅の広い
トレンチの底部中央領域に堆積物が多く形成され、この
領域のエッチングレートが低下するために凸部が形成さ
れる。
【0023】また、開口幅の広いトレンチから露出する
半導体基体に選択的に不純物を導入した後にエッチング
すれば、開口幅の広いトレンチから露出する半導体基体
中央領域のエッチングレートを相対的に低下させること
ができる。
【0024】一般的に、BやGa等のp型不純物は、シ
リコンのエッチングレートを低下させることが知られて
いる。したがって、開口幅の広いトレンチから露出する
半導体基体の中央領域にp型不純物を導入すれば、トレ
ンチエッチング後のこの領域を凸状に形成することがで
きる。
【0025】一方、PやAs等n型不純物は、シリコン
のエッチングレートを増大させることが知られている。
したがって、開口幅の広いトレンチから露出する半導体
基体の周縁領域にn型不純物を導入すれば、トレンチエ
ッチング後のこの領域に凹部を形成、すなわち、開口幅
の広いトレンチから露出する半導体基体の中央領域を凸
状に形成することができる。
【0026】さて、図18(d)のB領域のような、狭
い活性領域が孤立した部分では、他の領域より研磨が進
行しやすいため、従来よりダミーパターン作成法が知ら
れている。これは孤立した狭い活性領域に埋め込み材料
の絶縁膜による突起を形成しておき、Dishing 発生を防
止するものである。しかしながら、狭い孤立活性領域サ
イズに応じたダミーパターンのサイズ設計やその有無の
決定等、パターンデザインの複雑化や計算量の増大等、
設計工程上の問題点が多かった。本発明は、ダミーパタ
ーン作成法のかかる煩雑さを解消することができる。
【0027】なお半導体基体のトレンチを形成する工程
で採用するエッチング装置は、従来の平行平板型エッチ
ング装置でもよいが、エッチングプロファイルの高度な
制御性や、大口径基板での面内均一性を考慮すると、低
圧かつ高密度プラズマ発生源を有するエッチング装置が
好ましい。かかる高密度プラズマエッチング装置として
は、ECR (Electron Cyclotron Resonance) エッチン
グ装置、ICP (Inductively Coupled Plasma) エッチ
ング装置、ヘリコン波プラズマエッチング装置等が例示
される。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体装置の実施
形態例につき図面を参照して説明する。以下の実施形態
例の説明の図面においては、従来例の図面中の構成要素
と同様の構成要素には、同じ参照符号を付すものとす
る。また、以下の図面における各部の寸法の割合は説明
のためのものであり、実際の半導体装置に比例したもの
ではない。
【0029】図1は本発明の半導体装置の製造方法によ
り得られる半導体装置の要部を示す概略断面図であり、
トレンチ素子分離が完成し、トランジスタ等の半導体素
子を作り込む準備が整った状態を示す。すなわち、シリ
コン等の半導体基体1には、複数のトレンチ6が形成さ
れている。このトレンチ6はその幅に広狭があり、また
そのパターン密度に疎密がある。すなわち、A領域は開
口幅の狭いトレンチ6と狭い活性領域が密に存在する領
域、B領域は開口幅の広いトレンチ6と狭い孤立活性領
域が存在する領域、そしてC領域は開口幅の狭いトレン
チ6と広い活性領域が存在する領域である。このような
パターン分布は、例えばDRAM (Dynamic Random Acc
ess Memory) のメモリセル領域と周辺回路領域等に通常
見られるものである。
【0030】これらトレンチ6内にはいずれもSiO2
等からなる絶縁膜8が埋め込まれており、その表面は半
導体基体1表面から若干突出している。この突出高さは
不図示の保護膜を除去したために発生するもので、通常
は半導体基体1の場所により、数百nm以下の範囲でば
らつく。しかしながら、本発明の半導体装置によれば、
この絶縁膜8の突出高さは例えば数十nm程度以下に均
一化されていて、しかも絶縁膜8の表面は略平坦であ
る。したがって、後工程でゲート電極材料をパタ−ニン
グする際の制御性は緩やかなものとなり、短絡の虞のな
い高集積度半導体装置を提供することができる。
【0031】このようにトレンチ6に埋め込まれた絶縁
膜8の突出高さを小さく均一にし、しかもその表面を略
平坦に形成しうるポイントは、B領域に見られる開口幅
の広いトレンチ6の底部中央領域に凸部が形成されてい
ることである。このためこのトレンチ6に埋め込まれる
絶縁膜8の表面も凸状に形成(不図示)され、後工程で
絶縁膜8をオーバーポリッシングしても Dishing形状の
発生や保護膜(不図示)の消失、孤立活性領域の削れ
等、不所望の事態を防止することができる。
【0032】図1に示す概略断面構造は本発明の半導体
装置を説明するための要部であり、この後、ゲート絶縁
膜およびゲート電極形成工程、イオン注入工程、LDD
サイドウォール形成工程、活性化熱処理工程、層間絶縁
膜および上層配線形成工程等を経て半導体装置が完成さ
れる。
【0033】つぎに本発明の半導体装置の製造方法に好
ましく適用されるプラズマエッチング装置の構成例を図
13〜図16を参照して説明する。本発明の半導体装置
の製造方法に採用されるプラズマエッチング装置は、通
常の平行平板型RIE (Reactive Ion Etching) 装置、
あるいはマグネトロンRIE装置でもよいが、大口径化
した被処理基体に対して、均一かつ低ダメージエッチン
グ処理を施すためには、1×1011/cm3 以上1×1
14/cm3 未満のプラズマ密度が得られるプラズマエ
ッチング装置を用いることが望ましい。
【0034】かかるプラズマ発生源を有するプラズマエ
ッチング装置としては、ECR (Electron Cyclotron R
esonance) プラズマエッチング装置、ICP (Inductiv
elyCoupled Plasma) エッチング装置、TCP (Transfo
rmer Coupled Plasma) エッチング装置、ヘリコン波プ
ラズマ(Helicon Wave Plasma)エッチング装置あるいは
MCR (Magneticaly Confined Reactor) タイプのプラ
ズマエッチング装置等を例示できる。これら各高密度プ
ラズマエッチング装置についての詳細な技術的説明は、
個々の技術リポート等に詳述されているので省略する
が、その1部は総説として月刊セミコンダクター・ワー
ルド誌(プレスジャーナル社刊)1992年10月号5
9ページに掲載されている。以下に各エッチング装置の
概略のみを記す。
【0035】図13は、バイアス印加型ECRプラズマ
エッチング装置の要部概略構成例を示す図である。同図
において、マグネトロン16により発生する2.45G
Hzのマイクロ波を、マイクロ波導波管17を経由して
石英等からなるべルジャ18内に導入し、エッチングチ
ャンバ19を周回して配設したソレノイドコイル20に
より励起した0.0875Tの磁場との相互作用によ
り、エッチングチャンバ19内にエッチングガスのEC
Rプラズマを生成する。被処理基体11はステージ12
上にクランパ13等により密着載置する。ステージ12
に組み込んだ静電チャック(図示せず)により被処理基
体11を支持してもよい。符号21はバイアス電源であ
る。なお、被処理基体11の温度制御手段、ガス導入手
段あるいは真空ポンプ等の装置細部、あるいはローディ
ングチャンバ、アンローディングチャンバ、被処理基体
11の搬送手段等はいずれも図示を省略する。
【0036】図14は、MCR(磁場封じ込め型リアク
タ)タイプのプラズマエッチング装置の要部概略構成例
を示す図である。同図では、図13のバイアス印加型E
CRプラズマエッチング装置と同じ機能を有する部分に
は同一の参照番号を付すものとする。エッチングチャン
バ19の内側面の1部は環状の側壁電極23で囲繞さ
れ、ここにソース電源22より例えば13.56MHz
のRFを印加する。エッチングチャンバ19の内側面の
残りの部分は石英等の誘電体材料からなる。符号24は
側壁電極23と対をなす上部電極である。側壁電極23
と上部電極24の裏面すなわちエッチングチャンバ19
の外周には、図示しないマルチポール磁石を配設し、エ
ッチングチャンバ19内に発生する1×1011/cm3
以上の高密度プラズマを閉じ込める。符号21は例えば
450kHzのバイアス電源であり、ステージ12上の
被処理基体11へのイオン入射強度をプラズマ密度とは
独自に制御することが可能である。被処理基体11はス
テージ12上にクランパ13により密着載置する。ステ
ージ12に組み込んだ静電チャック(図示せず)により
被処理基体11を支持してもよい。なお、本装置におい
ても、被処理基体11の温度制御手段、ガス導入手段あ
るいは真空ポンプ等の装置細部はいずれも図示を省略す
る。なお本装置の詳細は、18th. Teagal Plasma Semina
r Proceedings(1992)に記載されている。
【0037】図15は、バイアス印加型ICPエッチン
グ装置の概略構成例を示す図である。なお、図15でも
図13のバイアス印加型ECRプラズマエッチング装置
と同様の機能をはたす部分には同一の参照番号を付与し
その説明は省略するものとする。同図において、石英等
の誘電体材料で構成されるエッチングチャンバ19側面
に多重に巻回した誘導結合コイル26によりソース電源
22のパワーをエッチングチャンバ19内に供給し、こ
こに高密度プラズマを生成する。符号24は接地電位の
上部電極であり、ヒータ27により温度制御されてい
る。バイアス電源21を接続したステージ12上に被処
理基体11を載置し、クランパ13等で密着保持する。
なおエッチングガス導入孔、真空排気系等の細部の図示
は省略する。ICPエッチング装置の特徴は、大型のマ
ルチターン誘導結合コイル26により、大電力でのプラ
ズマ励起が可能であり、1012/cm3 台の高密度プラ
ズマでのエッチングを施すことができることである。
【0038】図16は、バイアス印加型ヘリコン波プラ
ズマエッチング装置の概略構成例を示す図である。な
お、図16でも図13と同様の機能をはたす部分には同
一の参照番号を付与し、その説明は一部省略するものと
する。同図において、ソース電源22によりヘリコン波
アンテナ29に電力を供給し発生する電界と、ソレノイ
ドコイル20により発生する磁場との相互作用により、
べルジャ18内にホイスラー波(ヘリコン波)を発生
し、エッチングチャンバ19内にエッチングガスの高密
度プラズマを生成する。エッチングチャンバ19周囲の
マルチポール磁石31により、この高密度プラズマは効
率よくエッチングチャンバ19内に閉じ込められる。バ
イアス電源21を接続したステージ12上に被処理基体
11を載置し、クランパ13等で密着保持する。なおエ
ッチングガス導入孔、真空排気系等の細部の図示は省略
する。ヘリコン波プラズマエッチング装置の特徴は、ヘ
リコン波アンテナ29の構造特性により、前述した各プ
ラズマ発生源よりさらに高い、1013/cm3 台の高密
度プラズマでのエッチングを施すことができることであ
る。
【0039】この他エッチング装置として、図示を省略
するがTCPエッチング装置も1012/cm3 台の高密
度プラズマを生成するので好適に用いることができる。
本装置は、石英等の誘電体材料で構成されるエッチング
チャンバ天板上に配設した、渦巻状コイルにより、ソー
ス電源のパワーをエッチングチャンバ内に導入し、ここ
に高密度プラズマを生成する、誘導結合型プラズマ発生
源を有するものである。
【0040】
【実施例】以下、本発明の半導体装置の製造方法につ
き、図2〜図12を参照してさらに詳しく説明する。た
だし、これら実施例は単なる例示であり、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。
【0041】〔実施例1〕本実施例は、トレンチエッチ
ングにおいて堆積性のガスCH2 2 を添加し、高密度
プラズマ発生源としてECRプラズマ発生源を有する装
置を用いて半導体装置を製造した例であり、この工程を
図2〜図4を参照して説明する。 図2(a): シリコン等の半導体基体1を用意し、そ
の表面に熱酸化により酸化シリコン膜2を10nm程度
形成する。さらに減圧CVD(Chemical VaporDepositio
n) 法により窒化シリコン膜3を150nm程度形成す
る。 減圧CVD条件 SiH2 Cl2 50 sccm NH3 200 sccm N2 200 sccm 圧力 70 Pa 温度 760 ℃ 酸化シリコン膜2および窒化シリコン膜3は、あわせて
保護膜4となる。この保護膜4は本実施例では2層とし
たが、多結晶シリコンや非晶質シリコン等他の材料を組
み合わせた3層以上としてもよい。ただし最上層は研磨
ストッパとして機能する材料、また半導体基体1にトレ
ンチを形成する際のエッチングマスクとしても機能する
材料が選ばれる。また保護膜4の最下層とその上の層と
は、エッチング選択比がとれる材料が望ましい。
【0042】保護膜4上にKrFエキシマレーザステッ
パによりレジストマスク51を形成する。レジストマス
ク51の開口部は、そのパターン幅に広狭があり、また
そのパターン密度にも疎密がある。またレジストマスク
51の厚さは、少なくとも保護膜4をパターニングしう
る厚さ以上が選ばれる。このレジストマスク51をエッ
チングマスクとして、保護膜4をパターニングする。エ
ッチング装置は一例として平行平板型RIE (Reactive
Ion Etching)装置を用い、下記条件によった。 CF4 100 sccm Ar 1000 sccm 圧力 133 Pa RFパワー 1000 W 温度 20 ℃ 保護膜4のパターニング終了後は、レジストマスク51
をアッシングおよび硫酸過水洗浄により除去する。レジ
ストマスク51は除去せずに次工程に進んでもよい。
【0043】図2(b): 本実施例ではレジストマス
ク51を除去した後、パターニングされた保護膜4の上
層の窒化シリコン膜3をエッチングマスクとして半導体
基体1をエッチングし、複数のトレンチ6を形成する。
エッチング装置は高密度プラズマ発生源を有するものが
好ましく、本実施例ではECR (Electron CyclotronRe
sonance) エッチング装置を用い、下記条件によりトレ
ンチエッチングした。 Cl2 50 sccm CH2 2 10 sccm 圧力 0.2 Pa ソースパワー 900 W(2.45GHz) 基板バイアスパワー 50 W(800kHz) 温度 20 ℃ このエッチング工程においては、エッチングガスとして
堆積性の強いCH2 2 を添加したため、開口幅の広い
トレンチ6にトレンチング形状が発生し、その底部中央
領域に図示のような凸部が形成される。この凸部の高さ
は、最大50nm程度である。形成されたトレンチ6の
深さは400nm程度の浅いものであるが、その開口パ
ターン幅に広狭があり、最小開口幅は0.3μm程度、
最大開口幅は数μm程度である。またそのパターン密度
にも疎密がある。形成されたトレンチ6の内壁を熱酸化
して酸化膜(不図示)を10nm程度の厚さに形成す
る。熱酸化は、O2 雰囲気中1000℃で施せばよい。
【0044】図2(c): つぎに、絶縁膜8を全面に
形成する。成膜装置は、例えば基板バイアスを印加でき
る高密度プラズマCVD装置が好ましい。本実施例では
基板バイアス印加型のECRプラズマCVD装置を用
い、下記条件にて酸化シリコンからなる絶縁膜8を形成
した。 SiH4 20 sccm H2 O 30 sccm 圧力 0.1 Pa ソースパワー 1000 W(2.45GHz) 基板バイアスパワー 400 W(13.56MHz) 温度 200 ℃ 膜厚 600 nm相当分 さらに絶縁膜8にアニールを施し安定化する。 雰囲気ガス Pyro比 1.0 温度 900 ℃ 時間 30 分 絶縁膜8の堆積厚さは、トレンチ6を丁度埋め込む厚さ
より若干厚い程度でよい。この結果、広い開口幅のトレ
ンチ6に埋め込まれた絶縁膜8の表面は凸状に形成さ
れ、その高さは50nm程度である。また広いパターン
幅の保護膜4上には絶縁膜8が厚く形成される。狭いパ
ターン幅の保護膜4上の絶縁膜8の厚さはこれより薄
い。
【0045】図3(d): ふたたびレジスト膜を50
0nmの厚さに塗布し、これをi線ステッパにより露光
して、広いパターン幅の保護膜4上の絶縁膜8上のみに
開口を有するレジストマスク53を形成する。
【0046】図3(e): このレジストマスク53を
エッチングマスクとして、広いパターン幅の保護膜4上
の絶縁膜8をエッチング除去する。このエッチングは後
工程のCMPを容易とし、ディッシング形状を防止する
ためのものであり、広い保護膜4上の絶縁膜8の中央部
の最も厚い部分が除去されればよい。エッチング条件は
下地の窒化シリコン膜3とのエッチング選択比がとれる
下記条件による。 C4 8 50 sccm He 100 sccm 圧力 0.2 Pa ソースパワー 1000 W(2.45GHz) 基板バイアスパワー 250 W(800kHz) 温度 20 ℃ このエッチング工程では、対窒化シリコン選択比が約5
0とれたので、窒化シリコン膜3はほとんどエッチング
されない。図3(d)および図3(e)に示した、広い
パターン幅の保護膜4上の絶縁膜8の除去工程は、広い
パターン幅の保護膜4の幅が比較的狭く、したがってこ
の部分に堆積した絶縁膜8の厚さが比較的薄い場合には
省略してもよい。
【0047】図4(f): レジストマスク53を剥離
あるいはアッシングにより除去する。
【0048】図4(g): 保護膜4上にも形成された
不要の絶縁膜8を、CMPにより除去する。CMP条件
は、下地の窒化シリコン膜3との選択比がとれる下記条
件とする。 CMP条件の一例 スラリ IC112(Cabot社製 : 塩基性水溶
液に Fumed Silicaを懸濁させたもの) 研磨パッド IC1000/suba400(ローデル
社製 : ポリウレタン発泡体の下に不織布を積層した
もの) スラリ流量 20 sccm 研磨ヘッド圧力 300 gf/cm2 キャリア回転数 30 rpm プラテン回転数 30 rpm 時間 20 sec スラリは塩基性水溶液にFumed silicaを分
散させたものである。また研磨パッドはポリウレタン発
泡体の下に不織布を積層したものである。
【0049】このCMP条件で広い活性領域C部分や密
な活性領域(メモリセル領域)A部分の絶縁膜を完全に
除去しても、孤立活性領域B部分での Dishingや保護膜
4の削れはほとんど発生せず、半導体基体の全面にわた
り均一なポリッシングが可能である。したがって、保護
膜4の残膜厚さが40nm程度になるまで、オーバーポ
リッシングを施すことができた。
【0050】図4(h): この後、熱燐酸およびフッ
化水素水溶液によるウェットエッチングで保護膜4を除
去する。保護膜4の上層の窒化シリコン膜3は、等方性
のエッチングが可能なCDE (Chemical Dry Etching)
を用いてもよい。 CDE条件の一例 CF4 60 sccm O2 240 sccm ソースパワー 400 W 圧力 30 Pa 温度 15 ℃ 保護膜4を選択的に除去した結果、トレンチ6に埋め込
まれた絶縁膜8の上部は、トレンチ6から突出した形と
なる。しかしながら絶縁膜8の突出高さは、本実施例で
はわずか20nmであった。
【0051】本実施例によれば、トレンチエッチング時
に堆積性ガスCH2 2 を添加することにより、開口幅
の広いトレンチの底部表面に凸部を形成することができ
る。この凸部によりポリッシング時における Dishing形
状の発生が防止され、トレンチ内に埋め込む絶縁膜の表
面が半導体基板の全域にわたりほぼ平坦に研磨される。
またトレンチから突出する絶縁膜の厚さを極めて微小な
値に制御することができる。この結果、後工程でゲート
電極材料をパタ−ニングする際のプロセスマージンが広
がり、短絡等の発生のない高集積度半導体装置を製造す
ることができる。開口幅の広いトレンチの底部表面の凸
部は、その高さは数十nm程度であるので、素子分離の
機能を低下する虞はない。
【0052】なおこの後の工程は、図示は省略するが次
の通りである。図4(h)迄の工程の後、ゲート絶縁膜
を熱酸化により10nmの厚さに形成する。つぎにゲー
ト電極材料層を全面に形成する。高融点金属ポリサイド
構造のゲート電極とする場合には、多結晶シリコン層お
よび高融点金属シリサイド層をそれぞれ減圧CVD法に
より200nmずつ形成する。 多結晶シリコン層減圧CVD条件 SiH4 100 sccm PH3 100 sccm He 400 sccm N2 200 sccm 圧力 70 Pa 基板温度 610 ℃ 高融点金属シリサイド層減圧CVD条件 WF6 2.5 sccm SiH2 Cl2 150 sccm Ar 100 sccm 圧力 40 Pa 基板温度 680 ℃ この後、ゲート電極形成用のレジストマスクを形成し、
これをエッチングマスクとし、ゲート電極材料層をドラ
イエッチングする。エッチング条件は、ECRエッチン
グ装置により、つぎの2段階エッチングによった。 Step1(メインエッチング) Cl2 200 sccm 圧力 0.7 Pa マイクロ波電力 900 W RF電力 100 W 基板温度 20 ℃ Step2(オーバーエッチング) HBr 120 sccm O2 2 sccm 圧力 1.3 Pa マイクロ波電力 900 W RF電力 30 W 基板温度 20 ℃ このエッチング工程で問題となるのはトレンチ6から突
出した絶縁膜8の側面に残渣が形成される点である。本
実施例においてはこの側面の段差高はわずか20nm程
度であり、その高さも半導体基板内でほぼ均一であるの
で、わずかのオーバーエッチングで残渣をすべて除去す
ることができる。この後、ゲート電極加工用のレジスト
マスクを剥離する。以下の工程、すなわち半導体基体1
へのイオン注入工程、LDDサイドウォールスペーサ形
成工程、活性化熱酸化工程等は通常の工程と同じでよ
い。
【0053】〔実施例2〕本実施例は、トレンチエッチ
ングにおいて堆積性のガスCH4 を添加し、また高密度
プラズマ発生源としてICP発生源を有する装置を用い
て半導体装置を製造した例である。その他の工程は前実
施例1に準じたものであり、同じく図2〜図4を参照
し、重複する説明は省略して本実施例の特徴部分のみを
説明する。
【0054】図2(a): 保護膜4の形成工程および
保護膜4のパタ−ニング工程は前実施例1と同様であ
る。
【0055】図2(b): つぎにパターニングされた
保護膜4の上層の窒化シリコン膜3をエッチングマスク
として半導体基体1をエッチングし、複数のトレンチ6
を形成する。本実施例ではエッチング装置としてICP
エッチング装置を用い、下記条件によりトレンチエッチ
ングした。 Cl2 50 sccm CH4 (4%Ar希釈)50 sccm 圧力 0.4 Pa ソースパワー 1200 W(2.0MHz) 基板バイアスパワー 50 W(1.8MHz) 上部電極温度 250 ℃ 温度 20 ℃ このエッチング工程においては、エッチングガスとして
堆積性の強いCH4 を添加したため、開口幅の広いトレ
ンチ6にトレンチング形状が発生し、その底部中央領域
に図示のような凸部が形成される。この凸部の高さは、
最大50nm程度である。形成されたトレンチ6の深さ
は400nm程度の浅いものであるが、その開口パター
ン幅に広狭があり、最小開口幅は0.3μm程度、最大
開口幅は数μm程度である。またそのパターン密度にも
疎密がある。形成されたトレンチ6の内壁を熱酸化して
酸化膜(不図示)を10nm程度の厚さに形成する。熱
酸化は、O2 雰囲気中1000℃で施せばよい。
【0056】図2(c):つぎに絶縁膜8を全面に形成
する。成膜装置は、例えば基板バイアスを印加できる高
密度プラズマCVD装置が好ましい。本実施例では基板
バイアス印加型のICP−CVD装置を用い、下記条件
にて絶縁膜8を形成した。 SiH4 20 sccm H2 O 30 sccm 圧力 0.1 Pa ソースパワー 2000 W(2.0MHz) 基板バイアスパワー 200 W(1.8MHz) 上部電極温度 250 ℃ 基板温度 200 ℃ 膜厚 600 nm相当分 絶縁膜8のアニール条件は前実施例1と同じでよい。絶
縁膜8の堆積厚さは、トレンチ6を丁度埋め込む厚さよ
り若干厚い程度とする。この結果、広い開口幅のトレン
チ6に埋め込まれた絶縁膜8の表面は凸状に形成され、
その高さは50nm程度である。また広いパターン幅の
保護膜4上には絶縁膜8が厚く形成される。狭いパター
ン幅の保護膜4上の絶縁膜8の厚さはこれより薄い。
【0057】図3(d): i線ステッパにより露光し
て、この広いパターン幅の保護膜4上の絶縁膜8上のみ
に開口を有するレジストマスク53を500nmの厚さ
に形成する。
【0058】図3(e): このレジストマスク53を
エッチングマスクとして、広いパターン幅の保護膜4上
の絶縁膜8をエッチング除去する。このエッチングは後
工程のCMPを容易とし、ディッシング形状を防止する
ためのものであり、広い保護膜4上の絶縁膜8の中央部
の最も厚い部分が除去されればよい。エッチングはIC
Pエッチング装置を用い、条件は下地の窒化シリコン膜
3とのエッチング選択比がとれる下記条件による。 C4 8 20 sccm He 100 sccm 圧力 0.3 Pa ソースパワー 1500 W(2.0MHz) 基板バイアスパワー 250 W(1.8MHz) 上部電極温度 250 ℃ 温度 20 ℃ このエッチング工程では、対窒化シリコン選択比が約5
0とれ、窒化シリコン膜3はほとんどエッチングされな
い。図3(d)および図3(e)に示した、広いパター
ン幅の保護膜4上の絶縁膜8の除去工程は、広いパター
ン幅の保護膜4の幅が比較的狭く、したがってこの部分
に堆積した絶縁膜8の厚さが比較的薄い場合には省略し
てもよい。
【0059】図4(f):レジストマスクを剥離あるい
はアッシングにより除去する。
【0060】図4(g)に示すCMP工程以後は前実施
例1に準じて良い。
【0061】本実施例によっても、トレンチエッチング
時に堆積性ガスCH4 を添加することにより、開口幅の
広いトレンチの底部表面に凸部を形成することができ
る。この凸部によりポリッシング時における Dishing形
状の発生が防止され、トレンチ内に埋め込む絶縁膜の表
面が半導体基体の全域にわたりほぼ平坦に研磨される。
また、トレンチから突出する絶縁膜の厚さを極めて微小
な値に制御することができる。この結果、後工程でゲー
ト電極材料をパタ−ニングする際のプロセスマージンが
広がり、短絡等の発生のない高集積度半導体装置を製造
することができる。
【0062】以下の実施例は、トレンチエッチング工程
前に、広い開口幅を有する保護膜から露出する半導体基
体に選択的に不純物を導入して、広い開口幅のトレンチ
の底部中央領域に凸部を形成した例である。
【0063】〔実施例3〕本実施例においては、トレン
チエッチング工程前に、開口幅の広い保護膜から露出す
る半導体基体の中央領域に選択的にp型不純物のイオン
注入を施した後、トレンチエッチングして半導体装置を
製造した例である。この工程を図5〜図6を主体とし、
図2〜図4をも参照して説明する。なお本実施例におい
ても前実施例1と共通する部分の説明は省略し、特徴部
分の説明にとどめる。
【0064】図5(a): 半導体基体1上に保護膜
4、およびこの保護膜4に複数の開口を形成するまでは
前実施例1と同様である。ただし本実施例はレジストマ
スク51は除去せずに次工程に進む。レジストマスク5
1は除去してから次工程に進んでもよい。
【0065】図5(b): この状態で新たにレジスト
を塗布し、B領域、すなわち孤立活性領域に隣接する、
レジストマスク51の広い開口の内側に、新たな開口を
有するレジストマスク52を形成する。この際、i線ス
テッパを用いたが広い開口領域の内側に新たな開口を形
成すればよいので、アライメント精度はさほど必要な
く、また既存のレジストマスク51による段差の影響も
問題とはならない。レジストマスク51の狭い開口部分
は、レジストマスク52により保護されたままとする。
【0066】図5(c): このレジストマスク52を
マスクとして、つぎの条件で露出する半導体基体1にp
型不純物のイオン注入を施し、p型不純物導入領域9p
を形成する。イオン注入によるp型不純物導入領域9p
は、開口幅の広い保護膜4から露出する半導体基体1の
中央部分に選択的に形成される。 イオン種 BF2+ イオンエネルギ 20 keV ドーズ量 1×1015 cm-1
【0067】図6(d): この後、レジストマスク5
2および51をともに除去し、ICPエッチング装置に
より保護膜4から露出する半導体基体1を下記条件でエ
ッチングし、トレンチを形成する。 Cl2 50 sccm HBr 50 sccm 圧力 0.4 Pa ソースパワー 2500 W(2.0MHz) 基板バイアスパワー 120 W(1.8MHz) 上部電極温度 250 ℃ 温度 20 ℃
【0068】図6(e): トレンチエッチング終了後
の状態を示す。このエッチング工程では、エッチングレ
ートが相対的に低下するBF2+イオンを開口幅の広いト
レンチ6の中央部分に注入したので、この領域に選択的
に最大50nm程度の凸部が形成された。また対窒化シ
リコン選択比が約50とれ、窒化シリコン膜3はほとん
どエッチングされない。
【0069】この後の工程、すなわち前実施例1におい
て図2(c)〜図4(h)を参照して説明した各工程は
いずれも前実施例1に準拠するので、重複する説明を省
略する。
【0070】本実施例によっても、比較的ラフなイオン
注入工程を追加することにより、開口幅の広いトレンチ
の底部表面に凸部を形成することができる。この凸部に
よりCMP時における Dishing形状の発生が防止され、
トレンチ内に埋め込む絶縁膜の表面が半導体基板の全域
にわたりほぼ平坦に研磨され、またトレンチから突出す
る絶縁膜の厚さを極めて微小な値に制御することができ
る。この結果、後工程でゲート電極材料をパタ−ニング
する際のプロセスマージンが広がり、短絡等の発生のな
い高集積度半導体装置を製造することができる。
【0071】〔実施例4〕本実施例も、トレンチエッチ
ング工程前に開口幅の広い保護膜から露出する半導体基
体の中央領域に選択的にp型不純物のイオン注入を施し
た後、トレンチエッチングして半導体装置を製造した例
である。この工程を図7〜図8を主体とし、図2〜図4
をも参照して説明する。なお本実施例においても前実施
例1と共通する部分の説明は省略し、特徴部分の説明に
とどめる。
【0072】図7(a): 半導体基体1上に保護膜
4、およびここに複数の開口を形成するまでは前実施例
1で図2(a)を参照して説明した工程と同様である。
ただし本実施例はレジストマスク51を除去する。この
後、全面にサイドウォール形成膜10を減圧CVD法等
で形成する。サイドウォール形成膜10の堆積厚さは、
狭い開口幅の保護膜4が埋まる程度でよく、例えば50
0nmとする。本実施例ではサイドウォール形成膜は酸
化シリコンで形成したが、半導体基体1や窒化シリコン
膜3とエッチング選択比がとれる材料であればよく、多
結晶シリコンやSOG (Spin On Glass)、あるいはレジ
スト等の有機高分子材料が選ばれる。
【0073】図7(b):この後、市販のSiO2 エッ
チング装置等でサイドウォール形成膜10を全面エッチ
バックし、広い開口幅の保護膜4の側面にのみサイドウ
ォール11を残す。
【0074】図8(c): このサイドウォール11お
よび保護膜4をマスクとしてつぎの条件で露出する半導
体基体1にp型不純物であるBのイオン注入を施し、p
型不純物導入領域9pを形成する。 イオン種 B イオンエネルギ 10 keV ドーズ量 1×1015 cm-1
【0075】図8(d): サイドウォール11をウェ
ットエッチングやCDE (ChemicalDry Etching) 等の
等方的エッチング方法で除去する。
【0076】図8(e): この後、本実施例ではヘリ
コン波プラズマエッチング装置により保護膜4から露出
する半導体基体1を下記条件でエッチングし、トレンチ
を形成する。 Cl2 30 sccm HBr 20 sccm 圧力 0.2 Pa ソースパワー 2000 W(13.56MHz) 基板バイアスパワー 50 W(400kHz) 温度 20 ℃ トレンチエッチング終了後の状態を図8(e)に示す。
このエッチング工程では、エッチングレートが相対的に
低下するB+ イオンを開口幅の広いトレンチ6の中央部
分に注入したので、この領域に選択的に最大50nm程
度の凸部が形成された。また対窒化シリコン選択比は約
50とれ、窒化シリコン膜3はほとんどエッチングされ
ない。
【0077】つぎに図2(c)に示すように、絶縁膜8
を全面に形成する。成膜装置は、例えば基板バイアスを
印加できる高密度プラズマCVD装置が好ましい。本実
施例では基板バイアス印加型のヘリコン波プラズマCV
D装置を用い、下記条件にて絶縁膜8を形成した。 SiH4 20 sccm H2 O 30 sccm 圧力 0.08 Pa ソースパワー 2500 W(13.56MHz) 基板バイアスパワー 150 W(400kHz) 温度 200 ℃ 膜厚 600 nm相当分 絶縁膜8のアニール工程は前実施例1に準じてよい。絶
縁膜8の堆積厚さは、トレンチ6を丁度埋め込む厚さよ
り若干厚い程度でよい。この結果、広い開口幅のトレン
チ6に埋め込まれた絶縁膜8の表面は凸状に形成され、
その高さは50nm程度である。また広いパターン幅の
保護膜4上には絶縁膜8が厚く形成される。狭いパター
ン幅の保護膜4上の絶縁膜8の厚さはこれより薄い。
【0078】図3(d): i線ステッパにより露光し
て、この広いパターン幅の保護膜4上の絶縁膜8上のみ
に開口を有するレジストマスク53を500nmの厚さ
に形成する。
【0079】図3(e): このレジストマスク53を
エッチングマスクとして、広いパターン幅の保護膜4上
の絶縁膜8をエッチング除去する。このエッチングは後
工程のCMPを容易とし、ディッシング形状を防止する
ためのものであり、広い保護膜4上の絶縁膜8の中央部
の最も厚い部分が除去されればよい。エッチング条件は
ヘリコン波エッチング装置を採用し、下地の窒化シリコ
ン膜3とのエッチング選択比がとれる下記条件による。 C4 8 20 sccm He 100 sccm 圧力 0.1 Pa ソースパワー 2500 W(13.56MHz) 基板バイアスパワー 250 W(400kHz) 温度 20 ℃ このエッチング工程では、対窒化シリコン選択比が約5
0とれたので、窒化シリコン膜3はほとんどエッチング
されない。図3(d)および図3(e)に示した、広い
パターン幅の保護膜4上の絶縁膜8の除去工程は、広い
パターン幅の保護膜4の幅が比較的狭く、したがってこ
の部分に堆積した絶縁膜8の厚さが比較的薄い場合には
省略してもよい。
【0080】図4(f)に示すレジストマスク53の除
去工程以後は前実施例1と同様であり、重複する説明を
省略する。
【0081】本実施例によっても、比較的ラフなイオン
注入工程を追加することにより、開口幅の広いトレンチ
の底部表面に凸部を形成することができる。この凸部に
よりCMP時における Dishing形状の発生が防止され、
トレンチ内に埋め込む絶縁膜の表面が半導体基体の全域
にわたりほぼ平坦に研磨され、またトレンチから突出す
る絶縁膜の厚さを極めて微小な値に制御することができ
る。この結果、後工程でゲート電極材料をパタ−ニング
する際のプロセスマージンが広がり、短絡等の発生のな
い高集積度半導体装置を製造することができる。
【0082】〔実施例5〕本実施例は、トレンチエッチ
ング工程前に、開口幅の広い保護膜から露出する半導体
基体の周縁領域に、選択的にn型不純物のイオン注入を
施した後、トレンチエッチングして半導体装置を製造し
た例である。この工程を図9〜図10主体とし、図2〜
図4をも参照して説明する。なお本実施例においても前
実施例1と共通する部分の説明は省略し、特徴部分の説
明にとどめる。
【0083】図9(a): 半導体基体1上に保護膜
4、およびこの保護膜4に複数の開口を形成するまでは
前実施例1と同様である。ただし本実施例はレジストマ
スク51は除去せずに次工程に進む。レジストマスク5
1は除去してから次工程に進んでもよい。
【0084】図9(b): この状態で新たにレジスト
を塗布し、B領域、すなわち孤立活性領域に隣接する、
レジストマスク51の広い開口の中央領域に、レジスト
マスク53を形成する。この際、i線ステッパを用いた
が、広い開口領域の内側に新たなレジストマスク53を
形成すればよいので、アライメント精度はさほど必要な
く、また既存のレジストマスク51による段差の影響も
問題とはならない。新たに形成したレジストマスク53
により、レジストマスク51の広い開口の周縁領域は露
出した状態となる。レジストマスク51の狭い開口部分
には、レジストマスク53は形成せず、露出したままと
する。
【0085】図9(c): このレジストマスク53お
よびレジストマスク51をマスクとして、つぎの条件で
露出する半導体基体1にn型不純物のイオン注入を施
し、n型不純物導入領域9nを形成する。イオン注入に
よるn型不純物導入領域9nは、開口幅の広い保護膜4
から露出する半導体基体1の周縁部分、および開口幅の
狭い保護膜4から露出する半導体基体1に選択的に形成
される。 イオン種 P+ イオンエネルギ 20 keV ドーズ量 1×1015 cm-1
【0086】図10(d): この後、レジストマスク
51および53をともにアッシング除去した。
【0087】図10(e): ECRプラズマエッチン
グ装置により、保護膜4から露出する半導体基体1を下
記条件でトレンチエッチングする。 Cl2 190 sccm O2 10 sccm 圧力 1.5 Pa マイクロ波電力 400 W(2.45GHz) RF電力 100 W(400kHz) 基体温度 20 ℃
【0088】このエッチング工程では、エッチングレー
トが相対的に増加するP+ イオンを、開口幅の広いトレ
ンチ6の周縁部分および開口幅の狭いトレンチ6に注入
したので、開口幅の広いトレンチ6の中央部分には、選
択的に最大50nm程度の凸部が形成された。また対窒
化シリコン選択比が約50とれ、窒化シリコン膜3はほ
とんどエッチングされない。
【0089】形成されたトレンチ6の深さは400nm
程度の浅いものであるが、その開口パターン幅に広狭が
あり、最小開口幅は0.3μm程度、最大開口幅は数μ
m程度である。またそのパターン密度にも疎密がある。
形成されたトレンチ6の内壁を熱酸化して酸化膜(不図
示)を20nm程度の厚さに形成する。熱酸化は、O2
雰囲気中1000℃で施せばよい。
【0090】この後の工程、すなわち図2(c)に示す
絶縁膜8を全面に形成する工程以後は、前実施例1と同
様であるので重複する説明は省略する。
【0091】本実施例によっても、比較的ラフなレジス
トマスク形成工程およびイオン注入工程を追加すること
により、開口幅の広いトレンチの底部表面に凸部を形成
することができる。この凸部によりCMP時における D
ishing形状の発生が防止され、トレンチ内に埋め込む絶
縁膜の表面が半導体基体の全域にわたりほぼ平坦に研磨
され、またトレンチから突出する絶縁膜の厚さを極めて
微小な値に制御することができる。この結果、後工程で
ゲート電極材料をパタ−ニングする際のプロセスマージ
ンが広がり、短絡等の発生のない高集積度半導体装置を
製造することができる。
【0092】〔実施例6〕本実施例は、トレンチエッチ
ング工程前に、開口幅の広い保護膜から露出する半導体
基体の周縁領域に、n型不純物であるAsのイオン注入
を選択的に施した後、トレンチエッチングして半導体装
置を製造した例である。この工程を同じく図9〜図10
主体とし、図2〜図4をも参照して説明する。なお本実
施例においても前実施例1と共通する部分の説明は省略
し、特徴部分の説明にとどめる。
【0093】図9(a): 半導体基体1上に保護膜
4、およびこの保護膜4に複数の開口を形成するまでは
前実施例1と同様である。ただし本実施例はレジストマ
スク51は除去せずに次工程に進む。レジストマスク5
1は除去してから次工程に進んでもよい。
【0094】図9(b): この状態で新たにレジスト
を塗布し、B領域、すなわち孤立活性領域に隣接する、
レジストマスク51の広い開口の中央領域に、レジスト
マスク53を形成する。この際、i線ステッパを用いた
が、広い開口領域の内側に新たなレジストマスク53を
形成すればよいので、アライメント精度はさほど必要な
く、また既存のレジストマスク51による段差の影響も
問題とはならない。新たに形成したレジストマスク53
により、レジストマスク51の広い開口の周縁領域は露
出した状態となる。レジストマスク51の狭い開口部分
には、レジストマスク53は形成せず、露出したままと
する。
【0095】図9(c): このレジストマスク53お
よびレジストマスク51をマスクとして、つぎの条件で
露出する半導体基体1にn型不純物としてAsのイオン
注入を施し、n型不純物導入領域9nを形成する。イオ
ン注入によるn型不純物導入領域9nは、開口幅の広い
保護膜4から露出する半導体基体1の周縁部分、および
開口幅の狭い保護膜4から露出する半導体基体1に選択
的に形成される。 イオン種 As+ イオンエネルギ 30 keV ドーズ量 1×1015 cm-1
【0096】図10(d): この後、レジストマスク
51および53をともにアッシング除去した。
【0097】図10(e): ICPエッチング装置に
より、保護膜4から露出する半導体基体1を下記条件で
トレンチエッチングする。 Cl2 50 sccm HBr 20 sccm 圧力 0.4 Pa ソースパワー 2000 W(2.0MHz) 基板バイアスパワー 120 W(1.8MHz) 上部基板温度 250 ℃ 温度 20 ℃
【0098】本トレンチエッチング工程では、エッチン
グレートが相対的に増加するAs+イオンを、開口幅の
広いトレンチ6の周縁部分および開口幅の狭いトレンチ
6に注入したので、開口幅の広いトレンチ6の中央部分
に選択的に最大50nm程度の凸部が形成された。また
対窒化シリコン選択比が約50とれ、窒化シリコン膜3
はほとんどエッチングされない。
【0099】形成されたトレンチ6の深さは400nm
程度の浅いものであるが、その開口パターン幅に広狭が
あり、最小開口幅は0.3μm程度、最大開口幅は数μ
m程度である。またそのパターン密度にも疎密がある。
形成されたトレンチ6の内壁を熱酸化して酸化膜(不図
示)を20nm程度の厚さに形成する。熱酸化は、O2
雰囲気中1000℃で施せばよい。
【0100】この後の工程、すなわち図2(c)に示す
絶縁膜8を全面に形成する工程以後は、前実施例1と同
様であるので重複する説明は省略する。
【0101】本実施例によっても、比較的ラフなレジス
トマスク形成工程およびAs+ イオン注入工程を追加す
ることにより、開口幅の広いトレンチの底部表面に凸部
を形成することができる。この凸部によりCMP時にお
ける Dishing形状の発生が防止され、トレンチ内に埋め
込む絶縁膜の表面が半導体基体の全域にわたりほぼ平坦
に研磨され、またトレンチから突出する絶縁膜の厚さを
極めて微小な値に制御することができる。この結果、後
工程でゲート電極材料をパタ−ニングする際のプロセス
マージンが広がり、短絡等の発生のない高集積度半導体
装置を製造することができる。
【0102】〔実施例7〕本実施例は、トレンチエッチ
ング工程前に、開口幅の広い保護膜から露出する半導体
基体の周縁領域に、n型不純物であるPを固相拡散によ
り選択的に導入した後、トレンチエッチングして半導体
装置を製造した例である。この工程を図11〜図12主
体とし、図2〜図4をも参照して説明する。なお本実施
例においても前実施例1と共通する部分の説明は省略
し、特徴部分の説明にとどめる。
【0103】図11(a): 半導体基体1上に保護膜
4、およびこの保護膜4に複数の開口を形成するまでは
前実施例1と同様である。ただし本実施例では保護膜4
エッチング用のレジストマスク51はアッシング除去す
る。この状態で、全面に固相拡散用サイドウォール形成
膜12を形成する。この固相拡散用サイドウォール形成
膜12は、PSG (Phospho Silicate Glass) を常圧C
VD法等で形成する。固相拡散用サイドウォール形成膜
の堆積厚さは、狭い開口幅の保護膜4が埋まる程度でよ
く、例えば500nmとする。固相拡散用サイドウォー
ル形成膜形成条件の一例を示す。 SiH4 80 sccm PH3 7 sccm O2 1000 sccm N2 32000 sccm 圧力 常圧 基体温度 410 ℃ PSG中のP濃度 4.5 wt%
【0104】図11(b): この後、市販のSiO2
エッチング装置等で固相拡散用サイドウォール形成膜1
2を全面エッチバックし、広い開口幅の保護膜4の側面
に固相拡散用サイドウォール12sを残す。この際、保
護膜4の狭い開口内にも固相拡散用サイドウォール形成
膜12が残る。この状態でアニールし、固相拡散用サイ
ドウォール12sからn型不純物のPを固相拡散し、n
型不純物導入領域9nを形成する。固相拡散アニールの
一例を示す。 アニール雰囲気 窒素 基体温度 1000 ℃ 時間 10 sec
【0105】図12(c): 固相拡散用サイドウォー
ル12sをフッ酸水溶液等でのウェットエッチングや、
CDE (Chemical Dry Etching) 等の等方的エッチング
方法で除去する。
【0106】図12(d): ECRプラズマエッチン
グ装置により、保護膜4から露出する半導体基体1を下
記条件でトレンチエッチングする。 Cl2 190 sccm O2 10 sccm 圧力 1.5 Pa マイクロ波電力 400 W(2.45GHz) RF電力 100 W(400kHz) 基体温度 20 ℃
【0107】このエッチング工程では、エッチングレー
トが相対的に増加するPを開口幅の広いトレンチ6の周
縁部分に固相拡散したので、この領域の中央部分に選択
的に最大50nm程度の凸部が形成された。また対窒化
シリコン選択比が約50とれ、窒化シリコン膜3はほと
んどエッチングされない。
【0108】形成されたトレンチ6の深さは400nm
程度の浅いものであるが、その開口パターン幅に広狭が
あり、最小開口幅は0.3μm程度、最大開口幅は数μ
m程度である。またそのパターン密度にも疎密がある。
形成されたトレンチ6の内壁を熱酸化して酸化膜(不図
示)を20nm程度の厚さに形成する。熱酸化は、O2
雰囲気中1000℃で施せばよい。
【0109】この後の工程、すなわち図2(c)に示す
絶縁膜8を全面に形成する工程以後は、前実施例1と同
様であるので重複する説明は省略する。
【0110】本実施例によっても、PSGのサイドウォ
ール形成による比較的簡便な方法により、開口幅の広い
トレンチの底部表面に凸部を形成することができる。こ
の凸部によりCMP時における Dishing形状の発生が防
止され、トレンチ内に埋め込む絶縁膜の表面が半導体基
体の全域にわたりほぼ平坦に研磨され、またトレンチか
ら突出する絶縁膜の厚さを極めて微小な値に制御するこ
とができる。この結果、後工程でゲート電極材料をパタ
−ニングする際のプロセスマージンが広がり、短絡等の
発生のない高集積度半導体装置を製造することができ
る。
【0111】〔実施例8〕本実施例は、トレンチエッチ
ング工程前に、開口幅の広い保護膜から露出する半導体
基体の周縁領域に、n型不純物であるAsを固相拡散に
より選択的に導入した後、トレンチエッチングして半導
体装置を製造した例である。この工程を同じく図11〜
図12主体とし、図2〜図4をも参照して説明する。な
お本実施例においても前実施例1と共通する部分の説明
は省略し、特徴部分の説明にとどめる。
【0112】図11(a): 半導体基体1上に保護膜
4、およびこの保護膜4に複数の開口を形成するまでは
前実施例1と同様である。ただし本実施例では保護膜4
エッチング用のレジストマスク51はアッシング除去す
る。この状態で、全面に固相拡散用サイドウォール形成
膜12を形成する。この固相拡散用サイドウォール形成
膜12は、AsSG (Arsenic Silicate Glass) を常圧
CVD法等で形成する。固相拡散用サイドウォール形成
膜の堆積厚さは、狭い開口幅の保護膜4が埋まる程度で
よく、例えば500nmとする。固相拡散用サイドウォ
ール形成膜形成条件の一例を示す。 SiH4 80 sccm AsH3 10 sccm O2 1000 sccm N2 32000 sccm 圧力 常圧 基体温度 400 ℃ AsSG中のAs濃度4.5 wt%
【0113】図11(b): この後、市販のSiO2
エッチング装置等で固相拡散用サイドウォール形成膜1
2を全面エッチバックし、広い開口幅の保護膜4の側面
に固相拡散用サイドウォール12sを残す。この際、保
護膜4の狭い開口内にも固相拡散用サイドウォール形成
膜12が残る。この状態でアニールし、固相拡散用サイ
ドウォール12sからn型不純物のAsを固相拡散し、
n型不純物導入領域9nを形成する。固相拡散アニール
の一例を示す。 アニール雰囲気 窒素 基体温度 1000 ℃ 時間 10 sec
【0114】図11(c): 固相拡散用サイドウォー
ル12sをフッ酸水溶液等でのウェットエッチングや、
CDE (Chemical Dry Etching) 等の等方的エッチング
方法で除去する。
【0115】図11(d): この後、本実施例ではヘ
リコン波プラズマエッチング装置により保護膜4から露
出する半導体基体1を下記条件でエッチングし、トレン
チを形成する。 Cl2 30 sccm HBr 20 sccm 圧力 0.2 Pa ソースパワー 2000 W(13.56MHz) RFバイアスパワー 50 W(400kHz) 温度 20 ℃
【0116】このエッチング工程では、エッチングレー
トが相対的に増加するAsを開口幅の広いトレンチ6の
周縁部分に固相拡散したので、この領域の中央部分に選
択的に最大50nm程度の凸部が形成された。また対窒
化シリコン選択比が約50とれ、窒化シリコン膜3はほ
とんどエッチングされない。
【0117】形成されたトレンチ6の深さは400nm
程度の浅いものであるが、その開口パターン幅に広狭が
あり、最小開口幅は0.3μm程度、最大開口幅は数μ
m程度である。またそのパターン密度にも疎密がある。
形成されたトレンチ6の内壁を熱酸化して酸化膜(不図
示)を20nm程度の厚さに形成する。熱酸化は、O2
雰囲気中1000℃で施せばよい。
【0118】この後の工程、すなわち図2(c)に示す
絶縁膜8を全面に形成する工程以後は、前実施例1と同
様であるので重複する説明は省略する。
【0119】本実施例によっても、AsSGのサイドウ
ォール形成による比較的簡便な方法により、開口幅の広
いトレンチの底部表面に凸部を形成することができる。
この凸部によりCMP時における Dishing形状の発生が
防止され、トレンチ内に埋め込む絶縁膜の表面が半導体
基体の全域にわたりほぼ平坦に研磨され、またトレンチ
から突出する絶縁膜の厚さを極めて微小な値に制御する
ことができる。この結果、後工程でゲート電極材料をパ
タ−ニングする際のプロセスマージンが広がり、短絡等
の発生のない高集積度半導体装置を製造することができ
る。
【0120】以上、本発明の半導体装置およびその製造
方法につき8例の実施例により詳しく説明したが、半導
体基体におけるトレンチパターンのレイアウト等は適宜
変更が可能である。またトレンチとしてSTIの他に、
トレンチキャパシタ等他の機能素子の形成に適用しても
よい。その他、エッチング装置、CVD装置等の構成、
各構成要素の材料等、上述した実施例には限定されな
い。
【0121】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の半導体装置の製造方法によれば、STI構造を採用す
る高集積度の半導体装置の製造方法において、トレンチ
に埋め込まれた絶縁膜の側面の段差を減らすための過剰
のCMPにも耐え得る半導体装置の製造方法が提供され
る。またこの結果として、ゲート電極の加工マージンを
高め、配線短絡が防止された高い歩留りの半導体装置の
製造方法を提供することができる。
【0122】また本発明の半導体装置によれば、良好な
STI形状を有する、信頼性の高い高集積度の半導体装
置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の要部を示す概略断面図で
ある。
【図2】本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程
断面図である。
【図3】本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程
断面図であり、図2に続く工程を示す。
【図4】本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程
断面図であり、図3に続く工程を示す。
【図5】本発明の半導体装置の他の製造方法を示す概略
工程断面図である。
【図6】本発明の半導体装置の他の製造方法を示す概略
工程断面図であり、図5に続く工程を示す。
【図7】本発明の半導体装置のさらに他の製造方法を示
す概略工程断面図である。
【図8】本発明の半導体装置のさらに他の製造方法を示
す概略工程断面図であり、図7に続く工程を示す。
【図9】本発明の半導体装置のまたさらに他の製造方法
を示す概略工程断面図である。
【図10】本発明の半導体装置のまたさらに他の製造方
法を示す概略工程断面図であり、図9に続く工程を示
す。
【図11】本発明の半導体装置のまたさらに他の製造方
法を示す概略工程断面図である。
【図12】本発明の半導体装置のまたさらに他の製造方
法を示す概略工程断面図であり、図11に続く工程を示
す。
【図13】バイアス印加型ECRプラズマエッチング装
置を示す要部概略断面図である。
【図14】バイアス印加型MCRタイププラズマエッチ
ング装置を示す要部概略断面図である。
【図15】バイアス印加型ICPエッチング装置を示す
要部概略断面図である。
【図16】バイアス印加型ヘリコン波プラズマエッチン
グ装置を示す要部概略断面図である。
【図17】従来の半導体装置の製造方法における問題点
を示す概略工程断面図である。
【図18】従来の半導体装置の製造方法における問題点
を示す概略工程断面図であり、図17に続く工程を示
す。
【符号の説明】
1…半導体基体、2…酸化シリコン膜、3…窒化シリコ
ン膜、4…保護膜、5,51,52,53…レジストマ
スク、6…トレンチ、8…絶縁膜、8s…段差、9n…
n型不純物導入領域、9p…p型不純物導入領域、10
…サイドウォール形成膜、11…サイドウォール、12
…固相拡散用サイドウォール形成膜、12s…固相拡散
用サイドウォールA…メモリセル領域、B…孤立活性領
域、C…広い活性領域11…被処理基体、12…ステー
ジ、13…クランパ、16…マグネトロン、17…マイ
クロ波導波管、18…べルジャ、19…エッチングチャ
ンバ、20…ソレノイドコイル、21…バイアス電源、
22…ソース電源、23…側壁電極、24…上部電極、
26…誘導結合コイル、27…ヒータ、29…ヘリコン
波アンテナ、31…マルチポール磁石

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基体上に、広い開口幅と、該広い
    開口幅より狭い開口幅を有する保護膜を形成する工程、 前記保護膜の開口部に露出する前記半導体基体をエッチ
    ングして、広い開口幅と、該広い開口幅より狭い開口幅
    を有する複数のトレンチを形成する工程、 前記複数のトレンチに絶縁膜を埋め込むとともに、前記
    保護膜上にも該絶縁膜を堆積する工程、 前記保護膜上の前記絶縁膜を選択的に除去する工程、 前記保護膜を除去し、前記複数のトレンチ内に前記絶縁
    膜を残す工程以上の工程を具備する半導体装置の製造方
    法であって、 前記複数のトレンチを形成する工程においては、前記広
    い開口幅のトレンチの底部中央領域に凸部を形成すると
    ともに、 前記複数のトレンチに絶縁膜を埋め込む工程において
    は、前記広い開口幅のトレンチに埋め込まれた該絶縁膜
    の表面中央領域を凸状に形成し、 前記保護膜上の前記絶縁膜を選択的に除去する工程にお
    いては、前記広い開口幅のトレンチ内および狭い開口幅
    のトレンチ内に残された該絶縁膜の表面を、略平坦に形
    成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記保護膜上の前記絶縁膜を選択的に除
    去する工程は、 化学的機械研磨工程を含むことを特徴とする請求項1記
    載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記複数のトレンチを形成する工程にお
    いては、 堆積性のガスを含むエッチングガスを用いて前記半導体
    基体をエッチングすることを特徴とする請求項1記載の
    半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記複数のトレンチを形成する工程にお
    いては、 前記広い開口幅を有する保護膜から露出する前記半導体
    基体に、選択的に不純物を導入した後、前記半導体基体
    をエッチングすることを特徴とする請求項1記載の半導
    体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記半導体基体に、選択的に不純物を導
    入する工程は、 前記広い開口幅を有する保護膜から露出する前記半導体
    基体の中央領域に、p型不純物を導入する工程であるこ
    とを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記半導体基体に、選択的に不純物を導
    入する工程は、 前記広い開口幅を有する保護膜から露出する前記半導体
    基体の周縁領域に、n型不純物を導入する工程であるこ
    とを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 半導体基体上に形成された、広い開口幅
    と、該広い開口幅より狭い開口幅を有する複数のトレン
    チと、 前記複数のトレンチ内に埋め込まれ、表面が略平坦な絶
    縁膜とを具備する半導体装置であって、 前記広い開口幅のトレンチの底部中央領域は、凸部を有
    することを特徴とする半導体装置。
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