JP2000183149A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2000183149A
JP2000183149A JP10351776A JP35177698A JP2000183149A JP 2000183149 A JP2000183149 A JP 2000183149A JP 10351776 A JP10351776 A JP 10351776A JP 35177698 A JP35177698 A JP 35177698A JP 2000183149 A JP2000183149 A JP 2000183149A
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trench
film
silicon oxide
oxide film
semiconductor device
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Hideaki Fujiwara
英明 藤原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トレンチ内に、応力ストレスが小さく誘電率
の低い絶縁膜を埋め込んで、良好に素子分離を行うこ
と。 【解決手段】 シリコン基板2には、シリコン酸化膜
3、ポリシリコン膜4及びシリコン窒化膜5がこの順に
形成され、これらの膜3〜5からシリコン基板2にかけ
て、複数のトレンチ6が所定の間隔を置いて形成されて
いる。トレンチ6の内面における各膜3〜5に相当する
部分には、サイドウォールスペーサ7が形成されてい
る。サイドウォールスペーサ7を含んだトレンチ6の内
部にはシリコン酸化膜8が形成されていると共に、この
シリコン酸化膜8の内部には空隙部9が形成されてい
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、半導体装置に係
り、詳しくは、半導体装置における溝分離構造(トレン
チ・アイソレーション)に関する。
【0002】
【従来の技術】近年のULSIの高集積化・高密度化に
伴い、素子分離膜の微細化に対する要求はますます大き
くなっている。従来の素子分離技術には、選択酸化法
(LOCOS法)が用いられてきた。選択酸化法では、
シリコン基板の酸化は、耐酸化マスクとしての窒化シリ
コン膜の周辺下部にまで達し、いわゆるバーズビークが
形成される。そのため、マスクとしての窒化シリコン膜
の大きさを最小の分離幅に設定しても、分離幅を小さく
することが限界になりつつある。
【0003】また、素子分離部分の周辺にバーズビーク
が形成されて素子分離部分に凹凸ができるため、半導体
基板の素子形成領域に対して半導体素子を形成する際
に、フォトリソグラフィ工程を均一に行うことができ
ず、微細加工が困難になりつつある。
【0004】そこで、このような問題を解消する手法と
して、溝分離法(トレンチ・アイソレーション)が提案
されている。
【0005】例えば、特開平9−8118号公報に記載
されている溝分離法を図7〜図9に基づいて、以下に説
明する。
【0006】(1)半導体基板51上に、シリコン酸化
膜52,シリコン窒化膜53,ポリシリコン膜54及び
シリコン酸化膜55を順次形成した後、リソグラフィ工
程により、これらの膜から半導体基板51にかけてトレ
ンチ56を形成する(図7参照)。
【0007】(2)トレンチ56内及び基板上に、BP
SG膜57を堆積した後、BPSG膜57を熱処理して
リフローさせ、BPSG膜57の表面を平坦化する(図
8参照)。このとき、上記トレンチ56の形成工程にお
いて、トレンチ56の幅が上方に行くほど広がるように
テーパーを付けておくことにより、BPSG膜57がト
レンチ56内に隙間無く充填される。
【0008】(3)BPSG膜57、シリコン酸化膜5
5,ポリシリコン膜54及びシリコン窒化膜53を順次
エッチバックして、最終的に半導体基板51のトレンチ
56にBPSG膜57を埋め込む(図9参照)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従来例のように、トレ
ンチ56内に絶縁膜(BPSG膜57)を隙間無く充填
するものにあっては、以下の通りの問題点を有する。
【0010】(1)絶縁膜と半導体基板との熱膨張係数
の差によって生じる応力ストレスの影響で、基板内部に
結晶欠陥を発生させ、その結果、素子分離領域に隣接し
て形成されたデバイスに悪影響を与え、その特性を劣化
させる。
【0011】(2)比誘電率が比較的高くなり、寄生容
量が増大して配線遅延等の原因となる。
【0012】本発明は、半導体装置に関し、斯かる問題
点を解消することをその目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
基板に形成され、上部開口部の幅が下部よりも狭いトレ
ンチと、このトレンチ内に形成された第1の絶縁膜と、
この第1の絶縁膜の内部に形成された空間部とを具備し
たことをその要旨とする。
【0014】すなわち、第1の絶縁膜の内部に空間部が
存在するため、第1の絶縁膜が基板に与えるストレス
を、この空間部で緩和させる。
【0015】また、空間部は、第1の絶縁膜よりも比誘
電率が低いため、素子分離膜全体としての比誘電率も低
くなる。
【0016】更には、トレンチの上部開口部の幅が、下
部よりも狭いため、第1の絶縁膜をトレンチ内に形成し
ていく過程において、トレンチ内が第1の絶縁膜で埋ま
りきってしまう前に、トレンチの上部開口部が第1の絶
縁膜で閉じられることになり、トレンチの内部に空間部
が確実に形成される。
【0017】尚、この場合前記トレンチの上部内壁に、
サイドウォールスペーサを形成することにより、上部開
口部の幅を狭くすることが望ましい。こうすることによ
り、確実に且つ容易に空間部を形成することができる。
【0018】また、前記トレンチは、主基板とこの主基
板上に形成された第2の絶縁膜とに跨って形成されてい
ることが望ましい。こうすることにより第1の絶縁膜だ
けでなく第2の絶縁膜をも素子分離領域の一部とするこ
とができ、広範囲の素子分離が可能となる。
【0019】この場合、前記第2の絶縁膜が導電層を含
むものであっても良い。これにより、導電層を配線の一
部として利用することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した実施形
態を図1〜図3に従って説明する。
【0021】図1は本実施形態の半導体装置1を示し、
シリコン基板2には、シリコン酸化膜3、ポリシリコン
膜4及びシリコン窒化膜5がこの順に形成され、これら
の膜3〜5からシリコン基板2にかけて、複数のトレン
チ6が所定の間隔を置いて形成されている。尚、図1で
は1つのトレンチ6のみを示している。トレンチ6の内
面における各膜3〜5に相当する部分には、サイドウォ
ールスペーサ7が形成されている。サイドウォールスペ
ーサ7を含んだトレンチ6の内部にはシリコン酸化膜8
が形成されていると共に、このシリコン酸化膜8の内部
には空隙部9が形成されている。
【0022】次に、半導体装置1の製造方法を図1〜図
6に従い順を追って説明する。
【0023】工程1(図2参照):p型単結晶シリコン
基板2上にCVD法を用いて、シリコン酸化膜3(膜厚
100nm)、ポリシリコン膜4(50nm)及びシリ
コン窒化膜5(100nm)をこの順に形成する。尚、
シリコン基板2が、本発明における「主基板」に相当
し、シリコン酸化膜3、ポリシリコン膜4及びシリコン
窒化膜5が、本発明における「第2の絶縁膜」に相当す
る。
【0024】工程2(図3参照):素子分離する領域に
対応させて、フォトリソグラフィ法を用いて形成したレ
ジストをマスクとして、シリコン窒化膜5、ポリシリコ
ン膜4及びシリコン酸化膜3をエッチングし、シリコン
基板2上に第1のトレンチ10を形成する。
【0025】工程3(図4参照):レジストマスクを除
去し、第1のトレンチ10を含む全面にCVD法を用い
てシリコン酸化膜を50nm堆積した後、これを異方性
全面エッチバックすることにより、第1のトレンチ10
の内壁にサイドウォールスペーサ7を形成する。
【0026】工程4(図5参照):サイドウォールスペ
ーサ7をマスクとし、RIE法を用いてシリコン基板2
を所定量エッチングした後、更にウェットエッチングを
用いて、等方的にシリコン基板2を50nmだけエッチ
ングすることにより、第1のトレンチ10に連続して、
この第1のトレンチ10と幅が等しい第2のトレンチ1
1を形成する。尚、この第1のトレンチ10と第2のト
レンチ11とでトレンチ6を構成し、このトレンチ6
が、本発明における「トレンチ」に相当する。
【0027】工程5(図6参照):温度900℃で熱酸
化を行うことにより、トレンチ6の内壁に熱酸化膜(膜
厚20nm)12を形成する。この場合、熱酸化膜12
は、シリコン窒化膜5の表面も酸化するため、図には全
面に表している。
【0028】工程6(図1参照):熱酸化膜12上に、
シリコン酸化膜8を堆積することにより、トレンチ6内
にシリコン酸化膜8を埋め込む。
【0029】シリコン酸化膜8は、プラズマCVD法に
より形成する。反応ガスとしては、モノシランと亜酸化
窒素(SiH4+N2O)、モノシランと酸素(SiH4
+O2)、TEOS(Tetra-ethoxy-silane)と酸素(T
EOS+O2)などを用い、成膜温度は300〜900
℃である。
【0030】また、シリコン酸化膜8は、常圧CVD法
によって形成してもよい。この場合の反応ガスとして
は、モノシランと酸素(SiH4+O2)であり、成膜温
度は400〜450℃以下である。
【0031】シリコン酸化膜8は、比較的ステップカバ
レッジが悪いため、トレンチ6内に形成されたシリコン
酸化膜8の内部には空間部9が形成される。特に、本実
施形態では、サイドウォールスペーサ7を形成すること
により、トレンチ6の上部開口幅を狭くしているので、
トレンチ6内がシリコン酸化膜8で埋まりきってしまう
前に、トレンチ6の上部開口部がシリコン酸化膜8で閉
じられることになり、トレンチ6の内部に空間部9が確
実に形成される。尚、この点につき、上記した従来例
(特開平9−8118号公報)には、その従来技術とし
てトレンチアイソレーション内部に空間部が形成された
構造が記載されているが、本実施形態のように、トレン
チの上部開口部の幅が狭くないために、空間部を再現性
良く形成することが困難である。しかも、この従来例
は、空間部を作らない技術を示しており、空間部9を積
極的に作ろうとする本実施形態とは、技術的にも異なる
ものである。
【0032】トレンチ6内にシリコン酸化膜8を形成し
た後、、シリコン窒化膜5の上の余分なシリコン酸化膜
8をエッチバックにより除去することにより、トレンチ
アイソレーション構造を完成させる。
【0033】尚、シリコン酸化膜8の膜厚は、5〜50
nmに設定することが望ましい。このシリコン酸化膜8
が、本発明における「第1の絶縁膜」に相当する。
【0034】以上の通り形成した本実施形態の半導体装
置1においては、以下の通りの作用効果を奏することが
できる。
【0035】(イ)トレンチ6内のシリコン酸化膜8内
部に比誘電率の低い空間部9を形成した構造であるの
で、その分全体の比誘電率も低くなる。従って、この部
分に発生する寄生容量も低減することができ、配線遅延
等の問題を改善することができる。
【0036】(ロ)空間部9を設けたことにより、シリ
コン酸化膜8が基板2に与える応力ストレスをこの空間
部9で吸収して緩和することができる。本発明者の実験
によれば、従来例のようにトレンチ内部にシリコン酸化
膜を充填した場合(空間部が存在しない場合)、シリコ
ン酸化膜の応力は1000Kg/cm2であるのに対
し、本実施形態のようにシリコン酸化膜8の内部に空間
部9を形成したものは、シリコン酸化膜の応力が1Kg
/cm2ときわめて小さくなることが分かった。
【0037】(ハ)シリコン酸化膜8だけでなくシリコ
ン酸化膜3、ポリシリコン膜4及びシリコン窒化膜5を
も素子分離領域の一部とすることができ、基板2上にお
いて広範囲の素子分離が可能となる。
【0038】以上の実施形態にあっては、以下の通り変
形しても良く、その場合であっても同様の作用効果を奏
することができる。
【0039】(1)第1の絶縁膜としての、シリコン酸
化膜8に代えて、シリコン窒化膜又は不純物がドープさ
れていないポリシリコン膜を用いる。
【0040】(2)第2の絶縁膜としての、シリコン酸
化膜3、ポリシリコン膜4及びシリコン窒化膜5に代え
て、いずれかの膜の単層膜を用いる。
【0041】(3)第2の絶縁膜の一部を構成するポリ
シリコン膜4に不純物を導入することにより導電性を持
たせる。又は、ポリシリコン膜4に代えて、アルミニウ
ム、銅、チタン等の金属膜を用いる。こうすることで、
第2の絶縁膜中の導電層を配線の一部として利用するこ
とができ、設計の自由度が向上する。
【0042】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
内部に空間部を有する絶縁膜を、トレンチ内に埋め込ん
だから、この部分の応力ストレスが小さく且つ誘電率も
低くなり、良好に素子分離を行って、良好なデバイス特
性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を具体化した実施形態に係る半導体装置
の概略断面図である。
【図2】本発明を具体化した実施形態に係る半導体装置
の製造過程を示す概略断面図である。
【図3】本発明を具体化した実施形態に係る半導体装置
の製造過程を示す概略断面図である。
【図4】本発明を具体化した実施形態に係る半導体装置
の製造過程を示す概略断面図である。
【図5】本発明を具体化した実施形態に係る半導体装置
の製造過程を示す概略断面図である。
【図6】本発明を具体化した実施形態に係る半導体装置
の製造過程を示す概略断面図である。
【図7】従来例に係る半導体装置の製造過程を示す概略
断面図である。
【図8】従来例に係る半導体装置の製造過程を示す概略
断面図である。
【図9】従来例に係る半導体装置の製造過程を示す概略
断面図である。
【符号の説明】
1 半導体装置 2 シリコン基板 3 シリコン酸化膜 4 ポリシリコン膜 5 シリコン窒化膜 6 トレンチ 7 サイドウォールスペーサ 8 シリコン酸化膜 9 空間部

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板に形成され、上部開口部の幅が下部
    よりも狭いトレンチと、このトレンチ内に形成された第
    1の絶縁膜と、この第1の絶縁膜の内部に形成された空
    間部とを具備したことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記トレンチの上部内壁に、サイドウォ
    ールスペーサを形成することにより、上部開口部の幅を
    狭くしたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装
    置。
  3. 【請求項3】 前記トレンチは、主基板とこの主基板上
    に形成された第2の絶縁膜とに跨って形成されているこ
    とを特徴とした請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記第2の絶縁膜が導電層を含むことを
    特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
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