JP2001044273A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
セットによる転位ループの発生を抑制して電気特性の悪
化を防止すると共に、従来のウェット酸化ではトレンチ
縁部の形状が十分丸くできないことに起因するSTIの
ハンプによるトランジスタのリーク電流の増加およびオ
ン・オフ特性の劣化を防止することのできるトレンチ形
成工程を有する半導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 シリコン基板1上に順次パッド酸化膜
2、窒化膜3、酸化膜4を積層し、開口6を形成した
後、パッド酸化膜2をサイドエッチし、サイドエッチさ
れたパッド酸化膜2をマスクにシリコン基板1を等方性
エッチングして浅い溝7を形成し、酸化膜4をマスクに
トレンチ8を形成し、トレンチ内をウェット酸化して熱
酸化膜9を形成し、トレンチ内に絶縁物を埋め込み、平
坦化してトレンチ素子分離を形成する。
Description
法に関し、特にトレンチ素子分離領域の形成方法に関す
る。
で、素子分離の間隔を狭めることが必要になっている。
従来、素子分離領域を形成する方法としては、LOCO
S法が一般的であったが、このような微細化の要求には
十分対応できない。そこで、このLOCOS法に代わる
方法として、最近、STI(Shallow Trench Isolatio
n)が注目されている。
導体基板上に薄いパッド酸化膜、窒化膜を積層し、フォ
トリソグラフィー法により素子分離する領域を開口した
レジストマスクを形成し、これをマスクに窒化膜、パッ
ド酸化膜、半導体基板を異方性エッチングして、溝(ト
レンチ)を形成し、レジストマスクを除去した後、絶縁
性物質を全面に堆積し、窒化膜をストッパとして化学機
械研磨(Chemical Mechanical Polishing: CMP)に
より、前記トレンチに絶縁物質を埋め込んで素子分離を
形成していた。
ンチ形成の際のエッチングダメージを解消する目的でト
レンチ内壁を熱酸化することが一般的に行われている。
体装置では、トレンチ素子分離領域に接してトランジス
タなどが形成されるが、この時、トレンチ縁部の形状が
鋭角であると、その部分で電界集中を起こし、トランジ
スタの閾値特性が悪化するするという問題がある。つま
り、図5(a)に示すように、トレンチ素子分離で区画
された素子領域52において、ゲート電極51はトレン
チ素子分離領域にも架かって形成されるが、そのとき、
トレンチ縁部に隣接してサブチャネル53が形成され、
メインのチャネルとサブチャネルとのゲート電圧に対す
るドレイン電流特性が異なることから、図5(b)に示
すように通常の閾値電圧を有するメインのチャネルと活
性領域の縁部に寄生する相対的に低い閾値電圧を有する
サブチャネルによって前記トランジスタは、動作中に閾
値電圧が変化するようになり、サブチャネルによる閾値
領域で電流のハンプ現象を起こす。従って、トランジス
タのリーク電流の増加およびオン・オフ特性の劣化を招
く。このような問題点は、素子のチャネル幅が狭くなる
ほど、即ち、集積度が高くなるほど顕著になる。
ハンプの発生を防止するため、トレンチ縁部を丸める方
法が提案されている。通常、トレンチ縁部を丸めるに
は、上記のトレンチ内部の熱酸化を高温で行う方法が採
られていた。
基板として通常使用されている(111)シリコン基板
31を用いた場合、高温(1100℃程度)での熱酸化
ではトレンチ底の角部に<111>面の結晶面33(フ
ァセット)が出現し、熱酸化膜の応力によって転位が発
生してしまう。これが転位ループ32として後工程で形
成されるトランジスタのソース・ドレイン領域まで達
し、電気特性が悪化するという問題がある。
て酸化膜成長速度が速く、所望の膜厚の熱酸化膜を得る
に際しては、酸化時間が同じであれば、より低温での熱
酸化が可能である。低温のウェット酸化ではファセット
は発生しにくくなるが、図4に示すように、膜厚の均一
性がドライ酸化と比較してやや劣っており、またトレン
チ縁部41を十分に丸めることができず、上記のハンプ
発生を防止することができない。
報、同11−135609号公報、同11−13561
0号公報には、トレンチ形成時の異方性エッチングによ
るシリコン基板へのダメージを素子形成領域から遠ざけ
るために、開口に露出した半導体基板を等方的にエッチ
ングして、異方性エッチングのハードマスクとなるシリ
コン酸化膜を庇状に張り出させ、これを用いて異方性エ
ッチングしてトレンチを形成する方法が提案されてい
る。例えば、特開平11−135608号公報を例に説
明すると、まず、図6(a)に示すように、Si基板1
などの半導体基板上に薄いパッド酸化膜2を熱酸化法な
どにより形成し、続いて、シリコン窒化膜3をLPCV
D法などにより所望の厚みに形成する。更にその上にシ
リコン酸化膜4をLPCVD法などにより1000〜2
000Å程度の厚みに形成する。続いて、レジストを塗
布し、通常のフォトリソ工程により素子分離を形成する
部分を開口するようにレジストマスク5を形成し、これ
をマスクに酸化膜4をドライエッチングする。レジスト
マスクを除去した後、パターン化された酸化膜4をマス
クに窒化膜3、パッド酸化膜を順次ドライエッチング
し、更に、露出したシリコン基板表面を浅く(300〜
1000Å)ドライエッチングして開口6’を形成する
(図6(b))。続いて露出したSi基板1表面を熱酸
化し、100〜200Åの熱酸化膜11を形成し(図6
(c))、該熱酸化膜11を除去して、浅い溝7’を形
成すると共に、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を庇
状に張り出させておく(図6(d))。前記酸化膜4を
マスクに露出したSi基板1表面をドライエッチングし
て2000〜4000Å程度のトレンチ8を形成する
(図7(a))。この後、トレンチ内部を900℃以上
のドライ酸化或いは800℃以上のウェット酸化により
熱酸化して、100〜200Åの熱酸化膜9を形成し
(図7(b))、CVD法により全面に厚いCVD酸化
膜10を堆積し(図7(c))、窒化膜3をストッパと
して化学機械研磨(CMP)法にてCVD酸化膜10を
研磨する(図7(d))ことでトレンチ素子分離を形成
する方法である。
記のハンプや、ファセットの問題について言及されてい
ない。
のドライ酸化にみられるような上記ファセットによる転
位ループの発生を抑制して電気特性の悪化を防止すると
共に、従来のウェット酸化ではトレンチ縁部の形状が十
分丸くできないことに起因するSTIのハンプによるト
ランジスタのリーク電流の増加およびオン・オフ特性の
劣化を防止することのできるトレンチ形成工程を有する
半導体装置の製造方法を提供するものである。
解決するべく鋭意検討した結果、トレンチ縁部に当たる
部分を予め等方性エッチングで除去しておき、その後異
方性エッチングでトレンチを形成しておくことで、その
後の低温でのウェット熱酸化によってもトレンチ縁部を
丸くすることができ、低温熱酸化であるためにファセッ
トの発生を防止できることを見出した。
ッド酸化膜、シリコン窒化膜を順次成膜する工程、シリ
コン窒化膜上にレジストを塗布し、トレンチ形成のため
のパターンを形成する工程、形成されたレジストパター
ンをマスクとして、シリコン窒化膜、パッド酸化膜を順
次エッチングして、開口を形成する工程、該開口部内に
露出したパッド酸化膜をウェットエッチングによりサイ
ドエッチングし、更に開口部底に露出した半導体基板表
面を等方性エッチングして半導体基板表面に浅い溝を形
成する工程、シリコン基板を異方性エッチングして、深
い溝を形成する工程、該溝内に低温のウエット酸化によ
り熱酸化膜を形成する工程、前記溝を埋めるように全面
に絶縁物を堆積する工程、前記シリコン窒化膜をストッ
パとして絶縁物をCMP研磨して平坦化する工程とを有
することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
時に絶縁物ハードマスク開口面に露出する最下層のパッ
ド酸化膜にサイドエッチングを施し、これをマスクにシ
リコン基板を等方性エッチングして浅い溝を形成してい
るため、パッド酸化膜のサイドエッチング量を調整する
ことにより、容易にシリコン基板の等方性エッチングに
よるハードマスク下への入り込み量を調整することがで
きる。
ングの開口端面からの距離(サイドエッチング量)は、
あまり少なすぎると、シリコン基板の等方性エッチング
によって形成する浅い溝のハードマスク下への入り込み
量が少なくなってしまう。もちろん、等方性エッチング
によるエッチング量を多くすれば入り込み量を確保する
ことができるが、その分溝深さが深くなってしまう。サ
イドエッチング量としては、50〜300Å、より好ま
しくは50〜200Åである。
性エッチングでは、パッド酸化膜を完全に除去してシリ
コン基板を露出させても良いが、完全に除去せずにシリ
コン基板表面に薄いパッド酸化膜が残った状態のままで
あっても、パッド酸化膜のサイドエッチングの際のウェ
ットエッチングで除去することができる。
により浅い溝を形成するが、その際の等方性エッチング
は、プラズマエッチング等のドライエッチング、アンモ
ニア及び過酸化水素を用いたウェットエッチングのいず
れの方法でも良い。又、溝の深さとしては100〜50
0Å、より好ましくは100〜300Åである。
方性エッチングは、ハードマスク形成時のレジストマス
クをマスクとして行っても、レジストマスクを除去して
窒化膜をマスクとして行っても良いが、好ましくは、窒
化膜上に更にシリコン酸化膜を形成しておき、レジスト
除去後にこのシリコン酸化膜をマスクにシリコン基板へ
の異方性エッチングを行うのが望ましい。尚、異方性エ
ッチング時のマスクとしてレジストマスクを使用する場
合、その前に実施する等方性エッチングは、ウェットエ
ッチングではレジストマスクが剥離してしまうため、ド
ライエッチングで行う。
トレンチ内に露出したシリコン基板表面に低温のウエッ
ト酸化により熱酸化膜を形成する。ウェット酸化法とし
ては従来公知のウェットO2酸化やスチーム酸化を採用
することができる。ウェット酸化温度としては、800
〜1000℃、より好ましくは800〜900℃の温度
範囲で行うのが望ましい。ここでは、熱酸化膜として1
00〜500Å程度の膜厚に形成する。例えば、スチー
ム酸化では900℃で5分程度、800℃では10〜2
0分程度行えばよい。
D酸化膜などの絶縁物を埋め込み、窒化膜をストッパと
してCMP研磨して、絶縁物をトレンチ内に埋め込む。
ングにより浅い溝を形成しているので、低温のウェット
酸化によってもトレンチ縁部を丸くすることができ、し
かもトレンチ底ではファセットの発生が防止できるの
で、転位ループが発生することもない。
るが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるもので
はない。
1、2は、本発明の第1の実施例に係る半導体装置の製
造方法の工程断面図である。
囲気中で熱酸化して、200Å程度の厚みのパッド酸化
膜2を形成し、その上に、シラン及びアンモニアを原料
ガスとして、700〜800℃程度の温度範囲でLPC
VD法により窒化膜(Si3N4)膜3を1500Å程度
の厚みに成膜する。更に、TEOSを原料として650
〜700℃の温度範囲でLPCVD法により500Å程
度の膜厚のCVDシリコン酸化膜(SiO2)膜4を形
成する(図1(a))。
フォトリソ工程により所定のパターンを形成してレジス
トマスク5とし、このレジストマスク5をマスクとして
酸化膜4、窒化膜3、パッド酸化膜2をそれぞれ異方性
ドライエッチングし、開口6を形成する(図1
(b))。
ト剥離液を用いてレジストマスク5及び開口6内壁に付
着したエッチング残渣を除去した後、フッ酸系エッチン
グ液を用いてパッド酸化膜2に、100Å程度のサイド
エッチングを施す。続いて、アンモニア及び過酸化水素
を用いたエッチング液により、開口内に露出しているシ
リコン基板1表面に浅い溝7を等方性エッチングにより
形成する(図1(c))。ここでは、溝深さとして20
0Å程度の深さとする。続いて酸化膜4をマスクとして
浅い溝7底に露出したSi基板1をドライエッチング
し、トレンチ8を形成する(図1(d))。ここでは、
トレンチ深さとして、2500Åのトレンチを形成し
た。
ト熱酸化して、トレンチ内壁に400Å程度の熱酸化膜
9を形成した(図2(a))。
を埋め込むため、まず、図2(b)に示すように全面に
HDPCVD法により5500Å程度の厚みにCVD酸
化膜10を成膜した。続いて、窒化膜3をCMPストッ
パとして、CVD酸化膜10及び酸化膜4をCMP法に
より研磨し、図2(c)に示す構造を得た。更に窒化膜
3を熱リン酸で除去し、パッド酸化膜2をフッ酸系溶液
で除去することで、図2(d)に示すようなトレンチ素
子分離が形成された。
パッド酸化膜をサイドエッチングし、更に、シリコン基
板を等方性エッチングして浅い溝を形成した後、異方性
エッチングでトレンチを形成し、このように形成された
トレンチ内をウェット酸化により熱酸化して熱酸化膜を
形成しているので、高温のドライ酸化にみられるような
ファセットによる転位ループの発生が抑えられ、電気特
性の悪化を防止することができると同時に、ウェット酸
化では従来十分丸めることができなかったトレンチ縁部
を丸めることができ、STIのハンプによるトランジス
タのリーク電流の増加およびオン・オフ特性の劣化を防
止することができる。
工程断面図である。
工程断面図である。
り、(b)は、(a)の部分拡大図である。
ある。
形成される様子を模式的に示す平面図であり、(b)は
このようなサブチャネルの形成によるハンプの発生を説
明するグラフである。
ある。
ある。
Claims (9)
- 【請求項1】 半導体基板上に、パッド酸化膜、シリコ
ン窒化膜を順次成膜する工程、シリコン窒化膜上にレジ
ストを塗布し、トレンチ形成のためのパターンを形成す
る工程、形成されたレジストパターンをマスクとして、
シリコン窒化膜、パッド酸化膜を順次エッチングして、
開口を形成する工程、該開口部内に露出したパッド酸化
膜をウェットエッチングによりサイドエッチングし、更
に開口部底に露出した半導体基板表面を等方性エッチン
グして半導体基板表面に浅い溝を形成する工程、シリコ
ン基板を異方性エッチングして、深い溝を形成する工
程、該溝内に低温のウエット酸化により熱酸化膜を形成
する工程、前記溝を埋めるように全面に絶縁物を堆積す
る工程、前記シリコン窒化膜をストッパとして絶縁物を
CMP研磨して平坦化する工程とを有することを特徴と
する半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】 前記半導体基板の等方性エッチングをド
ライ条件で行う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。 - 【請求項3】 前記半導体基板の等方性エッチングをア
ンモニア及び過酸化水素を用いたウエットエッチングに
て行う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。 - 【請求項4】 前記半導体基板の異方性エッチングをレ
ジストパターンをマスクに行うことを特徴とする請求項
2に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記半導体基板の異方性エッチングをシ
リコン窒化膜をマスクに行う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。 - 【請求項6】 前記シリコン窒化膜上に更にシリコン酸
化膜を形成し、開口を形成した後、半導体基板の異方性
エッチングを該シリコン酸化膜をマスクに行うことを特
徴とする請求項2又は3に記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項7】 前記パッド酸化膜のサイドエッチングを
フッ酸系溶液を用いて行う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。 - 【請求項8】 前記パッド酸化膜のサイドエッチング量
は、50〜300Åの範囲であ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。 - 【請求項9】 前記半導体基板に形成した溝内のウェッ
ト酸化を800℃以上1000℃未満の温度条件で行う
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。
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