JP2001244327A

JP2001244327A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2001244327A
Application number: JP2000057174A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Sasada; 一弘笹田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2001-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】酸化膜耐圧の劣化や逆狭チャネル効果を抑える
た丸め酸化方法を提供することを目的とする。【解決手段】シリコン基板１上に、トレンチ形成用マ
スク３を設け、このマスク３を用いて基板１を除去して
トレンチ４を形成する。トレンチ４形成後、コーナー部
は酸化膜で覆われずに、トレンチ側壁部は酸化膜で覆う
ように酸化制御用酸化膜５を形成した後、熱酸化により
トレンチコーナー部分を丸める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造方法に係り、詳しくは半導体装置の素子分離方法に関
するものであり、特に従来の選択酸化法（ＬＯＣＯＳ
法）に代わるトレンチ素子分離法（ＳｈａｌｌｏｗＴ
ｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ法：以下ＳＴＩ法とい
う）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高密度化、高集積化
にともなって、素子の微細化が進められている。素子を
微細化し高密度・高集積化するためには、素子自体の微
細化と同時に素子分離領域の微細化が重要になってきて
いる。

【０００３】従来の素子分離技術にはＬＯＣＯＳ法が用
いられてきた。ＬＯＣＯＳ法を用いると、リソグラフィ
及びエッチングによる加工限界の微細なパターンを形成
しても、横方向への酸化が進み、素子分離領域の幅が広
がってしまうという点と、微細な分離領域を形成する
と、酸化が進まず素子分離が不完全になるという問題が
生じてきている。以上のように、ＬＯＣＯＳ法による素
子分離では、分離幅を小さくすることが限界になりつつ
ある。また、素子分離部分の凹凸により、凹凸部分での
微細なパターン加工が困難に成りつつある。これらの問
題点から、新しい素子分離技術が模索されており、最近
では、ＬＯＣＯＳ法に代わってＳＴＩ法による素子分離
技術が検討されている。

【０００４】例えば、特開平９−８１１８号公報に開示
されているＳＴＩ法を図６（ａ）ないし図６（ｃ）に基
づいて説明する。

【０００５】（１）単結晶シリコン基板５１上に、パッ
ド酸化膜としてのシリコン酸化膜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
６（ａ）参照）。

【０００６】（２）トレンチ５６内及び基板５１上に、
素子分離用絶縁膜としてのＢＰＳＧ膜５７を堆積した
後、ＢＰＳＧ膜５７を熱処理してリフローさせ、ＢＰＳ
Ｇ膜５７の表面を平坦化する（図６（ｂ）参照）。

【０００７】（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（素子分離用絶縁膜）５７を埋め込む
（図６（ｃ）参照）。

【０００８】このＳＴＩ法による素子分離膜の形成方法
は、上記のように、半導体基板５１上にトレンチ（溝）
５６を形成し、その内部に絶縁物を埋めこむ工程を経
る。ＳＴＩ法における最小素子分離幅は、リソグラフィ
やエッチングの加工限界と同じ程度まで微細化が可能と
なる。

【０００９】上記したトレンチ素子分離法によって素子
分離を行った場合、このトレンチのコーナーが鋭いとプ
ロセス中のストレスによりシリコン基板に欠陥が入った
り、接合リークが増大する問題がある。特に基板表面側
のコーナーはこれが鋭い場合、この上に形成されるゲー
ト酸化膜の信頼性が劣化したり、ゲート電極からの電界
が集中して逆狭チャネル効果がおこるなどのトランジス
タの特性変動が発生する問題があった。

【００１０】これらの問題を解決するため、トレンチ形
成後のシリコン基板の表面を酸化してコーナーを丸める
対策が取られる場合、高温の酸化雰囲気で酸化したり、
ＨＣｌなどを添加した雰囲気で酸化されていた。

【００１１】図７は、従来の丸め酸化を行ったＳＴＩの
構造を示す断面図である。図７に示すものは、シリコン
基板５１上に、シリコン酸化膜５８、シリコン窒化膜５
９を堆積後、素子分離となる領域をリソグラフィーによ
って開口し、トレンチエッチングを行いトレンチ５６を
作成後、丸め酸化により酸化膜６０を形成したものであ
る。

【００１２】丸め酸化における現象を以下に記述する。
酸化種である酸素が拡散しシリコン（Ｓｉ）に到達する
と、Ｓｉと反応し二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）が生成さ
れる。この場合、酸化反応は以下のようになる。

【００１３】反応速度＝Ｋｓ×Ｃ …（１）ここで、Ｃ：ＨＰｇ（Ｃ：表面濃度、Ｈ：ヘンリー定
数、Ｐｇ：酸素分圧）、Ｋｓ：表面反応速度定数である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来のＳＴＩにおいて
は、トレンチコーナー部よりもトレンチ側壁部のほうが
酸化速度が大きいため、トレンチコーナー部の応力が大
きくなり、トレンチコーナー部の酸化速度が小さくな
り、図７に示すように、トレンチのコーナー部に突起が
設けられたような形状になる。このような形状では、コ
ーナーの電界集中により、酸化膜耐圧の劣化や逆狭チャ
ネル効果が現れるなどの問題があった。

【００１５】この発明は、上述した従来の問題点を解決
するためになされたものにして、酸化膜耐圧の劣化や逆
狭チャネル効果を抑えるた丸め酸化方法を提供すること
を目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明は、半導体基板
上に、トレンチ形成用マスクを設け、このマスクを用い
て半導体基板を除去してトレンチを形成し、このトレン
チを酸化膜で埋め戻し、素子分離領域を形成する半導体
装置の製造方法において、トレンチ形成後、コーナー部
は酸化膜で覆われずに、トレンチ側壁部は酸化膜で覆う
ように酸化制御用絶縁膜を形成した後、熱酸化によりト
レンチコーナー部分を丸めることを特徴とする。

【００１７】また、この発明は、半導体基板上に、トレ
ンチ形成用マスクを設け、このマスクを用いて半導体基
板を除去してトレンチを形成し、このトレンチを酸化膜
で埋め戻し、素子分離領域を形成する半導体装置の製造
方法において、トレンチ形成後、トレンチ側壁部にトレ
ンチのコーナー部から深さ方向に膜厚が増加する酸化制
御用絶縁膜を形成した後、熱酸化によりトレンチコーナ
ー部分を丸めることを特徴とする。

【００１８】前記酸化制御用絶縁膜は塗布膜で形成する
ことができる。

【００１９】前記酸化制御用絶縁膜はＨＤ−ＣＶＤ法に
より形成することができる。

【００２０】上記したように、この発明は、酸素の拡散
係数を小さくして酸素の供給を制限し、酸化温度を大き
くして酸化活性化エネルギーを小さくすることにより、
酸化反応を拡散律速にさせる。すなわち、この発明によ
れば、トレンチに酸化制御用絶縁膜を設けているので、
トレンチコーナー部とトレンチ側壁部との間で酸素の供
給量に差がつき、トレンチコーナー部の酸素供給量を大
きくし、トレンチコーナー部で酸化反応を拡散律速にす
ることができる。従って、実質的にトレンチ側壁部の酸
化速度をトレンチコーナー部よりも小さくなり、確実な
丸めが形成される。

【００２１】

【発明の実施の形態】この発明の実施形態について図に
基づいて説明する。（第１の実施形態）第１の実施形態を図１（ａ）ないし
図３（ｉ）に従い説明する。

【００２２】工程１（図１（ａ）参照）：ｐ型単結晶シ
リコン基板１上に、例えば、９５０℃ドライ酸素による
熱酸化法を用いてシリコン酸化膜２（膜厚１０〜１５０
ｎｍ）を形成した後、その上にＣＶＤ法（減圧ＣＶＤ
法、プラズマＣＶＤ法、高密度プラズマＣＶＤ法又は常
圧ＣＶＤ法）を用いて、シリコン窒化膜３（２００ｎ
ｍ）を形成する。

【００２３】工程２（図１（ｂ）参照）：素子分離領域
に対応させて、フォトリソグラフィ技術を用いて形成し
たレジストをマスクとして、シリコン窒化膜３、シリコ
ン酸化膜２をエッチングして、トレンチ形成用のハード
マスクを形成する。このエッチングは、例えば、Ｃｌ₂
を主体としたガスを用いて、ＲＩＥエッチングにより行
う。エッチング終了後、レジストは除去される。シリコ
ン窒化膜３をマスクとして、例えば、ＨＢｒ及び酸素
（０₂）等のガスを用いたＲＩＥによりシリコン基板１
に深さ５００ｎｍ程度の溝（トレンチ）４を形成する。

【００２４】工程３（図１（ｃ）参照）：塗布膜（ＳＯ
Ｇ）５を膜厚５０〜５００ｎｍの範囲で、トレンチコー
ナー部は酸化膜で覆われていないが、トレンチ側壁部を
酸化膜で覆うように堆積する。このようにして、次工程
における酸化制御用絶縁膜を形成する。

【００２５】工程４（図１（ｄ）参照）：シリコン基板
１を、例えば、１０００〜１２００℃の温度でドライ酸
素によって酸化して、トレンチ４のコーナー部を丸める
ように酸化する。

【００２６】上記したように、ＳＯＧ５によりトレンチ
コーナー部は酸化膜で覆われていないが、トレンチ側壁
部は酸化膜で覆われている。このため、トレンチコーナ
ー部において（１）式のＣをトレンチ側壁部よりも大き
くすることができる。そして、１０００〜１２００℃の
高温酸化で酸化活性化エネルギーを小さくしておけば、
トレンチコーナー部で酸化反応を拡散律速にすることが
できるので、実質的にトレンチ側壁部の酸化速度をトレ
ンチコーナー部よりも小さくでき、コーナー部分は１／
４円状の丸め酸化が行われる。このように、この丸め酸
化は、トレンチコーナー部分ではすぐに酸化反応が起こ
るが、トレンチ側壁部では、酸素の拡散後、酸化が始ま
るので、効果的に丸められたトレンチコーナー部８が形
成される。

【００２７】工程５（図２（ｅ）参照）：溝４を、例え
ば、ＨＤＰ−ＣＶＤ法により二酸化シリコン（ＳｉＯ₂
膜）９を５００ｎｍ程度堆積して、埋め戻して、素子分
離膜７を形成する。

【００２８】工程６（図２（ｆ）参照）：化学的機械研
磨法（ＣＭＰ法）を用いてシリコン窒化膜３上に堆積し
ている絶縁膜９を除去し、シリコン窒化膜３の上面がす
べて露出させる。この際、絶縁膜３はＣＭＰによって膜
厚が減少する。なお、ＣＭＰ法の代わりに異方性全面エ
ッチバックを行って平坦化させてもよい。このエッチバ
ックを用いると、シリコン酸化膜９とシリコン窒化膜３
とのエッチングレートの違いにより、シリコン窒化膜３
がエッチングストッパとなって、エッチバックはシリコ
ン窒化膜３が露出した時点で終了させる。

【００２９】工程７（図２（ｇ）参照）：１６０℃に加
熱したリン酸を用いて、シリコン窒化膜３を選択的に除
去する。熱リン酸のシリコン窒化膜とシリコン酸化膜に
対するエッチングレートは、温度によって変化するが、
シリコン窒化膜の方が３０〜４０倍程度速い。絶縁膜２
と素子分離膜７が露出した状態で、絶縁膜２を除去す
る。

【００３０】工程８（図３（ｈ）参照）：絶縁膜２を除
去したシリコン基板１表面のトランジスタ形成領域に、
ゲート酸化膜１１を形成する。

【００３１】工程１１（図３（ｉ）参照）：ゲート酸化
膜１１上にドープドポリシリコンなどの導電層１２を形
成する。導電層１２のパターニングを行ってゲート電極
を形成する。

【００３２】このように形成されたトランジスタはトレ
ンチのコーナー部分を制御よく丸めることができるた
め、この部分に形成されるゲート酸化膜の信頼性劣化な
どが生じず、高品質、高信頼の半導体装置が提供でき
る。

【００３３】（第２の実施形態）次に、この発明の第２
の実施形態につき、図４に従い説明する。なお、第１の
実施形態と同じ工程については、説明の重複を避けるた
めに、ここでは、説明を省略する。

【００３４】前記した工程１から工程２に示した同じ工
程に基づいて、シリコン基板１に深さ５００ｎｍ程度の
溝（トレンチ）４を形成する。

【００３５】工程３ａ（図４（ａ）参照）：溝４を、例
えば、プラズマＣＶＤ法により二酸化シリコン膜（Ｓｉ
Ｏ₂）２０を５００ｎｍ程度堆積させる。

【００３６】工程３ｂ（図４（ｂ）参照）：堆積した二
酸化シリコン膜２０を異方性エッチングで溝４のコーナ
ー部分が露出するまで除去する。このエッチングによ
り、トレンチコーナー部は酸化膜で覆われていないが、
トレンチ側壁部は酸化膜で覆われた形状の酸化膜２１が
溝４内に残存する。この酸化膜２１が次工程での酸化制
御用絶縁膜として機能する。

【００３７】続いて、上記した工程４と同じくシリコン
基板１を例えば１０００〜１２００℃の温度でドライ酸
素によって酸化して、トレンチ４のコーナー部を丸める
ように酸化する。この丸め酸化においても、酸化膜２１
によりトレンチコーナー部は酸化膜で覆われていない
が、トレンチ側壁部を酸化膜で覆われているので、トレ
ンチコーナー部分ではすぐに酸化反応が起こるが、トレ
ンチ側壁部では、酸素の拡散後、酸化が始まる。この結
果、効果的に丸められたトレンチコーナー部が形成され
る。

【００３８】以降は第１の実施形態の工程と同じ工程に
より、素子分離領域１０の形成、ゲート絶縁膜の形成、
導電層の形成が行われ、半導体装置が形成される。

【００３９】（第３の実施形態）次に、この発明の第３
の実施形態につき、図５に従い説明する。なお、第１の
実施形態と同じ工程については、説明の重複を避けるた
めに、ここでは、説明を省略する。

【００４０】前記した工程１から工程２に示した同じ工
程に基づいて、シリコン基板１に深さ５００ｎｍ程度の
溝（トレンチ）４を形成する。

【００４１】工程３ｃ（図５（ａ）参照）：溝４をＨ
ＤＰ−ＣＶＤ法により、膜厚５０〜７００ｎｍの範囲で
酸化膜２５を堆積させる。このように酸化膜２５を堆積
させることで、トレンチ４の側壁に深さ方向に膜厚が厚
くなる酸化膜２５が形成される。この酸化膜２５が次工
程での酸化制御用絶縁膜として機能する。

【００４２】続いて、上記した工程４と同じくシリコン
基板１を例えば１０００〜１２００℃ドライ酸素によっ
て酸化して、トレンチ４のコーナー部を丸めるように酸
化する。この丸め酸化においても、酸化膜２５によりト
レンチ部はコーナー部から深さ方向に膜厚が厚くなるよ
うに壁面が酸化膜で覆われているので、トレンチコーナ
ー部分ではすぐに酸化反応が起こるが、トレンチ側壁部
では、酸素の拡散後、酸化が始まり、効果的に丸められ
たトレンチコーナー部が形成される。

【００４３】以降は第１の実施形態の工程と同じ工程に
より、素子分離領域１０の形成、ゲート絶縁膜の形成、
導電層の形成が行われ、半導体装置が形成される。

【００４４】上記した実施形態においては、酸化制御用
絶縁膜として酸化膜を用いたが、これ以外に、窒化膜、
酸化窒化膜等を用いることもできる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、トレンチのコーナー部分を確実に丸められ、コーナ
ーの電界集中によるゲート酸化膜耐圧の劣化や逆狭チャ
ネル効果を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の半導体装置の第１の実施形態にかか
る製造方法を工程別に示す断面図である。

【図２】この発明の半導体装置の第１の実施形態にかか
る製造方法を工程別に示す断面図である。

【図３】この発明の半導体装置の第１の実施形態にかか
る製造方法を工程別に示す断面図である。

【図４】この発明の半導体装置の第２の実施形態にかか
る製造方法を工程別に示す断面図である。

【図５】この発明の半導体装置の第２の実施形態にかか
る製造方法を工程別に示す断面図である。

【図６】従来の半導体装置の製造方法を工程別に示す断
面図である。

【図７】従来の丸め酸化を行ったＳＴＩの構造を示す断
面図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２シリコン酸化膜３シリコン窒化膜４溝（トレンチ）５塗布（ＳＯＧ）膜（酸化制御用酸化膜）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、トレンチ形成用マスク
を設け、このマスクを用いて半導体基板を除去してトレ
ンチを形成し、このトレンチを酸化膜で埋め戻し、素子
分離領域を形成する半導体装置の製造方法において、ト
レンチ形成後、コーナー部は酸化膜で覆われずに、トレ
ンチ側壁部は酸化膜で覆うように酸化制御用絶縁膜を形
成した後、熱酸化によりトレンチコーナー部分を丸める
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】半導体基板上に、トレンチ形成用マスク
を設け、このマスクを用いて半導体基板を除去してトレ
ンチを形成し、このトレンチを酸化膜で埋め戻し、素子
分離領域を形成する半導体装置の製造方法において、ト
レンチ形成後、トレンチ側壁部にトレンチのコーナー部
から深さ方向に膜厚が増加する酸化制御用絶縁膜を形成
した後、熱酸化によりトレンチコーナー部分を丸めるこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記酸化制御用絶縁膜は塗布膜で形成さ
れることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装
置の製造方法。
【請求項４】前記酸化制御用絶縁膜はＨＤ−ＣＶＤ法
により形成されることを特徴とする請求項１又は２に記
載の半導体装置の製造方法。