JP2001267410A

JP2001267410A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2001267410A
Application number: JP2000078734A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Kusuki; 隆一楠木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2001-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】シャロートレンチアイソレーション（ＳＴ
Ｉ）構造の溝上部カドでの電解集中を緩和し、かつ溝分
離絶縁膜上部の段差（ディボット）の発生を防止する。【解決手段】シリコン基板上にパッド酸化膜となる熱
酸化膜、酸化防止膜を形成し、酸化防止膜およびパッド
酸化膜を通してシリコン基板に素子分離溝を形成後、素
子分離溝内を熱酸化して溝上部カドを丸める。その後、
溝内に形成されたシリコン酸化膜の一部を異方性エッチ
ングにより除去し、シリコン基板と酸化防止膜とに挟ま
れたシリコン酸化膜の側壁にエッチング反応生成物を付
着させ、続いて、溝内の残りのシリコン酸化膜をウェッ
トエッチングにより除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特に、半導体基板に形成したシャロートレ
ンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造の溝上部カドでの
電解集中を緩和し、かつ溝分離絶縁膜上部の段差（ディ
ボット）の発生を防止するための半導体装置の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩデバイスの製造においては、高集
積化の為には更なる微細化が重要な要素の一つとなって
いる。近年のＬＳＩデバイス製造の素子分離形成方法と
して、ＬＯＣＯＳ構造に代わり、素子分離領域の寸法が
精度良く形成できるＳＴＩ構造が採用されている。

【０００３】まず、ＳＴＩ構造の製造方法の第１の従来
技術につき、図１１〜１３を用いて以下に説明する。

【０００４】まず、図１１に示すように、シリコン基板
１上に、熱酸化法によりパッド酸化膜２を形成し、続い
て、後の化学的機械研磨（ＣＭＰ）においてストッパー
となるシリコン窒化膜３を形成する。次にシリコン窒化
膜３の上に、素子分離溝の幅の開口を有するフォトレジ
スト４を形成し、これをマスクとして、シリコン窒化膜
３、パッド酸化膜２およびシリコン基板１をエッチング
して、素子分離溝１０を形成する。フォトレジスト４を
除去した後、図１２に示すように、シリコン基板１を酸
化して、分離溝１０内に酸化膜５を形成することによ
り、溝１０の上部カドを丸く加工する。続いて、図１３
に示すように、溝１０内およびシリコン窒化膜３上に、
素子分離酸化膜６を形成する。この後、素子分離酸化膜
６をシリコン窒化膜３をストッパとしてＣＭＰにより平
坦化し、シリコン窒化膜およびパッド酸化膜２を順次除
去することによりＳＴＩ構造が形成される。

【０００５】この第１の従来技術の製造方法によれば、
図１２の工程において、分離溝１０上部のカドを丸めて
いるため、分離溝１０上部カドへの電解集中を緩和する
ことができる。しかしながら、この製法では、溝１０の
上部カドを丸めるための酸化膜５が溝１０の上部に張り
出した形で形成されるため、素子分離酸化膜６を溝１０
に埋め込む際、埋設性が悪化し、図１３に示すようにボ
イド１２が発生してしまう。

【０００６】そこで、上記第１の従来技術の問題を解決
する方法として、図１４〜１７に示す第２の従来技術に
よる製造方法がある。この製法では、第１の従来技術と
同様にして、素子分離溝１０を形成し、図１２のよう
に、溝１０上部を丸くするための酸化膜５を形成した
後、図１４に示すように、溝１０内に形成された酸化膜
５をウェットエッチングにより完全に除去する。次に、
図１５に示すように、素子分離酸化膜６を溝１０内およ
びシリコン窒化膜３上に形成する。続いて、素子分離酸
化膜６をＣＭＰにより平坦化し、その後、図１６に示す
ように、シリコン窒化膜３を除去する。次に、ウェット
エッチングによりパッド酸化膜２を除去するとともに、
素子分離酸化膜６の上部を除去して、図１７に示すよう
に、素子分離溝１０内に素子分離酸化膜６を残存させる
ことにより、ＳＴＩ構造が得られる。この第２の従来技
術によれば、図１４の工程において、溝１０内に形成し
た酸化膜５を除去しているため、素子分離酸化膜６を溝
１０に埋設した際、第１の従来技術の図１３のボイド１
２のようなボイドの発生を防止することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
２の従来技術では、溝１０内に形成した酸化膜５を除去
するためのウェットエッチングの際、図１４に示すよう
に、パッド酸化膜２が横方向にエッチングされることに
より、素子分離酸化膜６堆積の際、その部分にボイド１
３が発生してしまう。したがって、シリコン窒化膜３が
除去されると、図１６に示すように、ボイド１３の部分
に素子分離酸化膜６の側面が露出した状態となる。そし
て、この状態から、パッド酸化膜２と素子分離酸化膜６
の上部をウェットエッチングにより除去すると、エッチ
ングは等方的に進行するため、素子分離酸化膜６は、そ
の上部だけでなく、ボイド１３に露出した部分での横方
向のウェットエッチングも進行する。このため、パッド
酸化膜２が完全に除去された時点で、図１７に示される
ように、素子分離酸化膜６上部に大きなくぼみ（ディボ
ット）１４が形成されてしまうこととなる。

【０００８】なお、基板に形成した溝の上部カドを丸く
する技術を開示している特開昭６３−２８７０２４号公
報のように、溝を形成するためのマスクとして基板上に
パターニングされたシリコン酸化膜を用い、このマスク
のシリコン酸化膜を除去する前に溝内部を酸化して溝上
部カドを丸め、その後、溝内のシリコン酸化膜と基板上
のマスク用シリコン酸化膜とをＨＦ水溶液にて完全に除
去するという方法、すなわちシリコン窒化膜を用いない
方法であれば、上記のようなボイドが発生するという問
題は生じない。しかしながら、上記従来技術におけるシ
リコン酸化膜６を溝１０内に埋め込むための平坦化にお
いて、溝内および基板上にシリコン酸化膜６を堆積した
とき、この堆積された酸化膜６は下地の溝１０の形状を
引き継いで形成され、完全に平坦にはならないため、Ｃ
ＭＰを行なわずエッチバックのみにより溝内にシリコン
酸化膜６を残存させようとした場合、シリコン酸化膜６
の上部と基板１の上面とが揃った良好な形状で埋め込む
ことが困難になる。したがって、上述の従来技術で示し
たように、一旦、ＣＭＰによって平坦化しておくことが
必要となり、そのためにはシリコン窒化膜等のストッパ
膜が必須となる。

【０００９】上述の素子分離酸化膜６のディボット１４
が大きくなった場合、その後のフォトリソグラフィー法
によりパターニングを行う工程において、下地段差が大
きくなる為、露光時にハレーションが起こり、パターン
ニングが非常に困難となるという問題が起こる。また、
ゲート電極の形成時等のドライエッチング時に、ディボ
ット１４部とそれ以外の部分で被エッチング膜厚が異な
るため、所望のエッチング形状および加工寸法の制御は
非常に困難となるという問題も生じる。

【００１０】また、パッド酸化膜２の横方向への後退
は、シリコン窒化膜３のハガレを誘発する。すなわち、
ＬＳＩデバイスの更なる微細化が進むと、パターンニン
グされるシリコン窒化膜３の寸法幅も小さくなり、これ
に対するパッド酸化膜２の横方向のエッチング量の比が
大きくなるため、パッド酸化膜２とシリコン窒化膜３と
の密着性が低下し、シリコン窒化膜３のハガレが生じ易
くなるという問題も生じる。

【００１１】したがって、本発明の目的は、上記従来技
術における問題を解決し、ＳＴＩ構造の素子分離溝上部
カドの電解集中を緩和するとともに、素子分離酸化膜の
ディボット発生を抑制し、その後のフォトリソグラフィ
ー、およびドライエッチングを容易にするエッチングプ
ロセスを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、シリコン基板上に第１のシリコン酸化膜を形
成する工程と、上記第１のシリコン酸化膜上に酸化防止
膜を形成する工程と、上記酸化防止膜および上記第１の
シリコン酸化膜に開口を形成し更に該開口下に溝を形成
する工程と、上記酸化防止膜を残したまま上記シリコン
基板を酸化して上記溝内に第２のシリコン酸化膜を形成
する工程と、上記酸化防止膜と上記シリコン基板との間
にある上記第１のシリコン酸化膜の横方向への後退を抑
えながら上記第２のシリコン酸化膜を除去する工程を有
することを特徴としている。

【００１３】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
シリコン基板上に第１のシリコン酸化膜を形成する工程
と、上記第１のシリコン酸化膜上に酸化防止膜を形成す
る工程と、上記酸化防止膜に第１の開口を形成する工程
と、上記第１のシリコン酸化膜の上記第１の開口直下に
上記第１の開口と同一の幅の第２の開口を形成する工程
と、上記第１のシリコン基板の上記第１及び第２の開口
直下にその上部が上記第１及び第２の開口と同一の幅を
有する素子分離溝を形成する工程と、上記シリコン基板
の上記素子分離溝内を酸化して第２のシリコン酸化膜を
形成する工程と、上記第２のシリコン酸化膜を異方性エ
ッチングによりエッチングして上記第１のシリコン酸化
膜の上記第２の開口側壁に反応生成物を付着させる工程
と、上記素子分離溝内に残存した上記第２のシリコン酸
化膜をウェットエッチングにより除去する工程とを備
え、上記反応反応生成物は上記ウェットエッチングにお
いて上記第１のシリコン酸化膜がエッチングされること
を防止することを特徴としている。

【００１４】かかる構成によれば、上記酸化防止膜が第
１のシリコン酸化膜から剥がれることを防止できる。ま
た、上記第２のシリコン酸化膜除去後、上記溝内に絶縁
膜を埋め込むために該絶縁膜をエッチバックする際、埋
め込まれた絶縁膜上部に大きな段差（ディボット）が発
生するのを防ぐことが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の上記および他の目的、特
徴および利点を明確にすべく、添付した図面を参照し
ながら、本発明の実施の形態を以下に詳述する。

【００１６】図１〜図１０に本発明の一実施例としての
半導体装置の製造工程断面図を示す。

【００１７】まず、図１に示すように、シリコン基板１
上に、パッド酸化膜２となる熱酸化膜を５〜２０ｎｍ形
成し、続いて、後の化学的機械研磨（ＣＭＰ）において
ストッパーとなるシリコン窒化膜３を１００〜３００ｎ
ｍ堆積する。次にシリコン窒化膜３の上に、素子分離溝
の幅の開口を有するフォトレジスト４を形成する。次に
図２に示すように、フォトレジスト４をマスクとして、
シリコン窒化膜３、パッド酸化膜２およびシリコン基板
１をドライエッチング法によりエッチングして、幅１０
０〜５０００ｎｍ、深さ２００〜６００ｎｍの素子分離
溝１０を形成する。なお、この素子分離溝１０形成の工
程は、シリコン窒化膜３、及びパッド酸化膜２をフォト
レジスト４をマスクとしたドライエッチング法により所
望の形状にパターニングし、フォトレジストを酸素プラ
ズマ等により除去した後、シリコン窒化膜をマスク材と
したドライエッチング法により素子分離溝を形成する方
法としても構わない。続いて、フォトレジスト４を酸素
プラズマ等により除去した後、図３に示すように、シリ
コン基板１を１０００℃のドライ酸素雰囲気中で２０〜
４０ｎｍ酸化して、分離溝１０内に酸化膜５を形成する
ことにより、溝１０の上部カドを丸く加工する。このと
き、シリコン窒化膜３は酸化防止膜として働くため、パ
ッド酸化膜２の膜厚は増加しない。

【００１８】次に、本発明に従って、シリコン酸化膜５
の除去を行なう。まず、図４に示すように、異方性のド
ライエッチング法にて、垂直方向にパッド酸化膜厚分、
シリコン酸化膜５をエッチングする。例えば、公知のＲ
ＩＥ（リアクティブイオンエッチング）装置にて、ＣＦ
₄ガス流量１０ｓｃｃｍ、ＣＨＦ₃ガス５０ｓｃｃｍ、チ
ャンバー内圧力１０Ｐａ、ＲＦパワー密度３．２Ｗ／ｃ
ｍ²、下部電極温度１０℃のエッチング条件にてドライ
エッチングを行う。この時、パッド酸化膜側壁には、フ
ロロカーボンを含むポリマーのエッチング反応生成物１
１が形成される。その後、図５に示すように、ＨＦ水溶
液を用いた等方性のウェットエッチング法にて、残りの
シリコン酸化膜５を完全に除去する。この時、パッド酸
化膜は、前ステップのドライエッチング時に形成された
エッチング反応生成物１１により側壁を保護されている
ため、横方向へのエッチングを抑制することができる。
次に、図６に示すように、パッド酸化膜側壁に形成され
たエッチング反応生成物１１を、Ｈ₂ＳＯ₄／Ｈ₂Ｏ₂の混
合液を用いたウェット処理にて除去する。

【００１９】図４の工程における異方性エッチングにお
いて形成される反応生成物１１は、溝１０内のシリコン
酸化膜５上を覆って形成されてしまうと、後のウェット
エッチングによって残りのシリコン酸化膜５を除去でき
なくなってしまうため、上述のようにパッド酸化膜２側
壁のみに形成され、溝１０内のシリコン酸化膜５上には
形成されないようなエッチング条件とすることが好まし
い。しかしながら、反応生成物がシリコン酸化膜５上に
も形成された場合でも、全面を覆わず、続くウェットエ
ッチングにおいてシリコン酸化膜５が完全に除去できる
程度にシリコン酸化膜５の一部が露出されていれば問題
ない。その場合、シリコン酸化膜５のウェットエッチン
グ除去後、溝内に残存する反応生成物は、上記と同様、
パッド酸化膜２側壁に形成された反応生成物１１と同時
に、Ｈ₂ＳＯ₄／Ｈ₂Ｏ₂の混合液を用いたウェット処理に
て除去することができる。したがって、この異方性エッ
チングは、エッチング完了時に、生成された反応生成物
がパッド酸化膜２側壁を完全に多い、かつシリコン酸化
膜５の少なくとも一部を露出するエッチング条件とす
る。

【００２０】次に、図７に示すように、素子分離溝１０
内およびシリコン窒化膜３上に素子分離絶縁膜としてシ
リコン酸化膜６をプラズマＣＶＤにより形成する。その
後、図８に示すように、シリコン窒化膜３をストッパと
してＣＭＰを行ない、素子分離酸化膜６の上面を平坦化
する。このとき、シリコン窒化膜３も同時に研磨される
ため、膜厚が減少している。次に、図９に示すように、
シリコン窒化膜３をウェットエッチングにより選択的に
除去する。

【００２１】続いて、ウェットエッチングによりパッド
酸化膜２を除去すると共に、素子分離酸化膜６の上面を
エッチバックすることにより図１０に示すように素子分
離溝１０内に素子分離酸化膜６を残存させる。このと
き、上述のように本発明の適用により、シリコン酸化膜
５を除去する際にパッド酸化膜２にサイドエッチが生じ
ていないため、図１７の従来技術で生じていたような大
きなディボットが発生することが防止されている。本実
施例においても、溝１０上部カドの丸まった部分で基板
１と素子分離酸化膜６上部の境界に若干の段差が生じて
いるが、これは従来技術のように、その後のフォトリソ
グラフィーやドライエッチング工程において悪影響を及
ぼすようなものではなく、極めて小さなものとすること
ができる。

【００２２】なお、図９においては、シリコン窒化膜３
を除去したことによりパッド酸化膜２の上面よりも素子
分離酸化膜６上面が突出した形状となっているが、パッ
ド酸化膜２が熱酸化膜であるのに対し、シリコン酸化膜
６はプラズマＣＶＤにより形成されたものであるため、
続くウェットエッチングにおいては、シリコン酸化膜６
の方がパッド酸化膜２よりもエッチングレートが高くな
り、したがって、パッド酸化膜２が完全に除去された時
点で、図１０のように、素子分離酸化膜６上面とシリコ
ン基板１の上面とを同じ高さとすることができる。

【００２３】このように、本実施の形態によれば、ディ
ボットが抑制されたＳＴＩ構造を容易に形成することが
できる。

【００２４】また、シリコン酸化膜５除去時に、パッド
酸化膜２にサイドエッチが生じないことにより、パッド
酸化膜２とシリコン窒化膜３との密着性の減少を防止で
き、したがって、シリコン窒化膜３のハガレを抑制する
効果も得られる。

【００２５】上記実施の形態において、シリコン酸化膜
５を除去する際、エッチング条件によっては、同時にシ
リコン窒化膜３もエッチングされてその膜厚が減少して
しまう場合が生じるが、このシリコン窒化膜３は、後の
ＣＭＰにおけるストッパ膜であるため、ストッパとして
機能するための十分な膜厚が必要である。そのため、シ
リコン窒化膜３にかえて、シリコン窒化膜上にシリコン
酸化膜を堆積した積層構造とし、シリコン酸化膜５除去
の際にシリコン窒化膜３がエッチングされるのを防止す
るようにしてもよい。このシリコン酸化膜は、素子分離
酸化膜をＣＭＰ法で研磨する際に一緒に除去可能であ
る。

【００２６】また、電界集中緩和の為の熱酸化膜５の形
成は、１０００℃ウェット酸素雰囲気中で行ってもよ
い。

【００２７】上記実施の形態では、ＣＭＰのストッパー
膜として、シリコン窒化膜を用いたが、これは素子分離
絶縁膜のＣＭＰの際にストッパーとして機能する膜であ
ればよく、例えば、カーボン系の膜等を用いても構わな
い。

【００２８】シリコン酸化膜５の異方性エッチングを、
上記実施の形態では、ＣＦ₄とＣＨＦ₃の混合ガスを用い
て行なうと、パッド酸化膜２側壁にエッチング反応生成
物が特に生成され易いため、このガスを用いておこなっ
たが、これに限らず、Ｃ₃Ｆ₈やＣ₅Ｆ₈等のガスを用いる
ことも可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、素子分
離溝の上部のカドへの電界集中を緩和させるべく溝上部
カドを丸くするために形成した熱酸化膜の除去を、半導
体基板上に形成されているパッド酸化膜の横方向への後
退を抑えながら行なうため、後に素子分離絶縁膜を溝に
埋め込むためのウェットエッチングにおいて、素子分離
絶縁膜上部に大きなディボットが発生することを防止す
ることが可能となる。

【００３０】なお、本発明は上記各実施例に限定され
ず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適
宜変更され得ることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図２】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図３】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図４】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図５】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図６】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図７】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図８】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図９】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図１０】従来技術による半導体装置の製造方法の工程
断面図。

【図１１】第１の従来技術による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図１２】第１の従来技術による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図１３】第１の従来技術による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図１４】第２の従来技術による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図１５】第２の従来技術による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図１６】第２の従来技術による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【図１７】第２の従来技術による半導体装置の製造方法
の工程断面図。

【符号の説明】

１シリコン基板２パッド酸化膜３シリコン窒化膜４フォトレジスト５シリコン酸化膜６素子分離酸化膜１０素子分離溝１１エッチング反応生成物１２，１３ボイド１４ディボット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板上に第１のシリコン酸化膜
を形成する工程と、前記第１のシリコン酸化膜上に酸化
防止膜を形成する工程と、前記酸化防止膜および前記第
１のシリコン酸化膜に開口を形成し更に該開口下に溝を
形成する工程と、前記酸化防止膜を残したまま前記シリ
コン基板を酸化して前記溝内に第２のシリコン酸化膜を
形成する工程と、前記酸化防止膜と前記シリコン基板と
の間にある前記第１のシリコン酸化膜の横方向への後退
を抑えながら前記第２のシリコン酸化膜を除去する工程
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】前記第２のシリコン酸化膜を除去する工
程は、ドライエッチングとウェットエッチングの２段階
の工程で行なわれ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３】前記ドライエッチングにより前記第１の
シリコン酸化膜の前記開口部側壁にエッチング反応生成
物が形成されることを特徴とする請求項２記載の半導体
装置の製造方法。
【請求項４】シリコン基板上に第１のシリコン酸化膜
を形成する工程と、前記第１のシリコン酸化膜上に酸化
防止膜を形成する工程と、前記酸化防止膜に第１の開口
を形成する工程と、前記第１のシリコン酸化膜の前記第
１の開口直下に前記第１の開口と同一の幅の第２の開口
を形成する工程と、前記第１のシリコン基板の前記第１
及び第２の開口直下にその上部が前記第１及び第２の開
口と同一の幅を有する素子分離溝を形成する工程と、前
記シリコン基板の前記素子分離溝内を酸化して第２のシ
リコン酸化膜を形成する工程と、前記第２のシリコン酸
化膜を異方性エッチングによりエッチングして前記第１
のシリコン酸化膜の前記第２の開口側壁に反応生成物を
付着させる工程と、前記素子分離溝内に残存した前記第
２のシリコン酸化膜をウェットエッチングにより除去す
る工程とを備え、前記反応反応生成物は前記ウェットエ
ッチングにおいて前記第１のシリコン酸化膜がエッチン
グされることを防止することを特徴とする半導体装置の
製造方法。
【請求項５】前記ウェットエッチングの後前記素子分
離溝内および前記酸化防止膜上に素子分離絶縁膜を形成
する工程と、前記素子分離絶縁膜上部を化学的機械研磨
（ＣＭＰ）により除去する工程とを更に備え、前記酸化
防止膜は前記ＣＭＰを行なう際にストッパとして働くこ
とを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記第１のシリコン酸化膜は熱酸化膜で
あり、前記素子分離絶縁膜はＣＶＤシリコン酸化膜であ
ることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項７】前記異方性エッチングは、ＣＦ₄ガスと
ＣＨＦ₃ガスの混合ガスを用いたドライエッチングであ
ることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造
方法。
【請求項８】前記酸化防止膜はシリコン窒化膜である
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導
体装置の製造方法