JP2002261247A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Abstract
子分離のための溝の上側コーナー部におけるしきい電圧
の変動を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を
提供すること。 【解決手段】 シリコン基板30に素子分離のための溝
33を形成した後、熱酸化により溝の上側コーナー部3
4を丸めることで、この部分の電界集中を抑制するとと
もに空乏層の横方向広がりを大きくしてしきい電圧が上
昇するようにしておく。次に、ボロンをイオン注入して
nMOSFETの溝の上側コーナー部34におけるしき
い電圧を上げておく。従って、nMOSFETにおいて
はその後の熱処理での不純物拡散によるしきい電圧の低
下を相殺することができる。一方、pMOSFETにお
いては前記熱酸化により溝の上側コーナー部34のしき
い電圧を上げているので、前記ボロンのイオン注入によ
るしきい電圧の低下を相殺することができる。
Description
造方法に関し、より特定的には、半導体基板に溝を形成
することにより素子間を分離する工程を含む半導体装置
の製造方法に関する。
を実現するために、デザインルールのさらなる縮小が検
討されている。今日では、256MDRAM(Dyna
micRandom Access Memory)の
試作、及びゲート長0.1μmのCMOS(Compl
ementary Metal Oxide Semi
conductor)トランジスタの試作が発表されて
いる。このようなトランジスタの微細化の進展により、
スケーリング則に従ったデバイスサイズの縮小化と、そ
れに伴う動作の高速化とが期待される。
タの微細化と同時に、微細化したトランジスタ間を分離
する素子分離技術の向上が非常に重要になってくる。従
来、素子分離の技術としてはLOCOS法が用いられて
きたが、素子間を酸化分離する際のシリコン酸化膜の横
方向の広がり(バーズビーク)により、素子分離幅を十
分に縮小することができなくなってきている。そこで、
素子間に素子分離用の溝を形成し、シリコン酸化膜を埋
め込むことにより素子分離を行うSTI(Shallo
w Trench Isoration)法が提案され
ている。
法でのバーズビークによる素子分離幅の制限が解消され
るため、デバイスのさらなる微細化を進めることができ
る。しかしながら、このようなSTI法を採用した場
合、溝の上側コーナー部がLOCOS法に比較して尖っ
た形状となり、トランジスタを作成すると、ゲートから
チャネルへの電界がコーナー部で集中するために、溝の
上側コーナー部においてしきい電圧が低下する。そし
て、このしきい電圧が低下した部分を介して、リーク電
流が流れやすくなるという問題が生じる。
ナー部を丸めることにより、電界集中を抑制することが
知られているが、電界集中によるしきい電圧の低下を抑
制したとしても、溝の上側コーナー部における不純物拡
散によりしきい電圧が変動する問題が生じる。例えば、
nMOSFETにおいては通常チャネルにボロンを注入
しているが、ボロンはシリコン酸化膜に向けて外方拡散
するため、溝の上側コーナー部でのボロン濃度が低下す
る。その結果、溝の上側コーナー部においてしきい電圧
の低い部分が生じる。
純物拡散に起因するしきい電圧の低下が発生することを
抑制する技術が、特開2000−150878号公報に
おいて提案されている。この提案された半導体装置の製
造方法では、まず、半導体基板上に素子分離のための溝
を形成する。そして、前記半導体基板の主面に対して斜
め方向から、チャネル領域を形成するための不純物と同
じ電導型の不純物をイオン注入する。
記のように、溝の上側コーナー部における不純物拡散に
起因するしきい電圧の低下を抑制するために、チャネル
領域と同じ電導型の不純物をイオン注入している。これ
を基板上に第1電導型のチャネル領域と第1電導型とは
異なる第2電導型のチャネル領域とを有するCMOSト
ランジスタに適用する場合を考えると、チャネルと同じ
電導型の不純物をイオン注入するためには、例えば、第
1電導型のチャネル領域に第1電導型の不純物をイオン注
入する場合を考えると、第2電導型のチャネル領域をマ
スクする必要が生じてくる。
ン注入時にマスクによるシャドーイングが発生しイオン
注入が不可能となるため、マスク工程を今後も使いつづ
けることは困難である。したがって、マスク工程を用い
ずに半導体基板全面に不純物をイオン注入することが必
要となる。ところが、例えば第1電導型の溝の上側コー
ナー部における不純物拡散によるしきい電圧の低下を抑
制するために、第1の電導型の不純物イオンを半導体基
板全面に注入したとすると、当然のことながら第2電導
型のチャネル領域にも第1電導型の不純物が注入される
ことになり、第2電導型の溝の上側コーナー部において
は不純物の働きが相殺されてしきい電圧が低下してしま
い、このしきい電圧が低下した部分を介してリーク電流
が流れやすくなるという問題が発生する。
第1電導型および第2電導型のそれぞれのチャネルにお
いて、溝の上側コーナー部のしきい電圧の変動を抑制す
ることで、この部分におけるリーク電流の増大を抑える
ことができる半導体装置の製造方法を提供することにあ
る。
製造方法は、第1電導型のチャネル領域と第1電導型と
は異なる第2電導型のチャネル領域を備えた半導体装置
の製造方法において、半導体基板に素子を分離するため
の溝を形成する第1の工程と、熱酸化によって前記溝の
上側コーナー部を丸める第2の工程と、前記溝の上側コ
ーナー部を含む半導体基板全面に第1の不純物を注入す
る第3の工程と、前記第1電導型と第2電導型のチャネ
ルとなる領域を形成するために第2の不純物を注入する
第4の工程と、前記半導体基板に熱処理を行う第5の工
程と、を含むことをその要旨とする。
項1の発明において、前記第3の工程は、前記溝の形成
に用いたマスク材料を残したまま、前記溝の上側コーナ
ー部を含む半導体基板全面に不純物を注入することをそ
の要旨とする。請求項3の半導体装置の製造方法は、第
1電導型のチャネル領域と第1電導型とは異なる第2電
導型のチャネル領域を備えた半導体装置の製造方法にお
いて、半導体基板にシリコン酸化膜およびシリコン窒化
膜を堆積する第1の工程と、レジストマスクを用いて、
前記シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜をパターニン
グする第2の工程と、前記レジストを除去する第3の工程
と、前記パターニングしたシリコン窒化膜をマスクとし
て半導体基板に溝を形成する第4の工程と、熱酸化処理
により前記溝の上部コーナー部を丸める第5の工程と、
前記シリコン窒化膜をマスクとして、前記溝の上側コー
ナー部を含む半導体基板全面に第1の不純物注入を行う
第6の工程と、前記第1電導型と第2電導型のチャネル
となる領域を形成するために第2の不純物を注入する第
7の工程と、前記半導体基板に熱処理を行う第8の工程
と、を含むことをその要旨とする。
項1〜3のいずれか1項の発明において、前記半導体基
板全面に注入する第1の不純物がボロンであることをそ
の要旨とする。請求項5の半導体装置の製造方法は、請
求項1〜4のいずれか1項の発明において、前記半導体
基板に行う熱処理の温度が700℃〜1100℃である
ことをその要旨とする。請求項6の半導体装置の製造方
法は、請求項1〜5のいずれか1項の発明において、前
記熱酸化の温度が1000〜1200℃で酸化膜厚が5
0〜600nmであることをその要旨とする。
項1〜6のいずれか1項の発明において、前記チャネル
領域を形成するための第2の不純物として、前記第1電
導型のチャネルにおいてはボロンイオンを用い、前記第
2電導型のチャネルにおいては砒素または燐イオンを用
いることをその要旨とする。
図9に示す製造プロセス断面図に従って説明する。 工程1(図1参照):p型単結晶シリコン基板30の主
表面上おいて、シリコン酸化膜31、シリコン窒化膜3
2を順に形成する。次にレジストを塗布し、パターニン
グした後、このレジストをマスクとして、シリコン窒化
膜32、シリコン酸化膜31をパターニングし、レジス
トを除去した後、前記パターニングしたシリコン窒化膜
をマスクとしてシリコン基板30に溝33を形成する。
溝33を介して、左側がnMOSFETを形成する領
域、右側がpMOSFETを形成する領域である。な
お、p型単結晶シリコン基板30が本発明における「半
導体基板」の一例である。
とにより溝33の内壁にシリコン酸化膜35を50nm
から600nm堆積することで溝の上側コーナー部34
を丸める(丸め酸化)。丸め酸化の熱処理温度は100
0℃から1200℃の範囲で行う。コーナー部の形状を
丸くするためにはできるだけ酸化種の拡散律速によって
酸化することが好ましいので、酸化種は拡散係数が低い
ものを選び、酸化温度は高いほうがよい。したがって、
昇温中の温度が低い段階ではできるだけ酸化が起こらな
いように酸素濃度を低く抑え、酸化種に拡散係数の小さ
いO2を用いるDry酸化法を用いることが有効であ
る。
垂直な方向に対して20°〜70°の角度で、4〜8方
向から、シリコン基板30全面にボロンをイオン注入す
る。溝の上側コーナー部34にボロンが十分注入される
ような方向からイオン注入を行う。注入エネルギーとし
ては、半導体基板表面に注入した不純物の濃度のピーク
がくる程度の低いエネルギーで十分であり、10〜30
keVで行う。注入量は5×1011cm-2〜1×1014
cm-2でよい。ここで注入量が5×1012cm -2以上に
なると、接合リーク電流が急激に増大するため、これを
抑えるためには注入量を5×1012cm-2以下にするこ
とが好ましい。
コン酸化膜36を溝33内に埋め込み、900℃〜12
00℃、1分〜30分の熱処理を行い、シリコン酸化膜
の膜質の安定化を行う。 工程5(図5参照):前記シリコン窒化膜32をストッ
パーとして、CMP(Chemical Mechan
ical Polish)法により余分なシリコン酸化
膜36を除去する。
によりシリコン窒化膜32、シリコン酸化膜31を除去
する。ここで、CVD法により形成されたシリコン酸化
膜36は熱酸化により形成されたシリコン酸化膜31よ
りもエッチレートが高いために図6に示すように溝の上
側コーナー部34においてシリコン酸化膜36が窪んだ
状態になる。
なるシリコン酸化膜37を熱酸化により形成し、pMO
SFET領域にイオン注入マスク38をしてnMOSF
ETを形成する領域にボロンを注入し、p型のチャネル
領域を39を形成する。 工程8(図8参照):nMOSFET領域にイオン注入
マスク40をしてpMOSFETを形成する領域に砒素
を注入し、n型のチャネル領域41を形成する。
よりシリコン酸化膜37を除去した後、ゲート酸化膜4
2を熱酸化により形成する。熱酸化温度は800〜90
0℃で行う。次に多結晶シリコン膜を堆積し、これをパ
ターニングしてゲート電極43を形成する。その後、イ
オン注入により、nMOSFET領域には砒素を、pM
OSFET領域にはボロンを注入してソース・ドレイン
領域を形成し、RTA(Rapid Thermal
Annealing)法によって700〜1100℃、
0.1〜30秒の熱処理を行って不純物を活性化させ、
ソース・ドレインを形成する。
ドレインの活性化のときの熱処理によって、溝の上側コ
ーナー部34のボロンが酸化膜に向かって外方拡散する
ために、溝の上側コーナー部34においてボロン濃度が
低下する。本実施形態においては、工程2において溝の
上側コーナー部34を丸めることで、ゲート電極43か
ら溝の上側コーナー部34に向かう電界分布が変化す
る。この様子を示したのが図10である。図10(a)
は丸め酸化を行わない場合であって、溝の上側コーナー
部34が尖った形状をしているために、図10(a)の
Aにおいて電界集中が著しく発生し、しきい電圧が低下
してしまう。図10(b)は丸め酸化を行った場合であ
って、丸め酸化を行うと溝の上側コーナー部34が丸ま
り、電界集中は減少する。一方、溝の上側コーナー部が
丸まることで図10(b)のBに示すように空乏層が横
方向に広がっていき、チャネルが反転するために多くの
空乏電荷を必要とするようになるのでこの部分のしきい
電圧が高くなる。
4にボロンをイオン注入している。この注入によって、
nMOSFETの溝の上側コーナー部においてはボロン
の濃度が増大して、つまりp型不純物濃度が増大し、そ
の結果、しきい電圧が上昇する。一方、pMOSFET
の溝の上側コーナー部においてはp型不純物であるボロ
ンがpMOSFETのチャネルを形成するn型不純物で
ある砒素の働きを相殺してしきい電圧が低下する。この
段階においては、nMOSFETはしきい電圧が上昇し
た状態であり、pMOSFETはしきい電圧が低下した
状態である。
ャネルを形成するボロンが酸化膜に向かって外方拡散す
るために、nMOSFETにおいてはしきい電圧が低下
して、工程2および3におけるしきい電圧の上昇と相殺
する。すなわち、nMOSFETのしきい電圧の変動を
抑制することができる。一方、pMOSFETにおいて
はn型不純物である砒素の働きを相殺していたボロンが
減少するので、しきい電圧が上昇し、工程3におけるし
きい電圧の低下を相殺する。すなわち、pMOSFET
のしきい電圧の変動を抑制することができる。
圧の変動を抑制するには、工程2の丸め酸化における溝
の上側コーナー部の丸まりおよび工程3の不純物の注入
量および工程9におけるボロンの不純物拡散の3者の関
係を調整する必要がある。すなわち、nMOSFETに
おいては工程2におけるしきい電圧の上昇と工程3にお
けるしきい電圧の上昇および工程9におけるしきい電圧
の低下が相殺されるように、また、pMOSFETにお
いては工程2におけるしきい電圧の上昇と工程3におけ
るしきい電圧の低下および工程9におけるしきい電圧の
上昇が相殺されるようにするのである。これにはまず、
工程2の丸め酸化における溝の上側コーナー部の丸まり
としきい電圧の変動量の関係を明らかにする。コーナー
部の丸まりを変えるには丸め酸化膜厚を変えることで容
易に行えるので、丸め酸化膜厚をパラメータにとってし
きい電圧の変動量を測定する。しきい電圧の変動量はゲ
ート幅が十分広いトランジスタとターゲットとなるゲー
ト幅が狭いトランジスタのしきい電圧の差(ΔVt)を
測定すればよい。
軸にΔVtをプロットしたものである。このように丸め
酸化膜厚を大きくする、すなわち丸め酸化における丸ま
りの半径を大きくすることでΔVtが上昇していく。こ
こでnMOSFETにおいてpMOSFETよりもΔV
tが低下しているのは、pMOSFETにおいては不純
物拡散によるΔVtの低下がないが、nMOSFETに
おいては工程9におけるボロンの不純物拡散によりΔV
tが低下するからである。次に工程3におけるボロンの
イオン注入によってnMOSFETのΔVtを増加さ
せ、pMOSFETのΔVtを低下させることで、両者
のΔVtを同じにすると、図12の太線のようになる。
この図においてnMOSFET、pMOSFETのΔV
tがともに0になる条件を選べばよい。この条件で工程
2の丸め酸化、工程3の不純物注入および工程9の熱処
理を行うことで、溝の上側コーナー部におけるしきい電
圧の変動がない安定した特性のデバイスを作成すること
ができる。なお、ここではしきい電圧の変動(ΔVt)
を0にしているが、ΔVtの目標値はデバイスに要求さ
れる性能値に応じて適宜設定されるべきものである。
作用効果を呈する。 (1)丸め酸化およびボロンのイオン注入によってあら
かじめnMOSFETの溝の上側コーナー部34におけ
るしきい電圧が上がるようにしているために、その後の
熱処理で不純物が拡散することによるこの部分のしきい
電圧の低下を相殺することができ、nMOSFETの溝
の上側コーナー部34におけるリーク電流の増大を抑制
することができる。 (2)丸め酸化によってあらかじめpMOSFETの溝
の上側コーナー部34におけるしきい電圧が上がるよう
にしているために、半導体基板全面にボロンを注入する
ことによるこの部分のしきい電圧の低下を相殺すること
ができ、pMOSFETの溝の上側コーナー部34にお
けるリーク電流の増大を抑制することができる。 (3)半導体基板全面にボロンを注入することにより、
イオン注入マスクによりイオン注入領域を制限する必要
がなくなり、イオン注入時にマスクによるシャドーイン
グが起こることがなく、確実に溝の上側コーナー部に不
純物を導入し、溝の上側コーナー部におけるしきい電圧
の低下を抑制することができる。
点で例示であって制限的なものではないと考えられるべ
きである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明で
はなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求
の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含
まれる。例えば、以上に説明した実施形態は、以下の通
り変更しても良い。
て、導電性基板やガラスなどの絶縁性基板を用いる、す
なわち、上記した実施形態では、単結晶シリコン基板上
に電界効果型トランジスタを形成する例を示している
が、本発明はこれに限らず、例えば薄膜トランジスタの
ように絶縁性基板の上に半導体層を形成し、この半導体
層にデバイスを形成するものに対しても十分に適用が可
能である。
体基板のみならず、このような半導体層を含む広い概念
である。
導型のチャネル領域と第1電導型とは異なる第2電導型
のチャネル領域が混在するものにおいて、溝の上側コー
ナー部におけるしきい電圧の変動を抑制することができ
る。
置の製造工程を順に示す図である。
置の製造工程を順に示す図である。
置の製造工程を順に示す図である。
置の製造工程を順に示す図である。
置の製造工程を順に示す図である。
置の製造工程を順に示す図である。
置の製造工程を順に示す図である。
置の製造工程を順に示す図である。
置の製造工程を順に示す図である。
る空乏層の横方向広がりが大きくなることを示す図であ
る。
スタに対するゲート幅が狭いトランジスタのしきい電圧
の相関を示す図である。
スタに対するゲート幅が狭いトランジスタのしきい電圧
の相関を示す図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 第1電導型のチャネル領域と第1電導型
とは異なる第2電導型のチャネル領域を備えた半導体装
置の製造方法において、半導体基板に素子を分離するた
めの溝を形成する第1の工程と、熱酸化によって前記溝
の上側コーナー部を丸める第2の工程と、前記溝の上側
コーナー部を含む半導体基板全面に第1の不純物を注入
する第3の工程と、前記第1電導型と第2電導型のチャ
ネルとなる領域を形成するために第2の不純物を注入す
る第4の工程と、前記半導体基板に熱処理を行う第5の
工程と、を含むことを特徴とした半導体装置の製造方
法。 - 【請求項2】 前記第3の工程は、前記溝の形成に用い
たマスク材料を残したまま、前記溝の上側コーナー部を
含む半導体基板全面に不純物を注入することを特徴とす
る、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】 第1電導型のチャネル領域と第1電導型
とは異なる第2電導型のチャネル領域を備えた半導体装
置の製造方法において、半導体基板にシリコン酸化膜お
よびシリコン窒化膜を堆積する第1の工程と、レジスト
マスクを用いて、前記シリコン酸化膜およびシリコン窒
化膜をパターニングする第2の工程と、前記レジストを
除去する第3の工程と、前記パターニングしたシリコン
窒化膜をマスクとして半導体基板に溝を形成する第4の
工程と、熱酸化処理により前記溝の上部コーナー部を丸
める第5の工程と、前記シリコン窒化膜をマスクとし
て、前記溝の上側コーナー部を含む半導体基板全面に第
1の不純物注入を行う第6の工程と、前記第1電導型と第
2電導型のチャネルとなる領域を形成するために第2の
不純物を注入する第7の工程と、前記半導体基板に熱処
理を行う第8の工程と、を含むことを特徴とした半導体
装置の製造方法。 - 【請求項4】 前記半導体基板全面に注入する第1の不
純物がボロンであることを特徴とする、請求項1〜3の
いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記半導体基板に行う熱処理の温度が7
00℃〜1100℃であることを特徴とする、請求項1
〜4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】 前記熱酸化の温度が1000〜1200
℃で酸化膜厚が50〜600nmであることを特徴とす
る、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置の
製造方法。 - 【請求項7】 前記チャネル領域を形成するための第2
の不純物として、前記第1電導型のチャネルにおいては
ボロンイオンを用い、前記第2電導型のチャネルにおい
ては砒素または燐イオンを用いることを特徴とする、請
求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方
法。
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