JP2003163262A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JP2003163262A JP2001362030A JP2001362030A JP2003163262A JP 2003163262 A JP2003163262 A JP 2003163262A JP 2001362030 A JP2001362030 A JP 2001362030A JP 2001362030 A JP2001362030 A JP 2001362030A JP 2003163262 A JP2003163262 A JP 2003163262A
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silicon oxide
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トレンチで半導体素子を確実に分離できる半
導体装置を提供する。 【解決手段】 半導体装置の製造方法は、開口103h
を有するシリコン窒化膜103を形成する工程と、シリ
コン基板101の一部分を開口103hに沿って選択的
に除去することにより、側面と底面とにより規定される
凹部をシリコン基板101に形成する工程と、凹部の側
面と底面とを酸化して側部105sと底部105bとを
有する熱酸化膜105を形成する工程と、シリコン窒化
膜103をマスクとして熱酸化膜105の底部105b
とシリコン基板101の一部分とを選択的に除去するこ
とによりトレンチを形成する工程とを備える。

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、半導体装置およ
びその製造方法に関し、特に、素子分離用のトレンチを
有する半導体装置およびその製造方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体基板の上に形成された半導
体素子を分離するためにトレンチ分離を用いた半導体装
置が知られている。図16〜図21は、従来の半導体装
置の製造方法を示す断面図である。図16を参照して、
シリコン基板1の(001)面で表わされる表面に、厚
みが約20nmの熱酸化膜2を形成する。次に、熱酸化
膜2上に厚みが約200nmのシリコン窒化膜3を形成
する。シリコン窒化膜3上にレジストを塗布し、このレ
ジストを写真製版することによりレジストパターン4を
形成する。レジストパターン4をマスクとしてシリコン
窒化膜3および熱酸化膜2をドライエッチングする。こ
のとき、シリコン基板1の一部分がエッチングされて凹
部1hも形成される。
【0003】図17を参照して、レジストパターン4を
除去した後パターニングされたシリコン窒化膜3および
熱酸化膜2をマスクとしてシリコン基板1をドライエッ
チングする。これによって深さが約300nmのトレン
チ7を形成する。
【0004】図18を参照して、トレンチ7をエッチン
グで形成する際には、プラズマを用いる。プラズマによ
り生じたダメージ層の除去を目的として、さらに、トレ
ンチ7のコーナー部分7cでの電界集中を防ぐためのト
レンチ7のコーナー部分7cを丸めることを目的とし
て、トレンチの表面を熱酸化する。これにより、厚みが
約30nmの熱酸化膜5を形成する。
【0005】図19を参照して、厚みが約500nmの
シリコン酸化膜9を形成する。このシリコン酸化膜9
は、トレンチ7を埋込む。
【0006】図20を参照して、シリコン酸化膜9を除
去してシリコン窒化膜3を露出させる。シリコン酸化膜
9の除去方法としては、CMP(化学的機械的研磨法)
またはエッチバックを用いる。
【0007】図21を参照して、シリコン酸化膜9をフ
ッ酸で所定量だけウエットエッチングした後、シリコン
窒化膜3を熱リン酸で除去する。これにより、トレンチ
素子分離(STI:Shallow Trench Isolation)10が
形成される。その後、n型ウェル、p型ウェル、ゲート
酸化膜、ゲート電極、ソース・ドレイン領域などの形成
を行ない、トランジスタなどの素子を形成する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来の製造方法で生じ
る問題点を以下に説明する。図22は、従来の製造工程
で生じる問題点を示す断面図である。図22を参照し
て、トレンチ7のコーナー部分7cをさらに丸めるため
には、熱酸化により形成される熱酸化膜5の厚みは厚い
ほど好ましい。このため、図22で示すように、熱酸化
量を大きくして、熱酸化膜5の厚みを大きく(たとえば
60nm)することが考えられる。しかしながら、熱酸
化膜5の量を大きくすると、シリコン基板1の表面側か
ら見たトレンチ7の開口幅W2が、図18でのトレンチ
7の開口幅W1より小さくなる。その後、図19で示す
工程において、トレンチ7にシリコン酸化膜9を埋込む
ことが困難となり、埋込性が悪くなる。これにより素子
分離が確実に行なうことができなくなり、半導体装置の
信頼性が低下するという問題があった。
【0009】そこで、この発明は上述のような問題点を
解決するためになされたものであり、信頼性の高い半導
体装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明に従った半導体
装置の製造方法は、シリコンを含む半導体基板の主表面
に、第1の開口を有するマスク層を形成する工程と、マ
スク層をマスクとして半導体基板の一部分を第1の開口
に沿って選択的に除去することにより、側面と底面とに
より規定される凹部を半導体基板に形成する工程と、凹
部の側面と底面とを酸化して側部と底部とを有する第1
のシリコン酸化膜を形成する工程と、マスク層をマスク
として第1のシリコン酸化膜の底部と半導体基板の一部
分とを選択的に除去することによりトレンチを形成する
工程と、トレンチの表面を酸化する工程とを備える。
【0011】このような工程を備えた半導体装置の製造
方法に従えば、凹部の側面と底面とを酸化して側部と底
部を有するシリコン酸化膜を形成した後トレンチを形成
し、その後トレンチの表面を酸化する。したがって、ト
レンチの表面の大部分は1回酸化されるのに対して、凹
部の側部は、第1のシリコン酸化膜を形成する工程と、
その後のトレンチ表面を酸化する工程との2つの工程で
酸化される。このため、トレンチのコーナー部分は二度
酸化されるため、この部分での酸化量が大きくなる。し
たがって、トレンチのコーナー部分での電界集中を防止
することができる。さらに、その他の部分のトレンチの
表面は一度酸化されるだけであるため、トレンチの開口
径を小さくしすぎることがない。その結果、後の工程で
トレンチを絶縁膜で埋込みやすくなり信頼性の高い半導
体装置を提供することができる。
【0012】また好ましくは、半導体装置の製造方法
は、マスク層を形成する前に半導体基板の主表面に第2
のシリコン酸化膜を形成する工程をさらに備える。凹部
を形成する工程は、第2のシリコン酸化膜の一部分を除
去して第1の開口に連なる第2の開口を第2のシリコン
酸化膜に形成するとともに、半導体基板の一部分を除去
して第2の開口に連なる凹部を形成することを含む。こ
の場合、マスク層と半導体基板との間にシリコン酸化膜
を形成するため、マスク層が半導体基板に応力などを加
えるのを防止することができる。
【0013】また好ましくは、第1のシリコン酸化膜を
形成する工程は、第2の開口を規定する第2のシリコン
酸化膜の部分に連なるように第1のシリコン酸化膜を形
成する工程を含む。
【0014】また好ましくは、半導体装置の製造方法
は、第2のシリコン酸化膜とマスク層との間にポリシリ
コン層を形成する工程をさらに備える。凹部を形成する
工程は、ポリシリコン層の一部分を除去して第1の開口
に連なる第3の開口をポリシリコン層に形成するととも
に、第3の開口に連なる第2の開口と凹部とを形成する
ことを含む。第1のシリコン酸化膜を形成する工程は、
第3の開口を規定するポリシリコン層の部分を酸化して
第1のシリコン酸化膜を形成することを含む。この場
合、ポリシリコン層も酸化されて第1のシリコン酸化膜
が形成されるため、シリコン酸化膜の厚みを厚くするこ
とができる。そのため、トレンチのコーナー部分での電
界集中をさらに緩和することができる。
【0015】また好ましくは、ポリシリコン層を形成す
る工程は、フローティングゲート電極となる帯状導電層
を形成する工程を含む。半導体装置の製造方法は、トレ
ンチを形成した後に帯状導電層をパターニングしてフロ
ーティングゲート電極を形成する工程をさらに備える。
この場合、帯状導電層の側壁部分が酸化されるためこの
部分でのシリコン酸化膜の厚みが厚くなる。その後、帯
状導電層をパターニングしてフローティングゲート電極
を形成すれば、フローティングゲート電極からトレンチ
まで続くシリコン酸化膜が形成される。その結果、トレ
ンチのコーナー部分を丸めることができ、電界集中を緩
和することができる不揮発性の半導体記憶装置を提供す
ることができる。
【0016】また好ましくは、トレンチを形成する工程
は、第1のシリコン酸化膜の底部を除去するとともに、
第1のシリコン酸化膜の側部を残存させる工程を含む。
この場合、第1のシリコン酸化膜の側部が残存するた
め、この部分でのシリコン酸化膜の厚みが厚くなりトレ
ンチのコーナー部での電界集中を緩和することができ
る。
【0017】また好ましくは、マスク層を形成する工程
は、シリコン窒化膜を含むマスク層を形成することを含
む。
【0018】この発明に従った半導体装置は、上述のい
ずれかの方法で製造される。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面を参照して説明する。
【0020】(実施の形態1)図1〜8は、この発明の
実施の形態1に従った半導体装置の製造方法を説明する
ための断面図である。図1を参照して、シリコン基板1
01の表面に、厚みが約20nmの第2のシリコン酸化
膜としての熱酸化膜102を形成する。熱酸化膜102
上に、厚みが約200nmのシリコン窒化膜103を形
成する。シリコン窒化膜103上にレジストを塗布し、
このレジストをパターニングすることによりレジストパ
ターン104を形成する。レジストパターン104をマ
スクとしてシリコン窒化膜103、熱酸化膜102およ
びシリコン基板101をドライエッチングする。これに
より、マスク層としてのシリコン窒化膜103には第1
の開口としての開口103hが形成される。熱酸化膜1
02には、第1の開口に連なる第2の開口としての開口
102hが形成される。シリコン基板101には、側面
101sと底面101bとを有する、第1および第2の
開口に連なる凹部101hが形成される。
【0021】図2を参照して、レジストパターン104
を除去する。その後、熱酸化により、厚みが約30nm
の第1のシリコン酸化膜としての熱酸化膜105を形成
する。熱酸化膜105は、熱酸化膜102のうち開口1
02hを規定する部分に連なり、側面101sが酸化さ
れて形成された側部105sと、底面101bが酸化さ
れて形成された底部105bとを有する。
【0022】図3を参照して、パターニングされたシリ
コン窒化膜103および熱酸化膜102をマスクとして
熱酸化膜105をドライエッチングする。これにより、
熱酸化膜105の底部105bが除去され、側部105
sが残存する。この側部105sが残存する部分の厚み
H1は、シリコン酸化膜の厚みが熱酸化膜102の厚み
よりも厚くなっており、この側部105sがバーズビー
クとして存在する。
【0023】図4を参照して、シリコン基板101をド
ライエッチング(プラズマエッチング)することによ
り、開口103hに沿ってシリコン基板101の一部分
を除去して深さが約300nmのトレンチ107を形成
する。
【0024】図5を参照して、トレンチ107を形成す
る際のプラズマエッチングによるダメージ層の除去を目
的として、また、トレンチ107のコーナー部分107
cでの電界集中を防ぐためのコーナー部分107cを丸
めることを目的として、トレンチ107の表面を熱酸化
する。これにより厚みが約30nmの熱酸化膜115を
形成する。コーナー部分107cでは、図2で示す工程
と合せて、厚みが約60nmの熱酸化膜が形成されたこ
とになる。シリコン基板101の主表面101fから見
たトレンチ107の開口幅W1は、図22で示す開口幅
W2よりも大きくなる。
【0025】図6を参照して、トレンチ107にシリコ
ン酸化膜109を埋込む。このとき、図22でのトレン
チの開口幅W2よりも大きな開口幅W1をトレンチ10
7は有するため、シリコン酸化膜109でトレンチ10
7を埋込みやすくなる。シリコン酸化膜109の厚みは
約500nmである。
【0026】図7を参照して、シリコン酸化膜109を
除去してシリコン窒化膜103の表面を露出させる。こ
の除去方法としては、CMPまたはエッチバックを用い
る。
【0027】図8を参照して、シリコン酸化膜109を
フッ酸で所定量だけウエットエッチングする。その後シ
リコン窒化膜103を熱リン酸で除去する。これによ
り、トレンチ素子分離110が完成する。
【0028】以上のような、この発明に従った半導体装
置の製造方法では、トレンチ107のコーナー部分10
7cは、図2で示す工程と、図5で示す工程の2回酸化
される。そのため、コーナー部分107cを十分に丸め
ることができ、この部分での電界集中を緩和することが
できる。さらに、その他の部分では、トレンチ107の
表面は一度しか酸化されない。その結果、トレンチ10
7の幅を小さくすることがないため、シリコン酸化膜1
09でトレンチ107を埋込みやすくなる。
【0029】(実施の形態2)図9〜14は、この発明
の実施の形態2に従った半導体装置の製造方法を説明す
るための断面図である。図9を参照して、シリコン基板
101の主表面101f上に熱酸化膜102を形成す
る。熱酸化膜102上にポリシリコン層としてのドープ
トポリシリコン膜111を形成する。ドープトポリシリ
コン膜111上にシリコン窒化膜103およびレジスト
パターン104を形成する。レジストパターン104を
マスクとしてシリコン窒化膜103、ドープトポリシリ
コン膜111、熱酸化膜102およびシリコン基板10
1をエッチングする。これにより実施の形態1と同様の
開口103h、102hおよび凹部101hを形成する
とともに、ドープトポリシリコン膜111に第3の開口
としての開口111hを形成する。
【0030】図10を参照して、レジストパターン10
4を除去した後、凹部101hの側面101sおよび底
面101bと、ドープトポリシリコン膜111のうち開
口111hを規定する部分を熱酸化する。これにより第
1のシリコン酸化膜としての熱酸化膜105を形成す
る。熱酸化膜105は、側面101sおよびドープトポ
リシリコン膜111が酸化されて形成された側部105
sと、底面101bが酸化されて形成された底部105
bとを有する。
【0031】図11を参照して開口103hに沿って熱
酸化膜105をエッチングする。これにより熱酸化膜1
05の底部105bを除去し、側部105sを残存させ
る。なお、このとき側部105sの高さH2は、実施の
形態1の図3で示す高さH1よりも大きい。
【0032】図12を参照して、引続きシリコン窒化膜
103をマスクとして開口103hに沿ってシリコン基
板101をエッチングする。これによりトレンチ107
を形成する。
【0033】図13を参照して、トレンチ107の表面
を熱酸化する。これにより熱酸化膜115を形成する。
このとき、トレンチ107のコーナー部分107cも酸
化されるため、この部分での熱酸化膜の膜厚が特に厚く
なる。これに対して、コーナー部分107c以外では、
一度の熱酸化が行なわれるだけである。
【0034】図14を参照して、実施の形態1と同様の
工程に従いトレンチ107にシリコン酸化膜109を埋
込む。その後シリコン窒化膜103を除去してトレンチ
素子分離110が完成する。
【0035】このような半導体装置では、実施の形態1
に従った半導体装置と同様の効果がある。さらに、ドー
プトポリシリコン膜111のうち、開口111hを規定
する部分も酸化されるため、トレンチ107のコーナー
部分107cでの熱酸化膜の膜厚が特に厚くなる。その
結果、実施の形態1以上に、トレンチ107のコーナー
部分107cでの電界集中を緩和することができる。
【0036】(実施の形態3)図15は、この発明の実
施の形態3に従った不揮発性半導体記憶装置の断面図で
ある。実施の形態3では、半導体装置として、不揮発性
半導体記憶装置を製造する。まず、図14で示すドープ
トポリシリコン膜111として帯状導電膜を用いる。こ
の帯状導電膜上にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シ
リコン酸化膜からなる誘電体膜と、ポリシリコン膜とを
形成する。
【0037】ポリシリコン膜上にコントロールゲート電
極のパターンを有するレジストパターンを形成し、この
レジストパターンに従ってポリシリコン膜、誘電体膜お
よび帯状導電膜をエッチングする。これにより、図15
で示すように、フローティングゲート電極151と、誘
電体膜152と、コントロールゲート電極153とを有
する不揮発性半導体記憶装置が得られる。なお、フロー
ティングゲート電極151は、帯状導電膜としてのドー
プトポリシリコン膜111をエッチングして得られるも
のである。
【0038】このような工程を備えた、この発明の半導
体装置では、まず、実施の形態2に従った半導体装置と
同様の効果がある。さらに、フローティングゲート電極
となるべき帯状導電層を形成する工程に引続いてトレン
チ107を形成するエッチングを行なうことができるた
め、製造工程を増やすことなく不揮発性半導体記憶装置
を提供することができる。
【0039】以上、この発明の実施の形態について説明
したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形する
ことが可能である。まず、このようなトレンチ素子分離
を有する半導体素子は、DRAM(ダイナミック型ラン
ダムアクセスメモリ)、SRAM(スタティック型ラン
ダムアクセスメモリ)などのメモリ素子を分離する領域
に用いることができる。さらに、ロジック領域での素子
分離にも用いることができる。
【0040】今回開示された実施の形態はすべての点で
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説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、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ことが意図され
る。
【0041】
【発明の効果】この発明に従えば、トレンチにより確実
に素子間を分離することができる半導体装置を提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1に従った半導体装置
の製造方法の第1工程を示す断面図である。
【図2】 この発明の実施の形態1に従った半導体装置
の製造方法の第2工程を示す断面図である。
【図3】 この発明の実施の形態1に従った半導体装置
の製造方法の第3工程を示す断面図である。
【図4】 この発明の実施の形態1に従った半導体装置
の製造方法の第4工程を示す断面図である。
【図5】 この発明の実施の形態1に従った半導体装置
の製造方法の第5工程を示す断面図である。
【図6】 この発明の実施の形態1に従った半導体装置
の製造方法の第6工程を示す断面図である。
【図7】 この発明の実施の形態1に従った半導体装置
の製造方法の第7工程を示す断面図である。
【図8】 この発明の実施の形態1に従った半導体装置
の製造方法の第8工程を示す断面図である。
【図9】 この発明の実施の形態2に従った半導体装置
の製造方法の第1工程を示す断面図である。
【図10】 この発明の実施の形態2に従った半導体装
置の製造方法の第2工程を示す断面図である。
【図11】 この発明の実施の形態2に従った半導体装
置の製造方法の第3工程を示す断面図である。
【図12】 この発明の実施の形態2に従った半導体装
置の製造方法の第4工程を示す断面図である。
【図13】 この発明の実施の形態2に従った半導体装
置の製造方法の第5工程を示す断面図である。
【図14】 この発明の実施の形態2に従った半導体装
置の製造方法の第6工程を示す断面図である。
【図15】 この発明の実施の形態3に従った不揮発性
半導体記憶装置の断面図である。
【図16】 従来の半導体装置の製造方法の第1工程を
示す断面図である。
【図17】 従来の半導体装置の製造方法の第2工程を
示す断面図である。
【図18】 従来の半導体装置の製造方法の第3工程を
示す断面図である。
【図19】 従来の半導体装置の製造方法の第4工程を
示す断面図である。
【図20】 従来の半導体装置の製造方法の第5工程を
示す断面図である。
【図21】 従来の半導体装置の製造方法の第6工程を
示す断面図である。
【図22】 従来の製造工程で生じる問題点を示す断面
図である。
【符号の説明】
101 シリコン基板、101b 底面、101h 凹
部、101s 側面、102,105,115 熱酸化
膜、103 シリコン窒化膜、102h,103h,1
11h 開口、103 シリコン窒化膜、105b 底
部、105s側部、107 トレンチ、111 ドープ
トポリシリコン膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F032 AA35 AA37 AA45 AA47 AA67 AA70 AA77 AA78 BA01 CA07 CA17 DA02 DA23 DA24 DA28 5F083 EP02 EP22 EP55 JA04 NA01 PR12 5F101 BA29 BA36 BB02 BD02 BD35 BH03

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコンを含む半導体基板の主表面に、
    第1の開口を有するマスク層を形成する工程と、 前記マスク層をマスクとして前記半導体基板の一部分を
    前記第1の開口に沿って選択的に除去することにより、
    側面と底面とにより規定される凹部を前記半導体基板に
    形成する工程と、 前記凹部の側面と底面とを酸化して側部と底部とを有す
    る第1のシリコン酸化膜を形成する工程と、 前記マスク層をマスクとして前記第1のシリコン酸化膜
    の底部と前記半導体基板の一部分とを選択的に除去する
    ことによりトレンチを形成する工程と、 前記トレンチの表面を酸化する工程とを備えた、半導体
    装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記マスク層を形成する前に前記半導体
    基板の主表面に第2のシリコン酸化膜を形成する工程を
    さらに備え、前記凹部を形成する工程は、前記第2のシ
    リコン酸化膜の一部分を除去して前記第1の開口に連な
    る第2の開口を前記第2のシリコン酸化膜に形成すると
    ともに、前記半導体基板の一部分を除去して前記第2の
    開口に連なる前記凹部を形成することを含む、請求項1
    に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 第1のシリコン酸化膜を形成する工程
    は、前記第2の開口を規定する前記第2のシリコン酸化
    膜の部分に連なるように前記第1のシリコン酸化膜を形
    成する工程を含む、請求項2に記載の半導体装置の製造
    方法。
  4. 【請求項4】 前記第2のシリコン酸化膜と前記マスク
    層との間にポリシリコン層を形成する工程をさらに備
    え、前記凹部を形成する工程は、前記ポリシリコン層の
    一部分を除去して前記第1の開口に連なる第3の開口を
    前記ポリシリコン層に形成するとともに、前記第3の開
    口に連なる前記第2の開口と前記凹部とを形成する工程
    を含み、前記第1のシリコン酸化膜を形成する工程は、
    前記第3の開口を規定する前記ポリシリコン層の部分を
    酸化して前記第1のシリコン酸化膜を形成する工程を含
    む、請求項2または3に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記ポリシリコン層を形成する工程は、
    フローティングゲート電極となる帯状導電層を形成する
    工程を含み、前記トレンチを形成した後に前記帯状導電
    層をパターニングしてフローティングゲート電極を形成
    する工程をさらに備えた、請求項4に記載の半導体装置
    の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記トレンチを形成する工程は、前記第
    1のシリコン酸化膜の底部を除去するとともに、第1の
    シリコン酸化膜の側部を残存させる工程を含む、請求項
    1から5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方
    法。
  7. 【請求項7】 前記マスク層を形成する工程は、シリコ
    ン窒化膜を含む前記マスク層を形成することを含む、請
    求項1から6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造
    方法。
  8. 【請求項8】 請求項1から7のいずれか1項に記載の
    方法で製造した半導体装置。
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