JP2004096104A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SOI基板を用いて設けられる半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device provided using an SOI substrate and a method for manufacturing the same.
近年、トランジスタ等の半導体素子の縮小化に伴い、半導体集積回路における素子間分離の方法として、トレンチ型素子分離構造が採用されるようになった。このトレンチ型素子分離構造とは、半導体基板の表面領域に活性領域を区画するようにトレンチ(溝)を形成し、トレンチ内に絶縁体膜を設けることにより、隣接する活性領域同士を分離する方法である。 (4) In recent years, as semiconductor elements such as transistors have become smaller, a trench-type element isolation structure has been adopted as a method for element isolation in a semiconductor integrated circuit. This trench-type element isolation structure is a method of forming a trench (groove) so as to divide an active region in a surface region of a semiconductor substrate and providing an insulator film in the trench, thereby isolating adjacent active regions. It is.
特に、活性領域を設けるための半導体層を絶縁層の上に有するSOI(Silicon On Insulator)基板を用いた半導体装置においては、トレンチをこの絶縁層に到達するように形成することで、確実に素子分離を行うことが可能となる。例えば、特許文献1においては、貼り合わせ法によって形成されたSOI基板を用い、半導体層に絶縁層に達するトレンチを形成し、トレンチの側面上に熱酸化膜(側壁絶縁膜)を形成した後、トレンチの両側の側壁絶縁膜間の空間を多結晶シリコンで埋めることにより、トレンチ型素子分離領域を形成している。
しかしながら、上記公報に記載されている従来の半導体装置の素子分離領域においては、その両端の活性領域間に高い電圧が印加された場合、素子分離領域の側壁絶縁膜(熱酸化膜)に高い電圧が集中的に印加されるので、耐圧特性がよくないことがわかった。一方、熱酸化膜を十分厚くすれば絶縁耐圧は向上するが、長時間の熱酸化処理によって厚い熱酸化膜を形成する際に、熱酸化膜が体積膨張するために、活性領域に大きな応力がかかり活性領域の半導体結晶中に結晶欠陥が発生する。結晶欠陥が発生すると、トランジスタの電流駆動能力が劣化するおそれがある。 However, in the element isolation region of the conventional semiconductor device described in the above publication, when a high voltage is applied between the active regions at both ends of the element isolation region, a high voltage is applied to the sidewall insulating film (thermal oxide film) of the element isolation region. Intensively applied, it was found that the breakdown voltage characteristics were not good. On the other hand, if the thermal oxide film is made sufficiently thick, the withstand voltage is improved, but when a thick thermal oxide film is formed by a long-time thermal oxidation process, a large stress is applied to the active region because the thermal oxide film expands in volume. Crystal defects occur in the semiconductor crystal in the active region. When a crystal defect occurs, the current driving capability of the transistor may be deteriorated.
なお、トレンチ全体にCVD酸化膜等の絶縁体によって埋め込んで形成された素子分離領域を有する半導体装置においても、活性領域には絶縁体と半導体との熱膨張率差に起因する大きな応力が印加されるおそれがある。 Note that even in a semiconductor device having an element isolation region formed by burying an insulator such as a CVD oxide film in the entire trench, a large stress due to a difference in thermal expansion coefficient between the insulator and the semiconductor is applied to the active region. May be present.
本発明の目的は、SOI基板を用いトレンチ分離構造を有する半導体装置において、活性領域における応力の発生を抑制しつつ、トレンチ側壁の絶縁膜に印加電圧が集中することを緩和し、絶縁耐圧の向上を図ることにある。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to improve the withstand voltage of a semiconductor device having a trench isolation structure using an SOI substrate, while suppressing the occurrence of stress in an active region, while reducing the concentration of an applied voltage on an insulating film on the trench side wall. It is to plan.
本発明の半導体装置は、SOI基板を用いた半導体装置において、トレンチの両側面を覆う側壁絶縁膜と、両側の側壁絶縁膜間に介在し、トレンチの深さ方向に延びるpn接合部を有する多結晶半導体領域とを備えている。 A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device using an SOI substrate, comprising: a side wall insulating film covering both side surfaces of the trench; and a pn junction interposed between the side wall insulating films on both sides and extending in the depth direction of the trench. A crystalline semiconductor region.
これにより、素子分離領域の両側の活性領域間に電圧が印加されると、側壁絶縁膜だけでなくpn接合部に生じる空乏層にも電圧が分配されるので、素子分離領域の幅が狭く側壁絶縁膜が薄い場合でも、高い耐圧を発揮することができる。よって、活性領域における横領の発生を抑制しつつ、耐圧性の向上を図ることができる。 Thus, when a voltage is applied between the active regions on both sides of the element isolation region, the voltage is distributed not only to the sidewall insulating film but also to the depletion layer generated at the pn junction, so that the width of the element isolation region is narrow and the side wall is narrow. Even when the insulating film is thin, high withstand voltage can be exhibited. Therefore, withstand voltage can be improved while suppressing occurrence of embezzlement in the active region.
上記多結晶半導体領域は、両側の側壁絶縁膜の各側面を覆う2つの第1伝導型多結晶半導体層と、両側の第1伝導型多結晶半導体層同士の間に介在する第2伝導型多結晶半導体層とを有することにより、いずれの活性領域に高い電圧が印加されても、確実に高い耐圧を発揮することができる。 The polycrystalline semiconductor region includes two first conductive type polycrystalline semiconductor layers covering each side surface of the sidewall insulating film on both sides, and a second conductive type polycrystalline semiconductor layer interposed between the first conductive type polycrystalline semiconductor layers on both sides. By including the crystalline semiconductor layer, a high withstand voltage can be reliably exerted even if a high voltage is applied to any of the active regions.
上記第1伝導型多結晶半導体層が、多結晶半導体層のエッチバックにより形成されたサイドウォール型の構造を有していることにより、第1伝導型多結晶半導体層の横方向寸法に、マスクの位置ずれを考慮したマージンを設けなくてもよいので、微細化された半導体装置に適した構造が得られる。 Since the first conductive type polycrystalline semiconductor layer has a sidewall type structure formed by etching back the polycrystalline semiconductor layer, a mask is formed in a lateral dimension of the first conductive type polycrystalline semiconductor layer. It is not necessary to provide a margin in consideration of the positional deviation, and a structure suitable for a miniaturized semiconductor device can be obtained.
半導体層が単結晶シリコンにより構成されている場合は、多結晶半導体領域が多結晶シリコンによって構成されていることが好ましい。 場合 When the semiconductor layer is made of single-crystal silicon, the polycrystalline semiconductor region is preferably made of polycrystalline silicon.
本発明の半導体装置の製造方法は、SOI基板の半導体層の素子分離領域域を形成しようとする領域にトレンチを形成した後、側壁絶縁膜を形成し、さらに、トレンチの両側の側壁絶縁膜の間に、側壁絶縁膜の各側面を覆う第1伝導型多結晶半導体層と、両側の第1伝導型多結晶半導体層同士の間に介在する第2伝導型多結晶半導体層とを形成する方法である。 According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a trench is formed in a region where an element isolation region of a semiconductor layer of an SOI substrate is to be formed, a sidewall insulating film is formed, and a sidewall insulating film on both sides of the trench is formed. Forming a first conductive type polycrystalline semiconductor layer covering each side surface of the sidewall insulating film and a second conductive type polycrystalline semiconductor layer interposed between the first conductive type polycrystalline semiconductor layers on both sides; It is.
この方法により、2つの第1伝導型多結晶半導体層とそれに挟まれる第2伝導型多結晶半導体層との境界部にトレンチの深さ方向に延びるpn接合部がそれぞれ生じるので、上述の作用による耐圧の高い半導体装置が得られることになる。 According to this method, a pn junction extending in the depth direction of the trench is formed at the boundary between the two first conduction type polycrystalline semiconductor layers and the second conduction type polycrystalline semiconductor layer sandwiched between the two layers. A semiconductor device with a high withstand voltage can be obtained.
第1伝導型多結晶半導体膜と第2伝導型多結晶半導体膜とを形成する方法としては、トレンチにノンドープ多結晶半導体膜を埋め込んだ後、第1伝導型不純物イオンの注入と、第2伝導型不純物イオンの注入とを行なうか、in-situ ドープを伴うCVDを利用する方法がある。 As a method of forming the first conduction type polycrystalline semiconductor film and the second conduction type polycrystalline semiconductor film, after burying a non-doped polycrystalline semiconductor film in a trench, implantation of a first conduction type impurity ion, There is a method of performing implantation of type impurity ions or utilizing CVD with in-situ doping.
本発明の半導体装置又はその製造方法によると、素子分離領域の両側の活性領域に印加される電圧が、側壁絶縁膜だけでなく多結晶半導体領域内のpn接合部の空乏層にも分配されるので、活性領域への応力の印加を抑制しつつ、高い耐圧を発揮することができる。 According to the semiconductor device or the method of manufacturing the same of the present invention, the voltage applied to the active region on both sides of the element isolation region is distributed not only to the sidewall insulating film but also to the depletion layer at the pn junction in the polycrystalline semiconductor region. Therefore, high withstand voltage can be exhibited while suppressing application of stress to the active region.
(第1の実施形態)
−半導体装置の構造−
図1は、SOI基板を用いた第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の半導体装置は、単結晶シリコンからなる半導体基板3の主面上に設けられた厚さ900nmの絶縁層2と、絶縁層2上に設けられた厚さ3.5μmの単結晶シリコンからなる半導体層1とを有するSOI基板を用いて形成されている。
(1st Embodiment)
-Structure of semiconductor device-
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor device according to the first embodiment using an SOI substrate. As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the present embodiment includes an
半導体層1は、トレンチ型素子分離領域Treisにより、多数の活性領域1a,1b,…に区画されているが、図1にはそれらのうち2つの活性領域1a,1bのみが表示されている。活性領域1aには、pチャネル型MISFET(以下、pMISFETという)が設けられており、活性領域1bにはnチャネル型MISFET(以下、nMISFETという)が設けられている。活性領域1a中の基板領域は低濃度のn型不純物(リン又は砒素)を含んでおり、活性領域1b中の基板領域は低濃度のp型不純物(ボロン)を含んでいる。
The
活性領域1aの上には、pMISFETの要素として、シリコン酸化膜,シリコン酸窒化膜等からなるゲート絶縁膜21aと、p型不純物(ボロン)を含む多結晶シリコンからなるゲート電極22aとが設けられている。また、活性領域1aのうちゲート電極22aの両側方に位置する領域には、低濃度のp型不純物(ボロン)を含むエクステンション領域及び高濃度のp型不純物(ボロン)を含む高濃度ソース・ドレイン領域からなるソース・ドレイン領域23aが形成されている。
A gate
活性領域1bの上には、nMISFETの要素として、シリコン酸化膜,シリコン酸窒化膜等からなるゲート絶縁膜21bと、n型不純物(リン又は砒素)を含む多結晶シリコンからなるゲート電極22bとが設けられている。また、活性領域1bのうちゲート電極22bの両側方に位置する領域には、低濃度のn型不純物(リン又は砒素)を含むエクステンション領域及び高濃度のn型不純物(リン又は砒素)を含む高濃度不純物拡散領域からなるソース・ドレイン領域23bが形成されている。
On the active region 1b, as an nMISFET element, a
ここで、本実施形態の特徴部分であるトレンチ型素子分離領域Treisの構造について説明する。本実施形態のトレンチ型素子分離領域Treisは、半導体層1を貫通して絶縁層2に到達するトレンチの側面を覆う横方向厚さ100nmのシリコン酸化膜(熱酸化膜)からなる2つの側壁絶縁膜7と、各側壁絶縁膜7を覆う2つの第1伝導型多結晶半導体層9と、第1伝導型多結晶半導体層9間の空間を埋める第2伝導型多結晶半導体層11とを備えている。本実施形態においては、第1伝導型多結晶半導体層9は、濃度約5×1016cm-3のn型不純物(例えばリン,砒素)を含む横方向厚さ300nmのn型多結晶シリコン膜であり、第2伝導型多結晶半導体層11は、濃度約5×1016cm-3のp型不純物(例えばボロン)を含むp型多結晶シリコン膜である。そして、第1伝導型多結晶半導体層9と第2伝導型多結晶半導体層11との間には、縦方向(深さ方向)に延びる2つのpn接合部Jpn1,Jpn2が形成されている。すなわち、第1伝導型多結晶半導体層9と第2伝導型多結晶半導体層11とにより、トレンチの深さ方向に延びるpn接合部Jpnを有する半導体領域が構成されている。
Here, the structure of the trench-type element isolation region Treis, which is a feature of the present embodiment, will be described. The trench-type element isolation region Treis of the present embodiment has two sidewall insulating layers each made of a 100-nm-thick silicon oxide film (thermal oxide film) covering the side surface of the trench penetrating the
ただし、第1伝導型多結晶半導体層9がp型多結晶シリコン膜で、第2伝導型多結晶半導体層11がn型多結晶シリコン膜であっても、第1伝導型多結晶半導体層9と第2伝導型多結晶半導体層11との間に、トレンチの深さ方向に延びる2つのpn接合部が形成されるので、後述するような本実施形態の作用効果を発揮しうる。なお、トレンチの横方向寸法は必ずしも一定ではないので、第2伝導型多結晶半導体層11の横方向寸法も部位によって異なる。
However, even if the first conductive type
本実施形態の半導体装置によると、活性領域1a,1bを分離するためのトレンチ型素子分離領域Treisに、第1伝導型多結晶半導体層9と第2伝導型多結晶半導体層11とを設けているので、縦方向に延びる2つのpn接合部Jpnが形成されている。この構造により、活性領域1aと活性領域1bとの各ソース・ドレイン領域23a,23b間に電圧が印加された場合でも、2つのpn接合部Jpn1,Jpn2のうちいずれか一方において空乏層が広がる。例えば、第1活性領域1a側が高電位となる高電圧が印加された場合には、pn接合部Jpn2において空乏層が広がるので、この空乏層にも電圧が分配されて側壁絶縁膜7への電界の集中が緩和され、トレンチ分離領域Treisの幅が狭くて側壁絶縁膜7が薄い場合でも、十分な耐圧が得られることになる。よって、本実施形態の半導体装置によると、活性領域1a,1bにおける応力の発生を緩和しつつ、高い耐圧を発揮することができる。
According to the semiconductor device of the present embodiment, the first conductive type
なお、本実施形態のSOI基板は、公知の貼り合わせ法や、酸素イオンの注入によってBOX層を設ける方法や、絶縁性基板上に半導体層をエピタキシャル成長させる方法など、いずれの方法によって作成したものであっても、上述のような作用効果を発揮することができる。 Note that the SOI substrate of the present embodiment is prepared by any method such as a known bonding method, a method of providing a BOX layer by implanting oxygen ions, and a method of epitaxially growing a semiconductor layer on an insulating substrate. Even so, the above-described effects can be exerted.
また、SOI基板を構成する半導体材料は、シリコンに限定されるものではないが、第1,第2伝導型多結晶半導体層9,11を構成する材料は、半導体層1を構成する半導体材料と同じであることが好ましい。第1,第2伝導型多結晶半導体層9,11を構成する半導体材料と、半導体層1を構成する半導体材料とが同じであれば、両者の熱膨張率差がほとんどないので、活性領域1a,1bにおける応力の発生をより抑制することができるからである。
Further, the semiconductor material forming the SOI substrate is not limited to silicon, but the material forming the first and second conductivity type
−半導体装置の製造方法−
図2(a)〜図4(b)は、第1の実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
-Manufacturing method of semiconductor device-
FIGS. 2A to 4B are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device of the first embodiment.
まず、図2(a)に示す工程において、半導体層1と、半導体基板3と、半導体層1と半導体基板3との間に介在する絶縁層2とを有するSOI基板を用い、半導体層1の主面上に、熱酸化法あるいはCVD法により、パッド酸化膜4を形成する。さらに、このパッド酸化膜4の上に、CVD法により、エッチングストッパーとなる窒化膜5を形成する。
First, in a step shown in FIG. 2A, an SOI substrate having a
次に、図2(b)に示す工程において、フォトリソグラフィーにより形成されたレジスト膜(図示せず)をマスクとして異方性ドライエッチングを行ない、窒化膜5およびパッド酸化膜3をパターニングして、トレンチ用開口部を形成する。そして、この窒化膜5をマスクとして用いて異方性ドライエッチングを行ない、半導体層1を貫通して絶縁層2に到達するトレンチ6を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 2B, anisotropic dry etching is performed using a resist film (not shown) formed by photolithography as a mask, and the
次に、図2(c)に示す工程において、熱酸化法により、トレンチ6の側面(半導体層1の側面)を覆う側壁絶縁膜7(熱酸化膜)を形成する。 Next, in the step shown in FIG. 2C, a sidewall insulating film 7 (thermal oxide film) covering the side surface of the trench 6 (the side surface of the semiconductor layer 1) is formed by a thermal oxidation method.
次に、図3(a)に示す工程において、CVD法により、基板上に、ノンドープ多結晶シリコン膜8を堆積させる。これにより、トレンチ6内はノンドープ多結晶シリコン膜8によって埋められる。
Next, in the step shown in FIG. 3A, a non-doped
次に、図3(b)に示す工程において、窒化膜5をエッチングストッパーとして異方性ドライエッチングを行なって、ノンドープ多結晶シリコン膜8をエッチバックする。これにより、ノンドープ多結晶シリコン膜8のうちトレンチ6からはみ出た部分は除去される。さらに、窒化膜5およびパッド酸化膜4をマスクとして、n型不純物(例えばリン)のイオン注入を行ない、ノンドープ多結晶シリコン膜8を第1伝導型多結晶半導体層9に変える。このとき、ドーズ量が2.9×1012cm-2で注入エネルギーが800keV、ドーズ量が3.2×1012cm-2で注入エネルギーが200keV、ドーズ量が3.8×1012cm-2で注入エネルギーが4000keVの3段階のイオン注入を行なう。そして、トレンチ6は、第1伝導型多結晶半導体層9によって埋められることになる。
Next, in the step shown in FIG. 3B, anisotropic dry etching is performed using the
次に、図3(c)に示す工程において、窒化膜5およびパッド酸化膜3を除去した後、基板上に、注入マスク用の酸化膜10を堆積する。そして、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより酸化膜10をパターニングして、トレンチ6の幅よりも狭い幅を有する開口部10aを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 3C, after removing the
次に、図4(a)に示す工程において、酸化膜10をマスクとして、p型不純物(例えばボロン)のイオン注入を行なって、トレンチ6内の第1伝導型多結晶半導体層9のうちの一部(中央部)を第2伝導型多結晶半導体層11に変化させる。このとき、ドーズ量が1.4×1012cm-2で注入エネルギーが400keV、ドーズ量が1.5×1012cm-2で注入エネルギーが1200keV、ドーズ量が1.9×1012cm-2で注入エネルギーが2000keVの3段階のイオン注入を行なう。
Next, in the step shown in FIG. 4A, ions of a p-type impurity (for example, boron) are implanted using the
最後に、図4(b)に示す工程において、エッチングにより、酸化膜10を除去する。これにより、側壁絶縁膜7,第1伝導型多結晶半導体層9及び第2伝導型多結晶半導体層11を有するトレンチ分離領域Treisが形成される。
(4) Finally, in the step shown in FIG. 4B, the
その後の工程の図示は省略するが、一般的なCMOSプロセスを用いて、ゲート絶縁膜,ゲート電極,エクステンション領域,サイドウォール,高濃度不純物拡散領域の形成性を行なって、図1に示す構造を有する半導体装置を得る。 Although illustration of subsequent steps is omitted, the gate insulating film, gate electrode, extension region, sidewall, and high concentration impurity diffusion region are formed using a general CMOS process, and the structure shown in FIG. A semiconductor device having the same.
本実施形態の半導体装置の製造方法により、図1に示す半導体装置の構造を容易に得ることができる。 に よ り The structure of the semiconductor device shown in FIG. 1 can be easily obtained by the method for manufacturing a semiconductor device of the present embodiment.
−第1の実施形態の変形例に係る製造方法−
第1の実施形態においては、トレンチ6を第1伝導型多結晶半導体層9により埋めるに際し、図3(a)に示す工程において、基板上にノンドープの多結晶シリコン膜8を堆積した後に、図3(b)に示す工程において、n型不純物のイオン注入を行なって、ノンドープ多結晶シリコン膜8を第1伝導型多結晶半導体膜9に変えている。
-Manufacturing method according to a modification of the first embodiment-
In the first embodiment, when the
それに対し、本変形例では、図3(a)に示す工程において、n型不純物のin-situ ドープを伴うCVDにより、基板上にn型不純物を含む多結晶シリコン膜を堆積した後、ドライエッチングにより、多結晶シリコン膜のうちトレンチ6からはみ出た部分を除去して、第1伝導型多結晶半導体層9を形成する。
On the other hand, in this modification, in the step shown in FIG. 3A, a polycrystalline silicon film containing an n-type impurity is deposited on a substrate by CVD with in-situ doping of an n-type impurity, and then dry etching is performed. As a result, the portion of the polycrystalline silicon film protruding from
その他の工程は、図2(a)〜図4(b)に示す第1の実施形態の製造工程と同じである。この変形例においても、第1の実施形態と同じ作用効果を発揮することができる。特に、この方法によると、第1の実施形態に比べて、不純物濃度の分布がより均一な第1伝導型多結晶半導体層9を得ることができるので、耐圧のばらつきを抑制することが可能となる。
The other steps are the same as the manufacturing steps of the first embodiment shown in FIGS. 2A to 4B. Also in this modified example, the same operation and effect as in the first embodiment can be exhibited. In particular, according to this method, it is possible to obtain the first conductivity type
(第2の実施形態)
第1の実施形態又は第1の実施形態の変形例における半導体装置の製造方法においては、第2伝導型多結晶半導体層11を形成する際に、イオン注入法を用いて、第1伝導型多結晶半導体層9の一部を第2伝導型多結晶半導体層11に変えているが、第2の実施形態の半導体装置の製造方法においては、in-situ ドープを伴うCVDにより、第2伝導型多結晶半導体層を形成する方法を採用する。
(Second embodiment)
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment or a modification of the first embodiment, when forming the second conductivity type
図5(a)〜(c)は、第2の実施形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。本実施形態においても、図5(a)に示す工程に至るまでに、図2(a)〜図3(b)に示す第1の実施形態又は第1の実施形態の変形例の製造工程を行なって、パッド酸化膜4,窒化膜5,トレンチ6,側壁絶縁膜7及び第1伝導型多結晶半導体層9を形成する。ただし、重複を回避するために、図5(a)に示す工程よりも以前の工程の図示は省略する。
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views illustrating the steps of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. Also in the present embodiment, before the process shown in FIG. 5A, the manufacturing process of the first embodiment or the modification of the first embodiment shown in FIGS. 2A to 3B is performed. Then, a
図5(a)に示す工程において、パッド酸化膜4,窒化膜5を除去した後、基板上に、新たにパッド酸化膜13および窒化膜14を堆積する。そして、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより窒化膜14及びパッド酸化膜13をパターニングして、トレンチ6の幅よりも狭い幅を有する開口部14aを形成する。
(5) In the step shown in FIG. 5A, after removing the
次に、図5(b)に示す工程において、窒化膜14をマスクとして第1伝導型多結晶半導体層9の中央部を除去して、絶縁層2に到達する小トレンチ15を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 5B, the central portion of the first conductivity type
次に、図5(c)に示す工程において、p型不純物のin-situ ドープを伴うCVDにより、基板上に、p型多結晶シリコン膜を堆積させて、小トレンチ15内をp型多結晶シリコン膜によって埋める。さらに、ドライエッチングにより、p型多結晶シリコン膜のうち小トレンチ15からはみ出た部分を除去して、第2伝導型多結晶半導体層11を形成する。このとき、窒化膜14をエッチングストッパーとして用いる。これにより、側壁絶縁膜7,第1伝導型多結晶半導体層9及び第2伝導型多結晶半導体層11を有するトレンチ分離領域Treisが形成される。
Next, in a step shown in FIG. 5C, a p-type polycrystalline silicon film is deposited on the substrate by CVD accompanied with in-situ doping of a p-type impurity, and the inside of the
その後の工程の図示は省略するが、パッド酸化膜13及び窒化膜14を除去した後、一般的なCMOSプロセスを用いて、ゲート絶縁膜,ゲート電極,エクステンション領域,サイドウォール,高濃度不純物拡散領域の形成性を行なって、図1に示す構造を有する半導体装置を得る。
Although illustration of subsequent steps is omitted, after the
(第3の実施形態)
−半導体装置の構造−
図6は、SOI基板を用いた第3の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。図6に示すように、本実施形態の半導体装置は、単結晶シリコンからなる半導体基板3の主面上に設けられた厚さ900nmの絶縁層2と、絶縁層2上に設けられた厚さ3.5μmの単結晶シリコンからなる半導体層1とを有するSOI基板を用いて形成されている。
(Third embodiment)
-Structure of semiconductor device-
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor device according to the third embodiment using an SOI substrate. As shown in FIG. 6, the semiconductor device according to the present embodiment includes an insulating
半導体層1は、トレンチ型素子分離領域Treisにより、多数の活性領域1a,1b,…に区画されているが、図6にはそれらのうち2つの活性領域1a,1bのみが表示されている。活性領域1aには、第1の実施形態と同様の構造を有するpMISFETというが設けられており、活性領域1bには第1の実施形態と同様の構造を有するnMISFETが設けられている。活性領域1a中の基板領域は低濃度のn型不純物(リン又は砒素)を含んでおり、活性領域1b中の基板領域は低濃度のp型不純物(ボロン)を含んでいる。
The
ここで、本実施形態の特徴部分であるトレンチ型素子分離領域Treisの構造について説明する。本実施形態のトレンチ型素子分離領域Treisは、半導体層1を貫通して絶縁層2に到達するトレンチの側面を覆う底部での横方向厚さ100nmのシリコン酸化膜(熱酸化膜)からなる側壁絶縁膜7と、トレンチ6の両側の側壁絶縁膜7をそれぞれ覆うサイドウォール型の第1伝導型多結晶半導体層9’と、両側の第1伝導型多結晶半導体層9’間の空間を埋める第2伝導型多結晶半導体層11とを備えている。本実施形態においては、第1伝導型多結晶半導体層9’は、n型不純物(例えばリン,砒素)を含む底部での横方向厚さ300nmのn型多結晶シリコン膜であり、第2伝導型多結晶半導体層11は、p型不純物(例えばボロン)を含むp型多結晶シリコン膜である。本実施形態においては、第1伝導型多結晶半導体層9’は、多結晶シリコン膜をエッチバックして形成されたものであるので、第1伝導型多結晶半導体層9’と第2伝導型多結晶半導体層11との間には、やや傾斜して縦方向(深さ方向)に延びる2つのpn接合部Jpn1,Jpn2が形成されている。
Here, the structure of the trench-type element isolation region Treis, which is a feature of the present embodiment, will be described. The trench-type element isolation region Treis of the present embodiment has a side wall made of a silicon oxide film (thermal oxide film) having a lateral thickness of 100 nm at the bottom covering the side surface of the trench that reaches the insulating
本実施形態においても、第1伝導型多結晶半導体層9’がp型多結晶シリコン膜で、第2伝導型多結晶半導体層11がn型多結晶シリコン膜であっても、第1伝導型多結晶半導体層9’と第2伝導型多結晶半導体層11との間に、トレンチの深さ方向に延びる2つのpn接合部が形成されるので、後述するような本実施形態の作用効果を発揮しうる。なお、トレンチの横方向寸法は必ずしも一定ではないので、第2伝導型多結晶半導体層11の横方向寸法も部位によって異なる。
Also in the present embodiment, even if the first conductivity type
本実施形態の半導体装置によると、活性領域1a,1bを分離するためのトレンチ型素子分離領域Treisに、第1伝導型多結晶半導体層9’と第2伝導型多結晶半導体層11とを設けているので、やや傾斜して縦方向に延びる2つのpn接合部Jpnが形成されている。この構造により、第1の実施形態と同様に、活性領域1aと活性領域1bとの各ソース・ドレイン領域23a,23b間に電圧が印加された場合でも、2つのpn接合部Jpn1,Jpn2のうちいずれか一方において空乏層が広がる。よって、本実施形態の半導体装置によると、第1の実施形態と同様に、活性領域1a,1bにおける応力の発生を緩和しつつ、高い耐圧を発揮することができる。
According to the semiconductor device of the present embodiment, the first conductive type polycrystalline semiconductor layer 9 'and the second conductive type
特に、本実施形態においては、第1伝導型多結晶半導体層9’が多結晶シリコン膜のエッチバックによって、セルフアラインで形成されているので、第1伝導型多結晶半導体層9’の厚みは、マスクの位置ずれを考慮したマージンを設けることなく設定することができ、特に半導体装置の微細化に有利な構造となる。
In particular, in the present embodiment, the first conductive type
−半導体装置の製造工程−
図7(a)〜(c)は、第3の実施形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。本実施形態においても、図7(a)に示す工程に至るまでに、図2(a)〜(c)に示す第1の実施形態の製造工程を行なって、パッド酸化膜4,窒化膜5,トレンチ6及び側壁絶縁膜7を形成する。ただし、重複を回避するために、図7(a)に示す工程よりも以前の工程の図示は省略する。
-Semiconductor device manufacturing process-
FIGS. 7A to 7C are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of a semiconductor device according to the third embodiment. Also in the present embodiment, before the process shown in FIG. 7A, the manufacturing process of the first embodiment shown in FIGS. ,
図7(a)に示す工程において、n型不純物のin-situ ドープを伴うCVDにより、基板上に、第1伝導型多結晶半導体膜9xを堆積させる。これにより、トレンチ6内は第1伝導型多結晶半導体膜9xによって埋められる。ただし、ノンドープ多結晶シリコン膜を堆積してから、n型不純物のイオン注入を行なうことにより、第1伝導型多結晶半導体膜9xを形成してもよい。
7) In the step shown in FIG. 7A, the first conductivity type
次に、図7(b)に示す工程において、窒化膜5をエッチングストッパーとして異方性ドライエッチングを行なって、n型多結晶半導体膜9xを、絶縁層2が露出するまでエッチバックする。これにより、トレンチ6の側面(側壁絶縁膜7,パッド酸化膜4及び窒化膜5の各側面)を覆う第1伝導型多結晶半導体層9’が形成される。
Next, in the step shown in FIG. 7B, anisotropic dry etching is performed using the
次に、図7(c)に示す工程において、p型不純物のin-situ ドープを伴うCVDにより、基板上に、厚さ4μmのp型多結晶シリコン膜を堆積させて、トレンチ6内をp型多結晶シリコン膜によって埋める。さらに、CMP(Chemical Mechanical Polish)により、半導体層1が露出するまで、p型多結晶シリコン膜のうちトレンチ6からはみ出た部分、窒化膜5及びパッド酸化膜4を除去して、第2伝導型多結晶半導体層11を形成する。これにより、側壁絶縁膜7,第1伝導型多結晶半導体層9’及び第2伝導型多結晶半導体層11を有するトレンチ分離領域Treisが形成される。
Next, in the step shown in FIG. 7C, a 4 μm-thick p-type polycrystalline silicon film is deposited on the substrate by CVD with in-situ doping of a p-type impurity, and the inside of the
その後の工程の図示は省略するが、一般的なCMOSプロセスを用いて、ゲート絶縁膜,ゲート電極,エクステンション領域,サイドウォール,高濃度不純物拡散領域の形成性を行なって、図6に示す構造を有する半導体装置を得る。 Although illustration of subsequent steps is omitted, a general CMOS process is used to form the gate insulating film, the gate electrode, the extension regions, the sidewalls, and the high-concentration impurity diffusion regions to form the structure shown in FIG. A semiconductor device having the same.
本実施形態の製造方法により、マスク形成工程を伴うことなく、第1伝導型多結晶半導体層9’及び第2伝導型多結晶半導体層11を形成することができるので、製造コストが安価になる。また、上述のように、第1伝導型多結晶半導体層9’がセルフアラインで形成されるので、第1伝導型多結晶半導体層9’の厚さは、トレンチ6形成のためのマスクに対するマスクの位置ずれを考慮したマージンを設けることなく決定することができる。したがって、第1伝導型多結晶半導体層9’の厚さを100nm程度まで薄くすることができ、半導体装置の微細化に適した構造となる。
According to the manufacturing method of the present embodiment, the first conduction type
なお、上記各実施形態において、pn接合部Jpn1,Jpn2の第1伝導型多結晶半導体層9(又は9’)と第2伝導型多結晶半導体層11との間に、イントリンシックの(ノンドープの)多結晶半導体層が介在していても、空乏層を利用した高耐圧の構造という本発明の作用効果を得ることができる。
In each of the above embodiments, an intrinsic (non-doped) layer is provided between the first conductivity type polycrystalline semiconductor layer 9 (or 9 ′) and the second conductivity type
また、トレンチ型素子分離領域Treisの両側の2つの活性領域1a,1bのうちいずれの電位が高いかが定まっている場合には、pn接合部は少なくとも1つ存在していれば足りる。一般には、半導体装置の動作状態によって、トレンチ型素子分離領域Treisを挟む両側の活性領域1a,1bに印加される電圧の高低が変化するので、いずれに対しても空乏層を利用した電圧の分配作用を生じさせるためには、トレンチ型素子分離領域に2つ以上のpn接合部が存在することが好ましい。 In addition, when it is determined which of the two active regions 1a and 1b on both sides of the trench type element isolation region Treis has a higher potential, it is sufficient that at least one pn junction exists. Generally, the level of the voltage applied to the active regions 1a and 1b on both sides of the trench-type element isolation region Treis changes depending on the operation state of the semiconductor device. In order to produce the effect, it is preferable that two or more pn junctions exist in the trench type element isolation region.
また、半導体領域に4つ以上のpn接合部が設けられていてもよい。例えば第3の実施形態を利用する場合には、図7(b)に示す工程において、サイドウォール型の第1伝導型多結晶半導体層9’を形成した後、第1伝導型多結晶半導体膜の堆積とエッチバックとを行なって、サイドウォール型の第2伝導型多結晶半導体層の形成を行ない、さらに残っている空間を第1伝導型多結晶半導体層で埋めることにより、3つの第1伝導型多結晶半導体層と2つの第2伝導型多結晶半導体層とからなる多結晶半導体領域が形成される。そして、この多結晶半導体領域には、4つのpn接合部が存在することになる。したがって、各々サイドウォール型の第1伝導型多結晶半導体層と第2伝導型多結晶半導体層とを交互に形成することにより、多数のpn接合部を有する多結晶半導体領域を形成することができる。同様に、第1,第2の実施形態を利用しても、イオン注入を多数回繰り返すか、あるいは、小トレンチの形成とin-situ ドープを伴うCVDとを多数回繰り返すことにより、4つ以上のpn接合部を有する多結晶半導体領域を形成することができる。
Furthermore, four or more pn junctions may be provided in the semiconductor region. For example, when the third embodiment is used, in the step shown in FIG. 7B, after forming the sidewall type first conductivity type
また、側壁絶縁膜7は必ずしも酸化膜である必要はなく、酸窒化膜,窒化膜等であってもよい。また、側壁絶縁膜7として、熱酸化膜に代えてCVD酸化膜を用いてもよい。ただし、活性領域1a,1bに大きな応力を生じさせないことが必要である。
The
本発明の半導体装置は、多数のMISFETを集積したLSIなどに利用することができ、有用である。 The semiconductor device of the present invention can be used for an LSI in which a large number of MISFETs are integrated, and is useful.
1 半導体層
2 絶縁層
3 半導体基板
4 パッド酸化膜
5 窒化膜
6 トレンチ
7 側壁絶縁膜
8 ノンドープ多結晶シリコン膜
9,9’ 第2伝導型多結晶半導体層
9x 第2伝導型多結晶半導体膜
10 酸化膜
11 第2伝導型多結晶半導体層
13 パッド酸化膜
14 窒化膜
15 小トレンチ
DESCRIPTION OF
Claims (10)
上記素子分離領域は、
上記半導体層を貫通して絶縁層に到達するトレンチと、
上記トレンチの両側面を覆う側壁絶縁膜と、
上記両側の側壁絶縁膜間に介在し、上記トレンチの深さ方向に延びるpn接合部を有する多結晶半導体領域と
を備えている半導体装置。 In a semiconductor device having a semiconductor layer provided on an insulating layer and an element isolation region for partitioning the semiconductor layer into a plurality of active regions provided with semiconductor elements,
The element isolation region,
A trench penetrating the semiconductor layer and reaching the insulating layer;
A sidewall insulating film covering both side surfaces of the trench,
A polycrystalline semiconductor region interposed between the side wall insulating films on both sides and having a pn junction extending in a depth direction of the trench.
上記多結晶半導体領域は、
上記両側の側壁絶縁膜の各側面を覆う第1伝導型多結晶半導体層と、
上記両側の第1伝導型多結晶半導体層同士の間に介在する第2伝導型多結晶半導体層とを有し、
上記各第1伝導型多結晶半導体層と第2伝導型多結晶半導体層との間に、上記トレンチの深さ方向に延びるpn接合部がそれぞれ形成されている,半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The polycrystalline semiconductor region,
A first conductivity type polycrystalline semiconductor layer covering each side surface of the side wall insulating films on both sides;
A second conductivity type polycrystalline semiconductor layer interposed between the first conductivity type polycrystalline semiconductor layers on both sides,
A semiconductor device, wherein a pn junction extending in a depth direction of the trench is formed between each of the first conduction type polycrystalline semiconductor layer and the second conduction type polycrystalline semiconductor layer.
上記第1伝導型多結晶半導体層は、多結晶半導体膜のエッチバックにより形成されたサイドウォール型の構造を有している,半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The semiconductor device, wherein the first conductivity type polycrystalline semiconductor layer has a sidewall type structure formed by etching back the polycrystalline semiconductor film.
上記半導体層は、単結晶シリコンにより構成されており、
上記多結晶半導体領域は、多結晶シリコンによって構成されている,半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor layer is made of single crystal silicon,
The semiconductor device, wherein the polycrystalline semiconductor region is made of polycrystalline silicon.
上記トレンチの両側面を覆う側壁絶縁膜を形成する工程(b)と、
上記トレンチの両側の側壁絶縁膜の間に、上記両側の側壁絶縁膜の各側面を覆う第1伝導型多結晶半導体層と、上記両側の第1伝導型多結晶半導体層間に介在する第2伝導型多結晶半導体層とを形成する工程(c)とを含む半導体装置の製造方法。 Forming a trench that penetrates a portion of the semiconductor layer provided on the insulating layer of the SOI substrate where an element isolation region is to be formed and reaches the insulating layer;
Forming a sidewall insulating film covering both side surfaces of the trench (b);
A first conductive type polycrystalline semiconductor layer covering each side surface of the side wall insulating films on both sides of the trench, and a second conductive layer interposed between the first conductive type polycrystalline semiconductor layers on both sides of the trench. And (c) forming a polycrystalline semiconductor layer.
上記工程(c)は、
上記トレンチにノンドープ多結晶半導体膜を埋め込む工程と、
上記ノンドープ多結晶半導体膜に第1伝導型不純物イオンを注入して、上記ノンドープ多結晶半導体膜を第1伝導型多結晶半導体層に変える工程と、
上記第1伝導型多結晶半導体層の両端部を覆う注入マスクを用いて、第2伝導型不純物のイオン注入を行なうことにより、上記第1伝導型多結晶半導体層の両端部を除く領域を第2伝導型多結晶半導体層に変える工程とを
含む,半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
The step (c) includes:
Burying a non-doped polycrystalline semiconductor film in the trench;
Implanting a first conductivity type impurity ion into the non-doped polycrystalline semiconductor film to change the non-doped polycrystalline semiconductor film into a first conductivity type polycrystalline semiconductor layer;
By performing ion implantation of the second conductivity type impurity using an implantation mask covering both ends of the first conductivity type polycrystalline semiconductor layer, a region excluding both ends of the first conductivity type polycrystalline semiconductor layer is removed. Converting to a two-conductivity type polycrystalline semiconductor layer.
上記工程(c)は、
第1伝導型不純物のin-situ ドープを伴うCVDにより、上記トレンチを第1伝導型多結晶半導体膜によって埋める工程と、
上記第1伝導型多結晶半導体膜の両端部を覆う注入マスクを用いた第2伝導型不純物のイオン注入により、上記第1伝導型多結晶半導体膜の両端部を除く領域を第2伝導型多結晶半導体層に変えるとともに、上記第1伝導型多結晶半導体膜の両端部を第1伝導型多結晶半導体層として残す工程とを
含む,半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
The step (c) includes:
Filling the trench with a first conductivity type polycrystalline semiconductor film by CVD with in-situ doping of a first conductivity type impurity;
By ion implantation of impurities of the second conductivity type using an implantation mask covering both ends of the first conductivity type polycrystalline semiconductor film, a region excluding both ends of the first conductivity type polycrystalline semiconductor film is removed by the second conductivity type polycrystalline semiconductor film. Changing to a crystalline semiconductor layer and leaving both ends of the first conductive type polycrystalline semiconductor film as the first conductive type polycrystalline semiconductor layer.
上記工程(c)は、
上記トレンチを第1伝導型多結晶半導体層によって埋める工程と、
上記第1伝導型多結晶半導体層の両端部を除く領域に、上記絶縁層に到達する小トレンチを形成する工程と、
第1伝導型不純物のin-situ ドープを伴うCVDを用いて、上記小トレンチを第2伝導型多結晶半導体層によって埋める工程と
を含む,半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
The step (c) includes:
Filling the trench with a first conductivity type polycrystalline semiconductor layer;
Forming a small trench reaching the insulating layer in a region excluding both ends of the first conductivity type polycrystalline semiconductor layer;
Filling the small trench with a second conductivity type polycrystalline semiconductor layer using CVD with in-situ doping of a first conductivity type impurity.
上記工程(c)は、
上記トレンチを埋める第1伝導型多結晶半導体膜を堆積した後、エッチバックにより、上記トレンチの両側の上記側壁絶縁膜の各側面を覆うサイドウォール型の第1伝導型多結晶半導体層を形成する工程と、
第2伝導型不純物のin-situ ドープを伴うCVDを行なって、上記第1伝導型多結晶半導体層間の空間を埋める第2伝導型多結晶半導体層を形成する工程と
を含む,半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
The step (c) includes:
After depositing the first conductive type polycrystalline semiconductor film filling the trench, a sidewall type first conductive type polycrystalline semiconductor layer covering each side surface of the side wall insulating film on both sides of the trench is formed by etch back. Process and
Forming a second conductivity type polycrystalline semiconductor layer that fills the space between the first conductivity type polycrystalline semiconductor layers by performing CVD with in-situ doping of second conductivity type impurities. Method.
上記工程(a)では、単結晶シリコンからなる半導体層を有するSOI基板を用い、
上記工程(c)では、各々多結晶シリコンからなる第1伝導型多結晶半導体層及び上記第2伝導型多結晶半導体層を形成する,半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
In the step (a), an SOI substrate having a semiconductor layer made of single crystal silicon is used,
In the step (c), a method of manufacturing a semiconductor device, wherein a first conductivity type polycrystalline semiconductor layer and a second conductivity type polycrystalline semiconductor layer each made of polycrystalline silicon are formed.
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