JP2007012697A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】薄い半導体層に素子分離層を安定して形成することができると共に、バーズビークの形成を抑制する手段を提供する。
【解決手段】支持基板と、該支持基板上方の半導体層とを有する半導体基板に形成する形成する半導体素子の製造方法が、トランジスタ形成領域と素子分離領域とを設定した半導体基板を準備する工程と、半導体基板の半導体層上にパッド酸化膜を形成する工程と、パッド酸化膜上に耐酸化性マスク層を形成する工程と、耐酸化性マスク層上にトランジスタ形成領域を覆うレジストマスクを形成する工程と、このレジストマスクをマスクとして耐酸化性マスク層をエッチングして素子分離領域のパッド酸化膜を露出させる第1のエッチング工程と、レジストマスクを除去し、露出した耐酸化性マスク層をマスクとして露出させたパッド酸化膜の下の半導体層をLOCOS法により酸化し、素子分離層を形成する工程とを備える。
【選択図】 図2

Description

本発明は、SOI(Silicon On Insulator)基板やSOS(Silicon On Sapphire)基板の半導体層にLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法により素子分離層を形成する半導体素子の製造方法に関する。
SOI基板やSOS基板を用いて形成される半導体装置は、半導体層に形成される半導体素子間同士の完全分離が容易となり、ソフトエラーやラッチアップの抑制が可能になることが知られている。またソース/ドレイン領域の接合容量を低減することができるので高速化や低消費電力化に貢献する技術として多くの半導体装置の製造に用いられている。
また、近年の半導体装置の高密度化に対応して半導体素子が微細化し、半導体素子を形成する半導体層の厚さを50nm(ナノメータ)以下とするSOI基板やSOS基板が主流となってきている。
一方、通常のシリコン基板上に半導体素子の間を絶縁分離するため素子分離層を形成する方法の一つとしてLOCOS法があり、比較的膜厚の厚いシリコン層に素子分離層を形成する方法として利用されている。
この比較的膜厚の厚いシリコン層に素子分離層を形成する場合の一般的な製造方法は、素子分離層を形成する前にシリコン層上にパッド酸化膜を介してシリコン窒化膜を形成し、これらを異方性エッチングによりエッチングしてシリコン層を露出させ、LOCOS法により露出したシリコンを酸化させて2酸化珪素(SiO)による絶縁膜を生成して形成している。
膜厚の薄い半導体層のエッチング方法としては、MOS素子のゲート電極の側壁に2酸化珪素からなるサイドウォールスペーサを形成する際に、ゲート電極の上面に形成された2酸化珪素膜をその膜厚の70〜90%をエッチングした後に、残った2酸化珪素膜を対シリコン選択比の高いプラズマエッチングにより除去してゲート電極の上面の2酸化珪素膜を除去し、ゲート電極の側壁部での重合膜堆積によるテール形状化を防止している例がある(例えば、特許文献1参照。)。
また、出願人は特願2004−332695において、膜厚の薄い半導体層に素子分離層を形成する方法として半導体層上にパッド酸化膜を介して形成されたシリコン窒化膜をシリコン窒化膜のエッチングレートの高い第1のエッチング工程でシリコン窒化膜を残してエッチングした後に対シリコン選択比の高い第2にエッチング工程で半導体層を露出させ、露出した半導体層にLOCOS法により素子分離層を形成する技術を提案している。
特開2002−237603号公報(第5頁段落0031−段落0036、第6図)
しかしながら、上述した一般的な素子分離層の製造方法においては、半導体装置の微細化のために半導体層を50nm以下まで薄膜化すると、素子分離層を形成する前に積層したシリコン窒化膜(耐酸化性マスク層)の一部を異方性エッチングによりエッチングする際に、半導体層まで除去してしまう危険性が生じ、半導体層が残留せずに除去されてしまうと、LOCOS法により2酸化珪素による絶縁膜を形成することが困難になり、半導体素子間の絶縁分離が不完全となって隣合う半導体素子間の短絡を引き起こす等、半導体装置の信頼性を低下させるという問題がある。
また、半導体層が残留したとしても残留した半導体層がマスクとして残されたシリコン窒化膜下の半導体層に較べて薄いために、マスクとして残されたシリコン窒化膜下の半導体層の側面が露出し、その側面が直接酸化されるためバーズビークが形成されやすくなり、実効的なトランジスタ形成領域が狭くなるという問題がある。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、半導体層に素子分離層を安定して形成することができると共に、バーズビークの形成を抑制する手段を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために、支持基板と、該支持基板上方の半導体層とを有する半導体基板に形成する半導体素子の製造方法において、トランジスタ形成領域と素子分離領域とを設定した前記半導体基板を準備する工程と、該半導体基板の半導体層上にパッド酸化膜を形成する工程と、該パッド酸化膜上に耐酸化性マスク層を形成する工程と、前記耐酸化性マスク層上に、前記トランジスタ形成領域を覆うレジストマスクを形成する工程と、該レジストマスクをマスクとして、前記耐酸化性マスク層をエッチングして前記素子分離領域のパッド酸化膜を露出させる第1のエッチング工程と、前記レジストマスクを除去し、露出した前記耐酸化性マスク層をマスクとして、前記露出させたパッド酸化膜の下の半導体層をLOCOS法により酸化し、素子分離層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
これにより、本発明は、パッド酸化膜下のシリコン薄膜層をそのままの厚さで残すことができ、LOCOS法による酸化に要するシリコン層の厚さを十分に確保して素子分離層を安定して形成することができると共に、シリコン薄膜層の側面が直接酸化されることを防止してバーズビークの形成を抑制することができるという効果が得られる。
以下に、図面を参照して本発明による半導体素子の製造方法の実施例について説明する。
図1、図2は実施例の素子分離層の製造工程を示す説明図である。
本実施例ではSOI基板を例に説明する。
図1、図2において、1は半導体基板としてのSOI基板であり、支持基板としてのシリコン基板2と、シリコン基板2上に形成された2酸化珪素からなる絶縁層3および薄い単結晶シリコンからなる半導体層としてのシリコン薄膜層4を積層して形成される。
5は耐酸化性マスク層としてのシリコン窒化膜であり、シリコン薄膜層4上に熱酸化法により形成された薄い2酸化珪素膜であるパッド酸化膜6上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成され、LOCOS法により後述する素子分離層10を形成するときのマスクとして機能する。
なお、パッド酸化膜6の代表的な役割の一つは、シリコン窒化膜5と単結晶シリコンであるシリコン薄膜層4との結晶構造の格子定数の差により生ずる応力を緩和することである。
7はレジストマスクであり、リソグラフィによりシリコン窒化膜5上に塗布されたフォトレジストを露光し、その後に現像処理して形成され、エッチング処理時にシリコン薄膜層4の表面上の半導体素子を形成する領域(トランジスタ形成領域8という。)を覆うマスク部材である。
9は除去部であり、異方性エッチングによりエッチングされた部位である。
10は素子分離層であり、シリコン薄膜層4の表面上の素子分離領域11にLOCOS法によりシリコン薄膜層4等を酸化させて形成された膜厚の厚い2酸化珪素の絶縁膜であって、シリコン薄膜層4のトランジスタ形成領域8の間をそれぞれ絶縁分離する。
12はバーズビークであり、LOCOS法によりシリコン薄膜層4を酸化させたときに、素子分離領域11からトランジスタ形成領域8に向かって成長した2酸化珪素で形成される。
以下に、図1、図2を用いてPで示す工程に従って本実施例の素子分離層の製造工程について説明する。
P1(図1)、シリコン基板2に絶縁層3とシリコン薄膜層4を積層し、トランジスタ形成領域8と素子分離領域11とを設定したSOI基板1を準備する。シリコン薄膜層4の膜圧は、例えば350Å(オングストローム)である。
P2(図1)、準備されたSOI基板1のシリコン基板2の上方に形成されたシリコン薄膜層4上に熱酸化法により薄い膜厚のパッド酸化膜6を形成し、そのパッド酸化膜6上にCVD法によりシリコン窒化膜5を形成する。パッド酸化膜6の膜厚は、例えば70Åであり、シリコン窒化膜5の膜厚は、例えば1000Åである。
P3(図1)、リソグラフィによりシリコン窒化膜5上にトランジスタ形成領域8を覆うレジストマスク7を形成する。
P4(図2)、工程P3で形成したレジストマスク7をマスクとして、エッチング装置、例えばICP型のプラズマエッチャを用い、使用ガスをCFガスとHBrガスとの混合ガス(CF/HBr=70/30sccm)とし、圧力50mTorr、RF(Radio Frequency)パワー600W、カソード電極に印可するイオンエネルギー制御のためのバイアス用RFパワーを20Wとした第1のエッチング条件による対酸化膜選択比(被エッチング膜(ここでは窒化シリコン膜5)と酸化膜(ここではパッド酸化膜6)のエッチング速度の比をいう。)3.2の異方性エッチングにより、シリコン窒化膜5をエッチングして除去し、パッド酸化膜6を露出させた除去部9を形成する(第1のエッチング工程)。
この場合に、パッド酸化膜6を確実に残すためには対酸化膜選択比は2.5以上とすることが望ましい。
また、発明者の第1のエッチング条件の内、バイアス用RFパワーのみを変化させた実験によれば、対酸化膜選択比はバイアス用RFパワーに影響され、図3に示すように対酸化膜選択比は2.5以上とするにはバイアス用RFパワーを10W以上、40W未満の範囲に設定すればよいことが判る。
なお、バイアス用RFパワーが10W未満の場合は、シリコン窒化膜5のエッチング速度が極端に低下するため、比較的膜厚の厚いシリコン窒化膜5のエッチングに時間を要するので、第1のエッチング工程のエッチング条件として適切でない。
上記の第1のエッチング工程の目的は、SOI基板1に設定されている全ての素子分離領域11のパッド酸化膜6上のシリコン窒化膜5を完全に除去して後の工程で形成する素子分離層10に欠陥を生じさせないことにある。
従って、第1のエッチング工程で全ての素子分離領域11のシリコン窒化膜5を完全に除去できていれば、次工程である第2のエッチング工程は不要であるが、実際には第1のエッチング条件の部分的な不均一やプラズマの分布等により素子分離領域11のシリコン窒化膜5を完全に除去しきれない場合があり、第1のエッチング工程後のパッド酸化膜6上に局部的にシリコン窒化膜5の残渣5aが残留することがある。
この場合に、第1のエッチング工程後にシリコン窒化膜5の残渣5aの検査工程を組込み、検査結果に応じて第2のエッチング工程を省略するようにしてもよいが、製造工程のタクトタイムを乱す結果になるので好ましくない。
このため、パッド酸化膜6のシリコン窒化膜5の残渣5aの有無に関わらず、第2のエッチング工程を組込んで素子分離領域11のパッド酸化膜6を清浄な状態で確実に露出させる工程とした。
P5(図2)、工程P3で形成したレジストマスク7をそのままマスクとして用いて、エッチング装置を用い、使用ガスを第1のエッチング条件のCFガスをSFガスに置換し、Heガスを添加した混合ガス(SF/HBr/He=25/75/50sccm)とし、圧力40mTorr、RFパワー700W、バイアス用RFパワーを0Wとした第2のエッチング条件による対酸化膜選択比15程度の異方性エッチングにより、シリコン窒化膜5の残渣5aを取除き、素子分離領域11のパッド酸化膜6を露出させる(第2のエッチング工程)。
この場合に、バイアス用RFパワーを0Wとするのは、シリコン窒化膜5の残渣5aを確実に取除くと共に、第1のエッチング工程よりも対酸化膜選択比を上げることでパッド酸化膜6のエッチング速度を抑制してパッド酸化膜6を確実に残すためである。
また、Heを添加するのは、プラズマを安定して生成するためである。この場合に、発明者の第2のエッチング条件の内、He流量のみを変化させた実験によれば、対酸化膜選択比はHe流量に影響され、図4(a)に示すように対酸化膜選択比をSOI基板1の素子分離領域11の全領域で15程度とするにはHe流量を50sccmとするのがよく、図4(b)に示すようにHe流量を増して100sccmとすると対酸化膜選択比が8程度に減少することが判る。
なお、図4における横軸は、SOI基板1の素子分離領域11に設定した測定点を示し、本実験結果はSOI基板1に設定された複数の素子分離領域11から9点を選んで測定した結果である。すなわち、オリエンテーションフラットを下にしてウエハを見たときに、ウエハの中心点を含む水平方向の直線をウエハ内で等間隔に9点選んで測定し、左から順に番号を振って図4の横軸に記載している。従って、図4の横軸における「5」がウエハの中心点に対応する。
P6(図2)、レジストマスク7を除去し、露出したシリコン窒化膜5をマスクとしてLOCOS法により、上記のエッチング工程で露出させたパッド酸化膜6の下のシリコン薄膜層4をウェット雰囲気中で酸化する。これによりパッド酸化膜6を介してパッド酸化膜6の下のシリコン薄膜層4が酸化され、膜厚2000Åの素子分離層10が形成される。
この場合に、シリコン薄膜層4はパッド酸化膜6に覆われているため、従来技術におけるように、マスクとして残されたシリコン窒化膜5下のシリコン薄膜層4の側面が露出してその側面が直接酸化される、ということがないので、バーズビーク12の形成が抑制される。
また、パッド酸化膜6下のシリコン薄膜層4が全くエッチングされずにそのままの厚さで残っているので、LOCOS法による酸化に要するシリコン層の厚さを十分に確保することができ、厚い素子分離層10を迅速かつ安定して形成することができる。
その後、熱燐酸およびフッ化水素酸を用いたウエットエッチングによりシリコン窒化膜5およびパッド酸化膜6を除去する。
これにより、SOI基板1のシリコン薄膜層4に素子分離層10に囲まれたトランジスタ形成領域8が形成され、そのトランジスタ形成領域8に半導体素子が形成される。
以上説明したように、本実施例では、シリコン薄膜層にパッド酸化膜とシリコン窒化膜を形成して積層した後に、シリコン窒化膜を第1のエッチング条件によりシリコン窒化膜を除去し、露出させたパッド酸化膜をLOCOS法により酸化して素子分離層を形成するようにしたことによって、パッド酸化膜下のシリコン薄膜層をそのままの厚さで残すことができ、LOCOS法による酸化に要するシリコン層の厚さを十分に確保して素子分離層を安定して形成することができ、半導体素子間の絶縁分離を完全なものとして半導体装置の信頼性を向上させることができると共に、シリコン薄膜層の側面が直接酸化されることを防止してバーズビークの形成を抑制することができ、実効的なトランジスタ形成領域を拡大することができる。
また、第1のエッチング工程でシリコン窒化膜を除去した後に、対酸化膜選択比の高い第2のエッチング条件による第2のエッチング工程で残留したシリコン窒化膜の残渣を取除くようにしたことによって、素子分離領域のパッド酸化膜を清浄な状態で確実に露出させることができ、素子分離層における欠陥の発生を未然に防止して半導体装置の信頼性を更に向上させることができる。
更に、第1のエッチング条件を、CFガスとHBrガスとの混合ガスを用い、バイアス用RFパワーを10W以上、40W未満等とすることによって、対酸化膜選択比を2.5以上としてシリコン窒化膜のエッチング速度を促進しながらパッド酸化膜を確実に残すことができ、素子分離層を安定して形成することができる。
更に第2のエッチング条件を、第1のエッチング条件のCFガスをSFガスに置換した混合ガスを用い、バイアス用RFパワーを0Wとしたことによって、シリコン窒化膜5の残渣5aを確実に取除くと共に、第1のエッチング工程よりも対酸化膜選択比を上げることでパッド酸化膜6のエッチング速度を抑制してパッド酸化膜を確実に残すことができる。
なお、本実施例においては、シリコン窒化膜を除去した後にパッド酸化膜をLOCOS法により酸化して素子分離層を形成するとして説明したが、シリコン窒化膜を除去した後にウエットエッチングによりシリコン薄膜層の厚さを減少させずにパッド酸化膜を除去してシリコン薄膜層を露出させ、その後にLOCOS法により酸化して素子分離層を形成するようにしてもよい。このようにしてもマスクとして残されたシリコン窒化膜5下のシリコン薄膜層4の側面が露出してその側面が直接酸化される、ということがないので、バーズビークの形成を抑制しながら安定した素子分離層を得ることができる。
この場合に、シリコン薄膜層の厚さを減少させずにパッド酸化膜を除去するウエットエッチングは、例えば熱燐酸およびフッ化水素酸を用いたウエットエッチングにより実現することができる。
また、本実施例においては、半導体基板はSOI基板であるとして説明したが、半導体基板は前記に限らず、支持基板としてのサファイア基板に、薄い単結晶シリコンからなる半導体層としてのシリコン薄膜層を積層して形成されたSOS基板であってもよい。
実施例の素子分離層の製造工程を示す説明図 実施例の素子分離層の製造工程を示す説明図 実施例の対酸化膜選択比のPFパワー依存性を示すグラフ 実施例の対酸化膜選択比のHe流量依存性を示すグラフ
符号の説明
1 SOI基板
2 シリコン基板
3 絶縁層
4 シリコン薄膜層
5 シリコン窒化膜
5a 残渣
6 パッド酸化膜
7 レジストマスク
8 トランジスタ形成領域
9 除去部
10 素子分離層
11 素子分離領域
12 バーズビーク

Claims (4)

  1. 支持基板と、該支持基板上方の半導体層とを有する半導体基板に形成する半導体素子の製造方法において、
    トランジスタ形成領域と素子分離領域とを設定した前記半導体基板を準備する工程と、
    該半導体基板の半導体層上にパッド酸化膜を形成する工程と、
    該パッド酸化膜上に耐酸化性マスク層を形成する工程と、
    前記耐酸化性マスク層上に、前記トランジスタ形成領域を覆うレジストマスクを形成する工程と、
    該レジストマスクをマスクとして、前記耐酸化性マスク層をエッチングして前記素子分離領域のパッド酸化膜を露出させる第1のエッチング工程と、
    前記レジストマスクを除去し、露出した前記耐酸化性マスク層をマスクとして、前記露出させたパッド酸化膜の下の半導体層をLOCOS法により酸化し、素子分離層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
  2. 請求項1において、
    前記第1のエッチング工程におけるエッチングが、CFガスとHBrガスとの混合ガスを用い、カソード電極に印可するイオンエネルギー制御のためのバイアス用RFパワーを10W以上、40W未満とした異方性エッチングであることを特徴とする半導体素子の製造方法。
  3. 支持基板と、該支持基板上方の半導体層とを有する半導体基板に形成する半導体素子の製造方法において、
    トランジスタ形成領域と素子分離領域とを設定した前記半導体基板を準備する工程と、
    該半導体基板の半導体層上にパッド酸化膜を形成する工程と、
    該パッド酸化膜上に耐酸化性マスク層を形成する工程と、
    前記耐酸化性マスク層上に、前記トランジスタ形成領域を覆うレジストマスクを形成する工程と、
    該レジストマスクをマスクとして、前記耐酸化性マスク層をエッチングして前記素子分離領域のパッド酸化膜を露出させる第1のエッチング工程と、
    前記レジストマスクをそのまま用い、前記第1のエッチング工程におけるエッチングの対酸化膜選択比よりも高い対酸化膜選択比でエッチングして、前記第1のエッチング工程によって残された前記耐酸化性マスク層の残渣を取除く第2のエッチング工程と、
    前記レジストマスクを除去し、露出した前記耐酸化性マスク層をマスクとして、前記露出させたパッド酸化膜の下の半導体層をLOCOS法により酸化し、素子分離層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
  4. 請求項3において、
    前記第1のエッチング工程におけるエッチングが、CFガスとHBrガスとの混合ガスを用い、カソード電極に印可するイオンエネルギー制御のためのバイアス用RFパワーを10W以上、40W未満とした異方性エッチングであり、
    前記第2のエッチング工程におけるエッチングは、前記CFガスをSFガスに置換し、バイアス用RFパワーを0Wとした異方性エッチングであることを特徴とする半導体素子の製造方法。
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