JP2007048941A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特にシャロートレンチアイソレーション(STI:Shallow Trench Isolation)構造のトレンチ側壁に与える圧縮応力を低減するとともにトラップを低減するための構成に特徴のある半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of manufacturing a semiconductor device characterized by a structure for reducing compressive stress applied to a trench sidewall of a shallow trench isolation (STI) structure and reducing traps. It is about.
半導体装置における素子分離方法の1つとして、半導体基板表面にトレンチを形成し、トレンチ内に絶縁物や多結晶シリコンを埋め込むトレンチアイソレーション技術が知られており、この方法は、従来、深い素子分離領域を必要とするバイポーラトランジスタLSIに用いられていた。 As one of element isolation methods in a semiconductor device, a trench isolation technique is known in which a trench is formed on the surface of a semiconductor substrate, and an insulator or polycrystalline silicon is embedded in the trench. It has been used in bipolar transistor LSIs that require area.
近年、トレンチアイソレーションのMOSトランジスタLSIの適用が進んでいるが、MOSトランジスタLSIでは、バイポーラトランジスタLSIほど深い素子分離は必要としないため、深さ0.1〜1.0μm程度の比較的浅い溝で素子分離を行うことができる。 In recent years, the application of trench isolation MOS transistor LSIs has progressed, but MOS transistor LSIs do not require element isolation as deep as bipolar transistor LSIs. Therefore, relatively shallow trenches having a depth of about 0.1 to 1.0 μm. The element isolation can be performed.
この構造はシャロートレンチアイソレーション(STI)と呼ばれており、ここで、図10乃至図12を参照して、STIの形成工程を説明する。
図10参照
まず、シリコン基板51の表面に熱酸化により、厚さが、例えば、10nmのバッファ酸化膜52を形成したのち、CVD(化学気相成長)法を用いて、厚さが、例えば、100〜150nmのストッパとなるSiN膜53を形成する。
This structure is called Shallow Trench Isolation (STI). Here, the STI formation process will be described with reference to FIGS.
See FIG.
First, after the buffer oxide film 52 having a thickness of, for example, 10 nm is formed on the surface of the silicon substrate 51 by thermal oxidation, the thickness is, for example, 100 to 150 nm by using a CVD (chemical vapor deposition) method. A SiN film 53 serving as a stopper is formed.
次いで、SiN膜53上にレジストパターン54を形成し、レジストパターン54をマスクとして反応性イオンエッチング(RIE)を施すことによって、深さが0.3μm程度のトレンチ55を形成する。
なお、この時、レジストパターン54直下のシリコン基板の領域は素子形成領域となる。
Next, a
At this time, the region of the silicon substrate immediately below the
次いで、レジストパターン54を除去したのち、熱酸化を施すことによってトレンチ55内に露出したシリコン基板51の表面に、厚さが、例えば、10nmのライナー酸化膜56を形成する。
Next, after removing the
次いで、例えば、高密度プラズマ(HDP)CVD法により、SiO2 膜57を全面に堆積させてトレンチ55を完全に埋め込んだのち、例えば、窒素雰囲気中で900℃〜1100℃でアニール処理を行うことによって堆積させたSiO2 膜57を緻密化する。
Next, the SiO 2 film 57 is deposited on the entire surface by, for example, high density plasma (HDP) CVD method to completely fill the
次いで、SiN膜53をストッパとして、化学機械研磨(CMP)またはリアクティブイオンエッチングによるエッチバックを施すことによって、不要なSiO2 膜57を除去し、SiN膜53によって画定されるトレンチ55内にのみ、SiO2 膜57を残存させる。
Next, by using the SiN film 53 as a stopper, etch back by chemical mechanical polishing (CMP) or reactive ion etching is performed to remove the unnecessary SiO 2 film 57 and only into the
図11参照
次いで、熱燐酸を用いてSiN膜53をエッチング除去したのち、希フッ酸を用いて、シリコン基板51表面上のバッファ酸化膜52を除去する。
この時、トレンチ55を埋め込むSiO2 膜57もエッチングされる。
See FIG.
Next, after removing the SiN film 53 by etching using hot phosphoric acid, the buffer oxide film 52 on the surface of the silicon substrate 51 is removed using dilute hydrofluoric acid.
At this time, the SiO 2
次いで、シリコン基板51の露出表面を熱酸化し、表面に犠牲SiO2 膜58を形成したのち、犠牲SiO2 膜58を介してシリコン基板51の表面層に所望導電型の不純物をイオン注入し、活性化してシリコン基板51に所望導電型のウエル領域59を形成し、次いで、希フッ酸を用いて犠牲SiO2 膜58は除去する。
この犠牲SiO2 膜58の除去工程において、SiO2 膜57の露出部が再びエッチングされ、ディボット60が形成される。
Then, the exposed surface of the silicon substrate 51 is thermally oxidized after forming a sacrificial SiO 2 film 58 on the surface, a desired conductivity type impurity into the surface layer of the silicon substrate 51 by ion implantation through the sacrificial SiO 2 film 58, It is activated to form a
In the step of removing the sacrificial SiO 2 film 58, the exposed portion of the SiO 2
次いで、露出したシリコン基板51の表面を熱酸化し、所望厚さのSiO2 膜からなるゲート絶縁膜61を形成したのち、全面に多結晶シリコン膜62を堆積する。
Next, the exposed surface of the silicon substrate 51 is thermally oxidized to form a
図12参照
次いで、多結晶シリコン膜62をパターニングすることによってゲート電極63を形成したのち、ゲート電極63をマスクとしてウエル領域59と逆導電型の不純物をイオン注入し、活性化することによってエクステンション領域64を形成し、次いで、ゲート電極63の側壁にサイドウォール65を形成したのち、このサイドウォール65をマスクとして再度ウエル領域59と逆導電型の不純物をイオン注入し、活性化して高濃度のソース・ドレイン領域66を形成する。
See FIG.
Next, after forming the gate electrode 63 by patterning the polycrystalline silicon film 62, the gate electrode 63 is used as a mask, and an impurity having a conductivity type opposite to that of the
次いで、全面に層間絶縁膜67を堆積させたのち、ソース・ドレイン領域66に達するコンタクトホールを形成し、次いで、このコンタクトホールをバリヤメタルを介してW等で埋め込んでプラグ68を形成することによって、MOSFETの基本構成が完成する。
Next, after depositing an interlayer insulating film 67 on the entire surface, a contact hole reaching the source /
このようなSTIの素子分離は微細化に適しているが、図11の下段図に示すように、素子分離領域を構成するSiO2 膜57の肩部がエッチングされて、ゲート電極63より下側にディボット60が形成されると、チャネル幅方向において、シリコン基板51の素子形成領域肩部が上面のみならず側面からもゲート電極63で囲まれる。
Such STI element isolation is suitable for miniaturization, but as shown in the lower part of FIG. 11, the shoulder portion of the SiO 2 film 57 constituting the element isolation region is etched so that it is below the gate electrode 63. When the
このような形状になると、素子形成領域の肩部は、ゲート電極に電圧を印加すると平坦部より電界集中を受け、より低い閾値電圧を有する寄生トランジスタを形成することになり、この寄生トランジスタはI−V特性にハンプ特性を発生させる原因となる。 In such a shape, the shoulder of the element formation region receives an electric field concentration from the flat portion when a voltage is applied to the gate electrode, and forms a parasitic transistor having a lower threshold voltage. This causes a hump characteristic in the -V characteristic.
また、コンタクトホールの形成工程において、マスクの位置ずれによりコンタクトホールが素子分離領域にかかった場合、SiO2 膜57にディボット60が形成されていると、コンタクトホールが活性領域表面より深くまで形成されて、プラグ68とソース・ドレイン領域66下のウエル領域59との間の距離が近くなり、トンネルなどでリーク電流が発生する可能性が生じる。
これらのリークにより飽和電流の減少の悪化を発生させる場合がある。
Further, in the contact hole forming process, when the contact hole covers the element isolation region due to the displacement of the mask, if the
These leaks may cause deterioration of the decrease in saturation current.
さらに、トレンチ55内に埋め込んだSiO2 膜57の緻密化のための熱処理を行うと、SiO2 とSiとの熱膨張率の差により、SiO2 膜57で囲まれた素子形成領域は圧縮ストレスを受けることになる。
Further, when heat treatment for densification of the SiO 2 film 57 embedded in the
圧縮ストレスが印加されると、シリコン基板51の活性領域における電子の移動度が大きく低下するため、飽和ドレイン電流が低下し、特に、微細化にともないゲート幅が小さくなるにしたがって、埋め込み酸化膜起因も含めた圧縮応力が特にNMOSの飽和ドレイン電流の劣化に与える影響がますます深刻になっている。 When compressive stress is applied, the mobility of electrons in the active region of the silicon substrate 51 is greatly reduced, so that the saturation drain current is reduced. In particular, as the gate width is reduced with miniaturization, it is caused by the buried oxide film. In particular, the influence of compressive stress including the above on deterioration of the saturation drain current of NMOS is becoming more serious.
また、トレンチ内面上のライナー酸化膜56を介して、埋め込み酸化膜中の水分或いは後工程での高温での酸化処理により、トレンチ側面が再酸化される場合があるが、酸化が発生すると、酸化により体積が膨張しトレンチ側壁に圧縮の応力がさらにはたらき飽和ドレイン電流を劣化させることになる。
In addition, the side surface of the trench may be re-oxidized by the moisture in the buried oxide film or the high-temperature oxidation process in a later process through the
そこで、ハンプ特性やリークを防止するために、トレンチ内面上にライナー酸化膜を介してライナーSiN膜を形成することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, in order to prevent hump characteristics and leakage, it has been proposed to form a liner SiN film on the inner surface of the trench via a liner oxide film (see, for example, Patent Document 1).
SiN膜はSiに対して引張応力として作用するために、ライナーSiN膜を形成することによってSiO2 膜の圧縮応力と相殺し、トレンチ55の側壁部に作用する応力が軽減されて飽和ドレイン電流が劣化が抑制されることになる。
なお、ライナー窒化膜を設けた場合、再酸化が抑制されて圧縮応力の増大が抑制されることになるので、この点からも飽和ドレイン電流の劣化が抑制されると考えられる。
Since the SiN film acts as tensile stress on Si, forming the liner SiN film cancels the compressive stress of the SiO 2 film, and the stress acting on the side wall of the
When the liner nitride film is provided, re-oxidation is suppressed and an increase in compressive stress is suppressed. From this point, it is considered that the deterioration of the saturation drain current is also suppressed.
また、素子分離領域の肩部においては、ゲート電極63は、ゲート絶縁膜61より厚いライナーSiN膜/ライナー酸化膜の積層構造を介することになるため、電界集中が緩和されて寄生トランジスタの発生が抑制されることになる。
In addition, since the gate electrode 63 has a liner SiN film / liner oxide film laminated structure thicker than the
さらに、一般に、ゲート幅Wを狭くしていくとしきい値Vthが次第に減少する逆狭チャネル効果が現れるが、ライナーSiN膜を設けた場合に逆狭チャネル効果が見られないのでこの事情を図13を参照して説明する。 Further, generally, as the gate width W is reduced, the reverse narrow channel effect appears in which the threshold value Vth gradually decreases. However, when the liner SiN film is provided, the reverse narrow channel effect is not observed, so this situation is illustrated. Explanation will be made with reference to FIG.
図13参照
図13は、Vthのチャネル幅W依存性の説明図であり、ゲート幅Wを狭くしていくとしきい値Vthが次第に減少する逆狭チャネル効果が見られる。
しかし、ライナーSiN膜を設けた場合にはVthはほぼ一定であり、逆狭チャネル効果は見られないことが分かる。
これは、ライナーSiN膜を設けることによって、上述の寄生トランジスタの発生が抑制され、寄生トランジスタの寄与が小さいためと考えられる。
See FIG.
FIG. 13 is an explanatory diagram of the dependence of V th on the channel width W. As the gate width W is reduced, the reverse narrow channel effect is seen in which the threshold value V th gradually decreases.
However, it can be seen that when the liner SiN film is provided, Vth is substantially constant and the reverse narrow channel effect is not observed.
This is presumably because the provision of the liner SiN film suppresses the generation of the above-described parasitic transistor and the contribution of the parasitic transistor is small.
しかし、このように、ライナーSiN膜を設けた場合に、窒化膜は電子等の電荷をトラップしやすいため、ライナーSiN膜とゲート電極とが重なる素子形成領域の肩部においては、チャネルを流れるキャリアがライナーSiN膜に接近するため、ホットキャリア効果によって電子がライナーSiN膜にトラップされてしまい、Vthがシフトするという問題が発生する。 However, when the liner SiN film is provided as described above, the nitride film easily traps charges such as electrons. Therefore, in the shoulder of the element formation region where the liner SiN film and the gate electrode overlap, carriers flowing in the channel However, due to the proximity to the liner SiN film, electrons are trapped in the liner SiN film due to the hot carrier effect, causing a problem that V th shifts.
そこで、このような問題を解決するために、トレンチ内に埋め込んだSiO2 膜の上部を除去して、露出したライナーSiN膜を熱酸化することにより酸化膜に変換して、キャリアのトラップによるVthのシフトを抑制することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、上記特許文献2の場合には、Vthのシフトは抑制されるものの、埋込酸化膜の除去工程、及び、熱酸化工程が必要になるとともに、さらに、埋込酸化膜の除去部をさらに酸化膜で埋め込む工程が必要になり、製造工程が増加し、スループットの低下及び製造コストの上昇とをもたらすという問題がある。
However, in the case of the above-mentioned
したがって、本発明は、製造工程を大幅に増加することなく、埋込酸化膜に起因する圧縮応力の影響を低減するとともに、ライナーSiN膜に起因するキャリアのトラップを解消することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to reduce the influence of the compressive stress caused by the buried oxide film and eliminate the carrier trap caused by the liner SiN film without significantly increasing the number of manufacturing steps.
図1は本発明の原理的構成図であり、ここで図1を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、半導体装置の製造方法において、半導体基板1表面上に研磨のストッパ層2を形成する工程、前記ストッパ層2を介して半導体基板1に素子分離用トレンチ3を形成する工程、少なくとも前記トレンチ3の内表面を覆うようにSiN膜或いはSiON膜からなる窒化系ライナー膜4を堆積する工程、プラズマ照射によって前記トレンチ3内に堆積した窒化系ライナー膜4中の窒素を減少させたのち、酸化膜7を堆積させてトレンチ3を埋め込む工程、及び、前記ストッパ層2上に堆積した前記酸化膜7を研磨により除去する工程を備えたことを特徴とする。
FIG. 1 is a diagram illustrating the basic configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
In order to solve the above-described problem, the present invention provides a method of forming a polishing
このように、トレンチ3内を酸化膜7で埋め込む前に、プラズマ処理により窒化系ライナー膜4中の窒素濃度を減少させることによって、チャージトラップの元になるサイトを減少させホットキャリアによる劣化を抑制することができる。
In this way, before the
窒化系ライナー膜4中の窒素濃度の減少により、極端な場合に窒素が検出されなくなった場合にも、飽和ドレイン電流の劣化が抑制されており、この結果は、窒素濃度が低下してもプラズマ処理ライナー膜6はバリア性に優れた高質の酸化膜7に変換されているため圧縮応力相殺の機能は損なわれていないと考えられる。
Even when nitrogen is no longer detected due to a decrease in the nitrogen concentration in the
また、窒素濃度が低下してもプラズマ処理ライナー膜6は存在しているため、素子形成領域の肩部においてはプラズマ処理ライナー膜6を介してゲート電極が設けられるため寄生トランジスタの発生が抑制される。
In addition, since the plasma
この場合のプラズマ照射による窒化系ライナー膜4中の窒素の減少は、窒化系ライナー膜4中の窒素を膜中のSiに対する原子比で30%以下にすることが望ましく、それによって、チャージトラップによるホットキャリアの捕獲に起因する劣化を生ずることなく、圧縮応力を低減することができる。
In this case, it is desirable that the nitrogen in the
また、プラズマ照射工程に使用するガス種としては、O2 、N2 O、He、Ar、CO2 、或いは、H2 いずれかまたはこれらの組合せのガスが望ましく、非酸化性プラズマの場合には、プラズマ照射後に酸化処理を行えば良い。 As the gas species used in the plasma irradiation process, O 2 , N 2 O, He, Ar, CO 2 , or a gas of H 2 or a combination thereof is desirable. In the case of non-oxidizing plasma, An oxidation treatment may be performed after the plasma irradiation.
また、酸化膜7の堆積工程においては、緻密な埋込酸化膜7を形成するためには、プラズマ気相化学成長法を用いることが望ましく、TEOS−O3 によるプラズマCVD法でも良いが、特に、SiH4 −O2 を用いた高密度プラズマ気相化学成長法(HDP−CVD法)が望ましい。
Further, in the step of depositing the
また、プラズマ照射工程を、プラズマ気相化学成長装置内において行うことが望ましく、それによって、プラズマ処理後の基板を大気中に晒すことなく、連続して酸化膜7の堆積を行うことができるので、品質の向上とスループットの向上が可能になる。
In addition, it is desirable that the plasma irradiation process is performed in a plasma vapor phase chemical growth apparatus, so that the
なお、プラズマ照射工程の後に酸化処理を行う場合には、プラズマ気相化学成長装置内においてプラズマ照射工程の後に連続してプラズマ酸化処理を行うことが望ましい。 In addition, when performing an oxidation process after a plasma irradiation process, it is desirable to perform a plasma oxidation process continuously after a plasma irradiation process in a plasma vapor phase chemical growth apparatus.
本発明では、圧縮応力低減のための窒化系ライナー膜を成膜後に窒化系ライナー膜中の窒素を低減させているので、チャージトラップに起因するVth変動を発生させることなく圧縮応力の低減が可能になり、それによって、ハンプ効果や逆狭チャンネル効果の発生を抑制することができる。 In the present invention, since the nitrogen in the nitride liner film is reduced after the formation of the nitride liner film for reducing the compressive stress, the compressive stress can be reduced without causing the V th fluctuation due to the charge trap. This makes it possible to suppress the occurrence of the hump effect and the reverse narrow channel effect.
本発明は、半導体基板表面上に研磨のストッパ層を形成したのち、ストッパ層を介して半導体基板に素子分離用トレンチを形成し、次いで、トレンチの内表面を覆うようにSiN膜或いはSiON膜からなる窒化系ライナー膜を堆積させたのち、プラズマ照射によって、好適にはプラズマCVD装置内、特に、HDP−CVD装置内においてO2 、N2 O、He、Ar、CO2 、或いは、H2 いずれかまたはこれらの組合せのガスによるプラズマを照射して、トレンチ内に堆積した窒化系ライナー膜中の窒素を膜中のSiに対する原子比で30%以下に減少させ、次いで、酸化膜を堆積させてトレンチを埋め込んだのち、ストッパ層上に堆積した酸化膜を研磨、特に、化学機械研磨(CMP)により除去するものである。 In the present invention, after forming a polishing stopper layer on the surface of the semiconductor substrate, an element isolation trench is formed in the semiconductor substrate through the stopper layer, and then the SiN film or SiON film is formed so as to cover the inner surface of the trench. After depositing the nitride liner film to be formed, any of O 2 , N 2 O, He, Ar, CO 2 , or H 2 is preferably irradiated by plasma irradiation in a plasma CVD apparatus, particularly in an HDP-CVD apparatus. Irradiation with a plasma with a gas of these or a combination thereof reduces nitrogen in the nitride liner film deposited in the trench to 30% or less in terms of atomic ratio to Si in the film, and then deposits an oxide film. After filling the trench, the oxide film deposited on the stopper layer is removed by polishing, particularly chemical mechanical polishing (CMP).
ここで、図2乃至図4を参照して、本発明の実施例1のMOSFETの製造工程を説明する。
図2参照
まず、p型シリコン基板11の表面を例えば基板温度800℃でウェット酸化して厚さが、例えば、5nmのバッファ酸化膜12を形成し、続いて、例えば、基板温度775℃で原料として例えばジクロルシランとアンモニアを用いたCVD法により、厚さが、例えば、110nmのSiN膜からなるストッパ層13を形成する。
Here, with reference to FIG. 2 thru | or FIG. 4, the manufacturing process of MOSFET of Example 1 of this invention is demonstrated.
See Figure 2
First, the surface of the p-
次いで、ストッパ層13上に素子分離領域形成領域に対応する開口部15を有するレジストパターン14を形成し、このレジストパターン14をマスクとして反応性イオンエッチングを行うことによってSTI用のトレンチ16を形成する。
Next, a resist pattern 14 having an opening 15 corresponding to an element isolation region formation region is formed on the stopper layer 13, and reactive ion etching is performed using the resist pattern 14 as a mask to form an
この場合、レジストパターン14で画定される領域が素子形成領域となり、例えば、1μm×1μmのサイズとする。
また、近年の半導体装置の高集積化に伴い、半導体素子間も高密度化しており、ここでは、トレンチ16の幅を例えば140nmとし、深さを350nmとする。
In this case, the region defined by the resist pattern 14 becomes an element formation region, and has a size of 1 μm × 1 μm, for example.
In addition, with the recent high integration of semiconductor devices, the density of semiconductor elements is also increasing. Here, the width of the
次いで、レジストパターン14を除去したの、ドライ酸化によりトレンチ16内に露出したp型シリコン基板11の表面に厚さが、例えば、3nmのライナー酸化膜17を形成する。
Next, a
次いで、ソースガスとしてジクロルシランとアンモニアを用いたCVD法によって、全面に厚さが3〜20nm、例えば、6nmのライナーSiN膜18を形成する。
このライナーSiN膜18は、後述する埋込酸化膜の緻密化のための高温酸化雰囲気中における熱処理におけるトレンチ側壁の再酸化を抑制するために用いられる。
Next, a liner SiN film 18 having a thickness of 3 to 20 nm, for example, 6 nm, is formed on the entire surface by a CVD method using dichlorosilane and ammonia as source gases.
The liner SiN film 18 is used to suppress reoxidation of the trench side walls in a heat treatment in a high-temperature oxidizing atmosphere for densifying the buried oxide film described later.
埋め込み後にトレンチ側壁が再酸化されると、酸化膜形成時に界面の酸化膜領域がSiと反応して膨張し、トレンチ界面に圧縮応力をおよぼし、特性の劣化を引き起こすことになるが、再酸化を抑制することによって特性の劣化を防ぐことになる。 If the trench sidewall is re-oxidized after filling, the oxide film region at the interface reacts with Si during the oxide film formation and expands, causing compressive stress on the trench interface and causing deterioration of characteristics. Suppression suppresses deterioration of characteristics.
次いで、HDP−CVD装置(内容量:57000cc)内において、例えば、O2 を160sccm、Heを500sccmを流し、セラミックドームの外周にコイル状に導入した13.56MHz の高周波RF電力を成膜時よりも高い4500W供給し、450℃の基板温度で90秒プラズマ照射を行う。
このプラズマ照射によって、ライナーSiN膜中のNは減少し、置換酸化膜19に変換される。
Next, in the HDP-CVD apparatus (internal capacity: 57000 cc), for example, 160 sccm of O 2 and 500 sccm of He were flowed, and high frequency RF power of 13.56 MHz introduced in a coil shape on the outer periphery of the ceramic dome was from the time of film formation. Higher 4500 W is supplied, and plasma irradiation is performed at a substrate temperature of 450 ° C. for 90 seconds.
By this plasma irradiation, N in the liner SiN film is reduced and converted to the
図3参照
引き続いて、HDP−CVD装置内において、例えば、SiH4 を120sccm、O2 を160sccm、Heを500sccm流し、セラミックドームの外周にコイル状に導入した13.56MHz の高周波RF電力を3000W、静電チャックに400kHzの高周波RF電力を2000W供給し、トレンチ16内を完全に埋め込むように厚さが、例えば、450nmのプラズマ酸化膜20を堆積させる。
See Figure 3
Subsequently, in the HDP-CVD apparatus, for example, SiH 4 is flowed at 120 sccm, O 2 is flowed at 160 sccm, and He is flowed at 500 sccm. A high frequency RF power of 13.56 MHz introduced in a coil shape on the outer periphery of the ceramic dome is 3000 W, electrostatic chuck The
次いで、化学機械研磨によりストッパ層13上に堆積したプラズマ酸化膜20及び置換酸化膜19を除去し、トレンチ16内に埋込酸化膜21を形成する。
この時、ストッパ層13の一部も研磨して良い。
Next, the
At this time, a part of the stopper layer 13 may be polished.
次いで、例えば、非酸化性雰囲気中で1000℃でアニール処理を行い、埋込酸化膜21を緻密化して耐フッ酸性を高め、後述するエッチング工程におけるディボットの発生をできるだけ抑制する。
Next, for example, annealing is performed at 1000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere, the buried
以降は、従来のMOSFETの製造工程と同様に、熱燐酸を用い、SiN膜からなるストッパ層13を除去したのち、露出したバッファ酸化膜12をフッ酸によりエッチング除去する。 Thereafter, similarly to the conventional MOSFET manufacturing process, hot phosphoric acid is used to remove the stopper layer 13 made of the SiN film, and then the exposed buffer oxide film 12 is removed by etching with hydrofluoric acid.
図4参照
次いで、露出したシリコン基板の表面にスルー酸化膜22を形成したのち、スルー酸化膜22を介してBをイオン注入することによってp型ウエル領域23を形成し、次いで、スルー酸化膜22を除去したのち、露出したp型ウエル領域23の表面に熱酸化により厚さが、例えば、3nmのゲート酸化膜24を形成したのち、全面に多結晶シリコン膜を形成し、次いで、パターニングすることによってゲート電極25を形成する。
See Figure 4
Next, after forming a through
次いで、ゲート電極25をマスクとしてAsイオンを注入することによってn型エクステンション領域26を形成したのち、全面にSiO2 膜を堆積し、反応性イオンエッチングにより異方性エッチングを行うことによってサイドウォール27を形成する。
Next, an n-
次いで、サイドウォール27をマスクとして再びAsイオンを注入することによって、n+ 型ソース・ドレイン領域28を形成する。
Next, As ions are implanted again using the
次いで、全面にCo膜を堆積させたのち、熱処理を行うことによってn+ 型ソース・ドレイン領域28及びゲート電極25の表面にCoシリサイド膜29,30を形成し、未反応のCo膜をウォッシュアウトしたのち、二次熱処理を行うことによってCoシリサイド膜29,30を低抵抗相のCoシリサイドに変換する。
Next, a Co film is deposited on the entire surface, and then heat treatment is performed to form
次いで、全面にSiN膜からなるエッチングストッパー層31、及び、プラズマTEOS−NSG膜からなる層間絶縁膜32を順次形成したのち、層間絶縁膜32の表面を平坦化し、次いで、n+ 型ソース・ドレイン領域28に達するコンタクトホールを形成する。
Next, an etching stopper layer 31 made of a SiN film and an
次いで、例えば、TiNからなるグルー層33を堆積した後、例えば、W層34をCVD法により堆積してコンタクトホール内を完全に埋め込み、次いで、層間絶縁膜32上の不要な金属層をCMPで除去してプラグ35を形成することによってMOSFETの基本構成が完成する。
以降は、必要に応じて多層配線構造を形成することによってMOS型LSIが完成する。
Next, for example, after depositing a
Thereafter, a MOS type LSI is completed by forming a multilayer wiring structure as necessary.
次に、図5乃至図9を参照して、本発明の特徴点である、ライナーSiN膜のプラズマ処理の作用効果を説明する。
図5参照
図5は、ライナーSiN膜中の窒素濃度減少の処理条件依存性の説明図であり、厚さが6nmのSiN膜に対して各種の条件でプラズマ照射を行った場合のライナーSiN膜中の窒素濃度をXPS法によって測定した結果を示したものである。
Next, with reference to FIGS. 5 to 9, the effect of plasma treatment of the liner SiN film, which is a feature of the present invention, will be described.
See Figure 5
FIG. 5 is an explanatory diagram of the dependence of the nitrogen concentration reduction in the liner SiN film on the processing conditions. Nitrogen in the liner SiN film when plasma irradiation is performed on the SiN film having a thickness of 6 nm under various conditions. The result of having measured the density | concentration by XPS method is shown.
ここでは、プラズマガスとして、O2 +HeとHeの2種類を用い、13.56MHz の高周波RF電力を2500W、4500W、5500Wとし、照射時間を90秒に固定してプラズマ処理を行った。
なお、この場合のO2 +Heの場合には、O2 とHeの流量を250sccm及び500sccmとし、He単独の場合には500sccmとした。
Here, two types of plasma gas, O 2 + He and He, were used, and the plasma treatment was performed with a high frequency RF power of 13.56 MHz set to 2500 W, 4500 W, and 5500 W, and an irradiation time fixed to 90 seconds.
In this case, the flow rates of O 2 and He were 250 sccm and 500 sccm in the case of O 2 + He, and 500 sccm in the case of He alone.
図から明らかなように、ライナーSiN膜中のNの比率は、成長直後においては約40%であるのに対して、プラズマ照射によって大幅にNが減少していることがわかる。
またRF電力が高いほどN濃度減少の効果は高く、ガス種としてはHe単独の場合に比較してO2 を添加した方が減少の効果が高いことがわかる。
なお、He単独の場合の膜中のO2 比率は、プラズマ照射後に大気中に取り出した場合に、大気中のO2 或いはH2 Oの付着或いは、それらに起因する酸化によるものである。
As is apparent from the figure, the ratio of N in the liner SiN film is about 40% immediately after the growth, but it can be seen that N is significantly reduced by the plasma irradiation.
It can also be seen that the higher the RF power, the higher the N concentration reduction effect, and the addition of O 2 as a gas species has a higher reduction effect compared to the case of He alone.
Note that the O 2 ratio in the film in the case of He alone is due to adhesion of O 2 or H 2 O in the atmosphere or oxidation caused by them when taken out into the atmosphere after plasma irradiation.
因に、O2 を添加した系では、RFパワーを4500W以上にするとN濃度はほぼゼロレベルまで低減できることがわかった。
また処理時間にも感度あり、処理時間を延ばせば膜中の窒素濃度を低減できるが、先に述べたようにパワー・ガス種・処理時間の組み合わせにより、窒素濃度の低減は可能となることがわかり、より好適には、N濃度はほぼゼロレベルまで低減することが望ましい。
Incidentally, it was found that in the system to which O 2 was added, the N concentration could be reduced to almost zero level when the RF power was increased to 4500 W or more.
The processing time is also sensitive, and if the processing time is extended, the nitrogen concentration in the film can be reduced. However, as described above, the nitrogen concentration can be reduced by combining the power, gas type, and processing time. As can be seen, more preferably, the N concentration should be reduced to approximately zero level.
但し、STI構造でのトレンチ内面に敷いたライナーの窒化膜に対しては、プラズマ照射の効果が底面と側壁では異なることが考えられるので、実際のSTI構造のウェハを用いて、プラズマ照射条件を振ってライナー窒化膜の存在をTEM、EELSを用いて調査した。
一例としてHe;250Sccm、O2 ;500sccm、高周波電力出力を4500W,5500Wに対してそれぞれ90秒の処理をおこなった後に、高密度プラズマによる埋込酸化膜を成長して比較をおこなった。
However, for the liner nitride film laid on the inner surface of the trench in the STI structure, it is considered that the effect of plasma irradiation is different between the bottom surface and the side wall. The presence of the liner nitride film by shaking was investigated using TEM and EELS.
As an example, after processing 90 seconds for He; 250 Sccm, O 2 ; 500 sccm, and high-frequency power output of 4500 W and 5500 W, respectively, a buried oxide film by high-density plasma was grown and compared.
図6参照
図6は、RFパワーを4500Wとした場合の素子形成領域のTEM像(模写図)であり、Si素子形成領域41の側面に薄いライナーSiO2 膜42を介して1〜2nmのライナーSiN膜43の像が確認される。
この場合、ライナーSiN膜43のプラズマ処理前の膜厚は6nm程度であるのでかなりの減少が見られるが、これはプラズマエッチングにより減膜したのはなく、ライナーSiN膜43からNが脱離して酸化膜に置換されたためである。
See FIG.
FIG. 6 is a TEM image (copy) of the element formation region when the RF power is 4500 W, and a liner SiN film 43 of 1 to 2 nm is formed on the side surface of the Si element formation region 41 via a thin liner SiO 2 film 42. The image of is confirmed.
In this case, since the film thickness of the liner SiN film 43 before the plasma treatment is about 6 nm, a considerable decrease is observed, but this is not reduced by the plasma etching, but N is desorbed from the liner SiN film 43. This is because the oxide film is replaced.
図7参照
図7は、RFパワーを5500Wとした場合の素子形成領域のTEM像(模写図)であり、Si素子形成領域41の側面にライナーSiN膜43の像は全く見られない。
この場合には、ライナーSiN膜43が全て酸化膜置換されたものと考えられる。
See FIG.
FIG. 7 is a TEM image (copy) of the element formation region when the RF power is 5500 W, and no image of the liner SiN film 43 is seen on the side surface of the Si element formation region 41.
In this case, it is considered that the liner SiN film 43 is entirely replaced with an oxide film.
図8参照
図8は、RFパワーを4500Wとした場合のストッパ層除去及びその後の酸化膜エッチング後のTEM像(模写図)であり、図6の場合と同様にSi素子形成領域41の側面にライナーSiN膜43の像が見えるが、トレンチの底部においてライナーSiN膜43は確認されなかった。
これは、プラズマ照射の効果が平坦部よりも側壁部で活性種の照射が減少するためと考えられる。
See FIG.
FIG. 8 is a TEM image (schematic diagram) after removal of the stopper layer and subsequent etching of the oxide film when the RF power is 4500 W. Similar to the case of FIG. 6, the liner SiN film is formed on the side surface of the Si element formation region 41. Although an image of 43 is visible, the liner SiN film 43 is not confirmed at the bottom of the trench.
This is presumably because the effect of plasma irradiation decreases irradiation of active species at the side wall portion rather than at the flat portion.
次いで、それぞれのサンプルについてライナーSiN膜が存在する箇所についてEELS法を用いて、窒素の元素MAPで対応をとると4500WのサンプルではTEM像で確認された箇所に一致して窒素の反応が観察されるのに対して、5500Wのサンプルでは窒素の反応はバックグラウンドレベルでしか観察されず、5500Wのサンプルではライナー部にSiN膜としては存在していないことが確認できた。 Next, using the EELS method for the location where the liner SiN film exists for each sample, the nitrogen reaction is observed in the 4500 W sample in accordance with the location confirmed by the TEM image when the correspondence is taken with the nitrogen element MAP. In contrast, in the 5500 W sample, the reaction of nitrogen was observed only at the background level, and it was confirmed that the 5500 W sample did not exist as a SiN film in the liner portion.
図9参照
図9は、実施例1で作成したMOSFETの逆狭チャネル効果の説明図であり、従来のライナーSiN膜を設けたMOSFETと同様に、逆狭チャネル効果は殆ど見られなかった。
FIG. 9 is an explanatory diagram of the reverse narrow channel effect of the MOSFET prepared in Example 1, and almost no reverse narrow channel effect was observed as in the case of the MOSFET provided with the conventional liner SiN film.
このように、本発明の実施例1においては、ライナーSiN膜を設けたのち、プラズマ照射により窒素を低減しているので、チャージトラップによるホットキャリアに対する特性を改善とVth変動の抑制とを両立することができる。 As described above, in Example 1 of the present invention, after the liner SiN film is provided, nitrogen is reduced by plasma irradiation, so both improvement of characteristics against hot carriers due to charge traps and suppression of Vth fluctuations are achieved. can do.
以上、本発明の実施例を説明してきたが、本発明は実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、実施例においてはnチャネル型MOSFETを例に説明しているが、pチャネル型MOSFETにも当然適用れるものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications are possible. For example, in the embodiments, an n-channel MOSFET is used. However, this is naturally applicable to p-channel MOSFETs.
また、上記の実施例においては、ライナーSiN膜の堆積工程において、ソースガスとしてジクロルシランとアンモニアを用いているが、ビスターシャルブチルアミノシラン
(BTBAS)とアンモニアを用いても良いものである。
In the above embodiment, dichlorosilane and ammonia are used as the source gas in the liner SiN film deposition step, but it is also possible to use binary butylaminosilane (BTBAS) and ammonia.
また、上記の実施例においては、ライナー膜をSiN膜で構成しているが、純粋なSiN膜である必要はなく、SiON膜をライナー膜として用いても良いものである。 In the above embodiment, the liner film is composed of the SiN film. However, the liner film is not necessarily a pure SiN film, and the SiON film may be used as the liner film.
また、上記の実施例においては、埋込酸化膜をHDP−CVD法により堆積しているが、TEOS−O2 を用いた通常のプラズマCVD法を用いても良いものである。 In the above embodiment, the buried oxide film is deposited by the HDP-CVD method, but a normal plasma CVD method using TEOS-O 2 may be used.
また、上記の実施例においては、窒素低減のためのプラズマ処理をO2 +Heプラズマを用いて行っているが、このようなプラズマに限られるものではなく、He単独でも良いし、Ar、N2 O、CO2 、或いは、H2 を単独で、或いは他のガス種と混合して用いても良いものである。 In the above embodiment, the plasma treatment for reducing nitrogen is performed using O 2 + He plasma. However, the plasma treatment is not limited to such plasma, and He alone or Ar, N 2 may be used. O, CO 2 , or H 2 may be used alone or mixed with other gas species.
例えば、HDP−CVD装置として平行平板型の装置を用いた場合、成膜時の酸化ガス種はシャワーヘッド内でのSiH4 との反応を抑制するためには反応性の低いN2 O或いはCO2 を用いることになるので、プラズマ処理もN2 O或いはCO2 を用いることにより、必要とするガス種の増加を抑制することができる。 For example, when a parallel plate type apparatus is used as the HDP-CVD apparatus, the oxidizing gas species at the time of film formation is low reactive N 2 O or CO in order to suppress the reaction with SiH 4 in the shower head. Since 2 is used, the plasma treatment can also suppress the increase in required gas species by using N 2 O or CO 2 .
なお、He、Ar、或いは、H2 等の非酸化性プラズマを用いてプラズマ処理する場合には、Nは低減するものの、ライナー膜がSiの還元されるので、プラズマ処理後に酸化処理を行う必要があり、特に、同じ、CVD装置内において連続的にプラズマ酸化することが望ましい。
また、H2 を用いた場合には、プラズマエッチング作用で多少減膜するので、減膜分を見込んでライナー窒化膜を成膜する必要がある。
When plasma processing is performed using non-oxidizing plasma such as He, Ar, or H 2 , although N is reduced, the liner film is reduced by Si, so that it is necessary to perform oxidation after the plasma processing. In particular, it is desirable to perform plasma oxidation continuously in the same CVD apparatus.
In addition, when H 2 is used, the film is slightly reduced by the plasma etching action, so it is necessary to form a liner nitride film in anticipation of the reduced film thickness.
また、上記の実施例においては、プラズマ照射と埋込酸化膜の堆積を同じプラズマCVD装置内において連続して行っているが、必ずしも同じ装置内で行う必要はなく、例えば、ゲートバルブを介してプラズマCVD装置に接続されたプラズマ処理装置を用いて行っても良いものである。 In the above embodiment, the plasma irradiation and the deposition of the buried oxide film are continuously performed in the same plasma CVD apparatus. However, it is not necessarily performed in the same apparatus, for example, via a gate valve. It may be performed using a plasma processing apparatus connected to a plasma CVD apparatus.
また、上記の実施例においては、層間絶縁膜をTEOSプラズマ酸化膜で構成しているが、PSG、BPSG、或いは、高密度プラズマ酸化膜等の他の酸化膜を用いても良いものである。 In the above embodiment, the interlayer insulating film is composed of the TEOS plasma oxide film, but other oxide films such as PSG, BPSG, or a high density plasma oxide film may be used.
ここで再び図1を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図1参照
(付記1) 半導体基板1表面上に研磨のストッパ層2を形成する工程、前記ストッパ層2を介して半導体基板1に素子分離用トレンチ3を形成する工程、少なくとも前記トレンチ3の内表面を覆うようにSiN膜或いはSiON膜からなる窒化系ライナー膜4を堆積する工程、プラズマ照射によって前記トレンチ3内に堆積した窒化系ライナー膜中の窒素を減少させたのち、酸化膜7を堆積させてトレンチ3を埋め込む工程、及び、前記ストッパ層2上に堆積した前記酸化膜7を研磨により除去する工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記2) 上記プラズマ照射により、上記窒化系ライナー膜4中の窒素を膜中のSiに対する原子比で30%以下にしたことを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(付記3) 上記プラズマ照射工程が、O2 、N2 O、He、Ar、CO2 、或いは、H2 いずれかまたはこれらの組合せのガスのプラズマ5を照射する工程であることを特徴とする付記1または2に記載の半導体装置の製造方法。
(付記4) 上記酸化膜7の堆積工程において、プラズマ気相化学成長法を用いたことを特徴とする付記1乃至3のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
(付記5) 上記プラズマ気相化学成長法が、高密度プラズマ気相化学成長法であることを特徴とする付記4半導体装置の製造方法。
(付記6) 上記プラズマ照射工程を、プラズマ気相化学成長装置内において行うことを特徴とする付記4または5に記載の半導体装置の製造方法。
(付記7) 上記プラズマ照射工程の後に、プラズマ酸化処理を行うことを特徴とする付記6記載の半導体装置の製造方法。
The detailed features of the present invention will be described again with reference to FIG. 1 again.
Again see Figure 1
(Additional remark 1) The process of forming the
(Supplementary note 2) The method of manufacturing a semiconductor device according to
(Supplementary Note 3) The plasma irradiation step, O 2, N 2 O, He, Ar,
(Additional remark 4) The manufacturing method of the semiconductor device of any one of
(Supplementary note 5) The method for producing a semiconductor device according to
(Additional remark 6) The said plasma irradiation process is performed within a plasma vapor phase chemical growth apparatus, The manufacturing method of the semiconductor device of
(Additional remark 7) The manufacturing method of the semiconductor device of
本発明の活用例としては、MOS型集積回路装置が典型的なものであるが、バイポーラ型集積回路装置にも適用されるものである。 As a practical example of the present invention, a MOS type integrated circuit device is typical, but it is also applied to a bipolar type integrated circuit device.
1 半導体基板
2 ストッパ層
3 トレンチ
4 窒化系ライナー膜
5 プラズマ
6 プラズマ処理ライナー膜
7 酸化膜
11 p型シリコン基板
12 バッファ酸化膜
13 ストッパ層
14 レジストパターン
15 開口部
16 トレンチ
17 ライナー酸化膜
18 ライナーSiN膜
19 置換酸化膜
20 プラズマ酸化膜
21 埋込酸化膜
22 スルー酸化膜
23 p型ウエル領域
24 ゲート酸化膜
25 ゲート電極
26 n型エクステンション領域
27 サイドウォール
28 n+ 型ソース・ドレイン領域
29 Coシリサイド膜
30 Coシリサイド膜
31 エッチングストッパー層
32 層間絶縁膜
33 グルー層
34 W層
35 プラグ
41 Si素子形成領域
42 ライナーSiO2 膜
43 ライナーSiN膜
44 バッファ酸化膜
45 ストッパ層
46 埋込酸化膜
47 ディボット
51 シリコン基板
52 バッファ酸化膜
53 SiN膜
54 レジストパターン
55 トレンチ
56 ライナー酸化膜
57 SiO2 膜
58 犠牲SiO2 膜
59 ウエル領域
60 ディボット
61 ゲート絶縁膜
62 多結晶シリコン膜
63 ゲート電極
64 エクステンション領域
65 サイドウォール
66 ソース・ドレイン領域
67 層間絶縁膜
68 プラグ
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