JP2007266167A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置における素子分離であるSTI(Shallow Trench
Isolation)を形成する方法に関する。
The present invention relates to STI (Shallow Trench) which is element isolation in a semiconductor device.
Isolation).
従来、半導体装置の製造方法工程の中で素子分離領域の形成方法として主にLOCOS(local oxidation of silicon)法が用いられていた。しかしながら、LOCOS法ではバーズビークによる寸法変換差が大きい。このため、素子の微細化が困難であり、素子の高密度化の妨げとなっている。 Conventionally, a LOCOS (local oxidation of silicon) method has been mainly used as a method for forming an element isolation region in a manufacturing process of a semiconductor device. However, the LOCOS method has a large dimensional conversion difference due to bird's beaks. For this reason, it is difficult to miniaturize the element, which hinders high density of the element.
そこで近年では、溝に素子分離用絶縁膜を埋め込むトレンチ分離法が用いられている。この方法によれば、素子間の最小分離幅を0.2μm以下にすることができるため、高密度LSIの製造が可能となる。 In recent years, therefore, a trench isolation method in which an element isolation insulating film is embedded in a trench has been used. According to this method, since the minimum separation width between elements can be reduced to 0.2 μm or less, a high-density LSI can be manufactured.
図6〜図8は従来のトレンチ分離法による半導体装置の製造方法に関する工程を説明するための断面図である。まず、図6(A)に示すように、半導体基板1の表面に保護酸化膜2およびシリコン窒化膜3を成長させる。
6 to 8 are cross-sectional views for explaining steps relating to a method of manufacturing a semiconductor device by a conventional trench isolation method. First, as shown in FIG. 6A, a
次に、図6(B)に示すように、リソグラフィー技術によってレジストマスク(不図示)をシリコン窒化膜3上に形成した後、レジストマスクに覆われていない領域のシリコン窒化膜3および保護酸化膜2をエッチングする。 Next, as shown in FIG. 6B, after a resist mask (not shown) is formed on the silicon nitride film 3 by lithography, the silicon nitride film 3 and the protective oxide film in a region not covered with the resist mask are formed. 2 is etched.
次に、図6(C)に示すように、シリコン窒化膜3で覆われていない領域の半導体基板1をエッチングし、トレンチ4を形成する。
Next, as shown in FIG. 6C, the
次に、図7(D)に示すように、半導体基板1の表面を酸化し、それによって、トレンチ4の側面および底面にトレンチ内保護酸化膜5を形成する。
Next, as shown in FIG. 7D, the surface of the
次に、図7(E)に示すように、高密度プラズマを用いたCVD(chemical vapor deposition)法によって、シリコン酸化膜6を半導体基板1上に堆積する。このとき、シリコン酸化膜6はトレンチ4の内側を完全に埋め込むように形成される。
Next, as shown in FIG. 7E, a
次に、図8(F)に示すように、化学的機械的研磨法(CMP)もしくはエッチバック法などを用いて、シリコン酸化膜6の表面を平坦化する。平坦化は、シリコン窒化膜3が完全に露出するまで行う。
Next, as shown in FIG. 8F, the surface of the
次に、図8(G)に示すように、加熱した燐酸水溶液などでシリコン窒化膜3を除去する。 Next, as shown in FIG. 8G, the silicon nitride film 3 is removed with a heated phosphoric acid aqueous solution or the like.
次に、図8(H)に示すように、保護酸化膜2をバッファードフッ酸水溶液などでウエットエッチングすることによって、トレンチ分離構造が完成する。なお、保護酸化膜2のエッチング前に、半導体基板1に不純物拡散層(不図示)を形成することもある。
Next, as shown in FIG. 8H, the
トレンチ分離構造完成後は、ゲート酸化膜やゲート電極形成など、半導体素子を形成するための公知の工程が実行される。ゲート電極を形成するには、ゲート酸化膜およびゲート電極用ポリシリコンを半導体基板1の表面に成長させる。次に、リソグラフィー技術によってレジストマスク(不図示)をゲート電極用ポリシリコン上に形成した後、レジストマスクに覆われていない領域のゲート電極用ポリシリコンおよびゲート酸化膜をエッチングすることによって、ゲート電極が完成する。
After the trench isolation structure is completed, known processes for forming a semiconductor element such as a gate oxide film and a gate electrode are performed. In order to form the gate electrode, a gate oxide film and gate electrode polysilicon are grown on the surface of the
しかしながら、従来方法で形成したSTIでは、図8(H)に示す様に、ACエッジが急峻でストレスが高く、後の工程で形成されるゲート酸化膜にThinningが発生し、エッジでの耐圧特性が劣化するという問題があった。また、同図に示す様に、熱酸化膜とHDP酸化膜のエッチングレート(HFレート)差に起因するディボット7がSTIエッジで発生し、ゲートポリシリコン電極加工(ドライエッチング)時に、このディボット7に溜まったポリシリコンを除去するのが困難であった。ディボット7にポリシリコンが残っていると、ゲート電極に電圧を印加したときに、ディボット7内のポリシリコンに電界が集中し、ゲート酸化膜に電流が流れやすくなり、ゲート電極が短絡してしまうといった不具合が発生していた。 However, in the STI formed by the conventional method, as shown in FIG. 8 (H), the AC edge is steep and stress is high, and thinning occurs in the gate oxide film formed in a later process, and the breakdown voltage characteristic at the edge There was a problem of deterioration. In addition, as shown in the figure, a divot 7 caused by the difference in the etching rate (HF rate) between the thermal oxide film and the HDP oxide film is generated at the STI edge, and this divot 7 is generated during gate polysilicon electrode processing (dry etching). It was difficult to remove the polysilicon accumulated in the substrate. If polysilicon remains in the divot 7, when a voltage is applied to the gate electrode, the electric field concentrates on the polysilicon in the divot 7, current easily flows through the gate oxide film, and the gate electrode is short-circuited. Such a problem occurred.
そこで、特許文献1及び特許文献2に示されているように、LOCOS酸化膜を形成した後にトレンチを形成する方法が提案されている。
しかしながら、上述した二つの特許文献1,2に記載された方法によっても、トレンチ上端部における電解集中の緩和が不十分であった。
However, even by the methods described in the two
本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり、ACエッジ(HDP酸化膜で埋め込んだトレンチの端部)を更に緩やかとし、トレンチ上端部におけるディボットの発生を防ぎ、電解集中を良好に緩和可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and the AC edge (the end of the trench buried with the HDP oxide film) is further relaxed to prevent the occurrence of a divot at the upper end of the trench, and the electrolytic concentration is good. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can be relaxed.
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1の酸化膜を形成する工程と;前記第1の酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と;前記第1の酸化膜及びシリコン窒化膜をエッチングすることにより、前記半導体基板に達する開口部を形成する工程と;ラジカル酸化により、前記開口部における前記半導体基板上と、前記シリコン窒化膜表面と、前記シリコン窒化膜の前記開口部内の側面とに第2の酸化膜を形成する工程と;前記開口部における前記半導体基板上及び、前記シリコン窒化膜表面上の前記第2の酸化膜を除去する工程と;前記シリコン窒化膜及びその側壁の前記第2の酸化膜をマスクとして、前記シリコン基板に溝(トレンチ)を形成する工程と;前記溝内部に第3の酸化膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first oxide film on a semiconductor substrate; a step of forming a silicon nitride film on the first oxide film; Etching the first oxide film and the silicon nitride film to form an opening reaching the semiconductor substrate; and radical oxidation to form the opening on the semiconductor substrate in the opening and the surface of the silicon nitride film; Forming a second oxide film on the side surface of the silicon nitride film in the opening; and removing the second oxide film on the semiconductor substrate and on the silicon nitride film in the opening. Forming a trench in the silicon substrate using the silicon nitride film and the second oxide film on the sidewall thereof as a mask; forming a third oxide film inside the trench; Characterized in that it comprises a that step.
前記第2の酸化膜は、前記半導体基板上における厚さに対する、前記シリコン窒化膜上における厚さが50〜70%とすることが好ましい。また、前記半導体基板上における前記第2の酸化膜の厚さは、300〜500Åとすることが好ましい。 The thickness of the second oxide film on the silicon nitride film is preferably 50 to 70% with respect to the thickness on the semiconductor substrate. The thickness of the second oxide film on the semiconductor substrate is preferably 300 to 500 mm.
以上説明したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板にトレンチを形成する前にLOCOS酸化膜を形成し、トレンチを形成する際に、LOCOS酸化膜の一部がトレンチ上端部に残存するため、熱酸化膜であるLOCOS酸化膜はCVD酸化膜であるシリコン酸化膜よりエッチングレートが遅く、LOCOS酸化膜がトレンチ上端部のシリコン酸化膜の過度のエッチングを阻止する。このようなLOCOS酸化膜の働きによって、トレンチ上端部にディボットは発生せず、ゲート電極に電圧を印加する際の電界集中を緩和可能となる。 As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a LOCOS oxide film is formed before forming a trench in a semiconductor substrate, and when the trench is formed, a part of the LOCOS oxide film is formed at the upper end of the trench. Therefore, the LOCOS oxide film, which is a thermal oxide film, has a lower etching rate than the silicon oxide film, which is a CVD oxide film, and the LOCOS oxide film prevents excessive etching of the silicon oxide film at the upper end of the trench. By such a function of the LOCOS oxide film, a divot does not occur at the upper end portion of the trench, and it is possible to alleviate electric field concentration when a voltage is applied to the gate electrode.
ACエッジ(トレンチの端部)が緩やかとなりストレスが緩和され、後工程で形成されるゲート酸化膜のエッジの特性が向上できる。また、エッジの大部分が熱酸化膜となるため、ディボットの形成が抑制できる。すなわち、ラジカル酸化は、酸化速度の面方位依存性が小さいため、酸化の遅い結晶面が残るファセットが起こり難く、バーズビークの形状が良好となる。また、エッチングによりトレンチを形成する際に、シリコン窒化膜の側壁の酸化膜は除去せずに残しているため、後のHF(フッ酸)によるエッチングの際の横方向の進行を遅らせ、ディボットの形成が抑制される。 The AC edge (end portion of the trench) becomes gentle and stress is relieved, and the edge characteristics of the gate oxide film formed in a later process can be improved. Further, since most of the edge is a thermal oxide film, formation of a divot can be suppressed. That is, in radical oxidation, since the dependence of the oxidation rate on the plane orientation is small, facets that leave a slow-oxidized crystal plane hardly occur, and the bird's beak has a good shape. Further, when the trench is formed by etching, the oxide film on the side wall of the silicon nitride film is left without being removed, so that the lateral progress during the subsequent etching with HF (hydrofluoric acid) is delayed, and the divot Formation is suppressed.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例に沿って詳細に説明する。図1は本発明の実施形態を説明するための半導体装置100の断面図であって、本実施形態に係る半導体装置100のトレンチ分離構造部の断面状態を模式的に示したものである。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to examples. FIG. 1 is a cross-sectional view of a
図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置100のトレンチ分離構造部は、半導体基板101の表面に形成されたトレンチ104と、トレンチ104の内壁に形成されたトレンチ内保護酸化膜(ライナー酸化膜)105と、トレンチ104の内部に埋め込まれたシリコン酸化膜106と、トレンチ104上端部に形成されたLOCOS酸化膜108とを有している。
As shown in FIG. 1, the trench isolation structure portion of the
次に、図2〜図5を参照しながら本実施形態における半導体装置の製造方法を説明する。図2〜図5は本発明に係るトレンチ分離法による半導体装置の製造方法に関する工程を説明するための断面図である。まず、図2(A)に示すように、シリコン基板である半導体基板101の表面にパッド酸化膜(保護酸化膜)102を熱酸化(850℃、ウェット酸化)により100Å形成する。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 5 are cross-sectional views for explaining steps related to a method of manufacturing a semiconductor device by the trench isolation method according to the present invention. First, as shown in FIG. 2A, a pad oxide film (protective oxide film) 102 is formed on the surface of a
その後、減圧化学的気相成長(LPCVD)法によってシリコン窒化膜103を保護酸化膜102上に堆積する。シリコン窒化膜103の厚さは、約1500Åとする。また、処理条件は、755℃、SiH2C=100ccm、NH3=1000ccmとする。
Thereafter, a
次に、図2(B)に示すように、リソグラフィー技術によってレジストマスク(不図示)をシリコン窒化膜103上に形成した後、レジストマスクに覆われていない領域のシリコン窒化膜103とパッド酸化膜102をエッチングし、シリコン基板101に達する開口部を形成する。エッチングは、異方性の高いドライエッチング技術によって行うことが好ましく、エッチング部の幅は例えば0.3μmとすることができる。
Next, as shown in FIG. 2B, after a resist mask (not shown) is formed on the
次に、図2(C)に示すように、一般的なLOCOS法により、1100℃、H2/O2減圧雰囲気にて酸化膜108を約500Å成長させる。ここで、H2流量比は10〜30%程度、圧力は10Torr以下とする。
Next, as shown in FIG. 2C, an
ここまでは、従来のLOCOS法とほとんど同様であるが、本実施例においては、成長させる酸化膜108の膜厚を従来に比べ薄くするところに1つの特徴がある。また、本実施例で示した酸化法としては、O2/H2混合減圧雰囲気での熱酸化でラジカルを生成するラジカル酸化法を採用し、シリコン窒化膜103を酸化させて表面に酸化膜108を形成する。なお、ラジカル酸化法には、プラズマによって生成される高濃度の酸化ラジカルを用いた酸化方法もある。シリコン窒化膜103の表面及び側面に形成される酸化膜108の膜厚T1は、シリコン基板101上の熱酸化膜108の厚さT0の50〜70%程度とし、T0=500Åの場合、T1=250〜350Åとなる。
Up to this point, it is almost the same as the conventional LOCOS method, but this embodiment has one feature in that the thickness of the
次に、図3(D)に示すように、異方性ドライエッチングにてシリコン窒化膜103上の酸化膜108とシリコン基板101上の酸化膜108を除去する。この時、シリコン窒化膜103の側壁上の酸化膜108は除去せずに残しておく。
Next, as shown in FIG. 3D, the
次に、図3(E)に示すように、シリコン窒化膜103及びその側壁の酸化膜108をマスクとして、選択性の高い異方性ドライエッチング条件にて、シリコン基板101をエッチングし、溝(トレンチ)104を形成する。
Next, as shown in FIG. 3E, the
次に、図3(F)に示すように、1000℃、Pure-O2雰囲気にて熱酸化膜105を150〜200Å成長させる(ライナー酸化と称す)。
Next, as shown in FIG. 3F, a
次に、図4(G)に示すように、HDP(High Density Plasma)により溝104を酸化膜106で埋め込む。続いて、図4(H)に示すように、CMPにより酸化膜106の表面を平坦化する。平坦化はシリコン窒化膜103が完全に露出するまで行う。なお、溝104をHDPで埋め込んだ後、1000℃〜1100℃のアニール処理を施しても良い。
Next, as shown in FIG. 4G, the
次に、STIの高さ調整のため、5%HF(質量比で5%に希釈したフッ化水素酸溶液)処理を施し、HDP酸化膜106をあらかじめ所定量除去した後、図5(I)に示すように、熱リン酸(加熱した燐酸水溶液)にてシリコン窒化膜103を除去する。
Next, in order to adjust the STI height, a 5% HF (hydrofluoric acid solution diluted to 5% by mass ratio) treatment is performed to remove a predetermined amount of the
次に、図5(J)に示すように、5%HFにてパッド酸化膜102を除去することでSTIによる素子分離領域(トレンチ分離構造)が形成される。
Next, as shown in FIG. 5J, by removing the
トレンチ分離構造完成後は、ゲート酸化膜やゲート電極形成など、半導体素子を形成するための公知の工程が実行される。ゲート電極を形成するには、図1に示すように、ゲート酸化膜109およびゲート電極用ポリシリコン110を半導体基板101の表面に成長させる。次に、リソグラフィー技術によってレジストマスク(不図示)をゲート電極用ポリシリコン110上に形成した後、レジストマスクに覆われていない領域のゲート電極用ポリシリコン110およびゲート酸化膜109をエッチングすることによって、図1に示すように、ゲート電極(110)の形状が完成する。
After the trench isolation structure is completed, known processes for forming a semiconductor element such as a gate oxide film and a gate electrode are performed. In order to form the gate electrode, a
本実施例によれば、ACエッジ(HDP酸化膜106で埋め込んだトレンチ104の端部)が緩やかとなりストレスが緩和され、後工程で形成されるゲート酸化膜のエッジの特性が向上できる。また、エッジの大部分が熱酸化膜となるため、ディボットの形成が抑制できる。すなわち、ラジカル酸化は、酸化速度の面方位依存性が小さいため、酸化の遅い結晶面が残るファセットが起こり難く、バーズビークの形状が良好となる。また、エッチングによりトレンチ104を形成する際に、シリコン窒化膜103の側壁の酸化膜は除去せずに残しているため、後のHF(フッ酸)によるエッチングの際の横方向の進行を遅らせ、ディボットの形成が抑制される。
According to the present embodiment, the AC edge (the end portion of the
以上、本発明について実施例を用いて説明したが、本発明は実施例の範囲に限定されるものではなく、各請求項に記載された技術的思想の範囲内において、適宜設計変更可能であることは言うまでもない。
The present invention has been described with reference to the embodiments. However, the present invention is not limited to the scope of the embodiments, and the design can be changed as appropriate within the scope of the technical idea described in each claim. Needless to say.
101 半導体基板
102 パッド酸化膜(第1の酸化膜)
103 シリコン窒化膜
104 トレンチ(溝)
105 ライナー酸化膜
106 HDP酸化膜(第3の酸化膜)
108 LOCOS酸化膜(第2の酸化膜)
101
103
105
108 LOCOS oxide film (second oxide film)
Claims (8)
前記第1の酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と;
前記第1の酸化膜及びシリコン窒化膜をエッチングすることにより、前記半導体基板に達する開口部を形成する工程と;
ラジカル酸化により、前記開口部における前記半導体基板上と、前記シリコン窒化膜表面と、前記シリコン窒化膜の前記開口部内の側面とに第2の酸化膜を形成する工程と;
前記開口部における前記半導体基板上及び、前記シリコン窒化膜表面上の前記第2の酸化膜を除去する工程と;
前記シリコン窒化膜及びその側壁の前記第2の酸化膜をマスクとして、前記シリコン基板に溝(トレンチ)を形成する工程と;
前記溝内部を第3の酸化膜で埋め込む工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first oxide film on a semiconductor substrate;
Forming a silicon nitride film on the first oxide film;
Etching the first oxide film and silicon nitride film to form an opening reaching the semiconductor substrate;
Forming a second oxide film on the semiconductor substrate in the opening, on the surface of the silicon nitride film, and on a side surface in the opening of the silicon nitride film by radical oxidation;
Removing the second oxide film on the semiconductor substrate and on the surface of the silicon nitride film in the opening;
Forming a trench in the silicon substrate using the silicon nitride film and the second oxide film on the sidewall thereof as a mask;
And a step of burying the inside of the groove with a third oxide film.
前記第1の酸化膜は5%HFにて除去することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 The silicon nitride film is removed with hot phosphoric acid,
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the first oxide film is removed with 5% HF.
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