JP2008041901A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】新規な素子分離構造を有する半導体装置の構造及びその製造方法を提供し、特に、接合部のリーク電流及び短チャネル特性劣化を抑制する効果に優れた素子分離構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板と、半導体基板上に素子分離領域を介して配置された複数の半導体素子を備え、素子分離領域は、半導体基板に形成されたトレンチのトレンチ内壁の下側面に形成されたライナー窒化膜と、トレンチ内壁の上側面及び上面に形成されたエッチング耐性の高い第1の絶縁膜と、ライナー窒化膜及び第1の絶縁膜に囲まれた領域に形成され引張応力を発生する第2の絶縁膜とを有する半導体装置とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、素子分離構造に特徴を有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
半導体装置の高集積化に伴い、半導体素子構造の微細化を実現するための素子分離構造が求めらている。近年では、従来からのLOCOS構造に代わり、より微細な素子分離構造に適したSTI(Shallow Trench Isolation)構造が使用されている。このSTI構造に関し、45nm世代以降へ向けて、種々の課題に対しての提案がなされている。
例えば、従来の半導体装置として、SiNをライナー膜として、P−SOG(Polysilazane−Spin On Glass)膜と素子絶縁膜とをトレンチ部の上下に配置して2層構造としたSTI構造の半導体装置がある(例えば、非特許文献1)。P−SOG膜44をトレンチ部の上層に配置しているので、生産性の向上、応力緩和、及び、ボイドの低減が図られる。
また、他の半導体装置として、例えば、スピン塗布法とプラズマCVD法によるSiO膜をトレンチ部の上下に配置してハイブリッド構造としたSTI構造の半導体装置がある(例えば、非特許文献2)。スピン塗布法によるSiO膜により応力方向をコントロールすることができ、nFET及びpFETの動作電流を最大で20%改善できる。また、スピン塗布法によるSiO膜の応力緩和作用によりSTI構造による圧縮応力が減少するので、接合部のリーク電流が改善される。
しかし、上記示したようなSTI構造において、接合部のリーク電流を抑制するには、STI構造の上層のプラズマCVD法によるSiO膜を薄くして圧縮応力を増加させないようにする必要があるが、一方で、ライナー膜がソース及びドレインに近づくことで短チャネル特性が劣化するという問題がある。
Jin-Hwa Heo,"Void Free and Stress Shallow Trench Isolation Technology using P-SOG for sub 0.1μm Dvice",2002 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers K.Ota,"Stress Controlled Shallow Trench Technology to Suppress the Novel Anti-Isotropic Impurity Diffusion for 45nm-node High-Performance CMOSFETs",2005 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers
本発明の目的は、例えば、新規な素子分離構造を有する半導体装置の構造及びその製造方法を提供し、特に、接合部のリーク電流及び短チャネル特性劣化を抑制する効果に優れた素子分離構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
本発明の一態様によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に素子分離領域を介して配置された複数の半導体素子を備え、前記素子分離領域は、前記半導体基板に形成されたトレンチのトレンチ内壁の下側面に形成されたライナー窒化膜と、前記トレンチのトレンチ内壁の上側面及び上面に形成されたエッチング耐性の高い第1の絶縁膜と、前記ライナー窒化膜及び前記第1の絶縁膜に囲まれた領域に形成され引張応力を発生する第2の絶縁膜とを有することを特徴とする半導体装置を提供する。
また、本発明の一態様によれば、半導体基板にトレンチを形成する第1の工程と、前記トレンチのトレンチ内壁にライナー窒化膜を形成する第2の工程と、前記ライナー窒化膜が形成された前記トレンチ内に第1の絶縁膜を形成する第3の工程と、前記第1の絶縁膜の一部をエッチングにより除去する第4の工程と、前記ライナー窒化膜の一部をエッチングにより除去する第5の工程と、前記エッチング除去部にエッチング耐性の高い第2の絶縁膜を形成する第6の工程と、前記第2の絶縁膜を平坦化する第7の工程とを有して素子分離構造を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
また、本発明の一態様によれば、半導体基板にトレンチを形成する第1の工程と、前記トレンチのトレンチ内壁にライナー窒化膜を形成する第2の工程と、前記ライナー窒化膜が形成された前記トレンチ内に第1の絶縁膜を形成する第3の工程と、前記ライナー窒化膜の一部をエッチングにより除去する第4の工程と、前記第1の絶縁膜の一部を等方性エッチングにより除去する第5の工程と、前記第4及び第5のエッチング除去部にエッチング耐性の高い第2の絶縁膜を形成する第6の工程と、前記第2の絶縁膜を平坦化する第7の工程とを有して素子分離構造を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
また、本発明の一態様によれば、半導体基板にトレンチを形成する第1の工程と、前記トレンチのトレンチ内壁にライナー窒化膜を形成する第2の工程と、前記ライナー窒化膜が形成された前記トレンチ内に第1の絶縁膜を形成する第3の工程と、前記第1の絶縁膜の一部をエッチングにより除去する第4の工程と、前記ライナー窒化膜の一部を等方性エッチングにより除去する第5の工程と、前記エッチング除去部に前記第1の絶縁膜を形成する第6の工程と、前記第6の工程により形成された前記第1の絶縁膜の一部をエッチングにより除去する第7の工程と、前記第7の工程によるエッチング除去部にエッチング耐性の高い第2の絶縁膜を形成する第8の工程と、前記第2の絶縁膜を平坦化する第9の工程とを有して素子分離構造を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
本発明の実施の態様によれば、例えば、新規な素子分離構造を有する半導体装置の構造及びその製造方法を提供し、特に、接合部のリーク電流及び短チャネル特性劣化を抑制する効果に優れた素子分離構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供することが可能となる。
(第1の実施の形態)
図1(a)は、第1の実施の形態に係る半導体装置の部分平面図、図1(b)は、(a)のA−A断面に沿う断面図を示すものである。
本実施の形態に係る半導体装置1は、半導体基板2と、半導体基板2上に形成された半導体素子3と、半導体素子3を他の半導体素子と分離するための素子分離領域4とを有する。
半導体基板2は、シリコン半導体基板を使用するが、SOI(Silicon On Insulator)基板等も使用できる。
半導体素子3は、半導体基板2上に形成される回路素子であり、例えば、p型MOSFETあるいはn型MOSFETである。半導体素子3は、本実施の形態では半導体基板2上に形成された図として説明するが、p又はnウエル上に形成されるものであってもよい。
半導体素子3は、エクステンション領域31a及び32aを各々有するソース31及びドレイン32、ゲート絶縁膜33、ゲート34、ゲート側壁35を有する。ソース31およびドレイン32は、コンタクト層36、及び、ビア37を介して配線38に接続されている。
素子分離領域4は、半導体基板2上において、半導体素子3の素子形成領域を他の領域から電気的に分離する領域であって、この素子分離構造は、STI(Shallow Trench Isolation)により形成されている。素子分離構造は、半導体基板2に形成されたトレンチ41と、トレンチ内壁41aの下面及び下側面に形成されたライナー窒化膜であるSiN膜42と、トレンチ内壁41aの上側面及び上面に形成されたエッチング耐性の高い第1の絶縁膜としてのHDP−USG膜43と、ライナー窒化膜及び第1の絶縁膜に囲まれた領域に形成され引張応力を発生する第2の絶縁膜としてのP−SOG膜44とを有するSTI構造である。トレンチ41は、200〜500nmの深さで形成され、SiN膜42は、例えば10〜20nmの厚さで形成する。ここで、HDP−USG膜43は、素子形成時のエッチングに耐えられるように、例えば、5〜30nmの厚さで形成され、P−SOG膜44はその中に充填されている。SiN膜42及びHDP−USG膜43は、接合部Bへ圧縮応力を発生させる作用があり、一方、P−SOG膜44は、接合部Bへ引張応力を発生させる作用を有する。
ライナー窒化膜は、SiN膜42を使用するが、他の絶縁性を有するライナー膜でもよく、例えば、SiO膜でも使用できる。
第1の絶縁膜としては、STI形成後の素子形成時に耐えられるように、エッチングレートが小さくエッチング耐性の高い絶縁膜が好ましく、特に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成する不純物無添加のケイ酸塩ガラス、HDP−USG(High density Plazuma−Undoped Silicate Glasses)が好ましい。本実施の形態では、HDP−USG膜43を使用する。
第2の絶縁膜としては、SiN膜42よりもトレンチへの埋め込み性に優れ、接合部Bへの引張応力を発生させる絶縁膜が好ましく、特に、P−SOG(Polysilazane−Spin On Glass)が好ましい。本実施の形態では、P−SOG膜44を使用する。
半導体装置1は、半導体基板2上の素子分離領域4により半導体素子3が形成され、配線38等が施され、層間絶縁膜5、保護膜6等を有して構成されている。
(第1の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法)
図2Aから図2Eは、第1の実施の形態に係る半導体装置1のSTI構造の製造方法を説明する製造工程断面図である。以下、これに沿って製造方法を説明する。
まず、半導体基板2上に、SiO膜45、Si膜46を順次形成し、レジスト塗布した後に露光、現像、及び、エッチングによりフォトマスクを作製する。開口部47がトレンチ41の形成領域となる(図2A(a))。
次に、SiO膜45、Si膜46をマスクとして、半導体基板2をRIE(Reactive Ion Etching)によりトレンチエッチングする(図2A(b))。
トレンチ内壁41aに窒化膜を堆積させることで、ライナー膜としてSiN膜42を形成する(図2B(c))。
P−SOGをスピン塗布した後アニール処理によりP−SOG膜44を形成する(図2B(d))。
Si膜46をポリッシングストッパとして、CMP(Chemical Mechanical polishing)により埋め込み部を平坦化する(図2C(e))。
P−SOG膜44を上面から所定の深さだけエッチバックする。エッチバックされた領域には接合部Bへ圧縮応力を発生させるHDP−USG膜43が充填されるので、所定の深さは、P−SOG膜44が半導体製造工程において種々のエッチングに耐えられる量以上であって、かつ、小さい方が好ましい(図2C(f))。
次に、SiN膜42のみを熱リン酸により所定の深さまでエッチングする(図2D(g))。
プラズマCVD法によりHDP−USG膜43を全面に堆積させる(図2D(h))。
次に、CMPにより埋め込み部を平坦化することにより、第1の実施の形態に係る半導体装置1のSTI構造が形成される(図2E(i))。
上記のSTI構造は、半導体基板2にウエル形成した後に形成され、STI構造形成後は、半導体装置の通常の製造工程により半導体素子3が形成され、半導体装置1として完成される。
(第1の実施の形態の効果)
第1の実施の形態の効果によれば、HDP−USG膜43はエッチング耐性の高い材料であるので、後の工程におけるエッチングを経てもエッチングされる量は少ない。そのため、STI構造の上層のHDP−USG膜43は、薄くすることが可能である。従って、HDP−USG膜43を厚くする場合に比べて接合部Bへの圧縮応力を増加させないようにすることができる。これにより、図1(b)に示す接合部Bへの応力を緩和することができ、結晶欠陥の発生を抑制することが可能となるので、接合部Bのリーク電流を抑制することができる。
一方、トレンチ41の深さ方向の中間部より下部方向において、トレンチ内壁41aにはSiN膜42が形成されているが、中央部ではP−SOG膜44が埋め込まれて充填されている。P−SOG膜44は引っ張り圧力を発生させる材料であるため、中央部にSiN膜42が埋め込まれている場合に比べて接合部Bへの圧縮応力の増加を抑えることができる。さらに、SiN膜42がソース31又はドレイン32に近づく場合は短チャネル特性の劣化が発生することが判明しているが、第1の実施例に係る発明においては、上面からトレンチ内壁41aに沿って、HDP−USG膜43を経て、深くSiN膜42を形成することができる。従って、SiN膜42とソース31又はドレイン32との距離をある程度離すことができるので、短チャネル特性の劣化を抑制することができる。
また、トレンチ41に引張応力を発生するP−SOG膜44を充填しているので、素子領域へ好ましい応力を印加することができ、キャリア移動度の改善等を行なうことができる。従来のMOSFETでは、トレンチにCVD法によりSiO膜を充填しているので、素子領域へは全ての方向において圧縮応力が印加されており、キャリア移動度等は劣化する方向であった。
図3は、MOSFETにおける半導体素子3への好ましい応力印加方向を図示矢印により示すものであり、(a)はp型MOSFETの場合、(b)はn型MOSFETの場合を示すものである。p型MOSFETの場合は、チャネル方向へは圧縮応力、それに垂直な方向へは引張応力が性能向上のためには好ましい。従って、本実施の形態によるSTI構造により、半導体素子3を取り巻く素子分離領域4のトレンチ幅として、例えば、チャネル方向へはトレンチ幅W1を狭くし、それに垂直な方向へはトレンチ幅W2を広くすることで、上記の好ましい構造に近づけることが可能となる。
また、n型MOSFETの場合は、チャネル方向及びそれに垂直な両方向へ引張応力を作用させることが性能向上のためには好ましい。従って、本実施の形態によるSTI構造により、P−SOG膜44が両方向へ引張応力を発生するので、上記の好ましい構造に近づけることが可能となる。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係る素子分離構造は、半導体基板2に形成されたトレンチ41と、トレンチ内壁41aの下側面に形成されたライナー窒化膜であるSiN膜42と、トレンチ内壁41aの上側面及び上面に形成されたエッチング耐性の高い第1の絶縁膜としてのHDP−USG膜43と、ライナー窒化膜及び第1の絶縁膜に囲まれた領域に形成され引張応力を発生する第2の絶縁膜としてのP−SOG膜44とを有するSTI構造である。第1の実施の形態に係るSTI構造との相違は、HDP−USG膜43が厚く形成されていることである。その他は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、次に述べる第2の実施の形態に係るSTI構造の製造方法を説明することで、本実施の形態に係るSTI構造を明確にする。
(第2の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法)
第1の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法における図2A(a)から図2D(g)までは同じ工程により製造される。
図4Aから図4Bは、第2の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法において、第1の実施の形態と異なる工程を示す製造工程断面図である。
図2D(g)の工程後、トレンチ内壁近傍におけるSiN膜と略同じ深さまで、P−SOG膜44を等方性エッチングによりエッチバックする(図4A(a))。
プラズマCVD法によりHDP−USG膜43を全面に堆積させる(図4A(b))。
次に、CMPにより埋め込み部を平坦化することにより、第2の実施の形態に係る半導体装置1のSTI構造が形成される(図4B(c))。
(第2の実施の形態の効果)
第2の実施の形態の効果によれば、第1の実施の形態の効果に加えて、次のような効果を有する。すなわち、図4A(a)に示す工程で、P−SOG膜44を等方性エッチングによりエッチバックしているので、その後の工程でHDP−USG膜43をトレンチ41に充填する場合に埋め込み性が向上し、ボイドあるいはシームの発生等が抑制され、性能向上および歩留まり向上に有利な効果を有する。
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態に係る素子分離構造は、半導体基板2に形成されたトレンチ41と、トレンチ内壁41aの下側面に形成されたライナー窒化膜であるSiN膜42と、トレンチ内壁41aの上側面及び上面に形成されたエッチング耐性の高い第1の絶縁膜としてのHDP−USG膜43と、ライナー窒化膜及び第1の絶縁膜に囲まれた領域に形成され引張応力を発生する第2の絶縁膜としてのP−SOG膜44とを有するSTI構造である。第1及び第2の実施の形態に係るSTI構造との相違は、P−SOG膜44は、SiN膜42及びHDP−USG膜43に囲まれた領域に形成されていると共に、トレンチ内壁41aにも囲まれて形成されていることである。その他は、第1及び第2の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、次に述べる第3の実施の形態に係るSTI構造の製造方法を説明することで、本実施の形態に係るSTI構造を明確にする。
(第3の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法)
第1の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法における図2A(a)から図2C(e)までは同じ工程により製造される。
図5Aから図5Cは、第3の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法において、第1の実施の形態と異なる工程を示す製造工程断面図である。
図2C(e)の工程後、P−SOG膜44を上面から所定の深さだけエッチバックする。所定の深さは、第1の実施の形態に比べて大きく設定する(図5A(a))。
次に、SiN膜42のみを熱リン酸によりP−SOG膜44の上面と略同じ深さになるまでエッチングする(図5A(b))。
P−SOGをスピン塗布した後アニール処理により、先に形成したP−SOG膜44と一体的にP−SOG膜44を形成する(図5B(c))。
P−SOG膜44をCMPにより平坦化した後、上面から所定量だけエッチバックする。エッチバックされた領域には接合部Bへ圧縮応力を発生させるHDP−USG膜43が充填されるので、所定量は、P−SOG膜44が半導体製造工程において種々のエッチングに耐えられる量以上であって、かつ、小さい方が好ましい(図5B(d))。尚、上記のエッチバック前のCMP平坦化工程は省略することもできる。
プラズマCVD法によりHDP−USG膜43を全面に堆積させる(図5C(e))。
次に、CMPにより埋め込み部を平坦化することにより、第3の実施の形態に係る半導体装置1のSTI構造が形成される(図5C(f))。
(第3の実施の形態の効果)
第3の実施の形態の効果によれば、第1の実施の形態の効果に加えて、次のような効果を有する。すなわち、図5C(e)に示す工程で、トレンチ幅の広い領域へHDP−USG膜43を埋め込むので、第2の実施の形態よりもさらに埋め込み性が向上し、ボイドあるいはシームの発生等が抑制され、性能向上および歩留まり向上に有利な効果を有する。
(a)は、第1の実施の形態に係る半導体装置の部分平面図、(b)は、(a)のA−A断面に沿う断面図を示すものである。 第1の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法を説明する製造工程断面図である。 第1の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法を説明する製造工程断面図である。 第1の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法を説明する製造工程断面図である。 第1の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法を説明する製造工程断面図である。 第1の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法を説明する製造工程断面図である。 MOSFETにおける半導体素子3への好ましい応力印加方向を図示矢印により示すものであり、(a)はp型MOSFETの場合、(b)はn型MOSFETの場合を示すものである。 第2の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法において、第1の実施の形態と異なる工程を示す製造工程断面図である。 第2の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法において、第1の実施の形態と異なる工程を示す製造工程断面図である。 第3の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法において、第1の実施の形態と異なる工程を示す製造工程断面図である。 第3の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法において、第1の実施の形態と異なる工程を示す製造工程断面図である。 第3の実施の形態に係る半導体装置のSTI構造の製造方法において、第1の実施の形態と異なる工程を示す製造工程断面図である。
符号の説明
1 半導体装置
2 半導体基板
3 半導体素子
4 素子分離領域
41 トレンチ
41a トレンチ内壁
42 SiN膜
43 HDP−USG膜
44 P−SOG膜

Claims (5)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に素子分離領域を介して配置された複数の半導体素子を備え、
    前記素子分離領域は、前記半導体基板に形成されたトレンチのトレンチ内壁の下面及び下側面に形成されたライナー窒化膜と、前記トレンチのトレンチ内壁の上側面及び上面に形成されたエッチング耐性の高い第1の絶縁膜と、前記ライナー窒化膜及び前記第1の絶縁膜に囲まれた領域に形成され引張応力を発生する第2の絶縁膜とを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第1の絶縁膜は、HDP−USG膜であり、前記第2の絶縁膜は、P−SOG膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 半導体基板にトレンチを形成する第1の工程と、
    前記トレンチのトレンチ内壁にライナー窒化膜を形成する第2の工程と、
    前記ライナー窒化膜が形成された前記トレンチ内に第1の絶縁膜を形成する第3の工程と、
    前記第1の絶縁膜の一部をエッチングにより除去する第4の工程と、
    前記ライナー窒化膜の一部をエッチングにより除去する第5の工程と、
    前記エッチング除去部にエッチング耐性の高い第2の絶縁膜を形成する第6の工程と、
    前記第2の絶縁膜を平坦化する第7の工程とを有して素子分離構造を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 半導体基板にトレンチを形成する第1の工程と、
    前記トレンチのトレンチ内壁にライナー窒化膜を形成する第2の工程と、
    前記ライナー窒化膜が形成された前記トレンチ内に第1の絶縁膜を形成する第3の工程と、
    前記ライナー窒化膜の一部をエッチングにより除去する第4の工程と、
    前記第1の絶縁膜の一部を等方性エッチングにより除去する第5の工程と、
    前記第4及び第5のエッチング除去部にエッチング耐性の高い第2の絶縁膜を形成する第6の工程と、
    前記第2の絶縁膜を平坦化する第7の工程とを有して素子分離構造を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 半導体基板にトレンチを形成する第1の工程と、
    前記トレンチのトレンチ内壁にライナー窒化膜を形成する第2の工程と、
    前記ライナー窒化膜が形成された前記トレンチ内に第1の絶縁膜を形成する第3の工程と、
    前記第1の絶縁膜の一部をエッチングにより除去する第4の工程と、
    前記ライナー窒化膜の一部を等方性エッチングにより除去する第5の工程と、
    前記エッチング除去部に前記第1の絶縁膜を形成する第6の工程と、
    前記第6の工程により形成された前記第1の絶縁膜の一部をエッチングにより除去する第7の工程と、
    前記第7の工程によるエッチング除去部にエッチング耐性の高い第2の絶縁膜を形成する第8の工程と、
    前記第2の絶縁膜を平坦化する第9の工程とを有して素子分離構造を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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