JP2008053249A - Process for fabricating semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
抵抗(R)およびキャパシタ(C)等で構成される高周波回路と、CMOS回路とを同一のシリコン(Si)基板に混載した半導体装置(以下、「RF−CMOS」ともいう。)が知られている。RF−CMOSのMIM(metal insulator metal)キャパシタでは、Si基板との寄生容量を低減するために、MIMキャパシタ下にSTI(shallow trench isolation)層を形成して、MIMキャパシタとSi基板との距離をあける工夫がされている。ここで、STIとは、素子間分離領域のSi基板に溝(トレンチ)が形成され、この溝にシリコン酸化(SiO2)膜等の絶縁物が埋め込まれた構造のことである(例えば、特許文献1参照。)。 A semiconductor device (hereinafter also referred to as “RF-CMOS”) in which a high-frequency circuit including a resistor (R) and a capacitor (C) and a CMOS circuit are mixedly mounted on the same silicon (Si) substrate is known. Yes. In an RF-CMOS MIM (metal insulator metal) capacitor, an STI (shallow trench isolation) layer is formed under the MIM capacitor to reduce the parasitic capacitance with the Si substrate, and the distance between the MIM capacitor and the Si substrate is increased. There is a device to open. Here, the STI means a structure in which a groove (trench) is formed in the Si substrate in the element isolation region, and an insulator such as a silicon oxide (SiO 2 ) film is embedded in the groove (for example, a patent) Reference 1).
図5(A)〜図7(B)は、従来例に係るRF−CMOSの製造方法を示す工程図である。図5(A)では、まず始めに、Si基板101上に図示しないSiO2膜を形成し、その上にシリコン窒化(SiN)膜103を形成する。次に、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術で、CMOS回路が形成される領域(以下、「CMOS領域」という。)のSi基板101に素子間分離用の第1トレンチTr´1を形成する。また、高周波回路のうちのキャパシタが形成される領域(以下、「キャパシタ領域」という。)のSi基板101に、第1トレンチTr´1よりも面積が大きい第2トレンチTr´2を形成する。
FIG. 5A to FIG. 7B are process diagrams showing a method for manufacturing an RF-CMOS according to a conventional example. In FIG. 5A, first, a SiO 2 film (not shown) is formed on the
次に、図5(B)に示すように、Si基板101の上方全面にSiO2膜105を形成して第1トレンチTr´1と第2トレンチTr´2とを埋め込む。このSiO2膜105の形成は、例えばCVD(chemical vapor deposition)法で行う。そして、図5(C)に示すように、CMP(chemical mechanical polish)によってSiO2膜105の上方全面を研磨して、SiN膜103上からSiO2膜105を取り除く。このようにして、第1トレンチTr´1と、この第1トレンチTr´1内に埋め込まれたSiO2膜5とからなる第1STI層110を形成すると共に、第2トレンチTr´2と、この第2トレンチTr´2内に埋め込まれたSiO2膜105とからなる第2STI層120を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, a SiO 2 film 105 is formed on the entire upper surface of the
次に、例えば、熱リン酸を用いてSiN膜103をウェットエッチングし、さらにフッ酸系の溶液を用いてSiO2膜105を軽くエッチングする。これにより、図6(A)に示すように、第1、第2STi層110、120以外の領域でSi基板101表面を露出させる。
次に、Si基板101の上方全面にゲート絶縁膜(図示せず)を形成し、さらに、図6(B)に示すように、その上にポリシリコン膜107を形成する。そして、図6(C)に示すように、ポリシリコン膜107上にレジスト膜109を塗布する。このレジスト膜109の塗布は、例えばスピンコーティング法で行う。次に、このレジスト膜109に露光および現像処理を施して、ポリシリコン膜107上にゲート電極パターニング用のレジストパターンを形成する。
Next, for example, the SiN
Next, a gate insulating film (not shown) is formed on the entire upper surface of the
次に、このレジストパターンをマスクにポリシリコン膜107をエッチングして、図7(A)に示すように、ゲート電極111を形成する。そして、ゲート電極111をマスクとして、As、P、Bなどの不純物をSi基板101にイオン注入することにより、ゲート電極111両側のSi基板101にそれぞれ低濃度不純物導入層からなるLDD層(図示せず)を形成する。さらに、CVDなどの方法により、LDD層が形成されたSi基板101上に絶縁層を形成し、RIE(reactive ion etching)などのドライエッチングを用いて絶縁層をエッチバックする。
Next, the
これにより、ゲート電極111の側壁にサイドウォール113を形成する。そしてゲート電極111およびサイドウォール113をマスクとして、As、P、Bなどの不純物をSi基板101にイオン注入することで、ゲート電極111両側のSi基板101にそれぞれ高濃度不純物導入層からなるソース層、ドレイン層(図示せず)を形成する。これにより、CMOS領域のSi基板101にMOSトランジスタを完成させる。次に、図7(B)に示すように、Si基板101の上方全面にSiO2膜等からなる層間絶縁膜115を形成する。そして、この層間絶縁膜115を例えばCMPまたはエッチバック等で平坦化する。
その後、キャパシタ領域の層間絶縁膜115上にMIMキャパシタ130を形成する。ここでは、図7(B)に示すように、大面積の第2STI層120の真上に、MIMキャパシタ130を形成する。
Thereafter, the
ところで、本発明者は、上記RF−CMOSの製造工程において、第1STI層110よりも第2STI層120の方がCMPによるSiO2膜105の削れ量が大きく、第2STI層120の極近傍では、この削れ量の違いによってゲート電極111を設計寸法どおりに形成することが難しい、という問題点に気がついた。
詳しく説明すると、RF−CMOSでは、素子間分離用の第1STI層110と、キャパシタ下に配置される寄生容量低減用の第2STI層120とのサイズの違いが他の半導体装置と比べて極端に大きい。例えば、第1STI層110は平面視で縦、横の寸法が1μm×1μm以下であるのに対し、第2STI層120のそれは100μm×100μm程度である。
By the way, in the RF-CMOS manufacturing process, the inventor of the present invention has a larger amount of the SiO 2 film 105 by CMP in the
More specifically, in the RF-CMOS, the difference in size between the
このように、第1STI層110と第2STI層120とでそのサイズが桁違いに異なると、図8(A)に示すように、SiO2膜105をCMPする際に、第2STI層120の真上に位置するSiO2膜105表面の凹部の底面AにCMPの研磨パッドが接触(即ち、追従)してしまい、CMPの初期段階から凹部の底面Aが削られてしまう。また、この凹部の周縁BのSiO2膜105には研磨パッドから相対的に大きな力が加わるので、その研磨レートは他と比べて相対的に高くなる。
In this way, if the sizes of the
そのため、図8(B)に示すように、CMOS領域とキャパシタ領域とで、SiO2膜105およびSiN膜103の削れ量に差が生じることとなる。また、第2STI層120およびその周辺では、第2STI層120の外周に残されたSiN膜103表面と、第2STI層120を構成するSiO2膜105表面との間で大きな段差Dが生じることとなる。そして、このような段差Dが原因となって、第2STI層120およびその周辺でレジスト膜109の膜厚が変動し易くなる。
Therefore, as shown in FIG. 8B, there is a difference in the amount of scraping of the SiO 2 film 105 and the SiN
ここで、レジスト膜109の膜厚が変動すると、ゲート電極111を設計寸法どおりに形成することが難しくなる。本発明者の知見では、例えば図8(C)に示すように、第2STI層120およびその周辺ではレジスト膜109の膜厚は薄くなりがちであり、第2STI層120の極近傍にゲート電極111を配置すると、その寸法は図7(B)に示したように他と比べて細くなってしまうことが多い、という問題があった。
Here, when the thickness of the
また最近では、半導体装置の微細化の要求によってMOSトランジスタのゲート電極はますます小さくなり、しかも、半導体装置の高集積化の要求によってキャパシタとMOSトランジスタとをますます近接して形成せざるを得なくなってきているので、上記問題点は今後よりいっそう顕著となることが予想される。
そこで、この発明は本発明者が発見した上記問題点に鑑みてなされたものであって、面積が大きい第2トレンチの極近傍にゲート電極を配置する場合でも、このゲート電極を設計寸法どおりに再現性良く形成できるようにした半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
Recently, the gate electrodes of MOS transistors have become smaller due to demands for miniaturization of semiconductor devices, and capacitors and MOS transistors have to be formed closer together due to the demand for higher integration of semiconductor devices. The above problems are expected to become even more prominent in the future.
Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems discovered by the present inventors, and even when the gate electrode is arranged in the very vicinity of the second trench having a large area, the gate electrode is designed according to the design dimensions. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device which can be formed with good reproducibility.
上記目的を達成するために、発明1の半導体装置の製造方法は、キャパシタを含む高周波回路と、CMOS回路とを同一の基板に混載した半導体装置の製造方法であって、前記CMOS回路が形成される領域の前記基板に面積が小さい第1トレンチを形成する工程と、前記第1トレンチが形成された前記基板上の全面に第1絶縁膜を形成して前記第1トレンチを埋め込む工程と、前記第1絶縁膜に平坦化処理を施して前記第1トレンチ以外の前記基板上から前記第1絶縁膜を除去する工程と、前記CMOS回路が形成される領域の前記第1絶縁膜が取り除かれた前記基板上に前記CMOS回路用のゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を形成した後で、前記高周波回路が形成される領域の前記基板に面積が大きい第2トレンチを形成する工程と、前記第2トレンチが形成された前記基板上の全面に第2絶縁膜を形成して前記第2トレンチを埋め込む工程と、前記第2トレンチの真上に位置する前記第2絶縁膜上に前記キャパシタを形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a manufacturing method of a semiconductor device according to a first aspect of the present invention is a manufacturing method of a semiconductor device in which a high-frequency circuit including a capacitor and a CMOS circuit are mixedly mounted on the same substrate, wherein the CMOS circuit is formed. Forming a first trench having a small area in the substrate in a region, forming a first insulating film on the entire surface of the substrate where the first trench is formed, and embedding the first trench; A step of planarizing the first insulating film to remove the first insulating film from the substrate other than the first trench, and the first insulating film in a region where the CMOS circuit is formed is removed. Forming a gate electrode for the CMOS circuit on the substrate; and, after forming the gate electrode, forming a second trench having a large area in the substrate in a region where the high-frequency circuit is formed Forming a second insulating film on the entire surface of the substrate on which the second trench is formed, and embedding the second trench, and the second insulating film positioned immediately above the second trench. Forming the capacitor thereon.
ここで、「高周波回路」とは、例えば、キャパシタ、コイルおよびインダクタンス等で構成される高周波発振回路のことである。また、「第1トレンチ」と、この第1トレンチに埋め込まれた「第1絶縁膜」とで例えば第1のSTI層が構成される。第1のSTI層は例えばCMOS回路内の素子間分離層、または、CMOS回路と高周波回路との素子間分離層として使用される。また、「第2トレンチ」と、この第2トレンチに埋め込まれた「第2絶縁膜」とで例えば第2のSTI層が構成される。第2のSTI層は、基板とキャパシタとの離間距離を長めに確保して、当該間の寄生容量を低減するための層として使用される。
また、発明2の半導体装置の製造方法は、発明1の半導体装置の製造方法において、前記第1トレンチの前記面積は1[μm2]以下であり、前記第2トレンチの前記面積は1×104[μm2]以上であることを特徴とするものである。
Here, the “high-frequency circuit” is a high-frequency oscillation circuit including, for example, a capacitor, a coil, and an inductance. In addition, for example, a first STI layer is configured by the “first trench” and the “first insulating film” embedded in the first trench. The first STI layer is used as, for example, an element isolation layer in a CMOS circuit or an element isolation layer between a CMOS circuit and a high frequency circuit. The “second trench” and the “second insulating film” embedded in the second trench constitute, for example, a second STI layer. The second STI layer is used as a layer for ensuring a long separation distance between the substrate and the capacitor and reducing the parasitic capacitance therebetween.
The method for manufacturing a semiconductor device according to a second aspect is the method for manufacturing a semiconductor device according to the first aspect, wherein the area of the first trench is 1 [μm 2 ] or less, and the area of the second trench is 1 × 10. 4 [μm 2 ] or more.
発明1、2の半導体装置の製造方法によれば、従来の技術と比べて、第1トレンチの形成工程と第2トレンチの形成工程とをわざわざ別々の工程に分け、ゲート電極を形成した後で、面積が大きい第2トレンチを形成するようにしている。従って、ゲート電極形成前に第2トレンチの大面積に起因した段差が形成されることは無いので、ゲート電極パターニング用のレジスト膜の膜厚変動を防止することができる。これにより、第2トレンチの極近傍にゲート電極を配置する場合でも、このゲート電極を設計寸法どおりに再現性良く形成することができる。つまり、小面積の第1トレンチと、大面積の第2トレンチとが近接することによって生じた上述の問題点を解決することができる。それゆえ、半導体装置のさらなる微細化、高集積化に寄与することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the first and second aspects, the first trench formation step and the second trench formation step are both divided into separate steps and the gate electrode is formed as compared with the conventional technique. The second trench having a large area is formed. Therefore, no step due to the large area of the second trench is formed before the gate electrode is formed, so that the film thickness variation of the resist film for gate electrode patterning can be prevented. Thereby, even when the gate electrode is arranged in the very vicinity of the second trench, the gate electrode can be formed with good reproducibility according to the design dimensions. That is, it is possible to solve the above-described problems caused by the proximity of the first trench having a small area and the second trench having a large area. Therefore, it can contribute to further miniaturization and higher integration of the semiconductor device.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図1(A)〜図4は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
図1(A)では、まず始めに、Si基板1上に図示しないシリコン酸化(SiO2)膜を形成し、その上にシリコン窒化(SiN)膜3を形成する。次に、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術で、CMOS回路が形成される領域(即ち、CMOS領域)のSi基板1に素子間分離用の第1トレンチTr1を形成する。この第1トレンチTr1の面積は、例えば、平面視で縦、横の寸法が0.数μm×0.数μm程度、つまり1[μm2]以下である。また、この第1トレンチTr1のSi基板1表面からの深さは例えば3[μm]程度である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1A to 4 are process diagrams showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 1A, first, a silicon oxide (SiO 2 ) film (not shown) is formed on a
なお、この実施の形態では、第1トレンチTr1を形成する際に、高周波回路のうちのキャパシタが形成される領域(即ち、キャパシタ領域)のSi基板1に第2トレンチTr2は形成しない。即ち、従来の技術とは異なり、本発明では第1トレンチTr1と、第2トレンチTr2とを別々に形成する。
第1トレンチTr1を形成した後は、図1(B)に示すように、Si基板1の上方全面にSiO2膜5を形成して第1トレンチTr1を埋め込む。このSiO2膜5の形成は、例えばCVD(chemical vapor deposition)法で行う。そして、図1(C)に示すように、CMP(chemical mechanical polish)によってSiO2膜5の上方全面を研磨して、SiN膜3上からSiO2膜5を取り除く。このようにして、第1トレンチTr1と、この第1トレンチTr1内に埋め込まれたSiO2膜5とからなる第1STI層10を、第2STI層よりも前の工程で形成しておく。
In this embodiment, when the first trench Tr1 is formed, the second trench Tr2 is not formed in the
After the formation of the first trench Tr1, as shown in FIG. 1B, a SiO 2 film 5 is formed on the entire upper surface of the
次に、例えば、熱リン酸を用いてSiN膜をウェットエッチングし、さらにフッ酸系の溶液を用いてSiO2膜を軽くエッチングする。これにより、図2(A)に示すように、第1STI層10以外の領域(即ち、素子領域)でSi基板1表面を露出させる。次に、Si基板1の上方全面にゲート絶縁膜(図示せず)を形成し、さらに、図2(B)に示すように、その上にゲート電極用のポリシリコン膜7を形成する。ゲート絶縁膜の形成は例えばSi基板1を熱酸化することによって行う。また、ポリシリコン膜7の形成は例えばCVDで行う。そして、図2(C)に示すように、ポリシリコン膜7上にレジスト膜9を塗布する。このレジスト膜9の塗布は例えばスピンコーティング法で行う。
Next, for example, the SiN film is wet etched using hot phosphoric acid, and the SiO 2 film is lightly etched using a hydrofluoric acid-based solution. Thereby, as shown in FIG. 2A, the surface of the
次に、このレジスト膜9に露光および現像処理を施して、ポリシリコン膜7上にゲート電極パターニング用(即ち、ゲート電極が形成される領域を覆い、それ以外の領域を露出させる)のレジストパターンを形成する。そして、このレジストパターンをマスクにポリシリコン膜7をエッチングして、図3(A)に示すように、ゲート電極11を形成する。そして、ゲート電極11をマスクとして、As、P、Bなどの不純物をSi基板1にイオン注入することにより、ゲート電極両側のSi基板1にそれぞれ低濃度不純物導入層からなるLDD層(図示せず)を形成する。さらに、CVDなどの方法により、LDD層が形成されたSi基板1上に絶縁層を形成し、RIE(reactive ion etching)などのドライエッチングを用いて絶縁層をエッチバックする。
Next, the resist film 9 is exposed and developed to form a gate electrode patterning pattern on the polysilicon film 7 (that is, cover the region where the gate electrode is formed and expose the other region). Form. Then, using this resist pattern as a mask, the
これにより、ゲート電極11の側壁にサイドウォール13を形成する。そしてゲート電極11およびサイドウォール13をマスクとして、As、P、Bなどの不純物をSi基板1にイオン注入することで、ゲート電極11両側のSi基板1にそれぞれ高濃度不純物導入層からなるソース層、ドレイン層(図示せず)を形成する。これにより、CMOS領域のSi基板1にMOSトランジスタを完成させる。
Thereby, the
次に、図3(B)に示すように、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術で、キャパシタ領域のSi基板1に面積が大きい第2トレンチTr2を形成する。第2トレンチTr2の面積は、例えば、平面視で縦、横の寸法が100μm×100μm、つまり1×104[μm2]程度である。また、この第2トレンチTr2のSi基板1表面からの深さは例えば3[μm]程度である。
Next, as shown in FIG. 3B, a second trench Tr2 having a large area is formed in the
次に、図3(C)に示すように、Si基板1の上方全面にSiO2膜等からなる層間絶縁膜15を形成する。この層間絶縁膜15の形成によって第2トレンチTr2は埋め込まれ、第2トレンチTr2と、この第2トレンチTr2内に埋め込まれた層間絶縁膜15とからなる第2STI層20が形成される。そして、この層間絶縁膜15を例えばCMPまたはエッチバック等で平坦化する。
Next, as shown in FIG. 3C, an
その後、図4に示すように、キャパシタ領域の層間絶縁膜15上にMIMキャパシタ30を形成する。ここでは、図4に示すように、第2STI層20の真上に位置する層間絶縁膜15上にMIMキャパシタ30を形成する。この例では、MIMキャパシタ30と第2STI層20との平面視での合わせずれを考慮して、第2STI層20の外周よりもある程度内側に入った領域の層間絶縁膜15上にMIMキャパシタ30を形成する。MIMキャパシタ30の下部電極21は例えばアルミニウム(Al)であり、誘電体23は例えばシリコン窒化膜(SiN)であり、上部電極25は例えばアルミニウム(Al)である。
Thereafter, as shown in FIG. 4, an
このように、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、従来の技術と比べて、素子間分離用の第1トレンチTr1の形成工程と、MIMキャパシタ30下の第2トレンチTr2の形成工程とをわざわざ別々の工程に分け、ゲート電極11を形成した後で、第2トレンチTr2を形成するようにしている。
As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, compared to the conventional technique, the process of forming the first trench Tr1 for element isolation and the second trench under the
従って、ゲート電極11を形成する前に第2トレンチTr2の大面積に起因した段差が形成されることは無いので、キャパシタ領域におけるレジスト膜9の膜厚変動を防止することができる。これにより、第2トレンチTr2の極近傍にゲート電極11を配置する場合でも、このゲート電極11を設計寸法どおりに再現性良く形成することができる。つまり、小面積の第1トレンチTr1と、大面積の第2トレンチTr2とが近接することによって生じた上述の問題点を解決することができるので、半導体装置のさらなる微細化、高集積化に寄与することができる。
この実施の形態では、Si基板1が本発明の「基板」に対応し、SiO2膜5が本発明の「第1絶縁膜」に対応し、層間絶縁膜15が本発明の「第2絶縁膜」に対応している。
Accordingly, no step due to the large area of the second trench Tr2 is formed before the
In this embodiment, the
1 Si基板、3 SiN膜、5 SiO2膜、7 ポリシリコン膜、9 レジスト膜、10 第1STI層、11 ゲート電極、13 サイドウォール、15 層間絶縁膜、20 第2STI層、21 下部電極、23 誘電体、25 上部電極、30 MIMキャパシタ、Tr1 第1トレンチ、Tr2 第2トレンチ 1 Si substrate, 3 SiN film, 5 SiO 2 film, 7 polysilicon film, 9 resist film, 10 first STI layer, 11 gate electrode, 13 sidewall, 15 interlayer insulating film, 20 second STI layer, 21 lower electrode, 23 Dielectric, 25 upper electrode, 30 MIM capacitor, Tr1 first trench, Tr2 second trench
Claims (2)
前記CMOS回路が形成される領域の前記基板に面積が小さい第1トレンチを形成する工程と、
前記第1トレンチが形成された前記基板上の全面に第1絶縁膜を形成して前記第1トレンチを埋め込む工程と、
前記第1絶縁膜に平坦化処理を施して前記第1トレンチ以外の前記基板上から前記第1絶縁膜を除去する工程と、
前記CMOS回路が形成される領域の前記第1絶縁膜が取り除かれた前記基板上に前記CMOS回路用のゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を形成した後で、前記高周波回路が形成される領域の前記基板に面積が大きい第2トレンチを形成する工程と、
前記第2トレンチが形成された前記基板上の全面に第2絶縁膜を形成して前記第2トレンチを埋め込む工程と、
前記第2トレンチの真上に位置する前記第2絶縁膜上に前記キャパシタを形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device in which a high-frequency circuit including a capacitor and a CMOS circuit are mixedly mounted on the same substrate,
Forming a first trench having a small area in the substrate in a region where the CMOS circuit is formed;
Forming a first insulating film on the entire surface of the substrate on which the first trench is formed, and embedding the first trench;
Performing a planarization process on the first insulating film to remove the first insulating film from the substrate other than the first trench;
Forming a gate electrode for the CMOS circuit on the substrate from which the first insulating film in the region where the CMOS circuit is to be formed is removed;
Forming a second trench having a large area in the substrate in a region where the high-frequency circuit is formed after forming the gate electrode;
Forming a second insulating film on the entire surface of the substrate on which the second trench is formed, and embedding the second trench;
Forming the capacitor on the second insulating film located immediately above the second trench. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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