JP2009071184A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having trench isolation, capable of relieving the stresses on a semiconductor substrate, while suppressing increase in the cost. <P>SOLUTION: A semiconductor device 100, having a trench isolation structure, is provided with a laminated SOI substrate, consisting of a support substrate 10, a laminated oxide film 20, and an active layer 30; a trench 70 that is provided in the active layer 30 so as to expose the active layer 30; a lid member 60 that covers at least the opening of the trench 70 and is made of an insulating material; and a void that is surrounded by the surface of the trench 70 and the lid member 60. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、トレンチ分離を有する半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device having trench isolation.

従来、トレンチ分離を有する半導体装置の一例として特許文献1に示すものがあった。   Conventionally, as an example of a semiconductor device having trench isolation, there is one shown in Patent Document 1.

特許文献1に示される半導体装置は、半導体基板の表面にトレンチが設けられている。そのトレンチは、表面には熱酸化膜が設けられ、トレンチ内に空隙ができるように、一部がトレンチに嵌まり込み、かつ上方に延びる絶縁膜が設けられている。そして、トレンチの上端の径は、絶縁膜の径よりも小さくされている。このようにすることによって、応力を緩和するものである。
特開2003−158180号公報
In the semiconductor device disclosed in Patent Document 1, a trench is provided on the surface of a semiconductor substrate. A thermal oxide film is provided on the surface of the trench, and an insulating film that partially fits into the trench and extends upward is provided so that a void is formed in the trench. The diameter of the upper end of the trench is made smaller than the diameter of the insulating film. By doing so, stress is relieved.
JP 2003-158180 A

しかしながら、上述の特許文献1に示される半導体装置においては、トレンチの表面に熱酸化膜を設けるため工数及び材料が増えるためコストアップになるという問題がある。   However, in the semiconductor device disclosed in Patent Document 1 described above, there is a problem in that the number of processes and materials increases because the thermal oxide film is provided on the surface of the trench, resulting in an increase in cost.

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、トレンチ分離を有する半導体装置において、コストアップを抑制しつつ、半導体基板の応力を緩和することができる半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can relieve stress on a semiconductor substrate while suppressing an increase in cost in a semiconductor device having trench isolation. .

上記目的を達成するために請求項1に記載の半導体装置は、トレンチ分離構造を有する半導体装置であって、半導体基板と、半導体基板にその半導体基板が露出した状態で設けられたトレンチと、少なくともトレンチの開口部を覆う絶縁材料からなる蓋部材と、トレンチの表面と蓋部材にて囲まれたボイドとを備えることを特徴とするものである。   In order to achieve the above object, a semiconductor device according to claim 1 is a semiconductor device having a trench isolation structure, and includes at least a semiconductor substrate, a trench provided with the semiconductor substrate exposed to the semiconductor substrate, and at least A lid member made of an insulating material that covers the opening of the trench, and a void surrounded by the surface of the trench and the lid member are provided.

このようにすることによって、トレンチの表面(側壁)に熱酸化膜を設けることなくボイドにて半導体基板の応力を緩和することができ、コストアップを抑制することができる。また、半導体基板の応力を緩和することができるので、半導体基板の結晶欠陥も抑制することができる。   By doing in this way, the stress of a semiconductor substrate can be relieved with a void, without providing a thermal oxide film in the surface (side wall) of a trench, and a cost increase can be suppressed. Moreover, since the stress of the semiconductor substrate can be relaxed, crystal defects of the semiconductor substrate can also be suppressed.

また、請求項2に示すように、トレンチの底部には、トレンチの周囲に広がるノッチを備えるようにしてもよい。このようにすることによって、耐圧を向上させることもできる。   According to a second aspect of the present invention, the bottom of the trench may be provided with a notch that extends around the trench. By doing in this way, a proof pressure can also be improved.

また、請求項3に示すように、トレンチは、ボーイング形状をなすようにしてもよい。このようにすることによって、トレンチの開口部のみに蓋部材を設けることができるので、ボイドを設けやすくすることができる。   According to a third aspect of the present invention, the trench may have a bow shape. By doing in this way, since a lid member can be provided only in the opening of a trench, it can be made easy to provide a void.

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図1は、本発明の施の形態における半導体装置を示す断面図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、本実施の形態における半導体装置100は、支持基板10、貼り合せ酸化膜20、及び活性層30(例えば、単結晶シリコンからなる)からなる貼り合せSOI基板が用いられる。このSOI基板の表面には、LOCOS40及び酸化膜50が形成されている。そして、活性層30には、活性層30に形成される素子(図示省略)を絶縁するためのものであり、貼り合せ酸化膜20に達するトレンチ70が形成されている。   As shown in FIG. 1, a semiconductor device 100 according to the present embodiment uses a bonded SOI substrate including a support substrate 10, a bonded oxide film 20, and an active layer 30 (for example, made of single crystal silicon). A LOCOS 40 and an oxide film 50 are formed on the surface of the SOI substrate. In the active layer 30, a trench 70 reaching the bonded oxide film 20 is formed to insulate elements (not shown) formed in the active layer 30.

このトレンチ70は、表面に活性層30(半導体基板)が露出した状態で設けられるものである。そして、トレンチ70の開口部には、酸化膜50によって形成される蓋部材60が形成される。よって、半導体装置100は、トレンチ70の表面と蓋部材60とによって囲まれたボイド80が形成されている。   The trench 70 is provided with the active layer 30 (semiconductor substrate) exposed on the surface. A lid member 60 formed of the oxide film 50 is formed in the opening of the trench 70. Therefore, the semiconductor device 100 has a void 80 surrounded by the surface of the trench 70 and the lid member 60.

従来、素子を絶縁分離するトレンチは、トレンチ側壁酸化後にポリシリコンでトレンチ内全体を埋め込むか、酸化膜の絶縁膜で埋め込み絶縁分離していた。しかしながら、トレンチをポリシリコンや酸化膜系で埋め込む場合、後工程において半導体基板(活性層)に応力が生じ、結晶欠陥が発生する可能性があった。また、このような結晶欠陥を防止するために、高温熱処理を追加することも考えられるが、工程が長くなったり拡散層が広がりすぎてしまったりする可能性がある。ボイド80は、このようなポリシリコンや酸化膜をトレンチに埋め込むことによって生じる応力を緩和して、結晶欠陥の発生を抑制するためのものである。   Conventionally, a trench for insulating and isolating elements has been embedded in the entire trench with polysilicon after trench sidewall oxidation, or embedded and isolated with an insulating film of an oxide film. However, when the trench is filled with polysilicon or an oxide film system, stress may be generated in the semiconductor substrate (active layer) in a subsequent process, and crystal defects may occur. In order to prevent such crystal defects, it is conceivable to add a high-temperature heat treatment, but there is a possibility that the process becomes longer or the diffusion layer becomes too wide. The void 80 is intended to relieve stress generated by embedding such polysilicon or oxide film in the trench and suppress the generation of crystal defects.

ここで、本実施の形態における半導体装置100の製造方法に関して説明する。   Here, a method for manufacturing the semiconductor device 100 in the present embodiment will be described.

まず、支持基板10、貼り合せ酸化膜20、及び活性層30(例えば、単結晶シリコンからなる)からなる貼り合せSOI基板に、酸化工程、成膜工程、ホト工程、エッチング工程、不純物拡散工程を繰り返し、デバイスを形成する。なお、このデバイスを形成する工程に関しては、一般的なプロセスであるため詳しい説明を省略する。   First, an oxidation process, a film forming process, a photo process, an etching process, and an impurity diffusion process are performed on a bonded SOI substrate including the support substrate 10, the bonded oxide film 20, and the active layer 30 (for example, made of single crystal silicon). Repeat to form the device. The process for forming the device is a general process and will not be described in detail.

そして、素子分離したい部分の酸化膜をフォトエッチング工程により除去する。次に、活性層30などに対して、トレンチエッチングでトレンチ70を形成する。このトレンチ70を形成するための条件の一例としては、SFを70SCCM,Oを10SCCM,コイルマグネットパワーを800Wで貼り合せ酸化膜20に到達する手前までエッチングする。 Then, the oxide film in a portion where element isolation is desired is removed by a photoetching process. Next, a trench 70 is formed by trench etching for the active layer 30 and the like. As an example of the conditions for forming the trench 70, SF 6 is 70 SCCM, O 2 is 10 SCCM, the coil magnet power is 800 W, and etching is performed just before reaching the oxide film 20.

その後、FイオンをSOI基板(活性層30)に引き込むためのRFパワーを時間比20%(オン・オフ比)にしながらエッチングする。なお、Fイオンが基板に到達した際に、分離された活性層部分が帯電することにより、Fイオンが引き付けられ横方向にエッチングが進む。これを防止するために、RFパワーをオン・オフさせて帯電防止し、横方向のエッチングを低減する。このようにして、図1に示すような、ほぼ垂直に近いトレンチ70を形成する。   Thereafter, etching is performed while the RF power for drawing F ions into the SOI substrate (active layer 30) is set to a time ratio of 20% (on / off ratio). When F ions reach the substrate, the separated active layer portion is charged, so that F ions are attracted and etching proceeds in the lateral direction. In order to prevent this, the RF power is turned on and off to prevent charging, and lateral etching is reduced. In this way, a trench 70 that is almost vertical as shown in FIG. 1 is formed.

その後、トレンチ70の開口部に蓋部材60を形成するために、O-BPSGを成膜する。具体的には、CVD装置のチャンバ内(例えば、480℃)にTEOS、TEB、TEPO、オゾンを導入し、O-BPSG膜を成膜する。Bの濃度やPの濃度によりTEOS、TEB、TEPOの流量を調整する。また、カバレッジを良くするために、一例として、圧力:600Torr、TEOS:1200mg/分、TEB:38mg/分、TEPO:50mg/分で成膜する。なお、レートが小さいため、2ndステップで、レートが大きくなる条件(例えば、圧力:200Torrに下げる)で成膜し膜厚を稼ぐ。 Thereafter, in order to form the lid member 60 in the opening of the trench 70, O 3 -BPSG is formed. Specifically, TEOS, TEB, TEPO, and ozone are introduced into a chamber (for example, 480 ° C.) of the CVD apparatus to form an O 3 -BPSG film. The flow rates of TEOS, TEB, and TEPO are adjusted according to the B concentration and the P concentration. In order to improve the coverage, as an example, the film is formed at a pressure of 600 Torr, TEOS: 1200 mg / min, TEB: 38 mg / min, and TEPO: 50 mg / min. Since the rate is small, the film thickness is increased in 2nd steps under the condition that the rate is increased (for example, the pressure is lowered to 200 Torr).

その後、800℃から950℃程度の熱処理でBPSG膜をリフローさせて、トレンチ70の開口部に蓋部材60を形成する。なお、本実施の形態においては、トレンチ70の表面には側壁酸化膜を形成していないため、O−BPSGを成膜してもトレンチ70の側面にBPSG膜成膜されにくくなる。また、リフローしてもトレンチ70内部に流れ込みにくくなる。したがって、本実施の形態における半導体装置100は、トレンチに側壁酸化膜を形成しないため、トレンチに側壁酸化膜を形成した場合に比べて、コストアップを抑制することができると共に、ボイド80を大きくすることができるので応力による結晶欠陥をより一層低減することができる。つまり、分離耐圧を稼ぐことができるという効果も奏する。 Thereafter, the BPSG film is reflowed by heat treatment at about 800 ° C. to 950 ° C., and the lid member 60 is formed in the opening of the trench 70. In the present embodiment, a sidewall oxide film is not formed on the surface of the trench 70, so that even if O 3 -BPSG is formed, it is difficult to form a BPSG film on the side surface of the trench 70. Moreover, even if it reflows, it becomes difficult to flow into the trench 70. Therefore, since semiconductor device 100 in the present embodiment does not form a sidewall oxide film in the trench, it is possible to suppress an increase in cost and increase void 80 compared to the case where the sidewall oxide film is formed in the trench. Therefore, crystal defects due to stress can be further reduced. In other words, there is an effect that the isolation breakdown voltage can be obtained.

なお、トレンチ70の上部をうめた後で、CMPで平坦化し、コンタクト形成のためのフォトエッチングを行う。そして、一般的に行われているバリアメタル形成工程やWプラグやAL配線形成を行い、最後に保護膜を形成しウェハ工程完了となる。   In addition, after filling the upper part of the trench 70, it planarizes by CMP and the photoetching for contact formation is performed. Then, a generally performed barrier metal forming process, W plug and AL wiring formation are performed, and finally a protective film is formed to complete the wafer process.

(変形例1)
次に、図2に示す変形例1における半導体装置110に関して説明する。なお、変形例1においては、上述の実施の形態と同等な点が多いため、異なる点を重点的に説明する。
(Modification 1)
Next, the semiconductor device 110 in Modification 1 shown in FIG. 2 will be described. In Modification 1, since there are many points equivalent to the above-described embodiment, different points will be mainly described.

図2に示すように、半導体装置110は、トレンチ70の底部にトレンチ70の周囲に広がるノッチ81が形成される。このノッチ81は、トレンチエッチングでオーバーエッチングを行うことによって形成することができる。このようにノッチ81を設けることによって、トレンチ70の底部が酸化膜で覆われていない場合であっても、耐圧を向上させることができる。   As shown in FIG. 2, in the semiconductor device 110, a notch 81 extending around the trench 70 is formed at the bottom of the trench 70. The notch 81 can be formed by performing overetching by trench etching. By providing the notch 81 in this manner, the breakdown voltage can be improved even when the bottom of the trench 70 is not covered with an oxide film.

なお、このノッチ81を形成する場合、トレンチエッチングの条件で、2ndステップ目のRFバイアスのオン・オフ(例えば、時間比20%など)をやめることにより、横方向のエッチングを進ませて耐圧を稼ぐこともできる。また、オーバーエッチングを長時間いれることにより横方向のエッチングを進行させることもできる。   In the case of forming the notch 81, by turning off / on the RF bias at the 2nd step (for example, time ratio 20%, etc.) under the trench etching conditions, the lateral etching is advanced and the breakdown voltage is reduced. You can also earn. In addition, by performing overetching for a long time, lateral etching can be advanced.

(変形例2)
次に、図3に示す変形例2における半導体装置120に関して説明する。なお、変形例2においては、上述の実施の形態と同等な点が多いため、異なる点を重点的に説明する。
(Modification 2)
Next, the semiconductor device 120 in Modification 2 shown in FIG. 3 will be described. In Modification 2, since there are many points equivalent to the above-described embodiment, different points will be mainly described.

図3に示すように、変形例2における半導体装置120のトレンチ70は、ボーイング形状をなすものである。つまり、トレンチ70は、開口部及び底部に比べて、中間部分が広く形成されている。したがって、ボイド80aにかんしても開口部及び底部に比べて、中間部分が広く形成されたボーイング形状をなすものである。   As shown in FIG. 3, the trench 70 of the semiconductor device 120 in Modification 2 has a bow shape. That is, the trench 70 has a wider intermediate portion than the opening and the bottom. Therefore, the void 80a has a bow shape in which the intermediate portion is wider than the opening and the bottom.

このようにトレンチ70をボーイング形状にする場合、例えば、トレンチエッチング条件で、基板温度を従来の−50℃から高くしたり、酸素流量を少なくしたりすることにより形成することができる。基板温度が高くなるとSiエッチレートが上がり、かつトレンチ70の側壁につくポリマーが揮発し側壁に着きにくくなる。また、SFガスが等方的にSi(活性層30)をエッチングするために逆テーパー状にエッチングが進む。しかし、トレンチ70が深くなるとFイオンが供給されにくくなってくるためトレンチ70の底部ではエッチングが進みにくくなってボーイング形状になる。 In this way, when the trench 70 is bowed, it can be formed, for example, by increasing the substrate temperature from −50 ° C. or reducing the oxygen flow rate under the trench etching conditions. As the substrate temperature rises, the Si etch rate increases, and the polymer attached to the sidewalls of the trench 70 volatilizes, making it difficult to reach the sidewalls. Further, since SF 6 gas isotropically etches Si (active layer 30), the etching proceeds in a reverse taper shape. However, when the trench 70 becomes deeper, it becomes difficult to supply F ions, so that the etching is difficult to proceed at the bottom of the trench 70, resulting in a bow shape.

このようにすることによって、トレンチ70の開口部のみに蓋部材60を設けることができるので、ボイド80aを設けやすくすることができる。   By doing in this way, since the cover member 60 can be provided only in the opening part of the trench 70, the void 80a can be easily provided.

本発明の施の形態における半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in embodiment of this invention. 本発明の変形例1における半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in the modification 1 of this invention. 本発明の変形例2における半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in the modification 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 支持基板、20 貼り合せ酸化膜、30 活性層、40 LOCOS、50 酸化膜、60 蓋部材、70 トレンチ、80,80a ボイド、81 ノッチ、100,110,120 半導体装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Support substrate, 20 Bonding oxide film, 30 Active layer, 40 LOCOS, 50 Oxide film, 60 Lid member, 70 Trench, 80, 80a Void, 81 notch, 100, 110, 120 Semiconductor device

Claims (3)

トレンチ分離構造を有する半導体装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板に当該半導体基板が露出した状態で設けられたトレンチと、
少なくとも前記トレンチの開口部を覆う絶縁材料からなる蓋部材と、
前記トレンチの表面と前記蓋部材にて囲まれたボイドと、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a trench isolation structure,
A semiconductor substrate;
A trench provided in the semiconductor substrate with the semiconductor substrate exposed;
A lid member made of an insulating material covering at least the opening of the trench;
A void surrounded by the surface of the trench and the lid member;
A semiconductor device comprising:
前記トレンチの底部には、当該トレンチの周囲に広がるノッチを備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a notch extending around the trench is provided at a bottom of the trench. 前記トレンチは、ボーイング形状をなすことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the trench has a bow shape.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011071292A (en) * 2009-09-25 2011-04-07 Asahi Kasei E-Materials Corp Air gap structure and method of forming air gap
JP2012009489A (en) * 2010-06-22 2012-01-12 Denso Corp Method of manufacturing semiconductor device and semiconductor device
US9466667B2 (en) 2014-09-10 2016-10-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor memory device and method for manufacturing same

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