JP2009182270A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な特性で且つ信頼性の高い素子分離領域を有する半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板101上に、フラッシュメモリのメモリセルにおけるゲート絶縁膜102と電極膜103を含む積層膜を形成する工程と、前記積層膜を反応性イオンエッチングによって加工し、素子分離領域を形成するためのアイソレーション溝を形成し、このアイソレーション溝内に前記半導体基板の表面を露出させる工程と、前記アイソレーション溝内に、第一の埋め込み絶縁膜として、成膜時に下地選択性を示すO3−TEOS膜107を形成する工程と、前記アイソレーション溝を第二の埋め込み絶縁膜108によって埋め込むことで、STI構造の素子分離領域を形成する工程とを具備する。
【選択図】 図7
【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板101上に、フラッシュメモリのメモリセルにおけるゲート絶縁膜102と電極膜103を含む積層膜を形成する工程と、前記積層膜を反応性イオンエッチングによって加工し、素子分離領域を形成するためのアイソレーション溝を形成し、このアイソレーション溝内に前記半導体基板の表面を露出させる工程と、前記アイソレーション溝内に、第一の埋め込み絶縁膜として、成膜時に下地選択性を示すO3−TEOS膜107を形成する工程と、前記アイソレーション溝を第二の埋め込み絶縁膜108によって埋め込むことで、STI構造の素子分離領域を形成する工程とを具備する。
【選択図】 図7
Description
本発明は、シャロートレンチアイソレーション構造の素子分離領域を用いる半導体装置及びその製造方法に関し、例えばフラッシュメモリとその製造方法に適用されるものである。
LSIの微細化は、高集積化による素子の性能向上(動作速度向上及び低消費電力化)と製造コストの抑制を目的として積極的に進められている。近年、量産レベルでも最小加工寸法が60nm以下のフラッシュメモリやゲート幅が65nm以下のロジックデバイスが生産されるようになっており、技術的難度は高まってきてはいるものの、今後も一層の微細化が進展していくことが予測されている。
このような急激な素子の微細化のためには、素子面積の過半を占める素子分離領域の微細化が重要である。素子分離領域の形成方法としては、異方性エッチングで形成した溝に絶縁膜を埋め込むシャロートレンチアイソレーション(Shallow Trench Isolation:STI)技術が採用されている(例えば特許文献1参照)。STI構造の素子分離領域は微細化に適しており、溝幅は0.1ミクロン以下、具体的には70nmから50nm程度に達している。
更なる素子分離領域の微細化も重要になってきているが、微細化に伴って素子分離領域形成の困難度も急激に増している。なぜならば、素子間の分離は隣接素子間の実効的距離、つまり素子分離領域を迂回するときの最短距離で決まるのに対し、デバイスを微細化しても絶縁性を低下させないためには、上記実効的距離を従来並みに保つ必要があるからである。すなわち、STIのトレンチの幅は細くしつつ、深さを少なくともほぼ一定に保つことが求められる。このため、絶縁膜を埋め込むアイソレーション溝のアスペクト比は微細化の世代毎に大きくなり、埋め込みも急激に困難になっていく構図となっている。
特に、0.1ミクロン世代以降では、前述のアスペクト比が3以上になるために、現在、標準的なアイソレーション溝への絶縁膜埋め込み技術として用いられている、高密度プラズマCVD(High Density Plasma:HDP−CVD)で形成されたシリコン酸化膜による埋め込みにとって、ボイド(未充填)を生成しない埋め込みは非常に困難なものになる。そのため、特にロジックデバイスでは流動性を有するO3−TEOS膜による埋め込みが主流になりつつある(例えば特許文献2参照)。
しかし、O3−TEOS膜を用いる場合でもボイドあるいはシーム(seam)の除去のために、高温の水蒸気酸化によるキュアが必須であり、ゲート絶縁膜を先作りするフラッシュメモリに適用する場合は次のような種々の問題が発生する。
まず、STI形成時の水蒸気酸化で、STI側からの酸化剤の拡散による基板及びフローティングゲートの酸化によってゲート絶縁膜の実効膜厚が厚膜化してしまい信頼性が低下してしますので水蒸気酸化の適用は困難である。
また、アイソレーショントレンチの形成は通常反応性イオンエッチングで行うが、特にゲート絶縁膜を先作りするフラッシュメモリに適用する場合、アイソレーショントレンチ内面からエッチングダメージを除去するためのアクティヴエリア(AA)の酸化によってSTI側からの酸化剤の拡散による基板及びフローティングゲートの酸化によって厚膜化してしまい信頼性が低下する。
更に、ゲート電極を先作りしないデバイスでも、STI形成時の酸化によってAAが細くなってしまい充分なオン電流がとれないという問題があった。
特開平11−297811号公報
特開2001−135718号公報
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、良好な特性で且つ信頼性の高い素子分離領域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ると、半導体基板上に、フラッシュメモリのメモリセルにおけるゲート絶縁膜と電極膜を含む積層膜を形成する工程と、前記積層膜を反応性イオンエッチングによって加工し、素子分離領域を形成するためのアイソレーション溝を形成し、このアイソレーション溝内に前記半導体基板の表面を露出させる工程と、前記アイソレーション溝内に、第一の埋め込み絶縁膜として、成膜時に下地選択性を示すO3−TEOS膜を形成する工程と、前記アイソレーション溝を第二の埋め込み絶縁膜によって埋め込むことで、シャロートレンチアイソレーション構造の素子分離領域を形成する工程とを具備する半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明の一態様によると、狭いシャロートレンチアイソレーションで素子分離されたセル部と、広いシャロートレンチアイソレーションで素子分離された周辺回路部と、前記セル部における第一のアイソレーション溝に埋め込まれた第一のO3−TEOS膜と、前記周辺回路部における第二のアイソレーション溝に埋め込まれ、膜厚が前記第二のアイソレーション溝の底部角で厚くなるように埋め込まれた第二のO3−TEOS膜と、前記第二のアイソレーション溝の前記第二のO3−TEOS膜上に埋め込まれたSOG膜とを具備する半導体装置が提供される。
本発明によれば、良好な特性で且つ信頼性の高い素子分離領域を有する半導体装置及びその製造方法が得られる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
[第一の実施形態]
本発明の第一の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図1乃至図7により説明する。本実施形態は、部分SOI基板上に形成されたフローティングゲート型フラッシュメモリであり、素子分離領域を形成するためのアイソレーション溝に、第一の絶縁膜として下地選択性の強いO3−TEOS膜を形成し、次に第二の絶縁膜として下地選択性のないO3−TEOS膜を用いて埋め込む例である。
[第一の実施形態]
本発明の第一の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図1乃至図7により説明する。本実施形態は、部分SOI基板上に形成されたフローティングゲート型フラッシュメモリであり、素子分離領域を形成するためのアイソレーション溝に、第一の絶縁膜として下地選択性の強いO3−TEOS膜を形成し、次に第二の絶縁膜として下地選択性のないO3−TEOS膜を用いて埋め込む例である。
本方式により、セル部等の狭STIは、STI底部から底上げされたような形状でほぼシームレスに埋め込まれる。このため、STI形成以降のウエットエッチング工程でO3−TEOSのシーム部がエッチングされてしまい、セル部の耐圧が低下するのを抑制できる。一方、周辺回路部の広いSTIは、主に成膜速度の速い下地選択性のないO3−TEOS膜で主に埋め込むのでプロセス時間の短縮をはかることができる。
まず、図1に示すように、部分SOI基板101上にゲート絶縁膜となるシリコン熱酸窒化膜102を8nmの厚さ、フローティングゲートとなるPドープ多結晶シリコン膜103を60nmの厚さ、CMPの研磨ストッパとなるシリコン窒化膜104を60nmの厚さに積層して形成する。次に、基板全面に反応性イオンエッチング(RIE)のマスクとなるCVDシリコン酸化膜105を200nmの厚さに形成し、更にこのシリコン酸化膜105上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布形成する。引き続き、通常のリソグラフィ技術によってフォトレジスト膜を加工し、このフォトレジスト膜をマスクとして、RIEにより上記シリコン酸化膜105を加工してハードマスクを形成する。ここで、セル部のSTI幅は例えば40nmである。上記フォトレジスト膜はアッシャー及び硫酸過酸化水素水混合液でのエッチングにより除去する。
続いて、上記CVDシリコン酸化膜105で形成したハードマスクを用いて、RIEにより上記シリコン窒化膜104、Pドープ多結晶シリコン膜103、シリコン熱酸窒化膜102、及び部分SOI基板101を順次加工して、部分SOI基板101のバルク部分にエッチング深さが220nm程度の溝を形成する。更に、希弗酸処理を行って上記RIE工程での反応生成物の残りを除去する。以上のようにしてSTIとなるアイソレーション溝106が形成される。
次に、基板全面に第一のO3−TEOS膜107をSi基板上で150nm程度の厚さになるように形成する。ここで、O3−TEOS膜の成膜温度は380℃、O3/TEOS比は9.5である。本成膜条件ではO3−TEOS膜の成長は強い下地依存性を示し、CVDシリコン酸化膜105、シリコン窒化膜104、及びPドープ多結晶シリコン膜103上には殆ど成膜が起こらない。そのため、図2に示すように、O3−TEOS膜107はSTIの底部から選択成長しているかのような形状に形成される。
次に、図3に示すように、O3−TEOS膜107で途中まで埋め込まれたアイソレーション溝106内に第二のO3−TEOS膜108を形成し、アイソレーション溝106を完全に埋め込む。ここで、O3−TEOS膜の成膜温度は520℃、O3/TEOS比は3である。この条件ではO3−TEOS膜108はほぼコンフォーマルに成膜されるが、第一のO3−TEOS膜107で既に狭いアイソレーション溝はほぼ完全に埋め込まれ、広いアイソレーション溝もテーパ角の緩和された埋め込みやすい形状になっているため、殆どシームやボイドのない埋め込みが可能である。
なお、比較評価用に、アイソレーション溝を高温で成膜した下地依存性のないO3−TEOS膜108でのみ埋め込んだ試料も作成した(図4参照)。
次に、窒素中において約900℃の温度で30分(minute)程度アニールすることにより、上記O3−TEOS膜107,108を緻密化する。一般的にO3−TEOS膜の熱処理には水蒸気酸化が必須であり、本実施形態のようなゲート絶縁膜が先に形成されている構造ではO3−TEOS膜の熱処理中に基板101やフローティングゲートとなるPドープ多結晶シリコン膜103が酸化されてしまう。このため、実効的なゲート酸化膜厚が増加してしまい、書き込み電圧の増大/電界集中による信頼性低下等が問題になる。
そこで、本実施形態では、2種類のO3−TEOS条件を組み合わせてシーム/ボイドの発生を抑制している。これによって、窒素等の不活性ガスのアニールのみでO3−TEOS膜の緻密化が可能になるため、フラッシュメモリの特性に影響を与えることなくSTI埋め込みができる。
次にCMP技術により、シリコン窒化膜103をストッパとして、O3−TEOS膜108,107及びCVDシリコン酸化膜105を研磨して、アイソレーション溝106内部にのみ残存せしめる。
次に反応性イオンエッチングによって、アイソレーション溝106内に残存する埋め込み絶縁膜(O3−TEOS膜107,108)を140nm程度エッチバックする。次にホット燐酸中で上記シリコン窒化膜104を除去し、STI領域が形成される。
次に、図5に示すように、電極間絶縁膜(IPD)となるONO膜109を形成する。このONO膜を形成する際には、フローティングゲートとなるPドープ多結晶シリコン膜103の表面の自然酸化膜除去のために弗酸系の薬液による前処理が必須である。しかしながら、本実施形態では、Pドープ多結晶シリコン膜103側面に形成されているO3−TEOS膜107はボトムアップ成長しているため、ほぼシームが存在しないのでウエットエッチングでSTIの中央がエッチングされる現象は発生しない。
これに対して、比較用に作成した単一のO3−TEOS膜で埋め込んだ試料では、図6に示すように、ONO膜を形成するための前処理でSTI中央部がウエットエッチングされてしまい陥没する現象が見られた。
次に、図7に示すように、上記ONO膜109上にコントロールゲート電極となるPドープ多結晶シリコン膜110を形成し、公知のリソグラフィ技術及びRIE技術によってPドープ多結晶シリコン膜110、ONO膜109、Pドープ多結晶シリコン膜103を順次加工して、コントロールゲート及びフローティングゲートを形成する。以降の工程では、層間絶縁膜(ILD)111,112,113を形成し、配線114,115及びコンタクトプラグ116,117の形成を行うことになるが詳細は省略し、図7にデバイスの最終構造のみを示す。
本実施形態のように、下地依存性の強いO3−TEOS膜と下地依存性の低いO3−TEOS膜を組み合わせてアイソレーション溝を埋め込むことで、ウエットエッチング耐性の強いSTIを形成することができる。
なお、下地依存性の強いO3−TEOS膜のみを用いてアイソレーション溝を埋め込むと、O3−TEOS膜の表面が下地Siから離れるとO3−TEOSの成膜速度が急激に低下してしまうために、プロセス時間が長くなってしまう。上記O3−TEOS膜の成膜速度(Film Thickness)と成膜時間(Deposition Time)との関係を図8に示す。
よって、本実施形態のように、下地依存性の強いO3−TEOS膜は狭STIを埋め込むためだけに用い、アイソレーション溝の残りは成膜速度の速い下地依存性のないO3−TEOS膜で埋め込むことでプロセス時間の短縮が可能になる。
[第二の実施形態]
本発明の第二の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図9乃至図12により説明する。本実施形態は、第一の実施形態とは異なりバルクシリコン基板使用のフローティングゲート型のフラッシュメモリであり、STIを下地選択性の強いO3−TEOS膜とSOG膜の一種である過水素化ポリシラザン膜(perhydro-polysilazane)で埋め込む例である。本実施形態では、O3−TEOS膜とSOG膜とを組み合わせることで、SOG膜の膜質が劣化しやすい狭STI内はO3−TEOS膜、SOG膜でも良好な膜質が実現しやすい広STIはSOG膜とO3−TEOS膜とのハイブリッド(Hybrid)埋め込みを行う。
本発明の第二の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図9乃至図12により説明する。本実施形態は、第一の実施形態とは異なりバルクシリコン基板使用のフローティングゲート型のフラッシュメモリであり、STIを下地選択性の強いO3−TEOS膜とSOG膜の一種である過水素化ポリシラザン膜(perhydro-polysilazane)で埋め込む例である。本実施形態では、O3−TEOS膜とSOG膜とを組み合わせることで、SOG膜の膜質が劣化しやすい狭STI内はO3−TEOS膜、SOG膜でも良好な膜質が実現しやすい広STIはSOG膜とO3−TEOS膜とのハイブリッド(Hybrid)埋め込みを行う。
このように下地選択性の強いO3−TEOS膜の場合には、下地状態の影響でO3−TEOS膜の埋め込み後の形状が逆テーパとなる部分が発生することがありうるが、埋め込み性のよいSOG膜と組み合わせることで、埋め込み不良発生を抑制することができる。
図9に示すように、半導体基板(シリコン基板)201上にゲート絶縁膜となるシリコン熱酸窒化膜202を8nmの厚さ、フローティングゲートとなるPドープ多結晶シリコン膜203を50nmの厚さ、CMPの研磨ストッパとなるシリコン窒化膜204を70nmの厚さに積層して形成する。次に基板全面に反応性イオンエッチング(RIE)のマスクとなるCVDシリコン酸化膜205を形成し、更にこのシリコン酸化膜205上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布形成する。次に通常のリソグラフィ技術によって上記フォトレジスト膜を加工し、このフォトレジスト膜をマスクにしたRIEにより、上記シリコン酸化膜205を加工してハードマスクを形成する。上記フォトレジスト膜はアッシャー及び硫酸過酸化水素水混合液でのエッチングにより除去する。ここで、セル部のSTI幅は例えば30nmである。
上記CVDシリコン酸化膜205で形成したハードマスクを用いて、RIEにより上記シリコン窒化膜204、Pドープ多結晶シリコン膜203、シリコン熱酸窒化膜202、及び半導体基板201を順次加工して、半導体基板201にエッチング深さが220nm程度の溝を形成する。更に、希弗酸処理を行って上記RIE工程での反応生成物の残りを除去する。以上のようにしてSTIとなるアイソレーション溝206が形成される。
次に、基板全面にO3−TEOS膜207をSi基板上で350nm程度の厚さになるように形成する。ここでは、O3−TEOS膜の成膜温度は410℃、O3/TEOS比は11である。本成膜条件でもO3−TEOS膜の成長は強い下地依存性を示し、CVDシリコン酸化膜205、シリコン窒化膜204、Pドープ多結晶シリコン膜203上には殆ど成膜が起こらない。そのため、O3−TEOS膜207はSTIの底部から選択成長しているかのような形状に形成される。特に本条件ではO3−TEOS膜207はハードマスクであるCVDシリコン酸化膜205上には殆ど成長しないので、アイソレーション溝206の段差を低減した状態になっている。
次に、図10に示すように、基板全面にポリシラザン膜208を埋め込む。ポリシラザン膜の形成方法は以下のように行う。平均分子量が2000〜6000の過水素化シラザン(パーハイドロシラザン)重合体[(SiH2NH)n]をキシレン、ジブチルエーテル等に分散して過水素化シラザン重合体溶液を生成し、その過水素化シラザン重合体溶液をスピンコーティング法により、上記半導体基板201の表面に塗布する。スピンコーティング法の条件は、例えば半導体基板201の回転速度1000rpm、回転時間30秒、過水素化シラザン重合体溶液の滴下量2ccであり、狙い塗布膜厚はベーク直後で300nmである。次に塗膜を形成した半導体基板201をホットプレート上で約150℃に加熱し、不活性ガス雰囲気中で約3分間ベークすることにより、過水素化シラザン重合体溶液中の溶媒を揮発させる。この状態では塗膜中には溶媒起因の炭素あるいは炭化水素が不純物として数パーセントから十数パーセント程度残存しており、この状態では過水素化ポリシラザン膜は残留溶媒を含んだ密度の低いシリコン窒化膜に近い状態にある。
上記過水素化ポリシラザン膜を、300℃程度の減圧水蒸気雰囲気中でシリコン基板の酸化量が0.8nmの条件で酸化を行うことにより、ポリシラザン膜208中の窒素が脱離し、酸素が代わりに取り込まれることで、ポリシラザン膜208はシリコン酸化物に転換される。次に、O3−TEOS膜207及びポリシラザン膜208を850℃程度のN2中で約1時間アニールすることにより、O3−TEOS膜207及びポリシラザン膜208を緻密化する。
次に、図11に示すように、CMP技術によりシリコン窒化膜204をストッパとして、ポリシラザン膜208、O3−TEOS膜207、CVDシリコン酸化膜205を研磨して、アイソレーション溝206の内部にのみ残存せしめる。続いてホット燐酸中で上記シリコン窒化膜204を除去する。更に、反応性イオンエッチングによってSTI内のポリシラザン膜208、O3−TEOS膜207を100nm程度エッチバックすることによってSTI領域が形成される。
次に、図12に示すように、電極間絶縁膜(IPD)となるONO膜209を形成する。更にコントロールゲート電極となるPドープ多結晶シリコン膜210を形成し、公知のリソグラフィ技術及びRIE技術によってPドープ多結晶シリコン膜210、ONO膜209、及びPドープ多結晶シリコン膜204を順次加工して、コントロールゲート及びフローティングゲートを形成する。以降の工程では層間絶縁膜(PMD)211,212,213を形成し、配線214,215、コンタクトプラグ216,217の形成を行うことになるが詳細は省略し、図12にデバイスの最終構造のみを示す。
なお、SOG膜単独、あるいはSOGとSTI内面にコンフォーマルに形成されたライナー絶縁膜(シリコン酸化膜乃至はシリコン窒化膜)との埋め込み(例えば特登3178412号公報、特開2001−135718号公報、特開2001−267411号公報、及び特開2005−166700号公報等)の従来例は多々あるが、本実施形態の構造での埋め込みとの相違は以下のようなものである。
ポリシラザン等のSOG膜は、通常20%程度の膜収縮をすることによって強い引っ張り応力を作り出す。そのためSTIをSOG膜単独あるいはSTI内面にコンフォーマルに形成されたライナー絶縁膜とSOG膜とのハイブリッドで埋め込んだ場合、(I)細い孤立のAAがSTIからの引っ張り応力によって曲がったり変形したりする、(II)強い引っ張り応力でシリコン基板に結晶欠陥が発生する、(III)埋め込み材のSOG膜が自らの強い引っ張り応力のために膜剥れを起こす、等の問題があった。また、SOG膜は溶媒起因のCや原料起因のNを含んでおり、(IV)これらの不純物が熱拡散して固定電荷になり、トランジスタ、特にNチャネル型トランジスタのオフリーク電流を増大させるという問題もあった。
これに対し、本実施形態のSTI構造では、(I)AA端部にはO3−TEOS膜が厚く形成されて補強材として働くのでAAの変形を抑制できる、(II)(III)実効的なアイレーション溝の段差が小さくできるのでSOG膜の塗布膜厚を薄くすることができる。そのため、引っ張り応力が抑制できるので結晶欠陥や膜剥れを抑制できる。(IV)SOG膜を薄膜化できるので、SOG膜中の不純物のアニール等による除去が容易になるため、固定電荷の発生が抑制され、トランジスタのオフリーク電流特性も改善する、等の効果が得られる。本実施形態の方法と、SOG膜のみでSTIを埋め込んだ場合(ポリシラザン600nm塗布)のトランジスタ特性の比較表を示す。
上記表1の対比から、本第二の実施形態を採用することによって、固定電荷の影響を受けやすいNチャネル型トランジスタ、結晶欠陥の影響を受けやすいPチャネル型トランジスタのいずれのオフリーク電流も低減できていることがわかる。
[第三の実施形態]
本発明の第三の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図13乃至17により説明する。本実施形態は、部分SOI基板上に形成されたチャージトラップ型フラッシュメモリに適用した例である。本実施形態では、下地選択性の強いO3−TEOS膜でフラッシュメモリのセル部はライナー状に埋め込み、一方周辺回路部の広いSTIはややボトムアップ形状に埋め込み、SOG膜と組み合わせてSTIを完全に埋め込む。上記第二の実施形態でも説明したように、広いSTIの底上げは、SOG膜の塗布膜厚を減らすことで応力及び固定電荷を緩和する効果がある。
本発明の第三の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図13乃至17により説明する。本実施形態は、部分SOI基板上に形成されたチャージトラップ型フラッシュメモリに適用した例である。本実施形態では、下地選択性の強いO3−TEOS膜でフラッシュメモリのセル部はライナー状に埋め込み、一方周辺回路部の広いSTIはややボトムアップ形状に埋め込み、SOG膜と組み合わせてSTIを完全に埋め込む。上記第二の実施形態でも説明したように、広いSTIの底上げは、SOG膜の塗布膜厚を減らすことで応力及び固定電荷を緩和する効果がある。
図13に示すように、部分SOI基板301上にゲート絶縁膜となるシリコン熱酸窒化膜302を4nmの厚さ、チャージトラップ層となるシリコン窒化膜303を10nmの厚さ、チャージリークを抑制する絶縁層となるアルミナ膜304を15nmの厚さ、コントロールゲート電極の一部となるPドープ多結晶シリコン膜305を40nmの厚さ、CMPの研磨ストッパとなるシリコン窒化膜306を60nmの厚さに積層して形成する。次に、基板全面に反応性イオンエッチング(RIE)のマスクとなるCVDシリコン酸化膜307を200nmの厚さに形成し、更にこのシリコン酸化膜307上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布形成する。次に通常のリソグラフィ技術によって上記フォトレジスト膜を加工し、フォトレジスト膜をマスクとしたRIEにより、上記シリコン酸化膜307を加工してハードマスクを形成する。ここで、セル部のSTI幅は例えば25nmである。上記フォトレジスト膜はアッシャー及び硫酸過酸化水素水混合液でのエッチングにより除去する。
上記CVDシリコン酸化膜307のハードマスクを用いたRIEにより、上記シリコン窒化膜306、Pドープ多結晶シリコン膜305、アルミナ膜304、シリコン窒化膜303、シリコン熱酸窒化膜302、及び部分SOI基板301を順次加工して、部分SOI基板301のバルク部分にエッチング深さが220nm程度の溝を形成する。更に希弗酸処理を施してRIE工程での反応生成物の残りを除去する。以上のようにしてSTIとなるアイソレーション溝308を形成する。
次に、図14に示すように、基板全面にO3−TEOS膜309をSi基板上で150nm程度の厚さになるように形成する。この際、O3−TEOS膜の成膜温度は460℃、O3/TEOS比は8である。本成膜条件でもO3−TEOS膜成長は下地依存性を示すが、第一の実施形態に比べて成膜温度が高いため、ボトムアップとコンフォーマル(Conformal)成膜が混じったような形状で成膜が起こる。そのため、CVDシリコン酸化膜307、シリコン窒化膜306、Pドープ多結晶シリコン膜305、アルミナ膜304、及びシリコン窒化膜303上には低い成膜速度でコンフォーマルに近い成膜が起こる。一方、Si部では5倍以上の速い成膜速度で成膜が起こる。そのため、O3−TEOS膜107は広いSTIの底部から選択成長しているかのような形状に形成される。
次に、O3−TEOS膜309で途中まで埋め込まれたアイソレーション溝308上にポリシラザン膜310を埋め込む。ポリシラザン膜の形成条件は第二の実施形態に記載したものと同様であるが、第二の実施形態に比べて本実施形態ではO3−TEOS膜309の形成膜厚が薄いために、ポリシラザンの塗布膜厚は400nm程度である。
また、図15に示すように、比較評価用にO3−TEOS膜309の条件を第一の実施形態の下地選択性のないO3−TEOS膜の条件で形成し、やはりポリシラザン膜で完全にSTIを埋め込んだ試料も作成した。この場合のポリシラザン膜の塗布膜厚は約550nmである。
次に、窒素中において900℃の温度で30分間アニールすることにより、上記ポリシラザン膜310、及びO3−TEOS膜309を緻密化する。次にCMP技術により、シリコン窒化膜306をストッパとして、上記ポリシラザン膜310、O3−TEOS膜309を研磨して、図16に示すようにアイソレーション溝308の内部にのみ残存せしめる。引き続き、反応性イオンエッチングによって、アイソレーション溝308内に残存する埋め込み絶縁膜(ポリシラザン膜310、及びO3−TEOS膜309)を60nm程度エッチバックする。次にホット燐酸中で上記シリコン窒化膜306を除去し、STI領域を形成する。
次に、コントロールゲート電極となるPドープ多結晶シリコン膜311を形成する。上記Pドープ多結晶シリコン膜311の前処理では、Pドープ多結晶シリコン膜305表面の自然酸化膜除去のために弗酸系の薬液による前処理が必須である。本実施形態では、ポリシラザン膜310のウエットエッチングレートがO3−TEOS膜309に比べて速いためにSTI中央がやや落ち込んだ形状になるが、このような形状自体は隣接セル間の容量を減らして、セル間干渉を防ぐのに有効である。
次に、図17に示すように、公知のリソグラフィ技術及びRIE技術によってPドープ多結晶シリコン膜311,305を加工する。更に基板全面にニッケル膜をスパッタで形成し、シリサイデーションアニール(silicidation anneal)後に反応しなかったニッケル膜を硫酸/過酸化水素水混合液でエッチングして除去することによりニッケルシリサイド電極312を形成する。このようにして、コントロールゲート及びチャージトラップ層が形成される。以降の工程では、層間絶縁膜(PMD)313,314,315を形成し、配線316,317及びコンタクトプラグ318,319の形成を行うことになるが詳細は省略し、図17にデバイスの最終構造のみを示す。
本実施形態も第二の実施形態と同様に、通常のコンフォーマルに成膜されるCVD絶縁膜をライナーに用いる場合に比べて、SOG膜の塗布膜厚を薄膜化できる。これにより、SOG膜起因の応力の緩和、応力の緩和による結晶欠陥/膜割れ/膜剥れの抑制、またSOG膜起因の不純物(C、N等)による固定電荷発生を抑制できるという利点がある。
上記表1の対比から、本実施形態の方法によって固定電荷の影響を受けやすいNチャネル型トランジスタ、結晶欠陥の影響を受けやすいPチャネル型トランジスタのいずれのオフリーク電流も低減できていることがわかる。
[第四の実施形態]
本発明の第四の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図18乃至図21により説明する。本実施形態は、バルクシリコン基板を使用するフローティングゲート型のフラッシュメモリであり、STIを下地選択性の強いO3−TEOS膜とSOG膜の一種である過水素化ポリシラザン膜で埋め込む例である。但し、第二の実施形態とは異なり、下地依存性の強いO3−TEOS膜を、第三の実施形態と同様にフラッシュメモリのセル部はライナー状に埋め込み、一方周辺回路部の広いSTIはややボトムアップ形状に埋め込み、SOG膜と組み合わせてSTIを完全に埋め込む例である。
本発明の第四の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図18乃至図21により説明する。本実施形態は、バルクシリコン基板を使用するフローティングゲート型のフラッシュメモリであり、STIを下地選択性の強いO3−TEOS膜とSOG膜の一種である過水素化ポリシラザン膜で埋め込む例である。但し、第二の実施形態とは異なり、下地依存性の強いO3−TEOS膜を、第三の実施形態と同様にフラッシュメモリのセル部はライナー状に埋め込み、一方周辺回路部の広いSTIはややボトムアップ形状に埋め込み、SOG膜と組み合わせてSTIを完全に埋め込む例である。
まず、図18に示すように、半導体基板(シリコン基板)401上にゲート絶縁膜となるシリコン熱酸窒化膜402を8nmの厚さ、フローティングゲートとなるPドープ多結晶シリコン膜403を40nmの厚さ、及びCMPの研磨ストッパとなるシリコン窒化膜404を70nmの厚さに積層して形成する。次に、基板全面に反応性イオンエッチング(RIE)のマスクとなるCVDシリコン酸化膜405を150nmの厚さに形成し、更にこのシリコン酸化膜405上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布形成する。次に通常のリソグラフィ技術によって上記フォトレジスト膜を加工し、フォトレジスト膜をマスクとしたRIEにより、上記シリコン酸化膜405を加工してハードマスクを形成する。上記フォトレジスト膜はアッシャー及び硫酸過酸化水素水混合液でのエッチングにより除去する。ここで、セル部のSTI幅は例えば40nmである。
上記CVDシリコン酸化膜405のハードマスクを用いたRIEにより、上記シリコン窒化膜404、Pドープ多結晶シリコン膜403、シリコン熱酸窒化膜402、及び半導体基板401を順次加工して、半導体基板401にエッチング深さが220nm程度の溝を形成する。更に希弗酸処理でRIE工程での反応生成物の残りを除去する。以上のようにしてSTIとなるアイソレーション溝406が形成される。
次に、図19に示すように、基板全面にO3−TEOS膜407をSi基板上に150nm程度の厚さになるように形成する。ここでは、O3−TEOS膜の成膜温度は450℃、O3/TEOS比は13である。本成膜条件でもO3−TEOS膜成長は下地依存性を示すが成膜温度が高いために、CVDシリコン酸化膜405、シリコン窒化膜404、及びPドープ多結晶シリコン膜403上には比較的コンフォーマル(Conformal)に近い成膜、Si基板上ではO3−TEOS膜407がSTIの底部から選択成長しているかのような形状に形成される。これまでの実施形態同様に、O3−TEOS膜407はハードマスクであるCVDシリコン酸化膜405上には殆ど成長しないので、アイソレーション溝406の段差を低減した状態になっている。
次に、基板全面にポリシラザン膜408を形成し、アイソレーション溝406を埋め込む。ポリシラザン膜の形成方法は第二、第三の実施形態と同様であるので省略する。ここで、ポリシラザン膜厚は400nm程度である。
次に、図20に示すように、CMP技術により、シリコン窒化膜404をストッパとして、ポリシラザン膜408、O3−TEOS膜407、CVDシリコン酸化膜405を研磨して、アイソレーション溝406の内部にのみ残存せしめる。続いてホット燐酸中でシリコン窒化膜404を除去する。更に反応性イオンエッチングによってSTI内のポリシラザン膜408、O3−TEOS膜407を80nm程度エッチバックすることによってSTI領域が形成される。
次に、電極間絶縁膜(IPD)となるONO膜409、コントロールゲート電極となるPドープ多結晶シリコン膜410を形成する。ONO膜409を形成する際の前処理では、弗酸系のウエットエッチングを行うが、ポリシラザン膜のウエットエッチングレートはO3−TEOS膜のウエットエッチングレートよりも速いために、STIは中央が凹んだ形状になる。その上にONO膜409、Pドープ多結晶シリコン膜410を順次形成すると、Pドープ多結晶シリコン膜410の一部がSTI内に埋め込まれた形状になり、隣接セル間を電気的に遮蔽する形状になる。
次に、図21に示すように、公知のリソグラフィ技術及びRIE技術によってPドープ多結晶シリコン膜410、ONO膜409、及びPドープ多結晶シリコン膜404を順次加工して、コントロールゲート及びフローティングゲートを形成する。以降の工程では層間絶縁膜(PMD)411,412,413を形成し、配線414,415、コンタクトプラグ416,417の形成を行うことになるが詳細は省略し、図21にデバイスの最終構造のみを示す。
本実施形態も第三の実施形態と同様に、通常のコンフォーマルに成膜されるCVD絶縁膜をライナーに用いる場合に比べて、SOG膜の塗布膜厚を薄膜化できることにより、SOG膜起因の応力の緩和、応力の緩和による結晶欠陥/膜割れ/膜剥れの抑制、またSOG膜起因の不純物(C、N等)による固定電荷発生を抑制できるという利点がある。これに加えて、ポリシラザン膜408のウエットエッチングレートがO3−TEOS膜407に比べて速いために、STI中央がやや落ち込んだ形状になり隣接セル間の容量結合を減らして、セル間干渉の抑制作用があるという利点もある。
以上、4つの実施形態を示したが、本発明の手法は上記各実施形態に示した組み合わせに限定されることなく、STIの埋め込み方、基板構造、フラッシュメモリの記憶方法等を任意に組み合わせて、同様の効果を実現することが可能である。
上述したように、第一乃至第四の実施形態は、O3−TEOSの成膜条件を低温の下地に対して強い選択性を有する条件を用いることで、STIのアイソレーション溝内に不均一に成膜した第一の絶縁膜を形成し、次に形成する第二の絶縁膜と組み合わせてアイソレーション溝を埋め込むことで、良好な特性のSTIの製造方法、及び良好な素子特性を有するフラッシュメモリを提供できる。しかも、これらの実施形態によって、非常に微細なSTIを形成することが可能になるので、フラッシュメモリの一層の微細化による性能向上が可能になる。
[第五の実施形態]
本発明の第五の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図22乃至図25により説明する。本実施形態は、ゲート絶縁膜先作りのフラッシュメモリに適用した例である。本方式により、フローティングゲート底部がくさび状に酸化されるバーズビーク酸化を抑制しながら、アクティヴエリアの酸化によるスリミングが可能になる。
本発明の第五の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図22乃至図25により説明する。本実施形態は、ゲート絶縁膜先作りのフラッシュメモリに適用した例である。本方式により、フローティングゲート底部がくさび状に酸化されるバーズビーク酸化を抑制しながら、アクティヴエリアの酸化によるスリミングが可能になる。
まず、図23に示すように、半導体基板501上にゲート絶縁膜となるシリコン熱酸窒化膜502を8nmの厚さ、フローティングゲートとなるPドープ多結晶シリコン膜503を60nmの厚さ、及びCMPの研磨ストッパとなるシリコン窒化膜504を60nmの厚さに積層して形成する。次に、基板全面に反応性イオンエッチング(RIE)のマスクとなるCVDシリコン酸化膜505を200nmの厚さに形成し、更にこのシリコン酸化膜505上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布形成する。次に通常のリソグラフィ技術によってフォトレジスト膜を加工し、このフォトレジスト膜をマスクにしたRIEにより、上記シリコン酸化膜505を加工してハードマスクを形成する。ここで、セル部のAA幅、STI幅はそれぞれ共に40nm程度である。上記フォトレジスト膜は、アッシャー及び硫酸過酸化水素水混合液でのエッチングにより除去する。
上記CVDシリコン酸化膜505で形成したハードマスクを用いて、RIEにより上記シリコン窒化膜504、Pドープ多結晶シリコン膜503、シリコン熱酸窒化膜502、及び半導体基板501を順次加工して、深さが220nm程度の溝を形成する。更に希弗酸処理でRIE工程での反応生成物の残りを除去する。以上のようにしてSTIとなるアイソレーション溝506が形成される。
次に、基板全面に第一のO3−TEOS膜507をSi基板上で150nm程度の厚さになるように形成する。ここで、O3−TEOS膜の成膜温度は380℃、O3/TEOS比は9.5である。本成膜条件ではO3−TEOS膜成長は強い下地依存性を示し、CVDシリコン酸化膜505、シリコン窒化膜504、及びPドープ多結晶シリコン膜503上には殆ど成膜が起こらない。そのため、O3−TEOS膜507はSTIの底部から選択成長しているかのような形状に形成される。次に、上記O3−TEOS膜507越しに、水素/酸素混合ガス中において1000℃の温度で酸化を行い、シリコン熱酸化膜508の形成によってアイソレーション溝加工時の欠陥を除去すると共に、アクティヴエリアのスリミングを行う。
このような雰囲気では水素と酸素との反応により水ラジカルが形成される。水ラジカルの酸化特性を図22に示す。本実施形態では、O3−TEOS膜507表面からセル部のアイソレーション溝内面は20nm以上離れているために、酸化時間を増やしても酸化量の増加速度は小さい。このような条件では酸化剤がフローティングゲート底部に拡散してくさび状に酸化するバーズビーク酸化は殆ど起こらず、また酸化量の制御も容易である。本実施形態では、上記水ラジカル酸化により、TP上で18nmの酸化条件で、O3−TEOS膜507越しで約4nm、アクティヴエリアのスリミング量で4nmの酸化を実現した。
次に、図24に示すように、O3−TEOS膜507で途中まで埋め込まれたアイソレーション溝506上に第二のO3−TEOS膜509を形成し、アイソレーション溝506を完全に埋め込む。ここで、O3−TEOS膜の成膜温度は520℃、O3/TEOS比は3である。この条件では、O3−TEOS膜509は、ほぼコンフォーマル(conformal)に成膜されるが、第一のO3−TEOS膜で既に狭いアイソレーション溝はほぼ完全に埋め込まれ、広いアイソレーション溝もテーパ角の緩和された埋め込みやすい形状になっているため、殆どシームやボイドのない埋め込みが可能である。
次に、図25に示すように、窒素中において900℃の温度で30分間アニールすることにより、上記O3−TEOS膜507,509を緻密化する。一般的にO3−TEOS膜の熱処理には水蒸気酸化が必須であり、本実施形態のようなゲート絶縁膜が先に形成されている構造ではO3−TEOS膜の熱処理中に基板501やフローティングゲートとなるPドープ多結晶シリコン膜503が酸化されてしまって、実効的なゲート酸化膜厚が増加してしまい、書き込み電圧の増大/電界集中による信頼性劣化等が問題になる。しかしながら、本実施形態では、2種類のO3−TEOS条件を組み合わせてシーム/ボイドの発生を抑制することで、窒素等の不活性ガスのアニールのみでO3−TEOS膜の緻密化が可能になるため、フラッシュメモリの特性に影響を与えることなく、STI埋め込みが可能になる。
次に、CMP技術により、シリコン窒化膜504をストッパとして、O3−TEOS膜507,509及びCVDシリコン酸化膜505を研磨して、アイソレーション溝506の内部にのみ残存せしめる。
次に反応性イオンエッチングによって、STI高さを調整し、次にホット燐酸中でシリコン窒化膜504を除去し、STI領域を形成する。次に電極間絶縁膜(IPD)となるONO膜510、コントロールゲート電極となるPドープ多結晶シリコン膜511を形成し、公知のリソグラフィ技術及びRIE技術によってPドープ多結晶シリコン膜511、ONO膜510、Pドープ多結晶シリコン膜103を順次加工して、コントロールゲート及びフローティングゲートを形成する。以降の工程では層間絶縁膜(ILD)512,513,514を形成し、配線515,516及びコンタクトプラグ517,518形成を行うことになるが詳細は省略し、図25にデバイスの最終構造のみを示す。
本実施形態のような構成並びに製造方法でも、上記各実施形態と実質的に同様な作用効果が得られる。
なお、本実施形態では、第二の絶縁膜として下地依存性のないO3−TEOS膜を用いたが、第一の絶縁膜である下地依存性の強いO3−TEOS膜埋め込み後に狭STIはほぼ埋め込まれ、広いSTIも第二の絶縁膜が埋め込みやすい順テーパ形状に底上げされるので、アイソレーション溝の残りはHDP−CVDシリコン酸化膜、LPCVDシリコン酸化膜、あるいはSOG膜による埋め込みも可能である。
[第六の実施形態]
本発明の第六の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図26乃至28により説明する。本実施形態はロジックデバイスであり、STIを下地選択性の強いO3−TEOS膜とHDP−CVDシリコン酸化膜で埋め込む例である。
本発明の第六の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図26乃至28により説明する。本実施形態はロジックデバイスであり、STIを下地選択性の強いO3−TEOS膜とHDP−CVDシリコン酸化膜で埋め込む例である。
まず、図26に示すように、半導体基板601上に犠牲酸化膜となるシリコン熱酸化膜602を4nmの厚さに、CMPの研磨ストッパとなるシリコン窒化膜603を100nmの厚さにそれぞれ形成する。次に基板全面に反応性イオンエッチング(RIE)のマスクとなるCVDシリコン酸化膜(図示せず)を形成し、更にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布形成する。次に、通常のリソグラフィ技術によってフォトレジスト膜を加工し、フォトレジスト膜をマスクとしたRIEにより、上記シリコン酸化膜を加工してハードマスクを形成する。上記フォトレジスト膜はアッシャー及び硫酸過酸化水素水混合液でのエッチングにより除去する。ここで、セル部のAA幅、STI幅はそれぞれ例えば50nm、40nmである。
上記CVDシリコン酸化膜604のハードマスクを用いて、RIEにより上記シリコン窒化膜603、シリコン熱酸化膜602、及び半導体基板601を順次加工して、半導体基板601にエッチング深さが300nm程度の溝を形成する。更にウエット処理でCVDシリコン酸化膜及びRIE工程での反応生成物の残りを除去する。以上のようにしてSTIとなるアイソレーション溝604が形成される。本実施形態ではAA幅を50nmと太目に仕上げることで、パターン倒れやパターン跳びが抑制できるという利点がある。
次に、基板全面にO3−TEOS膜605をSi基板上で160nm程度の厚さになるように形成する。ここでは、O3−TEOS膜の成膜温度は410℃、O3/TEOS比は11である。本成膜条件でもO3−TEOS膜成長は強い下地依存性を示し、シリコン窒化膜603、シリコン熱酸化膜602上には殆ど成膜が起こらない。そのため、O3−TEOS膜605はSTIの底部から選択成長とコンフォーマル成長が合成されたかのような形状に形成される。次に上記O3−TEOS膜605越しに、水素/酸素混合ガス中において950℃の温度で酸化を行い、シリコン熱酸化膜606の形成によってアイソレーション溝加工時の欠陥を除去すると共に、アクティヴエリアのスリミングを行う。本実施形態では、上記水ラジカル酸化により、TP上で20nmの酸化条件で、O3−TEOS膜605越しで約6nm、アクティヴエリアのスリミング量で約5nmの酸化を行い、45nmのアクティヴエリア幅を実現した。
次に、図27に示すように、基板全面にHDP−CVDシリコン酸化膜607を形成してアイソレーション溝604を埋め込む。ここで用いるHDP−CVDシリコン酸化膜607の被覆性(coverage)は、下地形状に強く依存するが、強い下地依存性を示すO3−TEOS膜606形成によって、アイソレーション溝604内が順テーパ形状に底上げされているので、HDP−CVDシリコン酸化膜607は比較的容易にボイドレスに埋め込むことができる。
次に、CMP技術により、シリコン窒化膜603をストッパとして、HDP−CVDシリコン酸化膜607、及びO3−TEOS膜605を研磨して、アイソレーション溝604の内部にのみ残存せしめ、更にバッファード弗酸でウエットエッチバックしてSTIの高さを調整する。続いてホット燐酸中でシリコン窒化膜603を除去し、弗酸系のウエットエッチングでシリコン熱酸化膜602を剥離してSTI領域が形成する。
続いて、図28に示すように、ゲート絶縁膜608、ゲート電極609、サイドウォールスペーサ610、及び拡散層611をそれぞれ形成してトランジスタを形成する。以降の工程では層間絶縁膜(PMD/ILD)612,613,614,615,616,617を形成し、配線618,619,620,621,622、コンタクトプラグ623,624,625,626,627の形成を行うことになるが詳細は省略し、図28にデバイスの最終構造のみを示す。
以上、2つの実施形態を示したが、本発明の手法は実施形態に示した組み合わせに限定されることなく、デバイス、STIの埋め込み方、AA酸化方法等を任意に組み合わせても同様の効果が得られる。
本第五及び第六の実施形態によれば、O3−TEOSの成膜条件を低温の下地に対して強い選択性を有する条件を用いることで、STIのアイソレーション溝内にほぼシームレスに成膜した第一の絶縁膜を形成し、次に第一の絶縁膜越しにAA酸化を行うことにより、酸化剤の横方向拡散を抑えてアイソレーショントレンチ最表面のみの酸化を実現できる。続いて第一の絶縁膜上に第二の絶縁膜を形成してアイソレーション溝を埋め込むことで、AA領域を酸化で侵食しないSTIの形成方法を提供できる。また、本実施形態によって、非常に微細なSTIを形成することが可能になるので、フラッシュメモリやロジックデバイスの一層の微細化による性能向上が可能になる。
[第七の実施形態]
本発明の第七の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図29乃至図32により説明する。本実施形態はゲート絶縁膜先作りのフラッシュメモリに適用した例である。
本発明の第七の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図29乃至図32により説明する。本実施形態はゲート絶縁膜先作りのフラッシュメモリに適用した例である。
本発明ではO3−TEOS膜の下地選択性を強めるために、通常用いられるシリコン窒化膜系のCMPストッパの代わりに、多結晶または非晶質のシリコン膜、またはシリコンゲルマニウム膜をCMPのストッパとして用いる。なぜなら、O3−TEOS膜の下地選択性(O3−TEOS膜の成膜は、下地によって反応ガスを供給し始めてから実際に成膜が始まるまでの時間(incubation time)が異なる)は下表3のようになる。
すなわち、多結晶または非晶質のシリコン膜、またはシリコンゲルマニウム膜を用いることで単結晶シリコン基板に対して、CMPストッパ側面への成膜を抑制できるので、結果的にボトムアップ形状に成膜できる。このようなCMPストッパを用いO3−TEOS膜の成膜条件を低温の下地に対して強い選択性を有する条件を用いることで、STIのアイソレーション溝内にほぼシームレスなボトムアップ形状に成膜した第一の絶縁膜を形成できる。続いて第一の絶縁膜上に第二の絶縁膜を形成してアイソレーション溝を埋め込むことで、AA領域を酸化で侵食しないSTIの形成方法を提供できる。また、本実施形態によって、非常に微細なSTIを形成することが可能になるので、フラッシュメモリやロジックデバイスの一層の微細化による性能向上が可能になる。
まず、図29に示すように、半導体基板701上にゲート絶縁膜となるシリコン熱酸窒化膜702を8nmの厚さ、フローティングゲートとなるPドープ多結晶シリコン膜703を60nmの厚さ、Pドープ多結晶シリコン膜703の表面をプラズマ酸化してシリコン熱酸化膜704を10nmの厚さに積層して形成し、更にCMPの研磨ストッパとなる多結晶シリコン膜705を50nmの厚さに形成する。次に基板全面に反応性イオンエッチング(RIE)のマスクとなるCVDシリコン酸化膜(図示せず)を200nmの厚さに形成し、更にこのシリコン酸化膜上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布形成する。
次に通常のリソグラフィ技術によってフォトレジスト膜を加工し、このフォトレジスト膜をマスクとしたRIEにより、上記シリコン酸化膜を加工してハードマスクを形成する。上記フォトレジスト膜は、アッシャー及び硫酸過酸化水素水混合液でのエッチングにより除去する。上記CVDシリコン酸化膜のハードマスクを用いて、RIEにより上記多結晶シリコン膜705、シリコン熱酸化膜704、Pドープ多結晶シリコン膜703、シリコン熱酸窒化膜702、及び半導体基板701を順次加工して、深さが220nm程度の溝を形成する。更に弗酸蒸気処理によってハードマスクのCVDシリコン酸化膜、及びRIE工程での反応生成物の残りを除去する。以上のようにしてSTIとなるアイソレーション溝706が形成される。
次に、図30に示すように、基板全面に第一のO3−TEOS膜707をSi基板上で200nm程度の厚さになるように形成する。ここで、O3−TEOS膜の成膜温度は400℃、O3/TEOS比は9.5である。本成膜条件ではO3−TEOS膜成長は強い下地依存性を示し、多結晶シリコン膜705、シリコン熱酸化膜704、及びPドープ多結晶シリコン膜703上には殆ど成膜が起こらない。そのため、O3−TEOS膜707はSTIの底部から選択成長しているかのようなボトムアップ形状に形成される。
次に、O3−TEOS膜707上に第二のO3−TEOS膜708を形成し、アイソレーション溝706を完全に埋め込む。この際の第二のO3−TEOS膜の成膜温度は540℃、O3/TEOS比は3である。この条件ではO3−TEOS膜708はほぼコンフォーマルに成膜されるが、第一のO3−TEOS膜で既に狭いアイソレーション溝はほぼ完全に埋め込まれ、広いアイソレーション溝もテーパ角の緩和された埋め込みやすい形状になっているため、殆どシームやボイドのない埋め込みが可能である。
次に、窒素中において約850℃の温度で1時間程度アニールすることにより、上記O3−TEOS膜707,708を緻密化する。一般的にO3−TEOS膜の熱処理には水蒸気酸化が必須であり、本実施形態のようなゲート絶縁膜が先に形成されている構造では、O3−TEOS膜の熱処理中に基板701やフローティングゲートとなるPドープ多結晶シリコン膜703が酸化されてしまう。この結果、実効的なゲート酸化膜厚が増加して、書き込み電圧の増大/電界集中による信頼性劣化等が問題になる。
しかしながら、本実施形態では、2種類のO3−TEOS条件を組み合わせ、特に第一のO3−TEOS条件はほぼ完全なボトムアップ形状になりシーム/ボイドの発生が抑制されるので、窒素等の不活性ガスのアニールのみでO3−TEOS膜の緻密化が可能になる。よって、フラッシュメモリの特性に影響を与えることなく、STI埋め込みが可能になった。
次に、CMP技術により、多結晶シリコン膜705をストッパとして、O3−TEOS膜707,708を研磨して、アイソレーション溝706の内部にのみ残存せしめると図31に示した構成となる。
次に、図32に示すように、反応性イオンエッチングによって、STIの高さを調整し、ドライエッチング(CDE)で多結晶シリコン膜705を除去し、STI領域を形成する。次に、弗酸系のウエットエッチングでシリコン熱酸化膜704及びPドープ多結晶シリコン膜703上のシリコン酸化膜を剥離し、次に電極間絶縁膜(IPD)となるONO膜709、コントロールゲート電極となるPドープ多結晶シリコン膜710を形成し、公知のリソグラフィ技術及びRIE技術によってPドープ多結晶シリコン膜710、ONO膜709、Pドープ多結晶シリコン膜703を順次加工して、コントロールゲート及びフローティングゲートを形成する。以降の工程では層間絶縁膜(ILD)711,712,713を形成し、配線714,715及びコンタクトプラグ716,717の形成を行うことになるが詳細は省略し、図32にデバイスの最終構造のみを示す。
本実施形態のような構成並びに製造方法でも、上記各実施形態と実質的に同様な作用効果が得られる。
なお、本実施形態では第二の絶縁膜として下地依存性のないO3−TEOS膜を用いたが、第一の絶縁膜である下地依存性の強いO3−TEOS膜埋め込み後に狭STIはほぼ埋め込まれ、広いSTIも第二の絶縁膜が埋め込みやすい順テーパ形状に底上げされる。よって、アイソレーション溝の残りはHDP−CVDシリコン酸化膜、LPCVDシリコン酸化膜、あるいはSOG膜による埋め込みも可能である。
[第八の実施形態]
本発明の第八の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について図33乃至図35により説明する。本実施形態はロジックデバイスの例であり、STIを下地選択性の強いO3−TEOS膜とHDP−CVDシリコン酸化膜で埋め込む例である。
本発明の第八の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について図33乃至図35により説明する。本実施形態はロジックデバイスの例であり、STIを下地選択性の強いO3−TEOS膜とHDP−CVDシリコン酸化膜で埋め込む例である。
まず、図33に示すように、半導体基板801上に犠牲酸化膜となるシリコン熱酸化膜802を4nmの厚さ、CMPの研磨ストッパとなるPドープ非晶質シリコン膜803を100nm程度の厚さに形成する。次に基板全面に反応性イオンエッチング(RIE)のマスクとなるCVDシリコン酸化膜(図示せず)を形成し、更にこのシリコン酸化膜上にフォトレジスト膜(図示せず)を塗布形成する。次に通常のリソグラフィ技術によってフォトレジスト膜を加工し、このフォトレジスト膜をマスクとしたRIEにより上記シリコン酸化膜を加工してハードマスクを形成する。上記フォトレジスト膜は、アッシャー及び硫酸過酸化水素水混合液でのエッチングにより除去する。上記CVDシリコン酸化膜のハードマスクを用いて、RIEにより上記シリコン窒化膜803、シリコン熱酸化膜802、及び半導体基板801を順次加工して、半導体基板801にエッチング深さが300nm程度の溝を形成する。更にウエット処理でCVDシリコン酸化膜、及びRIE工程での反応生成物の残りを除去する。以上のようにしてSTIとなるアイソレーション溝804が形成される。
次に、基板全面にO3−TEOS膜805をSi基板上で120nm程度の厚さになるように形成する。ここでのO3−TEOS膜の成膜温度は450℃、O3/TEOS比は11である。本成膜条件でもO3−TEOS膜成長は強い下地依存性を示し、シリコン窒化膜803、シリコン熱酸化膜802上には殆ど成膜が起こらない。そのため、O3−TEOS膜805はSTIの底部から選択成長とコンフォーマル成長が合成されたかのような形状に形成される。
次に、図34に示すように、基板全面にHDP−CVDシリコン酸化膜806を形成し、アイソレーション溝804を埋め込む。HDP−CVDシリコン酸化膜806の被覆性は下地形状に強く依存するが、強い下地依存性を示すO3−TEOS膜805の形成によって、アイソレーション溝804内は順テーパ形状に底上げされているので、HDP−CVDシリコン酸化膜806は比較的容易にボイドレスに埋め込むことができる。
次に、CMP技術により、シリコン窒化膜803をストッパとして、HDP−CVDシリコン酸化膜806、O3−TEOS膜805を研磨して、アイソレーション溝804内部にのみ残存せしめ、更にバッファード弗酸でウエットエッチバックしてSTIの高さを調整する。続いてホット燐酸中でシリコン窒化膜803を除去し、弗酸系のウエットエッチングでシリコン熱酸化膜802を剥離してSTI領域が形成された。
続いて、図35に示すように、ゲート絶縁膜807、ゲート電極808、サイドウォールスペーサ809、拡散層810を形成してトランジスタを形成する。以降の工程では層間絶縁膜(PMD/ILD)811,812,813,814,815,816を形成し、配線817,818,819,820,821、コンタクトプラグ822,823,824,825,826の形成を行うことになるが詳細は省略し、図35にデバイスの最終構造のみを示す。
以上、2つの実施形態を示したが、本発明の手法は実施形態に示した組み合わせに限定されることなく、デバイス、CMPストッパ膜の膜種(非晶質、多結晶、ノンドープ、Pドープ、Bドープ、Asドープ、シリコン膜、シリコンゲルマニウム膜)、STIの埋め込み方等を任意に組み合わせても、同様の効果を実現することが可能である。
上述したように、本発明の第一の態様に係るフラッシュメモリの製造方法は、半導体基板上にフラッシュメモリのメモリセルを形成するゲート絶縁膜、電極膜等の積層膜を形成する工程と、反応性イオンエッチングによって上記積層膜を加工し、更にシャロートレンチアイソレーション(STI)となるアイソレーション溝を形成し、基板シリコン表面を露出させる工程と、第一の埋め込み絶縁膜として、成膜時に下地選択性を示すO3−TEOS膜を埋め込む工程と、第二の埋め込み絶縁膜によって上記アイソレーション溝を完全に埋め込むことで、STIの埋め込みを完成する。
更に、本発明の望ましい実施の態様としては、次のものがあげられる。
(a)上記第二の埋め込み絶縁膜は、成膜時に下地選択性を示さないO3−TEOS膜である。
(b)上記第二の埋め込み絶縁膜は、SOG膜である。
また、本発明の第二の態様に係るフラッシュメモリは、シャロートレンチアイソレーションの少なくとも一部が2種類の絶縁膜で埋め込まれており、特にセル部等の狭STIはO3−TEOS膜、周辺回路部の広いSTIは膜厚がSTI底部、特にSTI底部角で厚くなる形状で埋め込まれたO3−TEOS膜とO3−TEOS膜上に形成されたSOG膜とで埋め込まれている。
更に、本発明の第三の態様に係るフラッシュメモリは、シャロートレンチアイソレーションの少なくとも一部が2種類の絶縁膜で埋め込まれており、特にセル部等の狭STIはSTI壁面に形成されたO3−TEOS膜とSTI中央部に埋め込まれたSOG膜とで埋め込まれかつSOG膜上部はO3−TEOS膜上部より低くなっており、また周辺回路部の広いSTIは膜厚がSTI底部、特にSTI底部角で厚くなる形状で埋め込まれたO3−TEOS膜とO3−TEOS膜上に形成されたSOG膜とで埋め込まれている。
上記のような製造方法並びに構成によれば、下記のような効果が得られる。
(1)下地選択性の強い条件でO3−TEOSを基板部のシリコンを露出させたアイソレーション溝上に形成することで殆どシームやボイドを発生させることなくO3−TEOS膜を形成することができる。
(2)下地選択性の強い条件では殆どシームやボイドが発生しないので、O3−TEOS膜のアニールを窒素等の不活性雰囲気中で行うことができるので、基板酸化によるフラッシュメモリ特性への悪影響が発生しない。
(3)下地選択性の強い条件ではO3−TEOS膜を厚く形成することが困難であるが、第二の絶縁膜と組み合わせることで、下地選択性の強い条件でO3−TEOS膜を形成するプロセス時間の短縮をはかることができる。
また、上記(a)の製造方法によれば、下地選択性の強いO3−TEOS膜によってアイソレーション溝形状を埋め込みやすい形状にすることができるので、殆どシームやボイドを発生させることなくO3−TEOS膜を形成することができる。
上記(b)の製造方法によれば、下地選択性の強いO3−TEOS膜は厚膜化すると表面が凸凹になりやすいが、SOG膜と組み合わせることで、殆どシームやボイドを発生させることなくSTIを埋め込める。そのため、O3−TEOS膜を厚膜化してセル部の狭STI部を完全に埋め込むことが可能である。
更に、上記第二、第三の態様のような構成によれば、下記のような効果が得られる。
(4)SOG膜の塗布膜厚を減らすことができるので、膜応力の低減による結晶欠陥抑制、膜割れ抑制、膜剥れ抑制が可能である。
(5)SOG膜の塗布膜厚を減らすことができるので、SOG膜中の不純物による固定電荷、及び固定電荷に起因するトランジスタ特性の悪化を抑制することができる。
(6)STI底部、特にSTI底部角でO3−TEOS膜が厚くなる形状になることで、STI底部角への応力集中を緩和し、AAを補強する効果がある。
上記第三の態様のような構成によれば、セル部のSTI中央が凹んだ形状になり、その凹部の一部にフラッシュメモリのコントロールゲート電極が入るので、隣接セル間の電気的干渉を抑制することができる。
本発明の第四の態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に更にシャロートレンチアイソレーション(STI)となるアイソレーション溝を形成する工程と、基板上に第一の埋め込み絶縁膜として、成膜時に下地選択性を示すO3−TEOS膜を埋め込む工程と、上記第一の絶縁膜越しにアイソレーショントレンチ内面を酸化する工程と、上記第一の絶縁膜上に第二の埋め込み絶縁膜を形成することによって上記アイソレーション溝を完全に埋め込むことでSTIを形成する。
更に、本発明の望ましい実施の態様としては、次のものがあげられる。
(c)上記第二の埋め込み絶縁膜が、成膜時に下地選択性を示さないO3−TEOS膜、HDP−CVDシリコン酸化膜、SOG膜のいずれかである。
(d)上記トレンチ内面を酸化する工程によってアクティヴエリアの加工寸法を制御する。
上記のような製造方法によれば、下記のような効果が得られる。
(7)第一の絶縁膜越しにアイソレーション溝内面を酸化することで、酸化剤の横方向拡散による酸化を抑制することができる。なぜなら、酸化剤は第一の絶縁膜内部を拡散しなければ、アイソレーション溝内面まで到達できないので、更に深く拡散しにくくなるからである。すなわち、ゲート絶縁膜先作りフラッシュメモリの場合フローティングゲートとトンネル酸化膜の間に酸化剤が拡散してトンネル酸化膜厚が増大し、書き込み特性等が劣化することを抑制することができる。
(8)第一の絶縁膜越しにアイソレーション溝内面を酸化することで、酸化剤の横方向拡散による酸化を抑制することができる。なぜなら、酸化剤は第一の絶縁膜内部を拡散しなければ、アイソレーション溝内面まで到達できないので、更に深く拡散しにくくなるからである。すなわち、ロジックデバイス等STI先作りの場合、CMPストッパのシリコン窒化膜と基板との間に酸化剤が拡散し、アクティヴエリアが変形することを抑制することができる。
上記(c)の製造方法によれば、下地選択性の強いO3−TEOS膜によってアイソレーション溝形状内面は埋め込みやすいテーパ形状にすることができるので、従来STI埋め込みに用いられてきた絶縁膜でボイドやシームを殆ど形成することなく埋め込むことが可能になる。
上記(d)の製造方法によれば、第一の絶縁膜越しにアイソレーション溝内面を酸化することで、酸化剤の横方向拡散による酸化を抑制することができるので、アイソレーション溝内最表面のみを酸化することができる。従って、アクティヴエリアの変形、例えばアクティヴエリア上部が丸まったりすることなく、アクティヴエリアを細めることができる。特に40nm以下の微細なデザインのデバイスでは従来のリソグラフィ技術と反応性イオンエッチングで加工する技術では、アクティヴエリアの強度が確保できずにパターン倒れ、パターン跳び等の問題が生じやすいが、本発明の手法では比較的太いアクティヴエリアを第一の絶縁膜で更に補強したあとに、酸化によって細めることができるので、極めて微細なアクティヴエリアの形成が可能になる。
本発明の第5の態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にCMPストッパとなるドープト、またはノンドープトの非晶質、または多結晶のシリコンまたはシリコンゲルマニウム膜を形成する工程と、シャロートレンチアイソレーション(STI)となるアイソレーション溝を形成する工程と、基板上に第一の埋め込み絶縁膜として、成膜時に下地選択性を示すO3−TEOS膜を埋め込む工程と、上記第一の絶縁膜上に第二の埋め込み絶縁膜を形成することによって上記アイソレーション溝を完全に埋め込むことでSTIを形成する。
更に、本発明の望ましい実施の態様としては、次のものがあげられる。
(e)ゲート絶縁膜先作りの半導体装置のゲート電極となる導電体膜上に絶縁膜を介してCMPストッパとなるドープト、またはノンドープトの非晶質、または多結晶のシリコンまたはシリコンゲルマニウム膜を形成する工程を有する。
(f)上記CMPストッパとなるドープト、またはノンドープトの非晶質、または多結晶のシリコンまたはシリコンゲルマニウム膜をドライエッチングによって除去する。
上記のような製造方法によれば、下記のような効果が得られる。
(9)CMPのストッパとして、一般的に用いられているシリコン窒化膜に代えてドープト、またはノンドープトの非晶質、または多結晶のシリコンまたはシリコンゲルマニウム膜を用いることで、O3−TEOS膜の下地選択性を強くすることができるので、成膜初期にはシリコン基板のトレンチにだけ成膜を起こさせ、シリコン基板のトレンチが埋め込まれたあとは完全にボトムアップ形状でほぼシームレス成膜ができるので、STI上部がウエットエッチングに曝されても、STI中央部がエッチングされて陥没し、ゲート電極の短絡不良に至ることがない。
上記(e)の製造方法によれば、フラッシュメモリ等のゲート先作り型デバイスでは、CMPストッパ膜の下が、通常多結晶シリコン膜等の導電体膜になるので、CMPのストッパとして、ドープト、またはノンドープトの非晶質、または多結晶のシリコンまたはシリコンゲルマニウム膜を用いると、CMPストッパの選択剥離が困難になる。これに対して上記導電体膜上にシリコン酸化膜等の絶縁膜を介してCMPストッパ膜を形成することで、CMPストッパ膜の選択剥離が容易になる。
上記(f)の製造方法によれば、CMPのストッパとして、ドープト、またはノンドープトの非晶質、または多結晶のシリコンまたはシリコンゲルマニウム膜を用いると、シリコン窒化膜の熱燐酸中での剥離のようなウエットエッチングによるCMPストッパの選択剥離が困難になる。しかし、反応性イオンエッチングやCDE(Chemical Dry Etching)等のダウンフローエッチングを用いることでCMPストッパのシリコン酸化膜に対する選択剥離が可能になる。もともとドープト、またはノンドープトの非晶質、または多結晶のシリコンまたはシリコンゲルマニウム膜はトランジスタのゲート電極として広く用いられており、シリコン酸化膜に対する高選択ドライエッチングも加工技術として確立されており、高精度のCMPストッパ膜の選択剥離が可能である。
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、良好な特性で且つ信頼性の高い素子分離領域半導体装置及びその製造方法が得られる。
以上、第一乃至第八の実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば各実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも1つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも1つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
101,201,301,401,501,601,701,801…半導体基板、102,202,302,402,502,602,702…シリコン熱酸窒化膜、103,203,110,210,305,311,403,410,503,511,610,703,710,711,810…Pドープ多結晶シリコン膜、104,204,303,306,404,504,603…シリコン窒化膜、508,602,606,704,802,806…シリコン熱酸化膜、105,205,307,405,505…CVDシリコン酸化膜、106,206,308,406,506,604,706,804…アイソレーション溝、107,108,207,309,407,507,509,605,707,708,805…O3−TEOS膜、208,310,408…ポリシラザン膜、109,209,409,510,609,709…ONO膜、312…ニッケルシリサイド電極、111,112,113,211,212,213,313,314,315,411,412,413,512,513,514,612,613,614,615,616,617,711,712,713,811,812,813,814,815,816…層間絶縁膜(PMD)、114,115,214,215,316,317,414,415,515,516,218,219,220,221,222,714,715,817,818,819,820,821…配線、116,117,216,217,318,319,416,417,517,518,223,224,225,226,227,716,717,822,823,824,825,826…コンタクトプラグ、607,806…HDP−CVDシリコン酸化膜、608,807…ゲート酸化膜、609,808…ゲート電極、610,809…サイドウォールスペーサ、611,810…拡散層、705…多結晶シリコン膜、803…Pドープ非晶質シリコン膜。
Claims (5)
- 半導体基板上に、フラッシュメモリのメモリセルにおけるゲート絶縁膜と電極膜を含む積層膜を形成する工程と、
前記積層膜を反応性イオンエッチングによって加工し、素子分離領域を形成するためのアイソレーション溝を形成し、このアイソレーション溝内に前記半導体基板の表面を露出させる工程と、
前記アイソレーション溝内に、第一の埋め込み絶縁膜として、成膜時に下地選択性を示すO3−TEOS膜を形成する工程と、
前記アイソレーション溝を第二の埋め込み絶縁膜によって埋め込むことで、シャロートレンチアイソレーション構造の素子分離領域を形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第二の埋め込み絶縁膜は、成膜時に前記O3−TEOS膜よりも下地選択性が小さいO3−TEOS膜、高密度プラズマCVD法で形成されたシリコン酸化膜、及びSOG膜のいずれかを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート絶縁膜と電極膜を含む積層膜の一部として化学的機械的研磨のストッパとなる多結晶シリコン膜、または非晶質シリコン膜、またはシリコンゲルマニウム膜を形成する工程を更に具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記O3−TEOS膜を形成する工程の後で、且つ前記アイソレーション溝を第二の埋め込み絶縁膜によって埋め込む前に、前記第一の埋め込み絶縁膜越しに前記アイソレーション溝の内面を酸化する工程を更に具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 狭いシャロートレンチアイソレーションで素子分離されたセル部と、
広いシャロートレンチアイソレーションで素子分離された周辺回路部と、
前記セル部における第一のアイソレーション溝に埋め込まれた第一のO3−TEOS膜と、
前記周辺回路部における第二のアイソレーション溝に埋め込まれ、膜厚が前記第二のアイソレーション溝の底部角で厚くなるように埋め込まれた第二のO3−TEOS膜と、
前記第二のアイソレーション溝の前記第二のO3−TEOS膜上に埋め込まれたSOG膜と
を具備することを特徴とする半導体装置。
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