JP2010263104A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に浅溝素子分離(STI:Shallow Trench Isoration)領域にスピン塗布により絶縁膜を形成した半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device in which an insulating film is formed in a shallow trench isolation (STI) region by spin coating and a manufacturing method thereof.
近年、微細化した半導体装置の製造に際して、素子分離として、半導体基板に形成した溝内に絶縁膜を埋め込んだSTIが一般的に用いられている。 In recent years, when manufacturing miniaturized semiconductor devices, STI in which an insulating film is embedded in a groove formed in a semiconductor substrate is generally used as element isolation.
微細化の進展に伴い、STIを形成するための溝のアスペクト比が大きくなるため、通常のCVD法で形成した絶縁膜では、溝内を完全に充填することが困難となる。このため、スピンコート法によって溝内に充填することが可能なポリシラザン等の材料を用いることが提案されている(特許文献1)。 As the miniaturization progresses, the aspect ratio of the trench for forming the STI increases, so that it is difficult to completely fill the trench with an insulating film formed by a normal CVD method. For this reason, it has been proposed to use a material such as polysilazane that can be filled in the groove by spin coating (Patent Document 1).
ポリシラザンはシラザン型重合体とも呼ばれ、−(SiH2−NH)−を基本構造とする高分子材料であり、溶媒(キシレン、ジ−n−ブチルエーテル等)に溶かして利用される。シラザン型重合体には、水素がメトキシ基など他の官能基によって置換された物質も含まれる。また、官能基・修飾基の付加されていない重合体は、ペルヒドロポリシラザンと呼ばれている。 Polysilazane is also called a silazane-type polymer and is a polymer material having a basic structure of-(SiH 2 -NH)-and is used by being dissolved in a solvent (xylene, di-n-butyl ether, etc.). Silazane-type polymers also include substances in which hydrogen is replaced by other functional groups such as methoxy groups. A polymer to which no functional group / modifying group is added is called perhydropolysilazane.
以下、ポリシラザン等のスピンコート法で形成するシリカ系絶縁膜を、シリカ系SOD(Spin On Dielectric)膜と記載する。なお、シリカ系SOD膜はスピンオングラス(Spin On Glass:SOG)とも呼ばれている。本明細書では、スピンコート法で形成したポリシラザン等の前駆体膜を水蒸気等で酸化シリコンに改質した膜をシリカ系SOD膜と呼ぶ。 Hereinafter, a silica-based insulating film formed by a spin coating method such as polysilazane is referred to as a silica-based SOD (Spin On Dielectric) film. The silica-based SOD film is also called spin on glass (SOG). In this specification, a film obtained by modifying a precursor film such as polysilazane formed by spin coating into silicon oxide with water vapor or the like is referred to as a silica-based SOD film.
シリカ系SOD膜を用いてSTIを形成するには、ポリシラザン系溶液等をスピンコート法にて塗布した後に、熱処理を行い、固体の絶縁膜に改質する必要がある。すなわち、高温の水蒸気雰囲気中でポリシラザン膜を加熱処理することにより、塗布したポリシラザン膜中の窒素は水と反応してアンモニアとなり離脱する。これにより、Si−N結合がSi−O結合に置換されて、酸化シリコン(SiO2)を主成分とする膜に改質される。 In order to form an STI using a silica-based SOD film, it is necessary to apply a polysilazane-based solution or the like by a spin coating method and then perform a heat treatment to modify the solid insulating film. That is, by heat-treating the polysilazane film in a high-temperature steam atmosphere, nitrogen in the applied polysilazane film reacts with water and becomes ammonia and is released. Thereby, the Si—N bond is replaced with the Si—O bond, and the film is reformed to a film containing silicon oxide (SiO 2 ) as a main component.
ポリシラザン膜を水蒸気雰囲気で熱処理する際には、酸化のダメージが半導体基板に及ばないように、窒化シリコン(Si3N4)等の耐酸化性を備えた膜(ライナー膜)を溝内壁全面に形成した後、ポリシラザン膜を塗布する方法が提案されている(特許文献2)。 When heat-treating the polysilazane film in a water vapor atmosphere, a film (liner film) having oxidation resistance such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) is applied to the entire groove inner wall so that the oxidation damage does not reach the semiconductor substrate. A method of applying a polysilazane film after the formation is proposed (Patent Document 2).
ここで、スピンコート法で形成するシリカ系SOD膜としては、前駆体として水素化シリコンよりも体積収縮の小さい上記のポリシラザンが好ましいとされているが、それでも体積収縮に伴うクラック等が皆無となるわけではない。そこで、特許文献3,4では、窒化シリコン等のライナー膜上にCVD法によりポリシリコンをさらに積層し、形成される空隙部分にスピンコートによりポリシラザン等の前駆体膜を形成して、水蒸気雰囲気で熱処理することで、ポリシラザンが酸化シリコンに改質されると同時に、ポリシリコンが酸化シリコンに酸化されることで体積膨張し、シリカ系SOD膜の体積収縮に伴うクラックを防止する方法が開示されている。
Here, as a silica-based SOD film formed by spin coating, the above-mentioned polysilazane having a volume shrinkage smaller than that of silicon hydride is preferable as a precursor. However, cracks and the like accompanying the volume shrinkage are still eliminated. Do not mean. Therefore, in
例えば、60nm以下の設計ルールでDRAM素子を形成しようとする場合には、メモリセル部に形成するSTI用の溝の開口幅は設計ルールと同程度であり、アスペクト比は4〜6程度となる。このような微細形状の溝内に窒化シリコンのライナー膜を介してポリシラザン膜を充填し、水蒸気雰囲気中で改質を行おうとすると、表面近傍のポリシラザン膜は十分に改質されて緻密な酸化シリコンとなるが、溝内部のポリシラザン膜では改質が十分に進行しなかった。これは、ライナー膜である窒化シリコンの表面からアンモニア(NH3)の脱ガスが発生し、このアンモニアが、ポリシラザン膜中のSi−N結合がSi−O結合に置換されるのを阻害するためと推測される。 For example, when a DRAM element is to be formed with a design rule of 60 nm or less, the opening width of the STI trench formed in the memory cell portion is about the same as the design rule, and the aspect ratio is about 4-6. . When such a fine groove is filled with a polysilazane film through a silicon nitride liner film and modification is performed in a water vapor atmosphere, the polysilazane film in the vicinity of the surface is sufficiently modified to form dense silicon oxide. However, the modification did not proceed sufficiently in the polysilazane film inside the groove. This is because ammonia (NH 3 ) is degassed from the surface of silicon nitride, which is a liner film, and this ammonia inhibits the substitution of Si—N bonds in the polysilazane film by Si—O bonds. It is guessed.
このように、改質の不十分な絶縁膜は、STI形成のCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理で表面を研磨した後に半導体基板表面に露出してしまうため、その後の湿式エッチングの工程等で大きくえぐれてしまうことがあった。これは、ポリシラザン膜等の改質の際の体積収縮に伴い、膜質が疎になりエッチングレートが大きくなるためと考えられる。このため、段差に起因した配線層の短絡を引き起こす原因となり、製造歩留まりが低下するという問題があった。 As described above, the insufficiently modified insulating film is exposed on the surface of the semiconductor substrate after the surface is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) processing of STI formation. There was a case. This is presumably because the film quality becomes sparse and the etching rate increases with volume shrinkage during modification of the polysilazane film or the like. For this reason, there is a problem that a short circuit of the wiring layer due to the step is caused, and the manufacturing yield is lowered.
特許文献3,4のように、ライナー膜上にポリシリコンを積層した場合、ライナー膜である窒化シリコンの表面からの脱ガスの問題は改善されると予想されるが、上記のように素子の高集積度化がさらに進むと、素子分離領域の溝幅がさらに狭くなり、このような狭い溝内に複数の膜を形成することは溝の開口を狭める、すなわち、アスペクト比をさらに大きくすることとなり、スピンコートによるSOD膜形成が困難となる。一方、開口幅をある程度保持するように、ポリシリコン層を薄く形成した場合、ポリシリコン層が酸化シリコンに変化する際の体積膨張による圧縮効果が少なくなり、シリカ系SOD膜の緻密化が十分に達成されない。また、特許文献4では、窒化シリコンライナー膜の一部をも酸化する程度の高温(900〜1200℃)で水蒸気を含む雰囲気中で熱処理する方法が開示されているが、ライナー膜からの脱ガスが多くなり、ポリシラザンの改質にも影響する。
As in
本発明では、素子分離(STI)を形成する溝の側面に設けた耐酸化性を有するサイドウォール膜と、該サイドウォール膜で囲まれた溝の下部に設けた熱酸化シリコン層と、前記サイドウォール膜で囲まれた溝内のシリコン層の上部を充填されたシリカ系SOD膜とを備えた素子分離を有する半導体装置が提供される。 In the present invention, an oxidation-resistant sidewall film provided on a side surface of a trench forming element isolation (STI), a thermally oxidized silicon layer provided at a lower portion of the trench surrounded by the sidewall film, and the side There is provided a semiconductor device having element isolation comprising a silica-based SOD film filled with an upper part of a silicon layer in a groove surrounded by a wall film.
また、本発明では、サイドウォール膜で囲まれた溝の底部に露出する半導体基板(シリコン基板)表面に選択的エピタキシャル成長によりシリコン層を溝深さの半分まで形成した後、シリカ系SOD前駆体膜を溝の上部に充填し、高温の水蒸気雰囲気中で熱処理することにより、前駆体膜を酸化シリコン膜を主成分とするシリカ系SOD膜に改質すると共に、溝下部のシリコン層の少なくとも一部を酸化シリコンに変化させる方法が提供される。 In the present invention, after a silicon layer is formed to half the groove depth by selective epitaxial growth on the surface of the semiconductor substrate (silicon substrate) exposed at the bottom of the groove surrounded by the sidewall film, the silica-based SOD precursor film The precursor film is modified into a silica-based SOD film mainly composed of a silicon oxide film, and at least a part of the silicon layer below the groove is formed by filling the upper part of the groove with heat treatment in a high-temperature steam atmosphere. There is provided a method for converting the silane to silicon oxide.
シリカ系SOD膜を用いて微細なSTIを形成する際に、溝内を充填したポリシラザン等の前駆体膜を緻密な膜質の酸化シリコンに改質することが可能となる。このため、平坦な構造のSTIを容易に形成することが可能となる。製造歩留まりの低下を防止し、微細な半導体装置の製造を行うことが可能となる。 When forming a fine STI using a silica-based SOD film, it becomes possible to modify the precursor film such as polysilazane filling the trench into a dense film of silicon oxide. For this reason, it is possible to easily form an STI having a flat structure. It is possible to prevent a decrease in manufacturing yield and manufacture a fine semiconductor device.
以下、図面を参照して本発明を実施するための実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更等が加えられても良いものである。 Hereinafter, examples for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited only to these examples, and appropriate modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It may be added.
(実施例1)
図1は、本実施形態に係るSTI形成方法を説明するフローチャートであり、図2〜8は、本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
Example 1
FIG. 1 is a flowchart for explaining an STI formation method according to this embodiment, and FIGS. 2 to 8 are process cross-sectional views for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to an example of the present invention.
まず、半導体基板(シリコン基板)1にSTI用の溝を形成するため、ハードマスクとして熱酸化法で形成した酸化シリコン膜2とCVD法で形成した窒化シリコン膜3を積層し、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて、窒化シリコン膜3と酸化シリコン膜2のパターニングを行い、半導体基板1表面を露出させる開口部(4a)を形成する(図2)。
First, in order to form a trench for STI in a semiconductor substrate (silicon substrate) 1, a
次に、窒化シリコン膜3をマスクとしてシリコンの異方性エッチングを行い、素子分離溝(溝パターン4)を形成する(図1:S1)。溝パターン4の表面に熱酸化法で酸化シリコンの薄膜(図示せず)を形成する(図1:S2)。この熱酸化はエッチングダメージを回復するために行われる。その後、溝パターン4の内部を完全には充填しない膜厚で窒化シリコン膜を、CVD法等の公知の方法で堆積し(図1:S3)、異方性エッチングを行うことで、窒化シリコン膜からなるサイドウォール膜5を形成する(図1:S4)。この時、溝パターン4の底部の半導体基板1表面は露出する(図3)。
Next, anisotropic etching of silicon is performed using the
次に、選択エピタキシャル成長法にて、溝パターン4の底部に露出する半導体基板上にシリコン層6を形成する(図1:S5)。半導体基板1の表面(シリコン)が露出していない部分(溝側面及びハードマスク表面)にはシリコン層は形成されない。シリコン層6の膜厚は、この例では、溝パターン4の深さ(ハードマスク部分を含む)の半分程度となるように調節する(図4)。この結果、例えば、シリコン層形成前のアスペクト比が4〜6の溝パターンは、アスペクト比2〜3の溝パターンとなる。シリコン層の膜厚は、形成すべきSTIのサイズにより一概に限定できないが、100nm以上であることが好ましい。また、膜厚の上限は、シリコン層上部に充填するシリカ系SOD膜が、シリコン層の酸化及びCMP等の平坦化工程を経ても残存する膜厚であればよい。
Next, a
SOD前駆体として、ポリシラザン溶液(より具体的には、ペルヒドロポリシラザンのジ−n−ブチルエーテル溶液)をスピンコート法により塗布し、150℃程度のベークを行うことにより溶媒を揮発させ、溝パターン4の内部を充填すると共に、窒化シリコン膜3の上面を覆うポリシラザン膜を形成する(図1:S6)。塗布したポリシラザン膜は、その後に、400〜600℃程度の温度の水蒸気雰囲気中での酸化処理(スチーム酸化)を行う(図1:S7)。これにより、ポリシラザン膜がシリカ系SOD膜7(酸化シリコン膜)に改質されると共に、シリコン層6も酸化されて、熱酸化シリコン膜8となる。窒化シリコンで形成したサイドウォール膜5は耐酸化性を備えているので、溝パターン4の側面は酸化されない(図5)。なお、本明細書においては、シリコンを熱酸化したものを熱酸化シリコン膜と称し、ポリシラザン等の前駆体を改質して形成した酸化シリコン(シリカ系SOD膜)と区別するものとする。
As a SOD precursor, a polysilazane solution (more specifically, a di-n-butyl ether solution of perhydropolysilazane) is applied by spin coating, and the solvent is volatilized by baking at about 150 ° C. A polysilazane film is formed so as to fill the inside of the
本発明では、溝パターンの下部にシリコン層6を設けたことにより、以下の2つの効果を奏する。
In the present invention, the following two effects can be achieved by providing the
第1に、溝パターン開口4のアスペクト比が低減されるので、シリカ系SOD膜7(ポリシラザン膜)の塗布による開口充填が容易になると共に、SOD前駆体膜の酸化処理による改質が促進される。これは溝内を充填するSOD前駆体膜の膜厚(溝の深さ)が小さくなることに加えて、溝底部には窒化シリコン膜が存在しないので、SOD前駆体膜の改質を阻害するアンモニアの発生が低減されるためである。 First, since the aspect ratio of the groove pattern opening 4 is reduced, the opening filling by the application of the silica-based SOD film 7 (polysilazane film) is facilitated, and the modification of the SOD precursor film by the oxidation treatment is promoted. The This reduces the film thickness (groove depth) of the SOD precursor film that fills the groove, and also prevents the modification of the SOD precursor film because there is no silicon nitride film at the bottom of the groove. This is because the generation of ammonia is reduced.
第2に、シリコン層6が酸化される際に体積が膨張するため、上部に位置するシリカ系SOD膜への圧縮効果が生じる。一般的にSOD前駆体膜をシリカ系SOD膜に改質する際には収縮傾向を示すため、微細な溝部を埋め込んだ場合には、収縮によって疎な膜質となりやすい。本発明では下方からの圧縮効果によって、シリカ系SOD膜が収縮によって疎な膜質となるのを抑制し、緻密な膜質のシリカ系SOD膜(酸化シリコン)へと改質することができる。
Second, since the volume expands when the
その後、公知の方法により半導体基板表面を露出させる。具体的には、図6に示すように、CMP法により、窒化シリコン膜3の上面が露出するまで研磨を行い、表面を平坦化する。次に、図7に示すように、湿式エッチングにより、窒化シリコン膜3、酸化シリコン膜2を除去すると共に、シリカ系SOD膜7の半導体基板1の上面よりも突出している部分を除去する(図1:S8)。これによりSTIによる素子分離が形成される。
Thereafter, the surface of the semiconductor substrate is exposed by a known method. Specifically, as shown in FIG. 6, the surface is planarized by CMP until the upper surface of the
本発明では、ポリシラザン膜が緻密なシリカ系SOD膜7(酸化シリコン)に改質されているので、湿式エッチングの工程に際して、シリカ系SOD膜の除去量の制御が容易となる。従って、シリカ系SOD膜が大きくえぐれてしまうことを防止でき、平坦な素子分離を容易に形成することが可能となる。 In the present invention, since the polysilazane film is modified to a dense silica-based SOD film 7 (silicon oxide), the removal amount of the silica-based SOD film can be easily controlled in the wet etching process. Therefore, it is possible to prevent the silica-based SOD film from being greatly swollen, and it is possible to easily form a flat element isolation.
このようにSTIによる素子分離が形成された半導体基板上には、公知の方法により半導体装置の構成要素であるトランジスタ等を形成することができる。例えば、図8に示すように、熱酸化法により、ゲート絶縁膜10を形成する。多結晶シリコンとタングステン(W)等の金属との積層膜を用いて、ゲート電極11を形成する。イオン注入法にて、砒素(As)またはホウ素(B)等の不純物を半導体基板1に導入し、不純物拡散層12を形成する。不純物拡散層12はMOSトランジスタのソース・ドレイン電極として機能する。この後に、層間絶縁膜、各電極に接続するコンタクトプラグ、上層の配線層等を形成すれば半導体装置が完成する。
A transistor or the like which is a component of the semiconductor device can be formed by a known method on the semiconductor substrate on which element isolation by STI is thus formed. For example, as shown in FIG. 8, the
(変形例)
図5のスチーム酸化処理の工程において、必ずしもシリコン層6をすべて熱酸化シリコン膜8に変化させる必要は無い。図9に示したように、溝パターン4の底部にシリコン層6が残存した構造となってもよい。また、図10に示したように、サイドウォール膜5下の半導体基板1の一部まで酸化が進んだ状態となってもよい。この場合は、サイドウォール膜5で覆われていない半導体基板1も酸化され、熱酸化シリコン膜8となる。
(Modification)
In the steam oxidation process of FIG. 5, it is not always necessary to change the
シリコン層6をどの程度まで酸化するかは、素子分離に必要な能力(隣接素子へのリーク電流の抑制能力)と溝パターンの深さとを考慮して、最適となるように選択すればよい。
The extent to which the
また、シリカ系SOD膜の前駆体としては、スピン塗布等の塗布法により溝に充填でき、高温の水蒸気雰囲気での処理により酸化シリコン膜への改質が可能な材料であれば、ポリシラザン以外の公知の材料でも使用可能である。特に本発明では、溝下部に形成したエピタキシャル成長シリコン層が酸化させる際の圧縮効果が大きいため、ポリシラザンよりも体積収縮の大きい前駆体を用いた場合にも緻密な膜質のシリカ系SOD膜を得ることができる。 Further, as a precursor of the silica-based SOD film, any material other than polysilazane can be used as long as it is a material that can be filled into the groove by a coating method such as spin coating and can be modified into a silicon oxide film by treatment in a high-temperature water vapor atmosphere. Known materials can also be used. In particular, in the present invention, since the compression effect when the epitaxially grown silicon layer formed in the lower portion of the groove is oxidized is large, a silica-based SOD film having a dense film quality can be obtained even when a precursor having a larger volume shrinkage than polysilazane is used. Can do.
サイドウォール膜は耐酸化性(酸素非透過性)を備えた膜であればよく、窒化シリコン膜と他の膜(例えば酸窒化シリコン膜SiON等)との積層膜でもよい。 The sidewall film may be a film having oxidation resistance (oxygen-impermeable), and may be a laminated film of a silicon nitride film and another film (for example, a silicon oxynitride film SiON).
1 半導体基板
2 酸化シリコン膜
3 窒化シリコン膜
4 溝パターン
4a 開口
5 サイドウォール膜
6 シリコン層
7 シリカ系SOD膜
8 熱酸化シリコン膜
10 ゲート絶縁膜
11 ゲート電極
12 不純物拡散層
DESCRIPTION OF
Claims (13)
該素子分離絶縁膜は、
溝の側面に設けた耐酸化性のサイドウォール膜と、
該サイドウォール膜で囲まれた溝の下部に配された、熱酸化法で形成した熱酸化シリコン膜と、
前記サイドウォール膜で囲まれた溝の上部に充填したシリカ系SOD膜と
を備えた半導体装置。 A semiconductor device in which elements are isolated by an element isolation insulating film including a silicon oxide film in a groove formed in a semiconductor substrate,
The element isolation insulating film is
An oxidation-resistant sidewall film provided on the side surface of the groove;
A thermally oxidized silicon film formed by a thermal oxidation method disposed under the groove surrounded by the sidewall film;
A semiconductor device comprising a silica-based SOD film filled in an upper part of a groove surrounded by the sidewall film.
前記溝の側面に耐酸化性のサイドウォール膜を形成する工程、
前記溝の底面に露出する半導体基板上にエピタキシャル成長によりシリコン層を形成する工程、
前記シリコン層上の溝内にシリカ系前駆体膜を充填する工程、
水蒸気雰囲気中で熱処理することにより、前記シリカ系前駆体膜をシリカ系SOD膜に改質すると共に、溝下部のシリコン層の少なくとも一部を熱酸化シリコン膜に変化させる工程、
とを備える半導体装置の製造方法。 Forming a groove for element isolation on the surface of the semiconductor substrate;
Forming an oxidation-resistant sidewall film on the side surface of the groove;
Forming a silicon layer by epitaxial growth on a semiconductor substrate exposed at the bottom of the groove;
Filling a silica-based precursor film in the groove on the silicon layer;
A step of modifying the silica-based precursor film into a silica-based SOD film by performing a heat treatment in a water vapor atmosphere, and changing at least a part of the silicon layer under the groove into a thermally oxidized silicon film;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
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