JP2011035181A - 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、特にシャロウトレンチ分離(Shllow Trench Isolation:STI) 構造を有する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 having a shallow trench isolation (STI) structure and a manufacturing method thereof.
近年、半導体装置の素子分離には、STI構造が広く用いられている。STI構造は、半導体基板の素子分離領域にトレンチ溝を形成し、形成されたトレンチ溝に素子分離絶縁膜となるシリコン酸化膜等を埋め込むことにより形成される。しかしながら、半導体装置の微細化に伴って、STIの幅が小さくなるため、従来用いられてきたオゾン(O3)−TEOS(Tetra Ethyl Ortho-Silicate)膜又は高密度プラズマ化学気相堆積(HDP−CVD)法によるシリコン酸化膜では、STIの中に空孔(ボイド)又はシームを発生させることなく埋め込むことが困難となってきている。 In recent years, the STI structure has been widely used for element isolation of semiconductor devices. The STI structure is formed by forming a trench groove in an element isolation region of a semiconductor substrate and embedding a silicon oxide film or the like serving as an element isolation insulating film in the formed trench groove. However, as the semiconductor device is miniaturized, the width of the STI is reduced. Therefore, conventionally used ozone (O 3 ) -TEOS (Tetra Ethyl Ortho-Silicate) film or high density plasma chemical vapor deposition (HDP- In a silicon oxide film formed by the CVD method, it has become difficult to embed without generating voids or seams in the STI.
このため、100nm世代以細のSTI構造の形成方法として、塗布型溶液を用いて分離絶縁膜を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献1を参照。) 。 For this reason, a method of forming an isolation insulating film using a coating-type solution has been proposed as a method for forming an STI structure with a generation of 100 nm or less (see, for example, Patent Document 1).
以下、図5(a)〜図5(d)を参照しながら、特許文献1に記載されているSTI構造の形成方法について説明する。 Hereinafter, a method for forming the STI structure described in Patent Document 1 will be described with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (d).
まず、図5(a)に示すように、シリコン等からなる半導体基板200の上面に第1のシリコン酸化膜201及びシリコン窒化膜202を順次堆積する。続いて、リソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング(RIE)法によるドライエッチング技術を用いて、シリコン窒化膜202、第1のシリコン酸化膜201及び半導体基板200を順次加工し、STI素子分離のための複数のトレンチ溝200aを半導体基板200に形成する。続いて、熱酸化法により、各トレンチ溝200aの内面を酸化して、該内面に第2のシリコン酸化膜204をそれぞれ形成する。その後、いわゆるプルバック法を用いてシリコン窒化膜202をエッチングする。
First, as shown in FIG. 5A, a first
次に、図5(b)に示すように、スピンコーティング法により、シリコン窒化膜202を覆い且つトレンチ溝200aが埋まるように、過水素化シラザン重合体((SiH2NH)n)溶液を塗布する。続いて、150℃程度の温度で3分程度のベーキングを行って、溶媒を揮発させて、ポリシラザン(PSZ)膜205を得る。
Next, as shown in FIG. 5B, a perhydrogenated silazane polymer ((SiH 2 NH) n ) solution is applied by spin coating so as to cover the
次に、図5(c)に示すように、化学機械研磨(CMP)法により、シリコン窒化膜202上のPSZ膜205を選択的に除去して、シリコン窒化膜202を露出する。この結果、トレンチ溝200aに、上面のみを露出した状態のPSZ膜205が形成される。続いて、温度が800℃の水蒸気雰囲気で30分程度の酸化を行って、PSZ膜205から第3のシリコン酸化膜205Aを形成する。さらに、第3のシリコン酸化膜205Aに対して、温度が900℃の酸化性雰囲気又は窒素等の不活性ガス雰囲気で30分程度の熱処理を行って、第3のシリコン酸化膜205Aを緻密化する。
Next, as shown in FIG. 5C, the
次に、図5(d)に示すように、シリコン窒化膜202を除去して、所望のSTI構造を得る。
Next, as shown in FIG. 5D, the
しかしながら、前記従来の半導体装置の製造方法は、半導体装置の微細化が進むとSTIの幅寸法が小さくなる。このため、特にPMOS(P-type Metal Oxide Semiconductor)トランジスタとNMOS(N-type Metal Oxide Semiconductor)トランジスタとが互いに隣接する領域においては、PMOSトランジスタのソース又はドレイン(以下、PDと略す。)とNMOSトランジスタのウェル(以下、PWと略す。)との間、及びNMOSトランジスタのソース又はドレイン(以下、NDと略す。)とPMOSトランジスタのウェル(以下、NWと略す。)との間の距離が近くなる。すなわち、図6に示すように、PD−PW間及びND−NW間の耐圧が低下し、リーク電流が増大することによって、半導体装置の動作不良が生じるという問題がある。 However, in the conventional method for manufacturing a semiconductor device, the width dimension of the STI becomes smaller as the semiconductor device becomes finer. Therefore, in particular, in a region where a PMOS (P-type Metal Oxide Semiconductor) transistor and an NMOS (N-type Metal Oxide Semiconductor) transistor are adjacent to each other, the source or drain (hereinafter abbreviated as PD) of the PMOS transistor and the NMOS. The distance between the well of the transistor (hereinafter abbreviated as PW) and the source or drain of the NMOS transistor (hereinafter abbreviated as ND) and the well of the PMOS transistor (hereinafter abbreviated as NW) are close. Become. That is, as shown in FIG. 6, there is a problem that the breakdown voltage between the PD and PW and between the ND and NW decreases, and the leakage current increases, resulting in malfunction of the semiconductor device.
また、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとが互いに隣接する領域においては、PWとNWとの境界がそれらを電気的に分離するSTIの幅の中心位置となるように設計される。しかしながら、製造工程において、PWとNWとを形成するリソグラフィ工程のマスク合わせ時に下地パターンとの合わせずれが発生する。さらに、従来は、STIの埋め込み性を確保するために、トレンチ形状にはトレンチ溝の上部の幅が底部の幅よりも大きくなる順テーパ形状が用いられている。その結果、図7(b)に示すように、より微細化された半導体装置においては、マスクの合わせずれ量XによりPWとNWとの境界がPWとNWとを電気的に分離するSTIの底部から外れやすくなる。すなわち、PD−PW間又はND−NW間の距離が著しく近くなるので、両者間での耐圧の低下を引き起こすという問題がある。 In the region where the PMOS transistor and the NMOS transistor are adjacent to each other, the boundary between the PW and the NW is designed to be the center position of the STI width that electrically separates them. However, in the manufacturing process, misalignment with the underlying pattern occurs during mask alignment in the lithography process for forming PW and NW. Furthermore, in order to ensure the STI burying property, a forward taper shape in which the width of the upper portion of the trench groove is larger than the width of the bottom portion is used as the trench shape. As a result, as shown in FIG. 7B, in the miniaturized semiconductor device, the bottom of the STI in which the boundary between PW and NW is electrically separated from PW and NW by the mask misalignment amount X It becomes easy to come off. That is, since the distance between PD-PW or ND-NW becomes remarkably close, there is a problem that the breakdown voltage between both is reduced.
前記の問題に鑑み、本発明は、トレンチ溝を挟んで隣接する同一の導電型の拡散層同士(例えばMOSトランジスタの場合は、PD−PW又はND−NW)の間の耐圧の低下を防止できるようにすることを目的とする。 In view of the above problems, the present invention can prevent a decrease in breakdown voltage between diffusion layers of the same conductivity type adjacent to each other across a trench (for example, PD-PW or ND-NW in the case of a MOS transistor). The purpose is to do so.
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置を、導電型が互いに異なる素子形成領域に形成される素子分離(STI)の幅を上面よりも底面の方が大きい構成とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor device is configured such that the width of the element isolation (STI) formed in the element formation regions having different conductivity types is larger on the bottom surface than on the top surface.
具体的に、本発明に係る半導体装置は、半導体領域に形成され、第1の導電型を有する第1の素子形成領域と、半導体領域に形成され、第2の導電型を有する第2の素子形成領域と、半導体領域における第1の素子形成領域と第2の素子形成領域との間に形成され、第1の素子形成領域と第2の素子形成領域とを電気的に分離するための絶縁膜が充填された第1のトレンチ溝とを備え、第1のトレンチ溝はその底部の幅が上部の幅よりも大きいことを特徴とする。 Specifically, a semiconductor device according to the present invention includes a first element formation region formed in a semiconductor region and having a first conductivity type, and a second element formed in the semiconductor region and having a second conductivity type. Insulation for electrically separating the first element formation region and the second element formation region formed between the formation region and the first element formation region and the second element formation region in the semiconductor region A first trench groove filled with a film, wherein the first trench groove has a bottom width greater than an upper width.
本発明の半導体装置によると、半導体領域における第1の素子形成領域と第2の素子形成領域との間に形成され且つ絶縁膜が充填された第1のトレンチ溝は、その底部の幅が上部の幅よりも大きい。これにより、例えば第1のトレンチ溝を挟んで隣接する同一の導電型の拡散層同士の間の距離が大きくなるため、同一の導電型の拡散層同士の間の耐圧の低下を防止することができる。 According to the semiconductor device of the present invention, the bottom width of the first trench groove formed between the first element formation region and the second element formation region in the semiconductor region and filled with the insulating film is the upper portion. Greater than the width of Accordingly, for example, the distance between adjacent diffusion layers of the same conductivity type with the first trench groove interposed therebetween is increased, thereby preventing a decrease in breakdown voltage between the diffusion layers of the same conductivity type. it can.
本発明の半導体装置は、第1のトレンチ溝の上部の幅が60nm以下の場合に、特に有用である。 The semiconductor device of the present invention is particularly useful when the width of the upper portion of the first trench is 60 nm or less.
本発明の半導体装置は、半導体領域における第1の素子形成領域又は第2の素子形成領域に形成され、絶縁膜が充填された第2のトレンチ溝とをさらに備え、第1のトレンチ溝の深さは、第2のトレンチ溝の深さよりも深くてもよい。 The semiconductor device of the present invention further includes a second trench groove formed in the first element formation region or the second element formation region in the semiconductor region and filled with an insulating film, and the depth of the first trench groove is The depth may be deeper than the depth of the second trench groove.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体領域における第1の素子形成領域と第2の素子形成領域との間に第1のトレンチ溝を形成する工程(a)と、第1のトレンチ溝の側面に保護絶縁膜を形成する工程(b)と、保護絶縁膜をマスクとして、エッチングにより、第1のトレンチ溝の底部をその深さ方向及び該深さ方向に垂直な方向に拡げる工程(c)と、第1のトレンチ溝を充填するように絶縁膜を形成することにより、第1のトレンチ溝に素子分離膜を形成する工程(d)と、工程(d)よりも後に、第1の素子形成領域に第1導電型の不純物を選択的に注入する工程(e)と、工程(d)よりも後に、第2の素子形成領域に第2導電型の不純物を選択的に注入する工程(f)とを備えていることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of forming a first trench groove between a first element formation region and a second element formation region in a semiconductor region, and the first trench groove. A step (b) of forming a protective insulating film on the side surface, and a step of expanding the bottom of the first trench groove in the depth direction and a direction perpendicular to the depth direction by etching using the protective insulating film as a mask ( c), forming an element isolation film in the first trench groove by forming an insulating film so as to fill the first trench groove, and after the step (d), the first A step (e) of selectively injecting a first conductivity type impurity into the element formation region, and a step of selectively injecting a second conductivity type impurity into the second element formation region after the step (d). And (f).
本発明の半導体装置の製造方法によると、半導体領域における第1の素子形成領域と第2の素子形成領域との間に第1のトレンチ溝を形成し、形成した第1のトレンチ溝の側面に保護絶縁膜を形成する。その後、保護絶縁膜をマスクとして、第1のトレンチ溝の底部をその深さ方向及び該深さ方向に垂直な方向に拡げた後、第1のトレンチ溝を充填するように絶縁膜を形成する。このため、例えば第1のトレンチ溝を挟んで隣接する同一の導電型の拡散層同士の間の距離が大きくなるので、同一の導電型の拡散層同士の間の耐圧の低下を防止することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first trench groove is formed between the first element formation region and the second element formation region in the semiconductor region, and is formed on the side surface of the formed first trench groove. A protective insulating film is formed. Thereafter, using the protective insulating film as a mask, the bottom of the first trench groove is expanded in the depth direction and in a direction perpendicular to the depth direction, and then the insulating film is formed so as to fill the first trench groove. . For this reason, for example, the distance between the diffusion layers of the same conductivity type that are adjacent to each other with the first trench groove interposed therebetween increases, so that it is possible to prevent a decrease in breakdown voltage between the diffusion layers of the same conductivity type. it can.
本発明の半導体装置の製造方法において、工程(c)と工程(d)との間に、半導体領域における第1の素子形成領域又は第2の素子形成領域に第2のトレンチ溝を形成する工程(g)をさらに備え、工程(d)は、絶縁膜を第2のトレンチ溝にも充填することにより、第2のトレンチ溝に素子分離膜を形成する工程を含んでいてもよい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a second trench groove in the first element formation region or the second element formation region in the semiconductor region between step (c) and step (d). (G) may be further provided, and the step (d) may include a step of forming an element isolation film in the second trench groove by filling the second trench groove with an insulating film.
また、本発明の半導体装置の製造方法において、工程(a)は、半導体領域における第1の素子形成領域又は第2の素子形成領域に第2のトレンチ溝を形成する工程を含み、工程(b)は、第2のトレンチ溝の側面及び底面に保護絶縁膜を形成する工程を含み、工程(d)は、絶縁膜を第2のトレンチ溝にも充填することにより、第2のトレンチ溝に素子分離膜を形成する工程を含んでいてもよい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the step (a) includes a step of forming a second trench groove in the first element formation region or the second element formation region in the semiconductor region, and the step (b) ) Includes a step of forming a protective insulating film on the side surface and the bottom surface of the second trench groove, and the step (d) fills the second trench groove by filling the second trench groove with the insulating film. A step of forming an element isolation film may be included.
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(c)において、エッチングには、二フッ化キセノン、三フッ化塩素、三フッ化臭素及びフッ素のうちのいずれかのエッチングガスを用いた等方性ドライエッチングを用いることができる。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in step (c), the etching is isotropic using an etching gas of xenon difluoride, chlorine trifluoride, bromine trifluoride, or fluorine. Dry etching can be used.
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(d)において、絶縁膜は、半導体領域の上に、過水素化シラザン重合体溶液を塗布する工程と、過水素化シラザン重合体溶液を加熱して溶媒を揮発させることにより、ポリシラザン膜を形成する工程と、ポリシラザン膜を酸化する工程とによって形成されてもよい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in the step (d), the insulating film is formed by applying a perhydrogenated silazane polymer solution on the semiconductor region, and heating the perhydrogenated silazane polymer solution. You may form by the process of forming a polysilazane film | membrane and the process of oxidizing a polysilazane film | membrane by volatilizing a solvent.
このようにすると、微細化されたSTIであっても絶縁膜を確実に埋め込むことができる。 In this manner, the insulating film can be reliably embedded even if the STI is miniaturized.
この場合に、ポリシラザン膜を酸化する工程は、ポリシラザン膜を水蒸気雰囲気で400℃の温度で30分間行い、さらに700℃の温度で30分間行う工程であってもよい。 In this case, the step of oxidizing the polysilazane film may be a step of performing the polysilazane film in a water vapor atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 30 minutes, and further performing a process at a temperature of 700 ° C. for 30 minutes.
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、トレンチ溝を挟んで隣接する同一の導電型の拡散層同士の間の耐圧の低下を防止することができる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is possible to prevent the breakdown voltage from decreasing between the diffusion layers of the same conductivity type that are adjacent to each other with the trench groove interposed therebetween.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置について図1を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1に示すように、例えばシリコン(Si)からなる半導体基板(又は半導体領域)100には、PMOS領域A及びNMOS領域Bが形成されており、該PMOS領域A及びNMOS領域Bは、半導体基板100の上部に形成され且つ酸化シリコンを充填された第1のトレンチ溝105により区画されている。
As shown in FIG. 1, a PMOS region A and an NMOS region B are formed in a semiconductor substrate (or semiconductor region) 100 made of, for example, silicon (Si), and the PMOS region A and the NMOS region B are formed on a semiconductor substrate. The
半導体基板100のPMOS領域Aには、N型ウェル(NW)111が形成され、半導体基板100のNMOS領域Bには、P型ウェル(PW)112が形成されている。NW111及びPW112には、第1のトレンチ溝105とそれぞれ間隔をおいた第2のトレンチ107が酸化シリコンを充填されて形成されている。
An N-type well (NW) 111 is formed in the PMOS region A of the
半導体基板100のPMOS領域Aであって、第1のトレンチ溝105と第2のトレンチ溝107との間には、PMOSトランジスタが形成されている。PMOSトランジスタは、半導体基板100の上に順次形成されたゲート絶縁膜113及びゲート電極114を有している。ゲート絶縁膜113及びゲート電極114の両側面上には、TEOSからなる断面L字状の第1のサイドウォール117と該第1のサイドウォール117の外側に形成された窒化シリコンからなる第2のサイドウォール118とがそれぞれ形成されている。NW111の上部のゲート電極114の両側方には、P型エクステンション拡散層115が形成され、NW111の上部の第2のサイドウォール118の両側方には、P型ソースドレイン拡散層119がそれぞれ形成されている。また、ゲート電極114の上部及び各P型ソースドレイン拡散層119の上部には、ニッケルシリサイド等からなる金属シリサイド層121が形成されている。
A PMOS transistor is formed between the
一方、半導体基板100のNMOS領域Bには、第1のトレンチ溝105と第2のトレンチ溝107との間にNMOSトランジスタが形成されている。NMOSトランジスタのPMOSトランジスタとの相違点は、PW112の上部でゲート電極114の両側方にN型エクステンション拡散層116が形成され、また、PW112の上部で第2のサイドウォール118の両側方にN型ソースドレイン拡散層120が形成されている点である。
On the other hand, an NMOS transistor is formed between the
半導体基板100の上には、各ゲート電極114を覆うように、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜122が上面を平坦化されて形成されている。
An interlayer insulating film 122 made of silicon oxide or the like is formed on the
層間絶縁膜122には、各ゲート電極114、P型ソースドレイン拡散層119及びN型ソースドレイン拡散層120の上部にそれぞれ形成された金属シリサイド層121と接続される複数のコンタクトプラグ123が形成されている。層間絶縁膜122の上には、各コンタクトプラグ123と接続される複数の配線124が選択的に形成されている。
In the interlayer insulating film 122, a plurality of contact plugs 123 connected to the
以下、前記のように構成された半導体装置の製造方法について図2(a)〜図2(d)及び図3(a)〜図3(d)を参照しながら説明する。 Hereinafter, a method of manufacturing the semiconductor device configured as described above will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (d) and FIGS. 3 (a) to 3 (d).
まず、図2(a)に示すように、シリコンからなる半導体基板100の主面上に、化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition:CVD)法等により、膜厚が10nm程度の第1のシリコン酸化膜101と、後工程でストッパ膜となる膜厚が120nm程度のシリコン窒化膜102とを順次堆積する。続いて、シリコン窒化膜102の上に、リソグラフィ技術により、トランジスタの各活性領域を区画するための複数の開口部を有する第1のレジストパターン(図示せず)を形成する。このとき、PMOS領域A及びNMOS領域Bが互いに隣接する領域に形成される第1のトレンチ溝の上部の幅が60nmとなるように第1のレジストパターンを形成する。続いて、形成された第1のレジストパターンをマスクとして、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)法によるドライエッチングにより、シリコン窒化膜102をエッチングする。その後、アッシング及び洗浄により、第1のレジストパターンを除去する。
First, as shown in FIG. 2A, a first silicon oxide film having a thickness of about 10 nm is formed on the main surface of a
次に、露出した第1のシリコン酸化膜101を含むシリコン窒化膜102の上に、リソグラフィ技術により、第1のシリコン酸化膜101における第1のトレンチ溝形成部分を開口する第2のレジストパターン(図示せず)を形成する。続いて、形成した第2のレジストパターン及びシリコン窒化膜102をマスクとして、RIE法によるドライエッチングにより、第1のシリコン酸化膜101及び半導体基板100を順次エッチングして、図2(b)に示すように、テーパ角が約90°で且つ深さが約250nmの第1のトレンチ溝105を形成する。その後、アッシング及び洗浄により、第2のレジストパターンを除去する。
Next, on the exposed
次に、減圧CVD法により、第1のトレンチ溝105を含むシリコン窒化膜102の上に、膜厚が5nmのHTO(High Temperature Oxid)膜106を堆積する。その後、図2(c)に示すように、ドライエッチング技術により、HTO膜106をエッチバックして、第1のトレンチ溝105及びシリコン窒化膜102における第2のトレンチ溝形成部分の開口部の壁面にのみHTO膜106を残す。このとき、半導体基板100上の第1のシリコン酸化膜101がエッチバックにより除去されないようにする必要がある。その後、二フッ化キセノン(XeF2)等の反応性ガスを用いて、半導体基板100における第1のトレンチ溝105の底部を約50nmだけ等方性のドライエッチングにより掘り下げる。これにより、第1のトレンチ溝105の底部は、半導体基板100の下方及び側方に拡がる。このとき、エッチングガスであるXeF2は、シリコン(Si)と酸化シリコン(SiO2)との選択比が1000以上であるため、Siからなる第1のトレンチ溝105の底部だけがエッチングされ、HTO膜106はほとんどエッチングされない。その後、ウェットエッチングにより残ったHTO膜106を除去する。
Next, an HTO (High Temperature Oxid)
次に、図2(d)に示すように、リソグラフィ技術により、第1のトレンチ溝105を埋め、且つ第2のトレンチ溝形成部分を開口する第3のレジストパターン(図示せず)を形成する。続いて、形成した第3のレジストパターン及びシリコン窒化膜102をマスクとして、RIE法によるドライエッチングにより、第1のシリコン酸化膜101及び半導体基板100を順次エッチングして、テーパ角が90°以下で且つ深さが約300nmの第2のトレンチ溝107を形成する。その後、アッシング、洗浄及びウェットエッチングにより、第3のレジストパターン及びHTO膜106を除去する。
Next, as shown in FIG. 2D, a third resist pattern (not shown) is formed by lithography to fill the
次に、図3(a)に示すように、例えば温度が1050℃の熱酸化法により、第1のトレンチ溝105及び第2のトレンチ溝107の底面及び壁面上に、膜厚が約10nmの第2のシリコン酸化膜108を形成して、第1のトレンチ溝105及び第2のトレンチ溝107の上部の角部を丸める。その後、スピンコーティング法により、シリコン窒化膜102を覆い、且つ第1のトレンチ溝105及び第2のトレンチ溝107が埋まるように、過水素化シラザン重合体((SiH2NH)n)溶液を塗布する。続いて、温度が150℃で3分間程度のベーキングを行なって溶媒を揮発させ、ポリシラザン(PSZ)膜を形成する。その後、水蒸気雰囲気で、温度が400℃で30分間の酸化、続いて温度が700℃で30分間の酸化を行って、PSZ膜を第3のシリコン酸化膜110に変質させる。
Next, as shown in FIG. 3A, a film thickness of about 10 nm is formed on the bottom and wall surfaces of the
次に、化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)法により、シリコン窒化膜102の上の第3のシリコン酸化膜110を選択的に除去して、シリコン窒化膜102を露出する。続いて、温度が1150℃の窒素雰囲気で30分間の熱処理を行って、第3のシリコン酸化膜110を緻密化する。その後、フッ酸等によりシリコン窒化膜102の表面に形成されるシリコン酸化膜(図示せず)を除去し、続いて、熱リン酸等によりシリコン窒化膜102を除去して、図3(b)に示すSTI構造を得る。
Next, the third
次に、図3(c)に示すように、リソグラフィ技術により、PMOS領域Aを覆う第4のレジストパターン(図示せず)を形成する。続いて、形成した第4のレジストパターンをマスクとして、イオン注入法によりボロン(B)イオンを、例えば加速エネルギーが220KeVでドーズ量が2.2×1013cm−2の注入条件、及び加速エネルギーが80KeVでドーズ量が2.0×1013cm−2の注入条件でイオン注入する。その後、アッシング及び洗浄により、第4のレジストパターンを除去して、NMOS領域BにPW112を形成する。
Next, as shown in FIG. 3C, a fourth resist pattern (not shown) covering the PMOS region A is formed by lithography. Subsequently, using the formed fourth resist pattern as a mask, boron (B) ions are implanted by ion implantation, for example, with an implantation energy of 220 KeV and a dose of 2.2 × 10 13 cm −2 , and acceleration energy Is implanted under the conditions of 80 KeV and a dose of 2.0 × 10 13 cm −2 . Thereafter, the fourth resist pattern is removed by ashing and cleaning, and a
次に、図3(d)に示すように、リソグラフィ技術により、NMOS領域Bを覆う第5のレジストパターン(図示せず)を形成する。続いて、形成した第5のレジストパターンをマスクとして、イオン注入法によりリン(P)イオンを、例えば加速エネルギーが320KeVでドーズ量が3×1013cm−2の注入条件、及び加速エネルギーが210KeVでドーズ量が5.4×1012cm−2の注入条件でイオン注入する。その後、アッシング及び洗浄により、第5のレジストパターンを除去して、PMOS領域AにNW111を形成する。なお、PW112とNW111との形成順序は、特に限られない。
Next, as shown in FIG. 3D, a fifth resist pattern (not shown) covering the NMOS region B is formed by lithography. Subsequently, using the formed fifth resist pattern as a mask, phosphorus (P) ions are implanted by an ion implantation method, for example, with an acceleration energy of 320 KeV and a dose of 3 × 10 13 cm −2 , and an acceleration energy of 210 KeV. Then, ion implantation is performed under an implantation condition of a dose amount of 5.4 × 10 12 cm −2 . Thereafter, the fifth resist pattern is removed by ashing and cleaning, and an
この後は、チャネル領域へのイオン注入、犠牲酸化膜(第1のシリコン酸化膜101)の除去、ゲート絶縁膜113の形成、ゲート電極114の形成、エクステンション拡散層115、116の形成、サイドウォール117、118の形成、ソースドレイン拡散層119、120の形成、金属シリサイド層121の形成、層間絶縁膜122の形成、コンタクトプラグ123の形成及び配線124の形成を行い、さらに、図示しないパッシベーション膜の形成及びパッドの形成等を経て、図1に示す半導体装置が完成する。
After this, ion implantation into the channel region, removal of the sacrificial oxide film (first silicon oxide film 101), formation of the
以上説明したように、第1の実施形態によると、第1のトレンチ溝105及び第2のトレンチ溝107を充填する第3のシリコン酸化膜110の形成に、塗布型溶液((SiH2NH)n溶液)を用いている。このため、各トレンチ溝105、107の幅が小さく、微細なSTI構造であっても、第3のシリコン酸化膜110を各トレンチ溝105、107に空孔(ボイド)又はシームを発生させることなく、確実に埋め込むことができる。
As described above, according to the first embodiment, the formation of the third
その上、第1の実施形態においては、NW111とPW112との境界に形成された第1のトレンチ溝105は、その底部の幅が上部の幅よりも大きくなるように形成されている。このため、NW111及びPW112の各形成時に、下地パターンとの間でマスクの合わせずれが発生したとしても、NW111とPW112との境界が第1のトレンチ溝105の底部から外れることがなくなる。その結果、P型ソースドレイン拡散層119とPW112との間(PD−PW間)又はN型ソースドレイン拡散層120とNW111との間(ND−NW間)の耐圧の低下を防止することができる。
In addition, in the first embodiment, the
第1の実施形態においては、第1のトレンチ溝105の上部の幅を60nmとし、また、第1のトレンチ溝105をRIE法によるドライエッチングで形成したときの溝のテーパ角を90°とし、深さを250nmとし、第1のトレンチ溝105の底部から半導体基板100を等方性ドライエッチングする際のエッチング量を約50nmとしたが、これに限定されない。なお、第1のトレンチ溝105は上部の幅が小さいほど、本実施形態は有用である。また、等方性ドライエッチのエッチング量は、第1のトレンチ溝105の底部の幅が上部の幅よりも大きくなるように決める必要がある。
In the first embodiment, the width of the upper portion of the
また、第1の実施形態において、第1のトレンチ溝105の壁面の保護膜としてHTO膜を用いたが、これに限られない。例えば、シリコン(半導体基板100)をエッチングする際にシリコンと十分な選択比(100以上)が取れれば、TEOS膜等の酸化シリコン系の絶縁膜を用いてもよく、また、窒化シリコン系の絶縁膜を用いてもよい。また、シリコンに対する等方性ドライエッチングガスとして、二フッ化キセノン(XeF2)を用いたが、三フッ化塩素(ClF3)、三フッ化臭素(BrF3)又はフッ素(F2)を用いても同様の効果を得ることができる。また、第1のトレンチ溝105の底部を拡げるエッチングには、ウェットエッチによる等方性エッチングを用いても構わない。
In the first embodiment, the HTO film is used as the protective film for the wall surface of the
また、第1の実施形態においては、第1のトレンチ溝105と第2のトレンチ溝107とが同一の深さとなるように形成したが、各トレンチ溝の深さは異なっていても構わない。なお、第1のトレンチ溝が深くなった方がPD−PW間又はND−NW間の耐圧が向上するので好ましい。
In the first embodiment, the
また、第1の実施形態においては、第1のトレンチ溝105を形成する際に、RIE法によるドライエッチングでテーパ角が90°よりも大きい角度(この場合は、上部の幅よりも底部の幅が広くなる、いわゆる逆テーパ形状)で形成することができれば、図2(c)に示す、第1のトレンチ溝105の底部を拡げる工程は省略しても構わない。
In the first embodiment, when the
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図4(a)〜図4(d)を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a method for fabricating a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (d).
第1の実施形態の製造方法においては、第1のトレンチ溝105と第2のトレンチ溝107とを異なる工程で形成したが、第2の実施形態においては、第1のトレンチ溝105(底部の拡大部は除く)と第2のトレンチ溝107とを同一の工程で形成する。
In the manufacturing method according to the first embodiment, the
まず、図4(a)に示すように、シリコンからなる半導体基板100の主面上に、CVD法等により、膜厚が10nm程度の第1のシリコン酸化膜101と、膜厚が120nm程度でストッパ膜となるシリコン窒化膜102とを順次堆積する。続いて、シリコン窒化膜102の上に、リソグラフィ技術により、トランジスタの各活性領域を区画するための複数の開口部を有する第1のレジストパターン(図示せず)を形成する。このとき、PMOS領域A及びNMOS領域Bが互いに隣接する領域に形成される第1のトレンチ溝の上部の幅が60nmとなるように第1のレジストパターンを形成する。続いて、形成された第1のレジストパターンをマスクとして、RIE法によるドライエッチングにより、シリコン窒化膜102をエッチングする。その後、アッシング及び洗浄により、第1のレジストパターンを除去する。
First, as shown in FIG. 4A, a first
次に、図4(b)に示すように、シリコン窒化膜102をマスクとして、RIE法によるドライエッチングにより、第1のシリコン酸化膜101及び半導体基板100を順次エッチングして、それぞれテーパ角が約90°で且つ深さが約300nmの第1のトレンチ溝105及び第2のトレンチ溝107を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, the first
次に、図4(c)に示すように、減圧CVD法により、第1のトレンチ溝105及び第2のトレンチ溝107を含むシリコン窒化膜102の上に、膜厚が5nmのHTO膜106を堆積する。続いて、リソグラフィ技術により、HTO膜106の上に第1のトレンチ溝105を開口する第2のレジストパターン(図示せず)を形成する。その後、ドライエッチング技術により、HTO膜106をエッチバックすることにより、第1のトレンチ溝105の壁面上にはHTO膜106が残ると共に、第1のトレンチ溝105の底面からは半導体基板100が露出する。その後、アッシング及び洗浄により、第2のレジストパターンを除去する。
Next, as shown in FIG. 4C, an
次に、図4(d)に示すように、XeF2等の反応性ガスを用いて、半導体基板100における第1のトレンチ溝105の底部を約50nmだけ等方性のドライエッチングにより掘り下げる。これにより、第1のトレンチ溝105の底部は、半導体基板100の下方及び側方に拡がる。このとき、エッチングガスであるXeF2は、SiとSiO2との選択比が1000以上であるため、Siからなる第1のトレンチ溝105の底部だけがエッチングされ、HTO膜106はほとんどエッチングされない。その後、ウェットエッチングにより、第1のトレンチ溝105の側面及び第2のトレンチ溝107の側面及び底面に残留するHTO膜207を除去する。
Next, as shown in FIG. 4D, the bottom of the
図4(d)に示す工程以降の工程は、第1の実施形態の製造方法に係る図3(a)〜図3(d)に示す工程と同一であるため、説明を省略する。 Since the steps after the step shown in FIG. 4D are the same as the steps shown in FIGS. 3A to 3D according to the manufacturing method of the first embodiment, the description thereof is omitted.
このように、第2の実施形態によると、第1のトレンチ溝105及び第2のトレンチ溝107を充填するシリコン酸化膜の形成に塗布型溶液((SiH2NH)n溶液)を用いている。このため、各トレンチ溝105、107の幅が小さく、微細なSTI構造であっても、シリコン酸化膜を各トレンチ溝105、107に空孔(ボイド)又はシームを発生させることなく、確実に埋め込むことができる。
Thus, according to the second embodiment, the coating solution ((SiH 2 NH) n solution) is used to form the silicon oxide film filling the
その上、第2の実施形態においては、NW111とPW112との境界に形成された第1のトレンチ溝105は、その底部の幅が上部の幅よりも大きくなるように形成されている。このため、NW111及びPW112の各形成時に、下地パターンとの間でマスクの合わせずれが発生したとしても、NW111とPW112との境界が第1のトレンチ溝105の底部から外れることがなくなる。その結果、例えば、P型ソースドレイン拡散層119とPW112との間(PD−PW間)又はN型ソースドレイン拡散層120とNW111との間(ND−NW間)の耐圧の低下を防止することができる。
In addition, in the second embodiment, the
さらに、第2の実施形態は、第1の実施形態よりも工程数が少なくなるため、製造コストの低減が可能となる。 Furthermore, since the number of steps in the second embodiment is smaller than that in the first embodiment, the manufacturing cost can be reduced.
第2の実施形態においては、第1のトレンチ溝105の上部の幅を60nmとし、また、第1のトレンチ溝105をRIE法によるドライエッチングで形成したときの溝のテーパ角を90°とし、深さを300nmとし、第1のトレンチ溝105の底部から半導体基板100を等方性ドライエッチングする際のエッチング量を約50nmとしたが、これに限定されない。なお、第1のトレンチ溝105は上部の幅が小さいほど、本実施形態は有用である。また、等方性ドライエッチのエッチング量は、第1のトレンチ溝105の底部の幅が上部の幅よりも大きくなるように決める必要がある。
In the second embodiment, the width of the upper portion of the
また、第2の実施形態においても、第1のトレンチ溝105の壁面の保護膜としてHTO膜を用いたが、これに限られない。例えば、シリコン(半導体基板100)をエッチングする際にシリコンと十分な選択比(100以上)が取れれば、TEOS膜等の酸化シリコン系の絶縁膜を用いてもよく、また、窒化シリコン系の絶縁膜を用いてもよい。また、シリコンに対する等方性ドライエッチングガスとして、XeF2を用いたが、ClF3、BrF3又はF2を用いても同様の効果を得ることができる。また、第1のトレンチ溝105の底部を拡げるエッチングには、ウェットエッチによる等方性エッチングを用いても構わない。
Also in the second embodiment, the HTO film is used as the protective film for the wall surface of the
また、第2の実施形態においては、第1のトレンチ溝105及び第2のトレンチ溝107を形成する際に、RIE法によるドライエッチングでテーパ角が90°よりも大きい角度(いわゆる逆テーパ形状)で形成することができれば、図4(c)及び(d)に示す、第1のトレンチ溝105の底部を拡げる工程は省略しても構わない。但し、この逆テーパ形状を用いる場合、第1のトレンチ溝105と第2のトレンチ溝107とが接近して配置されている箇所では、トランジスタの活性領域を構成するシリコンの幅が小さくなって、パターン倒れを起こすおそれがあるため、より微細化された半導体装置においては好ましくはない。
In the second embodiment, when the
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、トレンチ溝を挟んで隣接する同一の導電型の拡散層同士の間の耐圧の低下を防止することができ、特にSTI 構造を有する半導体装置及びその製造方法等に有用である。 The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention can prevent the breakdown voltage between adjacent diffusion layers of the same conductivity type across the trench, and particularly the semiconductor device having the STI structure and the manufacture thereof. Useful for methods and the like.
A PMOS領域
B NMOS領域
100 半導体基板(半導体領域)
101 第1のシリコン酸化膜
102 シリコン窒化膜
105 第1のトレンチ溝
106 HTO膜
107 第2のトレンチ溝
108 第2のシリコン酸化膜
110 第3のシリコン酸化膜
111 N型ウェル(NW)
112 P型ウェル(PW)
113 ゲート絶縁膜
114 ゲート電極
115 P型エクステンション拡散層
116 N型エクステンション拡散層
117 第1のサイドウォール
118 第2のサイドウォール
119 P型ソースドレイン拡散層(PD)
120 N型ソースドレイン拡散層(ND)
121 金属シリサイド層
122 層間絶縁膜
123 コンタクトプラグ
124 配線
A PMOS region
101 First
112 P-type well (PW)
113
120 N-type source / drain diffusion layer (ND)
121 Metal silicide layer 122
Claims (9)
前記半導体領域に形成され、第2の導電型を有する第2の素子形成領域と、
前記半導体領域における前記第1の素子形成領域と前記第2の素子形成領域との間に形成され、前記第1の素子形成領域と前記第2の素子形成領域とを電気的に分離するための絶縁膜が充填された第1のトレンチ溝とを備え、
前記第1のトレンチ溝は、その底部の幅が上部の幅よりも大きいことを特徴とする半導体装置。 A first element formation region formed in the semiconductor region and having a first conductivity type;
A second element formation region formed in the semiconductor region and having a second conductivity type;
Formed between the first element formation region and the second element formation region in the semiconductor region, for electrically separating the first element formation region and the second element formation region A first trench groove filled with an insulating film,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a width of a bottom portion of the first trench groove is larger than a width of an upper portion thereof.
前記第1のトレンチ溝の深さは、前記第2のトレンチ溝の深さよりも深いことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 A second trench groove formed in the first element formation region or the second element formation region in the semiconductor region and filled with the insulating film;
The semiconductor device according to claim 1, wherein a depth of the first trench groove is deeper than a depth of the second trench groove.
前記第1のトレンチ溝の側面に保護絶縁膜を形成する工程(b)と、
前記保護絶縁膜をマスクとして、エッチングにより、前記第1のトレンチ溝の底部をその深さ方向及び該深さ方向に垂直な方向に拡げる工程(c)と、
前記第1のトレンチ溝を充填するように絶縁膜を形成することにより、前記第1のトレンチ溝に素子分離膜を形成する工程(d)と、
前記工程(d)よりも後に、前記第1の素子形成領域に第1導電型の不純物を選択的に注入する工程(e)と、
前記工程(d)よりも後に、前記第2の素子形成領域に第2導電型の不純物を選択的に注入する工程(f)とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step (a) of forming a first trench groove between a first element formation region and a second element formation region in the semiconductor region;
A step (b) of forming a protective insulating film on the side surface of the first trench groove;
(C) expanding the bottom of the first trench groove in the depth direction and in a direction perpendicular to the depth direction by etching using the protective insulating film as a mask;
Forming an isolation film in the first trench groove by forming an insulating film so as to fill the first trench groove (d);
A step (e) of selectively injecting a first conductivity type impurity into the first element formation region after the step (d);
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a step (f) of selectively injecting a second conductivity type impurity into the second element formation region after the step (d).
前記半導体領域における前記第1の素子形成領域又は前記第2の素子形成領域に第2のトレンチ溝を形成する工程(g)をさらに備え、
前記工程(d)は、前記絶縁膜を前記第2のトレンチ溝にも充填することにより、前記第2のトレンチ溝に素子分離膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 Between the step (c) and the step (d),
A step (g) of forming a second trench in the first element formation region or the second element formation region in the semiconductor region;
The step (d) includes a step of forming an element isolation film in the second trench groove by filling the insulating film also in the second trench groove. Semiconductor device manufacturing method.
前記工程(b)は、前記第2のトレンチ溝の側面及び底面に保護絶縁膜を形成する工程を含み、
前記工程(d)は、前記絶縁膜を前記第2のトレンチ溝にも充填することにより、前記第2のトレンチ溝に素子分離膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 The step (a) includes a step of forming a second trench groove in the first element formation region or the second element formation region in the semiconductor region,
The step (b) includes a step of forming a protective insulating film on a side surface and a bottom surface of the second trench groove,
The step (d) includes a step of forming an element isolation film in the second trench groove by filling the insulating film also in the second trench groove. Semiconductor device manufacturing method.
前記半導体領域の上に、過水素化シラザン重合体溶液を塗布する工程と、
過水素化シラザン重合体溶液を加熱して溶媒を揮発させることにより、ポリシラザン膜を形成する工程と、
前記ポリシラザン膜を酸化する工程とによって形成されることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 In the step (d), the insulating film is
Applying a perhydrogenated silazane polymer solution on the semiconductor region;
Forming a polysilazane film by heating the perhydrogenated silazane polymer solution to volatilize the solvent;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the method is formed by oxidizing the polysilazane film.
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WO2013143032A1 (en) * | 2012-03-29 | 2013-10-03 | 中国科学院微电子研究所 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
EP4428910A3 (en) * | 2023-03-09 | 2024-10-16 | INTEL Corporation | Integrated circuit device with backside fin trim isolation |
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2009
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