JP2015043367A

JP2015043367A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2015043367A
Application number: JP2013174462A
Authority: JP
Inventors: 水島　一郎; Ichiro Mizushima; 一郎水島; 啓輔中澤; Hirosuke Nakazawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2015-03-05

Abstract

【課題】実施形態は、低密度でありながら高い強度を持つ絶縁体を溝内に形成することができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、被加工層に複数の溝を形成する工程と、炭素を含む複数のフィラーを溝内に供給する工程と、溝内における複数のフィラー間の隙間に液状の絶縁材料を埋め込む工程と、絶縁材料を硬化させる工程と、炭素を気化させて溝内から除去し、溝内にポーラス構造の絶縁体を形成する工程と、を備えている。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置において、溝内に絶縁体を埋め込んだ構造による絶縁分離法がよく用いられている。溝のアスペクト比が高くなると、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法では絶縁膜を溝内に埋め込むことが難しくなる。

そこで、フィラーを含む溶液を溝内に塗布法により供給した後硬化させて、溝内に絶縁体を埋め込む方法がある。

特開平１１−２３３５０６号公報特開２０１１−１８７４７１号公報

本発明の実施形態は、低密度でありながら高い強度を持つ絶縁体を溝内に形成することができる半導体装置の製造方法を提供する。

実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、被加工層に、複数の溝を形成する工程と、炭素を含む複数のフィラーを、前記溝内に供給する工程と、前記溝内における前記複数のフィラー間の隙間に、液状の絶縁材料を埋め込む工程と、前記絶縁材料を硬化させる工程と、前記炭素を気化させて前記溝内から除去し、前記溝内にポーラス構造の絶縁体を形成する工程と、を備えている。

実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

図１（ａ）〜図５は、実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。

図１（ａ）に示すように、被加工層としての例えばシリコン基板１２は、溝を利用した絶縁分離の対象となる要素を含む。そのような絶縁分離要素として、例えば、電極層、配線層、半導体層、電荷蓄積層などを基板１２は含む。基板１２は、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造によって複数の要素に絶縁分離される。

図１（ｂ）に示すように、基板１２には、複数の溝ｔが形成される。複数の溝ｔは、例えば、図示しないマスクを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法で形成される。

複数の溝ｔは、ストライプ状の平面パターンで形成され、図１（ｂ）において紙面を貫く方向に延びている。複数の溝ｔの形成によって、基板１２にラインアンドスペースパターンが形成される。

溝ｔにおいて、長手方向（紙面を貫く方向）に対して直交する方向の幅をｗとする。その幅ｗは、溝ｔの深さよりも小さい。

次に、溝ｔの内壁に、図２（ａ）に示すように、コンフォーマルにライナー膜１４を形成する。ライナー膜１４は、絶縁膜である。ライナー膜１４は、例えばシリコン酸化膜であり、熱酸化法で形成される。

シリコン酸化膜であるライナー膜１４が、シリコン基板１０の表面及び溝ｔの内壁面を覆って保護している。

次に、図２（ｂ）に示すように、複数のフィラー３１がコロイド粒子として分散された溶液（コロイド溶液）３０を、溝ｔ内に供給する。溶液３０は、例えばスピンコート法により供給される。溝ｔ内は、複数のフィラー３１を含む溶液３０で満たされる。

フィラー３１は、例えば炭素粒子である。あるいは、フィラー３１は炭素を含む有機物であってもよい。フィラー３１のサイズは、溝ｔの幅ｗの二分の一以下である。ここで、フィラー３１のサイズとは、複数のフィラー３１の平均粒径、または粒径分布におけるピーク粒径を表す。フィラー３１のサイズは小さい場合で、概略５ｎｍ程度である。したがって、溝ｔの幅ｗは、最も小さい場合で概略１０ｎｍ程度である。

フィラー３１を分散させている溶媒（分散媒）３２は、例えば、イソプロピルアルコール、エチレングリコールなどの有機溶媒、純水、またはこれらの混合液である。

溶液３０の供給後、加熱処理により溶媒３２を気化させ、溝ｔ内から溶媒３２を除去する（図３（ａ））。

次に、図３（ｂ）に示すように、溝ｔ内に、液状の絶縁材料５０を供給する。液状の絶縁材料５０は、例えばスピンコート法により供給される。絶縁材料５０は、溝ｔ内における複数のフィラー３１間の隙間を埋める。

絶縁材料５０は、例えば、シリコン、窒素および水素を含む。絶縁材料５０は、例えば、-(ＳｉＨ_２ＮＨ)-を基本単位にもつポリシラザンである。

液状の絶縁材料５０を溝ｔ内に供給した後、硬化させる。例えば、窒化性雰囲気中での熱処理により、絶縁材料５０は硬化される。この熱処理により、絶縁材料５０の窒素の一部は脱離し、絶縁材料５０は酸化シリコンを含む絶縁体に転化する。

絶縁材料５０を硬化させた後、溝ｔ上及び被加工層１２上の絶縁材料５０を、図４（ａ）に示すように、エッチバックして除去する。

次に、酸化性雰囲気中での熱酸化処理により、絶縁材料５０の窒素を完全に脱離させ、絶縁材料５０を酸化シリコンを含む絶縁体に転化させるとともに、溝ｔ内に残っているフィラー３１を気化させる。炭素粒子であるフィラー３１は、酸化反応により、炭酸ガスとして気化する。

フィラー３１が気化して溝ｔ内から除去されることで、図４（ｂ）に示すように、溝ｔ内にポーラス構造の絶縁体５０が形成される。フィラー３１が抜けた箇所が空隙４２となる。

次に、ポーラス構造の絶縁体５０の表面（上面）のラフネスを解消するために、絶縁体５０の表面上及び基板１２の表面上に、図５に示すように、ライナー膜１５を形成する。ライナー膜１５は、例えば、シリコン酸化膜であり、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成される。ライナー膜１５の厚さは、例えば、数ｎｍである。

以上説明した工程により、絶縁分離用の溝ｔ内に、複数の空隙４２が形成されたポーラス構造の絶縁体５０が形成される。また、溝ｔの内壁と絶縁体５０との間には、ライナー膜１４としてシリコン酸化膜が形成されている。絶縁体５０は酸化シリコンを主に含む。

酸化シリコンは、絶縁性に優れ、また、窒化シリコンや一般にhigh-k材料と言われている絶縁材料よりも誘電率が低い。

さらに、溝ｔ内には、酸化シリコンよりも誘電率が低い空隙４２が多数形成されている。したがって、溝ｔを挟んで隣り合う絶縁分離要素は、低誘電率の絶縁分離構造によって分離されている。そのため、隣り合う絶縁分離要素間の容量結合を抑え、それら要素間の電気的干渉を抑制できる。

実施形態によれば、溝ｔ内にひとつながりの大きな空隙が形成されるのではなく、液状の絶縁材料が硬化して溝ｔ内に残された絶縁体５０中に複数の空隙４２が散在している。絶縁体５０は、溝ｔの幅方向につながった部分を有する。そのため、実施形態によれば、エアギャップによる低誘電率構造でありながら、高い強度を持つ。

液状の絶縁材料５０の硬化処理（熱酸化処理）によるポリシラザンから酸化シリコンへの転化過程において、絶縁材料５０は体積収縮する。この体積収縮は、溝ｔの周辺の基板１２に応力を与え、クラックを生じさせてしまう原因となり得る。一方、フィラー３１は、気化して脱離するとき、周辺に対してはほとんど応力を与えない。

したがって、溝ｔ内において酸化シリコンとして残る絶縁体５０に対する空隙４２の体積比率（空隙率）は１より大きい方が望ましい。また、誘電率を低くする観点からも、空隙率は１より大きい方が望ましい。そのため、フィラー３１のサイズは、溝ｔの幅ｗの二分の一以下であることが望ましい。

上記実施形態では、フィラー３１自体が炭素粒子あるいは有機物であるとしたが、例えばシリカなどの無機物粒子の表面に有機物が付着したフィラー構造であってもよい。

この場合でも、フィラーを溝ｔ内に供給した後、例えば酸化反応により、シリカの表面に付着した炭素を含む有機物を気化させることで、その有機物が気化して抜けた箇所に空隙が形成され、ポーラス構造の絶縁体を形成することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１２…基板、３１…フィラー、４２…空隙、５０…絶縁材料（絶縁体）、ｔ…溝

Claims

被加工層に、複数の溝を形成する工程と、
炭素を含む複数のフィラーを、前記溝内に供給する工程と、
前記溝内における前記複数のフィラー間の隙間に、液状の絶縁材料を埋め込む工程と、
前記絶縁材料を硬化させる工程と、
前記炭素を気化させて前記溝内から除去し、前記溝内にポーラス構造の絶縁体を形成する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。
前記フィラーは炭素粒子である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記炭素粒子は、酸化反応により、炭酸ガスとして気化する請求項２記載の半導体装置の製造方法。
前記絶縁材料は、シリコン、窒素および水素を含み、
前記絶縁材料は、熱処理により硬化され、
前記熱処理により、前記絶縁材料の前記窒素が脱離して、前記絶縁材料は酸化シリコンを含む絶縁体に転化する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
前記フィラーのサイズが、前記溝の幅の二分の一以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。