JP2016018937A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】素子分離領域の形成工程に起因して、半導体装置の製造工程における歩留まりが低下することを防ぐ。【解決手段】窒化シリコン膜N1をハードマスクとして用いて半導体基板SBに開口した溝T2内に、酸化シリコン膜O2を埋め込んだ後、窒化シリコン膜N1上の酸化シリコン膜O2を研磨し、その後、窒化シリコン膜N1の除去工程の前に、ウェットエッチングを行うことで、窒化シリコン膜N1に開口された溝T1内の酸化シリコン膜O2の上面を後退させる。【選択図】図9

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、素子分離領域を有する半導体装置の製造方法に適用して有効な技術に関するものである。
半導体基板の主面において、半導体素子をそれぞれ形成する複数の領域(活性領域)の相互間を電気的に分離するために、半導体基板の主面に設ける素子分離領域の構造として、STI(Shallow Trench Isolation)またはLOCOS(Local Oxidization of Silicon)などが知られている。
特許文献1(特開2000−200878号公報)には、STI構造の素子分離領域の形成方法が記載されている。
特開2000−200878号公報
STI構造の素子分離領域の形成方法としては、半導体基板の上面に開口された溝内に絶縁膜を埋め込んだ後、半導体基板上の余分な当該絶縁膜を研磨して除去する方法が知られている。このとき、研磨量がばらつくことで、半導体基板の主面を覆う当該絶縁膜が除去できずに残ることが考えられる。この場合、その後、基板に接続するために形成するコンタクトプラグが導通しなくなるなどの問題が生じる虞がある。また、当該研磨量のばらつきにより、素子間に耐圧不良が生じる虞がある。
また、形成した素子分離領域の上面に段差が生じた場合、当該段差の凹んだ部分に導電膜などが埋め込まれて残ることで、半導体装置内での短絡または成膜時における形成不良などが起きる虞がある。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
一実施の形態である半導体装置の製造方法は、窒化シリコン膜をハードマスクとして用いて半導体基板に開口した溝内に酸化シリコン膜を埋め込んだ後、窒化シリコン膜上の酸化シリコン膜を研磨し、その後、窒化シリコン膜の除去工程の前に、エッチングを行うことで、窒化シリコン膜に開口された溝内の酸化シリコン膜の上面を後退させるものである。
本願において開示される一実施の形態によれば、半導体装置の製造工程における歩留まりを向上させることができる。
本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図1に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図2に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図3に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図4に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図5に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図6に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図6に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図7に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図8に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図9または図10に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図11に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図12に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図13に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図14に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の一実施の形態の変形例である半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図16に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図17に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図18に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 比較例である半導体装置の製造方法を示す断面図である。 比較例である半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図21に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図22に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図23に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。
以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
本実施の形態の半導体装置の製造方法は、半導体基板の上面の溝内に素子分離領域を形成するための絶縁膜を埋め込んでから、半導体基板上の当該絶縁膜の一部を研磨した後に、ウェットエッチング工程を行うことで素子分離領域形成工程における歩留まりを向上させるものである。
以下に、本実施の形態の半導体装置の製造方法を、図1〜図15を用いて説明する。図1〜図15は、本実施の形態の半導体装置の製造工程を説明するために示す断面図である。
まず、図1に示すように、例えば単結晶シリコンからなる半導体基板SBを準備する。続いて、半導体基板SBの主面上に、例えば熱酸化法などを用いて、絶縁膜である酸化シリコン膜O1を形成した後、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、酸化シリコン膜O1上に絶縁膜である窒化シリコン膜N1を形成する。酸化シリコン膜O1の膜厚は例えば10nmであり、窒化シリコン膜N1の膜厚は例えば170nmである。ここで、窒化シリコン膜N1の膜厚は200nm以上であってもよい。なお、本願でいう膜厚とは、特定の膜の下地の平面に対して垂直な方向における当該膜の長さ(厚さ)をいう。
ここでは窒化シリコン膜N1の下に酸化シリコン膜O1を形成しているが、酸化シリコン膜O1は形成しなくてもよい。
次に、図2に示すように、窒化シリコン膜N1上に、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜PR1のパターンを形成する。ここでは、後の工程で活性領域となる領域をフォトレジスト膜PR1で覆い、後の工程で素子分離領域を形成する不活性領域をフォトレジスト膜PR1から露出させる。
続いて、フォトレジスト膜PR1をマスクとして用い、ドライエッチングを行うことで、窒化シリコン膜N1を開口する。これにより、不活性領域において窒化シリコン膜N1に溝T1を開口する。溝(開口部)T1は窒化シリコン膜N1を貫通し、溝T1の底面において酸化シリコン膜O1が露出している。このとき、溝T1の側壁である窒化シリコン膜N1の側壁にはテーパーがついている。つまり、溝T1は、その底部から上部に向かって開口幅が大きくなる形状を有している。
次に、図3に示すように、フォトレジスト膜PR1を除去した後、窒化シリコン膜N1をハードマスクとして用いてドライエッチングを行うことで、溝T1の下の酸化シリコン膜O1の一部および半導体基板SBの上面の一部を除去する。これにより、半導体基板SBの上面に溝T2を形成する。溝T2は、溝T1の下に開口されており、半導体基板SBの途中深さまで達している。
溝T2の深さ、つまり、半導体基板SBの最上面から、当該最上面に対して垂直な方向における溝T2の底面までの距離は、例えば350nmである。このとき、溝T2の開口幅は、上部(開口部)から底面に近づくにつれて小さくなる。つまり、溝T2の側壁は、溝T1の側壁と同様にテーパーが付いた形状となる。言い換えれば、溝T2の側壁は半導体基板SBの主面に対して斜めに形成されており、平面視において活性領域の上面と溝T2の底面は重ならず、当該側壁は平面視において活性領域の上面と重なっていない。
次に、図4に示すように、例えばCVD法により、半導体基板SBの上面の全面上に、膜厚が600nmの酸化シリコン膜O2を形成(堆積)する。これにより、深さが350nmである溝T2内は、酸化シリコン膜O2により完全に埋め込まれる。溝T2の形成箇所において、半導体基板SBの上面は窪んでいるため、溝T2の中央部の直上に形成された酸化シリコン膜O2の上面には窪みが形成される。このため、溝T2の直上の酸化シリコン膜O2の上面の高さは、半導体基板SBの上面に沿う方向における溝T2の横の領域、つまり活性領域の半導体基板SBの直上の酸化シリコン膜O2の上面の高さよりも低い。酸化シリコン膜O2の材料には、例えばTEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)膜を用いることができる。
特に、溝T2の幅が酸化シリコン膜O2の膜厚の2倍よりも大きい領域、つまり不活性領域の幅が広い領域では、酸化シリコン膜O2の上面のうち、最も低い上面の高さと、活性領域の酸化シリコン膜O2の上面の高さとの間に大きな高低差がある。当該高低差は、溝T2の上記深さとほぼ同等の大きさである。ただし、酸化シリコン膜O2の膜厚は溝T2の深さよりも大きいため、不活性領域の幅が広い領域においても、溝T2内の酸化シリコン膜O2の上面の高さは、活性領域の半導体基板SBの上面よりも高い位置にある。なお、図では酸化シリコン膜O1、O2のそれぞれが互いに接する境界を示さず、酸化シリコン膜O1およびO2が、不活性領域と活性領域との境界において一体となっている構造を示している。
次に、図5に示すように、溝T2の直上の酸化シリコン膜O2の上面をフォトレジスト膜PR2により覆う。フォトレジスト膜PR2は、半導体基板SBの不活性領域を覆い、半導体基板SBの活性領域を露出するパターンである。
続いて、フォトレジスト膜PR2をマスクとして用いてドライエッチングを行うことで、活性領域の酸化シリコン膜O2の上面を後退させる。ここでは、活性領域の窒化シリコン膜N1の上面を露出させず、窒化シリコン膜N1上に酸化シリコン膜O2を残す。このように、活性領域の酸化シリコン膜O2の上面を後退させ、溝T2の直上の酸化シリコン膜O2の上面を後退させなかった理由は、後述する研磨工程(図7または図8参照)により、上記のように幅が広い溝T2内の酸化シリコン膜O2の上面の高さが、過度に低くなることを防ぐことにある。
次に、図6に示すように、フォトレジスト膜PR2を除去する。不活性領域の端部の酸化シリコン膜O2の上面は、活性領域の酸化シリコン膜O2の上面よりも高い位置にある。
次に、図7に示すように、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて酸化シリコン膜O2および窒化シリコン膜N1を研磨することにより、酸化シリコン膜O2および窒化シリコン膜N1のそれぞれの上面を平坦化する。なお、このとき窒化シリコン膜N1を完全には除去しないため、酸化シリコン膜O1は露出しない。つまり、窒化シリコン膜N1の底面より上の領域で研磨を止める。
ここで行う上記研磨は、図7に示すように窒化シリコン膜N1の膜厚の途中で止めることが理想であるが、半導体基板SB上には様々な活性領域または不活性領域のパターンがあり、これらのパターンの疎密により、半導体基板SBの主面の場所により研磨量に差が生じる。したがって、以下に示すように、上記研磨工程による研磨量にはばらつきが生じる。
すなわち、図8に示すように、上記研磨量が比較的小さい場合、窒化シリコン膜N1上の酸化シリコン膜O2が残ることが考えられる。つまり、図7に示すように窒化シリコン膜N1は研磨されず、窒化シリコン膜N1の上面上の酸化シリコン膜O2も完全には除去されない。したがって、図8に示すように、活性領域において窒化シリコン膜N1の上面および側壁は、酸化シリコン膜O2により覆われたままである。
本実施の形態では、上記研磨工程により、図7に示すように窒化シリコン膜N1の一部が研磨された場合、または、図8に示すように窒化シリコン膜N1上に酸化シリコン膜O2が残った場合のいずれの場合であっても、同じ工程数で、所望の形状で素子分離領域を形成することができる。以下では、図7を用いて説明した工程に続く工程を、図9を用いて説明し、図8を用いて説明した工程に続く工程を、図10を用いて説明する。図9および図10のそれぞれを用いて説明する工程は、いずれも酸化シリコン膜O2の一部を除去するウェットエッチング工程であり、それらの工程の違いは、エッチングを行う時間などのエッチング条件のみである。
図7を用いて説明した構造を得た場合には、続いて、図9に示すように、フッ酸(HF)を用いたウェットエッチングを行うことで、溝T1内において露出する酸化シリコン膜O2の一部を選択的に除去する。つまり、窒化シリコン膜N1は除去しない。すなわち、ここでは窒化シリコン膜N1に対して酸化シリコン膜O2の選択比が大きいウェットエッチング行う。
これにより、溝T1内の酸化シリコン膜O2の上面を後退させることで、酸化シリコン膜O2に覆われていた溝T1の側壁である窒化シリコン膜N1の側壁を露出させる。ここではエッチング時間を調整することで、酸化シリコン膜O2の上面の高さが、窒化シリコン膜N1の下面の高さよりも低くならないようにエッチング量を制御する。つまり、窒化シリコン膜N1の下面よりも上の酸化シリコン膜O2の一部を除去し、窒化シリコン膜N1の下面よりも下の酸化シリコン膜O2は除去しない。例えば、酸化シリコン膜O2の上面を、窒化シリコン膜N1の底面よりも3nm高い位置まで後退させる。
また、図8を用いて説明した構造を得た場合には、続いて、図10に示すように、フッ酸(HF)を用いたウェットエッチングを行うことで、窒化シリコン膜N1上の酸化シリコン膜O2と、溝T1内の酸化シリコン膜O2の一部とを選択的に除去する。つまり、窒化シリコン膜N1は除去しない。すなわち、ここでは窒化シリコン膜N1に対して酸化シリコン膜O2の選択比が大きいウェットエッチング行う。
これにより、窒化シリコン膜N1の上面を露出させる。また、このエッチング工程により、溝T1内の酸化シリコン膜O2の上面を後退させることで、酸化シリコン膜O2に覆われていた溝T1の側壁である窒化シリコン膜N1の側壁を露出させる。ここでは、図9を用いて説明した構成と同様に、酸化シリコン膜O2の上面の高さが、窒化シリコン膜N1の下面の高さよりも低くならないようにエッチング量を制御する。例えば、酸化シリコン膜O2の上面を、窒化シリコン膜N1の底面よりも3nm高い位置まで後退させる。
図9と図10とのそれぞれに示す構造の違いは、窒化シリコン膜N1の膜厚の差のみである。図9に示す構造では、図7を用いて説明した研磨工程において窒化シリコン膜N1の上部が研磨されている分、窒化シリコン膜N1の膜厚が薄くなっている。図9または図10を用いて説明した工程において行うウェットエッチングでは、酸化シリコン膜O2の上面を所望の高さまで精度よく後退させることができる。これは、図7または図8を用いて説明した研磨工程により残った酸化シリコン膜O2の膜厚を検査することで、酸化シリコン膜O2の上面を所望の高さまで後退させるために必要なウェットエッチングの時間を調整することができるためである。
次に、図9または図10に示した構造を得た後に、図11に示すように、窒化シリコン膜N1を、例えば熱リン酸溶液を用いたウェットエッチングにより除去する。つまり、ここでは酸化シリコン膜O1、O2に対して窒化シリコン膜N1の選択比が大きいウェットエッチング行う。これにより、活性領域における酸化シリコン膜O1の上面が露出する。なお、酸化シリコン膜O1が形成されていない場合には、上記工程により活性領域の半導体基板SBの上面が露出する。
この工程では、溝T1(図9または図10参照)内の酸化シリコン膜O2の上面も少し除去されるため、溝T2の直上、つまり不活性領域における酸化シリコン膜O2の上面の高さと、活性領域における酸化シリコン膜O1の上面の高さとの高低差は、3nmよりも小さくなる。つまり、酸化シリコン膜O1と酸化シリコン膜O2との境界において、それらの絶縁膜の上面における凹凸は殆どなくなる。
ただし、不活性領域における酸化シリコン膜O2の上面は、活性領域における酸化シリコン膜O1の上面よりも高い位置にある。酸化シリコン膜O1が形成されてない場合であっても、不活性領域における酸化シリコン膜O2の上面は、半導体基板SBの上面よりも高い領域に位置している。以上の工程により、溝T2に埋め込まれた酸化シリコン膜O2からなる素子分離領域STIを形成する。
次に、図12に示すように、活性領域の半導体基板SBの上面に、イオン注入法などを用いて不純物を打ち込む。ここでは、例えばP型の不純物(例えばB(ホウ素))を打ち込むことで、半導体基板SBの上面にPウエルWLを形成する。PウエルWLは、半導体基板SB内において、素子分離領域STIよりも深い位置まで形成される。また、ここでは半導体基板SB上に形成した酸化シリコン膜(図示しない)などを加工するために、ドライエッチングまたはウェットエッチングを行ってもよい。
これらのイオン注入工程またはエッチング工程などを行うことにより、図12に示すように、素子分離領域STIの上面が一部除去されて後退する。つまり、イオン注入工程またはエッチング工程を行うことで、素子分離領域STIの表面はウェットエッチングされる。また、これらのイオン注入工程またはエッチング工程を行う際にフォトレジスト膜を用いる場合、当該フォトレジスト膜を除去する工程においても、素子分離領域STIの上面がウェットエッチングされるため、後退する。また、上記エッチング工程などを行った後に半導体基板SBを洗浄する際にも、素子分離領域STIの上面がウェットエッチングされるため、後退する。
これにより、酸化シリコン膜O2の上面が後退する。ここでは、酸化シリコン膜O2の上面の高さは、溝T2の側壁の近傍を除いて、半導体基板SBの上面の高さよりも低くなっている。なお、ここでは酸化シリコン膜O1は除去されて半導体基板SBの上面が露出していてもよいが、図では酸化シリコン膜O1が残る場合の構成を示している。
素子分離領域STIの上面の中央部を第1領域とし、素子分離領域STIの上面の当該中央部を挟む端部を第2領域とした場合、素子分離領域STIの上面は第1領域よりも第2領域の方が高くなっていることが考えられる。ただし、逆に、素子分離領域STIの上面は、第2領域よりも第1領域の方が高くなっていることも考えられる。
つまり、素子分離領域STIの上面には、当該上面に沿って互いに並ぶ第1領域と第2領域とが存在し、第1領域よりも第2領域の方が、溝T2の側壁の近くに位置している。本実施の形態では、第2領域よりも第1領域の方が素子分離領域STIの上面の高さが高い場合、第1領域における素子分離領域STIの上面の高さと、第2領域の素子分離領域STIの上面の高さとの差は5nm以下である。
次に、図13に示すように、素子分離領域STI上および半導体基板SB上に、例えばCVD法を用いてポリシリコン膜PSを形成する。ポリシリコン膜は素子分離領域STIおよび半導体基板SBのそれぞれの上面を覆って形成される。
次に、図14に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法を用いて、ポリシリコン膜PSを加工する。これにより、素子分離領域STIの上面と、半導体基板SBの上面の一部とをポリシリコン膜PSから露出させる。パターニングされたポリシリコン膜PSは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート電極を構成する。なお、ポリシリコン膜PSは容量素子の電極などとして用いてもよい。
次に、図15に示すように、ポリシリコン膜PSの側壁を覆う絶縁膜からなるサイドウォールSWを自己整合的に形成する。その後、素子分離領域STI、ポリシリコン膜PSおよびサイドウォールSWから露出する半導体基板SBの上面に高濃度のN型の不純物(例えばP(リン)またはAs(ヒ素))をイオン注入法などにより導入することで、ポリシリコン膜PSの横の半導体基板SBの上面に拡散層DFを形成する。拡散層DFは、例えばMOSFETのソース・ドレイン領域を構成する半導体領域である。その後、拡散層DFの上面およびポリシリコン膜PSの上面のそれぞれにシリサイド層(図示しない)を形成する。これにより、半導体素子であるMOSFETを形成する。
続いて、ポリシリコン膜PS、素子分離領域STIおよび半導体基板SBの上面を覆うように、半導体基板SB上にCVD法などを用いて層間絶縁膜CLを形成する。層間絶縁膜CLは例えば酸化シリコン膜からなる。その後、層間絶縁膜CLおよび酸化シリコン膜O1を貫通するコンタクトホールを形成した後、コンタクトホールを埋め込むコンタクトプラグを形成する。コンタクトプラグは、例えば主にW(タングステン)からなり、半導体基板SBの上面にシリサイド層(図示しない)を介して、半導体基板SBの上面の拡散層DFに電気的に接続されている。その後は層間絶縁膜CL上に配線層を形成した後、半導体基板SBをダイシングすることで個片化し、これにより複数の半導体チップを得る。
以上により、素子分離領域STIを有する本実施の形態の半導体装置が完成する。
以下では、図20〜図21に示す比較例を用いて、本実施の形態の半導体装置の製造方法の効果について説明する。図20〜図21は、比較例である半導体装置の製造方法を示す断面図である。ここでは、第1、第2および第3の比較例について説明する。第1〜第3の比較例のいずれの製造工程も、図9または図10を用いて説明したウェットエッチング工程を行わない点で、本実施の形態の半導体装置の製造工程と異なる。つまり、図7または図8を用いて説明した研磨工程の後は、続いて図11を用いて説明した窒化シリコン膜N1の除去工程を行う。
第1の比較例の半導体装置の製造工程では、まず、図1〜図6を用いて説明した工程を行ったのち、図8を用いて説明した研磨工程を行う。
図8に示すように、研磨量が少なく、窒化シリコン膜N1が酸化シリコン膜O2により覆われた場合には、その後に続いて窒化シリコン膜N1の除去工程(図11参照)を行おうとした際に、窒化シリコン膜N1が除去できなくなる。つまり、窒化シリコン膜N1は酸化シリコン膜O2により覆われているため、窒化シリコン膜N1をウェットエッチング法により除去するために薬液を用いても、窒化シリコン膜N1は薬液に晒されない。
したがって、図8を用いて説明したように、研磨工程における研磨量が不足した場合は、窒化シリコン膜N1を除去することができない。この場合、後述するように、半導体基板SBに電気的に接続する目的でコンタクトプラグ(図15参照)を形成しても、コンタクトプラグが窒化シリコン膜を貫通せず、コンタクトプラグと半導体基板SBとの間で導通不良が起こる。また、半導体基板SB上に半導体素子が形成できない問題が生じる。
このため、窒化シリコン膜N1が除去されずに残った半導体基板、つまり半導体ウエハは廃棄されるか、または、上述した半導体装置の製造工程を最後まで行って半導体チップを複数形成した後、上記のように窒化シリコン膜N1が残った領域を含む半導体チップを廃棄する。これらの場合、半導体装置の製造工程における歩留まりが低下し、半導体装置の製造コストが増大する問題がある。
図8に示すように研磨量が不足することを回避するため、第2の比較例として、CMP法などによる研磨時間を延長するなどして研磨量を増やすことが考えられる。しかし、これにより過度に研磨が行われた場合、第2の比較例として図20に示すように、窒化シリコン膜N1(図6参照)が全て除去され、さらに窒化シリコン膜N1の下の酸化シリコン膜O1(図6参照)、半導体基板SBの上面および溝T2内の酸化シリコン膜O2の上面まで研磨されることが考えられる。
図20に示すように研磨量が過度に大きい場合、半導体基板SBの上面が後退して溝T2の深さ、つまり酸化シリコン膜O2からなる素子分離領域STIの膜厚が小さくなる。この場合、その後に行う工程、つまり図11〜図15を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで半導体素子を形成しても、素子分離領域STIが電気的な素子分離のために必要な深さを有していないため、複数の素子間における耐圧が保てなくなる虞がある。
また、図20に示すように研磨量が過度に大きい場合、当該研磨工程の後に行われる、図12を用いて説明したエッチング工程またはイオン注入工程などにより、酸化シリコン膜O2の上面が後退して溝T2の側壁が露出することが考えられる。この場合、素子分離領域STIを跨ぐように複数の活性領域の相互間に亘って半導体基板SB上に導電膜が形成された際に、当該導電膜が溝T2の側壁に接することで、素子分離領域STIを挟む複数の活性領域のそれぞれの半導体基板SBが当該導電膜を介して短絡する虞がある。
上記の第1および第2の比較例に対し、以下では、第3の比較例として、図1〜図7を用いて説明した工程を行い、図7に示すように適正に研磨が行われた場合の半導体装置の製造工程について説明する。ここでも、図9または図10を説明したウェットエッチング工程は行わない。したがって、溝T1内の酸化シリコン膜O2の上面の高さは、図9に示す溝T1内の酸化シリコン膜O2の上面の高さよりも高い。
上記のように適正に研磨が行われた第3の比較例の半導体装置の製造工程においては、図7に示す構造を得た後、図21に示すように、図11を用いて説明した工程と同様の工程を行う。つまり、図21に示すように、窒化シリコン膜N1を除去することで、酸化シリコン膜O2からなる素子分離領域STIを形成する。これにより半導体基板SB上において露出した酸化シリコン膜O2の上面と酸化シリコン膜O2の上面との間には、段差が形成されている。つまり、酸化シリコン膜O2の上面は、酸化シリコン膜O2の横の酸化シリコン膜O1の上面、および半導体基板SBの上面に比べて、上方に突出している。
ここで、酸化シリコン膜O1の上面より上の酸化シリコン膜O2の側壁は逆テーパーがついた形状となっている。つまり、酸化シリコン膜O1上の酸化シリコン膜O2の側壁は庇状になっており、当該側壁と、その直下の酸化シリコン膜O1との間には空間がある。このため、酸化シリコン膜O1上において、素子分離領域STIの端部である酸化シリコン膜O2の側壁には、窪みが形成されている。このように、酸化シリコン膜O1の上面より上の酸化シリコン膜O2の側壁が、逆テーパーがついた形状となっているのは、窒化シリコン膜N1(図6参照)の側壁にテーパーがついているためである。
次に、図22に示すように、図12を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、半導体基板SBの上面にPウエルWLを形成する。ここで行うイオン注入またはエッチングなどにより、素子分離領域STIの上面はウェットエッチングされる。よって、素子分離領域STIの露出している表面が後退するため、素子分離領域STIの端部の上記窪みが大きくなる。これにより、素子分離領域STIの上面には段差が生じるため、当該上面の端部と当該上面の中央との間に15nm程度の高低差が生じる。素子分離領域STIの上面の中央部の高さは、半導体基板SBの上面よりも高い領域に位置している。
次に、図23に示すように、図13を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、半導体基板SB上におよび素子分離領域STI上にポリシリコン膜PSを形成する。ここでは、素子分離領域STIの上面に段差が形成され、素子分離領域STIの上面の一部の高さが酸化シリコン膜O1の上面の高さよりも高いため、素子分離領域STIの直上のポリシリコン膜PSの上面は、酸化シリコン膜O1の直上のポリシリコン膜PSの上面よりも高い領域に位置している。つまり、ポリシリコン膜PSの上面には、不活性領域と活性領域との間で高低差が生じている。
次に、図24に示すように、図14を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、ポリシリコン膜PSをパターニングする。ここでは、フォトリソグラフィ技術を用いて、ポリシリコン膜PS上に形成したフォトレジスト膜(図示しない)を露光・現像することでフォトレジスト膜のパターンを形成し、当該パターンをマスクとして用いてドライエッチングを行うことで、ポリシリコン膜PSを加工する。この後は、図15を用いて説明した工程を行い、拡散層およびコンタクトプラグなどを形成することで、比較例の半導体装置が完成する。なお、図24は図23に比べて半導体基板SBなどを拡大して示している。
ここで、図23に示すように、ポリシリコン膜PSの上面には不活性領域と活性領域とで高低差があるため、ポリシリコン膜PS上に形成する上記フォトレジスト膜(図示しない)の上面にも工程差が生じる。このため、図24を用いて説明したパターニング工程では、当該フォトレジスト膜の上面全体に焦点を合わせて露光を行うことが困難となる。よって、デフォーカスが起きることによりフォトレジスト膜の信頼性が低下し、または、ポリシリコン膜PSの加工精度が低下する問題が生じる。したがって、半導体装置の製造工程における歩留まりが低下する虞がある。
また、図24に示すように、ポリシリコン膜PSの一部が除去されず、素子分離領域STIの上面の段差部分の窪みの中に残ることが考えられる。これは、異方性エッチングであるドライエッチングによりポリシリコン膜PSを加工した際に、素子分離領域STIの上面の端部近傍に形成された上記窪みの中のポリシリコン膜PSを除去することができないためである。このようなポリシリコン膜PSの残渣は、素子分離領域STIの上面の段差の工程差が15nm以上になると生じやすくなる。
上記のように除去されずに素子分離領域STIの上面の窪みに残ったポリシリコン膜PSは、平面視において所定の方向に延在する素子分離領域STIに沿って延在している。上記のポリシリコン膜PSのパターニング工程の後に洗浄工程またはエッチング工程などを行った場合に、上記窪みに残ったポリシリコン膜PSが素子分離領域STIの表面から剥がれた場合、素子同士などを短絡させる原因となる。また、素子分離領域STIの表面から剥がれたポリシリコン膜PSは半導体基板SB上においてエッチング残渣として残るため、後の半導体基板SB上の成膜工程における成膜不良の原因となる。このようにポリシリコン膜PSの残渣により短絡または成膜不良が起こることで、半導体装置の信頼性が低下し、また、半導体装置の製造工程の歩留まりが低下する問題が生じる。
ここで、図20を用いて説明した第2の比較例のように、過度な研磨により窒化シリコン膜N1(図6参照)が完全に除去され、半導体基板SBの上面か研磨されることを防ぐために、図1を用いて説明した工程において形成する窒化シリコン膜N1の膜厚をより大きくすることが考えられる。具体的には、窒化シリコン膜N1の膜厚を200nm以上にすれば、研磨量にばらつきがあっても、図7に示すように窒化シリコン膜N1の膜厚の途中で研磨を止めることが容易となる。
しかし、窒化シリコン膜N1の膜厚が大きい場合、図7に示すように窒化シリコン膜N1の膜厚の途中まで研磨を行い、適正に研磨を行うことができたとしても、溝T1内に形成された酸化シリコン膜O2の高さが高くなる。したがって、図21に示すように窒化シリコン膜N1を除去した後の、酸化シリコン膜O1上の酸化シリコン膜O2の側壁の段差が大きくなるため、図24に示す素子分離領域STIの表面の窪みにポリシリコン膜PSが残りやすくなる。この場合、ポリシリコン膜PSの残渣が生じることによる短絡または成膜不良の発生がより顕著となる。
したがって、素子分離領域STIの上面の段差を小さくする観点から、窒化シリコン膜N1(図6参照)の膜厚を大きくすることは望ましくない。特に、窒化シリコン膜N1の膜厚が200nm以上である場合、ポリシリコン膜PSの残渣の発生がさらに顕著となる。
以上に3通りの比較例について説明したが、これらに対し、本実施の形態では、図9または図10を用いて説明したように、研磨工程の後に、酸化シリコン膜O2の一部を除去するウェットエッチング工程を追加している。
これにより、第1の比較例で図8を用いて説明したように、窒化シリコン膜N1が研磨量不足により酸化シリコン膜O2に覆われた場合であっても、ウェットエッチングにより窒化シリコン膜N1の上面を露出させ、さらに、溝T1の側壁の一部、つまり窒化シリコン膜N1の側壁の一部を露出させることができる。したがって、図8を用いて説明した研磨工程の研磨量が比較的小さくても、図11を用いて説明した窒化シリコン膜N1の除去工程において、窒化シリコン膜N1を除去することができる。よって、その後の工程で半導体素子を正常に形成することができるため、半導体装置の製造工程における歩留まりを向上させ、半導体装置の製造コストを低減することができる。
また、第2の比較例で図20を用いて説明したように、過剰に研磨を行うことで半導体基板SBの上面が後退し、素子分離領域STIの膜厚が小さくなることを防ぐことができる。これは、図8を用いて上述したように、研磨量が不足して窒化シリコン膜N1上に酸化シリコン膜O2が残ったとしても、当該酸化シリコン膜O2は、図10を用いて説明したウェットエッチングにより除去することができ、これにより、図7または図8を用いて説明した研磨工程における研磨量を小さくなるように研磨時間などを調整することが可能となるためである。つまり、本実施の形態では、研磨量を抑えることにより生じる問題を排除することができるため、過剰な研磨を行わないように研磨量を制御することが容易となる。
また、本実施の形態では、図1を用いて説明した工程において形成した窒化シリコン膜N1の膜厚をより大きくすることで、上記研磨工程における過剰な研磨を防ぐことも可能である。これは、図9または図10を用いて説明したウェットエッチング工程を行うことで、溝T1内の酸化シリコン膜O2の高さを任意に低減することができるためである。これにより、窒化シリコン膜N1の膜厚を大きくしても、素子分離領域STI(図11参照)の上面に大きな段差が形成され、ポリシリコン膜の残渣が生じることを防ぐことができる。
このため、本実施の形態では、窒化シリコン膜N1の膜厚(図1参照)を200nm以上にしても、素子分離領域STIの上面に段差が形成されることを防ぐことができる。よって、窒化シリコン膜N1上の酸化シリコン膜O2を研磨する際の研磨量にばらつきがあっても、図7に示すように窒化シリコン膜N1の膜厚の途中で研磨を止めることが容易となり、半導体基板SBの上面が研磨されることを防ぐことができる。
また、第3の比較例で図21〜図24を用いて説明したように、素子分離領域STIの上面に段差が生じることを防ぎ、ポリシリコン膜の残渣の発生を防ぐことができるため、半導体素子間での短絡、または半導体基板SB上の成膜不良などを防ぐことができ、これにより半導体装置の信頼性を向上し、また、半導体装置の製造工程の歩留まりを高めることができる。これは、図9または図10を用いて説明したように、研磨後のウェットエッチング工程により、溝T1内の酸化シリコン膜O2の高さを極力低くすることが可能であり、このため、窒化シリコン膜N1の除去工程(図11参照)を行った際に、酸化シリコン膜O2と酸化シリコン膜O1とのそれぞれの上面の間の段差を小さくすることができるためである。
これにより、図11に示す素子分離領域STIの上面と半導体基板SBの上面との工程差は小さくなり、半導体基板SBおよび素子分離領域STIを含む基板の上面は平坦に近くなるため、図12に示すようにイオン注入などを行っても、素子分離領域STIの表面に窪みは形成されない。したがって、図13および図14に示すように、ポリシリコン膜PSを成膜した後に加工しても、素子分離領域STIの表面にポリシリコン膜PSの残渣が形成されることを防ぐことができる。
以下では、本実施の形態の半導体装置の製造方法の変形例について、図16〜図19を用いて説明する。図16〜図19は、本実施の形態の半導体装置の製造方法の変形例を説明する断面図である。本変形例の製造方法は、素子分離領域に隣接する半導体基板上に、酸化シリコン膜からなるバーズビークを形成する点で、図1〜図15を用いて説明した製造方法とは異なる。
本変形例では、まず、図1および図2を用いて説明した工程を行うことで、ハードマスクである窒化シリコン膜N1から半導体基板SBの上面の一部を露出させる。
次に、図16に示すように、熱酸化法などを用いて酸化処理を行い、溝T1の底部の半導体基板SB上に、酸化シリコン膜O1よりも膜厚が大きい酸化シリコン膜O3を形成する。このとき、溝T1の底部の酸化シリコン膜O1を除去して半導体基板SBの上面を酸化シリコン膜O1から露出させてから当該酸化処理を行ってもよい。なお、ここでは、図において酸化シリコン膜O1、O3、および、後の工程で形成する酸化シリコン膜O2(図18参照)のそれぞれの境界を示さず、それらの膜が一体となった構造を図示する。
酸化シリコン膜O3は、半導体基板SBの上面の一部とO(酸素)とが反応して形成される。酸化シリコン膜O3は、酸化シリコン膜O1よりも大きい膜厚で形成されるため、酸化シリコン膜O3の底面は酸化シリコン膜O1の底面よりも低い領域に位置し、酸化シリコン膜O3の上面は酸化シリコン膜O1の上面よりも高い領域に位置する。
また、酸化シリコン膜O3の端部は活性領域に形成された窒化シリコン膜N1と半導体基板SBのとの間にも、潜り込むようにして形成される。窒化シリコン膜N1の直下に形成された酸化シリコン膜O3の端部は、溝T1から離れるにつれて膜厚が小さくなる、いわゆるバーズビークの形状を有している。酸化シリコン膜O3の端部の直上の窒化シリコン膜N1は酸化シリコン膜O3が形成されることにより上方に反り上がる。
次に、図17に示すように、図3を用いて説明した工程と同様のエッチング工程を行うことで、酸化シリコン膜O3および半導体基板SBとを開口する溝T2を形成する。溝T2は酸化シリコン膜O3を貫通して半導体基板SBの途中深さまで達する。ここで、溝T1の下の酸化シリコン膜O3は除去されるが、窒化シリコン膜N1と半導体基板SBとの間のバーズビーク状の酸化シリコン膜O3は除去されずに残る。つまり、溝T2の側壁に酸化シリコン膜O3が残る。
次に、図18に示すように、図4〜図6を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、溝T1内およびT2内に酸化シリコン膜O2を埋め込む。ここで、酸化シリコン膜O3を形成したことにより、窒化シリコン膜N1の端部が反り上がっているため、窒化シリコン膜N1の側壁は酸化シリコン膜O3の形成前の状態よりも上向きとなっている。このため、窒化シリコン膜N1の側壁、つまり溝T1内の側壁に接する酸化シリコン膜O2は大きな逆テーパーのついた形状となっている。
次に、図19に示すように、図7〜図14を用いて説明した工程と同様の工程を行うことにより、酸化シリコン膜O2からなる素子分離領域STIと、ポリシリコン膜PSからなるゲート電極を形成する。その後、図15を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、本変形例の半導体装置が完成する。すなわち、半導体基板SB上の酸化シリコン膜O2の一部および窒化シリコン膜N1の一部を研磨することで除去した後、ウェットエッチング工程(図9または図10参照)を行い、続いて窒化シリコン膜N1を除去することで、素子分離領域STIを形成する。その後は、各種のイオン注入工程、エッチング工程および成膜工程などを経て、半導体素子を形成し、さらに、コンタクトプラグと層間絶縁膜とを含むコンタクト層を形成する。
本変形例では、図17に示すように、溝T2に隣接する領域における窒化シリコン膜N1の端部と、当該窒化シリコン膜N1の端部の直下の半導体基板SBとの間に、酸化シリコン膜O3からなるバーズビークを形成することにより、図19に示すように、半導体基板SBと素子分離領域STIとの境界の肩部の傾斜をなだらかにすることができる。これにより、完成した半導体装置の当該境界、つまり半導体基板SBの上面の角部において、電界が集中することを防ぐことができる。よって、半導体装置の耐圧を向上させることができるため、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
図21〜図23を用いて説明した第3の比較例のように、研磨工程(図7または図8参照)を行った後に酸化シリコン膜O2を後退させるエッチング工程を行わずに窒化シリコン膜N1を除去する工程(図21参照)を行った場合、酸化シリコン膜O2の側壁であって、半導体基板SBの上面上における側壁の逆テーパーは、図21を用いて説明した場合よりも大きくなる。これは、図18を用いて説明したように、酸化シリコン膜O3を形成することで、酸化シリコン膜O3の直上の窒化シリコン膜N1の端部が反るように持ち上げられることで、窒化シリコン膜N1の側壁が上向きとなり、当該側壁に接して形成された酸化シリコン膜O2の側壁の傾きが大きくなったためである。
これにより、上記比較例においてバーズビーク状の酸化シリコン膜O3を形成した場合は、窒化シリコン膜N1除去工程(図21参照)後の窒化シリコン膜N1の表面に形成された窪みが大きくなるため、当該窪みの内側にポリシリコン膜PS(図24参照)が残りやすくなることで、当該ポリシリコン膜PSの残渣による短絡または成膜不良などの問題の発生が顕著となる。
これに対して、本実施の形態の上記変形例では、図9または図10を用いて説明したエッチング工程を行うため、窒化シリコン膜N1と同じ高さの酸化シリコン膜O2、つまり溝T1内の酸化シリコン膜O2の高さを極力低くすることができる。したがって、バーズビークの形成により窒化シリコン膜N1が持ち上げられたとしても、素子分離領域STIの上面に段差が形成されることを防ぐことができるため、上記ポリシリコン膜PSの残渣(図24参照)により短絡または成膜不良などが起きることを防ぐことができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上させ、半導体装置の製造工程における歩留まりを向上させることができる。
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
O1〜O3 酸化シリコン膜
N1 窒化シリコン膜
SB 半導体基板
STI 素子分離領域
T1、T2 溝

Claims (9)

  1. (a)半導体基板を準備する工程、
    (b)前記半導体基板上に、前記半導体基板の一部を露出する開口部を有する第1絶縁膜を形成する工程、
    (c)前記第1絶縁膜をマスクとしてエッチングを行うことで、前記半導体基板の上面に溝を形成する工程、
    (d)前記半導体基板上に第2絶縁膜を形成することで、前記溝内を前記第2絶縁膜により埋め込む工程、
    (e)前記第1絶縁膜上の前記第2絶縁膜を研磨することで、前記第2絶縁膜の上面を平坦化する工程、
    (f)前記(e)工程の後、エッチングを行うことで、前記第2絶縁膜の上面を後退させる工程、
    (g)前記(f)工程の後、第1絶縁膜を除去する工程、
    を有する、半導体装置の製造方法。
  2. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(f)工程で行うエッチングは、ウェットエッチングである、半導体装置の製造方法。
  3. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(g)工程により前記第1絶縁膜を除去したとき、前記第2絶縁膜の上面の高さは、前記半導体基板の上面の高さよりも高い、半導体装置の製造方法。
  4. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    (h)前記(g)工程の後、ウェットエッチングを行うことで、前記第2絶縁膜の表面が後退する工程をさらに有する、半導体装置の製造方法。
  5. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    (i)前記(d)工程の後であって、前記(e)工程の前に、前記溝の直上の前記第2絶縁膜をレジスト膜により覆い、前記レジスト膜をマスクとして用い、前記第1絶縁膜上の前記第2絶縁膜の上面を後退させる工程をさらに有する、半導体装置の製造方法。
  6. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(b)工程で形成する前記第1絶縁膜の膜厚は200nm以上である、半導体装置の製造方法。
  7. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1絶縁膜は窒化シリコン膜であり、前記第2絶縁膜は酸化シリコン膜である、半導体装置の製造方法。
  8. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    (j)前記(b)工程の後であって、前記(c)工程の前に、酸化処理を行うことで、前記第1絶縁膜の端部と前記半導体基板との間に第3絶縁膜を形成する工程をさらに有する、半導体装置の製造方法。
  9. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(e)工程では、前記第1絶縁膜の上面を研磨せず、前記第1絶縁膜の上面は研磨後も前記第2絶縁膜により覆われており、
    前記(f)工程では、前記第1絶縁膜の上面を覆う前記第2絶縁膜を除去することで、前記第1絶縁膜の上面を露出させる、半導体装置の製造方法。
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