JP3104791B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP3104791B2 JP10044751A JP4475198A JP3104791B2 JP 3104791 B2 JP3104791 B2 JP 3104791B2 JP 10044751 A JP10044751 A JP 10044751A JP 4475198 A JP4475198 A JP 4475198A JP 3104791 B2 JP3104791 B2 JP 3104791B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に関し、特に素子および素子分離領域を小さくすると
共に、素子間容量を低減する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の高集積化、高速動作化を実
現するためには、素子領域自体を小さくし、素子と基板
との間の容量を減らすことと、素子分離領域を小さくす
ることが必要である。この問題を解決する方法として、
図3に示すような、半導体基板1に深い溝を形成し、こ
の溝内をCVD酸化膜9のような絶縁体で埋め込む構造
の素子分離方法がある。しかし、図3の構造では、素子
および素子分離領域を小さくすることが可能であるが、
隣接した素子を酸化物等を充填した溝で素子分離した場
合、酸化物が比較的高い比誘電率を有する材料であるた
め素子間容量が大きくなる。
【0003】この問題点を解決する方法として、特開平
2−119238号公報による溝内に空洞を有する素子
分離構造がある。特開平2−119238号公報に記載
された実施例の内、本発明に最も近い実施例について図
4を用いて説明する。
【0004】まず、図4(a)に示すように、p型半導
体基板1の表面上に200nm程度のシリコン窒化膜5
を形成した後、フォトリソグラフィにより溝形成予定領
域以外を覆うレジスト12を形成する。
【0005】次に、図4(b)に示すように、レジスト
12をマスクとしてシリコン窒化膜5をエッチングし、
さらに半導体基板1を深さ3μm程度エッチングして深
い溝3を形成する。
【0006】次に、図4(c)に示すように、深い溝3
に100nm程度の熱酸化膜(シリコン酸化膜)4を形
成し、その後レジスト13を平坦化コートする。次に、
図4(d)に示すように、レジスト13をエッチバック
し、深い溝3の深さ方向に熱酸化膜4を200nm程度
露出させる。
【0007】次に、図4(e)に示すように、露出した
熱酸化膜4をウェットエッチで除去し、さらにレジスト
13を除去すると、深い溝3の上側面を除いた溝側面に
熱酸化膜4を残した形になる。
【0008】次に、図4(f)に示すように、半導体基
板1が露出した箇所に選択エピタキシャル成長を用いて
深い溝3が塞がらない程度に単結晶シリコン14を成長
させる。
【0009】次に、図4(g)に示すように、単結晶シ
リコン14を熱酸化して熱酸化膜(シリコン酸化膜)8
に変え、半導体基板1の全面にCVD酸化膜9を堆積
し、900℃で30分の熱処理を行い、さらにレジスト
15を平坦化コートすると、深い溝3の内部に空洞11
が形成される。
【0010】次に、図4(h)に示すように、レジスト
15とCVD酸化膜9をシリコン窒化膜5が露出するま
で等速でエッチバックする。次に図4(i)に示すよう
に、シリコン窒化膜5を除去すると、溝内に空洞11を
設けた素子分離構造ができる。本構造を用いることによ
り素子間容量はCVD酸化膜を充填した場合に比べ70
%程度の低減が可能である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】図3に示した従来の構
造では、素子領域と素子分離領域を小さくすることが可
能であるが、隣接する素子を分離する際、素子間容量が
大きくなる欠点がある。また、特開平2−119238
号公報に記載された素子分離領域形成方法では、単結晶
シリコン14を熱酸化によりシリコン酸化膜8にする
際、シリコン窒化膜5の開口部からシリコン窒化膜5の
下部の半導体基板にも酸化が進んでしまうため、半導体
基板1内に応力が発生し、結晶欠陥を引き起こす欠点が
ある。さらに、素子領域が狭められるという問題も起こ
る。
【0012】したがって、本発明が解決しようとする課
題は、素子領域を狭めたり素子領域に結晶欠陥を引き起
こしたりすることなく、素子および素子分離領域を小さ
くすると共に、素子間容量を低減し、素子の高速化、高
集積化を実現することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上述した本発明の課題
は、半導体基板に溝を形成する工程と、前記半導体基板
の全面に耐酸化性の第1絶縁膜を形成する工程と、前記
溝の開口部の前記第1絶縁膜上に熱酸化により膨張する
物質の膜を形成する工程と、前記熱酸化により膨張する
物質の膜を熱酸化し、該開口部を狭める工程と、第3の
絶縁膜により前記開口部を塞ぎ、前記溝内に空洞部を形
成する工程と、を具備する半導体装置の製造方法により
解決することができる。
【0014】[作用] 熱酸化により膨張する物質を熱酸化して溝の開口部を狭
め、リフロー性が低い第3の絶縁膜を形成して溝の開口
部を塞ぐことにより溝内に空洞を形成する。このため、
合成の比誘電率が小さくなり、素子間容量が減少する。
【0015】また、溝の開口部に形成した熱酸化により
膨張する物質を熱酸化する際、完全に開口部を塞がず、
開口部を狭めてからリフロー性が低い第3の絶縁膜で開
口部を塞ぐことにより、および、この熱酸化の際に、耐
酸化性の第1絶縁膜により半導体基板の酸化を防止する
ことにより、半導体基板への応力の発生を防止してい
る。さらに、半導体基板の熱酸化によって素子領域が狭
められることを防止している。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図1及び図2は本発
明の実施の形態を工程順に示す断面図である。これらの
図において、図4と対応する部分には図4で使用した符
号と同一の符号が付してある。
【0017】まず、半導体基板1上の全面にCVD酸化
膜2を形成した後、フォトリソグラフィにより、溝形成
予定領域以外を覆うレジスト12を形成する(図1
(a))。
【0018】次に、レジスト12をマスクとして溝形成
領域のCVD酸化膜2をエッチングし、さらにCVD酸
化膜2をマスクとして、半導体基板1を異方性エッチン
グし、溝3を形成する(図1(b))。
【0019】次に、CVD酸化膜2を全て除去した後、
熱酸化またはHTO(high temperature CVD oxide)酸
化膜成長により、シリコン酸化膜4を全面に形成する。
さらに、CVDによりシリコン窒化膜5を全面に形成
し、CVDにより多結晶シリコン6を全面に形成した
後、多結晶シリコン6をエッチバックし溝3の側面に多
結晶シリコン6を残す(図1(c)。
【0020】次に、CVDによりシリコン窒化膜7を全
面に形成した後、このシリコン窒化膜7をエッチバック
し、溝3の側面にシリコン窒化膜7を残す(図2
(a))。このとき、溝3の開口部に多結晶シリコン6
を露出させる。
【0021】次に、露出している多結晶シリコン6を熱
酸化してシリコン酸化膜8を形成する。このとき、シリ
コン酸化膜8は多結晶シリコン6の膜厚の約2倍に膨張
し、溝の開口部を狭める(図2(b))。この熱酸化の
際、シリコン窒化膜5が酸化防止膜として働くため、半
導体基板1は全く酸化されない。また熱酸化によりシリ
コン酸化膜8が開口部を完全に塞がないようにすること
により、溝3の開口部に応力が発生しないようにしてい
る。
【0022】次に、例えばNSG(non-doped silicate
glass)のようなリフロー性が低いCVD酸化膜9を全
面に形成し、溝3の開口部を完全に塞いで空洞11を形
成する。そして、例えばBPSG(borophosphosilicat
e glass )のようなリフロー性が高いCVD酸化膜10
を形成した後、熱処理を行い溝部分の平坦化を行う(図
2(c))。
【0023】次に、シリコン窒化膜5が露出するまで、
CVD酸化膜10およびCVD酸化膜9を等速でエッチ
バックし、露出したシリコン窒化膜5を除去する(図2
(d))。
【0024】以上により、溝内に空洞を有する素子分離
領域を形成することができる。以上の工程において、シ
リコン酸化膜4、シリコン窒化膜5、シリコン窒化膜
7、多結晶シリコン6の膜厚は、多結晶シリコン6の酸
化時に溝の開口部が塞がらないような値に設定する。
【0025】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して詳細
に説明する。まず、半導体基板1上の全面に膜厚200
nmのCVD酸化膜2を形成した後、フォトリソグラフ
ィにより、溝形成予定領域以外を覆うレジスト12を形
成する(図1(a))。
【0026】次に、レジスト12をマスクとして溝形成
領域のCVD酸化膜2をエッチングし、さらにCVD酸
化膜2をマスクとして、半導体基板1を異方性エッチン
グし、幅1μm、深さ5μmの溝3を形成する(図1
(b))。
【0027】次に、CVD酸化膜2を全て除去した後、
酸化雰囲気中で900℃、20分の熱酸化を行い、膜厚
50nmのシリコン酸化膜4を全面に形成する。そし
て、CVDにより膜厚50nmのシリコン窒化膜5を全
面に成長させ、CVDにより膜厚170nmの多結晶シ
リコン6を全面に形成した後、多結晶シリコン6をエッ
チバックし溝3の側面に多結晶シリコン6を残す(図1
(c))。
【0028】そして、CVDにより膜厚50nmのシリ
コン窒化膜7を全面に形成した後、シリコン窒化膜7を
エッチバックし、溝3の側面にシリコン窒化膜7を残す
(図2(a))。このとき、溝3の開口部に多結晶シリ
コン6を露出させる。
【0029】次に、酸化雰囲気中で950℃、30分の
熱酸化を行い、露出している多結晶シリコン6を酸化
し、シリコン酸化膜8を形成する。このとき、シリコン
酸化膜8は多結晶シリコン6の膜厚の約2倍に膨張して
溝3の開口部を狭め、開口部の幅は100nmになる
(図2(b))。この熱酸化の際、シリコン窒化膜5が
酸化防止膜として働くため半導体基板1は、全く酸化さ
れない。また、熱酸化によりシリコン酸化膜8が開口部
を完全に塞がないようにすることにより、溝3の開口部
に応力が発生しないようにしている。
【0030】次に、NSGからなる膜厚200nmのリ
フロー性が低いCVD酸化膜9を全面に形成し、溝3の
開口部を完全に塞ぎ、空洞11を形成する。そして、B
PSGからなる膜厚800nmのリフロー性が高いCV
D酸化膜10を形成した後、窒素雰囲気中で900℃、
60分の熱処理を行い溝部分の平坦化を行う(図2
(c))。最後に、シリコン窒化膜5が露出するまで、
CVD酸化膜10及びCVD酸化膜9を等速でエッチバ
ックし、露出したシリコン窒化膜5を除去する(図2
(d))。
【0031】以上により、溝内に空洞を有する素子分離
領域を形成することができる。ここで、溝の幅を1μ
m、シリコン酸化膜4とシリコン窒化膜5とシリコン窒
化膜7の膜厚を各々50nm、多結晶シリコン6の膜厚
を170nmとし、シリコン酸化膜4の比誘電率を4、
シリコン窒化膜5とシリコン窒化膜7の比誘電率を7、
多結晶シリコン6の比誘電率を11とすると、合成の比
誘電率は2.08となり、CVD酸化膜で充填した従来
例の場合に比較して素子間容量を半分に低減することが
できる。
【0032】以上好ましい実施例について説明したが、
本発明はこの実施例に限定されるものではなく、特許請
求の範囲に記載された範囲内において適宜の変更が可能
なものである。例えば、実施例では、多結晶シリコン6
とシリコン窒化膜7とを別々にエッチバックしていた
が、多結晶シリコン6とシリコン窒化膜7とを続けて成
膜し、両膜を1回のエッチング工程においてエッチバッ
クするようにしてもよい。また、リフロー性の低い絶縁
膜としては、NSGに代え、ノンドープ多結晶シリコン
や窒化膜等を用いることができ、またリフロー性の高い
絶縁膜としては、BPSGに代え、PSGやBSG等を
用いることができる。
【0033】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、溝内に空洞を有する素子分離領域を形成してい
るので、素子及び素子分離領域を小さくすることがで
き、かつ素子間容量を減少させることができる。このた
め、素子の高集積化及び高速化が実現できる。
【0034】また、溝の開口部を狭める際に、熱酸化後
の膜が溝の開口部を完全に塞がないように空洞の幅と熱
酸化前の膜厚を選択することにより、および、全面を耐
酸化性の第1絶縁膜にて被覆して熱酸化時の半導体基板
の酸化を防止することにより、素子領域への応力の発生
を防止することができ、応力が原因となる半導体基板へ
の結晶欠陥の導入を防止することができる。また、基板
の熱酸化が防止されることにより、素子領域が熱酸化膜
により狭められることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体装置の製造方法の工程断面
図の一部である。
【図2】本発明による半導体装置の製造方法の工程断面
図の残りの一部である。
【図3】従来の半導体装置の断面図である。
【図4】特開平2−119238号公報に記載の半導体
装置の製造方法の工程断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2、9、10 CVD酸化膜 3 溝 4、8 シリコン酸化膜 5、7 シリコン窒化膜 6 多結晶シリコン 11 空洞 12、13、15 レジスト 14 単結晶シリコン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/76 - 21/765

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (1)半導体基板に溝を形成する工程
    と、 (2)前記半導体基板の全面に耐酸化性の第1絶縁膜を
    形成する工程と、 (3)前記溝の開口部の前記第1絶縁膜上に、熱酸化に
    より膨張する物質の膜を形成する工程と、 (4)前記熱酸化により膨張する物質の膜を熱酸化し、
    該開口部を狭める工程と、 (5)第3の絶縁膜により前記開口部を塞ぎ、前記溝内
    に空洞部を形成する工程と、 を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記(3)の工程は、前記溝の側面の前
    記第1絶縁膜上に熱酸化により膨張する物質の膜を形成
    する工程と、前記溝の側面の開口部以外の部分に耐酸化
    性の第2絶縁膜を形成する工程とを含むことを特徴とす
    る請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記溝の側面の前記第1絶縁膜上に熱酸
    化により膨張する物質の膜を形成する工程は、該膜を前
    記半導体基板の全面に形成する工程と、該膜をエッチバ
    ックする工程とを含むことを特徴とする請求項2記載の
    半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記溝の側面の前記開口部以外の部分に
    耐酸化性の第2絶縁膜を形成する工程は、該第2絶縁膜
    を前記半導体基板の全面に形成する工程と、該膜をエッ
    チバックする工程とを含むことを特徴とする請求項2記
    載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記(3)の工程は、熱酸化により膨張
    する物質の膜を前記半導体基板の全面に形成する工程
    と、その上全面に耐酸化性の第2絶縁膜を形成する工程
    と、エッチバックを行って前記溝の側面に、前記熱酸化
    により膨張する物質の膜と前記第2絶縁膜とを残す工程
    とを含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の
    製造方法。
  6. 【請求項6】 前記第1絶縁膜はシリコン窒化膜である
    を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に
    記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記熱酸化により膨張する物質は多結晶
    シリコンであることを特徴とする請求項1〜6のいずれ
    か1項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記第3の絶縁膜はCVD酸化膜である
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の
    半導体装置の製造方法。
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