JP3171166B2 - 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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JP3171166B2 JP14642298A JP14642298A JP3171166B2 JP 3171166 B2 JP3171166 B2 JP 3171166B2 JP 14642298 A JP14642298 A JP 14642298A JP 14642298 A JP14642298 A JP 14642298A JP 3171166 B2 JP3171166 B2 JP 3171166B2
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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、トレンチ分離法を
用いた半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体装置において、素子分離領
域の形成法としては主に選択酸化法であるLOCOS法
が用いられてきた。しかしながら、LOCOS法ではバ
ーズビークによる寸法変換差が大きいため、素子の微細
化が困難であり、素子の高密度化の妨げとなっている。
そこで近年では、溝に素子分離用絶縁膜を埋め込むトレ
ンチ分離法の検討が進められている。
【0003】上記トレンチ分離法では、トレンチ(溝)
への絶縁膜埋め込み技術と、その平坦化技術とがキープ
ロセスとなる。バイアスECR−CVD法は、基板に高
周波電圧を印加して低圧で高密度プラズマを形成し、ス
パッタエッチングしながら成膜を行うCVD法であり、
低温での高速成長が可能な上に、ウェットエッチング耐
性のある緻密な膜の形成が実現される。このCVD法に
よれば、狭い溝であってもボイドを発生させることなく
分離絶縁膜を形成することができる。従って、微細な溝
の埋設技術として有望である。また、平坦化技術として
は、化学的機械的研磨(CMP)が、半導体基板全面に
わたってグローバルな平坦化可能な技術として利用され
ている。この両技術を組み合わせることによって、微細
なトレンチ分離を半導体基板全面にわたって形成するこ
とが可能となる。
【0004】しかしながら、上記利点を生かし、バイア
スECR−CVD絶縁膜により溝4を埋設した場合、図
3(c)に示すような堆積絶縁膜6の膜厚にパターン依
存性が生じるという欠点があった。すなわち、凸部(ア
クティブ領域)の面積が狭い場合には、少量の絶縁膜6
しかアクティブ領域上に堆積されないが、広い場合には
幅広く多量の絶縁膜6が堆積される。これは、上記方法
がCVDによる堆積とアルゴンイオン等によるスパッタ
エッチングを同時に行っているが、スパッタエッチング
レートが角度依存性を有し、平坦面に対しては小さく、
45°付近で最大になるために生じる。
【0005】このような堆積絶縁膜厚のパターン依存性
を有する構造をCMPした場合、CMP研磨レートのパ
ターン依存性が生じ、大面積アクティブ領域では研磨レ
ートが遅く、小面積アクティブ領域では相対的に速くな
る。これは、CMP時にそれぞれのパターンにかかる圧
力が、小面積パターンでは大きく、大面積パターンでは
小さくなるために生じる。その結果、CMP後の絶縁膜
の残膜がばらつき、最悪の場合、小面積パターンに研磨
量を合わせると大面積パターンでCMP研磨残りが生
じ、大面積パターンに合わせると小面積パターンでは基
板やられが生じるという問題があった。
【0006】上記の問題を解決するため以下に示される
従来の方法が提案されている。以下、図3(a)〜
(f)、図4を参照して説明する。大面積アクティブ領
域41と小面積アクティブ領域42とが半導体基板上に
配置されており、領域43においては大面積アクティブ
領域がアレイ状に配置されている構成となっている。図
3は、図4のA−A’で切った断面図である。
【0007】まず、半導体基板1の酸化膜2上にCMP
ストッパとなる膜3を堆積して、フォトリソグラフィ及
びドライエッチングにより溝4を形成することにより、
図3(a)に示す構造を得る。次いで熱酸化を施し、図
3(b)に示されるように溝4内に酸化膜5を形成した
後、図3(c)のようにバイアスECR−CVD法によ
り絶縁膜6で溝4を埋設する。次に、図3(d)に示さ
れるようにフォトレジスト7を塗布し、フォトリソグラ
フィ技術により、大面積アクティブ領域上に堆積された
絶縁膜6の平坦なアクティブ領域のみ露出するようにパ
ターニングする。
【0008】しかる後に、図3(e)に示すように、ド
ライエッチングによりアクティブ領域上に堆積された絶
縁膜6をエッチバックする。これにより大面積アクティ
ブ領域周縁部には角状の絶縁膜8が形成される。次いで
図3(f)に示すように、CMPにより絶縁膜6の平坦
化を行う。このように大面積アクティブ領域上に堆積さ
れた絶縁膜6をフォトリソグラフィ及びドライエッチン
グを用いて選択的に除去し、CMP研磨レートのパター
ン依存性を生じさせる大面積絶縁膜パターンを排除した
上でCMPを行うことにより、CMPでの研磨残りを防
止することが可能となる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例に示される方法では、図3(f)の11の領域で示
されるように大面積アクティブ領域がアレイ状に配置さ
れている場合、この大面積アクティブ領域周縁部に残っ
た角状絶縁膜8が密に配置される結果、擬似的な大面積
絶縁膜パターンが形成され、CMPでの研磨レートが局
所的に低下し、研磨残り10が生じたり、あるいは、こ
の研磨残り10を防止するために研磨量を増やすと小面
積アクティブ領域で基板やられが生じる(図示せず)と
いう問題があった。
【0010】また、大面積アクティブ領域上に残った角
状の絶縁膜8がCMPの初期の段階に折れ、その折れた
絶縁膜片がCMP中の他のアクティブ領域に傷をつける
ことによって、製品の歩留まりが低下するという問題が
あった。
【0011】本発明は、上記のような問題を解決すべく
なされたものであり、フィールドパターンの粗密にかか
わらず、良好な膜厚均一性を有し、かつ、歩留りの高い
素子分離絶縁膜平坦化法を用いる半導体装置の製造方法
を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項1記載の発明は、半導体基板(1)上にCM
P平坦化時のストッパとして機能する膜(3)を堆積
た後に、膜及び半導体基板に溝(4)を形成する工程
(a)と、溝(4)内部に酸化膜(5)を形成する工程
(b)と、半導体基板(1)上に形成された膜、溝及び
酸化膜上に第1の絶縁膜(6)を形成し第1の絶縁膜に
より溝(4)を埋設する工程(c)と、フォトレジスト
(7)を塗布して溝(4)内の第1の絶縁膜(6)をマ
スクし、半導体基板の大面積アクティブ領域上に堆積さ
れた第1の絶縁膜の平坦な領域のみ露出するようにパタ
ーニングする工程(d)と、大面積アクティブ領域上に
堆積された第1の絶縁膜(6)の平坦部のみをエッチバ
ックする工程(e)と、フォトレジストを除去した後、
第2の絶縁膜(9)を第1の絶縁膜上に形成することに
より概ね平坦な上面を形成する工程(f)と、第1の絶
縁膜(6)及び第2の絶縁膜(9)の平坦化を行う工程
(g)とを備えたことを特徴とする。
【0013】請求項2記載の発明は、請求項1記載の発
明において、第2の絶縁膜(9)を形成する工程(f)
を、スパッタエッチング強度の強い条件で行い、大面積
アクティブ領域上に堆積された絶縁膜(6)をフォトリ
ソグラフィ及びドライエッチングを用いて選択的に除去
した際に形成された角状絶縁膜(8)を、スパッタエッ
チング強度の強い絶縁膜埋設により除去、あるいは小さ
することを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態である半
導体装置の製造方法について添付図面を参照して詳細に
説明する。本実施形態は、半導体基板上に溝を形成し、
バイアスECR−CVD法により形成した絶縁膜で溝を
埋設した後、CMPにより平坦化する半導体装置の素子
分離方法において、溝側面にダメージが入らない程度の
スパッタエッチング強度で1回目の溝埋設を行い、この
溝内の絶縁膜をマスクし、大面積アクティブ領域上に堆
積された絶縁膜のみを選択的に除去した後、スパッタエ
ッチング強度の強い2回目の溝埋設を行い、大面積拡散
層上に残った角状の絶縁膜を取り除いた上で、CMPに
より素子分離絶縁膜を平坦化することを特徴とする。
【0015】製造方法としては、まず、半導体基板1上
にCMP平坦化時のストッパとして機能する膜3を堆積
し、これをフォトリソグラフィ及びドライエッチングに
より溝(トレンチ)4を形成し、図1(a)に示す構造
を得る。次いで、図1(b)に示すように熱酸化により
溝4内部に酸化膜5を形成する。次いでバイアスECR
−CVD法により、図1(c)のように第1の絶縁膜6
で溝4を埋設する。この際、半導体基板1にスパッタエ
ッチングダメージが入らない程度のスパッタエッチング
条件で成膜を行う。次いで、図1(d)に示されるよう
にフォトレジスト7を塗布し、フォトリソグラフィ技術
により溝4内の絶縁膜6をマスクし、大面積アクティブ
領域上に堆積された絶縁膜の平坦な領域のみ露出するよ
うにパターニングする。
【0016】しかる後に、図1(e)に示すように、ド
ライエッチングによりアクティブ領域上に堆積された絶
縁膜6の平坦部のみをエッチバックする。これにより大
面積アクティブ領域周縁部には角状絶縁膜8が形成され
る。次いで、図1(f)に示すように、スパッタエッチ
ング強度の強い条件で2回目のバイアスECR−CVD
による第2の絶縁膜9の埋設を行い、大面積アクティブ
領域周縁部に形成された角状絶縁膜8を除去し、概ね平
坦な上面を有する第2の絶縁膜9をパターン依存性なく
形成する。次いで、CMPにより第1の絶縁膜6及び第
2の絶縁膜9の平坦化を行い、図1(g)に図示する形
状を得る。
【0017】このように大面積アクティブ領域上に堆積
された絶縁膜6をフォトリソグラフィ及びドライエッチ
ングを用いて選択的に除去した際に形成された角状絶縁
膜8を、さらにスパッタエッチング強度の強い2回目の
絶縁膜埋設により除去、あるいは小さくすることによ
り、概ね平坦な上面を有する素子分離絶縁膜をCMP処
理前に形成することにより、CMPでの研磨レートのパ
ターン依存性を排除し、CMPでの研磨残りを防止する
ことが可能となる。
【0018】次に、本発明による素子分離絶縁膜平坦化
法による半導体装置の製造方法の具体的な第1の実施例
を図4に基づいて説明する。大面積アクティブ領域41
と小面積アクティブ領域42とが半導体基板上に配置さ
れており、領域43においては、大面積アクティブ領域
がアレイ状に配置されている構成となっている。以下、
図4のA−A’線に沿って切った断面図である図1
(a)〜(g)の模式図に基づいて本発明による半導体
装置の製造方法を説明する。
【0019】本発明の第1の実施例においては、半導体
基板1としてのシリコン基板を用い、これに溝を形成
し、バイアスECR−CVD酸化膜により、溝を埋設す
る構成とした。なお、本発明は素子間分離にシャロート
レンチ分離を用いる半導体装置ならば、いかなる半導体
装置であっても適用することができる。
【0020】まず、シリコン基板1上に第1絶縁物層、
好ましくはパッド酸化膜2を形成する。パッド酸化膜2
は、この後の処理工程で生ずる応力の緩和を目的として
おり、5〜20nmの膜厚を有する。引き続いて、パッ
ド酸化膜2上に、第2の絶縁物層、好ましくは窒化膜3
を形成する。この窒化膜3はCMP時のストッパ層とし
て機能し、膜厚はCMPで研磨がシリコン基板1に到達
しない範囲で、できるだけ薄い方が良く、好ましくは1
00〜300nmの膜厚を有する。
【0021】ここで、この窒化膜3上に例えば厚さ1μ
mのフォトレジストを塗布し(図示せず)、フォトリソ
グラフィ技術によって素子分離パターンを形成し、これ
をマスクとして、例えばCF4 ガスを用いた異方性の反
応性イオンエッチングによって窒化膜3、パッド酸化膜
2を順次エッチングしてシリコン基板1を露出させる。
これにより種々の素子分離幅、アクティブ領域幅を有す
る所望の素子間分離パターンが形成される。素子分離
幅、アクティブ領域幅は、素子の集積度によって異なる
が、0.1〜100μm程度である。
【0022】次に、このフォトレジストを剥離した後、
窒化膜3をマスクに、例えばHBrガスを用いてシリコ
ン基板1を異方性エッチングし、所望の深さ、例えば図
1(a)に示されるように300nmの溝4を形成す
る。なお、本実施例では窒化膜3をマスクに溝4のエッ
チングを行ったが、フォトレジストを剥離する前に溝4
のエッチングを行っても同様の効果が得られる。
【0023】次に、この窒化膜3を耐酸化マスクとして
シリコン基板1を熱酸化し、溝4の側壁及び底面に第3
の絶縁膜、好ましくは酸化膜5を形成する。この酸化膜
5は、溝4をエッチングしたときのダメージの除去をす
る他に、バイアスECR−CVD法により溝4に絶縁物
を埋設する時のスパッタエッチングダメージを緩衝する
層として機能する。そのため、酸化膜5の膜厚は、絶縁
物を溝4に埋設する際に穴(ボイド)が生じない程度に
厚くするのが好ましく、10〜50nmが適当である
(図1(b))。
【0024】次に、素子間分離絶縁膜としてバイアスE
CR−CVD絶縁膜6を、例えば600nm堆積して溝
4を過不足なく埋設する。バイアスECR−CVD条件
は、例えば供給ガスがSiH4 /O2 /Ar=75/1
00/200sccm、μ波/RFパワー=1.75k
/2kW、基板温度は200℃程度である。なお、6a
は大面積アクティブ領域上に堆積されたバイアスECR
−CVD酸化膜、6bは同じく大面積アクティブ領域上
に堆積されたバイアスECR−CVD酸化膜のうち平坦
な上面を有する領域、6cは溝4内に堆積されたバイア
スECR−CVD酸化膜、6dは小面積アクティブ領域
上に堆積されたバイアスECR−CVD酸化膜である。
【0025】溝4埋設にバイアスECR−CVD法を用
いると、図1(c)に示すように、アクティブ領域上に
堆積される酸化膜の形状及び膜厚がアクティブ領域の大
きさにより異なる。アクティブ領域幅が成膜膜厚の2倍
以下の場合(本実施例では1.2μm以下の場合)、6
dのようにアクティブ領域上に堆積される酸化膜が三角
形状になり、窒化膜3上の酸化膜厚が成膜した膜厚より
薄くなる。それに対して、アクティブ領域幅が成膜膜厚
の2倍以上の場合(本実施例では1.2μm以上の場
合)、6aのように酸化膜の形状が台形になり、窒化膜
3上に堆積される膜厚も成膜した膜厚分だけ堆積される
(図1(c))。
【0026】次に、フォトリソグラフィ技術によって、
レジストのパターニングを行う。このとき、大面積アク
ティブ領域上に堆積されたバイアスECR−CVD酸化
膜の内、平坦な上面を有する領域6bのみ露出し、その
他の領域、すなわち同アクティブ領域上に堆積された酸
化膜6aで傾斜した上面を有する領域、溝4内に埋設さ
れた酸化膜6c及び小さなアクティブ領域上に堆積され
たバイアスECR−CVD酸化膜6dをマスクする(図
1(d))。
【0027】その後、フォトレジスト7をマスクに露出
した領域のバイアスECR−CVD酸化膜を異方性エッ
チングによりエッチバックする。エッチングガスには、
例えばCF4 を用いる。さらにフォトレジスト7を剥離
すると図1(e)に示す構造を得る。エッチバック量
は、エッチバック後の露出領域6bの酸化膜上面の高さ
が溝4内に埋設された酸化膜6cの上面の高さとほぼ一
致するようにする。このエッチングの結果、大面積アク
ティブ領域周縁部には角状の酸化膜8が形成される(図
1(e))。
【0028】次いで、2回目のバイアスECR−CVD
法による第2の絶縁膜成長を行う。この場合、スパッタ
エッチング性の強い条件を用いた方が効果が大きい。バ
イアスECR−CVD条件は、例えば供給ガスがSiH
4 /O2 /Ar=65/90/200sccm、μ波/
RFパワー=1.75k/2kW、基板温度は200℃
程度である。バイアスECR−CVD成膜レートは角度
依存性を有し、平坦面に対しては速く、45°付近で最
も遅くなる性質がある。そのため、大面積アクティブ領
域周縁部に残った角状酸化膜8付近及び小面積アクティ
ブ領域6dの成膜レートは遅く、平坦面を有する領域6
b及び6cの成膜レートが速くなる。この現象は、スパ
ッタエッチング性を強めることにより顕著になる。その
結果、パターン依存性のない、概ね平坦な上面を有する
素子分離絶縁膜がCMP処理する前に得られる(図1
(f))。
【0029】その後、窒化膜3の上面が露出するまで酸
化膜のCMPを行い、埋設酸化膜の平坦化を行う。CM
P前の段階でパターン依存性のない平坦面が得られるた
め、CMPにおける圧力の局所的な不均一に起因した研
磨レートのパターン依存性が生じない。その結果、CM
Pでの研磨残りや基板やられのない構造が得られる。ま
た、CMP前に大面積アクティブ領域周縁部の角状酸化
膜8が除去されるので、CMP中にその角状酸化膜8が
折れ、他のアクティブ領域にスクラッチ(傷)をつける
こともなくなり、従って、高い歩留まりを得ることがで
きる(図1(g))。
【0030】以上のように本発明の第1の実施例によれ
ば、大面積アクティブ領域上に堆積された第1の絶縁膜
6の選択的除去の際に大面積アクティブ領域上周縁部に
残った角状絶縁膜8を、2回目の第2の絶縁膜の形成に
より除去する、あるいは小さくすることができるので、
擬似大面積絶縁膜の形成が防止され、さらに角状絶縁膜
8がCMP中に折れることもなくなる。このため、膜厚
均一性が良く、高い歩留まりを有する素子分離絶縁膜が
容易に形成可能となる。
【0031】次に、本発明の第2の実施例を図2に基づ
いて説明する。図2は、図1と同様に図4の平面図をA
−A’線に沿って切った断面図である。図中の符号は、
特にことわりのない場合、図1に示される第1の実施例
と同じものを示す。本実施例も、半導体基板としてシリ
コン基板1を用い、これに溝を形成し、バイアスECR
−CVD酸化膜により、これを埋設する構成とした。
【0032】本実施例は、図2(e)に示すように、大
面積アクティブ領域上のバイアスECR−CVD酸化膜
のエッチバックを等方性エッチングによって行う他は、
実質的に第1の実施例と同じである。
【0033】まず、本発明の第1の実施例と同様に、溝
4の形成及び埋設を行い、さらに大面積アクティブ領域
上の平坦領域のみを露出させる形でレジストのパターニ
ングを行う。その後、フォトレジスト7をマスクに露出
した領域のバイアスECR−CVD酸化膜を等方性エッ
チングによりエッチバックする。等方性のエッチングに
は、例えばウェットエッチングを用いる。好ましくはバ
ッファードフッ酸を用いて、露出領域の酸化膜上面の高
さが溝内に埋設された酸化膜6cの上面の高さとほぼ一
致するまでエッチバックする(図2(a)〜(d))。
【0034】さらにフォトレジストを剥離して図2
(e)に示す構造を得る。このエッチングの結果、大面
積アクティブ領域周縁部には角状酸化膜8’が形成され
る。この角状酸化膜8’は、等方性エッチングによって
生じるため、第1の実施例において形成される角状酸化
膜8よりも滑らかな形状となる。
【0035】次いで、本発明の第1の実施例と同様に、
バイアスECR−CVD法による2回目の酸化膜成長を
行う。角状酸化膜8’は、等方性エッチングの結果滑ら
かな形状となるため、異方性エッチバックを行う第1の
実施例よりも、2回目のバイアスECR−CVDにおい
て平坦化が容易である。その結果、パターン依存性のな
い、平坦な上面を有する素子分離酸化膜が半導体基板全
面にわたり、容易に形成される(図2(f))。
【0036】そのため、CMP平坦化において、圧力の
局所的な不均一に起因した研磨レートのパターン依存性
が生じず、本実施例においてもCMPでの研磨残りや基
板やられのない構造が得られる。また、図2(g)に示
されるように、CMP前に大面積アクティブ領域周縁部
の角状酸化膜8’が除去されるので、CMP中にその角
状酸化膜8’が折れ、他のアクティブ領域にスクラッチ
(傷)をつけることもなくなり、従って、高い歩留まり
を得ることができる。
【0037】
【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の半導体装置の製造方法によれば、バイアスECR−C
VD法による絶縁膜の形成を2回にわたって行うので、
角状酸化膜が形成されにくくなり、研磨する前に概ね平
坦な面が得られる。このため、CMPにおいて残膜が生
じたり、基板やられが生じたりすることがなくなる。ま
た、CMP中に角状酸化膜が折れることもなくなる。こ
のため、膜厚均一性が良く、歩留りの高い素子分離絶縁
膜を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態による製造方法を示す
断面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態による製造方法を示す
断面図である。
【図3】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図であ
る。
【図4】従来及び本発明による半導体装置の平面図であ
る。
【符号の説明】
1 半導体基板(シリコン基板) 2 酸化膜(パッド酸化膜) 3 膜(窒化膜) 4 溝 5 酸化膜 6 第1の絶縁膜 6a 大面積アクティブ領域上の酸化膜 6b 大面積アクティブ領域上の酸化膜のうち平坦な上
面を有する領域 6c 溝に堆積された酸化膜 6d 小面積アクティブ領域上の酸化膜 7 フォトレジスト 8 角状酸化膜 9 第2の絶縁膜 10 研磨残り
───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板(1)上にCMP平坦化時の
    ストッパとして機能する膜(3)を堆積した後に、前
    記膜及び半導体基板に溝(4)を形成する工程(a)
    と、 前記溝(4)内部に酸化膜(5)を形成する工程(b)
    と、 前記半導体基板(1)上に形成された前記膜、前記溝及
    び前記酸化膜上に第1の絶縁膜(6)を形成し前記第1
    の絶縁膜により前記溝(4)を埋設する工程(c)と、 フォトレジスト(7)を塗布して前記溝(4)内の前記
    第1の絶縁膜(6)をマスクし、前記半導体基板の大面
    積アクティブ領域上に堆積された前記第1の絶縁膜の平
    坦な領域のみ露出するようにパターニングする工程
    (d)と、前記大面積 アクティブ領域上に堆積された前記第1の
    縁膜(6)の平坦部のみをエッチバックする工程(e)
    と、前記フォトレジストを除去した後、 第2の絶縁膜(9)
    を前記第1の絶縁膜上に形成することにより概ね平坦な
    上面を形成する工程(f)と、 前記第1の絶縁膜(6)及び第2の絶縁膜(9)の平坦
    化を行う工程(g)とを備えたことを特徴とする半導体
    装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記第2の絶縁膜(9)を形成する工程
    (f)を、スパッタエッチング強度の強い条件で行い、
    前記大面積アクティブ領域上に堆積された前記絶縁膜
    (6)をフォトリソグラフィ及びドライエッチングを用
    いて選択的に除去した際に形成された角状絶縁膜(8)
    を、前記スパッタエッチング強度の強い絶縁膜埋設によ
    り除去、あるいは小さくする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。
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