JP3194807B2 - 素子分離構造の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板の表面に選
択的にフィールド酸化膜を成長させることによって素子
形成領域を分離するための、素子分離構造の形成方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上に形成される複数個の素子
を電気的に分離するために、従来から、ＬＯＣＯＳ（Lo
cal Oxidation of Silicon）法が広く用いられている。
ＬＯＣＯＳ法では、半導体基板上にパッド酸化膜が形成
され、このパッド酸化膜の上に、素子形成領域を被覆す
る窒化膜がパターン形成される。そして、この窒化膜を
マスクとした熱酸化処理によって、素子形成領域のまわ
りにフィールド酸化膜が成長し、このフィールド酸化膜
によって素子形成領域間の分離が達成される。

【０００３】しかし、ＬＯＣＯＳ法では、フィールド酸
化膜の縁部のバーズビークが素子形成領域内に長く延び
て形成され、そのため、実質的な素子形成領域の面積が
小さくなるという欠点があった。この問題を解決した典
型的な先行技術はＬＯＰＯＳ法と呼ばれ、図３および図
４に示されている。まず、図３(a) に示すようにシリコ
ン基板１の表面にパッド酸化膜２が形成される。そし
て、図３(b) に示すように、パッド酸化膜２上にポリシ
リコン膜３が形成される。このポリシリコン膜３の膜厚
は、たとえば１２００Åとされる。ポリシリコン膜３上
には、図３(c) に示すように、窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ
₄ ）膜４が形成される。この窒化シリコン膜４上には、
素子形成領域８の上方の領域にレジスト９がパターン形
成される。

【０００４】次に、図４(d) に示すように、レジスト９
をマスクとした異方性エッチングが行われる。これよ
り、素子形成領域８上にシリコン窒化膜４が残るよう
に、このシリコン窒化膜４がパターニングされる。この
とき同時に、ポリシリコン膜３は、最初の膜厚の半分程
度の膜厚（たとえば６００Å）となるまでエッチングさ
れる。

【０００５】次に、シリコン窒化膜４をマスクとして酸
化処理を施すと、図４(e) に示すように、シリコン窒化
膜４で被覆されていない領域にフィールド酸化膜５が成
長する。このとき、シリコン窒化膜４の直下のポリシリ
コン膜３には酸素はあまり速やかには浸透しないので、
バーズビーク７は素子形成領域８内にあまり長く延びる
ことはない。

【０００６】最後に、図４(f) に示すように、シリコン
窒化膜４、ポリシリコン膜３およびパッド酸化膜２が除
去され、フィールド酸化膜５によって分離された素子形
成領域８が得られる。このようにして、バーズビーク７
の短いフィールド酸化膜５を形成できるから、広い素子
形成領域８を得ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
先行技術では、シリコン窒化膜４をエッチングする図４
(d) の工程において、エッチング装置内のプラズマの不
均一性などのために、シリコン窒化膜４のエッチングレ
ートにはウエハ面内でばらつきが生じる。このため、シ
リコン窒化膜４のエッチングの不均一性が、シリコン窒
化膜４に続いてエッチングされるポリシリコン膜３に転
写される。その結果、ポリシリコン膜３の残膜３ａの膜
厚には、ウエハ面内でばらつきが生じる。そのため、バ
ーズビーク７の長さは、ウエハ面内でばらつくことにな
る。すなわち、残膜３ａが厚い箇所ではバーズビーク７
は短くなり、残膜３ａが薄い箇所ではバーズビーク７は
長くなる。その結果、素子形成領域８の面積がウエハ面
内で不均一になり、素子特性に悪影響を与えるという問
題があった。

【０００８】この問題を解決するために、ウエハ面内に
おけるエッチングレートの均一性を向上することが考え
られる。しかし、そのためには、エッチング装置内のプ
ラズマの均一性を向上したりウエハの温度の面内均一性
を向上したりするなどの根本的な対策が必要である。そ
のため、生産コストの大幅な増加が避けられず、実用的
ではない。

【０００９】そこで、本発明の目的は、上述の技術的課
題を解決し、バーズビークの長さを高精度で制御して、
高い寸法精度で素子形成領域を分離することができる素
子分離構造の形成方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段および作用】上記の目的を
達成するための本発明の素子分離構造の形成方法は、耐
酸化性膜をマスクとした選択的酸化によって半導体基板
上にフィールド酸化膜を成長させることにより、素子分
離構造を形成する方法であって、半導体基板上に所定膜
厚のポリシリコン膜を形成する工程と、ポリシリコン膜
の上に、耐酸化性膜のエッチングの不均一性が上記ポリ
シリコン膜に転写されることを防止するためのエッチン
グストッパ層を形成する工程と、エッチングストッパ層
の上に耐酸化性膜を形成する工程と、所定領域に耐酸化
性膜を残すように、この耐酸化性膜を上記エッチングス
トッパ層が露出するまで選択的にエッチングし、露出し
たエッチングストッパ層を残した状態でエッチングを停
止する工程と、上記エッチングストッパ層の露出部分を
除去して、上記ポリシリコン膜の上記耐酸化性膜が形成
されている領域以外の領域を露出させる工程と、上記ポ
リシリコン膜の露出部分の表層部を上記所定膜厚よりも
薄い所定厚さだけエッチングする工程と、上記耐酸化性
膜をマスクとした選択的な酸化により、耐酸化性膜が形
成されている領域以外の領域にフィールド酸化膜を成長
させる工程とを含むことを特徴とする。

【００１１】なお、請求項２に記載されているように、
上記ポリシリコン膜を形成する工程の前に、上記半導体
基板の表面に酸化膜を形成する工程をさらに含むことが
好ましい。この場合には、上記ポリシリコン膜は上記酸
化膜の表面に形成されることになる。上記の方法によれ
ば、耐酸化性膜を選択的にエッチングする際に、このエ
ッチングはエッチングストッパ層で停止し、エッチング
ストッパ層の露出部分が残された状態となる。そのた
め、エッチングストッパ層の下部のポリシリコン膜に耐
酸化性膜のエッチングのばらつきの影響が及ぶことがな
い。そのため、エッチングストッパ層を除去して、その
後に、ポリシリコン膜の露出部分の表層部をエッチング
したときに、ポリシリコン膜の残膜は半導体基板の各部
で均一な膜厚を有することができる。その結果、耐酸化
性膜をマスクとした選択的酸化によってフィールド酸化
膜を成長させたときに、このフィールド酸化膜のバーズ
ビークの長さは、高精度で制御される。したがって、高
い寸法精度で素子形成領域を分離することができる。

【００１２】上記ポリシリコン膜と上記エッチングスト
ッパ層とは、請求項４に記載されているように、同一の
ＣＶＤ装置を用いて連続的に形成されてもよい。このよ
うにすれば、素子分離構造の形成工程を簡素化できる。
なお、半導体基板の表面に酸化膜を形成するときには、
この酸化膜の膜厚は、３００Å以下であることが好まし
い。これは、バーズビークがあまり長く延びないように
するためである。

【００１３】また、上記ポリシリコン膜の膜厚は、１５
００Å以下であることが好ましい。ポリシリコン膜の膜
厚が上記の範囲よりも厚いときには、フィールド酸化膜
の縁部の立ち上がりが急峻になり、半導体基板とフィー
ルド酸化膜の表面との間に明確な段差が生じるおそれが
ある。すなわち、バーズビークを妥当な形状とするため
には、ポリシリコン膜の膜厚を上記の範囲内の値とする
ことが好ましい。

【００１４】同様に、エッチングストッパ層がシリコン
酸化膜で構成されるときには、バーズビークを妥当な形
状とするために、このエッチングストッパ層の膜厚を３
００Å以下とすることが好ましい。

【００１５】

【実施例】以下では、本発明の実施例を、添付図面を参
照して詳細に説明する。図１および図２は本発明の一実
施例の素子分離構造の形成方法を工程順に示す断面図で
ある。まず、図１(a) に示されているように、シリコン
基板１１の表面を９５０℃の酸化雰囲気中で熱酸化し、
パッド酸化膜としての第１シリコン酸化膜１２を形成す
る。この第１シリコン酸化膜１２の膜厚は、たとえば３
００Å程度とされる。

【００１６】次に、図１(b) に示すように、シリコン酸
化膜１２の上に、１２００Å程度のポリシリコン膜１３
が形成され、さらに、その上にエッチングストッパ層と
しての３００Å程度の第２シリコン酸化膜１４が形成さ
れる。ポリシリコン膜１３の形成は、減圧ＣＶＤ（化学
的気相成長）装置を用いて行われる。すなわち、膜形成
室内の温度を７００℃程度とし、ＳｉＨ₄ ガスを熱分解
してポリシリコン膜１３が形成される。その後、ポリシ
リコン膜１３の表面を９００℃の酸化雰囲気中で熱酸化
することにより、第２シリコン酸化膜１４が形成され
る。

【００１７】なお、第２シリコン酸化膜１４の形成は、
減圧ＣＶＤ装置を用いて行うこともできる。この場合に
は、ポリシリコン膜１３の形成後に、引続きＳｉＨ₄ ガ
スとＮ₂ Ｏガスとを同時に膜形成室内に供給し、この混
合ガスを熱分解することにより、ポリシリコン膜１３上
に第２シリコン酸化膜１４を堆積させればよい。このよ
うにすれば、ポリシリコン膜１３および第２シリコン酸
化膜１４を連続的に形成することができる。

【００１８】次に、図１(c) に示すように、耐酸化性膜
としてのシリコン窒化膜１６が、ポリシリコン膜１３上
に堆積させられる。シリコン窒化膜１６の形成は、たと
えば、減圧ＣＶＤ装置を用いて行われる。このとき、膜
形成室内の温度は７８０℃とされ、ＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ ガス
とＮＨ₃ ガスとが原料ガスとして膜形成室内に供給され
る。そして、これらの原料ガスの熱分解によってシリコ
ン窒化膜１６が形成される。シリコン窒化膜１６の膜厚
は、たとえば、３０００Å程度とされる。シリコン窒化
膜１６上には、トランジスタなどの素子を形成すべき素
子形成領域１７の直上の領域にレジスト１８がパターン
形成される。

【００１９】次に、図１(d) に示されているように、レ
ジスト１８をマスクとした異方性エッチング（たとえば
反応性イオンエッチング法）によって、シリコン窒化膜
１６のパターニングが行われる。この異方性エッチング
は、酸化シリコンに対する窒化シリコンの選択比が高い
条件で行われる。そして、エッチングは、第２シリコン
酸化膜１４が露出するまで行われ、この第２シリコン酸
化膜１４によって停止されて、露出した第２シリコン酸
化膜１４がポリシリコン膜１３上に残された状態とな
る。これにより、ウエハ面内においてエッチングレート
のばらつきが生じていたとしても、レジスト１８で被覆
されていない部分のシリコン窒化膜１４は、確実に除去
される。また、シリコン窒化膜１６のエッチングのばら
つきの影響は、第２シリコン酸化膜１４によって完全に
遮断され、ポリシリコン膜１３に及ぶことはない。

【００２０】次に、図２(e) に示すように、第２シリコ
ン酸化膜１４の露出部分が、フッ酸（ＨＦ）などによっ
てエッチング除去され、シリコン窒化膜１６が形成され
ていない領域においてポリシリコン膜１３が露出させら
れる。次いで、図２(f) に示すように、レジスト１８お
よびシリコン窒化膜１６をマスクとして異方性エッチン
グが行われ、ポリシリコン膜１３の露出部分の表層部が
所定厚さ（たとえば６００Å）だけエッチングされる。
上記のようにシリコン窒化膜１６のエッチングのばらつ
きの影響は第２シリコン酸化膜１４によって完全に遮断
されるから、ポリシリコン膜１３は均一性良くエッチン
グすることができる。そのため、その残膜１３ａは、ウ
エハ面内で均一な膜厚を有することができる。

【００２１】次いで、レジスト１８が除去され、図２
(g) に示されているように、シリコン窒化膜１６をマス
クとした選択的な熱酸化処理によって、シリコン窒化膜
１６が形成されていない領域にフィールド酸化膜１９が
成長させられる。この熱酸化処理は、たとえば、９８０
℃のＨ₂ Ｏ₂ 雰囲気中における水蒸気酸化によって、フ
ィールド酸化膜１９の膜厚が８０００Å程度となるまで
行われる。

【００２２】その後は、図２(h) に示されているよう
に、素子形成領域１７上の第１シリコン酸化膜１２、ポ
リシリコン膜１３、第２シリコン酸化膜１４およびシリ
コン窒化膜１６が除去される。このようにして、素子形
成領域１７がフィールド酸化膜１９によって分離され
る。以上のように本実施例では、シリコン窒化膜１６と
ポリシリコン膜１３との間に第２シリコン酸化膜１４が
介在させられる。そのため、シリコン窒化膜１６をエッ
チングしたときに、このエッチングはシリコン酸化膜１
４によって確実に停止する。その結果、シリコン窒化膜
１６のエッチングのばらつきがポリシリコン膜１３に転
写されることがない。そのため、シリコン酸化膜１４の
露出部分を除去した後にポリシリコン膜１３の表層部を
エッチングしたときに、このエッチングは良好な均一性
で行える。そのため、ポリシリコン膜１３の残膜１３ａ
の膜厚は、ウエハ面内で大きくばらつくことがない。

【００２３】したがって、フィールド酸化膜１９のバー
ズビーク２０の長さは、ウエハ面内で均一になり、これ
により、素子形成領域１７の面積をウエハ面内で均一化
できる。換言すれば、素子形成領域を高い寸法精度で形
成することができる。しかも、エッチングレートの均一
化などは不要であるから、特別なエッチング装置が必要
となることもない。したがって、生産コストが過度に増
大するおそれもない。

【００２４】本発明の実施例の説明は以上のとおりであ
るが、本発明は上記の実施例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の設計変更を
施すことが可能である。たとえば、上記の実施例では、
エッチングストッパ層としてシリコン酸化膜が用いられ
ているが、シリコン酸化膜以外の膜が適用されてもよ
い。

【００２５】また、上記の実施例で示された各膜の膜厚
は一例に過ぎず、各膜の膜厚は必要に応じて適宜設定す
ることができる。ただし、第２シリコン酸化膜１４は可
及的に薄く形成することが好ましく、３００Å以下の膜
厚とすることが好ましい。第２シリコン酸化膜１４を厚
く形成すると、フィールド酸化膜１９の上面に形成され
る角部２１（図２(h) 参照）が大きく成長するおそれが
あり、大きな段差を生じさせてしまうおそれがある。

【００２６】また、ポリシリコン膜１３の膜厚は１５０
０Å以下であることが好ましい。この範囲よりも膜厚が
薄いときにはバーズビーク２０が長く延びて素子形成領
域１７を狭めるおそれがあり、上記の範囲よりも膜厚が
厚いときには、フィールド酸化膜１９の縁部の立ち上が
りが急峻になり、シリコン基板１１とフィールド酸化膜
１９の表面との間に明確な段差が生じるおそれがある。
すなわち、バーズビーク２０を妥当な形状とするために
は、ポリシリコン膜１３の膜厚を上記の範囲内の値とす
ることが好ましい。

【００２７】同様に、バーズビーク２０があまり長く延
びないようにするために、第１シリコン酸化膜１２の膜
厚は３００Å以下とすることが好ましい。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明の素子分離構造の形
成方法によれば、耐酸化性膜のエッチングの不均一性が
ポリシリコン膜に転写されることがないから、ポリシリ
コン膜の表層部をエッチングした後の残膜は、半導体基
板の各部で均一な膜厚を有することができる。その結
果、フィールド酸化膜のバーズビークの長さを高い精度
で制御することができる。これにより、高い寸法精度で
素子形成領域を分離することができる。

【００２９】さらに、ポリシリコン膜とエッチングスト
ッパ層とを同一のＣＶＤ装置を用いて連続的に形成すれ
ば、比較的簡単な工程で良好な素子分離構造を形成でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の素子分離構造の形成方法を
工程順に示す断面図である。

【図２】図１(d) の工程に続く製造工程を工程順に示す
断面図である。

【図３】先行技術の方法を工程順に示す断面図である。

【図４】図３(d) の工程に続く工程を工程順に示す断面
図である。

【符号の説明】

１１ シリコン基板 １２ 第１シリコン酸化膜 １３ ポリシリコン膜 １４ 第２シリコン酸化膜 １６ シリコン窒化膜 １７ 素子形成領域 １８ レジスト １９ フィールド酸化膜 ２０ バーズビーク

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】耐酸化性膜をマスクとした選択的酸化によ
   って半導体基板上にフィールド酸化膜を成長させること
   により、素子分離構造を形成する方法であって、 半導体基板上に所定膜厚のポリシリコン膜を形成する工
   程と、 ポリシリコン膜の上に、耐酸化性膜のエッチングの不均
   一性が上記ポリシリコン膜に転写されることを防止する
   ためのエッチングストッパ層を形成する工程と、 エッチングストッパ層の上に耐酸化性膜を形成する工程
   と、 所定領域に耐酸化性膜を残すように、この耐酸化性膜を
   上記エッチングストッパ層が露出するまで選択的にエッ
   チングし、露出したエッチングストッパ層を残した状態
   でエッチングを停止する工程と、 上記エッチングストッパ層の露出部分を除去して、上記
   ポリシリコン膜の上記耐酸化性膜が形成されている領域
   以外の領域を露出させる工程と、 上記ポリシリコン膜の露出部分の表層部を上記所定膜厚
   よりも薄い所定厚さだけエッチングする工程と、 上記耐酸化性膜をマスクとした選択的な酸化により、耐
   酸化性膜が形成されている領域以外の領域にフィールド
   酸化膜を成長させる工程とを含むことを特徴とする素子
   分離構造の形成方法。
2. 【請求項２】上記ポリシリコン膜を形成する工程の前
   に、上記半導体基板の表面に酸化膜を形成する工程をさ
   らに含み、 上記ポリシリコン膜は上記酸化膜の表面に形成されるこ
   とを特徴とする請求項１記載の素子分離構造の形成方
   法。
3. 【請求項３】上記酸化膜の膜厚は、３００Å以下である
   ことを特徴とする請求項２記載の素子分離構造の形成方
   法。
4. 【請求項４】上記ポリシリコン膜と上記エッチングスト
   ッパ層とは、同一のＣＶＤ装置を用いて連続的に形成さ
   れることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載
   の素子分離構造の形成方法。
5. 【請求項５】上記ポリシリコン膜の膜厚は、１５００Å
   以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
   に記載の素子分離構造の形成方法。
6. 【請求項６】上記エッチングストッパ層はシリコン酸化
   膜からなり、その膜厚は３００Å以下であることを特徴
   とする請求項１乃至５のいずれかに記載の素子分離構造
   の形成方法。