JP3201300B2 - 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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JP3201300B2 JP01094797A JP1094797A JP3201300B2 JP 3201300 B2 JP3201300 B2 JP 3201300B2 JP 01094797 A JP01094797 A JP 01094797A JP 1094797 A JP1094797 A JP 1094797A JP 3201300 B2 JP3201300 B2 JP 3201300B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に係り、とく
に素子分離領域が微細化された半導体装置に係る。
【0002】
【従来の技術】DRAM等のLSIメモリに代表される
半導体装置の微細化のためには素子の微細化はもちろん
素子分離領域の微細化も重要である。素子分離構造とし
ては従来より選択酸化法が広く用いられており、素子分
離領域の微細化は素子分離領域の下方の不純物領域の高
濃度化と素子分離用Si酸化膜(フィールド酸化膜)の
薄膜化および微細加工技術の進歩により達成されてき
た。しかし従来の選択酸化法による素子分離方法では上
記フィールド酸化膜が素子能動領域までなだらかに伸び
てしまういわゆるバーズビークの問題により0.5μm
プロセス以降においては十分な素子分離能を確保するこ
とが困難になってきた。
【0003】バーズビークの程度を表す尺度としてバー
ズビーク長を用いる。これは上記選択酸化時に用いる耐
酸化性被膜を素子能動領域上のみに形成する時の加工寸
法と選択酸化後の素子能動領域寸法の差の1/2の長さ
である。従来の選択酸化法ではこのバーズビーク長を
0.2μm以下にすることが困難であり、素子分離領域
の最小寸法は0.6μm程度が限界と思われる。
【0004】バーズビーク長を低減する方法が特開昭6
0−65544に記載されている。この従来例は、Si
基板上の薄い熱酸化膜上に形成した、第1のSi窒化膜
と、その周囲のSi基板表面に直付けした第2のSi窒
化膜をマスクとして選択酸化を行う方法である。この方
法に従えば、バーズビーク長を0.1μm以下にするこ
とが可能であり、素子分離領域の最小寸法を0.3μm
以下にすることが可能である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発明者
等はバーズビークを低減することが同時にゲート酸化膜
を貫いて流れるリーク電流の増大を招くことを新たに見
出した。
【0006】本現象は、以下のようにして生ずることが
分かった。バーズビーク長が短くなることにより、素子
分離領域端においてフィールド酸化膜が急激に厚くな
る。通常ゲート酸化膜はこのフィールド酸化膜が形成さ
れた後の段階で熱酸化法により形成される。このとき、
フィールド酸化膜が急激に厚くなっているとゲート酸化
膜が素子分離領域端において他の領域に比べて著しく薄
くなってしまうという現象が生ずる。
【0007】このようになる理由は、フィールド酸化膜
が酸化種のSi基板への到達を阻害すること及び素子分
離領域端の酸化膜にかかる応力が大きくなることであ
る。このようなゲート酸化膜の状態で、ゲート電極とS
i基板との間に電位差を与えると、上記の薄くなった領
域では電子がゲート酸化膜を貫いて流れやすいため、ゲ
ート電極、Si基板間のリーク電流が増加する。
【0008】発明者等が行なった実験では、例えば素子
能動領域の面積が0.01cm2,素子分離領域端の総延
長が130cmであるMOS(メタル オキサイド シ
リコン:Metal Oxide Silicon)キャパシタを用いた場
合、特開昭60−65544号に従い、バーズビーク長
を0.05μmにすると、従来法のバーズビーク長が0.
4μmの場合に比べてゲート酸化膜を貫いて流れるリー
ク電流の値は1000倍以上にも達した。このリーク電
流の増加は素子の動作特性に悪影響を及ぼすのみならず
ゲート酸化膜の長期信頼性をも劣化させる。
【0009】従って、従来の半導体装置では、素子分離
領域を微細化すると素子の信頼性が劣化してしまうとい
う問題があり、実質的には素子分離領域の最小寸法を
0.6μm以下にすることが困難であることが判明し
た。
【0010】本発明の目的は上記リーク電流の増加を低
減することにより、素子分離領域の最小寸法が可能な限
り小さくしかも信頼性の高い半導体装置を提案すること
である。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の代表的な構成は以下のとおりである。
【0012】半導体基板と、該半導体基板に設けられた
素子と素子とを電気的に分離するための分離領域が存在
する第1の領域と、該第1の領域に接し上記素子を形成
するための第2の領域と、該第2の領域に形成されたゲ
ート電極と、該ゲート電極と上記半導体基板との間に形
成されたゲート絶縁膜とを具備する半導体装置を製造す
る方法であって、 (1)上記半導体基板主面の第1の領域に、上記第2の
領域に接する溝を形成す工程と、 (2)熱酸化により上記第1領域の溝の内部に、酸化膜
を形成する工程と、 (3)上記酸化膜が形成された溝を埋め込むように、上
記第1の領域および上記第2の領域に絶縁膜を堆積させ
る工程と、 (4)上記第1の領域に接した上記第2の領域の基板表
面を露出させる工程と、 (5)上記第1の領域に接して露出した第2の領域表面
に、その厚さを10nm以下となるようにゲート絶縁膜
を熱酸化によって形成する工程と、 (6)上記ゲート絶縁膜上に、上記第1の領域の分離領
域上に延びるように上記ゲート電極を形成する工程と、 を具備して成ることを特徴とする半導体装置の製造方
法。
【0013】
【作用】本発明による半導体装置の製造法によれば、選
択酸化を取り入れていないため、従来のバーズビーク長
を短くする手段で素子分離領域端においてゲート酸化膜
が薄くなる問題がないので、リーク電流は増加しない。
従って、微細な素子分離領域を持ち信頼性の高い半導体
装置が実現可能である。
【0014】
【実施例】まず、原出願(特願平2−14934号)明
細書に開示の発明に基づく、各種の膜厚のゲート酸化膜
を有するMOSキャパシタについて、電流電圧特性を測
定した結果を図1に示す。同図は、ゲート酸化膜に8M
V/cmの電界を印加したときのリーク電流密度をゲー
ト酸化膜厚の関数として示したものである。なお、本検
討のように素子分離領域端に限定された現象を取り扱う
場合には、単純にリーク電流値をキャパシタ面積で割っ
た単位面積当りの電流値を用いて比較しても現象を本質
的に把握することができない。そのため、図1の縦軸に
は素子分離領域端の単位長さ当たりのリーク電流〔A/
cm〕を示した。
【0015】本図より以下のことが判る。
【0016】バーズビーク長が0.4μmの場合(曲線
A)リーク電流密度はゲート酸化膜厚に依存しない。他
方、バーズビーク長が0.05μmの場合(曲線B)、
ゲート酸化膜厚が10nm以上の領域ではリーク電流値
が非常に大きいが、ゲート酸化膜厚が薄くなるほどリー
ク電流は減少し、バーズビーク長が0.4μmの場合と
の差が無くなってくる(検出限界値に近づいていく)。
従って、上記バーズビーク長を0.05μmまで短くし
ても、素子分離領域端に接するゲート酸化膜厚を10n
m以下にすれば、ゲート酸化膜の信頼性を損なうことが
無いことが判った。但し、これはゲート酸化膜に印加す
る電圧を低くし、電界強度を一定にした場合であり、ゲ
ート酸化膜に印加される電圧を一定とした場合、ゲート
酸化膜を薄くすることにより上記リーク電流は著しく増
加する。すなわち、ゲート酸化膜を薄くし尚かつ印加す
る電圧を下げて、電界強度をほぼ一定に保つことが重要
である。また、上記電界強度を一定とすることにより、
素子の電気的性能はゲート酸化膜厚が変わっても等しく
保たれる。
【0017】実施例 本発明を、溝埋込素子分離法を用いた半導体装置に適用
した例を図2から図7に示す。
【0018】まず、Si基板301上に厚いSi酸化膜
302を気相成長法により形成した。上記Si酸化膜3
02をリソグラフィ及びドライエッチング技術により加
工し、図2に示すように所望の位置に幅0.3μmの溝
を形成した。さらに、上記Si酸化膜302をエッチン
グマスクとしてSi基板表面をドライエッチングするこ
とにより溝303を形成した。この溝303の内部に、
熱酸化法により薄いSi酸化膜304を形成した後、S
i基板301に対して傾斜角をもってイオン打ち込みす
ることによりチャンネルストッパ305を形成した。こ
の後、気相成長法により溝303の内径の1/2より厚
いSi酸化膜306を堆積することにより図3に示す構
造を得た。
【0019】次に、Si酸化膜306,302をドライ
エッチング技術を用いて平坦化のためのエッチングする
ことにより、Si基板301を露出させ、図4に示すよ
うに基板主面が平坦化された溝埋込法による素子分離構
造が完成した。次いで、図5に示すように熱酸化法によ
り厚さ6nmのゲート酸化膜307を形成し、しきい値
電圧を調整するために、チャネルにイオン打ち込みを行
なってチャネル310を形成した。さらに、ワード線と
なる多結晶Si308を気相成長法により堆積しリソグ
ラフィ及びドライエッチング技術によりゲート加工し
た。なお、ここでは多結晶Si308を気相成長法によ
り堆積すると同時に、リンをドーピングし、多結晶Si
308に導電性を持たせた。 この後イオン打ち込みに
よりソース・ドレイン311を形成し、図6に示す構造
を得た。さらに、気相成長法により厚いSi酸化膜31
2を堆積し、リソグラフィ及びドライエッチング技術に
よりソース・ドレイン311を露出させる。その後、A
l膜313を蒸着し加工することにより、MOSトラン
ジスタの電極を形成し図7に示す半導体装置を完成し
た。 同半導体装置におけるMOSトランジスタ間の分
離領域の長さは種々様々であるが、最小寸法は0.3μ
mである。同半導体装置を動作させ信頼性評価を行なっ
たところ、ゲート酸化膜に加える電界強度を5MV/c
m以下にすれば、実用上十分な信頼性(絶縁破壊寿命)
が得られることが分かった。また、MOSトランジスタ
間の分離特性も良好であった。すなわち、ゲート酸化膜
に印加する電界強度を等しくすれば、選択酸化法を用い
て作成した、素子分離寸法0.8μm、ゲート酸化膜厚
15nmのトランジスタと同程度であった。
【0020】
【発明の効果】上記のように、本発明によればゲート酸
化膜の信頼性を劣化させること無く、素子分離領域の微
細化が可能である。従って、素子分離領域が微細であり
尚且つ信頼性の高い半導体装置が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の効果を示す特性曲線図。
【図2】本発明を溝埋込素子分離法を用いたトランジス
タに適用した実施例の素子形成過程を示す断面図。
【図3】本発明を溝埋込素子分離法を用いたトランジス
タに適用した実施例の素子形成過程を示す断面図。
【図4】本発明を溝埋込素子分離法を用いたトランジス
タに適用した実施例の素子形成過程を示す断面図。
【図5】本発明を溝埋込素子分離法を用いたトランジス
タに適用した実施例の素子形成過程を示す断面図。
【図6】本発明を溝埋込素子分離法を用いたトランジス
タに適用した実施例の素子形成過程を示す断面図。
【図7】本発明を溝埋込素子分離法を用いたトランジス
タに適用した実施例の素子形成過程を示す断面図。
【符号の説明】
301…Si基板、302…Si酸化膜、1307…ゲ
ート酸化膜、308…多結晶Si、303…溝、30
4,306,312…Si酸化膜、305…チャネルス
トッパ、310…チャネル、311…ソース・ドレイ
ン、313…Al膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 須藤 敬己 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−90149(JP,A) 特開 平1−186645(JP,A) 特開 昭62−275393(JP,A) 特開 昭62−46556(JP,A) IEEE Transactions on Electron Devic es.Vol.36,No.6,June 1989,pp1110−1116

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、該半導体基板に設けられ
    た素子と素子とを電気的に分離するための分離領域が存
    在する第1の領域と、該第1の領域に接し上記素子を形
    成するための第2の領域と、該第2の領域に形成された
    ゲート電極と、該ゲート電極と上記半導体基板との間に
    形成されたゲート絶縁膜とを具備する半導体装置を製造
    する方法であって、 (1)上記半導体基板主面の第1の領域に、上記第2の
    領域に接する溝を形成す工程と、 (2)熱酸化により上記第1領域の溝の内部に、酸化膜
    を形成する工程と、 (3)上記酸化膜が形成された溝を埋め込むように、上
    記第1の領域および上記第2の領域に絶縁膜を堆積させ
    る工程と、 (4)上記第1の領域に接した上記第2の領域の基板表
    面を露出させる工程と、 (5)上記第1の領域に接して露出した第2の領域表面
    に、その厚さを10nm以下となるようにゲート絶縁膜
    を熱酸化によって形成する工程と、 (6)上記ゲート絶縁膜上に、上記第1の領域の分離領
    域上に延びるように上記ゲート電極を形成する工程と、 を具備して成ることを特徴とする半導体装置の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 上記工程(3)は、上記溝内部に熱酸化
    法により薄い酸化膜を形成した後、気相成長法により上
    記溝の内径の1/2より厚い酸化膜を堆積することを特
    徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 半導体主面の第1の領域に溝埋込分離領
    域が設けられ、上記第1の領域に接した第2の領域にゲ
    ート絶縁膜を介してワード線が設けられた半導体装置の
    製造方法であって、 (1)上記第1の領域主面に素子分離用溝を形成する工
    程、 (2)上記溝の内部に熱酸化により酸化膜を形成する工
    程、 (3)上記酸化膜が形成された溝を埋め込むように第1
    の領域および上記第2の領域に絶縁膜を堆積する工程、 (4)上記堆積した絶縁膜を除去して、第1領域の溝内
    に該絶縁膜を残し、該溝内の絶縁膜に接する上記第2の
    領域表面を露出させる工程、 (5)熱酸化法により、上記露出した第2領域表面に、
    上記第1領域に接して厚さ10nm以下のゲート酸化膜
    を形成する工程、 (6)上記ゲート酸化膜上に、上記第1の領域の溝埋込
    分離領域上に延びるようにワード線を形成する工程、 とから成る半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】(1)半導体基板のMOSトランジスタが
    形成される選択された第1の主面部を覆うようにエッチ
    ングマスクを設ける工程、 (2)上記エッチングマスクが形成されていない半導体
    基板の分離領域が形成される第2の主面部ドライエッ
    チングによって溝を形成する工程、 (3)上記溝表面に熱酸化により酸化膜を形成し、上記
    酸化膜が形成された溝内および上記第1の主面部に気相
    成長法により酸化膜を堆積する工程、 (4)上記分離領域端に接する第1の主面を露出する工
    程、 (5)上記分離領域端に接する第1の主面部の露出した
    基板表面に、その厚さが10nm以下となるようにゲー
    ト絶縁膜を熱酸化によって形成する工程、 (6)上記ゲート絶縁膜上に、上記分離領域上に延びる
    ようにゲート電極を形成する工程、 (7)上記工程(6)の後、上記第1の主面部にMOS
    トランジスタのソース・ドレインを形成する工程、 とから成ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 上記ゲート絶縁膜の厚さは6nm以下に
    形成することを特徴とする請求項1、3および4のいず
    れかに記載の半導体装置の製造方法。
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