JP3229058B2 - Method of manufacturing semiconductor device having filling groove isolation region - Google Patents

Method of manufacturing semiconductor device having filling groove isolation region

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は基板に分離用の溝を形成
し、その溝に誘電体を充填して素子分離を行なう溝充填
分離(トレンチアイソレーションともいう)による分離
領域を有する半導体装置の製造方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having an isolation region formed by trench filling isolation (also referred to as trench isolation) in which a trench for isolation is formed in a substrate and the trench is filled with a dielectric to perform element isolation. And a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体集積回路装置では素子分離を行な
うために選択酸化(LOCOS)により素子分離領域を
形成する方法が最も一般的に行なわれている。しかし、
素子の微細化が進むにつれて、LOCOS構造の素子分
離領域ではバーズビークと称される酸化膜が素子形成領
域に延びる問題があるために、素子分離領域が大きくな
ってしまうことが問題となっている。そのため、素子分
離領域を微細化する1つの方法として基板にトレンチ溝
を掘り、その溝の側壁を絶縁処理した後、その溝に多結
晶シリコンを充填したり、あるいはその溝に他の絶縁物
を充填する溝充填分離方法が種々検討されている。溝充
填分離方法では、溝は異方性エッチング法により基板表
面にほぼ垂直な方向に深く形成される。
2. Description of the Related Art In a semiconductor integrated circuit device, the most common method is to form an element isolation region by selective oxidation (LOCOS) in order to perform element isolation. But,
With the progress of miniaturization of elements, there is a problem that an oxide film called a bird's beak extends to an element formation region in an element isolation region of a LOCOS structure, and thus the element isolation region becomes large. Therefore, as one method of miniaturizing the element isolation region, a trench is dug in the substrate, and the side wall of the trench is insulated, and then the trench is filled with polycrystalline silicon, or another insulator is filled in the trench. Various methods of filling and separating grooves have been studied. In the groove filling and separating method, grooves are formed deeply in a direction substantially perpendicular to the substrate surface by anisotropic etching.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明は溝充填方法に
よる素子分離領域の改良に関するものであり、提案され
ているものよりも更に高耐圧の分離領域を備えた半導体
装置の製造方法を提供することを目的とするものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to an improvement in an element isolation region by a groove filling method, and more particularly, to a semiconductor device having an isolation region with a higher breakdown voltage than that proposed.
It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a device .

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明が対象とする半導
体装置では、素子分離領域に上方に向って開いた形状の
溝が形成され、その溝には誘電体が充填され、かつその
誘電体は少なくとも2層からなり、溝の深い部分に充填
された誘電体層の方が浅い部分に充填された誘電体層よ
りも誘電率が高いものとなっている。基板に形成された
溝の好ましい形状は、深い部分ではその側壁が基板表面
に対して垂直に近いものであり、浅い部分ではその側壁
がそれより緩やかになっている。
In a semiconductor device to which the present invention is directed, a groove having an upwardly open shape is formed in an element isolation region, and the groove is filled with a dielectric material. The dielectric is composed of at least two layers, and the dielectric layer filled in the deep portion of the groove has a higher dielectric constant than the dielectric layer filled in the shallow portion. The preferred shape of the groove formed in the substrate is such that the side wall is nearly perpendicular to the substrate surface in a deep portion, and the side wall is gentler in a shallow portion.

【0005】そのような分離領域を形成するために、本
発明の製造方法は以下の工程(A)から(E)を含んで
いる。(A)シリコン基板上に分離領域に開口を有する
レジストパターンを形成する工程、(B)そのレジスト
パターンをマスクとして等方性エッチング法により分離
領域の所定の深さの半分以下の深さまでエッチングする
工程、(C)前記レジストパターンをマスクとして異方
性エッチング法により分離領域の所定の深さまでエッチ
ングして溝を形成する工程、(D)前記溝の深い部分に
高誘電率誘電体を形成する工程、(E)前記誘電体より
も低い誘電率の誘電体で前記溝の残りの部分を埋め込む
工程。高誘電率の誘電体としてはシリコン窒化物(誘電
率εsが約7.4)やTa(εsが約25)があ
り、低誘電率の誘電体としてはシリコン酸化物(εsが
約3.9)や有機系のシリコンレジンなどがある。
In order to form such an isolation region, the manufacturing method of the present invention includes the following steps (A) to (E). (A) a step of forming a resist pattern having an opening in an isolation region on a silicon substrate; and (B) etching to a depth equal to or less than a half of a predetermined depth of the isolation region by an isotropic etching method using the resist pattern as a mask. (C) a step of forming a groove by etching to a predetermined depth of an isolation region by an anisotropic etching method using the resist pattern as a mask, and (D) forming a high dielectric constant dielectric in a deep portion of the groove. And (E) filling the remaining portion of the groove with a dielectric having a lower dielectric constant than the dielectric. There is a high dielectric constant of silicon nitride as a dielectric (dielectric constant .epsilon.s about 7.4) or Ta 3 O 5 (.epsilon.s about 25), the low dielectric constant of silicon oxide as a dielectric (.epsilon.s about 3.9) and organic silicone resins.

【0006】[0006]

【作用】一方の素子領域からの電気力線は溝の浅い部分
で上部に向って湾曲し、浅い部分に充填された低誘電率
誘電体によって電気力線は更に強く上部へ湾曲して、分
離領域を挾んで対向する一方の素子領域からの影響が他
方の素子領域に及びにくくなる。
The lines of electric force from one element region are curved upward at the shallow portion of the groove, and the lines of electric force are more strongly curved upward by the low dielectric constant dielectric filled in the shallow portion, and are separated. The influence from one element region opposed to the other region is less likely to reach the other element region.

【0007】[0007]

【実施例】図1は一実施例により形成される素子分離領
域の断面形状を表わしたものである。シリコン基板2に
側壁が基板表面にほぼ垂直な深い部分4aと、側壁の傾
斜が緩やかになっている浅い部分4bとからなる溝4が
形成されている。溝4の深い部分4aには高誘電率の誘
電体6aが充填され、浅い部分4bにはそれよりも誘電
率の低い誘電体6bが充填されている。高誘電率誘電体
6aとしては例えばシリコン窒化物が用いられ、低誘電
率誘電体6bとして例えばシリコン酸化物が用いられて
いる。
DETAILED DESCRIPTION FIG. 1 is a representation of the cross-sectional shape of the element isolation region to be more formed to an embodiment. The silicon substrate 2 has a groove 4 formed of a deep portion 4a whose side wall is substantially perpendicular to the substrate surface and a shallow portion 4b whose side wall has a gentle inclination. The deep portion 4a of the groove 4 is filled with a dielectric 6a having a high dielectric constant, and the shallow portion 4b is filled with a dielectric 6b having a lower dielectric constant. For example, silicon nitride is used as the high dielectric constant dielectric 6a, and silicon oxide is used as the low dielectric constant dielectric 6b, for example.

【0008】溝4の浅い部分4bの側壁と基板表面との
なす角をθとし、深い部分4aの側壁と基板表面との
なす角をθとすると、θ>θである。素子分離領
域を挾んで基板から作用する電気力線は、分離用溝4の
側壁に対して垂直方向に入る。溝4が図1のように基板
表面付近では緩やかな傾斜をもっているため、一方の素
子領域からの電気力線は浅い部分4bで側壁に垂直に入
った後、上部に向って湾曲する。この溝4の側壁の傾斜
の効果により一方の素子領域からの電気力線は素子分離
領域を挾んで対向する他方の素子領域へ影響を与えにく
くなる。
[0008] The angle between the side walls of the shallow portion 4b of the groove 4 and the substrate surface and theta 1, when the angle between the sidewall and the substrate surface of the deep portion 4a and theta 2, a θ 1> θ 2. Lines of electric force acting from the substrate across the element isolation region enter the direction perpendicular to the side wall of the isolation groove 4. Since the groove 4 has a gentle inclination near the surface of the substrate as shown in FIG. 1, the lines of electric force from one element region enter the side wall perpendicularly at the shallow portion 4b and then curve upward. Due to the effect of the inclination of the side wall of the groove 4, lines of electric force from one element region hardly affect the other element region opposed to the element isolation region.

【0009】さらに、その溝4には深い部分4aでは高
誘電率誘電体6aが充填され、浅い部分4bでは低誘電
率誘電体6bが充填されている効果が重なり、一方の素
子領域からの電気力線が分離領域に入った後、強く上部
へ湾曲し、深い部分4aの分離領域では上部のより低い
誘電率を有する浅い部分に電気力線が延びる際に再び強
く湾曲することから、分離領域を挾んで対向する一方の
素子領域からの影響が他方の素子領域に一層及びにくく
なる。
Further, the effect of filling the groove 4 with the high dielectric constant dielectric 6a in the deep portion 4a and filling the low dielectric constant dielectric 6b in the shallow portion 4b is superimposed, and the electric current from one element region is overlapped. After the field lines enter the separation region, they are strongly curved upward, and in the separation region of the deep portion 4a, the electric field lines are strongly curved again when they extend to the upper shallow portion having a lower dielectric constant. The influence from one element region opposed to the other element region is further reduced to the other element region.

【0010】このように、素子分離領域の溝4の形状と
充填剤の効果によってこの素子分離領域を挾んで対向す
る素子領域の耐圧が高まる。この素子分離領域をCMO
S回路に適用すると、寄生サイリスターの横型NPNト
ランジスタがオンにするのが妨げられ、その結果ラッチ
アップ耐性も向上する。
As described above, the withstand voltage of the element region opposed to the element isolation region is increased by the shape of the groove 4 in the element isolation region and the effect of the filler. This element isolation region is referred to as CMO
When applied to the S circuit, the lateral NPN transistor of the parasitic thyristor is prevented from turning on, and as a result, the latch-up resistance is improved.

【0011】次に、図2により図1の素子分離領域を製
造する一実施例を説明する。 (A)P型シリコン基板2の表面に、基板2をエッチン
グするためのマスクとなるべき層を形成する。その層
は、例えばシリコン酸化膜10とその上に形成されたレ
ジスト層12である。 (B)レジスト層12に写真製版により素子分離領域に
開口14をもつようにパターン化を施す。
Next, an embodiment for manufacturing the element isolation region of FIG. 1 will be described with reference to FIG. (A) A layer to be a mask for etching the substrate 2 is formed on the surface of the P-type silicon substrate 2. The layer is, for example, a silicon oxide film 10 and a resist layer 12 formed thereon. (B) The resist layer 12 is patterned by photolithography so as to have an opening 14 in an element isolation region.

【0012】(C)レジスト層12をマスクとしてシリ
コン酸化膜10にウエットエッチングや等方性ドライエ
ッチングによる等方性エッチングを施し、さらに続いて
基板2にも等方性エッチングを施す。エッチングの深さ
は形成しようとする溝の所定の深さの1/2又はそれ以
下とする。等方性エッチングでは、サイドエッチングも
起こり、エッチングされる領域はレジスト層12の下側
にも進行してそのエッチングされた領域(浅い部分4
b)の側壁は基板表面に対して垂直な方向よりも緩やか
な傾斜をもつ。
(C) Using the resist layer 12 as a mask, the silicon oxide film 10 is subjected to isotropic etching by wet etching or isotropic dry etching, and subsequently, the substrate 2 is also subjected to isotropic etching. The etching depth is 1 / or less of a predetermined depth of a groove to be formed. In the isotropic etching, side etching also occurs, and the region to be etched advances to the lower side of the resist layer 12 and the etched region (shallow portion 4).
The side wall of b) has a gentler slope than the direction perpendicular to the substrate surface.

【0013】(D)次に、レジスト層12をマスクとし
て、今度は異方性ドライエッチングにより基板2に所定
の深さまでエッチングを施して溝の深い部分4aを形成
する。深い部分4aと浅い部分4bとからなる溝4の深
さはウエルと同等程度であり、例えば1〜3.5μmで
ある。
(D) Next, using the resist layer 12 as a mask, the substrate 2 is etched to a predetermined depth by anisotropic dry etching to form a deep portion 4a of a groove. The depth of the groove 4 composed of the deep part 4a and the shallow part 4b is about the same as the well, for example, 1 to 3.5 μm.

【0014】その後、レジスト12層を除去し、溝4に
誘電体を充填する。溝の深い部分では高誘電率誘電体を
充填するために、全面にシリコン窒化膜を堆積し、エッ
チバックを施して溝の深い部分に残す。次に、低誘電率
誘電体として例えばシリコン酸化膜を堆積し、エッチバ
ックを施して溝内のみにシリコンレジンを残す。これに
より、溝の深い部分がシリコン窒化物で充填され、浅い
部分がシリコン酸化物で充填されて、図1に示された状
態となる。
Thereafter, the resist 12 is removed, and the groove 4 is filled with a dielectric. A silicon nitride film is deposited on the entire surface to fill a high dielectric constant dielectric in a deep portion of the groove, and is etched back to be left in the deep portion of the groove. Next, for example, a silicon oxide film is deposited as a low dielectric constant dielectric material, and is etched back to leave the silicon resin only in the trench. Thereby, the deep portion of the trench is filled with silicon nitride, and the shallow portion is filled with silicon oxide, and the state shown in FIG. 1 is obtained.

【0015】本発明では、分離用の溝の形状は図1に示
された形状に限らず、例えば溝の断面形状がV字形のも
のとすることもできる。V字形の溝はシリコン基板をア
ルカリ性のエッチング液でエッチングすることによって
形成することができる。溝に充填剤を充填する方法も実
施例に示されたものに限らない。また、充填剤が充填さ
れた状態では図1のように上層と下層に分かれたもので
あるものに限らず、例えば底部及び側部が高誘電率誘電
体からなり、中心部が低誘電率誘電体からなるように誘
電体を溝に充填したものであってもよい。
In the present invention, the shape of the separating groove is not limited to the shape shown in FIG. 1 , and for example, the sectional shape of the groove may be V-shaped. The V-shaped groove can be formed by etching the silicon substrate with an alkaline etchant. The method of filling the groove with the filler is not limited to the method described in the embodiment. Further, in the state where the filler is filled, the material is not limited to the one divided into an upper layer and a lower layer as shown in FIG. The groove may be filled with a dielectric so as to be made of a body.

【0016】[0016]

【発明の効果】本発明により形成される溝充填分離領域
では、その溝は上方に向って開いた形状に形成され、そ
の溝の深い部分に充填された誘電体層の方が浅い部分に
充填された誘電体層よりも誘電率が高いものとなってい
るので、一方の素子領域からの電気力線は溝の浅い部分
で上部に向って湾曲し、浅い部分に充填された低誘電率
誘電体によって電気力線は更に強く上部へ湾曲して、分
離領域を挾んで対向する一方の素子領域からの影響が他
方の素子領域に及びにくくなる。これにより、分離領域
を挾んで対向する素子領域間の耐圧が向上するととも
に、寄生サイリスタのラッチアップ耐圧も向上する。
According to the present invention , in the groove filling isolation region formed by the present invention, the groove is formed in an upwardly open shape, and the dielectric layer filled in the deep part of the groove is filled in the shallow part. Since the dielectric constant is higher than that of the formed dielectric layer, the lines of electric force from one element region are curved upward at the shallow part of the groove, and the low dielectric constant dielectric is filled in the shallow part. The lines of electric force are more strongly bent upward by the body, and the influence from one element region opposed to the separation region is less likely to reach the other element region. As a result, the withstand voltage between the element regions facing each other across the isolation region is improved, and the latch-up withstand voltage of the parasitic thyristor is also improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】一実施例により形成される素子分離領域を示す
断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an element isolation region formed according to one embodiment.

【図2】一実施例を示す工程断面図である。FIG. 2 is a process sectional view showing one embodiment .

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 シリコン基板 4 分離用溝 4a 溝の深い部分 4b 溝の浅い部分 6a 高誘電率誘電体 6b 低誘電率誘電体 12 レジストパターン 2 Silicon substrate 4 Separation groove 4a Deep groove portion 4b Shallow groove portion 6a High dielectric constant dielectric 6b Low dielectric constant dielectric 12 Resist pattern

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 以下の工程(A)から(E)を含んで分
離領域を形成する半導体装置の製造方法。 (A)シリコン基板上に分離領域に開口を有するレジス
トパターンを形成する工程、 (B)そのレジストパターンをマスクとして等方性エッ
チング法により分離領域の所定の深さの半分以下の深さ
までエッチングする工程、 (C)前記レジストパターンをマスクとして異方性エッ
チング法により分離領域の所定の深さまでエッチングし
て溝を形成する工程、 (D)前記溝の深い部分に高誘電率誘電体を形成する工
程、 (E)前記誘電体よりも低い誘電率の誘電体で前記溝の
残りの部分を埋め込む工程。
1. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: (A) to (E); (A) a step of forming a resist pattern having an opening in a separation region on a silicon substrate; (B) etching using the resist pattern as a mask to a depth equal to or less than a half of a predetermined depth of the separation region by an isotropic etching method; (C) a step of forming a groove by etching to a predetermined depth of the isolation region by an anisotropic etching method using the resist pattern as a mask, and (D) forming a high dielectric constant dielectric in a deep portion of the groove. (E) filling the remaining portion of the groove with a dielectric having a lower dielectric constant than the dielectric.
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