JP3382143B2 - シリコン基板に分離領域を形成する方法および分離領域の構造 - Google Patents

シリコン基板に分離領域を形成する方法および分離領域の構造

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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、溝分離集積回路処
理の分野に関し、特に、溝分離構造の処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】溝分離は半導体産業で用いられ、半導体
の表面形状作成技術を軽減するとともに隣接する半導体
装置をより良く分離する。溝分離構造におけるライナす
なわち被覆層を改良するための様々な提案がなされてき
た。Ｆａｈｅｙ他による米国特許５，４４７，８８４号
は本願の援用文献であり、浅溝分離に用いるための、選
択的に熱酸化物層を備える窒化物ライナを開示してい
る。Ｋａｗａｍｕｒａ他による米国特許５，１８９，５
０１号、Ｐｏｏｎ他による米国特許５，１９０，８８９
号、Ｔａｋｅｍｕｒａ他による米国特許５，０９９，３
０４号、Ｆｒｅｅｍａｎによる米国特許５，２０６，１
８２号、Ｈｕｎｔｅｒ他による米国特許４，６３１，８
０３号およびＡｏｋｉ他による米国特許５，３８４，２
８０号は本願の援用文献であり、溝分離のために二酸化
珪素（熱酸化物）層上に窒化珪素層が付着されている同
様の構造を開示している。
【０００３】Ｈｕｎｔｅｒ他による米国特許４，６３
１，８０３号は、さらに、窒化物層上に付着された第２
の酸化物層および第２の酸化物層上に付着された第２の
窒化物層を開示している。
【０００４】Ｐｏｐｏｎｉａｋ他によるＩＢＭテクニカ
ル・ディスクロージャ・ブリテン（IBM Technical Disc
losure Bulletin）、Ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．３、ｐ．９
０５（１９７６年８月）は本願の援用文献であり、誘電
体分離に用いる酸窒化珪素（silicon oxynitride）から
なる表面皮膜を作成する陽極酸化法を開示している。
【０００５】窒化珪素ライナは優れたＯ2拡散バリヤで
ある。窒化珪素ライナは浅溝構造と同様に深溝において
成長し得る酸化物の量を制限し、またトレンチキャパシ
タアレー内におけるシリコン結晶欠陥の形成を抑制す
る。しかしながら、付着したままの状態の窒化珪素ライ
ナには２つの問題がある。第１に、付着したままの状態
の窒化珪素ライナは電荷捕獲源であり、支持回路におい
て許容範囲を超えるレベルの接合漏れを引き起こす。最
近の研究では、電荷捕獲の大多数は窒化珪素ライナと溝
を充填するために用いられる付着酸化物との界面で発生
することが示されている。第２に、窒化珪素ライナの許
容可能な処理条件範囲が非常に狭い。ライナが４ｎｍ以
下の厚さに付着された場合、ライナは効果的なＯ2拡散
バリヤでなくなり、トレンチキャパシタアレーに欠陥が
生じ易い。ライナ厚が５ｎｍを超える場合、ライナはパ
ッド窒化物膜をシリコン表面から剥離するために用いら
れる熱燐酸によって侵され易い。窒化珪素ライナおよび
酸化物充填材にくぼみが形成され、（ゲート導体部分と
して用いられる）ポリシリコン、金属または異種材料を
捕獲する可能性がある。くぼみは、熱燐酸が溝の輪郭線
に沿って侵食する結果として、溝ライナおよび酸化物充
填材がアンダーカットされることによって生じる。上記
の材料のいずれもデバイスの短絡を引き起こす可能性が
ある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、効果的なＯ2拡散バリヤであるとともに、熱燐
酸および他の酸（例えば、フッ化水素酸）に対して耐性
があり、低減された捕獲密度を示す改良されたライナ材
料を有する分離領域を形成することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、本発明
に従う、集積回路のシリコン基板に分離領域を形成する
方法によって達成される。この方法は、シリコン基板の
露出面上に窒化物層を含む保護層を付着する工程と、前
記保護層にエッチング処理を行い、少なくとも１つの分
離マスク開口部を形成する工程と、前記分離マスク開口
部を介してエッチング処理を行い、前記基板に少なくと
も１つの分離溝を形成する工程と、前記分離溝内にコン
フォーマルな窒化物層を付着し、前記窒化物層の一部を
酸化することにより、酸窒化物層／窒化物層の２重層か
らなるコンフォーマル層を形成する工程と、前記コンフ
ォーマル層の上に、前記分離溝を充填するのに十分な厚
さを有する酸化物充填材をＣＶＤ付着する工程と、前記
保護層を剥離する工程とを含む。
【０００８】
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明者は、単層の酸窒化物層、
または２重層の酸窒化物（または酸化物）／窒化物層か
らなる改良されたライナを提案する。このようなライナ
は改良された許容処理範囲を有するとともに、効果的な
Ｏ2拡散バリヤであり、さらに、熱燐酸およびフッ化水
素酸に対して耐性を持つ。
【００１０】図１〜図６、特に、図１を参照すると、本
発明の第１の実施例が示されている。シリコン基板（な
お、シリコン基板という用語はエピタキシャル・シリコ
ン層を含むものとする）の一部は概略的に符号１０で示
され、基板は表面に、厚さ約８ｎｍの従来のパッド酸化
物層１２および厚さ約２２０ｎｍの従来のパッド窒化物
層１４を有する。従来の反応性イオンエッチング法（Ｃ
Ｆ４--ＣＨＦ３--Ａｒ）により、パッド酸化物層１２お
よびパッド窒化物層１４をエッチングし、例えば約０．
１〜１μ程度、通常約０．２５μの深さにエッチングし
て分離溝１６を形成する。
【００１１】図２に示されるように、熱酸化工程によ
り、公称厚さ約１０ｎｍの熱酸化物（ＳｉＯ2）からな
る薄層１８を形成し、表面を安定化させる。熱酸化物層
を形成した方が好ましいが、この形成は選択的に行われ
る。
【００１２】従来技術で直面していた問題は、パッド窒
化物層１４が熱燐酸を用いる従来の剥離処理で剥離され
るとき、燐酸が溝ライナに沿って下方に浸透しくぼみを
形成するということである。このようなくぼみは、溝内
の酸化物充填材（図４の符号２２）および熱酸化物ライ
ナ１８を露出させ、次のエッチング工程で侵食を生じさ
せるので、許容できない。
【００１３】上記従来技術の窒化物ライナはこの問題の
解決に役立つ。しかし、窒化物ライナにとって決定的な
ことは、付着のための許容処理範囲が狭いことである。
窒化物ライナが薄すぎる場合は、効果的なＯ2拡散バリ
ヤでなくなる。窒化物ライナが厚すぎる場合は、熱燐酸
に侵され易くなる。厚すぎる場合と薄すぎる場合の差は
１ｎｍ程度であり、許容処理範囲が非常に狭い。
【００１４】図３を参照すると、厚さ５〜１５ｎｍ程度
の酸窒化物薄膜２０（ＳｉＯｘＮｙ）が熱酸化物ライナ
１８（選択的に形成される）およびパッド窒化物層１４
上に付着される。典型的な付着条件は、付着温度７７０
℃で約５〜１０分間、圧力１７５ｍＴｏｒｒ、ジクロロ
シラン（ＤＣＳ）流量３０ｃｃ、Ｎ2Ｏ：ＤＣＳ比３：
１〜５：１およびＮＨ３：ＤＣＳ比３：１〜５：１であ
る。当業者はこれらのパラメータを環境に合わせて容易
に変更することができよう。
【００１５】図４を参照すると、厚さ４５０〜５００ｎ
ｍのＴＥＯＳ（テトラエチルオルトシリケート）酸化物
をオゾン支援のＣＶＤにより付着し、この酸化物のアニ
ール処理および高密度化（緻密化）処理を行った後の酸
化物充填材２２が示されている。高密度化工程は発熱酸
化アニール（湿式酸化、酸化状態時にアニールするこ
と）として約９００℃の温度で行われる。この温度で湿
式酸化アニールを行った結果は、酸化物充填材２２の緻
密さにおいて、約１０００℃で従来のアニール工程を行
った結果に匹敵する。燐酸に対する腐蝕耐性はアルゴン
中でアニールされた酸化物より良好であると考えられ
る。
【００１６】図５を参照すると、表面の酸窒化物層２
０、パッド窒化物層１４およびパッド酸化物層１２が剥
離された後の同一の溝１６が示されている。酸窒化物ラ
イナ２０は基板表面２４と同一平面にあるように図示さ
れている。
【００１７】最後に、酸化物充填材２２は、例えば、好
適な化学的機械的研磨法によって平坦化され、酸化物充
填材２２は基板１０の表面２４と同一平面になる。その
結果生じる構造は図６に示されている。
【００１８】本発明の第２の実施例は図７〜図１１に示
されている。本発明に係る第２の実施例の最初の２つの
工程は図１および図２に示したものと同一なので、ここ
ではこれ以上説明しない。選択的に形成される熱酸化物
ライナ１８が付着された後、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）層４
２が周知のＬＰＣＶＤ法によって基板４０上に付着され
る。窒化珪素層４２の厚さは約５〜１０ｎｍにすべきで
ある。窒化珪素層４２は非結晶質である。図７に示され
るように、窒化珪素層４２は熱酸化物ライナ１８および
パッド窒化物層１４を被覆する。
【００１９】窒化珪素層４２の付着後、酸化物膜または
酸窒化物膜４４が窒化珪素層４２を酸化することによっ
て形成される（図８参照）。酸化物膜または酸窒化物膜
４４は、湿性水素中で少なくとも９００℃の温度で約１
０分間炉内アニールを行うか、純酸素中で約１１００℃
の温度で４０〜８０秒間急速熱酸化（ＲＴＯ）を行うこ
とによって形成することができる。酸化によって、窒化
珪素層の厚さの約２５％が消費される。酸化物膜または
酸窒化物膜４４の正確な組成は知られていない。形成さ
れた酸化物膜はＳｉＯ2またはＳｉ2Ｎ2Ｏでありうる
が、上記パラメータにしたがって窒化珪素層４２を酸化
することによって効果的な膜が形成されることが分かっ
たので、本発明の目的および利点は形成された正確な組
成に左右されない。
【００２０】酸窒化物／窒化珪素の複合層（複合層の試
料は１１００℃で純酸素中でそれぞれ４０、６０および
８０秒間ＲＴＯ処理を行うことによって形成された）を
熱燐酸に１００秒間（パッド窒化物層およびパッド酸化
物層を除去するのに要する典型的なウェーハ・エッチン
グ時間）に露出させた場合、複合層の厚さは薄くならな
いことが分かった。これは、付着したままの状態で、通
常、熱燐酸中で５．５〜６ｎｍ／分の速度でエッチング
される窒化珪素層に匹敵するはずである。
【００２１】処理は、酸化物充填材２２の付着（図９参
照）、表面の酸化物／酸窒化物膜４４、窒化珪素層４
２、パッド窒化物層１４およびパッド酸化物層１２の剥
離（図１０参照）、酸化物充填材２２の平坦化に続き、
最終的には、図１１に示される構造になる。これらの処
理工程は図４、図５および図６とともに以上に説明して
きた処理工程に相当する。
【００２２】ライナ材料を改良した結果として、浅溝形
成における許容処理範囲を改善することができた。
【００２３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る溝を様々な形
成段階で示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る溝を様々な形
成段階で示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る溝を様々な形
成段階で示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る溝を様々な形
成段階で示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る溝を様々な形
成段階で示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る溝を様々な形
成段階で示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る溝を様々な形
成段階で示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る溝を様々な形
成段階で示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る溝を様々な形
成段階で示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る溝を様々な
形成段階で示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る溝を様々な
形成段階で示す図である。
【符号の説明】 １０ 基板 １２ パッド酸化物層 １４ パッド窒化物層 １６ 分離溝 １８ 熱酸化物ライナ ２０ 酸窒化物ライナ ２２ 酸化物充填材 ２４ 基板表面 ４０ 基板 ４２ 窒化珪素層 ４４ 酸化物膜または酸窒化物膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 591209109 シーメンス アクチェンゲゼルシャフト ＳＩＥＭＥＮＳ ＡＫＴＩＥＮＧＥＳＥ ＬＬＳＣＨＡＦＴ ドイツ連邦共和国 Ｄ−80333 ミュン ヘン ヴィッテルスバッハ−プラッツ ２ (73)特許権者 000003078 株式会社東芝 東京都港区芝浦一丁目１番１号 (72)発明者 ジョン・プレストン・ベネディクト アメリカ合衆国12561 ニューヨーク州、 ニュー・パルツ、 リン・プレイス ４ (72)発明者 デヴィット・マーク・ドビヅィンスキー アメリカ合衆国12533 ニューヨーク州、 ホープウェル・ジャンクション、 シ ェナドア・ロード 29 (72)発明者 フィリップ・リー・フライツ アメリカ合衆国12586 ニューヨーク州、 ウォルデン、 プリズント・アヴェニ ュー 51 (72)発明者 エルヴィン・エヌ・ハンメルル ドイツ国84547 エンメルテインク、 アダルベルト−シュティフタ−シュトラ ッセ 21 (72)発明者 ハーバート・ホ アメリカ合衆国10992 ニューヨーク州、 ワシントンヴィル、 バーネット・ウ ェイ ７ (72)発明者 ジェームス・エフ・モセマン アメリカ合衆国12522 ニューヨーク州、 ドヴァー・プレインズ、 メイフラワ ー・アヴェニュー 51 (72)発明者 ヘルバート・パルム ドイツ国デー−85635 ヘーエンキルヘ ン、 ブルンホシュトラッセ ５ツェー (72)発明者 吉田 聖子 神奈川県横浜市磯子区汐見台２−５− １、2501−922 (72)発明者 高東 宏 神奈川県横浜市磯子区汐見台２−５− ３、2513−1334 (56)参考文献 特開 平４−249324（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−55361（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−67675（ＪＰ，Ａ) (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】シリコン基板の露出面上に窒化物層を含む
    保護層を付着する工程と、 前記保護層にエッチング処理を行い、少なくとも１つの
    分離マスク開口部を形成する工程と、 前記分離マスク開口部を介してエッチング処理を行い、
    前記基板に少なくとも１つの分離溝を形成する工程と、 前記分離溝内にコンフォーマルな窒化物層を付着し、前
    記窒化物層の一部を酸化することにより、酸窒化物層／
    窒化物層の２重層からなるコンフォーマル層を形成する
    工程と、 前記コンフォーマル層の上に、前記分離溝を充填するの
    に十分な厚さを有する酸化物充填材をＣＶＤ付着する工
    程と、 前記保護層を剥離する工程とを含む、集積回路のシリコ
    ン基板に分離領域を形成する方法。
  2. 【請求項２】前記コンフォーマル層付着工程が熱酸化物
    層成長工程の後に行われることを特徴とする請求項１記
    載の分離領域形成方法。
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