JP3577024B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。本発明は、特に、トレンチ分離技術が使用されている半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
集積度が高いLSIでは、素子分離のためにトレンチ分離(Shallow Trench Isolation)が広く採用されている。素子分離法としては、LSIの黎明期からLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法が広く使用されてきた。しかし、バーズビークの抑制と素子分離能力の両立が困難である点から、LOCOS法ではLSIの高集積化が困難になってきている。そこで、シリコン基板に設けられた溝(トレンチ)を絶縁物により埋めることによって素子分離領域を形成するトレンチ分離法が、LOCOS法に代わって採用されるようになってきている。
【0003】
図12は、典型的な、トレンチ分離を使用した半導体装置の構造を示す。シリコン基板101にトレンチ(溝)102が形成されている。トレンチ102の内面は、熱酸化により形成された酸化シリコン膜103に被覆されている。酸化シリコン膜103の上面には、窒化シリコンで形成されたライナ104が形成されている。ライナ104の上面には、酸化シリコン膜105が形成され、トレンチ102が埋め込まれている。
【0004】
ライナ104は、シリコン基板101に発生する内部応力を緩和するために設けられている。トレンチ分離法では、シリコン基板101と酸化シリコン膜103及び105との熱膨張係数の相違により、シリコン基板101に応力が印加される。シリコン基板101への応力の印加は、シリコン基板101に結晶欠陥を発生し、その結果、接合リーク電流が増加して半導体装置の誤動作を招く。ライナ104は、シリコン基板101に印加される応力を緩和し、半導体装置の信頼性を向上する。
【0005】
トレンチ分離を採用した半導体装置の半導体基板に印加される応力は、なるべく小さいことが望まれる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、トレンチ分離を採用した半導体装置の半導体基板に印加される応力を、一層小さくする技術を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
以下に、[発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段が説明される。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]の記載との対応関係を明らかにするために付加されている。但し、付加された番号・符号は、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【0008】
本発明による半導体装置は、素子分離のためのトレンチ(2)が設けられた半導体基板(1)と、トレンチ(2)に対向して形成され、半導体基板(1)にかかっている応力を緩和する絶縁膜(4)とを備えている。絶縁膜(4)は、トレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分と、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分とを含む。トレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分の膜厚(X)は、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分の膜厚(Y)よりも薄い。半導体基板(1)のうちトレンチ(2)の底面(2a)の近傍の部分と、トレンチ(2)の側面(2b)の近傍の部分とでは、印加される応力の大きさが異なる。トレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分の膜厚(X)が、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分の膜厚(Y)よりも薄いことにより、半導体基板(1)に印加される応力をより小さくすることができる。
【0009】
このとき、トレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分の膜厚(X)は、0であることが可能である。即ち、絶縁膜(4)は、トレンチ(2)の側面(2b)に対向し、トレンチ(2)の底面(2a)に対向しないことが可能である。この場合でも、半導体基板(1)に印加される応力をより小さくすることが可能である。
【0010】
当該半導体装置が、前記トレンチの内部に位置し、且つ、前記半導体基板に圧縮応力を作用する他の絶縁膜を備えている場合、絶縁膜(4)が半導体基板に作用する応力は、引っ張り応力であることが好ましい。
【0011】
本発明による半導体装置は、素子分離のためのトレンチ(2)が設けられた半導体基板(1)と、トレンチ(2)の内壁に形成された酸化シリコン膜(3)と、酸化シリコン膜(3)の上に形成され、且つ、半導体基板(1)に引っ張り応力を作用する絶縁膜(4)とを備えている。絶縁膜(4)は、トレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分と、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分とを含む。トレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分の膜厚(X)は、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分の膜厚(Y)よりも薄い。酸化シリコン膜(3)は、半導体基板(1)に圧縮応力を作用する。このとき、半導体基板(1)に引っ張り応力を作用する絶縁膜(4)のうちのトレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分の膜厚(X)が、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分の膜厚(Y)よりも薄いことにより、半導体基板(1)に印加される応力をより小さくすることができる。
【0012】
上述の絶縁膜(4)は、窒化シリコンと酸化窒化シリコンとからなる群のうちから選ばれた一の材料で形成されることが好ましい。
【0013】
本発明による半導体装置は、素子分離のためのトレンチ(2)が設けられた半導体基板(1)と、トレンチ(2)の内壁に形成された酸化シリコン膜(3)と、酸化シリコン膜(3)の上に、窒化シリコンと酸化窒化シリコンとからなる群のうちから選ばれた一の材料で形成された絶縁膜(4)とを備えている。絶縁膜(4)は、トレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分と、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分とを含み、第1部分の膜厚は、第2部分の膜厚よりも薄い。酸化シリコン膜(3)は、半導体基板(1)に圧縮応力を作用する。一方、窒化シリコンと酸化窒化シリコンとからなる群のうちから選ばれた一の材料で形成された絶縁膜(4)は、半導体基板(1)に引っ張り応力を作用する。このとき、酸化シリコン膜(3)によって半導体基板(1)に印加される応力の大きさは、半導体基板(1)のうちトレンチ(2)の底面(2a)の近傍の部分と、トレンチ(2)の側面(2b)の近傍の部分とで異なる。絶縁膜(4)のうちのトレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分の膜厚(X)が、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分の膜厚(Y)よりも薄いことにより、半導体基板(1)に印加される応力をより小さくすることができる。
【0014】
このとき、トレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分の膜厚(X)は、0であることが可能である。即ち、絶縁膜(4)は、トレンチ(2)の側面(2b)に対向し、トレンチ(2)の底面(2a)に対向しないことが可能である。この場合でも、半導体基板(1)に印加される応力をより小さくすることが可能である。
【0015】
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板(1)に、素子分離のためのトレンチ(2)を形成する第1工程と、半導体基板(1)にかかっている応力を緩和する絶縁膜(4)を、トレンチ(2)に対向して形成する第2工程とを備えている。絶縁膜(4)のうちのトレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分の膜厚は、絶縁膜(4)のうちのトレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分の膜厚よりも薄い。
【0016】
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板(1)に、素子分離のためのトレンチ(2)を形成する第1工程と、半導体基板(1)にかかっている応力を緩和する絶縁膜(4)を、トレンチ(2)に対向して形成する第2工程とを備えている。絶縁膜(4)は、トレンチ(2)の側面(2b)に対向し、トレンチ(2)の底面(2a)に対向しない。
【0017】
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板(1)に、素子分離のためのトレンチ(2)を形成する第1工程と、トレンチ(2)の内壁を被覆する酸化シリコン膜(3)を形成する第2工程と、酸化シリコン膜(3)の上に、半導体基板(1)にかかっている応力を緩和する絶縁膜(4)を形成する第3工程とを備えている。絶縁膜(4)は、トレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分と、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分とを含む。トレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分の膜厚は、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分の膜厚よりも薄い。
【0018】
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板(1)に、素子分離のためのトレンチ(2)を形成する第1工程と、トレンチ(2)の内壁を被覆する酸化シリコン膜(3)を形成する第2工程と、酸化シリコン膜(3)の上に、半導体基板(1)に引っ張り応力を作用する絶縁膜(4)を形成する第3工程とを備えている。絶縁膜(4)は、トレンチ(2)の側面(2b)に対向し、トレンチ(2)の底面(2a)に対向しない。
【0019】
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板(1)に、素子分離のためのトレンチ(2)を形成する第1工程と、トレンチ(2)の内壁を被覆する酸化シリコン膜(3)を形成する第2工程と、酸化シリコン膜(3)の上に、窒化シリコンと酸化窒化シリコンとからなる群のうちから選ばれた一の材料で形成された絶縁膜(4)とを備えている。絶縁膜(4)は、トレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分と、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分とを含み、第1部分の膜厚は、第2部分の膜厚よりも薄い。酸化シリコン膜(3)は、半導体基板(1)に圧縮応力を作用する。一方、窒化シリコンと酸化窒化シリコンとからなる群のうちから選ばれた一の材料で形成された絶縁膜(4)は、半導体基板(1)に引っ張り応力を作用する。このとき、酸化シリコン膜(3)によって半導体基板(1)に印加される応力の大きさは、半導体基板(1)のうちトレンチ(2)の底面(2a)の近傍の部分と、トレンチ(2)の側面(2b)の近傍の部分とで異なる。絶縁膜(4)のうちのトレンチ(2)の底面(2a)に対向する第1部分の膜厚(X)が、トレンチ(2)の側面(2b)に対向する第2部分の膜厚(Y)よりも薄いことにより、半導体基板(1)に印加される応力をより小さくすることができる。
【0020】
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板(1)に、素子分離のためのトレンチ(2)を形成する第1工程と、トレンチ(2)の内壁を被覆する酸化シリコン膜(3)を形成する第2工程と、酸化シリコン膜(3)の上に、窒化シリコンと酸化窒化シリコンとからなる群のうちから選ばれた一の材料で形成された絶縁膜(4)とを備えている。絶縁膜(4)は、トレンチ(2)の側面(2b)に対向し、トレンチ(2)の底面(2a)に対向しない。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明による半導体装置及びその製造方法の実施の一形態を説明する。
【0022】
本発明による半導体装置の実施の一形態では、図1に示されているように、シリコン基板1に、素子分離のためのトレンチ2が形成されている。トレンチ2の内面は、酸化シリコン膜3により被覆されている。酸化シリコン膜3は、ライナ4により被覆されている。ライナ4の上には酸化シリコン膜5が形成され、トレンチ2は、酸化シリコン膜3、ライナ4、酸化シリコン膜5により埋め込まれている。
【0023】
ライナ4は、窒化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜のように、圧縮応力である内部応力を有し、シリコン基板1に引っ張り応力を作用する絶縁膜で形成されている。このように形成されているライナ4は、シリコン基板1に印加される応力を緩和する。酸化シリコン膜3、5は、引っ張り応力である内部応力を有し、シリコン基板1に圧縮応力を印加する。圧縮応力である内部応力を有し、シリコン基板1に引っ張り応力を作用するライナ4が形成されることにより、シリコン基板1に作用する応力が緩和される。
【0024】
ライナ4のうち、トレンチ2の底面2aに対向する部分の膜厚Xは、トレンチ2の側面2bに対向する部分の膜厚Yよりも薄くされ、その結果、シリコン基板1に作用する応力が一層小さくされている。発明者は、シリコン基板1のうちのトレンチ2の底面2aの近傍の部分に印加される応力が、トレンチ2の側面2bの近傍の部分に印加される応力と異なることも小さいことを見出した。この応力の違いに対応して、膜厚Xが膜厚Yよりも薄くされることにより、シリコン基板1に作用する応力の一層の抑制が実現されている。
【0025】
図2は、図1中のトレンチ2の底面の近傍の位置Aと、トレンチ2の側面の近傍の位置Bとにおいて、シリコン基板1に作用する応力を示す。シリコン基板1に作用する応力は、収束電子線回折(Convergent Beam Electron Diffraction: CBED)法により測定されている。線分11は、図1と同様の構造においてライナ4が設けられなかった場合に、シリコン基板1に作用する応力を示す。線分12は、図1と同様の構造において、ライナ4の膜厚が均一にされた場合に、シリコン基板1に作用する応力を示す。線分13は、図1に示された構造を有する半導体装置においてシリコン基板1に作用する応力を示す。
【0026】
線分12が示しているように、ライナ4の膜厚が均一である場合、トレンチ2の側面の近傍の位置Bにおいてシリコン基板1に作用する応力は小さいが、トレンチ2の底面の近傍の位置Aにおいて、かなりの引っ張り応力がシリコン基板1に作用する。これは、ライナ4は、位置Aにおいて、過剰な引っ張り応力をシリコン基板1に作用していることを意味している。
【0027】
一方、線分13が示しているように、ライナ4のうち、トレンチ2の底面2aに対向する部分の膜厚Xを、トレンチ2の側面2bに対向する部分の膜厚Yよりも薄くすることにより、過剰な引っ張り応力がシリコン基板1に作用することが防がれ、これにより位置Aにおいてシリコン基板1に作用する応力を極めて小さくすることができる。
【0028】
図1において、ライナ4のうち、トレンチ2の底面2aに対向する部分の膜厚Xは、シリコン基板1に作用する応力に応じて調整される。このとき、シリコン基板1に作用する応力の大きさによっては、図3に示されているように、膜厚Xが0である、即ち、ライナ4のうち、トレンチ2の底面2aに対向する部分が実質的に存在しないことが可能である。
【0029】
続いて、図1に示された半導体装置の製造方法を説明する。
【0030】
図4に示されているように、シリコン基板1の表面が熱酸化され、犠牲酸化膜6が形成される。犠牲酸化膜6の膜厚は、典型的には、10〜20nmである。
【0031】
続いて、図5に示されているように、犠牲酸化膜6の上に窒化シリコン膜7が形成される。窒化シリコン膜7の膜厚は、典型的には、100〜200nmである。
【0032】
続いて、犠牲酸化膜6と窒化シリコン膜7とが、当業者にとって周知の技術によりパターニングされる。更に、パターニングされた犠牲酸化膜6と窒化シリコン膜7とをマスクとしてシリコン基板1がエッチングされ、図6に示されているように、トレンチ2が形成される。
【0033】
続いて、トレンチ2の内面が熱酸化され、酸化シリコン膜3が形成される。酸化シリコン膜3の膜厚は、典型的には、10〜30nmである。
【0034】
続いて、図7に示されているように、シリコン基板1の表面側の全面に、窒化シリコン膜8が形成される。窒化シリコン膜8は、例えば、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法で形成され、窒化シリコン膜8の膜厚は、実質的に均一である。窒化シリコン膜8の膜厚は、典型的には、3〜10nmである。窒化シリコン膜8は、形成された窒化シリコン膜8が内部応力として圧縮応力を有するような成膜条件で形成される。このとき、窒化シリコン膜8の代わりに、内部応力として圧縮応力を有する他の絶縁膜が形成されることが可能であり、例えば、窒化シリコン膜8の代わりに酸化窒化シリコン膜が形成され得る。
【0035】
続いて、図8に示されているように、窒化シリコン膜8が、シリコン基板1の表面側から、シリコン基板1の厚み方向に異方的にエッチングされる。これにより、窒化シリコン膜8のうち、トレンチ2の底面2aに対向する部分の膜厚が、トレンチ2の側面2bに対向する部分の膜厚よりも薄くなる。このとき、図3に示されているように、ライナ4がトレンチ2の側面2bに対向する部分にのみ形成される場合には、窒化シリコン膜8のうち、トレンチ2の底面2aに対向する部分は、実質的に完全に除去される。窒化シリコン膜8のエッチングは、イオンミリングのように物理的エッチングにより行われることにより行われることが可能であり、また、物理的なエッチングと化学的なエッチングとが併用されて行われることも可能である。
【0036】
続いて、図9に示されているように、酸化シリコン膜9が、CVD法によりシリコン基板1の表面側の全面に形成され、トレンチ2の内部が埋め込まれる。
【0037】
続いて、図10に示されているように、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により、酸化シリコン膜9のうち、トレンチ2の内部並びに犠牲酸化膜6及び窒化シリコン膜7に設けられた開口の内部にない部分が除去される。CMPが行われるとき、窒化シリコン膜8と窒化シリコン膜7とは、ストッパとして作用する。
【0038】
続いて、シリコン基板1が加熱されたリン酸により処理される。リン酸による処理により、図11に示されているように、窒化シリコン膜7と、窒化シリコン膜8のうちのトレンチ2の内部にない部分とが除去される。窒化シリコン膜8のうち、除去されなかった部分は、ライナ4となる。
【0039】
続いて、シリコン基板1がフッ酸により処理される。フッ酸による処理により、犠牲酸化膜6と、酸化シリコン膜9のうちのトレンチ2の内部にない部分とが除去され、図1(又は図3)に示された半導体装置が形成される。その後、当業者にとって周知の技術により、MOSトランジスタその他の素子が形成され、LSIが製造される。
【0040】
本実施の形態の半導体装置では、ライナ4のうちのトレンチ2の底面2aに対向する部分の膜厚Xが、トレンチ2の側面2bに対向する部分の膜厚Yよりも薄くされ、又は、膜厚Xが0にされ、これによりシリコン基板1に作用する応力をより小さくすることが可能である。
【0041】
【発明の効果】
本発明により、トレンチ分離を採用した半導体装置の半導体基板に印加される応力を、一層小さくする技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による半導体装置の実施の一形態を示す。
【図2】図2は、本発明による半導体装置の実施の一形態において、シリコン基板1に作用する応力を示す。
【図3】図3は、本発明による半導体装置の実施の一形態の変形例を示す
【図4】図4は、本発明による半導体装置の実施の一形態の製造方法を示す。
【図5】図5は、本発明による半導体装置の実施の一形態の製造方法を示す。
【図6】図6は、本発明による半導体装置の実施の一形態の製造方法を示す。
【図7】図7は、本発明による半導体装置の実施の一形態の製造方法を示す。
【図8】図8は、本発明による半導体装置の実施の一形態の製造方法を示す。
【図9】図9は、本発明による半導体装置の実施の一形態の製造方法を示す。
【図10】図10は、本発明による半導体装置の実施の一形態の製造方法を示す。
【図11】図11は、本発明による半導体装置の実施の一形態の製造方法を示す。
【図12】図12は、従来の半導体装置を示す。
【符号の説明】
1:シリコン基板
2:トレンチ
3:酸化シリコン膜
4:ライナ
5:酸化シリコン膜
6:犠牲酸化膜
7:窒化シリコン膜
8:窒化シリコン膜
9:酸化シリコン膜
Claims (10)
- 素子分離のためのトレンチが設けられた半導体基板と、
前記トレンチに対向して形成され、前記半導体基板にかかっている応力を緩和する絶縁膜
とを備え、
前記絶縁膜は、
前記トレンチの底面に対向する第1部分と、
前記トレンチの側面に対向する第2部分
とを含み、
前記第1部分の膜厚は、前記第2部分の膜厚よりも薄い
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
更に、前記トレンチの内部に位置し、且つ、前記半導体基板に圧縮応力を作用する他の絶縁膜を備え、
前記絶縁膜は、前記半導体基板に引っ張り応力を作用する
半導体装置。 - 素子分離のためのトレンチが設けられた半導体基板と、
前記トレンチの内壁に形成された酸化シリコン膜と、
前記酸化シリコン膜の上に形成され、且つ、前記半導体基板に引っ張り応力を作用する絶縁膜
とを備え、
前記絶縁膜は、
前記トレンチの底面に対向する第1部分と、
前記トレンチの側面に対向する第2部分
とを含み、
前記第1部分の膜厚は、前記第2部分の膜厚よりも薄い
半導体装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか一に記載の半導体装置において、
前記絶縁膜は、窒化シリコンと酸化窒化シリコンとからなる群のうちから選ばれた一の材料で形成された
半導体装置。 - 素子分離のためのトレンチが設けられた半導体基板と、
トレンチの内壁に形成された酸化シリコン膜と、
前記酸化シリコン膜の上に、窒化シリコンと酸化窒化シリコンとからなる群のうちから選ばれた一の材料で形成された絶縁膜
とを備え、
前記絶縁膜は、
前記トレンチの底面に対向する第1部分と、
前記トレンチの側面に対向する第2部分
とを含み、
前記第1部分の膜厚は、前記第2部分の膜厚よりも薄い
半導体装置。 - 半導体基板に、素子分離のためのトレンチを形成する第1工程と、
前記半導体基板の応力を緩和する絶縁膜を、前記トレンチに対向して形成する第2工程
とを備え、
前記絶縁膜のうちの前記トレンチの底面に対向する第1部分の膜厚は、前記絶縁膜のうちの前記トレンチの側面に対向する第2部分の膜厚よりも薄い
半導体装置の製造方法。 - 請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、
更に、前記トレンチの内部に位置し、且つ、前記半導体基板に圧縮応力を作用する他の絶縁膜を形成する第3工程を備え、
前記絶縁膜は、前記半導体基板に引っ張り応力を作用する
半導体装置の製造方法。 - 半導体基板に、素子分離のためのトレンチを形成する第1工程と、
前記トレンチの内壁を被覆する酸化シリコン膜を形成する第2工程と、
前記酸化シリコン膜の上に、前記半導体基板に引っ張り応力を作用する絶縁膜を形成する第3工程
とを備え、
前記絶縁膜のうちの前記トレンチの底面に対向する第1部分の膜厚は、前記絶縁膜のうちの前記トレンチの側面に対向する第2部分の膜厚よりも薄い
半導体装置の製造方法。 - 請求項6から請求項8のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法において、
前記絶縁膜は、窒化シリコンと酸化窒化シリコンとからなる群のうちから選ばれた一の材料で形成された
半導体装置の製造方法。 - 半導体基板に、素子分離のためのトレンチを形成する第1工程と、
前記トレンチの内壁を被覆する酸化シリコン膜を形成する第2工程と、
前記酸化シリコン膜の上に、窒化シリコンと酸化窒化シリコンとからなる群のうちから選ばれた一の材料により絶縁膜を形成する第3工程
とを備え、
前記絶縁膜のうちの前記トレンチの底面に対向する第1部分の膜厚は、前記絶縁膜のうちの前記トレンチの側面に対向する第2部分の膜厚よりも薄い
半導体装置の製造方法。
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