JP3715480B2 - 半導体装置の素子分離膜形成方法 - 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の製造方法に係り、詳細には半導体装置の素子分離膜形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体基板のフィールド領域にトレンチを形成した後、形成されたトレンチに絶縁膜を埋込んで平坦化した後半導体基板の活性領域をマスキングするマスク層パターンを除去する一連の過程が一般的なトレンチ型素子分離膜を形成する過程である。
【0003】
ゲート酸化膜の特性はトレンチに埋込まれた素子分離膜の形態に従って変わる。例えば、素子分離膜がトレンチの側面と垂直に接触される場合、この部分に形成されるゲート酸化膜は他の部分に形成されるゲート酸化膜に比して薄く形成される。
【0004】
ゲート酸化膜のある部分が他の部分に比して薄くなる場合、ゲート酸化膜の厚さが薄い部分に電圧が集中されてゲート酸化膜の絶縁が破壊されるので結局、ゲート酸化膜の特性が劣化される。
【0005】
又、ゲート酸化膜の特性は素子分離膜の湿式蝕刻に対する耐性を高めるための工程に応じて変わる。例えば、素子分離膜の湿式蝕刻に対する耐性を高めるため素子分離膜は1050℃又は1150℃でアニールされる。この際、素子分離膜が1050℃でアニールされる場合、素子分離膜の湿式蝕刻に対する耐性が増加されてゲート酸化膜の特性が劣化されることは防止されるが、素子分離膜内にディスロケーションのような欠陥が発生されてこのような欠陥によりゲート酸化膜の特性が劣化される。一方、素子分離膜が1150℃でアニールされる場合、素子分離膜内に現れるストレス性欠陥は除去されるが、局所的にゲート酸化膜が薄くなるという問題点があり、何れも好ましくない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、素子分離膜内のストレス性欠陥を解消すると共にトレンチに接触される素子分離膜の形態を改善して後に形成されるゲート酸化膜の特性が改善できる半導体装置の素子分離膜形成方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、
(a)基板に活性領域とフィールド領域とを設定する段階と、
(b)前記活性領域上に第1及び第2マスク層パターンより成るマスク層パターンを形成する段階と、
(c)前記フィールド領域にトレンチを形成する段階と、
(d)前記マスク層パターン上に前記トレンチを埋込む第1絶縁膜を形成する段階と、
(e)前記マスク層パターンの側面が露出されるまで前記第1絶縁膜をエッチバックして第1素子分離膜を形成する段階と、
(f)前記第2マスク層パターンの側面に第1スペーサを形成する段階と、
(g)前記第1素子分離膜を蝕刻し、前記第1スペーサに覆われた部位以外の前記第1素子分離膜の高さが前記基板の活性領域の高さより低くなるまで異方性蝕刻する段階と、
(h)前記第2マスク層パターンと第1スペーサとを除去する段階と、 (i)前記第1マスク層パターンを除去すると同時に、前記段差部分を有する第1素子分離膜から、前記トレンチ側面の上端に前記トレンチ側面と鋭角を成す第2スペーサを有する第2素子分離膜を形成する段階と
を含むことを特徴とする半導体装置の素子分離膜形成方法を提供する。
【0008】
さらに本発明は、前記トレンチ全面に熱酸化膜が形成された後、前記第1絶縁膜が埋込まれることを特徴とする前記半導体装置の素子分離膜形成方法である。
【0009】
さらに本発明は、前記第1及び第2マスク層パターンは各々パッド酸化膜パターンと窒化膜パターンであることを特徴とする前記半導体装置の素子分離膜形成方法である。
【0010】
さらに本発明は、前記スペーサは窒化膜又はCVD酸化膜スペーサであることを特徴とする前記半導体装置の素子分離膜形成方法である。
【0011】
さらに本発明は、前記(g)段階及び(h)段階を一回に進行することを特徴とする前記半導体装置の素子分離膜形成方法である。
【0012】
さらに本発明は、前記(f)段階は、
(f1)前記マスク層パターンの表面が露出される時まで前記第1絶縁膜を蝕刻する段階と、
(f2)前記第1素子分離膜の高さを前記第1マスク層パターンの高さまで低くする段階と
をさらに含むことを特徴とする前記半導体装置の素子分離膜形成方法である。
【0013】
さらに本発明は、前記(g)段階は、
(g1)前記第2マスク層パターンの全面に前記第1素子分離膜と接触される第2絶縁膜を形成する段階と、
(g2)前記第2絶縁膜の高さを前記第1素子分離膜及び前記第2マスク層パターンが露出されるまで蝕刻する段階と
をさらに含むことを特徴とする前記半導体装置の素子分離膜形成方法である。
【0014】
さらに本発明は、前記第1絶縁膜の全面は化学的機械的研磨方式で蝕刻されることを特徴とする前記半導体装置の素子分離膜形成方法である。
【0015】
さらに本発明は、前記(f2)段階は前記第1素子分離膜の高さが前記第1マスク層パターンの高さと同じになる時まで前記第1素子分離膜を湿式蝕刻する段階を含むことを特徴とする前記半導体装置の素子分離膜形成方法である。
【0016】
さらに本発明は、前記第1素子分離膜はフッ酸(HF)溶液に湿式蝕刻されることを特徴とする前記半導体装置の素子分離膜形成方法である。
【0017】
さらに本発明は、前記第2絶縁膜の全面がプラズマにより異方性蝕刻されることを特徴とする前記半導体装置の素子分離膜形成方法である。
【0018】
さらに本発明は、前記第1絶縁膜を高密度化するため前記(d)段階以降に前記基板をアニールすることを特徴とする前記半導体装置の素子分離膜形成方法である。
【0019】
本発明による半導体装置の素子分離膜形成方法は、トレンチの上端に接触される部分が鋭角を成す素子分離膜を有しており、後続のゲート酸化膜形成工程でゲート酸化膜が全領域で均一な厚さで形成される。この結果、前記ゲート酸化膜の特性、例えばブレーキダウン電圧特性が劣化することが防止できる。これと共に、前記素子分離膜内で全てのストレスが解消できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の素子分離形成方法を添付された図面を参照して詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態はいろいろ異なる形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されることはない。本発明の実施例は当業界で平均的な知識を持つ者に本発明をより完全に説明するために提供されることである。図面で層や領域の厚さは明細書の明確性のため誇張されたことである。図面上で同一な符号は同一な部材を称する。又、ある層が他の層又は基板の上部にあると記載された場合、前記ある層が前記他の層又は基板の上部に直接存在することもでき、その間に第3の層が存在することも可能である。
【0021】
図1を参照すれば、基板40,例えば半導体基板に活性領域とフィールド領域とを設定する。前記基板40上に第1及び第2マスク層を形成する。前記第1マスク層はパッド酸化膜であり、第2マスク層は窒化膜である。前記第2マスク層は0.15μm〜0.2μm(1,500Å〜2,000Å)程度の厚さで形成する。前記第2マスク層の全面に感光膜、例えばホトレジスト膜(図示せず)を塗布する。前記感光膜は前記第2マスク層の所定領域、例えば前記基板40に設定された活性領域に対応する第2マスク層領域を覆うようにパターニングする。前記パターニングにより形成される感光膜パターンを蝕刻マスクに用いて前記第1及び第2マスク層を形成する時とは反対順序に前記基板40が露出される時まで順次に異方性蝕刻する。その後前記感光膜パターンを除去する。この結果、前記基板40の活性領域上に第1及び第2マスク層パターン42a,44aより成るマスク層パターンが形成される。前記マスク層パターンを蝕刻マスクに用いて前記基板40の露出された領域、即ちフィールド領域に所定の深さを有するトレンチ46を形成する。前記トレンチ46の側面及び底に0.03μm(300Å)程度の厚さで熱酸化膜48を形成する。前記マスク層パターン上に前記トレンチ46を埋込む第1絶縁膜50を形成する。前記第1絶縁膜50はCVD方式で形成されたUSG(Undoped Silicate Glass)膜である。続いて、前記第1絶縁膜50を高密度化する。即ち、前記第1絶縁膜50が形成された結果物を窒素雰囲下で1150℃程度の温度で一時間アニールする。この結果、前記第1絶縁膜50は高密度化されて後続の湿式蝕刻に対する耐性が高くなる。
【0022】
図2を参照すれば、前記第1絶縁膜50の全面を前記第2マスク層パターン44aが露出される時平坦化する。前記第1絶縁膜50の全面はCMP方式を用いて平坦化する。前記平坦化により前記トレンチ46に第1素子分離膜50aが形成される。前記CMPにより前記第2マスク層パターン44aの厚さは0.05μm〜0.12μm(500Å〜1,200Å)程度まで薄くなる。
【0023】
図3を参照すれば、前記第1素子分離膜50aが形成された結果物を蝕刻溶液、例えばフッ酸(HF)溶液に湿式蝕刻する。この際、前記第1素子分離膜50aに対する湿式蝕刻は前記第2マスクパターン44a、即ち前記窒化膜パターンの側面が露出されるように実施する。
【0024】
図3に示されたように、前記湿式蝕刻は前記第1素子分離膜50aの高さが前記第1マスク層パターン42a,即ちパッド酸化膜パターンの表面の高さと同じになる時まで実施するのが望ましい。従って、前記湿式蝕刻で前記第2マスク層パターン44aの厚さに該当する程度、前記第1素子分離膜50aを除去することが望ましい。前記湿式蝕刻により、前記第2マスク層パターン44aの側面が露出される。
【0025】
以上より、前記第1絶縁膜50の全面をエッチバックして前記第1素子分離膜50aを形成し、かつ前記第2マスク層パターン44aを突出させる工程を進行され得る。
【0026】
図4を参照すれば、前記湿式蝕刻後の結果物全面に第2絶縁膜52を形成する。この際、前記第2絶縁膜52は窒化膜で形成するのが望ましいが、窒化膜以外にも化学気相蒸着(以下CVDと称する)酸化膜、例えばHTO(High Temperature Oxide)膜又はPE−TEOS(Plasma Enhanced Tetraethoxyorthosilicate)膜を用いて形成できる。次に前記第2絶縁膜52の全面を前記第1素子分離膜50aが露出される時まで異方性蝕刻する。この結果、図5に示したように、前記第2マスク層パターン44aの側面に前記第1素子分離膜50aと接触される第1スペーサ52aが形成される。結局、前記第1スペーサ52aは前記第2マスク層パターン44aの側面に形成されるが、その底部は前記第1素子分離膜50aと接触される。従って、前記第1素子分離膜50aの前記第1マスク層パターン42aと接触される部分は前記第2絶縁膜52の厚さ程度に前記第1スペーサ52aにより覆われる。
【0027】
前記第1スペーサ52aは前記第2絶縁膜52の全面をプラズマを用いた異方性蝕刻で形成することもできる。
【0028】
図6を参照すれば、前記マスク層パターンと前記第1スペーサ52aとを蝕刻マスクとして使用して前記第1素子分離膜50aの露出された全面を所定の時間異方性蝕刻する。この際、前記異方性蝕刻は前記第1素子分離膜50aが前記半導体基板40の表面より低くなる所まで実施するのが望ましい。従って、前記異方性蝕刻により前記第1素子分離膜50aの表面の高さは前記半導体基板40の表面より低くなる。
【0029】
前記第1スペーサ52aと、前記第1素子分離膜50aとは、は一回の蝕刻で形成することもできる。例えば、プラズマを用いる異方性蝕刻で、前記第1素子分離膜50aが酸化膜であり、前記第1スペーサ52aが窒化膜である場合、前記第1素子分離膜50aと前記第1スペーサ52aとの間の蝕刻選択比は大きくない。従って、プラズマを用いる異方性蝕刻で前記第2絶縁膜52の全面を蝕刻して前記第2マスク層パターン44aの側面に第1スペーサ52aを形成した後に、さらに前記第1素子分離膜50aの高さが前記半導体基板40の表面の高さより低くなる時まで前記異方性蝕刻を継続実施すれば良い。
【0030】
このように、前記第1素子分離膜50aと前記第1スペーサ52aとの間の蝕刻選択比が大きくない場合、一回の異方性蝕刻で前記第1スペーサ52aを形成し、前記第1素子分離膜50aの高さを前記半導体基板40の表面より低くすることができる。
【0031】
図7を参照すれば、前記のように第1素子分離膜50aをさらに蝕刻した後、前記第1マスク層パターン44aと前記第1スペーサ52aを湿式蝕刻、例えばH3PO4を用いて湿式蝕刻する。この結果、前記第1スペーサ52aの下にある前記第1素子分離膜50aの縁部Sと前記第1マスク層パターン42aが露出され、前記第1素子分離膜50aの縁部Sの高さは、前記第1マスク層パターン42aの高さと同一になり、前記第1素子分離膜50aの縁部Sを除いた他の部分の表面は前記半導体基板40の表面より低くなる。
【0032】
図8を参照すれば、フッ酸(HF)を用いた湿式蝕刻で前記第1マスク層パターン42aを除去する。この過程で、前記第1素子分離膜50aと前記半導体基板40の活性領域との間の段差部、即ち、前記第1素子分離膜50aの縁部Sは表面が緩やかにラウンディングされる。このようにして、第2素子分離膜50bが形成されるが、前記第2素子分離膜50bは、前記トレンチ46の側面上部に第2スペーサPを有する。前記第2スペーサPは、前記半導体基板40の活性領域と前記第2素子分離膜50bの前記半導体基板40の活性領域より低い部分との間の傾斜を縮める。前記第2スペーサPは前記第1素子分離膜50aの縁部(図7のS)に形成される。従って前記第2スペーサPは、前記半導体基板40の活性領域の縁部と、前記第2素子分離膜50bの前記活性領域の表面より低い部分との間でブリッジの役割をする。前記第2スペーサPは前記トレンチ46の側面と鋭角をなす。そして前記半導体基板40の活性領域と前記第2素子分離膜50bの前記活性領域の表面より低い部分との間の表面をスムースに変化させる。
【0033】
これにより、後続工程で前記基板40の活性領域上に均一な厚さでゲート酸化膜(図示せず)が形成できるので、ゲート酸化膜が特性劣化しないので、ゲート酸化膜の信頼性が向上する。
【0034】
本発明は前記実施例に限らずに、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野からの通常の知識を持つ者により実施可能なのは明白である。
【0035】
【発明の効果】
前述したように、本発明は、基板と接触されるトレンチの側面の上部に緩慢にラウンディングされた、前記トレンチの側面の上部と鋭角を成す第2スペーサを有することにより、後続のゲート酸化膜形成工程で均一な厚さのゲート酸化膜が形成できる。従って均一な厚さでゲート酸化膜が形成できるので、ゲート酸化膜の特性の劣化が防止でき、ゲート酸化膜の信頼性が低下することが防止できる。その上、前記素子分離膜の高密度化が1150℃程度の高温で実施されるので、従来より問題視されていた前記素子分離膜内の全てのストレスも解消され、優れた半導体素子分離膜を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による半導体装置の素子分離膜形成方法を段階別に示した図面である。
【図2】本発明の実施例による半導体装置の素子分離膜形成方法を段階別に示した図面である。
【図3】本発明の実施例による半導体装置の素子分離膜形成方法を段階別に示した図面である。
【図4】本発明の実施例による半導体装置の素子分離膜形成方法を段階別に示した図面である。
【図5】本発明の実施例による半導体装置の素子分離膜形成方法を段階別に示した図面である。
【図6】本発明の実施例による半導体装置の素子分離膜形成方法を段階別に示した図面である。
【図7】本発明の実施例による半導体装置の素子分離膜形成方法を段階別に示した図面である。
【図8】本発明の実施例による半導体装置の素子分離膜形成方法を段階別に示した図面である。
【符号の説明】
40 基板、
42a,44a 第1及び第2マスク層パターン、
46 トレンチ、
48 熱酸化膜、
50,52 第1及び第2絶縁膜、
50a,50b 第1及び第2素子分離膜、
52a 第1スペーサ、
P 第2スペーサ、
S 第1素子分離膜の縁部。
Claims (12)
- (a)基板に活性領域とフィールド領域とを設定する段階と、
(b)前記活性領域上に第1及び第2マスク層パターンより成るマスク層パターンを形成する段階と、
(c)前記フィールド領域にトレンチを形成する段階と、
(d)前記マスク層パターン上に前記トレンチを埋込む第1絶縁膜を形成する段階と、
(e)前記マスク層パターンの側面が露出されるまで前記第1絶縁膜をエッチバックして第1素子分離膜を形成する段階と、
(f)前記第2マスク層パターンの側面に第1スペーサを形成する段階と、
(g)前記第1素子分離膜を蝕刻し、前記第1スペーサに覆われた部位以外の前記第1素子分離膜の高さが前記基板の活性領域の高さより低くなるまで異方性蝕刻する段階と、
(h)前記第2マスク層パターンと第1スペーサとを除去する段階と、
(i)前記第1マスク層パターンを除去すると同時に、前記段差部分を有する第1素子分離膜から、前記トレンチ側面の上端に前記トレンチ側面と鋭角を成す第2スペーサを有する第2素子分離膜を形成する段階と
を含むことを特徴とする半導体装置の素子分離膜形成方法。 - 前記トレンチ全面に熱酸化膜が形成された後、前記第1絶縁膜が埋込まれることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
- 前記第1及び第2マスク層パターンは各々パッド酸化膜パターンと窒化膜パターンであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
- 前記スペーサは窒化膜又はCVD酸化膜スペーサであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
- 前記(f)段階及び(g)段階を一回に進行することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
- 前記(e)段階は、
(e1)前記マスク層パターンの表面が露出される時まで前記第1絶縁膜を蝕刻する段階と、及び
(e2)前記第1素子分離膜の高さを前記第1マスク層パターンの高さまで低くする段階と
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。 - 前記(f)段階は、
(f1)前記第2マスク層パターンの全面に前記第1素子分離膜と接触される第2絶縁膜を形成する段階と、及び
(f2)前記第2絶縁膜の高さを前記第1素子分離膜及び前記第2マスク層パターンが露出されるまで蝕刻する段階と
をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。 - 前記第1絶縁膜の全面は化学的機械的研磨方式で蝕刻されることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
- 前記(e2)段階は前記第1素子分離膜の高さが前記第1マスク層パターンの高さと同じになる時まで前記第1素子分離膜を湿式蝕刻する段階を含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
- 前記第1素子分離膜はフッ酸溶液に湿式蝕刻されることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
- 前記第2絶縁膜の全面がプラズマにより異方性蝕刻されることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
- 前記第1絶縁膜を高密度化するため前記(d)段階以降に前記基板をアニールすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
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