JP3990625B2 - シャロートレンチアイソレーション方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子用のシャロートレンチアイソレーション方法に関し、更に詳しくは、半導体素子におけるアイソレーションのためにトレンチを充填する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
集積回路は、表面に抵抗素子、トランジスタ、ダイオードなどの電子回路素子が形成されるシリコン基板から製作される。電子回路素子は、誘電体層によって分離される伝導体パターン層が形成されるシリコン基板の内側又は外側に接続される。
【0003】
集積回路素子の技術が進歩し、集積回路素子の大きさが小さくなるにつれて、シャロートレンチアイソレーション(STI;Shallow Trench Isolation)方法及びリセスシリコンダイオキサイドアイソレーション(ROI;Recessed Silicon dioxide Isolation)方法などのようなトレンチアイソレーション方法の使用が常用化されている。このようなトレンチアイソレーション方法では、トレンチ内のトレンチ充填誘電体層によって形成されるトレンチアイソレーション領域の表面を平坦化させるために、一般的に化学機械研磨(CMP;Chemical Mechanical Polishing)が使用される。
【0004】
STIトレンチを充填するためには、二酸化ケイ素のようなアイソレーション誘電体が化学蒸着法(CVD;Chemical Vapor Deposition)によってシリコン基板上に堆積される。CVD法としては、LPCVD(low press CVD)、APCVD(atmospheric press CVD)、SACVD(sub−atmospheric press CVD)及びHDP−CVD(high density CVD)などが使用される。特に、STIトレンチを充填するためのアイソレーション誘電体としては、TEOS−O3(TEOS−ozone)酸化膜が広く使用され、これはTEOS−O3酸化膜の表面移動度が優れているからである。
【0005】
図1及び図2を参照して、TEOS−O3によってトレンチを充填する従来の技術によるシャロートレンチアイソレーション方法を説明する。
図1にはシリコン基板10が示される。シリコン基板10上に犠牲層12が形成され、犠牲層12は、シリコン基板10の表面上に形成された二酸化ケイ素層(図示せず)と、前記二酸化ケイ素層上に堆積されたシリコン窒化物(図示せず)層とを含む。トレンチ14が犠牲層12を貫通して基板10に形成された後、熱酸化によって二酸化ケイ素16がトレンチ14の側面部及び底面部に形成される。トレンチ14及び二酸化ケイ素16の形成には、一般的にRIE(Reactive Ion Etching)工程及びLPCVD工程がそれぞれ使用される。
【0006】
図2で、トレンチ14を充填するためのTEOS−O3酸化物層18がAPCVDによってシリコン基板10上に堆積された後、アニール工程が行われる。この後、前記TEOS−O3酸化物層18は、CMPによって平坦化される。
前記STI形成のための従来の技術には、トレンチを充填する誘電体層、すなわち、TEOS−O3酸化物の内部に気孔が発生し易いという問題点がある。気孔は、高縦横比のトレンチにおいてもっと頻繁に発生するため、素子の大きさを減少するために高縦横比のトレンチを必要とする高密度集積半導体素子の製作には、前記従来の技術が使用できない。よって、TEOS−O3酸化物の内部の気孔の発生を防止するために新しいトレンチ充填方法が開発されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シャロートレンチアイソレーション法において、高縦横比のトレンチを充填するための改良方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一実施の形態は、基板にトレンチを形成する段階と、前記トレンチの側面部及び底面部に多結晶シリコン層を形成する段階と、前記多結晶シリコン層を熱酸化させることにより、前記多結晶シリコン層上に多結晶シリコン酸化膜を形成する段階と、前記トレンチの底面部上の多結晶シリコン層が露出するように、前記トレンチの側面部上の前記多結晶シリコン酸化膜を残して、前記多結晶シリコン酸化膜の一部を除去する段階と、前記基板上にTEOS−O3酸化膜を堆積させて前記トレンチを充填する段階とを含むことを特徴とするシャロートレンチアイソレーション方法を提供する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図3ないし図9を参照して本発明の好適な実施の形態によるシャロートレンチアイソレーション方法を詳細に説明する。図面において、同機能を有する構成要素については、同一符号を付する。
【0011】
図3ないし図7は、本発明の第1の実施の形態によるシャロートレンチアイソレーション方法を連続的に示す断面図である。図3において、単結晶シリコン基板のようなシリコン基板110上に犠牲膜112が形成された後、前記犠牲膜112を貫通するトレンチ134がシリコン基板110に形成される。
具体的には、前記シリコン基板110の表面上に熱酸化工程によって犠牲膜112の下部層である酸化膜(図示せず)が厚さ約300Åで成長される。前記酸化膜上に化学機械研磨工程のストッパとしての役割をする、犠牲膜112の上部層である窒化膜(図示せず)が低圧化学蒸着工程によって厚さ約1000Åで堆積される。前記酸化膜は、前記シリコン基板110と前記窒化膜との間の応力を緩和する役割をする。その後、フォトリソグラフィー工程を用いてトレンチ領域を指定するための感光膜パターン(図示せず)が前記犠牲膜112上に形成される。次に、RIE工程によって、犠牲膜112の一部が除去され、深さ約3000Åのトレンチ134がシリコン基板110に形成される。
【0012】
図4で、前記トレンチ134の底面部及び側面部と前記犠牲膜112の表面上に、低圧化学蒸着工程によって、厚さ約2000Å未満の多結晶シリコン層136が形成される。次に、前記多結晶シリコン層136は、熱酸化工程によって酸化されることにより、図5に示すように、前記トレンチ134の底面部及び側面部と前記犠牲膜112の表面上に酸化膜138が形成される。ここで、前記トレンチ134の底面部では、前記多結晶シリコン層136が完全に酸化されず、酸化膜138の下に一部の厚さだけそのまま残ることになる。また、前記トレンチ134の側面部でも、前記多結晶シリコン層(図示せず)が完全に酸化されず、酸化膜138の下に一部の厚さだけそのまま残ることになる。また、前記犠牲膜112の表面でも、前記多結晶シリコン層(図示せず)が完全に酸化されず、酸化膜138の下に一部の厚さだけそのまま残ることになる。
【0013】
図6で、前記酸化膜138を異方性スペーサエッチング工程によって前記トレンチ134の底面部上の多結晶シリコン層136が露出するまでエッチングする。その結果、前記トレンチ134の側面部のみに前記酸化膜138がスペーサの形で残り、前記トレンチ134の底面部では多結晶シリコン層136が露出される。
【0014】
次に、前記トレンチ134の底面部上に露出された多結晶シリコン層136を、例えば、ヘリウムHe、アルゴンArなどの不活性ガス及び/又は水素H2などの還元性ガスを使用してプラズマ処理することにより活性化させる。この時、トレンチ134の側面部の酸化膜138もプラズマ処理によって活性化されるが、相対的に多結晶シリコン層136がより活性化される。
【0015】
図7で、常圧化学蒸着工程(APCVD)または低圧化学蒸着工程(LPCVD)を用いて、シリコン基板110上に、前記トレンチ134を十分充填することができる程度の厚さ、例えば約4500ÅのTEOS−O3酸化膜140が形成される。続けて、前記TEOS−O3酸化膜140をアニールし緻密化させた後、図示はしていないが、前記TEOS−O3酸化膜140を化学機械研磨工程によって平坦化させる。
【0016】
上述のトレンチ充填工程において、TEOS−O3の堆積速度は、トレンチ134の側面部においてより底面部における方が速い。これは、トレンチの底面部に位置した多結晶シリコン層136がトレンチの側面部に位置した酸化膜138よりTEOS−O3の堆積に対して一層良い条件を提供するからである。トレンチ134の底面部と側面部との間の堆積速度の差は、上記プラズマ処理を行うことで更に増加し、これは、プラズマ処理後に多結晶シリコン層136が酸化膜138より更に活性化するからである。
【0017】
トレンチの底面部における堆積速度を高めることにより、トレンチを充填するTEOS−O3酸化物の内部に気孔が発生することを防止することができるため、トレンチ充填特性が向上する。よって、本発明の第1の実施の形態による方法は、改良のシャロートレンチアイソレーション、すなわち、向上されたトレンチ充填特性を提供する。
【0018】
次に、図8及び図9を参照して本発明の第2の実施の形態によるシャロートレンチアイソレーション方法を説明する。第1の実施の形態と同一の段階又は同一の要素に対する説明は省略又は簡略化する。
第2の実施の形態も、トレンチの底面部における堆積速度を増大させるための方法に関する。しかし、多結晶シリコン層をトレンチのライナとして使用する代わりに、図8に示すように、熱酸化によってトレンチ134の側面部及び底面部上にシリコン酸化膜216が形成される。次に、図9に示すように、異方性スペーサエッチング(anisotropic spacer etch)によってシリコン酸化膜216の一部が除去されることにより、シリコン基板110が露出され、トレンチ134の側面部はスペーサ状のシリコン酸化膜216によって覆われている。トレンチ134の底面部の露出されたシリコン基板110はプラズマ処理される。
【0019】
トレンチ134の底面部のシリコン基板110がトレンチ134の側面部のシリコン酸化膜216より、TEOS−O3が堆積するための一層良い条件を提供できるため、本発明の第2の実施の形態による方法も向上されたトレンチ充填特性を提供する。
上記において、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。
【発明の効果】
本発明によれば、トレンチの側面部においてより底面部におけるTEOS−O3酸化物堆積速度を高めることにより、トレンチ充填特性が向上されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のシャロートレンチアイソレーション方法を連続的に示す図である
【図2】従来のシャロートレンチアイソレーション方法を示す図である
【図3】本発明の第1の実施の形態によるシャロートレンチアイソレーション方法を示す図である
【図4】本発明の第1の実施の形態によるシャロートレンチアイソレーション方法を示す図である
【図5】本発明の第1の実施の形態によるシャロートレンチアイソレーション方法を示す図である
【図6】本発明の第1の実施の形態によるシャロートレンチアイソレーション方法を示す図である
【図7】本発明の第1の実施の形態によるシャロートレンチアイソレーション方法を示す図である
【図8】本発明の第2の実施の形態によるシャロートレンチアイソレーション方法を示す図である
【図9】本発明の第2の実施の形態によるシャロートレンチアイソレーション方法を示す図である
【符号の説明】
110 基板
112 犠牲層
134 トレンチ
136 多結晶シリコン層
138 多結晶シリコン酸化物層
140 TEOS−O3酸化物層
Claims (6)
- 基板にトレンチを形成する段階と、
前記トレンチの側面部及び底面部に多結晶シリコン層を形成する段階と、
前記多結晶シリコン層を熱酸化させることにより、前記多結晶シリコン層上に多結晶シリコン酸化膜を形成する段階と、
前記トレンチの底面部上の多結晶シリコン層が露出するように、前記トレンチの側面部上の前記多結晶シリコン酸化膜を残して、前記多結晶シリコン酸化膜の一部を除去する段階と、
前記基板上にTEOS−O3酸化膜を堆積させて前記トレンチを充填する段階とを含むことを特徴とするシャロートレンチアイソレーション方法。 - 前記多結晶シリコン酸化膜の一部を除去することにより、前記トレンチの底面部上の多結晶シリコン層を露出させる段階では、異方性スペーサエッチングが使用されることを特徴とする請求項1に記載のシャロートレンチアイソレーション方法。
- 前記基板上にTEOS−O3酸化膜を堆積させて前記トレンチを充填する段階では、低圧化学蒸着(LPCVD)が使用されることを特徴とする請求項1に記載のシャロートレンチアイソレーション方法。
- 前記基板上にTEOS−O3酸化膜を堆積させて前記トレンチを充填する段階の前に、前記トレンチの底面部上に露出された前記多結晶シリコン層をプラズマ処理することを特徴とする請求項1に記載のシャロートレンチアイソレーション方法。
- 前記プラズマ処理は不活性ガスを使用することを特徴とする請求項4に記載のシャロートレンチアイソレーション方法。
- 前記プラズマ処理は還元性ガスを使用することを特徴とする請求項4に記載のシャロートレンチアイソレーション方法。
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