JP4384269B2 - 半導体装置の素子分離方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体装置の素子分離方法の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、素子分離技術として、長い間LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法が用いられてきた。しかし、LOCOS法では、バーズビークと呼ばれる酸化膜の横広がり現象が生じる為、分離領域が大きくなってしまうという問題があった。
【0003】
この問題を解決するためにトレンチ分離技術が開発された。これは、シリコン等からなる基板に該基板面と垂直な穴を掘るもので、バーズビークがないため分離領域を設計どおりに形成できるという利点を有する。つまり、微細化に適した素子分離方法である。しかし、0.6μmルールのデバイスが市販されている現在でも素子分離の主役はLOCOS法である。
【0004】
トレンチ法には、掘った穴を絶縁膜等で埋め込むこと及び埋め込み部以外の絶縁膜等をエッチバック等で除去し、平坦化する必要がある。この絶縁膜等の埋め込みでは、トレンチ穴エッジ(開孔上部)にオーバーハングによるボイドの発生等が問題であり、例えばUSP4626317では、これを回避する為、膜堆積→エッチバック→膜堆積という繰り返しでオーバーハング部を削りながらトレンチを埋め込んでいくという方法が提案されている。
【0005】
また、一方では、制御の難しいエッチバックプロセスを避けるため、例えばUSP5130268(図8参照)のように選択エピタキシャルシリコン法を用い、トレンチ内のみにシリコンをトレンチ深さの〜40%だけ堆積し、続く熱酸化によるシリコンの体積膨張を利用してトレンチ埋込みと平坦化を同時に達成しようとする提案がある。図8において、図中の符号81は表面にPウェル82,Nウェル83を形成したp- 型の基板である。前記Pウェル82はNウェル83の表面に開孔部が形成されており、この開孔部にはアモルファスSi84を介してSiO2 からなる絶縁物85が埋め込まれている。前記絶縁物85で囲まれたPウェル82はNウェル83の表面には、SiO2 膜86,多結晶Si層87及びSiN膜88が順次積層された積層膜が設けられている。なお、前記アモルファスSi84の上部はこの積層膜の上部まで達している。また、図中の符号89は酸化物フィラメントである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術は、下記に述べる問題点を有する。
【0007】
(1)前者の場合、堆積→エッチング→堆積を繰り返すため、プロセスが複雑になるとともに、基板に与える損傷も大きくなってしまう。
【0008】
(2)後者の場合、埋め込まれたシリコンの酸化の際、体積膨張はトレンチ上方だけでなく横方向にも進もうとするため、トレンチ部全体が大きな応力を受け、欠陥が発生しやすくなる。また、これ以外にも、トレンチ開孔部での欠陥発生がトレンチ法で解決されるべき大きな問題である。
【0009】
この発明はこうした事情を考慮してなされたもので、プロセスを簡略化できるとともに、基板に与える損傷を軽減でき、更にトレンチ部全体に受ける応力を小さくして欠陥の発生を抑制しえる半導体装置の素子分離方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、バーズビークが大きくなりすぎない程度のLOCOSを形成し、LOCOS部の酸化膜を除去し、絶縁膜等を堆積した後、スペーサエッチでLOCOSリセス(凹部)内にスペーサを形成し、スペーサをマスクにLOCOS凹部内にトレンチを形成し、このトレンチを絶縁膜等で埋め込んで形成するようにした。
【0011】
即ち、本発明は、基板上に耐酸化膜パターンを形成する工程と、この耐酸化膜パターンをマスクとして前記基板を酸化させ、酸化膜を形成する工程と、この酸化膜を除去し、前記基板に該酸化膜の除去部分に対応する凹部を形成する工程と、この凹部を含む全面に絶縁膜を堆積する工程と、この絶縁膜を異方性エッチングして前記凹部の側壁にのみ絶縁膜を残存させる工程と、側壁に残存させた絶縁膜をマスクとして前記凹部が位置する基板に溝を形成する工程と、溝部を酸化して酸化膜を形成し、さらに溝底面の基板を露出させた後、溝底部で基板と接触する選択エピタキシャルSiを前記凹部の前記側壁に残存させた絶縁膜まで成長するように埋め込む工程と、酸化を行い素子分離領域を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の素子分離方法である。
【0013】
この発明において、前記耐酸化膜パターンを形成した後、前記基板表面に該基板と同導電型の不純物をイオン注入することが好ましい。ここで、基板の表面にウェルを形成した場合は、ウェルと同導電型の不純物をイオン注入する。
【0014】
この発明において、絶縁物質は、前記基板に溝を形成し、更に溝の底部及び側壁に熱酸化膜を形成した後、前記溝にTEOS膜等の絶縁物質を埋め込むことにより形成される。
【0015】
この発明において、前記基板に溝を形成した後、溝の側壁に熱酸化膜を形成し、更にエピタキシャル法で溝に溝底部で基板と接触するようにシリコンを埋め込むことができる。
【0016】
【作用】
この発明によれば、トレンチ上部になだらかな開孔部があるため、ステップカバレッジの改善,埋込み多結晶シリコン等の酸化の際の応力緩和が行われる。LOCOS時に拡散したボロンがトレンチ周囲に均一なドーピングを与える。
【0017】
【実施例】
以下、この発明の一実施例について図1〜図6を参照して工程順に説明する。
【0018】
(1) まず、p- 型のSi基板1に920℃,O2 雰囲気で厚さ20nmの酸化膜(SiO2 膜)2を形成した。つづいて、この酸化膜2上に、LPCVD法を用い790℃,SiH2 Cl2 /NH3 の雰囲気で厚さ150nmの窒化膜(Si3 N4 膜)を形成した。次に、フォトリソグラフィ技術を用いてレジスト3を形成した後、このレジスト3をマスクとして前記窒化膜をパターニングし、窒化膜パターン4を形成した。更に、フィールドイオン注入として知られる寄生NMOS分離用のB(ボロン)イオン注入を、加速電圧30KeV,ドーズ量4×1013/cm2 と加速電圧180KeV,ドーズ量8×1011/cm2 の条件で2段階で行なった(図1参照)。
【0019】
(2) 次に、前記レジスト3を剥離した後、980℃,O2 /H2 雰囲気でLOCOS酸化を行ない、酸化膜(SiO2 膜)5を形成した(図2参照)。ここで、バーズビークを抑制するため、酸化膜5の膜厚は600nm以下とするが、望ましくは200nm〜400nmが良い。但し、続くトレンチ形成で深いトレンチを用いる場合には、酸化膜の膜厚はさらに薄くできる。つづいて、前記酸化膜5をHFを含むエッチング液を用いてエッチング除去した。その結果、酸化膜5が除去された基板部分に凹部6が形成された(図3参照)。
【0020】
(3) 次に、全面にLPCVD法により膜厚300nmの酸化膜(LTD:low temperature oxide )7を380℃,SiH4 /O2 の条件で堆積した(図4参照)。ここで、前記酸化膜7は、LPCVDの代わりに、TEOS,HTO(high teperature oxide),スパッタ,プラズマCVD等を用いて行なって形成してもよい。つづいて、前記酸化膜7をRIE(Reactive ion etching )を用いて、Ar/CHF3 混合ガスで異方性エッチングを行ない、凹部6の側壁に酸化膜(スペーサ)7′を残存させた(図5参照)。
【0021】
(4) 次に、RIEを用いてCl2 /CHF3 4 混合ガスで前記Si基板1を異方性エッチングし、トレンチ(溝)8を形成した。ここで、トレンチ8の深さは素子分離用としては1.0μm以下とし、望ましくは200nm〜400nmが良い。つづいて、トレンチ8の底部の分離能を高めるため、ボロンを加速電圧30KeV,ドーズ量3×1012/cm2 の条件で前記Si基板1にイオン注入した。更に、トレンチ8の表面を軽く熱酸化して酸化膜9を形成した後、TEOS膜10a,10b,10cの埋込みを行ない、素子分離領域11を形成した(図6参照)。
【0022】
上記実施例では、図1で基板1にイオン注入したボロンがLOCOS酸化で酸化膜5を形成する際、ボロンが酸化膜5から所定距離離れて基板1に均一に拡散されており(図2参照)、その内にトレンチ8を形成しているので、トレンチが深くない場合は、追加のBイオン注入は不要である。また、Bイオン注入を行なう場合でも、低エネルギー,低ドーピングレベルで良いという特徴がある。
【0023】
これに対し、一般にトレンチ分離ではトレンチのまわりにBドープ層を形成するため、トレンチ側壁に斜めにイオン注入などを行なうが、チャネリングやシャドウイング効果で一様なドーピングが難しい。
【0024】
また、上記実施例の場合、次のような利点を有する。図6から分かるように、トレンチ8の上部はなだらかな開口部となっている。良く知られているように、コンタクトホールやビアホールは、メタルのステップカバレッジを高めるためラウンドエッチングを行なう。ここでは、LOCOS凹部を利用してラウンド部を形成している。また、LOCOS凹部があるため、トレンチ深さはトレンチだけの場合より浅くできるため、トレンチにおけるアスペクト比を小さくできる。つまり、図6に示すようにボイドフリーな絶縁膜埋込みに適した構造になっている。これに対し、従来例(USP4626317)では、ボイド等の欠陥が生じることが確認されている。
【0025】
なお、上記実施例では、トレンチに酸化膜を介してTEOS膜を埋め込んだ場合について述べたが、これに限らず、図7に示すようにエピタキシャルシリコン(Si)71を堆積してもよい。具体的には、例えばまずトレンチ部を30nm程度酸化した後、HTOを堆積する。つづいて、異方性ドライエッチングを行ない、トレンチ底面のSi基板1を露出させる。次いで、選択エピタキシャルSi71を堆積し、トレンチ部にのみSiを成長させる。図7に示すようにSiがLOCOS凹部まで成長した後、酸化を行なう。酸化は、酸化後のエピタキシャルSi酸化膜面が基板面に達する程度で良い。この場合、エピタキシャルSiは前記凹部のラウンド部(なだらかな面)にあるため、酸化によるエピタキシャルSiの体積膨張はこの開放系で吸収され、応力による欠陥発生が妨げる。また、上記実施例において、特許請求の範囲の請求項1の絶縁物質がSiO2 の場合はトレンチ内が全て(Siの)酸化物となるが、トレンチ内がSi3 N4 の場合は、Si3 N4 の表面にトラップされた電荷が表面をつたってリークする恐れがあるので熱酸化膜がある方が好ましい。
【0026】
これに対し、図8の従来例(USP5130268)の場合、エピタキシャルSiは完全にトレンチで囲まれており、体積膨張の応力をまともに受けてしまう。 なお、本例ではエピタキシャルSiにBドープを行ない、そこからトレンチ底部にBドープ層を作成している。このような応力緩和は選択エピタキシャルシリコンに限らない。
【0027】
また、本例では、トレンチはLOCOS凹部の中にあり、直接トランジスタなどのデバイスと接触しないが、デバイスと接触するLOCOSに関しても、犠牲酸化等の欠陥対策が確立してので、トレンチ起因の欠陥によるデバイス特性劣化は抑制できる。
【0028】
更に、本例では、Si基板を用いた場合につて述べたが、これに限らず、Ge基板でもよい。また、本例では、基板と同導電型の不純物(ボロン)をイオン注入した場合について述べたが、基板表面にウェルを形成し、該ウェルと同導電型の不純物を導入する場合でも同様に適用できる。
【0029】
ところで、素子の微細化に伴ないトランジスタの狭チャネル効果が問題になっている。LOCOS分離にしろ、トレンチ分離にしろ、電気的分離に用いているドーパントの横広がりがこの原因の1つである。
【0030】
例えば、LOCOS後イオン注入のようにLOCOS直下に高エネルギーでドーパントを注入し、チャネル部まで広がらないようにすることができる。しかし、高エネルギーイオン注入によるダメージや、イオンとして実用的なのはB(ボロン)のみである、という問題がある。
【0031】
一方、本発明を用いると、LOCOS凹部にスペーサー形成後又はトレンチ形成後に低エネルギーで種々のドーパントを目的に応じてイオン注入したり、またドープト多結晶Siからの拡散でドーポアントを拡散でき、しかもチャネル部から離れたLOCOS凹部内のトレンチでこれが行われるため、上記狭チャネル効果を抑制することができる。
【0032】
【発明の効果】
以上詳述した如くこの発明によれば、プロセスを簡略化できるとともに、基板に与える損傷を軽減でき、更にトレンチ部全体に受ける応力を小さくして欠陥の発生を抑制しえる半導体装置の素子分離方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例に係る素子分離方法の一工程を示す断面図で、基板表面にボロンを注入した状態までを示す。
【図2】この発明の一実施例に係る素子分離方法の一工程を示す断面図で、基板表面に凹部用の酸化膜を形成入した状態までを示す。
【図3】この発明の一実施例に係る素子分離方法の一工程を示す断面図で、凹部用の酸化膜を除去した状態までを示す。
【図4】この発明の一実施例に係る素子分離方法の一工程を示す断面図で、スペーサ用の酸化膜を基板全面に形成した状態までを示す。
【図5】この発明の一実施例に係る素子分離方法の一工程を示す断面図で、基板表面に形成した凹部にスペーサを形成した状態までを示す。
【図6】この発明の一実施例に係る素子分離方法の一工程を示す断面図で、基板表面おトレンチにTEOS膜を形成して素子分離領域を形成した状態までを示す。
【図7】この発明の他の実施例に係る素子分離方法の例を示す概略断面図。
【図8】従来の素子分離方法の一例を示す断面図。
【符号の説明】
1…Si基板、 2,5,7,7′,9…酸化膜、 3…窒化膜、
4…レジスト、 6…凹部 8…トレンチ、
10a,10b,10c…TEOS膜、 11…素子分離領域、
71…エピタキシャルSi。
Claims (2)
- 基板上に耐酸化膜パターンを形成する工程と、この耐酸化膜パターンをマスクとして前記基板を酸化させ、酸化膜を形成する工程と、この酸化膜を除去し、前記基板に該酸化膜の除去部分に対応する凹部を形成する工程と、この凹部を含む全面に絶縁膜を堆積する工程と、この絶縁膜を異方性エッチングして前記凹部の側壁にのみ絶縁膜を残存させる工程と、側壁に残存させた絶縁膜をマスクとして前記凹部が位置する基板に溝を形成する工程と、溝部を酸化して酸化膜を形成し、さらに溝底面の基板を露出させた後、溝底部で基板と接触する選択エピタキシャルSiを前記凹部の前記側壁に残存させた絶縁膜まで成長するように埋め込む工程と、酸化を行い素子分離領域を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の素子分離方法。
- 前記耐酸化膜パターンを形成した後、前記基板表面に該基盤と同導電型の不純物をイオン注入することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の素子分離方法。
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JP04030895A JP4384269B2 (ja) | 1995-02-28 | 1995-02-28 | 半導体装置の素子分離方法 |
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JPH08236609A JPH08236609A (ja) | 1996-09-13 |
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JPH10223747A (ja) * | 1997-02-06 | 1998-08-21 | Nec Corp | 半導体装置の製造方法 |
-
1995
- 1995-02-28 JP JP04030895A patent/JP4384269B2/ja not_active Expired - Lifetime
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