JP4394846B2 - 半導体素子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】
本発明は半導体素子の素子分離膜形成方法に係り、特にボイドが発生しないようにトレンチに絶縁物を埋め込む方法であって、トレンチのアスペクト比を減らすためにシリコン成長層を形成する半導体素子の素子分離膜形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、最も広く活用されている素子分離膜としてのSTI(shallow trench isolation)構造を0.10μm以下の素子に適用する場合に問題点として台頭してくるものがギャップフィル(Gap Fill)である。現在のギャップフィル物質ではボイドのない素子分離膜を実現するのが殆ど不可能である。これにより、新しい方式の素子分離膜構造を導入したものがSEG(Selective Epitaxial Growth)法を応用した変形STI(Modified STI)構造である。この構造は0.01μm以下の素子で高いアスペクト比を低めるために、SEG(Selective Epitaxial Growth)法でトレンチ底面のシリコンを成長させる。しかし、この構造においてもエッチングされたトレンチのシリコンとシリコン成長層との界面特性或いはシリコンとギャップ物質との界面特性を確保するために、トレンチに熱酸化膜を形成する。ところが、SEG(Selective Epitaxial Growth)法でトレンチ底面のシリコンを成長させるためにはトレンチ底面の熱酸化膜を除去しなければならないという難しさがある。この熱酸化膜除去工程はトレンチ側壁の酸化膜をそのまま維持しなければならないが、アスペクト比が大きくなるにつれてトレンチ底面の熱酸化膜をエッチングする工程の再現性を確保することが非常に難しくなった。
【0003】
図1は従来の方法で形成された素子分離膜の断面を示すTEM(Transmission Electron Microscope;透過電子顕微鏡)写真である。同図を参照すると、シリコン基板1にトレンチが形成されており、トレンチの側壁には熱酸化膜5が形成されている。トレンチの底面に残留する熱酸化膜の一部5aがシリコン成長を妨害して非正常的なシリコン成長層6が形成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、トレンチ側壁の熱酸化膜の損失を最小化し且つトレンチ底面の熱酸化膜を完全に除去して正常的にシリコンを成長させることにより、アスペクト比を減らしてボイドの無い素子分離膜を形成することができる半導体素子の素子分離膜形成方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体素子のエピチャネル形成方法は、トレンチが形成されたシリコン基板を提供する第1の段階と、前記トレンチの表面をプラズマ処理して、該トレンチの底面にフッ素を薄く分布させる第2の段階と、前記トレンチの側壁及び底面に熱酸化膜を形成する第3の段階と、前記トレンチ底面の熱酸化膜を除去して該トレンチの側壁にのみ熱酸化膜を残留させる第4の段階と、前記トレンチ底面のシリコン表面を洗浄した後、SEG(Selective Epitaxial Growth)工程でシリコン成長層を形成する第5の段階と、前記トレンチを絶縁物で埋め込んだ後、化学的機械的研磨を行う第6の段階とを有し、前記第3の段階において、前記トレンチの側壁及び底面に形成した熱酸化膜により該トレンチの側壁及び底面のシリコンから成長したシリコン成長層及び該トレンチを埋め込む絶縁物との界面特性を維持して漏洩電流を低めることを特徴とする。
【0006】
前記の段階において、プラズマ処理はNF3やCF4などのフッ素系列のガスとO2ガスとを3:1〜5:1の範囲で混合したガスを用いて行う。
【0007】
熱酸化膜は700〜1100℃範囲内の温度でO2を用いた乾式酸化或いはH2/O2を用いた湿式酸化により形成する。熱酸化膜は100〜140Å範囲内の厚さに形成する。トレンチ底面の熱酸化膜はドライエッチング或いはウェットエッチングで除去する。
【0008】
シリコン表面洗浄は、100〜130℃範囲内の温度でH2SO4対H2O2の比率を3:1〜500:1の範囲として3〜10分間行う1次洗浄と、50〜100℃範囲内の温度で純水またはH2OとHFとの比率を50:1〜500:1の範囲として行う2次洗浄とからなる。シリコン表面洗浄はSEG(Selective Epitaxial Growth)工程時にインサイチュ(In-Situ)で行う場合には急速熱処理により行う。また、シリコン表面洗浄は、SEG(Selective Epitaxial Growth)工程をUHV(Ultra High Vacuum)−CVD(Chemical Vaper Deposition)装備で行う場合にはインサイチュにて700〜750℃範囲の温度と0.01〜10Torr範囲の圧力で10〜200秒間真空雰囲気下に行う。
【0009】
シリコン成長層を形成するSEG(Selective Epitaxial Growth)工程は、DCS(DiChloroSilane;SiH2Cl2)/H2/HClガスを用いたCVD(Chemical Vaper Deposition)法によって行う。
【0010】
SEG(Selective Epitaxial Growth)工程は750〜850℃範囲の温度と5〜100Torr範囲の圧力で0.1〜1sccmのDCS(DiChloroSilane;SiH2Cl2)、30〜150sccmのH2及び0〜1sccmのClを用いて行う。SEG(Selective Epitaxial Growth)工程はUHV(Ultra High Vacuum)−CVD(Chemical Vaper Deposition)装備で行う場合には600〜750℃範囲の温度と1〜50mTorr範囲の圧力で1〜20sccmのSi2H6、0〜100sccmのH2及び0.01〜5sccmのHClを用いて行う。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明の実施例をさらに詳しく説明する。
【0012】
図2(a)〜図2(f)は本発明に係る半導体素子の素子分離膜形成方法を説明するために順次示した断面図である。
【0013】
図2(a)に示すように、シリコン基板11上にパッド酸化膜12及び窒化膜13を順次形成した後、感光膜パターンを用いた露光エッチング工程により、素子分離膜が形成されるべき領域の窒化膜13、パッド酸化膜12及びシリコン基板1をエッチングしてトレンチを形成する。
【0014】
図2(b)に示すように、CF4などのようにフッ素を含む混合ガス及びO2ガスを用いてトレンチの表面をプラズマ処理する。プラズマ処理を行うことにより、トレンチの底面にはフッ素(F)14が薄く分布する。
【0015】
プラズマ処理に使用するガスとしてはCF4やNF3などのフッ素系列を用いることもできる。この際、ガス及びO2の混合比率は3:1〜5:1の範囲とする。
【0016】
図2(c)に示すように、トレンチに熱酸化膜15を100〜140Å範囲の厚さに形成する。熱酸化膜15は700〜1100℃範囲内の温度でO2を用いた乾式酸化或いはH2/O2を用いた湿式酸化により形成する。
【0017】
トレンチの底面に形成された熱酸化膜15は、図2(b)の工程でトレンチの底面に残留させたフッ素14によって蒸着速度が下がって薄く形成される。熱酸化膜15はトレンチの側壁及び底面のシリコンから成長したシリコン成長層及びトレンチを埋め込む絶縁物との界面特性を維持して漏洩電流を低めるための酸化膜であって、STI(shallow trench isolation)構造では必須である。
【0018】
図2(d)に示すように、ドライエッチング或いはウェットエッチングによりトレンチ底面の熱酸化膜を除去してスペーサ形態でトレンチの側壁にのみ熱酸化膜15を残留させる。この際、トレンチ側壁の熱酸化膜15の損失が最小限とならなければならないので、エッチング時間はトレンチ底面の熱酸化膜を完全に除去しうる程度の最小時間とする。
【0019】
図2(e)に示すように、SEG(Selective Epitaxial Growth)法によりトレンチの底面に露出されたシリコンを成長させてシリコン成長層16を形成する。シリコンを成長させる前にシリコンの表面を洗浄する。SEG(Selective Epitaxial Growth)法はDCS(DiChloroSilane;SiH2Cl2)/H2/HClガスを用いたCVD(Chemical Vaper Deposition)法で行う。
【0020】
シリコンを成長させる前に行うシリコン表面洗浄は2次にわたって行うが、1次処理は100〜130℃範囲内の温度でH2SO4対H2O2の比率を3:1〜500:1の範囲として3〜10分間行い、2次処理は50〜100℃範囲内の温度で純粋またはH2OとHFとの比率を50:1〜500:1の範囲として行う。
【0021】
SEG(Selective Epitaxial Growth)工程時にインサイチュで行う場合のシリコン表面の洗浄は急速熱処理(RTP)で行い、SEG(Selective Epitaxial Growth)工程は750〜850℃範囲内の温度と5〜100Torr範囲の圧力で0.1〜1sccmのDCS(DiChloroSilane;SiH2Cl2)、30〜150sccmのH2及び0〜1sccmのHClを用いて行う。
【0022】
UHV(Ultra High Vacuum)−CVD(Chemical Vaper Deposition)装備でSEG(Selective Epitaxial Growth)工程を行う場合のインサイチュシリコン表面洗浄は700〜750℃範囲内の温度と0.01〜10Torr範囲の圧力で10〜200秒間真空雰囲気下に行い、SEG(Selective Epitaxial Growth)工程は600〜750℃範囲内の温度と1〜50mTorr範囲の圧力で1〜20sccmのSi2H6、0〜100sccmのH2及び0.01〜5sccmのHClを用いて行う。
【0023】
この際、シリコン成長層16は素子のウェル領域を考慮してウェル領域以下までのみ形成する。これはトレンチの側壁に形成された熱酸化膜15の厚さが薄くてウェル領域と素子分離膜領域との短絡を防ぐためである。
【0024】
図2(f)に示すように、トレンチ内部のシリコン成長層16上に絶縁物17を埋め込んだ後、化学的機械的研磨で平坦化して素子分離膜を形成する。
【0025】
図3は本発明によって形成された素子分離膜の断面を示したTEM(Transmission Electron Microscope;透過電子顕微鏡)写真である。図3を参照すると、トレンチの側壁に熱酸化膜15がスペーサ形態で形成されており、トレンチの底面には完全に除去されてシリコン成長層16が正常的に形成されている。
【0026】
【発明の効果】
上述したように、本発明はトレンチ底面の熱酸化膜を完全に除去し、正常的な形状のシリコン成長層を形成することにより、絶縁物をトレンチにボイド無しに埋め込んで素子の電気的特性を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の方法で形成された素子分離膜の断面を示したTEM(Transmission Electron Microscope;透過電子顕微鏡)写真である。
【図2】 図2(a)乃至図2(f)は本発明に係る半導体素子の素子分離膜形成方法を説明するために順次示した断面図である。
【図3】 本発明によって形成された素子分離膜の断面を示したTEM(Transmission Electron Microscope;透過電子顕微鏡)写真である。
【符号の説明】
1,11 シリコン基板
12 パッド酸化膜
13 窒化膜
14 フッ素
5,15 熱酸化膜
5a 残留熱酸化膜
6,16 シリコン成長層
17 絶縁物
Claims (11)
- トレンチが形成されたシリコン基板を提供する第1の段階と、
前記トレンチの表面をプラズマ処理して、該トレンチの底面にフッ素を薄く分布させる第2の段階と、
前記トレンチの側壁及び底面に熱酸化膜を形成する第3の段階と、
前記トレンチ底面の熱酸化膜を除去して該トレンチの側壁にのみ熱酸化膜を残留させる第4の段階と、
前記トレンチ底面のシリコン表面を洗浄した後、SEG(Selective Epitaxial Growth)工程でシリコン成長層を形成する第5の段階と、
前記トレンチを絶縁物で埋め込んだ後、化学的機械的研磨を行う第6の段階と、
を有し、
前記第3の段階において、前記トレンチの側壁及び底面に形成した熱酸化膜により該トレンチの側壁及び底面のシリコンから成長したシリコン成長層及び該トレンチを埋め込む絶縁物との界面特性を維持して漏洩電流を低めることを特徴とする半導体素子の素子分離膜形成方法。 - 前記プラズマ処理を、NF3やCF4などのフッ素系列のガスとO2ガスとを3:1〜5:1の範囲で混合したガスを用いて行うことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
- 前記熱酸化膜を、700〜1100℃範囲の温度でO2を用いた乾式酸化或いはH2/O2を用いた湿式酸化により形成することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
- 前記熱酸化膜を100〜140Å範囲の厚さに形成することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
- 前記トレンチ底面の熱酸化膜をドライエッチング或いはウェットエッチングにより除去することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
- 前記シリコン表面洗浄は、100〜130℃範囲内の温度でH2SO4対H2O2の比率を3:1〜500:1の範囲として3〜10分間行う1次洗浄と、50〜100℃範囲の温度で純水またはH2OとHFとの比率を50:1〜500:1の範囲として行う2次洗浄とからなることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
- 前記シリコン表面洗浄は、前記SEG(Selective Epitaxial Growth)工程時にインサイチュで行う場合、急速熱処理で行うことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
- 前記シリコン表面洗浄は、前記SEG(Selective Epitaxial Growth)工程をUHV(Ultra High Vacuum)−CVD(Chemical Vaper Deposition)装備で行う場合、インサイチュにて700〜750℃範囲の温度と0.01〜10Torr範囲の圧力で10〜200秒間真空雰囲気下に行うことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
- 前記SEG(Selective Epitaxial Growth)工程は、DCS(DiChloroSilane;SiH2Cl2)/H2/HClガスを用いたCVD(Chemical Vaper Deposition)法により行うことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
- 前記SEG(Selective Epitaxial Growth)工程は750〜850℃範囲の温度と5〜100Torr範囲の圧力で0.1〜1sccmのDCS(DiChloroSilane;SiH2Cl2)、30〜150sccmのH2及び0〜1sccmのHClを用いて行うことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
- 前記SEG(Selective Epitaxial Growth)工程は、UHV(Ultra High Vacuum)−CVD(Chemical Vaper Deposition)装備で行う場合、600〜750℃範囲の温度と1〜50Torr範囲の圧力で1〜20sccmのSi2H6、0〜100sccmのH2及び0.01〜5sccmのHClを用いて行うことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
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