JP4573922B2 - トレンチ隔離部形成方法及びその構造 - 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ものであり、より具体的にはトレンチ隔離部(trench isolation)の絶縁特性を向上させるトレンチ隔離部形成方法及びその構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図1乃至図5は、従来の半導体装置のトレンチ隔離部形成方法の工程を順次に示した流れ図である。
【0003】
図1を参照すると、従来の半導体装置のトレンチ隔離部形成方法は先ず、半導体基板2上にパッド酸化膜(pad oxide)3、窒化膜4、HTO(High Temperature Oxidation)酸化膜5、そして反射防止膜(Anti-Reflective Layer;ARL)6が順次に形成される。
【0004】
反射防止膜6上にトレンチ形成領域を定めてフォトレジストパタ−ン10が形成される。フォトレジストパタ−ン10をマスクとして使用して半導体基板2の上部が露出するまで反射防止膜6、HTO酸化膜5、窒化膜4、そしてパッド酸化膜3が順次にエッチングされてトレンチマスク8が形成される。
【0005】
図2のように、フォトレジストパタ−ン10が除去された後、トレンチマスク8を使用して半導体基板2がエッチングされてトレンチ12が形成される。この際、反射防止膜6が同時にエッチングされて除去される。
【0006】
図3及び図4を参照すると、トレンチ内壁(interior walls of trench)即ち、トレンチ底及び両側壁にトレンチ12の形成のためのエッチング工程の時発生された半導体基板2の損傷部位を除去するため熱酸化膜14が形成される。熱酸化膜14を含んでトレンチ12を完全に充填するようにトレンチマスク8aの上にトレンチ隔離膜のUSG(Undoped Silicate Glass)膜15そして USG膜のストレスを緩和させるためのPE-TEOS(Plasma Enhanced−Tetraethylorthosilicate)酸化膜16が順次に形成される。
【0007】
最後に、窒化膜4の上部の表面が露出される時まで平坦化エッチング工程が遂行されると、図5に示されたように、トレンチ隔離部18が形成される。
【0008】
後続工程として、窒化膜4及びパッド酸化膜3が除去される。
【0009】
しかし、前述したような従来のトレンチ隔離部18はトレンチ12に充填されるトレンチ隔離膜15によりトレンチ内壁にストレスが加えられる。又、ゲ−ト酸化膜の形成等の後続酸化の工程時トレンチ内壁にストレスが加えられる。即ち、後続酸化の工程時トレンチ内壁が酸化され、この際形成される酸化膜により体膨脹によるストレスが発生される。このようなストレスはトレンチ内壁のシリコン格子損傷及びディスロケ−ション(dislocation)等マイクロ欠陥(micro defect)を発生させる。これにより、接合漏洩及びソ−ス/ドレ−ンタ−ンオンが常に保たれる等トレンチ隔離部の絶縁特性が劣化される問題点が生ずる。
【0010】
問題点を解決するために、Fashey et al.,"SHALLOW TRENCH ISOLATION WITH THIN NITRIDE LINER"(米国特許5,447,884号明細書、1995)に開示されたように、トレンチ内壁に形成された熱酸化膜上にトレンチ内壁の酸化を防止するための窒化膜を形成する技術が紹介されたことがある。
【0011】
トレンチ隔離膜の形成の前にその膜が均一に形成されるようにするためには本発明のようにトレンチ内壁をプラズマ処理するのが望ましい。しかし、開示された発明はプラズマ処理により窒化膜がエッチングされるか損傷されて所期の目的のトレンチ内壁の酸化防止機能が正常に遂行されない問題点がある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的はトレンチ内壁の酸化及びこれによるストレスが防止でき、トレンチ隔離膜形成時トレンチ内壁に加えられるストレスを緩和させ得るトレンチ隔離部形成方法及びその構造を提供することにある。
【0013】
本発明の他の目的は、トレンチ内壁の酸化を防止するためのシリコン窒化膜上に酸化膜を形成してプラズマの処理工程乃至トレンチ隔離膜の形成工程時シリコン窒化膜が損傷されることが防止できるトレンチ隔離部形成方法及びその構造を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するための本発明によると、トレンチ隔離部形成方法は、半導体基板上にトレンチ形成領域を定めてトレンチマスクを形成する段階と、トレンチマスクを使用して半導体基板をエッチングしてトレンチを形成する段階と、トレンチ形成時発生された基板損傷を除去するためトレンチの両側壁及び底に熱酸化膜を形成する段階と、熱酸化膜上にトレンチの両側壁及び底の酸化を防止するための物質層を形成する段階と、物質層上に酸化物質層を保護するための絶縁膜を形成する段階と、トレンチの両側壁及び底をプラズマ処理する段階と、トレンチをトレンチの隔離物質で完全に充填する段階とを含み、プラズマの処理工程はトレンチの隔離物質がトレンチの両側壁及び底に均一に形成されるようにする。
【0015】
この方法の望ましい実施形態において、トレンチ隔離部形成方法は、トレンチをトレンチの隔離物質で完全に充填した後、トレンチの隔離物質を緻密化(densification)させるためのアニ−リング工程を遂行する段階を付加的に含める。
【0016】
前述した目的を達成するための本発明によると、トレンチ隔離構造は、半導体基板をエッチングして形成されたトレンチと、トレンチの両側壁及び底に窒化膜を間を置いて形成された第1酸化膜及び第2酸化膜と、第2酸化膜上にトレンチを完全に充填するように形成された第3酸化膜とを含む。
【0017】
図9を参照すると、本発明の実施形態による新たなトレンチ隔離部形成方法及びその構造は、トレンチ内壁にトレンチ形成時発生された基板の損傷を除去するための熱酸化膜が形成される。熱酸化膜上にトレンチ内壁の酸化を防止するシリコン窒化膜が形成される。シリコン窒化膜上にプラズマの処理工程乃至トレンチの隔離膜形成の工程時シリコン窒化膜の損傷を防止するための酸化膜が形成される。このような半導体装置の製造方法及びその構造により、トレンチ隔離部形成用酸化膜形成及び後続酸化の工程時トレンチ内壁に加えられるストレスを緩和させ得て、ストレスによるシリコン格子の損傷及び接合漏洩等が防止でき、従ってトレンチ隔離部の絶縁特性を向上させ得る。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図2及び図11を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0019】
図6乃至図10は、本発明の実施形態によるトレンチ隔離部形成方法の工程を順次に示した流れ図である。
【0020】
図6を参照すると、本発明の実施形態によるトレンチの隔離形成方法は先ず、半導体基板100上にパッド酸化膜102、窒化膜103、HTO酸化膜104、そして反射防止膜105が順次に形成される。パッド酸化膜102は、例えば熱酸化(thermal oxidation)方法に形成され、約70オングストローム−160オングストロームの厚さ範囲内で形成される。窒化膜103は、約1500オングストローム厚さで蒸着され、HTO酸化膜104は約500オングストローム厚さで蒸着される。反射防止膜105は例えば、SiONとして形成され、約600オングストローム厚さで蒸着される。
【0021】
この際、HTO酸化膜104及び反射防止膜105は、後続トレンチエッチング工程及び平坦化エッチング工程でマスクとしての役割を果たす。且つ、反射防止膜105はトレンチ形成領域を定めてフォトレジストパタ−ンを形成する工程でCD(Critical Dimension)の均一度及び工程条件が確保されるようにする。しかし、HTO酸化膜104及び反射防止膜105は、素子の集積度に応じて形成されないこともできる。
【0022】
反射防止膜105上にトレンチ形成領域を定義してフォトレジストパタ−ン108が形成される。フォトレジストパタ−ン108をマスクで使用して反射防止膜105、HTO酸化膜104、窒化膜103、そしてパッド酸化膜102が乾式エッチング工程へ順次にエッチングされてトレンチマスク106が形成される。
【0023】
図7を参照すると、フォトレジストパタ−ン108がアッシュング(ashing)等に除去された後、トレンチマスク106を使用して半導体基板100が乾式方法でエッチングされてトレンチ110が形成される。トレンチ110は約0.1μm−1.5μm範囲内の深さ望ましくは、0.25μmの浅い深さを有するように形成される。
【0024】
トレンチ110の形成のためのエッチング工程条件により、トレンチ110の上部のエッジ部分が階段型のプロファイルを有するように形成できる。これはトレンチの上部エッジ部分の急傾斜が緩和されるようにして後続ゲ−ト酸化膜の形成時ゲ−ト酸化膜のシンニング(thinnig)現象を防止するためである。即ち、ゲ−ト酸化膜の信頼性を確保するためのことである。
【0025】
トレンチ110の形成中に反射防止膜105が除去される。
【0026】
図8において、トレンチ110の形成時発生されたシリコン格子損傷等漏洩ソ−ス(leakage source)として作用する欠陥を除去するためトレンチ110の内壁即ち、トレンチ110の底及び両側壁に熱酸化膜112が形成される。この熱酸化膜112(特許請求の範囲に記載の「第1酸化膜」に対応)は、約100オングストローム−500オングストロームの厚さ範囲内で形成される。
【0027】
図9を参照すると、熱酸化膜112を含んでトレンチマスク106a上にトレンチ内壁の酸化を防止するためのマスク層114の窒化膜114がLPCVD(Low Pressure CVD)法として約30オングストローム−200オングストロームの厚さ範囲内で薄く形成される。窒化膜(特許請求の範囲に記載の「物質層」に対応)114は例えば、シリコン窒化膜として望ましくは、固有のストレスが小さいシリコンリッチ(Si-rich)窒化膜である。窒化膜114は後続トレンチ隔離膜の形成工程及びゲ−ト酸化膜の形成等の後続酸化工程時トレンチ内壁に加えられるストレスを緩和させるバッファ層(buffer layer)としての役割を果たす。
【0028】
窒化膜114上に高温酸化膜115例えば、HTO酸化膜又はLP-TEOS(Low Pressure-Tetraethylorthosilicate)酸化膜が形成される。この高温酸化膜(特許請求の範囲に記載の「絶縁膜」及び「第2酸化膜」に対応)115は後続プラズマの処理工程で窒化膜114がエッチングされるか損傷されてバッファ層の機能を喪失することを防止するため形成される。且つ、後続トレンチ隔離膜(特許請求の範囲に記載の「トレンチ隔離物質」及び「第3酸化膜」に対応)116の形成工程時窒化膜114が損傷されてバッファ層の機能を喪失することを防止するために形成される。即ち、窒化膜114を保護するため形成される。高温酸化膜115は約10−1000オングストロームの厚さ範囲内で形成される。
【0029】
トレンチ内壁即ち、高温酸化膜115の表面に対して例えば、NH3ガス等を用いたプラズマの処理工程が遂行される。プラズマの処理工程は後続トレンチ隔離膜116が均一な厚さで蒸着されるようにする機能を有する。高温酸化膜115上にトレンチ110が完全に充填されるようにフィリング(filling)特性の良いトレンチ隔離膜116例えば、USG膜(TEOS-O3 CVD法により形成)116が形成される。USG膜(O3 TEOS)116上にUSG膜(O3 TEOS)116のストレス特性を相殺させる膜質例えば、PE-TEOS(Plasma Enhanced - Tetraethylorthosilicate)膜(又は PE-OX(Plasma Enhanced - Oxide)膜)118が形成される。 USG膜(O3 TEOS)116はトレンチの深さが0.25μmの場合、約5000オングストロームの厚さで形成される。
【0030】
最後に、後続平坦化のエッチング工程でトレンチ隔離膜116の過度なリセス(recess)を防止するためにUSG膜(O3 TEOS)116を緻密化させるアニ−リング工程が遂行される。例えば、USG膜(O3TEOS)116が900℃以上の高温でアニ−リングされる。
【0031】
このようなアニ−リング工程は N2雰囲気又は湿式雰囲気(H2 及び O2 雰囲気)の条件で進行される。湿式アニ−リングは、850℃以下の温度例えば、700℃でも遂行できる。
【0032】
PE-TEOS膜(又は PE−OX膜)118及びUSG膜(O3 TEOS)116がCMP(Chemical Mecanical Polishing)等の平坦化エッチング工程を通じてエッチングされる。そうすると、図10に示されたように、浅いトレンチ隔離部120が形成される。
【0033】
平坦化エッチング工程は、窒化膜103をエッチング停止層として使用して遂行され、これにより活性領域と非活性領域の段差がない状態になる。
【0034】
後続工程に、トレンチマスクで使用された窒化膜103及びパッド酸化膜102が除去された後、ゲ−ト酸化膜及びゲ−ト電極を含むトランジスタの形成工程が遂行される。
【0035】
図11は、本発明の実施形態によるトレンチ隔離部120の構造を示した断面図である。
【0036】
図11を参照すると、前述したようにトレンチ隔離部の形成方法によるトレンチ隔離部120は、半導体基板100をエッチングしてトレンチ110が形成されている。トレンチ110の内壁に熱酸化膜112及び窒化膜114が順次に形成されている。熱酸化膜112は、約100−500オングストロームの厚さ範囲を有する。窒化膜はトレンチ内壁の酸化を防止し、トレンチ内壁に加えられるストレスを緩和させるバッファ層として作用する。窒化膜は例えば、LPCVD法で約30−200オングストロームの厚さ範囲を有するように形成されたシリコン窒化膜として、望ましくは組成中シリコン含量が相対的に多いシリコンリッチ窒化膜である。
【0037】
窒化膜114上にトレンチ110を完全に充填するようにトレンチ隔離膜116が形成されている。トレンチ隔離膜116は例えば、USG膜(O3 TEOS)116である。
【0038】
窒化膜114とトレンチ隔離膜との間に本発明による高温酸化膜115例えば、HTO酸化膜又はLP-TEOS酸化膜が形成されている。高温酸化膜115は約10−1000オングストロームの厚さ範囲を有する。
【0039】
トレンチ隔離120両側の半導体基板100上にゲ−ト酸化膜122が形成されている。ゲ−ト酸化膜122上にゲ−ト電極及びゲ−トスペ−サを有するトランジスタ124が形成されている。
【0040】
【発明の効果】
本発明は、トレンチ内壁にシリコン窒化膜を形成することにより、後続酸化工程時トレンチ内壁が酸化されて体膨脹によるトレンチ内壁に加えられるストレスが防止できて、トレンチの隔離膜形成時トレンチ内壁に加えられるストレスを緩和させ得る。
【0041】
又、シリコン窒化膜上にHTO酸化膜又はLP-TEOS酸化膜等の保護酸化膜を形成することにより、プラズマの処理工程乃至トレンチ隔離膜の形成工程時シリコン窒化膜が損傷されてそのストレスバッファ機能が喪失されることが防止でき、従ってトレンチ隔離の絶縁特性を向上させ得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のトレンチ隔離部形成方法において、トレンチマスクを形成する工程を示す後にトレンチ隔離部となる部位の断面図である。
【図2】図1の工程の後トレンチを形成する工程を示す後にトレンチ隔離部となる部位の断面図である。
【図3】図2の工程の後熱酸化膜を形成する工程を示すトレンチ隔離部の断面図である。
【図4】図3の工程の後トレンチ隔離膜及びPE−TEOS膜を形成する工程を示す後にトレンチ隔離部となる部位の断面図である。
【図5】図4の工程の後窒化膜が露出されるまでエッチングしてトレンチ隔離部を形成する工程を示すトレンチ隔離部の断面図である。
【図6】本発明のトレンチ隔離部形成方法に係る実施形態において、トレンチマスクを形成する工程を示すトレンチ隔離部の断面図である。
【図7】図6の工程の後トレンチを形成する工程を示す後にトレンチ隔離部となる部位の断面図である。
【図8】図7の工程の後熱酸化膜を形成する工程を示す後にトレンチ隔離部となる部位の断面図である。
【図9】図8の工程の後窒化膜、高温酸化膜、トレンチ隔離膜及びPE−TEOS膜を順次形成する工程を示す後にトレンチ隔離部となる部位の断面図である。
【図10】図9の工程の後トレンチマスクを構成する窒化膜が露出されるまでエッチングしてトレンチ隔離部を形成する工程を示すトレンチ隔離部の断面図である。
【図11】本発明の実施形態であるトレンチ隔離部構造の断面図である。
【符号の説明】
2、100 半導体基板
3、102 パッド酸化膜
4、103 窒化膜
5、104 高温酸化膜
6、105 反射防止膜
8、106 トレンチマスク
10、108 フォトレジストパタ−ン
12、110 トレンチ
14、112 熱酸化膜(第1酸化膜)
15、116 トレンチ隔離膜(トレンチ隔離物質、第3酸化膜)
18、120 トレンチ隔離部
114 窒化膜(物質層)
115 高温酸化膜(絶縁膜、第2酸化膜)
124 トランジスタ
Claims (22)
- 半導体基板上にトレンチ形成領域を定めてトレンチマスクを形成する段階と、
前記トレンチマスクを使用して半導体基板をエッチングしてトレンチを形成する段階と、
前記トレンチ形成時発生された基板の損傷を除去するためトレンチの両側壁及び底に熱酸化膜を形成する段階と、
前記熱酸化膜上にトレンチの両側壁及び底の酸化を防止するための物質層を形成する段階と、
前記物質層上に物質層を保護するための絶縁膜を形成する段階と、
前記トレンチの両側壁及び底をプラズマ処理する段階と、
前記トレンチをトレンチ隔離物質で完全に充填する段階とを含んで、前記プラズマ処理工程はトレンチ隔離物質がトレンチの両側壁及び底に均一に形成されるようにすることを特徴とするトレンチ隔離部形成方法。 - 前記熱酸化膜は、100−500オングストロームの厚さ範囲内で形成されることを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 前記物質層は、トレンチの両側壁及び底に加えられるストレスを緩和させるバッファ層として作用することを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 前記物質層は、LPCVD法に形成されるシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 前記シリコン窒化膜は、組成中でシリコン含量が相対的に多いシリコンリッチ窒化膜であることを特徴とする請求項4に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 前記物質層は、30−200オングストロームの厚さ範囲内で形成されることを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 前記絶縁膜は、高温で蒸着される酸化膜として形成されることを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 前記酸化膜は、HTO酸化膜及びLP-TEOS酸化膜のいずれかで形成されることを特徴とする請求項7に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 前記絶縁膜は、10−1000オングストロームの厚さ範囲内で形成されることを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 前記プラズマ処理工程は、NH3ガスを使用して遂行されることを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 前記トレンチ隔離部形成方法は、トレンチをトレンチ隔離物質で完全に充填した後、トレンチ隔離物質を緻密化させるためのアニ−リング工程を遂行する段階を付加的に含むことを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 前記アニ−リング工程は、N2雰囲気で少なくとも900℃以上の温度で遂行されることを特徴とする請求項11に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 前記アニ−リング工程は、H2及びO2からなる混合ガス雰囲気で少なくとも700℃以上の温度で遂行されることを特徴とする請求項11に記載のトレンチ隔離部形成方法。
- 半導体基板をエッチングして形成されたトレンチと、
前記トレンチの両側壁及び底に窒化膜を間に置いて形成された第1酸化膜及びプラズマ処理された第2酸化膜と、
前記プラズマ処理された第2酸化膜上にトレンチを完全に充填するように形成された第3酸化膜とを含むことを特徴とするトレンチ隔離構造。 - 前記第1酸化膜は、熱酸化膜であることを特徴とする請求項14に記載のトレンチ隔離構造。
- 前記第1酸化膜は、100オングストローム−500オングストロームの厚さ範囲を有することを特徴とする請求項14に記載のトレンチ隔離構造。
- 前記窒化膜は、トレンチの両側壁及び底の酸化を防止して、トレンチの両側壁及び底に加えられるストレスを緩和させるバッファ層として作用することを特徴とする請求項14に記載のトレンチ隔離構造。
- 前記窒化膜は、LPCVD法として形成されるシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項14に記載のトレンチ隔離構造。
- 前記シリコン窒化膜は、組成中でシリコン含量が相対的に多いシリコンリッチの窒化膜であることを特徴とする請求項18に記載のトレンチ隔離構造。
- 前記窒化膜は、30−200オングストロームの厚さ範囲を有することを特徴とする請求項14に記載のトレンチ隔離構造。
- 前記第2酸化膜は、HTO酸化膜及びLP-TEOS酸化膜等の高温酸化膜のいずれかで形成されることを特徴とする請求項14に記載のトレンチ隔離構造。
- 前記第2酸化膜は、10−1000オングストロームの厚さ範囲を有することを特徴とする請求項14に記載のトレンチ隔離構造。
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