JP5116229B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、トレンチ型素子分離構造を有する半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a trench type element isolation structure.
従来、半導体装置における素子と素子とを電気的に分離するための絶縁膜(以下、「素子分離膜」ともいう。)は、HDP−CVD(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)法で、シリコン酸化膜を埋め込んで製造されている。この製造方法は、まず、シリコン基板上にシリコン酸化膜と、シリコン窒化膜とを順次堆積する。その後、リソグラフイ法とドライエッチング法により、所定の領域に溝を形成し、HDP−CVD法を用いてシリコン酸化膜を埋め込む。このとき、アスペクト比が5.0を越えるような微細な溝が存在すると、HDP−CVD法で埋め込んだシリコン酸化膜に空隙(Void)が発生してしまう。その後、シリコン窒化膜をストッパ膜としたCMP(Chemical Mechanical Polishing)法でシリコン酸化膜の表面を平坦化する。その後、ウェットエッチング法でシリコン窒化膜、シリコン酸化膜を順次除去する。 Conventionally, an insulating film (hereinafter also referred to as “element isolation film”) for electrically isolating elements from each other in a semiconductor device is a silicon oxide film by HDP-CVD (High Density Plasma Chemical Vapor Deposition) method. It is manufactured by embedding. In this manufacturing method, first, a silicon oxide film and a silicon nitride film are sequentially deposited on a silicon substrate. Thereafter, a groove is formed in a predetermined region by a lithographic method and a dry etching method, and a silicon oxide film is embedded using an HDP-CVD method. At this time, if a fine groove having an aspect ratio exceeding 5.0 is present, a void is generated in the silicon oxide film buried by the HDP-CVD method. Thereafter, the surface of the silicon oxide film is planarized by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method using the silicon nitride film as a stopper film. Thereafter, the silicon nitride film and the silicon oxide film are sequentially removed by wet etching.
つぎに、基板表面を熱酸化法によって酸化して、イオン注入をする時のスクリーン膜(犠牲酸化膜)としてのシリコン酸化膜を形成し、イオン注入法によりウエル注入またはトランジスタのしきい値を決めるための注入を行なう。その後、再びウェットエッチング法でスクリーン膜としてのシリコン酸化膜を除去し、所定の膜厚のゲート酸化膜が形成される。上記のようにウェットエッチングを行なっているうちに、シリコン酸化膜内の空隙が表面に微細な開口として現れ、空隙によって生じた溝に、ゲート電極材料が埋まって、エッチング時に除去されないまま残ると、マイクロショートの原因となる。このようにCVDによる埋め込み法は、膜を順次堆積する方法であるため、空隙(Void)が生じやすい。 Next, the substrate surface is oxidized by a thermal oxidation method to form a silicon oxide film as a screen film (sacrificial oxide film) for ion implantation, and the well implantation or transistor threshold value is determined by the ion implantation method. For the injection. Thereafter, the silicon oxide film as the screen film is removed again by a wet etching method to form a gate oxide film having a predetermined thickness. While performing wet etching as described above, the gap in the silicon oxide film appears as a fine opening on the surface, and the gate electrode material is buried in the groove formed by the gap and remains unremoved during etching. It causes micro short circuit. As described above, since the filling method by CVD is a method of sequentially depositing films, voids are likely to be generated.
近年、CVD法に代わり、SOD(Spin-On Dielectric)、すなわち塗布膜による分離溝の埋め込み方法が提案されている。SOD法では、半導体装置の素子分離膜として、材料にポリシラザン(SiH2NH)nを用いた膜を埋め込んで作製する。図4は、SOD法により素子分離膜を形成する工程図である。この方法では、まず、図4(a)に示すように、シリコン基板41上に、シリコン酸化膜43と、シリコン窒化膜44を順次堆積する。その後、リソグラフイ法とドライエッチング法により、所定の領域に溝を形成する。つづいて、ポリシラザンをジブチルエーテルに溶かした溶液を用いてスピンコートし、数100℃のベーク処理で、溶媒であるジブチルエーテルを除去し、ポリシラザン膜46を分離溝内に埋め込む。このとき、流体の塗布により分離溝を埋め込むため、原理的に空隙(Void)は発生しない。一方、この時点でのポリシラザン内の化学結合は弱いために、絶縁膜としてはもろく、不安定な状態にあり、放置すると、つぎのような加水分解反応が起こり、その一部分が少しずつシリコン酸化膜へと変化する。また、この膜は酸化膜としての結合力も弱く、アンモニアなどの不純物を多く含む。
SiH2NH+2H2O→SiO2+NH3+2H2
したがって、水蒸気雰囲気中で熱処理をすることにより、酸化剤(水蒸気)を膜中に拡散させ、加水分解反応を強制的に進行させ、ポリシラザン膜をシリコン酸化膜へ変化させ、より安定な膜に焼成する。図4(a)は、この工程が終わった段階の断面図であり、ポリシラザン膜46は薄く、焼成によりシリコン酸化膜47に酸化した部分は濃く表現している。図4(a)に示すように、焼成の度合はパターンによって変化し、膜の表面からみて深いほど加水分解反応は進んでいない。一般に、酸化剤(水蒸気)の拡散は、時間とともに進行する。塗布後のポリシラザン膜のプロファイルにより、表面から遠い微細な分離溝パターンには、酸化剤(水蒸気)が十分に到達せず、加水分解反応が進まないために、結果的に焼成度においてパターン間で差が出る。一方、長時間、焼成を続ければ、表面から遠い微細な分離溝内のポリシラザンも焼成できる。このため、長時間の焼成を行なう場合が多いが、その場合は、大きな開口をもつ分離溝で酸化剤がSi基板面まで到達して、素子分離側壁および分離底面でシリコンの酸化反応が進んでしまい、酸化膨張による形状変化で基板中に大きな応力をもたらし、素子特性を劣化させるので、所定量以上に焼成処理を進めることは好ましくない。
In recent years, instead of the CVD method, SOD (Spin-On Dielectric), that is, a method of filling a separation groove with a coating film has been proposed. In the SOD method, a film using polysilazane (SiH 2 NH) n as a material is embedded as an element isolation film of a semiconductor device. FIG. 4 is a process diagram for forming an element isolation film by the SOD method. In this method, first, a
SiH 2 NH + 2H 2 O → SiO 2 + NH 3 + 2H 2
Therefore, heat treatment in a water vapor atmosphere diffuses the oxidizing agent (water vapor) into the film, forcibly proceeds with the hydrolysis reaction, changes the polysilazane film to a silicon oxide film, and fires it to a more stable film. To do. FIG. 4A is a cross-sectional view at the stage where this process is completed. The polysilazane film 46 is thin, and the portion oxidized into the
つぎに、シリコン窒化膜44をストッパ膜とするCMP法でシリコン酸化膜47の表面を平坦化する。図4(b)は、この工程が終わった段階の断面図である。その後、熱燐酸を用いたウェットエッチング法でシリコン窒化膜44を除去し、希弗酸を用いたウェットエッチング法でシリコン酸化膜43を順次除去する。図4(c)は、この工程が終わった段階の断面図であるが、希弗酸によるシリコン酸化膜のエッチングレートよりもポリシラザン膜のエッチングレートは速いため、シリコン酸化膜への変化が起こりにくい微細な分離溝パターンほどその上面が速くエッチングされる。
Next, the surface of the
つぎに、基板表面を熱酸化法により酸化して、イオン注入をする時のスクリーン膜(犠牲酸化膜)としてのシリコン酸化膜(図示していない。)を形成し、イオン注入法によりウエル注入またはトランジスタのしきい値を決めるための注入を行ない、再び希弗酸によるウェットエッチング法でスクリーン膜であるシリコン酸化膜を除去する。このとき、焼成度の低いポリシラザン膜が速くエッチングされるため、微細な分離溝パターンほど、その上面が大きく後退する。その後、所定の膜厚のゲート酸化膜を形成した後、ゲート電極48を形成する。図4(d)は、この工程が終わった段階の断面図であり、上述のとおり、微細な分離溝パターンほど上面が後退し、大きな窪みとなっている。図5(a)に、この段階における平面図を示す。図5(a)において、ゲート電極58上をIVD−IVDで切断したときの断面図が図4(d)である。また、図5(a)において、VB−VBで切断したときの断面図が図5(b)であり、VC−VCで切断したときの断面図が図5(c)である。図5(b)に示すように、窪みにゲート電極材料59が埋まって、エッチング時に除去されないまま残り、隣接するゲート電極58a,58b間におけるマイクロショートの原因となり、また、活性領域端でシリコン基板の角部が露出し、ゲート酸化膜のシンニング(Thinning)が起こり、信頼性が低下し、あるいはゲート電界の集中(フリンジング)が起こり、しきい値が低下しやすい。
Next, the substrate surface is oxidized by a thermal oxidation method to form a silicon oxide film (not shown) as a screen film (sacrificial oxide film) for ion implantation, and well implantation or ion implantation is performed. Implantation for determining the threshold value of the transistor is performed, and the silicon oxide film which is the screen film is removed again by wet etching using diluted hydrofluoric acid. At this time, since the polysilazane film having a low degree of firing is etched faster, the finer separation groove pattern has its upper surface retreated more greatly. Thereafter, a gate oxide film having a predetermined thickness is formed, and then a
一方、焼成をCMPの後に行なう方法がある(特許文献1参照)。しかし、焼成前のスピンコート層は不安定な膜であり、Si−O結合ではなく、Si−N結合を多く含むポリシラザンを直接CMP法で研磨するため、シリカ(SiO2)やセリア(CeO2)を砥粒とするシリコン酸化膜用のスラリは不適格であり、平坦化が難しい。実際に、ポリシラザン膜の研磨にこれらのスラリを使った場合のレートは、結合が弱いため著しく速いが、Si−N結合を多く含む場所ではレートが下がるため、場所および膜の状態によってレートが不均一である。また、たとえSiN結合を含む膜を研磨しやすいようなスラリで研磨するとしても、素子分離形成時のマスク層として用いられるシリコン窒化膜をストッパ膜として研磨を止めることが難しく、素子分離膜の仕上がり膜厚を揃えることができない。
本発明は、基板上に埋め込まれる絶縁膜に空隙がなく、焼成のパターン依存性が小さく、絶縁膜の形状および膜厚のパターン依存性が小さい半導体装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device in which an insulating film embedded on a substrate has no gap, has a small pattern dependency of firing, and has a small pattern dependency of the shape and thickness of the insulating film.
本発明は、半導体基板上に、素子と素子とを電気的に分離する絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法であって、半導体基板上にマスク層を形成する工程と、マスク層をパターニングする工程と、パターニングしたマスク層を用いて基板上に溝幅の異なる第1の溝部および第2の溝部を形成する工程と、基板上に塗布法によりシリコン絶縁膜を形成する工程と、シリコン絶縁膜の一部をシリコン酸化膜に焼成する第1の焼成工程と、マスク層より外側にあるシリコン酸化膜をCMP法により除去して平坦化する平坦化工程と、シリコン絶縁膜を焼成する第2の焼成工程と、ゲート電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which an insulating film for electrically separating elements from each other is formed on a semiconductor substrate, the step of forming a mask layer on the semiconductor substrate, and patterning the mask layer A step of forming first and second groove portions having different groove widths on the substrate using the patterned mask layer, a step of forming a silicon insulating film on the substrate by a coating method, and a silicon insulating film A first baking step of baking a part of the silicon oxide film into a silicon oxide film, a planarization step of removing and flattening the silicon oxide film outside the mask layer by CMP, and a second baking of the silicon insulating film The method includes a firing step and a step of forming a gate electrode.
本発明の製造方法により素子分離膜を形成すると、素子分離膜内に空隙が生じないため、ゲート電極材料が取り込まれて、マイクロショートの原因となることがない。また、素子分離膜の形状および膜厚のパターン依存性が小さいため、素子特性のパターン依存性を小さくすることができる。 When the element isolation film is formed by the manufacturing method of the present invention, no gap is generated in the element isolation film, so that the gate electrode material is taken in and does not cause a micro short circuit. In addition, since the pattern dependency of the shape and thickness of the element isolation film is small, the pattern dependency of element characteristics can be reduced.
半導体基板上に、シリコン窒化物などからなるマスク層を形成し、マスク層をパターニングした後、このマスク層を用いて基板上に溝幅の異なる第1の溝部および第2の溝部を形成する。つぎに、基板上に塗布法によりシリコン絶縁膜を形成し、第1の焼成工程により、シリコン絶縁膜の一部をシリコン酸化膜に改質し、その後、マスク層より外側にあるシリコン酸化膜をCMP法により除去して平坦化し、つづいて、第2の焼成工程により、シリコン絶縁膜をシリコン酸化膜に焼成し、その後、所定の膜厚のゲート電極を形成する。塗布法により基板上に絶縁膜を埋め込むため、原理的に空隙(Void)のない微細な素子分離膜を形成することができる。 A mask layer made of silicon nitride or the like is formed on the semiconductor substrate, the mask layer is patterned, and then the first groove portion and the second groove portion having different groove widths are formed on the substrate using the mask layer. Next, a silicon insulating film is formed on the substrate by a coating method, and a part of the silicon insulating film is modified into a silicon oxide film by the first baking step, and then the silicon oxide film outside the mask layer is formed. Then, the silicon insulating film is baked into a silicon oxide film by a second baking step, and then a gate electrode having a predetermined thickness is formed. Since an insulating film is embedded on the substrate by a coating method, a fine element isolation film free from voids can be formed in principle.
基板へのシリコン絶縁材料の塗布は、均一なシリコン絶縁膜が容易に得られる点で、スピンコート法が好ましい。また、焼成には、熱酸化法以外にラジカル酸化法などの方法も使用することができるが、酸化種として水蒸気などを用いる方法が、比較的低温でも加水分解反応による酸化の進行が期待できる点で好ましい。 The application of the silicon insulating material to the substrate is preferably a spin coating method in that a uniform silicon insulating film can be easily obtained. In addition to the thermal oxidation method, a method such as a radical oxidation method can be used for firing, but the method using water vapor or the like as an oxidation species can be expected to progress oxidation by a hydrolysis reaction even at a relatively low temperature. Is preferable.
一般に、スピンコートした絶縁膜を焼成した後、CMPにより平坦化すると、焼成度にパターンによる影響が反映する。一方、焼成をCMPによる平坦化後に行なうと、焼成前のスピンコート膜は、研磨後の洗浄液に容易に溶解するほど不安定な膜であり、研磨レートも速いため、CMPによる平坦化が困難である。本発明では、CMPの前と後の双方で焼成を行なうことにより、シリコン窒化膜をストッパ膜とする平坦性の高い研磨と、パターン間でバラツキが小さく均一な焼成を両立することができ、パターンによらずほぼ均一で窪みがなく、形状および膜厚がほぼ一定の微細素子分離膜を形成することができる。 Generally, when a spin-coated insulating film is baked and then flattened by CMP, the influence of the pattern is reflected on the baking degree. On the other hand, if baking is performed after planarization by CMP, the spin coat film before baking is an unstable film that dissolves easily in the cleaning liquid after polishing, and the polishing rate is fast, so flattening by CMP is difficult. is there. In the present invention, by performing baking both before and after CMP, it is possible to achieve both highly flat polishing using a silicon nitride film as a stopper film and uniform baking with little variation between patterns. Regardless of this, it is possible to form a microelement isolation film that is substantially uniform, has no depressions, and has a substantially constant shape and film thickness.
第1の溝部は、第2の溝部より溝幅が大きく、第1の焼成工程においては、大きく開口する第1の溝部では、水蒸気などの酸化種がシリコン絶縁膜内を溝の底部にまで拡散した状態で焼成する態様が好ましい。この場合、焼成の度合はパターンによって異なる状態にあるが、つぎのCMPによる研磨工程で除去する部分の大半は、完全にシリコン酸化膜に組成が変化しているため、パターンによらず研磨レートを一定に維持することができ、シリコン絶縁膜の仕上り膜厚を揃えることができる。また、未焼成の絶縁膜は、その後、第2の焼成工程において、微細分離部分を含めて、ほとんど全部が緻密なシリコン酸化膜に変化して安定な分離絶縁膜となる。 The first groove portion has a larger groove width than the second groove portion, and in the first firing step, in the first groove portion, which is largely opened, oxidizing species such as water vapor diffuses in the silicon insulating film to the bottom portion of the groove. A mode in which the calcination is performed is preferable. In this case, the degree of firing is different depending on the pattern, but since most of the portion to be removed in the next polishing process by CMP is completely changed to the silicon oxide film, the polishing rate is changed regardless of the pattern. It can be kept constant, and the finished film thickness of the silicon insulating film can be made uniform. In addition, in the second firing step, the unfired insulating film is changed almost completely into a dense silicon oxide film, including the fine separation portion, and becomes a stable isolation insulating film.
また、第1の焼成工程において、酸化種がマスク層にまで拡散しないように焼成し、つぎの平坦化工程において、窒素を含むシリコン絶縁膜に対するシリコン酸化膜の選択比が大きいスラリを用いて研磨する態様が好ましい。この場合、第1の焼成後、酸化種が塗布膜の途中まで進んだ状態であり、つづいて、ポリシラザンなどからなるシリコン絶縁膜に対するシリコン酸化膜の選択比が高いスラリとして、たとえば、セリア(CeO2)を原料とするセリアスラリを用いてCMP法により研磨すると、焼成の程度が低く、加水分解が進んでいない部分は研磨レートが低下し、平坦化された状態で研磨を停止することができる。セリアスラリによる研磨は、シリコン窒化膜に対するシリコン酸化膜の選択比が非常に高いため、シリコン窒化膜をストッパ膜とする研磨により非常に高い平滑性が得られる。未焼成の絶縁膜は、その後、第2の焼成工程において、微細分離部分を含めてほとんど全部が緻密で安定なシリコン酸化膜に変化する。 In the first baking step, baking is performed so that the oxidizing species do not diffuse into the mask layer, and in the next planarization step, polishing is performed using a slurry having a high selection ratio of the silicon oxide film to the silicon insulating film containing nitrogen. This embodiment is preferable. In this case, after the first baking, the oxidizing species has progressed partway through the coating film. Subsequently, as a slurry having a high selection ratio of the silicon oxide film to the silicon insulating film made of polysilazane or the like, for example, ceria (CeO When the ceria slurry using 2 ) as a raw material is polished by the CMP method, the polishing rate is lowered in a portion where the degree of firing is low and hydrolysis has not progressed, and the polishing can be stopped in a flattened state. Polishing with ceria slurry has a very high selection ratio of the silicon oxide film to the silicon nitride film, so that very high smoothness can be obtained by polishing using the silicon nitride film as a stopper film. Thereafter, almost all of the unsintered insulating film is changed into a dense and stable silicon oxide film including the fine separation portion in the second firing step.
大きく開口する第1の溝部に比べて、小さく開口する第2の溝部では、酸化種の拡散が遅く、焼成が進みにくい傾向がある。したがって、最終的に焼成の程度においてパターン間で差がなく、微細分離部も含めて、ほとんど全部が緻密で安定なシリコン酸化膜となるようにするため、第2の焼成工程において、小さく開口する溝部でも酸化種がシリコン絶縁膜内を溝の底部にまで拡散した状態で焼成する態様が好ましい。 Compared to the first groove portion that opens largely, in the second groove portion that opens small, the diffusion of the oxidized species tends to be slow, and the firing tends not to proceed. Accordingly, there is no difference between the patterns in the final baking level, and almost all of the layers including the fine separation portion are dense and stable, so that a small opening is formed in the second baking step. In the groove portion, it is preferable to perform firing in a state where the oxidized species diffuses in the silicon insulating film to the bottom portion of the groove.
図7に示すように、塗布法により形成されたシリコン絶縁膜76は、開口の大きい第1の溝部の開口領域Iにおいて、マスク層74上の平坦部A、Cより低い位置に平坦部Bを有する。マスク層(シリコン窒化膜74)の上面から溝の底部までの深さをdとするとき、開口の大きい第1の溝部は、シリコン絶縁膜76の厚さによっても異なるが、通常は、幅W1が深さdの2倍程度以上である場合が多い。
As shown in FIG. 7, the
一方、シリコン絶縁膜76は、開口領域IIにおいて、最深部が曲面状の空孔部Dを有するが、開口領域IIIにおいては開口の小さい第2の溝部の開口幅W3のように開口幅がさらに小さくなると、やがて空孔部は認められなくなり、マスク層74上の平坦部A、Cとほぼ同じ高さの平坦部Eを有する。第2の溝部は、シリコン絶縁膜76の厚さによっても異なるが、通常は、幅W2が深さdの2倍程度以下である場合が多く、たとえば、半導体チップ内の最小微細分離部などが該当する。
On the other hand, the
第2の焼成工程の後に、アンモニア溶液と弗酸溶液の混合溶液(バッファード弗酸溶液)によりシリコン酸化膜をウェットエッチングする態様が好ましい。かかるエッチング工程を備えることにより、たとえ焼成の程度に差が生じても、焼成後の塗布膜と、熱酸化により形成されたシリコン酸化膜との間でエッチングレートの差が小さくなり、塗布膜の相対的なエッチングレートが下がるため、エッチング後の形状にパターン間の差が生じにくくなる。 A mode in which the silicon oxide film is wet-etched with a mixed solution of ammonia solution and hydrofluoric acid solution (buffered hydrofluoric acid solution) after the second baking step is preferable. By providing such an etching step, even if a difference in the degree of baking occurs, the difference in etching rate between the coating film after baking and the silicon oxide film formed by thermal oxidation becomes small, and the coating film Since the relative etching rate is lowered, a difference between patterns hardly occurs in the shape after etching.
したがって、本発明によれば、窪みにゲート電極材料が埋め込まれて、エッチング時に除去されないまま残留し、マイクロショートが起こるなどのトラブルを回避できる。さらに、素子分離膜が大きく後退し、活性領域端でシリコン基板の角部が露出して、ゲート酸化膜のシンニング(Thinning)が起こつて、信頼性の低下を招いたり、ゲート電界の集中(フリンジング)が起こって、しきい値が低下するなどの問題を回避できる。 Therefore, according to the present invention, it is possible to avoid the trouble that the gate electrode material is buried in the recess and remains without being removed during the etching, and a micro short circuit occurs. Furthermore, the element isolation film is largely retracted, the corner of the silicon substrate is exposed at the edge of the active region, and thinning of the gate oxide film occurs, leading to a decrease in reliability and concentration of the gate electric field (fringe). )) And problems such as lowering the threshold can be avoided.
実施例1
図1を用いて、本発明の半導体装置の製造方法について説明する。まず、シリコン基板上に、熱酸化法でシリコン酸化膜を膜厚5〜20nm形成した後、LP−CVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法でシリコン窒化膜を膜厚50〜200nm堆積し、マスク層を形成する。つぎに、リソグラフィ法とドライエッチング法により、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜からなるマスク層をパターニングした後、このマスク層を用いてシリコン基板を深さ200〜400nm掘り下げて、図1(a)に示すように、シリコン基板1上に、シリコン酸化膜3とシリコン窒化膜4を備え、素子分離膜を形成したい所定の領域に溝を形成した。
Example 1
A method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG. First, a silicon oxide film having a thickness of 5 to 20 nm is formed on a silicon substrate by a thermal oxidation method, and then a silicon nitride film is deposited to a thickness of 50 to 200 nm by a LP-CVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) method. Form. Next, after patterning a mask layer made of a silicon nitride film and a silicon oxide film by lithography and dry etching, the silicon substrate is dug down to a depth of 200 to 400 nm using this mask layer, and FIG. As shown, a
その後、エッチングダメージ層の除去のために、溝の側壁および底面を熱酸化法で5〜20nm酸化し、品質の良いシリコン酸化膜(図示せず。)でシリコン基板を覆うのが好ましい。つぎに、ポリシラザンをジブチルエーテルに溶かした溶液をスピンコート法により塗布し、100〜200℃で1〜5分程度のベーク処理を行ない、溶媒のジブチルエーテルを除去し、絶縁膜としてポリシラザン膜6を分離溝内に埋め込んだ。この操作は、流体の塗布により分離溝を埋め込む操作であるため、原理的に空隙(Void)は発生しない。図1(a)は、この工程が終わった段楷での断面図である。この時点でのポリシラザン内の化学結合は弱いために、絶縁膜としてはもろくて不安定な状態である。このため、水蒸気雰囲気中で熱処理をして、つぎの加水分解反応を起こさせて、シリコン酸化膜へ変化させる。
SiH2NH+2H2O→SiO2+NH3+2H2
このとき、まず、400〜600℃の水蒸気雰囲気中で熱処理をするが、酸化剤である水蒸気が絶縁膜内を溝の底部にまで拡散した状態で焼成する。図2に、シリコン基板21上に、シリコン酸化膜23と、シリコン窒化膜24を形成した後、ポリシラザン膜26をスピンコートした後、熱処理をしたときのポリシラザン膜26の焼成状態を例示する。熱処理の初期状態を図2(a)に、中期状態を図2(b)に、また、後期状態を図2(c)に表す。図2における領域20は、加水分解反応を進行させるのに十分な酸化剤濃度を有する領域を表す。本実施例では、図2(b)の状態よりは酸化剤を拡散させ、図2(c)に近い状態にまで熱処理する。このような熱処理により、大きく開口する溝部においては、シリコン基板面にちょうど到達する程度にまで酸化剤が拡散するように、また、その他の領域においては、シリコン窒化膜24の表面近くに到達する程度に酸化剤が拡散するように熱処理時間などの条件を調整する。たとえば、500〜600℃の温度で、10〜30分間の処理をする。
Thereafter, in order to remove the etching damage layer, it is preferable to oxidize the side wall and the bottom surface of the groove by thermal oxidation for 5 to 20 nm and to cover the silicon substrate with a high-quality silicon oxide film (not shown). Next, a solution in which polysilazane is dissolved in dibutyl ether is applied by spin coating, baking is performed at 100 to 200 ° C. for about 1 to 5 minutes, the solvent dibutyl ether is removed, and the polysilazane film 6 is formed as an insulating film. Embedded in the separation groove. Since this operation is an operation of embedding the separation groove by applying a fluid, a void is not generated in principle. FIG. 1A is a cross-sectional view at the stage where this process is completed. At this time, the chemical bond in the polysilazane is weak, so that the insulating film is fragile and unstable. For this reason, heat treatment is performed in a water vapor atmosphere to cause the next hydrolysis reaction to change into a silicon oxide film.
SiH 2 NH + 2H 2 O → SiO 2 + NH 3 + 2H 2
At this time, first, heat treatment is performed in a water vapor atmosphere at 400 to 600 ° C., but firing is performed in a state where water vapor as an oxidizing agent diffuses in the insulating film to the bottom of the groove. FIG. 2 illustrates the firing state of the
その後は、窒素などの不活性ガス雰囲気中で、600℃以上の高温、たとえば900〜1100℃で30〜90分の熱処理をすることで加水分解反応を進行させる。さらに、余剰の酸化剤および発生したアンモニアを系外に拡散させて膜中から除去し、最終的に、図1(b)に示すように、微細分離領域以外の大部分の領域において、ポリシラザン膜6が緻密なシリコン酸化膜7へ変化し、安定な膜となる。図1(b)では、完全に焼成されていないポリシラザン膜は薄い色、焼成によりシリコン酸化膜に変化した部分は濃い色で表現している。このように焼成の度合いは、パターンによって異なるが、つぎのCMPによる研磨工程で除去する部分の大半は、完全にシリコン酸化膜7に組成変化している。
Thereafter, the hydrolysis reaction is advanced by performing a heat treatment at a high temperature of 600 ° C. or higher, for example, at 900 to 1100 ° C. for 30 to 90 minutes in an inert gas atmosphere such as nitrogen. Further, excess oxidant and generated ammonia are diffused out of the system to be removed from the film, and finally, as shown in FIG. 1B, in most regions other than the fine separation region, the polysilazane film 6 changes to a dense
つぎに、シリコン窒化膜4をストッパ膜として、CMP法により、マスク層より外側にあるシリコン酸化膜7を除去して、基板の表面を平坦化する。このとき、シリコン窒化膜4に対する選択比を高くとるために、セリア(CeO2)スラリを用いて研磨することが望ましいが、焼成度が低く、窒素を多く含むポリシラザン膜に対しては研磨レートが下がるため、研磨レートが低下しないように、シリカスラリを用いるのが好ましい。図1(c)は、この工程が終わった段階の断面図である。このとき、微細分離部の表面には、焼成度が低く、加水分解反応が不完全なポリシラザン膜の一部が露出している。
Next, using the
つづいて、再度、水蒸気雰囲気中で焼成して加水分解し、微細分離部もほぼ完全にシリコン酸化膜へと変化させる。このときも、まず400〜600℃の水蒸気雰囲気中で熱処理をし、やはり酸化剤の拡散がちょうど塗布膜の膜厚程度以下の範囲で起こるようにするために、たとえば、500〜600℃の温度で10〜30分程度の処理をする。その後は、窒素などの不活性ガス雰囲気中で、600℃以上の高温、たとえば、900〜1100℃で30〜90分間の熱処理をし、加水分解反応を完全に進行させ、余剰の酸化剤および発生したアンモニアを系外に拡散させて膜中から除去する。これにより、最終的に、ポリシラザン膜6は、微細分離部を含めてほとんど全てが緻密なシリコン酸化膜7へと変化し、安定な分離絶縁膜となる。図1(d)は、この工程が終わった段階の断面図である。
Subsequently, it is again baked in a water vapor atmosphere to be hydrolyzed, and the fine separation portion is also almost completely changed into a silicon oxide film. Also at this time, first, heat treatment is performed in a water vapor atmosphere at 400 to 600 ° C., and in order to cause the diffusion of the oxidant to occur in the range of about the film thickness of the coating film or less, for example, at a temperature of 500 to 600 ° C. For about 10-30 minutes. Thereafter, heat treatment is performed at a high temperature of 600 ° C. or higher, for example, at 900 to 1100 ° C. for 30 to 90 minutes in an inert gas atmosphere such as nitrogen, and the hydrolysis reaction is allowed to proceed completely. The ammonia is diffused out of the system and removed from the film. Thereby, finally, almost all of the polysilazane film 6 including the fine separation portion is changed into the dense
つぎに、熱燐酸を用いたウェットエッチング法でシリコン窒化膜4を除去し、希弗酸を用いたウェットエッチング法でシリコン酸化膜3を順次除去する。その後、基板表面を熱酸化法によって焼成することで、イオン注入をする際のスクリーン膜(犠牲酸化膜)としてのシリコン酸化膜(図示せず。)を形成する。つぎに、イオン注入法によりウエル注入またはトランジスタのしきい値を決めるための注入を行ない、再び希弗酸によるウェットエッチング法でスクリーン膜としてのシリコン酸化膜を除去する。ここまでのウェットエッチングでは、エッチングレートがパターンによらずほぼ均一であるため、微細な分離溝パターンを含めて全てのパターンで分離膜厚がほぼ均一で、端部の形状もパターンによらずほぼ等しい素子分離膜が形成できる。その後、所定の膜厚のゲート酸化膜を形成した後、ゲート電極8を形成する。図1(e)は、この工程が終わった段階の断面図である。
Next, the
図6(a)にこの段階における平面図を示す。図6(a)において、ゲート電極68上をIE−IEで切断したときの断面図が図1(e)である。図6(a)において、VIB−VIBで切断したときの断面図が図6(b)であり、VIC−VICで切断したときの断面図が図6(c)である。図5(b)に示す場合と異なり、図6(b)では、微細分離領域に窪みがなく、ゲート電極材料が窪みに埋まらないため、ゲート電極68a,68b間においてマイクロショートが生じない。
FIG. 6A shows a plan view at this stage. In FIG. 6A, FIG. 1E is a cross-sectional view when the
シリコン酸化膜のウェットエッチングを行なう工程では、希弗酸に替えて、アンモニア溶液と弗酸溶液を混合したバッファード弗酸溶液をエッチング溶液に用いれば、焼成後のポリシラザン膜と熱酸化によって形成されたシリコン酸化膜との間のエッチングレートの差が小さくなる。したがって、相対的にポリシラザン膜のエッチングレートが下がるため、たとえ焼成度に若干の差があっても、エッチング後の形状にパターン間で差が生じにくくなる。 In the wet etching process of silicon oxide film, if a buffered hydrofluoric acid solution in which ammonia solution and hydrofluoric acid solution are mixed is used as the etching solution instead of dilute hydrofluoric acid, it is formed by thermal oxidation with the polysilazane film after firing. The difference in etching rate with the silicon oxide film is reduced. Therefore, since the etching rate of the polysilazane film is relatively lowered, even if there is a slight difference in the degree of firing, it is difficult for the difference in pattern between the patterns to occur after etching.
このようにウェットエッチングによるシリコン酸化膜7の上面における後退量が、パターンによらずほぼ均一であるため、微細な分離溝パターンで大きな窪みが発生することがない。このため、ゲート酸化膜のシンニングによる信頼性の低下や、ゲート電界の集中(フリンジング)によるトランジスタのしきい値の低下が生じにくい。
As described above, the amount of recession on the upper surface of the
実施例2
図3を用いて、本発明の半導体装置の製造方法について説明する。図3(a)までの工程は、実施例1と同様であり、シリコン基板31上に、シリコン酸化膜33と、シリコン窒化膜34とからなるマスク層を形成した後、溝を形成する。また、実施例1と同様に、水蒸気雰囲気中で熱処理をしてつぎのような加水分解反応を起こし、ポリシラザン膜36をシリコン酸化膜へ変化させる。
SiH2NH+2H2O→SiO2+NH3+2H2
熱処理は、まず400〜600℃の水蒸気雰囲気中で行なうが、酸化剤の拡散が、塗布膜の膜厚よりも小さい範囲でのみ起こるように、すなわち、図2(a)に示すように、酸化剤を拡散させる。したがって、活性領域上においては、シリコン窒化膜24にも酸化剤が到達していない程度に熱処理時間などの条件を調整する。熱処理条件としては、たとえば、400〜500℃の温度で5〜10分とする。その後、窒素などの不活性ガス雰囲気中で600℃以上の高温、たとえば、900〜1100℃で30〜90分熱処理をすることで加水分解反応を進行させ、余剰の酸化剤および発生したアンモニアを系外に拡散させて膜中から除去する。図3(b)は、この工程が終わった段階での断面図であり、焼成されていないポリシラザン膜36は白い色、焼成によりシリコン酸化膜に変化した部分は濃い色で表現している。このように、焼成が膜の途中まで進んだ状態であり、ポリシラザン膜のままで、変化していない部分には、多くの窒素を残留している。
Example 2
A method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG. The steps up to FIG. 3A are the same as those in the first embodiment. After forming a mask layer made of the
SiH 2 NH + 2H 2 O → SiO 2 + NH 3 + 2H 2
The heat treatment is first performed in a water vapor atmosphere at 400 to 600 ° C., but the oxidation is performed only in a range where the diffusion of the oxidizing agent is smaller than the film thickness of the coating film, that is, as shown in FIG. Spread the agent. Therefore, on the active region, conditions such as the heat treatment time are adjusted so that the oxidizing agent does not reach the
つぎに、シリコン窒化膜に対するシリコン酸化膜の選択比が高いセリア(CeO2)を原料とするスラリを用いてCMP法により、マスク層より外側にあるシリコン酸化膜を除去して、基板の表面を平坦化する。このとき、焼成度が低く、加水分解反応が進んでいない窒素を多く含むポリシラザン膜表面が露出すると、研磨レートが低下し、平坦化された状態で、研磨は停止する。図3(c)は、この工程が終わった段階の断面図である。 Next, the silicon oxide film outside the mask layer is removed by CMP using a slurry made of ceria (CeO 2 ) having a high selection ratio of the silicon oxide film to the silicon nitride film, and the surface of the substrate is removed. Flatten. At this time, when the surface of the polysilazane film containing a large amount of nitrogen having a low degree of baking and not undergoing hydrolysis reaction is exposed, the polishing rate is lowered and the polishing is stopped in a flattened state. FIG. 3C is a cross-sectional view at the stage where this process is completed.
つづいて、再度、水蒸気雰囲気中で熱処理をして加水分解し、ほとんど全ての部分を完全にシリコン酸化膜37へと変化させる。たとえば、500〜600℃の温度で10〜30分間の処理をした後、窒素などの不活性ガス雰囲気中で、たとえば、900〜1100℃で30〜90分間、熱処理し、加水分解反応を完全に進行させる。これにより、最終的に、ポリシラザン膜36は微細分離部を含めてほとんど全てが緻密なシリコン酸化膜37へ変化し、安定な絶縁膜となる。図3(d)は、この工程が終わった段階での断面図である。その後、再びセリアを原料とするスラリを用いてCMP法でシリコン窒化膜34よりも上方にあるシリコン酸化膜を除去する。
Subsequently, heat treatment is performed again in a water vapor atmosphere to cause hydrolysis, and almost all the portions are completely changed into the
セリアスラリによる研磨はシリコン窒化膜に対するシリコン酸化膜の選択比が非常に高く、シリコン窒化膜をストッパとする研磨を行なえば非常に高い平坦性が得られる。一方で、焼成度が低いポリシラザン膜では研磨速度が低下する。したがって2回目の焼成を行なうことで、研磨残が無く、かつ非常に平坦な研磨を行なうことができる。 Polishing with ceria slurry has a very high selectivity of the silicon oxide film to the silicon nitride film, and very high flatness can be obtained by polishing using the silicon nitride film as a stopper. On the other hand, in a polysilazane film having a low degree of firing, the polishing rate decreases. Therefore, by performing the second firing, there is no polishing residue and very flat polishing can be performed.
つぎに、熱燐酸を用いたウェットエッチング法でシリコン窒化膜34を除去し、希弗酸を用いたウェットエッチング法でシリコン酸化膜33を順次除去する。その後、基板表面を熱酸化法によって焼成することで、イオン注入をする際のスクリーン膜(犠牲酸化膜)としてのシリコン酸化膜(図示せず。)を形成し、イオン注入法によりウエル注入またはトランジスタのしきい値を決めるための注入を行なった後に、再び希弗酸によるウェットエッチング法でスクリーン膜としてのシリコン酸化膜を除去する。ここまでのウェットエッチングでは、エッチングレートがパターンによらず均一であるため、微細な分離溝パターンを含めて全てのパターンで分離膜厚が均一で、端部の形状もパターンによらず等しい素子分離膜が形成できる。その後、所定の膜厚のゲート酸化膜を形成した後、ゲート電極38を形成する。図3(e)は、この工程が終わった段階の断面図である。
Next, the
シリコン酸化膜のウェットエッチングを行なう工程では、希弗酸に替えて、アンモニア溶液と弗酸溶液を混合したバッファード弗酸溶液をエッチング溶液に用いることにより、焼成後のポリシラザン膜と熱酸化によって形成されたシリコン酸化膜との間のエッチングレートの差が小さくなる。そのため、相対的にポリシラザン膜のエッチングレートが下がるため、焼成度に若干の差があってもエッチング後の形状にパターン間で差が生じにくい。上記のように、ウェットエッチングにおけるシリコン酸化膜37上面の後退量がパターンによらずほぼ均一であるため、微細な分離溝パターンで大きな窪みが発生することがない。したがって、ゲート酸化膜のシンニングによる信頼性の低下、およびゲート電界の集中(フリンジング)によるトランジスタのしきい値の低下を招きにくくなる。さらに、実施例1と比べて凹凸のある状態での焼成範囲を小さくしているため、2回の焼成において過剰に基板が酸化されて素子分離膜が膨張し、ストレスが発生することにより、素子特性が劣化することを防止できる。
In the process of wet etching of silicon oxide film, instead of dilute hydrofluoric acid, a buffered hydrofluoric acid solution, which is a mixture of ammonia solution and hydrofluoric acid solution, is used as the etching solution. The difference in etching rate with the silicon oxide film formed is reduced. Therefore, since the etching rate of the polysilazane film is relatively lowered, even if there is a slight difference in the degree of firing, a difference in pattern after etching hardly occurs between patterns. As described above, the amount of recession of the upper surface of the
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明によれば、溝幅が非常に狭い素子分離膜を形成することができるため、主として回路の線幅が100nm以下のルールで描かれるような微細な半導体装置を広く製造することができる。 According to the present invention, since an element isolation film having a very narrow groove width can be formed, it is possible to widely manufacture a fine semiconductor device that is drawn mainly with a rule that the line width of a circuit is 100 nm or less.
1 シリコン基板、3,7 シリコン酸化膜、4 シリコン窒化膜、6 ポリシラザン膜、8 ゲート電極。 1 silicon substrate, 3, 7 silicon oxide film, 4 silicon nitride film, 6 polysilazane film, 8 gate electrode.
Claims (6)
半導体基板上にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層をパターニングする工程と、
パターニングした前記マスク層を用いて基板上に溝幅の異なる第1の溝部および第2の溝部を形成する工程と、
前記基板上に塗布法によりシリコン絶縁膜を形成する工程と、
前記シリコン絶縁膜の一部をシリコン酸化膜に焼成する第1の焼成工程と、
マスク層より外側にある前記シリコン酸化膜をCMP法により除去して平坦化する平坦化工程と、
前記シリコン絶縁膜を焼成する第2の焼成工程と、
ゲート電極を形成する工程と
を備え、
前記第2の溝部は、前記第1の溝部より溝幅が小さく、
前記第2の焼成工程において、前記第2の溝部では、酸化種が前記シリコン絶縁膜内を溝の底部にまで拡散した状態で焼成を行い、
前記第2の焼成工程は、水蒸気雰囲気中での加熱工程と、不活性ガス雰囲気中での加熱工程とをこの順で有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device, wherein an insulating film for electrically separating elements from each other is formed on a semiconductor substrate,
Forming a mask layer on the semiconductor substrate;
Patterning the mask layer;
Forming a first groove and a second groove having different groove widths on the substrate using the patterned mask layer;
Forming a silicon insulating film on the substrate by a coating method;
A first baking step of baking a part of the silicon insulating film into a silicon oxide film;
A planarization step of planarizing by removing the silicon oxide film outside the mask layer by a CMP method;
A second baking step of baking the silicon insulating film;
Forming a gate electrode,
The second groove portion has a groove width smaller than that of the first groove portion,
In the second baking step, baking is performed in the second groove portion in a state where the oxidized species diffuses in the silicon insulating film to the bottom portion of the groove ,
The second firing step, a method of manufacturing a semiconductor device comprising a heating step in a steam atmosphere, and a heating process in an inert gas atmosphere to chromatic in this order.
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