JP5420000B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
つまり、高耐圧トランジスタのゲート酸化膜を形成するときには、低耐圧領域は耐酸化性マスクで被覆しておき、高耐圧領域に対して選択的に熱酸化処理を行う必要がある。
そこで、窒化膜をエッチングするための他の方法である反応性イオンエッチングを用いることが考えられる。すなわち、低耐圧領域をレジスト膜で覆い、チャネル領域上の窒化膜を選択的にドライエッチングする手法である。
素子領域の分離にSTI(シャロウ・トレンチ・アイソレーション)法を適用する場合でも、ゲート酸化膜の形成は熱酸化法によるので、上述の場合と同様の問題に直面する。
レジスト膜7は、LOCOS酸化膜3によって分離された低耐圧素子領域4のエッジ部に整合するように形成できれば理想的であるが、マスク合わせ余裕を考慮する必要があるため、LOCOS酸化膜3上にそのエッジ部が位置することになる。そのため、図10 (c)のウェットエッチングの際に浸食を受け、段差部9を生じることになる。
また、段差部9は、後の工程でのリソグラフィフォーカスマージンの低下に繋がるため、微細加工に支障を来すおそれがある。
図13 (a)〜図13 (f)は、前記の半導体装置の製造工程を示す図解的な断面図であり、トレンチ104の部分が拡大して示されている。トレンチ104は、図13 (a)に示すように、窒化シリコン膜111をハードマスクとして用いた反応性イオンエッチング(RIE)によって半導体基板101をエッチングすることによって形成される。その後、図13 (b)に示すように、CVD(化学的気相成長)法によって、全面に酸化シリコン膜112が形成される。次いで、CMP(化学的機械的研磨)法によって、図13 (c)に示すように、窒化シリコン膜111が露出するまで平坦化処理が行われ、酸化シリコン105がトレンチ104に埋め込まれた状態となる。
したがって、ゲート酸化膜106は、トレンチ104との境界部、すなわち、チャネル領域104のエッジ部に、他の部分よりも膜厚の薄い薄膜部106aを有することになる。この薄膜部106aが、ゲート酸化膜耐圧の低下や、トランジスタ静特性不良(しきい値が不安定となるハンプ現象など)の原因となっていた。
その後、図14 (d)に示すように、レジスト膜206を剥離し、注入されたN型不純物イオンを熱拡散させることによって、チャネル領域203を挟んで対向する一対のドリフト層207が形成される。このドリフト層207は、チャネル領域203の両側のLOCOS酸化膜204を潜り込んでチャネル領域203へと達する。チャネル領域203における半導体基板201の表面には、熱酸化法によって、薄いゲート酸化膜208が形成され、このゲート酸化膜208はLOCOS酸化膜204に接続されることになる。この状態で、ゲート電極209が、ゲート酸化膜208の上部を覆い、さらにLOCOS酸化膜204の上部にまで至る領域に渡って形成される。こうして、ゲート電極209のエッジ部が、ゲート酸化膜208よりも厚いLOCOS酸化膜204の上部に位置するから、ゲート電極209のエッジ部における電界の集中を緩和できる。
こうして、最も薄い第3酸化膜は、第1酸化膜および第2酸化膜の形成工程の影響を受けずに正確に膜厚を制御でき、次に薄い第2酸化膜は第1酸化膜の形成工程の影響を受けずにその膜厚を正確に制御できる。
て次に述べる実施例の説明により明らかにされる。
第1領域50内に形成された複数の低耐圧トランジスタ51は、シリコン基板40の表層部に形成されたシャロウ・トレンチ分離(STI:Shallow Trench Isolation)部52によって分離された素子形成領域53内に形成されている。STI部52は、シリコン基板40の表面に形成された浅い(たとえば、深さ4000Å程度)トレンチ54内に酸化シリコン55を埋め込んで形成されている。
第1領域50内に形成されている複数の低耐圧トランジスタ51は、いずれもNチャンネル型トランジスタ(P型ウェル内にN型ソース・ドレイン拡散層を形成したもの)であってもよいし、いずれもPチャンネル型トランジスタ(N型ウェル内にP型ソース・ドレイン拡散層を形成したもの)であってもよく、Nチャンネル型トランジスタおよびPチャンネル型トランジスタの両方を含んでいてもよい。
素子形成領域73を含む領域には、シリコン基板40の表層部に、ウェル(P型ウェルまたはN型ウェル)76が形成されている。このウェル76内には、チャネル領域77(アクティブ領域)を挟んでソース側ドリフト層78およびドレイン側ドリフト層79(P型ウェル内ではN型ドリフト層、N型ウェル内ではP型ドリフト層)が形成されている。そして、チャネル領域77の表面に、たとえば膜厚1000Åのゲート酸化膜80(第2酸化膜)が形成され、このゲート酸化膜80上にゲート電極81が積層されている。
第2領域70内に形成されている複数の高耐圧トランジスタ71は、いずれもNチャンネル型トランジスタ(P型ウェル内にN型ドリフト層を形成したもの)であってもよいし、いずれもPチャンネル型トランジスタ(N型ウェル内にP型ドリフト層を形成したもの)であってもよく、Nチャンネル型トランジスタおよびPチャンネル型トランジスタの両方を含んでいてもよい。
続いて、図2Cに示すように、CVD(化学的気相成長)法によって、パッド酸化膜42の全面を被覆する窒化シリコン膜43(たとえば、膜厚300Å程度)が形成される。次いで、図2Dに示すように、窒化シリコン膜43の表面にレジスト膜44のパターンが形成される。このレジスト膜44は、図1の構造におけるLOCOS酸化膜84,85に対応するレジスト開口44a(チャネル領域77を挟んで対向する一対の領域に形成されるレジスト開口)を有し、残余の部分を被覆するものである。すなわち、レジスト膜44は、第1領域50全体を被覆し、第2領域70のチャネル領域77に対応する領域を被覆し、コンタクト孔86,87に対応する領域を被覆している。このレジスト膜44によって被覆されていない領域が第1酸化膜形成領域である。
この状態から、熱酸化処理が行われ、図2Iに示すように、チャネル領域77にゲート酸化膜80(たとえば、膜厚1000Å)が成長させられる。このとき、チャネル領域77以外の領域では、窒化シリコン膜43で覆われているので、この窒化シリコン膜43上に若干の酸化膜が成長するものの、シリコン基板40の表面における酸化膜の成長は生じない。
そして、図2Mに示すように、熱酸化法によって、ウェル56の領域(第3酸化膜形成領域)にゲート酸化膜60が形成される。このゲート酸化膜60の膜厚は、たとえば32Åである。このゲート酸化膜60を形成すべき領域におけるシリコン基板40の表面は、第2領域70にLOCOS酸化膜84,85を形成する工程においても、また、第2領域70においてゲート酸化膜80を形成する工程においても、終始、窒化シリコン膜43によって保護されている。そのため、第1領域50に形成されるゲート酸化膜60は、LOCOS酸化膜84,85や第2領域70におけるゲート酸化膜80の形成工程の影響を受けることなく、それらの厚い酸化膜を第1領域50のような微細パターン上に形成したときに生じる応力によってシリコン基板40に結晶欠陥が導入されることと、それによってリーク電流が増大することを回避できる。
反応性イオンエッチングによってパターニングされた状態の窒化シリコン膜43(図3において斜線を付して示す。)は、STI部72によって区画されるチャネル領域77の幅方向Wに関して、チャネル領域77からSTI部72側に微小距離Δ(たとえば、0.1〜0.2μm)だけはみ出したパターンに形成される。チャネル領域77の長さ方向(一対のドリフト層78,79の対向方向)に関しては、チャネル領域77上の窒化シリコン膜43は、所望のチャネル長に対応した長さとされる。このチャネル領域77の両側では、STI部72および窒化シリコン膜43によって取り囲まれた一対の矩形領域91,92において、シリコン基板40の表面が露出することになる。この一対の矩形領域91,92のほぼ中央には、コンタクト孔86,87に対応した領域に窒化シリコン膜43が形成されている。
ゲート酸化膜80を形成するための熱酸化工程では、図4Cに示すように、チャネル領域77のシリコン基板40の表面に成長するゲート酸化膜80とバーズビーク94とが接続し、チャネル領域77には、その中央領域からエッジ部に至る各部で均一な膜厚のゲート酸化膜80が形成されることになる。
この実施形態では、第2領域70における素子形成領域は、STI部72ではなく、LOCOS酸化膜98によって分離されている。高耐圧領域としての第2領域70に関しては、高耐圧トランジスタ71のサイズが大きいので、必ずしもSTI法による分離を適用する必要はない。したがって、この実施形態のように、第2領域70における素子形成領域73の分離を、LOCOS法によって行っても差し支えない。また、第1および第2領域50,70の境界部に位置するLOCOS酸化膜98に顕著な段差が生じることもない。
半導体基板と、この半導体基板上の領域であって、この半導体基板に形成されたトレンチ内に絶縁物を埋め込んだ素子分離部によって分離された第1素子形成領域を有する第1領域と、前記第1素子形成領域に形成された第1素子と、前記半導体基板上の上記第1領域とは別の領域であって、第2素子形成領域を有する第2領域と、前記第2素子形成領域に形成され、ゲート電極のエッジ部にゲート絶縁膜よりも厚いLOCOS酸化膜を配置したドリフト・ドレイン構造を有し、前記第1素子よりも高耐圧の第2素子とを含む、半導体装置。
前記第1素子は、前記第2素子よりも小さな素子サイズを有するものであってもよい。前述のとおり、第1領域における素子形成領域の分離には、素子の微細化に有利なSTI法が適用されているので、第1素子の微細化を容易に図ることができる。
さらに、前述の実施形態の記載から、以下のような課題、および、その課題を解決するための手段が抽出され得る。
第1の課題は、半導体基板上の所定の領域内の窒化膜を、当該領域へのダメージを抑制しつつ選択的に除去することにより、信頼性の高い半導体装置を製造することができる方法を提供することである。
第2の課題は、チャネル領域とトレンチとの境界部においてゲート酸化膜が薄膜化することを防止して、ゲート酸化膜耐圧を向上でき、半導体装置の特性を向上することができる半導体装置の製造方法を提供することである。
第3の課題は、ドリフト・ドレイン構造のトランジスタにおいて高耐圧化および微細化を行うときに生じる耐圧のばらつきを抑制することができる半導体装置の製造方法を提供することである。
第1の局面に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上の第1領域の全域を覆い、第2領域内の所定領域を覆う窒化膜を形成する工程と、この窒化膜の全表面に酸化皮膜を形成する酸化皮膜形成工程と、この酸化皮膜形成工程の後に、前記第1領域上を被覆し、前記第2領域上の所定の酸化膜形成対象領域を被覆しないパターンのレジスト膜を前記窒化膜上に形成する工程と、前記レジスト膜をマスクとしたふっ酸液によるウエットエッチングによって、前記酸化膜形成対象領域の窒化膜の表面に形成された前記酸化皮膜を選択的に除去して、その下地の前記窒化膜を露出させるふっ酸エッチング工程と、前記レジスト膜を剥離する工程と、室温よりも高い所定温度に加熱したリン酸液によって、前記露出した窒化膜を除去する工程と、前記窒化膜が除去された酸化膜形成対象領域の基板表面に熱酸化による酸化膜を形成する工程とを含む。
この方法は、ふっ酸液によるエッチングレートは、酸化膜の方が窒化膜よりも高く、熱リン酸液によるエッチングレートは、窒化膜の方が酸化膜よりも高いことを利用している。すなわち、半導体基板上の第1および第2領域に窒化膜を形成した後、この窒化膜の全表面に酸化皮膜を形成し、第2領域の窒化膜のうち除去したい領域(酸化膜形成対象領域)の窒化膜の表面の酸化皮膜がふっ酸液によって選択的に除去される。したがって、次に、熱リン酸液によるエッチングを行えば、酸化皮膜が除去された領域(酸化膜形成対象領域)の窒化膜のみが選択的に除去されることになる。こうして、ドライエッチングによることなく窒化膜の選択除去を行えるので、ウェットエッチングによって窒化膜が除去された後のダメージのない半導体基板の表面に酸化膜を成長させることができる。
前記方法は、好ましくは、前記第1領域に第1素子を形成する工程と、前記第2領域に前記第1素子よりも高耐圧の第2素子を形成する工程とをさらに含む。この方法によれば、比較的低耐圧の第1素子が形成される第1領域を窒化膜によって保護した状態で、比較的高耐圧の第2素子の形成のために、第2領域内のダメージのない酸化膜形成対象領域に酸化膜を成長させることができる。
たとえば、第1素子および第2素子がいずれもゲート酸化膜を有し、第1素子のゲート酸化膜が第2素子のゲート酸化膜よりも膜厚が薄い場合に、第1領域を窒化膜で保護した状態で第2素子のためのゲート酸化膜を形成した後に、第1素子のための薄いゲート酸化膜を高精度に膜厚を制御しつつ形成することができる。これにより、第1素子を微細構造に形成しつつ、第2素子に十分な耐圧を持たせることが可能になる。
前記第2領域内の酸化膜形成対象領域は、トランジスタのチャネル領域を含んでいてもよい。この方法によれば、トランジスタのチャネル領域上の窒化膜を、チャネル領域にダメージを与えるドライエッチングによることなく除去し、このチャネル領域に酸化膜(たとえばゲート酸化膜)を形成することができる。これにより、良好な特性の第2素子を形成できる。
第2の局面に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板のチャネル領域に隣接してトレンチを形成する工程と、このトレンチ内に酸化膜を埋め込む工程と、前記チャネル領域を被覆し、前記トレンチ側に所定距離だけはみ出すとともに、前記トレンチ内の酸化膜において前記チャネル領域との境界近傍の領域を露出させる耐酸化性マスク膜を形成する工程と、この耐酸化性マスク膜をマスクとした選択的熱酸化によって、前記トレンチから前記チャネル領域側に延びるバーズビークを成長させる選択的熱酸化工程と、この選択的熱酸化工程の後に、前記チャネル領域にゲート酸化膜を形成する工程とを含む。
この方法によれば、ゲート酸化膜を形成するよりも前に、チャネル領域側に所定距離だけはみ出すとともに、チャネル領域とトレンチとの間の境界部近傍を露出させる耐酸化性マスク膜をマスクとした選択的熱酸化が行われる。これにより、トレンチ内部の酸化膜からチャネル領域へとバーズビークが延び、トレンチとチャネル領域の境界部における酸化膜の窪みを解消することができる。したがって、その後に、ゲート酸化膜を形成することにより、前記窪みに起因する薄膜部のない均一な膜厚のゲート酸化膜を形成することができる。その結果、ゲート酸化膜耐圧を向上でき、半導体装置の特性を向上することができる。
前記バーズビークは、その根元部における膜厚が前記ゲート酸化膜の膜厚にほぼ等しくなるように形成されることが好ましい。
前記耐酸化性マスク膜を形成する工程は、前記耐酸化性マスク膜を、前記チャネル領域を挟んで対向する一対の領域を露出させるパターンに形成する工程を含み、前記選択的熱酸化工程は、前記一対の領域にLOCOS酸化膜を成長させる工程を含むことが好ましい。
この方法によれば、チャネル領域を挟んで対向する一対の領域にLOCOS酸化膜を選択成長させる工程を利用して、前記のバーズビークを成長させることができる。すなわち、前記窪みに起因するゲート酸化膜の薄膜部の発生を防止するために特別な工程を行う必要がない。
前記トレンチを形成する工程は、前記チャネル領域を挟んで対向する一対の領域にトレンチを形成する工程を含んでいてもよい。この方法の場合、前記一対の領域側にそれぞれ所定距離だけはみ出すとともに、この一対の領域のトレンチ内の酸化膜において前記チャネル領域との境界近傍の領域を露出させるように耐酸化性マスク膜を形成しておくことにより、前記一対の領域のトレンチ内の酸化膜の窪みをバーズビークによって解消できる。
前記方法は、前記選択的熱酸化工程に先だって、前記一対の領域に不純物イオンを注入する工程を含んでいてもよい。この場合に、前記選択的熱酸化工程において前記半導体基板に付与される熱によって、前記一対の領域の半導体基板内部において不純物イオンを熱拡散させ、前記チャネル領域を挟んで対向する一対のドリフト層を形成する工程がさらに含まれていることが好ましい。
この方法によれば、選択的熱酸化工程により、チャネル領域を挟んで対向する一対の領域の不純物イオンを拡散させるとともに、バーズビークを成長させることができるので、工程を簡単にすることができる。
この方法は、前記チャネル領域を覆うとともに、前記LOCOS酸化膜または前記トレンチ内の酸化膜上にエッジ部を有するゲート電極を形成する工程をさらに含むことが好ましい。これにより、いわゆる、ドリフト・ドレイン構造を有する高耐圧トランジスタを形成することができる。しかも、薄膜部のない均一な膜厚のゲート酸化膜を形成することができるので、十分な耐圧を確保できる。
第3の局面に係る半導体装置の製造方法は、ゲート電極のエッジ部にゲート酸化膜よりも厚い酸化膜を配置したドリフト・ドレイン構造のトランジスタを有する半導体装置の製造方法に関する。この方法は、図9 (a)〜図9 (h)に一例を示すように、半導体基板40を覆う耐酸化性マスク膜43(たとえば窒化シリコン膜)を形成する工程(図9 (a))と、前記耐酸化性マスク膜43においてチャネル領域77を挟んだ一対の領域にレジスト開口44aを有するレジスト膜44を形成するレジスト膜形成工程(図9 (b))と、前記レジスト開口44aが形成された前記レジスト膜44をマスクとして、前記トランジスタのドリフト層を形成するためのイオンを前記半導体基板40に注入するイオン注入工程(図9 (c))と、前記レジスト膜44をマスクとして前記耐酸化性マスク膜43をエッチングし、この耐酸化性マスク膜43に、前記レジスト膜44の前記一対のレジスト開口44aに対応した一対のマスク開口43aを形成する耐酸化性マスク選択エッチング工程(図9 (d))と、前記イオン注入工程および前記耐酸化性マスク選択エッチング工程の後に、前記耐酸化性マスク膜43をマスクとして前記半導体基板40表面を熱酸化することにより、前記耐酸化性マスク膜43に形成された一対のマスク開口43aに対応する領域にLOCOS酸化膜84,85を形成するとともに、前記半導体基板40に注入されたイオンを熱拡散させて、前記チャネル領域77を挟んで対向する一対のドリフト層78,79を形成する工程(図9 (e))と、前記耐酸化性マスク膜43を除去する工程(図9(f))と、前記一対のドリフト層78,79の間の前記半導体基板40の表面に、前記LOCOS酸化膜84,85よりも薄いゲート酸化膜80を形成する工程(図9 (g))と、前記ゲート酸化膜80の上部から前記LOCOS酸化膜84,85の上部に至る領域に延在するゲート電極81を形成する工程(図9 (h))とを含む。
この方法によれば、1枚のレジスト膜をマスクとして、ドリフト層の形成のためのイオン注入を行い、かつ、チャネル領域を挟んで対向する領域において耐酸化性マスク膜にマスク開口が形成される。すなわち、ドリフト層の形成のためのイオン注入と、耐酸化性マスク膜のパターニングとに共通のレジスト膜が用いられる。これにより、ドリフト層とLOCOS酸化膜とが自己整合的に形成されることになるから、LOCOS酸化膜のチャネル領域側縁部からチャネル領域内方へのドリフト層の進出距離を正確に制御できるようになる。これにより、ドリフト・ドレイン構造のトランジスタの耐圧のばらつきを抑制することができる。
なお、レジスト膜のレジスト開口や耐酸化性マスク膜のマスク開口は、必ずしも全周が包囲された開口である必要はない。たとえば、チャネル領域を挟んで対向する一対のレジスト開口やマスク開口は、チャネル領域を避けた領域で連続して1つの開口をなしていてもよい。
この出願は、いずれも2004年8月17日に日本国特許庁に提出された特願2004−237207号、特願2004−237208号、特願2004−237209号、特願2004−237210号および特願2004−237211号に対応しており、これらの出願の全開示はここに引用により組み込まれるものとする。
Claims (4)
- 半導体基板上に、第1酸化膜形成領域に開口を有し、第2酸化膜形成領域および第3酸化膜形成領域を覆う窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜を耐酸化性マスクとして前記半導体基板に熱酸化処理を施すことにより、前記第1酸化膜形成領域に第1の膜厚の第1酸化膜を形成する工程と、
前記窒化膜の表面を覆う酸化皮膜を形成する工程と、
前記半導体基板上に、前記第2酸化膜形成領域に開口を有し、前記第3酸化膜形成領域を覆うレジスト膜を形成する工程と、
このレジスト膜をマスクとしてふっ酸液によるウェットエッチングを行い、前記第2酸化膜形成領域の前記窒化膜の表面を覆う前記酸化皮膜を除去する工程と、
前記レジスト膜を除去する工程と、
室温よりも高温のリン酸液によるウェットエッチングによって、前記第2酸化膜形成領域の前記酸化皮膜が除去された前記窒化膜を除去する工程と、
熱酸化処理によって、前記第2酸化膜形成領域において前記窒化膜が除去された領域に、前記第1の膜厚よりも薄い第2の膜厚の第2酸化膜を形成する工程と、
ふっ酸液によるウェットエッチングによって、前記第3酸化膜形成領域の前記窒化膜の表面を覆う酸化皮膜を除去する工程と、
室温よりも高温のリン酸液によるウェットエッチングによって、前記第3酸化膜形成領域の前記酸化皮膜が除去された前記窒化膜を除去する工程と、
熱酸化処理によって、前記第3酸化膜形成領域において前記窒化膜が除去された領域に、前記第2の膜厚よりも薄い第3の膜厚の第3酸化膜を形成する工程とを含む、半導体装置の製造方法。 - 前記第3酸化膜をゲート酸化膜とした第1トランジスタ素子を形成する工程と、
前記第2酸化膜をゲート酸化膜とし、前記第1トランジスタよりも高耐圧の第2トランジスタを形成する工程とをさらに含む、請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1酸化膜は、前記第2トランジスタのゲート電極のエッジ部に配置され、この第2トランジスタのゲート酸化膜である前記第2酸化膜よりも厚い酸化膜を成すものである、請求項2記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1酸化膜は、前記半導体基板上で素子形成領域を分離するLOCOS酸化膜を含む、請求項2記載の半導体装置の製造方法。
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