JPH07297180A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH07297180A
JPH07297180A JP6084474A JP8447494A JPH07297180A JP H07297180 A JPH07297180 A JP H07297180A JP 6084474 A JP6084474 A JP 6084474A JP 8447494 A JP8447494 A JP 8447494A JP H07297180 A JPH07297180 A JP H07297180A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 フィールド酸化膜の形成において、酸化速度
をある程度速く維持しつつ、ホワイトリボンの発生を防
止し、かつバーズビークの長さを短くする半導体装置製
造技術を提供する。 【構成】 シリコン基板表面またはシリコン基板表面に
形成されたSiO2 歪吸収層の上に所定パターンのマス
ク層を形成する工程と、乾燥酸素雰囲気にて前記マスク
層をマスクとして、前記シリコン基板を選択的に酸化す
る第1酸化工程と、前記シリコン基板を、少なくともハ
ロゲン元素を含むガスが添加された乾燥酸素雰囲気にて
選択的に酸化する第2酸化工程とを含み、全体として厚
さ100nm以上のフィールド酸化膜を形成する。な
お、前記第1及び第2酸化工程は、950℃〜1200
℃の温度で酸化を行うことが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特に、素子分離のためのフィールド酸化膜の作
製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】素子分離技術として、LOCOS(loca
l oxidation of silicon)法が広く用いられている。フ
ィールド酸化膜はゲート酸化膜等に比べて厚い膜が必要
であり、スループット向上のため酸化速度を向上する必
要があることから、従来ウェット酸化法が用いられてき
た。
【0003】さらに、酸化速度を増加するためには、な
るべく酸化温度を高温にすることが好ましい。しかし、
高温でウェット酸化を行うと、マスクとして使用するS
iN膜中の窒素原子と水分中の水素原子が反応してアン
モニアを発生する。このアンモニアが、SiN膜の下に
形成されている歪吸収層としてのシリコン酸化膜中を拡
散してシリコン基板表面に至る。
【0004】シリコン基板表面でアンモニア中の窒素原
子がシリコン基板と反応してSiNを形成する。このよ
うにして、マスクとして使用するSiN膜の端部近傍す
なわちフィールド酸化膜の端部近傍のシリコン基板表面
にSiNが形成される。このSiNは、歪吸収層として
の酸化膜の下に形成されるため、マスクとして使用した
SiN膜除去工程で除去することができない。
【0005】後の工程で、熱酸化によりゲート酸化膜を
形成すると、このSiNがマスクとして働き、フィール
ド酸化膜の端部近傍に熱酸化されないホワイトリボンと
呼ばれる帯状の領域が残る。これは、ゲート酸化膜の耐
圧劣化につながり、素子特性を悪化させる。ホワイトリ
ボンの発生を防止するために、酸化温度は低い方がよ
い。
【0006】酸化速度の向上とホワイトリボン発生防止
の兼ね合いから、従来は900℃近傍でウェット酸化を
行っていた。900℃程度で酸化を行うと、横方向の酸
化速度が縦方向の酸化速度に対して比較的速いため、フ
ィールド酸化膜がSiN膜端部を押し上げてSiN膜下
に入り込んだバーズビークと呼ばれる部分が長くなりや
すい。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、フィ
ールド酸化膜の形成において、酸化速度をある程度速く
維持しつつ、ホワイトリボンの発生を防止し、かつバー
ズビークの長さを短くする半導体装置製造技術を提供す
ることである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、シリコン基板表面またはシリコン基板表面に
形成されたSiO2 歪吸収層の上に所定パターンのマス
ク層を形成する工程と、乾燥酸素雰囲気にて前記マスク
層をマスクとして、前記シリコン基板を選択的に酸化す
る第1酸化工程と、前記シリコン基板を、少なくともハ
ロゲン元素を含むガスが添加された乾燥酸素雰囲気にて
選択的に酸化する第2酸化工程とを含み、全体として厚
さ100nm以上のフィールド酸化膜を形成することを
特徴とする。
【0009】なお、前記第1及び第2酸化工程は、95
0℃〜1200℃の温度で酸化を行うことが好ましい。
【0010】
【作用】乾燥酸素雰囲気で酸化を行うことにより、ホワ
イトリボンの発生を防止することができる。また、Si
2 の軟化点以上で酸化を行うことにより、バーズビー
クの発生を抑制することができる。
【0011】ハロゲン元素を添加しないで、SiO2
軟化点(950〜970℃)以上で酸化を行うと、重金
属等がゲル状のSiO2 膜を通ってシリコン基板内に侵
入するため、シリコン基板が汚染されやすい。汚染を防
止するためには、酸化雰囲気中にゲッタリング効果を有
するハロゲン元素等を添加することが好ましいが、例え
ば、HClを添加して酸化を行うと、シリコン基板表面
に荒れが発生しやすくなる。
【0012】酸化初期に、ハロゲン元素を添加せず乾燥
酸素のみの雰囲気で酸化を行い、その後ハロゲン元素を
添加して酸化を行うことにより、初期酸化の段階でシリ
コン基板内に侵入した重金属等を、後の酸化工程でハロ
ゲン元素のゲッタリング効果により除去することができ
る。
【0013】また、酸化初期に、ハロゲン元素を添加せ
ず乾燥酸素のみで酸化を行うことにより、ハロゲン元素
を添加して酸化を行う時間を短縮できる。このため、シ
リコン基板表面の荒れの発生を抑制することがきる。
【0014】なお、後の酸化工程で酸化雰囲気中にハロ
ゲン元素を添加することにより、初期の酸化工程で発生
したスタッキングフォルトを減少することができる。
【0015】
【実施例】酸化速度を低下させることなく、ホワイトリ
ボンの発生を防止し、かつバーズビークの長さを短くす
るフィールド酸化膜形成方法として、1000℃以上の
高温でドライ酸化を行う高温LOCOS法が提案されて
いる。
【0016】SiO2 は、950〜970℃近傍で軟化
点を持つため、1000℃以上で酸化を行うと、酸化中
のSiO2 はゲル状態にあると考えられる。一方、Si
Nの軟化点はSiO2 の軟化点よりも高いため、マスク
として使用するSiN膜は軟化していない。酸化中のS
iO2 がゲル状であるため、フィールド酸化膜はSiN
膜端部を押し上げにくくなり、SiN膜下に入り込みに
くい。このため、バーズビークの発生を抑制することが
できる。
【0017】また、ドライ酸化雰囲気では、水素原子が
存在しないため、水素原子とSiN膜中の窒素原子との
結合によるアンモニアの発生を防止できる。このため、
ホワイトリボンの発生を防止することができる。
【0018】しかし、高温LOCOS法を行う場合に
は、以下のような問題点もある。第1に、ドライ酸化は
ウェット酸化に比べて酸化速度が遅いという問題点があ
る。一般にフィールド酸化膜の膜厚は0.1〜1.0μ
m程度であり、ゲート酸化膜等の他の酸化工程に比べて
厚い膜を形成する必要がある。このため、酸化速度は、
スループットに大きな影響を与える。酸化速度を速くす
るには、酸化温度をなるべく高くすることが好ましい。
【0019】第2に、SiO2 の軟化点以上で酸化を行
うため、ゲル状になったSiO2 膜を通して重金属等の
不純物がSi基板に侵入し、Si基板表面が汚染されや
すいという問題点がある。重金属等による汚染を防止す
るために、酸化雰囲気中にCl等のゲッタリング効果を
有する元素を添加することが好ましい。
【0020】第3に、積層欠陥(スタッキングフォル
ト)が発生しやすくなるという問題点がある。酸化中、
SiがSiO2 になる際に体積膨張が起こり、酸化され
なかったSiがSi基板中に侵入する。その余剰Siが
Si基板中の欠陥に捕らえられてスタッキングフォルト
が発生し、成長する酸化雰囲気中の酸素量が多くなるほ
どスタッキングフォルトが発生しやすい。
【0021】また、HClを添加すると、余剰Siを取
り除くことができるため、スタッキングフォルトの発生
を抑制できることが知られている。HClの濃度が高い
ほど、この抑制効果が高いことも知られている。一定濃
度のHCl雰囲気の下では、酸化温度が低いほどスタッ
キングフォルトが発生しやすい。このため、スタッキン
グフォルトの発生を抑制するためには、酸化温度を高く
し、HClの濃度を高くすることが好ましい。
【0022】第4に、HClを添加して高温のドライ酸
化を行うと、Si基板表面が荒れるという問題点があ
る。これは、マスクとして使用するSiN膜中のストレ
スと、HClとSiとの化学反応が関係していると考え
られる。このSi基板表面の荒れは、HClの濃度が高
いほど大きくなる傾向がある。また、HClを添加しな
いでドライ酸化を行うと、Si基板表面の荒れは発生し
ない。Si基板表面の荒れ発生を防止するためには酸化
温度を低くし、HCl濃度を低くすることが好ましい。
【0023】図5は、上記第1〜第4の問題点を回避し
所望の品質のフィールド酸化膜を形成するための酸化温
度及びHCl濃度の適正領域を示す。横軸は酸化温度を
単位℃で表し、縦軸は酸化雰囲気中のHCl濃度を単位
%で表す。
【0024】第1の問題点を回避するためには、曲線p
1よりも右側の領域が好ましい。第2の問題点を回避す
るためには、曲線p2よりも上側の領域が好ましい。第
3の問題点を回避するためには、曲線p3よりも右側の
領域が好ましい。第4の問題点を回避するためには、曲
線p4よりも下側の領域が好ましい。
【0025】図5から明らかなように、これら4つの条
件を同時に満足する領域は存在しない。従って、単一の
酸化条件で所望の品質のフィールド酸化膜を形成するこ
とはできない。
【0026】次に、図1、図2を参照して本発明の実施
例について説明する。図1は、フィールド酸化膜の形成
工程を示す。図1(A)に示すように、Si基板1の表
面に熱酸化法で厚さ20nmの歪吸収用の酸化膜2を形
成する。
【0027】図1(B)に示すように、酸化膜2の上
に、CVD法で厚さ120nmのSiN膜3を堆積す
る。このとき、酸化膜2が、歪み吸収層として働く。フ
ォトリソグラフィ及びリアクティブイオンエッチング
(RIE)により、フィールド酸化膜を形成すべき領域
のSiN膜3を除去する。
【0028】図1(C)に示すように、SiN膜3をマ
スクとして後述する酸化工程によりSi基板1を選択的
に酸化し、フィールド酸化膜4を形成する。図1(D)
に示すように、SiN膜3を除去し、活性領域5を表出
させる。この後、活性領域5表面の酸化膜2を除去し、
半導体素子を形成する。
【0029】図2は、図1(C)の酸化工程における温
度及びガス導入のシーケンスを示す。横軸は経過時間を
表し、縦軸は炉内の温度を表す。図2は温度変化及び導
入ガスの種類に着目して表示しているため、横軸の長さ
は実際の経過時間に比例対応していない。本実施例で
は、ランプ加熱によるラピッドサーマル酸化法を用いて
酸化を行った。なお、その他縦型もしくは横型電気炉等
を使用して酸化を行ってもよい。
【0030】まず、N2 ガスを流量10000sccm
流しながら昇温し、温度750℃の定常状態とする。次
に、N2 ガスの導入を停止後、Arガスの流量を980
0sccm、O2 ガスの流量を200sccmとし炉内
のN2 ガスをパージする。酸化膜2及びパターニングさ
れたSiN膜3が形成された図1(B)に示す処理対象
基板を炉内に配置する。毎分10℃の速さで1000℃
まで昇温し、約30分1000℃に維持する。
【0031】次に、Arガスの導入を停止し、温度を1
000℃に維持したままO2 ガスの流量を10000s
ccmとし、約1時間10分酸化する。Arガスの流量
を7000sccm、O2 ガスの流量を3000scc
mとし、毎分10℃の速さで1125℃まで昇温する。
2 ガスの導入を停止し、Arガスの流量を10000
sccmとして約9分45秒維持し、定常状態にする。
Arガスの導入を停止し、O2 ガスの流量を10000
sccmとして約2時間40分酸化する。さらに、O2
ガスの流量を10000sccmとしたまま、流量25
sccmのHClガスを流す。この状態で約3時間維持
し、塩素を供給しつつ酸化を行う。
【0032】O2 ガス及びHClガスの供給を停止し、
流量10000sccmのArガスを流し、約10分間
アニールする。その後、毎分2.5℃の速さで900℃
まで降温し、さらに毎分2℃の速さで750℃まで降温
する。処理対象基板を取り出す。その後、Arガスの導
入を停止し、流量10000sccmのN2 ガスを流
す。上記条件で、厚さ約400nmのフィールド酸化膜
を形成することができた。
【0033】図3(A)は、上記実施例により選択酸化
を行った基板表面のSEM写真を写し取った図、図3
(B)は、一点鎖線B−Bにおける断面図を示す。Si
基板1の表面に、図の縦方向に長いフィールド酸化膜4
がストライプ状に複数本形成されている。2本のフィー
ルド酸化膜4の間に活性領域5が画定されている。な
お、マスクパターンとして、幅の広い部分と狭い部分が
周期的に繰り返すパターンを使用したため、フィールド
酸化膜4及び活性領域5に幅の広い部分と狭い部分が形
成されている。
【0034】なお、比較のため、参考例として上記実施
例と同じマスクパターンを使用し、最初に0.3%のH
Clガスを含むO2 ガスを流して酸化し、その後HCl
ガスの導入を停止してO2 ガスのみで酸化を行ったサン
プルを作製した。
【0035】図3(C)は、上記参考例により選択酸化
を行った基板表面のSEM写真を写し取った図、図3
(D)は、一点鎖線D−Dにおける断面図を示す。図3
(C)、(D)に示すように、活性領域5の幅の狭い部
分のほぼ中央に基板荒れ6が観察される。この基板荒れ
は、後の工程でゲート酸化膜を形成する際に悪影響を及
ぼす。本実施例による方法で酸化した場合は、図3
(A)、(B)に示すように、活性領域5内に基板荒れ
は観察されない。
【0036】このように、最初にO2 のみで酸化を行
い、続いてHClを添加して酸化を行うことにより、基
板荒れを防止することができる。前述のようにHClを
添加した酸化工程ではSi基板表面の荒れが発生しやす
いが、全酸化時間をHCl雰囲気とする場合に比べて、
上記実施例では、HCl雰囲気にさらされる時間が比較
的短いため、基板荒れの発生が抑制されていると考えら
れる。
【0037】また、前述のようにO2 のみで酸化を行う
と、スタッキングフォルトが発生しやすく、また重金属
等による汚染が生じやすいが、この問題は、後にHCl
を添加して酸化を行うことにより解消されていると考え
られる。すなわち、O2 のみの酸化時に発生したスタッ
キングフォルトは、HClを添加して酸化を行う工程で
減少すると考えられる。また、重金属等による汚染も、
HClを添加して酸化を行う工程におけるゲッタリング
効果により除去できると考えられる。
【0038】さらに、1125℃という高温で酸化を行
っているため、酸化速度も比較的速く、従来のウェット
酸化とほぼ同等のスループットを実現できる。上記実施
例では、酸化温度を1125℃とした場合について説明
したが、SiO2 の軟化点である約950℃以上で同様
の効果を得ることができる。また、1200℃程度以下
の温度であれば、同様の効果を得ることができる。
【0039】次に、図4を参照して本実施例によるフィ
ールド酸化膜形成方法をDRAMに適用した例について
説明する。図4は、DRAMの断面図を示す。p形シリ
コン基板30の表面に、本発明の実施例による方法でフ
ィールド酸化膜31が形成され、活性領域32が画定さ
れている。活性領域32には、n+ 型のソース領域Sと
ドレイン領域D、ゲート絶縁膜35及びゲート絶縁膜3
5上に設けられたゲート電極WLからなるnチャネルM
OSトランジスタが形成されている。ゲート電極WL
は、紙面に垂直な方向に延びたワードラインとされてい
る。
【0040】ソース領域Sは、ワードラインWLを覆う
絶縁膜36及びゲート絶縁膜35に形成されたビットラ
インコンタクトホール33を介して、図の左右方向に延
びるビットラインBLに接続されている。
【0041】ビットラインBL及び絶縁膜36上には、
絶縁膜37、38が積層されている。ドレイン領域Dに
は、ゲート絶縁膜35、絶縁膜36、37、38に設け
られたストレージコンタクトホール34を介してストレ
ージ電極39が接続されている。ストレージ電極39
は、ストレージコンタクトホール34から上方に延びた
円筒状の軸部分、及び軸部分から基板表面と平行な平面
にほぼ沿うように張り出した3枚の羽根状部分から構成
される。
【0042】ストレージ電極39表面を覆うようにシリ
コン酸化膜もしくは窒化膜等の誘電体膜41が形成さ
れ、誘電体膜41表面上にはセルプレート40が形成さ
れている。このように、ストレージ電極39とセルプレ
ート40との界面の面積を大きくすることにより、スト
レージ電極39とセルプレート40との間の静電容量を
大きくすることができる。
【0043】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
フィールド酸化膜の形成において、スループットを下げ
ることなく、バーズビークの発生を低減し、かつホワイ
トリボンの発生及び基板表面の荒れを防止することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるフィールド酸化膜作製方
法を説明するための基板の断面図である。
【図2】本発明の実施例によるフィールド酸化膜の酸化
工程の時間に対する温度変化及び導入ガスを示すグラフ
である。
【図3】本発明の実施例及び参考例によるフィールド酸
化膜作製方法により選択酸化を行った基板表面のSEM
写真を写し取った平面図、及び基板の断面図である。
【図4】本発明の実施例によるフィールド酸化膜作製方
法を用いて作製したDRAMの断面図である。
【図5】フィールド酸化膜の酸化工程における酸化温度
とHCl濃度の適正領域を示すグラフである。
【符号の説明】
1 Si基板 2 酸化膜 3 SiN膜 4 フィールド酸化膜 5 活性領域 6 基板荒れ 30 Si基板 31 フィールド酸化膜 35 ゲート酸化膜 36、37、38 絶縁膜 39 ストレージ電極 40 セルプレート 41 誘電体膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 27/108 H01L 27/10 325 S

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン基板表面またはシリコン基板表
    面に形成されたSiO2 歪吸収層の上に所定パターンの
    マスク層を形成する工程と、 乾燥酸素雰囲気にて前記マスク層をマスクとして、前記
    シリコン基板を選択的に酸化する第1酸化工程と、 前記シリコン基板を、少なくともハロゲン元素を含むガ
    スが添加された乾燥酸素雰囲気にて選択的に酸化する第
    2酸化工程とを含み、全体として厚さ100nm以上の
    フィールド酸化膜を形成する半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記第2酸化工程は、前記第1酸化工程
    終了後、引き続いて前記第1酸化工程の酸化雰囲気にハ
    ロゲン元素を含むガスを添加して酸化を行う請求項1記
    載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記ハロゲン元素を含むガスは、塩化水
    素ガスである請求項1または2記載の半導体装置の製造
    方法。
  4. 【請求項4】 前記第1及び第2酸化工程は、950℃
    〜1200℃の温度で酸化を行う請求項1〜3のいずれ
    かに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 シリコン基板を、乾燥酸素雰囲気にて9
    50℃〜1200℃の温度で酸化する工程と、 前記シリコン基板を、少なくともハロゲン元素を含むガ
    スが添加された乾燥酸素雰囲気にて950℃〜1200
    ℃の温度で酸化する第2酸化工程とを含む半導体装置の
    製造方法。
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