JPH0974132A

JPH0974132A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0974132A
Application number: JP24849495A
Authority: JP
Inventors: Akira Mase; 晃間瀬; Kazunobu Okasaka; 和遵岡坂; Kazuhiko Katami; 和彦形見; Shoji Ishida; 昇司石田; Shinji Nakagaki; 真治中垣
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-09-01
Filing date: 1995-09-01
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】鬆を残さずに隙間なく埋め尽くすことが容易
な順テーパ形状のトレンチ溝が得られる半導体装置の製
造方法を提供すること。【解決手段】ＳＯＩウェハ５０の素子形成シリコン基
板５１にトレンチ溝１１を形成し、このトレンチ溝１１
の側壁１２の上部に酸化速度を増加させる不純物元素を
注入して側壁１２の上部と下部とで酸化速度に差を付
け、そしてこの側壁１２を熱酸化すると、上部と下部と
で膜厚の異なる酸化膜１５が形成される。この酸化膜１
５を除去すると、順テーパ形状のトレンチ溝が得られ、
容易に鬆を残さずに隙間なく埋め尽くすことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、素子間分離のため
のトレンチを有する半導体装置を製造する方法に関し、
さらに詳細には、隙間なく埋め込むことが可能な入口部
分が中腹部分より広い形状のトレンチ溝を有する半導体
装置の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、半導体装置における素子間分
離技術の一つとしてトレンチ構造が用いられている。特
に、基板ウェハとして中間絶縁層を有するいわゆるＳＯ
Ｉウェハを用い、中間絶縁層に達する深さのトレンチ溝
を形成すると、素子間が完全に絶縁物により分離される
こととなるので、ｐｎ接合分離を用いた場合の寄生容量
や寄生トランジスタにより惹起される問題を完全に排除
できる利点がある。

【０００３】かかるトレンチ構造においては、トレンチ
溝をＣＶＤ（化学気相蒸着法）等で形成した酸化シリコ
ンで埋め込んだ酸化物型と、多結晶シリコンで埋め込み
基板シリコンとの間に酸化シリコン膜を介在させた多結
晶シリコン型とがある。この多結晶シリコン型トレンチ
構造は、基板シリコンと多結晶シリコンとの熱膨張係数
が近いことから、温度変化による熱応力がほとんど掛か
らないという特徴を有している。

【０００４】従来の多結晶シリコン型トレンチ構造の製
造方法を、ＳＯＩウェハを用いる場合を例にとって説明
する。まず図１０（ａ）に示すように、素子形成基板５
１と中間絶縁層５２と支持基板５３とを有するＳＯＩウ
ェハ５０の素子形成基板５１上に、トレンチ溝となる部
分を残してＮＳＧ（ノンドープシリカガラス）膜等によ
るマスク８１を形成する。そしてドライエッチングによ
り異方性エッチングを行い、素子形成基板５１のうちマ
スク８１のない部分を除去すると図１０（ｂ）に示すよ
うにトレンチ溝８３が形成される。これを熱酸化して図
１０（ｃ）のように側壁酸化膜８５を形成する。そして
ＬＰＣＶＤ（低圧ＣＶＤ）で多結晶シリコンを堆積させ
ると、トレンチ溝に多結晶シリコン８７が埋め込まれ
る。そして上層部分の多結晶シリコンをエッチングして
除去すると、図１０（ｄ）に示すように多結晶シリコン
型トレンチ構造ができあがる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の方法により製造された多結晶シリコン型トレン
チ構造には、トレンチ溝の中に空洞部分（ボイドとも呼
ばれる、以下「鬆（す）」という）が存在するという問
題点があった。

【０００６】鬆の生成原因を説明する。ドライエッチン
グにより形成したトレンチ溝（図１０（ｂ））は、厳密
には垂直でなく図１１に示すようなボーイング形状をな
し、溝の入口部分よりも中腹部分で若干幅広となってし
まう。これは、異方性のドライエッチングといえども、
エッチングイオンの方向には多少の発散が避けられず、
また方向性のない中性ラジカルも存在するので、これら
により側壁がエッチングされてしまうためである。ま
た、エッチングにより生じた副生成物が溝上部の側壁に
多く付着し、その部分の側壁エッチングが防止されるこ
とも原因となる。このようにトレンチ溝がボーイング形
状をしているために、多結晶シリコン堆積の際に溝上部
の入口部分が先に塞がってしまい、図１２に示すように
鬆８９ができてしまうのである。

【０００７】鬆の存在により以下のような問題点が引き
起こされる。トレンチ構造が形成されたウェハは、その
後の素子形成工程で必ず熱処理を受ける。この熱処理の
際に鬆がより界面エネルギーの低い位置へ向けて移動
し、図１３に示すように多結晶シリコン層８７と側壁酸
化膜８５との間に位置するようになる。この状態では側
壁酸化膜８５が鬆８９と接しているので、側壁酸化膜８
５の絶縁耐圧が本来の値より低下している。このため、
絶縁不良により素子間分離が不十分となり、歩留まりが
悪化するのである。

【０００８】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、鬆を残さずに隙間なく埋め尽
くすことが容易な形状のトレンチ溝を有する半導体装置
の製造方法を提供することを目的とする。そしてそのた
めに、不純物元素の存在による酸化速度の増減を利用し
て、入口部分が中腹部分より広い形状の溝の形成を可能
とすることを目的とする。あるいは、不純物元素の存在
によるエッチング速度の増加を利用して、入口部分が中
腹部分より広い形状の溝の形成を可能とすることを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る半
導体装置の製造方法は、半導体基板にトレンチ溝を形成
する溝加工工程と、このトレンチ溝の側壁上部に基板半
導体の酸化速度を増加させる元素を注入する元素注入工
程と、この上部に元素注入が施された側壁を酸化する酸
化工程と、この酸化工程により側壁に形成された酸化物
を除去する酸化物除去工程とを含むことを特徴とする。

【００１０】この製造方法では以下のようにしてトレン
チを有する半導体装置が製造される。まず溝加工工程に
おいて半導体基板にトレンチ溝が形成される。このトレ
ンチ溝の形成は、公知のパターニングと異方性エッチン
グとにより行われる。このときのパターンマスクは、フ
ォトレジスト、ＮＳＧ等、異方性エッチングに耐えるも
のであれば特に制限はない。形成されたトレンチ溝は、
図１０（ｂ）に示すような垂直形状であれば理想的だが
実際には図１１に示すようなボーイング形状をなし、入
口部分が中腹部分よりも少し幅狭になっている。次に元
素注入工程において、トレンチ溝の側壁上部に基板半導
体の酸化速度を増加させる元素が注入される。側壁の上
部と下部とで酸化速度に差をつけ、側壁上部の酸化速度
を下部の酸化速度より大きくするためである。この元素
注入は例えば、基板に対して斜めの方向からイオン注入
を行うことにより可能である。溝自身によるシャドウイ
ング効果で側壁下部への注入が防止され、側壁上部にの
み注入されるからである。そして酸化工程で側壁が酸化
されると、元素注入が施されている側壁上部において下
部よりも速く酸化が進行し、厚い酸化物の膜が形成され
る。この酸化物が酸化物除去工程で除去されると、入口
部分が中腹部分よりも幅広となったトレンチ溝が得られ
る。

【００１１】従って、その後このトレンチ溝の内部に例
えば酸化物や多結晶半導体等を堆積すると、溝の入口部
分が中腹部分よりも幅広なので隙間なく充填され、鬆の
ないトレンチ構造が形成される。

【００１２】請求項２の発明に係る半導体装置の製造方
法は、請求項１の半導体装置の製造方法において、前記
酸化物除去工程により酸化物の除去がなされた側壁に絶
縁膜を形成する絶縁工程を更に含むことを特徴とする。

【００１３】この製造方法では、酸化物除去工程で側壁
の酸化物が除去された後、その側壁に絶縁工程で絶縁膜
が形成され、この絶縁膜により側壁が覆われる。

【００１４】従って、その後このトレンチ溝の内部に例
えば多結晶半導体を堆積して充填した場合に、半導体基
板（素子を形成する部分）と堆積された半導体とが、絶
縁工程で形成された絶縁膜により絶縁される。

【００１５】請求項３の発明に係る半導体装置の製造方
法は、請求項１又は請求項２の半導体装置の製造方法に
おいて、前記半導体基板がシリコン基板であり、前記元
素注入工程で注入される元素がＰ、Ｂ、Ａｓ、Ｏよりな
る群から選ばれた１又は２以上の元素であることを特徴
とする。

【００１６】これらの元素はシリコンの酸化速度を増加
させる元素として代表的なものであり、これらの元素の
いずれか１又は２以上を注入することにより、効果的に
側壁上部の酸化速度を大きくすることができる。また、
これらの元素は、通常の半導体装置製造設備において用
意されているものであり、容易に注入元素として使用す
ることができる。

【００１７】請求項４の発明に係る半導体装置の製造方
法は、半導体基板にトレンチ溝を形成する溝加工工程
と、このトレンチ溝の側壁上部に基板半導体の酸化速度
を減少させる元素を注入する元素注入工程と、この上部
に元素注入が施された側壁を酸化する酸化工程とを含む
ことを特徴とする。

【００１８】この製造方法では、溝加工工程でのトレン
チ溝形成は請求項１の製造方法の場合と同じである。し
かし、続く元素注入工程においてトレンチ溝の側壁上部
に注入される元素が、基板半導体の酸化速度を減少させ
る元素である点で異なる。従ってこの元素注入により、
側壁上部の酸化速度は下部の酸化速度より小さくなる。
この元素注入は請求項１の場合と同様に、例えば、基板
に対して斜めの方向からイオン注入を行うことにより可
能である。そして酸化工程で側壁が酸化されると、元素
注入が施されていない側壁下部において上部よりも速く
酸化が進行し、厚い酸化物の膜が形成される。このた
め、酸化後における溝は入口部分が中腹部分よりも幅広
な形状となる。

【００１９】従って、その後この酸化物を除去しないで
このトレンチ溝の内部に例えば酸化物や多結晶半導体等
を堆積すると、溝の入口部分が中腹部分よりも幅広なの
で隙間なく充填され、鬆のないトレンチができあがる。

【００２０】請求項５の発明に係る半導体装置の製造方
法は、請求項４の半導体装置の製造方法において、前記
半導体基板がシリコン基板であり、前記元素注入工程で
注入される元素がＮであることを特徴とする。

【００２１】Ｎはシリコンの酸化速度を減少させる元素
として代表的なものであり、Ｎを注入することにより、
効果的に側壁上部の酸化速度を小さくすることができ
る。また、Ｎは、通常の半導体装置製造設備において用
意されているものであり、容易に注入元素として使用す
ることができる。

【００２２】請求項６の発明に係る半導体装置の製造方
法は、半導体基板の表面近傍に不純物元素拡散層を形成
する元素導入工程と、この不純物元素拡散層が形成され
た半導体基板に対して等方性成分と異方性成分とを含む
エッチングを行いトレンチ溝を形成する溝形成工程とを
含み、前記元素導入工程で導入される不純物元素が基板
半導体のエッチング速度を増加させる元素であることを
特徴とする。

【００２３】この製造方法では以下のようにしてトレン
チを有する半導体装置が製造される。まず元素導入工程
において、半導体基板表面のトレンチ溝形成領域を含む
領域に不純物元素が導入され、不純物元素拡散層が形成
される。ここで導入される不純物元素は、基板半導体の
エッチング速度を増加させる元素であり、半導体基板が
シリコン基板である場合には例えばＰやＢが挙げられ
る。この元素導入は、半導体基板上に公知のパターニン
グをして行われる。パターンマスクは、フォトレジス
ト、ＮＳＧ等、元素導入を遮蔽できるものであれば特に
制限はない。不純物元素の導入方法は、イオン注入、イ
オン注入＋熱拡散、気相拡散、固相拡散等が考えられ
る。導入された不純物元素は、トレンチ溝形成領域を含
む領域内であって深さ方向には表面付近の部分に分布し
て不純物元素拡散層をなし、その不純物元素拡散層内で
の基板半導体のエッチング速度を増加させる。そして溝
形成工程で等方性成分と異方性成分とを含むエッチング
が行われると、表面付近の不純物元素拡散層が主として
等方性成分によりエッチングされ、その下の導入した不
純物元素が分布していない領域が主として異方性成分に
よりエッチングされる。ここで、不純物元素拡散層はそ
の下の領域よりエッチング速度が大きいので、入口部分
が中腹部分よりも幅広となったトレンチ溝が得られる。

【００２４】従って、その後このトレンチ溝の内部に例
えば酸化物や多結晶半導体等を堆積すると、溝の入口部
分が中腹部分よりも幅広なので隙間なく充填され、鬆の
ないトレンチができあがる。

【００２５】そして、請求項１乃至請求項６のいずれの
発明においても、前記半導体基板として中間絶縁層を有
するものを用い、前記溝加工工程においてこの中間絶縁
層に達する深さのトレンチ溝を形成することが望まし
い。これにより、半導体基板のトレンチ溝により区画さ
れた各部分が相互に完全に絶縁された半導体装置が製造
されるものである。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して詳細に説明する。以下に説明する各実施の形態に係
る半導体装置の製造方法では、図９に示すような、素子
形成シリコン基板５１と中間酸化層５２と支持シリコン
基板５３とを積層してなるＳＯＩウェハ５０を用い、素
子形成シリコン基板５１に中間酸化層５２まで達する深
さのトレンチを形成して、完全誘電体分離型の半導体装
置を製造する。

【００２７】第１の実施の形態。

【００２８】この実施の形態は基本的に、素子形成シリ
コン基板５１に中間酸化層５２まで達する深さの溝を形
成し、この溝の側壁上部にイオン注入を行い、上部にイ
オン注入が施された側壁を酸化し、これによる酸化物を
除去し、この側壁を再度酸化し、そして溝の内部に多結
晶シリコンを堆積させて溝を隙間なく充填するものであ
る。

【００２９】まず、溝の形成について説明する。ＳＯＩ
ウェハ５０の素子形成シリコン基板５１上にフォトリソ
グラフィにより、図１（支持シリコン基板５３を省略し
て示す、以下図８まで同じ）の（ａ）に示すようにＮＳ
Ｇマスク１０を形成する。ＮＳＧマスク１０は、素子形
成シリコン基板５１の溝を形成する部分を露出させ、素
子を形成する部分を覆うようなパターンとする。かかる
パターンのＮＳＧマスク１０は、最初にＮＳＧのベタ膜
を常圧ＣＶＤにより形成し、その上にフォトリソグラフ
ィにより当該パターンのレジストマスクを形成し、ウェ
ットエッチングで露出部分のＮＳＧ膜を除去し、そして
レジストマスクを取り除くことにより得られる。

【００３０】ＮＳＧマスク１０が形成されたら、ドライ
エッチングの一種である反応性イオンエッチングにより
開口部分の素子形成シリコン基板５１をエッチングす
る。このとき、異方性（エッチレートが縦方向には大き
く、横方向には小さいこと）が強くなるように、ガス圧
は低く（例えば３Ｐａ程度）、ＲＦパワーは高い（例え
ば４００Ｗ程度）条件でエッチングを行う。ガス種とし
ては、臭化水素（ＨＢｒ）や塩素（Ｃｌ₂ ）等が適して
いる。このようにして、図１（ｂ）に示すように溝１１
が中間酸化層５２にまで達し、素子形成シリコン基板５
１同士が完全に分離するようにエッチングを行う。この
ときの溝１１の形状は、厳密には側壁１２が垂直でな
く、中央部分で入口付近より若干幅広となっている。エ
ッチングの際に等方性（エッチングが縦方向にも横方向
にも同じ速度で進行すること）の成分が皆無でないため
である。

【００３１】次にイオン注入について説明する。このイ
オン注入は、溝１１の側壁１２の上部分に不純物含有域
を形成し、側壁１２の上部分と下部分とで後述する熱酸
化時における酸化速度の差をつけるために行うものであ
る。

【００３２】イオン注入を行う前に、ウェットエッチン
グによりＮＳＧマスク１０のエッジ部分をエッチング
し、図１（ｃ）に示すように素子形成シリコン基板５１
の肩部分５１ａを露出させる。イオン注入を効率的に行
うためである。

【００３３】そして、イオン注入により、不純物元素を
側壁１２の上部分に導入する。このとき、図２（ａ）に
示すようにウェハ５０と注入するイオンビーム１３とを
互いに斜めにし、ウェハ５０を面内回転させながらイオ
ン注入を行う。従ってここで使用するイオン注入装置
は、ウェハ５０をイオンビーム１３に対して傾斜させる
ことができる傾斜ステージと、そのステージ上でウェハ
５０を回転させるローテータを備えている必要がある。
すると、側壁１２自身及びＮＳＧマスク１０によるシャ
ドウイング効果により、イオンビーム１３は側壁１２の
うち上部分にしか当たらず、当たった部分にのみ不純物
元素が進入して不純物拡散域１４が形成される。なお、
素子形成シリコン基板５１の上面は、ＮＳＧマスク１０
により保護されているので、露出している肩部分５１ａ
を除きイオンビーム１３が当たることはない。ここで、
ウェハ５０を面内回転させているので、不純物拡散域１
４が各方向の側壁１２に均一に形成される。

【００３４】このとき注入する元素は、素子形成シリコ
ン基板５１に不純物として含有されることによりその熱
酸化時の酸化速度を増加させる元素である。このような
元素であってイオン注入に用いることができるものとし
て、Ｐ、Ｂ、Ａｓ、Ｏが挙げられる。Ｐ、Ｂ、Ａｓは、
シリコン基板中に存在すると、シリコンのダングリング
ボンド（結合していない結合手）を増加させることによ
り酸化速度を増加させると考えられる。Ｏは、シリコン
基板中に存在すると、それ自身酸化剤として作用するこ
とにより酸化速度を増加させると考えられる。

【００３５】Ｐはホスフィン（ＰＨ₃）ガスをイオン化
することにより、Ｂはジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）ガスをイオン
化することにより、Ａｓはアルシン（ＡｓＨ₃）ガスを
イオン化することにより、Ｏは酸素（Ｏ₂ ）ガスをイオ
ン化することにより、それぞれ、イオン注入に用いるこ
とができる。ＰＨ₃、Ｂ₂Ｈ₆、ＡｓＨ₃、Ｏ₂ はいずれ
も、通常の半導体装置製造設備において用意されている
ガスである。

【００３６】次に、イオン注入が済んだウェハ５０を熱
酸化する。このときの酸化速度は、不純物拡散域１４の
ない側壁１２の下部分ではシリコン結晶本来の速度であ
るのに対し、不純物拡散域１４のある側壁１２の上部分
ではこれよりも速い。このとき、不純物拡散域１４が残
らず酸化されるように熱酸化を行う。このため、熱酸化
により側壁１２には、図２（ｂ）に示すように、上部分
では厚く下部分では薄い酸化膜１５が形成される。

【００３７】そして、ウェットエッチングにより酸化膜
１５を除去する。このとき、ＮＳＧマスク１０のエッジ
部分もウェットエッチングして、図２（ｃ）に示すよう
に酸化膜１５を除去した後の側壁１６とＮＳＧマスク１
０の端面１０ａとがスムーズになるようにする。この状
態での溝１１は、入口付近ほど幅広な順テーパ形状をな
している。

【００３８】続いて、このウェハ５０を再び熱酸化する
と、図３（ａ）に示すように側壁１６に均一な膜厚の酸
化膜１７が形成される。もはや不純物拡散域１４が残っ
ていないため側壁１６のどの場所でも、酸化速度がシリ
コン結晶本来の速度で均一だからである。

【００３９】次に、ＬＰＣＶＤにより多結晶シリコン１
８を堆積させると、溝１１には多結晶シリコン１８が埋
め込まれる。このとき溝１１が順テーパ形状をなしてい
るので、図３（ｂ）に示すように溝１１は鬆が残ること
なく多結晶シリコン１８で完全に充填される。そして表
層部分の多結晶シリコン１８をエッチングして除去する
と、図３（ｃ）に示すような完全誘電体分離型のトレン
チ構造ができあがる。即ち、素子形成シリコン基板５１
同士の間は、中間酸化層５２及び酸化膜１７により完全
に絶縁されている。また素子形成シリコン基板５１と多
結晶シリコン１８との間も、酸化膜１７により完全に絶
縁されている。

【００４０】その後、素子形成シリコン基板５１にトラ
ンジスタやダイオード等の素子を形成し、配線や保護膜
を形成すれば半導体装置は完成する。ここで素子形成の
過程でウェハ５０は必然的に熱処理（〜１３００℃程
度）を受けるが、多結晶シリコン１８が鬆を含んでいな
いので、鬆が酸化膜１７との界面に移動して絶縁耐圧を
下げる等の不具合が生じることはない。

【００４１】かかる第１の実施の形態によれば、ドライ
エッチングにより溝１１を形成した（図１（ｂ））後、
斜めイオン注入により側壁１２の上部分にのみ酸化速度
を増加させる元素を導入して上部分と下部分とで熱酸化
時の酸化速度に差を付け（図２（ａ））、熱酸化により
上部分が厚く下部分が薄い酸化膜１５が形成される（図
２（ｂ））ようにしたので、この酸化膜１５を除去する
ことにより、入口付近ほど幅広な順テーパ形状の溝１１
（図２（ｃ））が得られるものである。従って、その後
側壁１６を再度熱酸化し、多結晶シリコン１８で溝１１
を充填することにより、鬆のない良好な完全誘電体分離
型のトレンチ構造を有する半導体装置が製造される。

【００４２】また、この実施の形態では、図２（ｂ）の
熱酸化を行いそしてその結果生じた酸化膜１５をウェッ
トエッチングで除去する（図２（ｃ））ので、溝１１形
成のためのドライエッチング（図１（ｂ））の際に素子
形成シリコン基板５１の溝１１に近接する部分に生じた
エッチングダメージ層が取り除かれる。特に、図２
（ｂ）の熱酸化の際に不純物拡散域１４が残らず酸化さ
れるようにしているので、図２（ａ）のイオン注入の際
に生じたダメージ層も取り除かれる。このため、その後
の素子形成の際、トレンチに接するように素子を形成す
ることができ、集積度の向上を図ることができる。

【００４３】なお、この第１の実施の形態については、
以下のような変形を考えることができる。

【００４４】まず、第１の変形として、ＮＳＧマスク１
０（図１（ａ））を他のマスクで置き換えることができ
る。このマスクは、図１（ｂ）のドライエッチングに耐
え、図２（ａ）のイオン注入の際にストッパとして機能
でき、そして熱酸化（図２（ｂ）、図３（ａ））等の際
に安定しているものであれば何でもよい。例えばフォト
レジストであってこのような特性を有するものを用いて
もよい。

【００４５】また、第２の変形として、図３（ｂ）での
多結晶シリコン１８の埋め込みに代えて絶縁物を埋め込
んでもよい。この場合にはトレンチの全体が絶縁物で充
填されたトレンチ構造となる。埋め込みに使用できる絶
縁物としては、プラズマＣＶＤによる酸化シリコンや窒
化シリコン、常圧ＣＶＤによるＮＳＧやＰＳＧ（リンガ
ラス）等がある。そしてこの場合には図３（ａ）の再酸
化は省略してもよい。

【００４６】以上説明した第１の実施の形態（変形例を
含む）は、請求項１、請求項２、そして請求項３の発明
に対応するものであるが、これら以外にも発明概念を含
んでいるので、説明する。

【００４７】［態様１］請求項２に記載の半導体装置
の製造方法において、前記絶縁工程により側壁に絶縁膜
が形成されたトレンチ溝の内部に半導体を堆積させて充
填する堆積工程を含むことを特徴とする半導体装置の製
造方法。

【００４８】この製造方法では、入口部分が中腹部分よ
りも幅広となっているトレンチ溝に半導体の堆積を行う
ので、トレンチ溝が半導体により隙間なく充填され、鬆
のないトレンチ構造が形成される。そして予め絶縁工程
で側壁に絶縁膜が形成されているので、堆積した半導体
と半導体基板とは絶縁膜により完全に絶縁されている。

【００４９】［態様２］請求項２に記載の半導体装置
の製造方法において、前記半導体基板がシリコン基板で
あり、前記元素注入工程で注入される元素がＰ、Ｂ、Ａ
ｓ、Ｏよりなる群から選ばれた１又は２以上の元素であ
り、前記絶縁工程により側壁に絶縁膜が形成されたトレ
ンチ溝の内部に多結晶シリコンを堆積させて充填する堆
積工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【００５０】この製造方法では、堆積工程で堆積する半
導体が多結晶シリコンなので、公知のＬＰＣＶＤ装置を
用いてこの堆積工程を実施することができる。

【００５１】第２の実施の形態。

【００５２】この実施の形態は基本的に、素子形成シリ
コン基板５１に中間酸化層５２まで達する深さの溝を形
成し、この溝の側壁上部にイオン注入を行い、上部にイ
オン注入が施された側壁を酸化し、そして溝の内部に多
結晶シリコンを堆積させて溝を隙間なく充填するもので
ある。この実施の形態は、前記した第１の実施の形態と
共通点が多いので、その共通点については第１の実施の
形態の説明を引用することとし、相違点に重点をおいて
説明する。

【００５３】まず、溝の形成については、第１の実施の
形態の図１（ａ）及び（ｂ）に示したのと同様に、ＮＳ
Ｇマスク１０を形成し、そして反応性イオンエッチング
を用いて行う。

【００５４】次に、イオン注入については、注入する元
素がＮであることを除き第１の実施の形態の図２（ａ）
に示したのと同様であり、斜め方向からイオン注入を行
うことにより、側壁１２のうち上部分のみに窒素拡散域
２０を形成する（図４（ａ））。

【００５５】そしてここで注入する窒素は、第１の実施
の形態の場合とは逆に、素子形成シリコン基板５１に不
純物として含有されることによりその熱酸化時の酸化速
度を減少させる元素である。Ｎは、シリコン基板中に存
在すると、Ｓｉ−Ｎの強固な共有結合を形成し、酸素と
の反応を阻害するために酸化速度を減少させると考えら
れる。Ｎは窒素（Ｎ₂）ガス、アンモニア（ＮＨ₃）ガ
ス、亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）ガスのいずれかをイオン化す
ることにより、イオン注入に用いることができる。これ
らのガスは、通常の半導体装置製造設備において用意さ
れているガスである。

【００５６】そして、イオン注入が済んだウェハ５０を
熱酸化する。このときの酸化速度は、窒素拡散域２０の
ない側壁１２の下部分ではシリコン結晶本来の速度であ
るのに対し、窒素拡散域２０のある側壁１２の上部分で
はこれよりも遅い。このため、熱酸化により側壁１２に
は、図４（ｂ）に示すように、上部分では薄く下部分で
は厚い酸化膜２１が形成される。この状態での溝１１
は、入口付近ほど幅広な順テーパ形状をなしている。シ
リコンの結晶が酸化する際に体積が増加するので、厚い
酸化膜２１が形成される側壁１２の下部分においてこの
体積増加分も多いためである。

【００５７】そこで次に、この酸化膜２１を除去しない
で多結晶シリコン１８の堆積を行う。すると溝１１に多
結晶シリコン１８が埋め込まれ、このとき溝１１が順テ
ーパ形状をなしているので、溝１１は鬆が残ることなく
多結晶シリコン１８で完全に充填される。そして表層部
分の多結晶シリコン１８をエッチングして除去すると、
図４（ｃ）に示すような完全誘電体分離型のトレンチ構
造ができあがる。即ち、素子形成シリコン基板５１同士
の間は、中間酸化層５２及び酸化膜２１により完全に絶
縁されている。また素子形成シリコン基板５１と多結晶
シリコン１８との間も、酸化膜２１により完全に絶縁さ
れている。

【００５８】その後、素子形成シリコン基板５１にトラ
ンジスタやダイオード等の素子を形成し、配線や保護膜
を形成すれば半導体装置は完成する。ここで素子形成の
過程でウェハ５０は必然的に熱処理（〜１３００℃程
度）を受けるが、多結晶シリコン１８が鬆を含んでいな
いので、鬆が酸化膜２１との界面に移動して絶縁耐圧を
下げる等の不具合が生じることはない。

【００５９】かかる第２の実施の形態によれば、ドライ
エッチングにより溝１１を形成した後、斜めイオン注入
により側壁１２の上部分にのみ酸化速度を減少させる元
素であるＮを導入して上部分と下部分とで熱酸化時の酸
化速度に差を付け（図４（ａ））、熱酸化により上部分
が薄く下部分が厚い酸化膜２１が形成される（図４
（ｂ））ようにしたので、入口付近ほど幅広な順テーパ
形状の溝１１が得られるものである。従って、この酸化
膜２１を除去しないで多結晶シリコン１８で溝１１を充
填することにより、鬆のない良好な完全誘電体分離型の
トレンチ構造を有する半導体装置が製造される。

【００６０】なお、この第２の実施の形態については、
第１の実施の形態の場合と同様に、ＮＳＧマスク１０を
他のマスクで置き換える変形や、多結晶シリコン１８の
代わりに絶縁物で溝１１を埋め込む変形を考えることが
できる。

【００６１】以上説明した第２の実施の形態（変形例を
含む）は、請求項４、そして請求項５の発明に対応する
ものであるが、これら以外にも発明概念を含んでいるの
で、説明する。

【００６２】［態様３］請求項４に記載の半導体装置
の製造方法において、前記酸化工程を経たトレンチ溝の
内部に半導体を堆積させて充填する堆積工程を含むこと
を特徴とする半導体装置の製造方法。

【００６３】この製造方法では、入口部分が中腹部分よ
りも幅広となっているトレンチ溝に半導体の堆積を行う
ので、トレンチ溝が半導体により隙間なく充填され、鬆
のないトレンチ構造が形成される。そして予め酸化工程
で側壁に酸化膜が形成されているので、堆積した半導体
と半導体基板とは酸化膜により完全に絶縁されている。

【００６４】［態様４］請求項４に記載の半導体装置
の製造方法において、前記半導体基板がシリコン基板で
あり、前記元素注入工程で注入される元素がＮであり、
前記酸化工程を経たトレンチ溝の内部に多結晶シリコン
を堆積させて充填する堆積工程を含むことを特徴とする
半導体装置の製造方法。

【００６５】この製造方法では、堆積工程で堆積する半
導体が多結晶シリコンなので、公知のＬＰＣＶＤ装置を
用いてこの堆積工程を実施することができる。

【００６６】第３の実施の形態。

【００６７】この実施の形態は基本的に、素子形成シリ
コン基板５１の表面近傍に不純物拡散層を形成し、その
不純物拡散層の上から等方性成分と異方性成分とを含む
エッチングを行って中間酸化層５２まで達する深さの溝
を形成し、この溝の側壁を酸化し、そして溝の内部に多
結晶シリコンを堆積させて溝を隙間なく充填するもので
ある。

【００６８】まず、不純物拡散層の形成について説明す
る。ＳＯＩウェハ５０の素子形成シリコン基板５１上に
フォトリソグラフィによりＮＳＧマスク１０を形成す
る。このＮＳＧマスク１０の形成は、第１の実施の形態
の場合の図１（ａ）と同様である。

【００６９】そして、このＮＳＧマスク１０の開口部分
の素子形成シリコン基板５１に、シリコンのエッチング
速度を増加させる元素を導入する。このような元素とし
てはＰ、Ｂ等が挙げられる。以下の説明ではＰを用いる
ものとする。このＰの導入方法としては、気相拡散法、
固相拡散法、イオン注入法のいずれでもよい。

【００７０】気相拡散法でＰを導入する場合は、ウェハ
５０をオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ₃）雰囲気中に置き所
定時間高温に保持すると、ＰＯＣｌ₃ がＰの供給源とな
って素子形成シリコン基板５１にＰが拡散進入し、図５
（ａ）に示すようなリン拡散層２３が形成される。固相
拡散法でＰを導入する場合は、ウェハ５０に常圧ＣＶＤ
でＰＳＧのベタ膜を被覆し所定時間高温に保持すると、
ＰＳＧがＰの供給源となって素子形成シリコン基板５１
にＰが拡散進入し、リン拡散層２３が形成される。ＰＳ
Ｇを用いた場合はその後エッチングでＰＳＧ膜を除去す
る。

【００７１】イオン注入法でＰを導入する場合は、図７
に示すようにイオン注入でＮＳＧマスク１０の開口部分
に高ドーズ量のＰを注入し、その後このウェハ５０を所
定時間高温に保持すると、注入されたＰが熱拡散してリ
ン拡散層２３が形成される。あるいは、図８に示すよう
に高ドーズ量のＰのイオン注入を、注入角度を低角から
高角まで多段階に変化させて行い、また注入の加速エネ
ルギーも高エネルギーから低エネルギーまで多段階に変
化させて行うことにより、リン拡散層２３が形成され
る。

【００７２】気相拡散法、固相拡散法、イオン注入法の
いずれかによりリン拡散層２３を形成したら、反応性イ
オンエッチングによりトレンチ溝を形成する。その際ガ
ス種としてはＨＢｒ、Ｃｌ₂ 等を用い、エッチング初期
のリン拡散層２３をエッチングするときには等方性の強
い条件でエッチングする。等方性の強い条件とは、エッ
チングガスのガス圧が高く（例えば１３Ｐａ程度）、Ｒ
Ｆパワーが低い（例えば２００Ｗ程度）条件である。こ
のような条件でエッチングすると、主として無方向性の
中性ラジカルによりエッチングが進められる。そしてリ
ン拡散層２３のエッチング速度が大きいことから、図５
（ｂ）に示すように横方向へのエッチングが大きく入
る。

【００７３】エッチング終期にはリン拡散層２３の下
の、Ｐが拡散していない部分の素子形成シリコン基板５
１がエッチングされるが、このときにはエッチング条件
を変え、異方性の強い条件でエッチングする。異方性の
強い条件とは、エッチングガスのガス圧が低く（例えば
３Ｐａ程度）、ＲＦパワーが高い（例えば４００Ｗ程
度）条件でである。このような条件でエッチングする
と、主として電場で加速されたイオン性エッチャントに
よりエッチングが行われ、深さ方向にはエッチングが進
むが横方向には殆ど進まない。このエッチング条件で中
間酸化層５２に達するまでエッチングを行うと、図５
（ｃ）に示すような入口付近ほど幅広な順テーパ形状の
溝１１が得られる。

【００７４】ここで、エッチング初期の等方性エッチン
グ条件からエッチング終期の異方性エッチング条件への
移行は、条件を徐々に変化させながら行う。また、エッ
チング終了時点で、図５（ｃ）に示すようにリン拡散層
２３が少し残るようにする。その後、ＮＳＧマスク１０
の張り出し部分をウェットエッチングで取り除き、スム
ーズな形状とする（図６（ａ））。

【００７５】次に、このウェハ５０を熱酸化すると、図
６（ｂ）に示すように溝１１の側壁に酸化膜２４が形成
される。この酸化膜２４は、リン拡散層２３が残ってい
た側壁の上部において厚くなっている。リン拡散層２３
の酸化速度がシリコン結晶本来の酸化速度より大きいた
めである。

【００７６】そして多結晶シリコンの堆積を行うと、溝
１１が順テーパ形状をなしているので、第１又は第２の
実施の形態の場合と同様に、溝１１は鬆が残ることなく
多結晶シリコンで完全に充填される。そして表層部分の
多結晶シリコンをエッチングして除去すると、図６
（ｃ）に示すような完全誘電体分離型のトレンチ構造が
できあがる。即ち、素子形成シリコン基板５１同士の間
は、中間酸化層５２及び酸化膜２４により完全に絶縁さ
れている。また素子形成シリコン基板５１と多結晶シリ
コン１８との間も、酸化膜２４により完全に絶縁されて
いる。

【００７７】その後、素子形成シリコン基板５１にトラ
ンジスタやダイオード等の素子を形成し、配線や保護膜
を形成すれば半導体装置は完成する。ここで素子形成の
過程でウェハ５０は必然的に熱処理（〜１３００℃程
度）を受けるが、多結晶シリコン１８が鬆を含んでいな
いので、鬆が酸化膜２４との界面に移動して絶縁耐圧を
下げる等の不具合が生じることはない。

【００７８】かかる第３の実施の形態によれば、素子形
成シリコン基板５１の表面付近にリン拡散層２３を形成
し（図５（ａ））、そしてこのリン拡散層２３を等方性
の強いエッチング条件でドライエッチングし（図５
（ｂ））、そして異方性の強いエッチング条件でドライ
エッチングして中間酸化層５２に達する溝１１を形成す
る（図５（ｃ））こととしたので、入口付近ほど幅広な
順テーパ形状の溝１１が得られるものである。特に、等
方性の強いエッチング条件でエッチングする部分をエッ
チング速度の大きいリン拡散層２３としたので、リン拡
散層２３がＮＳＧマスク１０との界面まで確実にエッチ
ングされ、図１４にしめすような開口の狭い形状となる
ことが防止されている。従って、その後側壁を熱酸化
し、多結晶シリコン１８で溝１１を充填することによ
り、鬆のない良好な完全誘電体分離型のトレンチ構造を
有する半導体装置が製造される。

【００７９】また、この実施の形態では、ドライエッチ
ング終了時にリン拡散層２３が少し残るようにしたので
（図５（ｃ））、酸化膜２４は側壁上部において厚くな
る（図６（ｂ））。先に説明した従来の製造方法ではこ
の部分の酸化膜が薄くなりがちで絶縁耐圧の低下を招い
ていたが、この実施の形態ではこの部分の酸化膜２４が
厚いので、絶縁耐圧が安定して得られる利点がある。

【００８０】なお、この第３の実施の形態については、
第１又は第２の実施の形態の場合と同様に、ＮＳＧマス
ク１０をフォトレジスト等の他のマスクで置き換える変
形や、多結晶シリコン１８の代わりに絶縁物で溝１１を
埋め込む変形を考えることができる。絶縁物で溝１１を
埋め込む場合には、図６（ｂ）の熱酸化は省略してもよ
く、また、ドライエッチング終了時点（図５（ｃ））で
リン拡散層２３を残す必要はない。

【００８１】以上説明した第３の実施の形態（変形例を
含む）は、請求項６の発明に対応するものであるが、こ
れ以外にも発明概念を含んでいるので、説明する。

【００８２】［態様５］請求項６に記載の半導体装置
の製造方法において、前記溝形成工程で行うエッチング
が、初期において等方性エッチングであり、終期におい
て異方性エッチングであることを特徴とする半導体装置
の製造方法。

【００８３】この製造方法では、溝形成工程の初期には
エッチング速度の大きい不純物元素拡散層が等方性エッ
チングされて幅広の開口をなし、溝形成工程の終期には
不純物元素が分布しておらずエッチング速度の小さい領
域が異方性エッチングされ、入口部分が中腹部分よりも
幅広となったトレンチ構造が得られる。

【００８４】［態様６］請求項６又は態様５に記載の
半導体装置の製造方法において、前記トレンチ溝の側壁
を酸化する酸化工程と、この側壁の酸化がなされたトレ
ンチ溝の内部に半導体を堆積させて充填する堆積工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【００８５】この製造方法では、入口部分が中腹部分よ
りも幅広となっているトレンチ溝に半導体の堆積を行う
ので、トレンチ溝が半導体により隙間なく充填され、鬆
のないトレンチ構造が形成される。そして予め絶縁工程
で側壁に絶縁膜が形成されているので、堆積した半導体
と半導体基板とは絶縁膜により完全に絶縁されている。

【００８６】［態様７］態様６に記載の半導体装置の
製造方法において、前記溝形成工程で前記不純物拡散層
を残すようにエッチングを行うことを特徴とする半導体
装置の製造方法。

【００８７】この製造方法では、不純物拡散層がエッチ
ング速度のみならず酸化速度も大きいことから、側壁上
部の酸化膜が厚くなり、絶縁耐圧の低下が防止される。

【００８８】［態様８］請求項６又は態様５に記載の
半導体装置の製造方法において、前記半導体基板がシリ
コン基板であり、前記元素導入工程で導入される不純物
元素がＰ、Ｂのいずれか一方又は両方であることを特徴
とする半導体装置の製造方法。

【００８９】［態様９］態様６又は態様７に記載の半
導体装置の製造方法において、前記半導体基板がシリコ
ン基板であり、前記元素導入工程で導入される不純物元
素がＰ、Ｂのいずれか一方又は両方であり、前記堆積工
程で堆積する半導体が多結晶シリコンであることを特徴
とする半導体装置の製造方法。

【００９０】これらの製造方法では、Ｐ、Ｂの導入によ
りシリコン基板にエッチング速度の大きい不純物拡散層
が形成される。また態様９の製造方法では、堆積工程で
堆積する半導体が多結晶シリコンなので、公知のＬＰＣ
ＶＤ装置を用いてこの堆積工程を実施することができ
る。

【００９１】以上実施の形態について説明したが、本発
明は上記各実施の形態に何ら限定されるものではなく、
本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更ができ
ることは言うまでもないことである。

【００９２】

【発明の効果】本発明に係る半導体装置の製造方法によ
れば、不純物元素の存在による酸化速度の増減又はエッ
チング速度の増加を利用して、半導体基板に入口部分が
中腹部分より広い順テーパ形状のトレンチ溝を形成する
ことができる。従って、このトレンチ溝は、鬆を残さず
に隙間なく埋め尽くすことが容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法
を説明する図である。

【図２】第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法
を説明する図である。

【図３】第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法
を説明する図である。

【図４】第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法
を説明する図である。

【図５】第３の実施の形態に係る半導体装置の製造方法
を説明する図である。

【図６】第３の実施の形態に係る半導体装置の製造方法
を説明する図である。

【図７】イオン注入によるリンのドーズを説明する図で
ある。

【図８】イオン注入によるリン拡散層の形成を説明する
図である。

【図９】ＳＯＩウェハの断面構造を示す図である。

【図１０】従来の半導体装置の製造方法を説明する図で
ある。

【図１１】ボーイング形状の溝が形成された状態を示す
図である。

【図１２】多結晶シリコンに鬆が生じた状態を示す図で
ある。

【図１３】鬆が多結晶シリコンと側壁酸化膜との界面に
移動した状態を示す図である。

【図１４】開口幅の狭い形状となったトレンチ溝を示す
図である。

【符号の説明】

１１トレンチ溝１２側壁１４不純物拡散域１５酸化膜１７酸化膜２０窒素拡散域２３リン拡散層５１半導体基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田昇司愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者中垣真治愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板にトレンチ溝を形成する溝加
工工程と、このトレンチ溝の側壁上部に基板半導体の酸化速度を増
加させる元素を注入する元素注入工程と、この上部に元素注入が施された側壁を酸化する酸化工程
と、この酸化工程により側壁に形成された酸化物を除去する
酸化物除去工程とを含むことを特徴とする半導体装置の
製造方法。
【請求項２】請求項１に記載の半導体装置の製造方法
において、前記酸化物除去工程により酸化物の除去がなされた側壁
に絶縁膜を形成する絶縁工程を含むことを特徴とする半
導体装置の製造方法。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の半導体装
置の製造方法において、前記半導体基板がシリコン基板であり、前記元素注入工程で注入される元素がＰ（燐）、Ｂ（硼
素）、Ａｓ（砒素）、Ｏ（酸素）よりなる群から選ばれ
た１又は２以上の元素であることを特徴とする半導体装
置の製造方法。
【請求項４】半導体基板にトレンチ溝を形成する溝加
工工程と、このトレンチ溝の側壁上部に基板半導体の酸化速度を減
少させる元素を注入する元素注入工程と、この上部に元素注入が施された側壁を酸化する酸化工程
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】請求項４に記載の半導体装置の製造方法
において、前記半導体基板がシリコン基板であり、前記元素注入工程で注入される元素がＮ（窒素）である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】半導体基板の表面近傍に不純物元素拡散
層を形成する元素導入工程と、この不純物元素拡散層が形成された半導体基板に対して
等方性成分と異方性成分とを含むエッチングを行いトレ
ンチ溝を形成する溝形成工程とを含み、前記元素導入工程で導入される不純物元素が基板半導体
のエッチング速度を増加させる元素であることを特徴と
する半導体装置の製造方法。