JPS6038832A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体装置とその製造方法に係り、特に超高集
積半導体装置の製造に好適な絶縁分離構造とその製法に
関する。

〔発明の背景〕

半導体集積回路の高精度素子分離技術として、半導体基
板に溝を形成し絶縁材で充填する方法が開発てれつつあ
る。このような方法で最も問題となるのは、いかにして
簡便な製法で溝を平坦に埋め込むかということである。

以下、第１図から第４図までを用いて従来技術の代表例
を説明する。

第１図は堆積膜による埋め込み例であり、溝深さと同等
の膜厚で絶縁材２を堆積した後、凹部３を被佼して、基
板１の表面より上に堆積した絶縁材をエツチング等で除
去するものである。しかし、この方法では堆積膜が厚い
ことや凹部３があることによって、平坦化工程が煩雑に
なるばかりが、埋め込み表面の平坦性が悪くなり易い。

ただし、この方法においても幅の狭い溝５であれば溝幅
の半分以上の堆積膜で溝を充填でき、平坦性も得易い。

そこで、幅の広い分離領域も狭い溝だけで形成しようと
した例が第２図である。広い分離領域の両端に一対の狭
い溝を形成しその他の分離領域７にはＬＯＣＯ８法など
と呼ばれる選択酸化によって酸化膜８を形成する。こう
することによって溝の埋め込みは容易になるが、溝６と
酸化膜８を態別に形成するため両パターン間の合わせず
により酸化膜８の薄い部分９ができたり、酸化膜８の段
差が残るという問題がある。さらに、一対の溝６で構成
できる分離領域の最小寸法はリソグラフィーで形成可能
な最小寸法の３倍（２つの溝と１つの島の合計３つから
成るため）であるので、それ以下の寸法の分離領域には
適用できない。

堆積膜を用いない溝埋め込み法には、第３図に示すよう
に、溝側壁を耐酸化性膜１０で破傷した後熱酸化膜１１
を成長させるものがある。ここで熱酸化膜１１Ｆｉ溝底
面に直接寸たは溝底面にエピタキシャル成長した層１２
上に形成きれる。このような方法では溝幅の大小にかか
わらず埋め込みができるが、深い分離構造は形成内ｍ−
１１−である。すなわち、熱酸化膜１１を厚くすると溝
内に大きな応力を発生し結晶欠陥ができ易く１寸た、エ
ピタキシャル層１２を厚くすると結晶面の影響で溝端部
１３に段差ができる（ファセット）などの問題がある。

第４図に示した例は、活性領域パターン端部に自己整合
で形成した溝１４と溝内面を被覆する１７によって絶縁
分離するもので、第２図の例に比べて製造工程が自己整
合になっているため、微細な分離構造の製造に適する。

なお、溝１４を自己整合で形成する方法は％特願昭５６
−１７００２７などに記載されている。第４図に示す構
造の欠点は、溝１４０片方の壁面が少し低くなっている
ため、ＬＯＣＯ８酸化膜１７との整合性が悪く、両者の
間に段差１８ができて表面平坦性が悪くなることである
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来法の欠点を解消し、表面の平
坦性が良好でかつ深い分離のできる絶縁分離構造を提供
することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成させるための本発明の構成は、絶縁分離
領域の輪郭部に絶縁膜で被覆もしくは充填させた深い溝
を配置せしめ、この溝以外の絶縁分離領域は上記溝と上
端面を−にして接する例えば７リコン酸化膜で被籾せし
めたことにある。

本発明は、ドライエツチング技術を利用することによっ
てホトリングラフイー等で形成したパターン端部に超微
細溝を形成できるという方法に基づき絶縁分離領域の望
捷しい構造と製造法を発明したものである。基本的には
第５図に示すように絶縁分離領域２０の両端に形成した
微細で深い溝２１で素子分離を行ない、残りの分路１頌
域表面は配線と基板１間の寄生容置を低減するために必
要な酸化膜２２で溝２１と整合性良く平坦に被接しよう
とするものである。

〔発明の実施例〕 以下、実施例によって本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第６図（１）〜（４）は本発明の一実施例を示す工程図
である。第６図（１）に示すように、シリコン基板１に
５ｉ０２３１　、　Ｓｉ３Ｎ４３２　、５ｉ０２３３の
３層より成る膜を堆積し、周知のホトエツチング法によ
り絶縁分離領域３４を開口した後、さらにシリコン基板
１をエツチングして浅い溝を形成し、全面にＳ　ｉ　ｓ
　Ｎ４膜３５を堆積した。

ＣＨ２Ｆ２ガスを用いた反応性スパッタエツチングによ
って５ｉｓＮ４膜３５をエツチングすると、サイドエツ
チングのない高選択エツチングができるため、第６図（
２）に示すように、開口部の側壁に被着された５ｉ３Ｎ
４３６のみを残すことができ、続いて基板１を酸化して
、活性領域の基板表面に達する厚さの５ｉｎ２３７を形
成した。

リン酸によるエツチングまたはＣＨｓＦｚガスの反応性
スパッタエツチングによって、側壁の５ｊ３Ｎ４３６を
選択的に除去し、これによって露出されたシリコン基板
面をエツチングして、第６図（３）に示ス微細溝３８を
得た。なお、この際のシリコンエツチング法として、Ｃ
Ｃｔ、と０２の混合ガスの反応性スパッタエツチングを
用いることによって、５ｉＣｈ３７をほとんど減少させ
ることなく、深い微細溝３８を形成できた。

上記微細溝を軽く酸化し、Ｓ’ｓＮ４３２を除去した後
、第６図（４）に示すように、例えばＨＬＤ法（高温低
圧化学蒸着法）を用いて８ｉＣｈ膜３９を堆積し、溝を
埋め込んだ。堆積する５ｌＯｚ膜の厚さは、溝幅の半分
以上であればよいので、このような微細溝では、埋め込
みが容易であり、また、埋め込み後の表面も平坦である
。埋め込み材料としては５ＩＯｚだけでなく　Ｓ　１ｓ
Ｎ４．　ＳＯＧ　（スピン・オン・ガラス）、多結晶シ
リコンなどを用いてもよい。

微細溝は、第７図に示すように、熱酸化膜のみで埋め込
むこともできる。ただし、この際の熱酸化法としては、
水蒸気を含むウェット酸化ではなく、乾燥酸素によるド
ライ酸化を用いる方がよい。

ドライ酸化では、生成する酸化膜中の酸素の拡散が遅く
、酸化膜の成長はこの酸素の拡散によって極度に律速さ
れている。しｆｔ−かって、第７図に示すように、溝両
側面より成長した酸化膜表面が接合した後は、溝内部の
酸化膜の成長は急激に停止する。ウェット酸化では、溝
内部が酸化膜で充契された後も酸化が進行するため、酸
化による体積膨張の大きな応力がシリコン基板１に加わ
り、結晶欠陥を引き起こす。微細溝を酸化によって充填
する場合には、ドライ酸化（酸化温度は例えば１１００
Ｃ）のように、極度に拡散律速になる条件を選び、溝が
いったん充填されるとそれ以上酸化が進みにくくなるよ
うにすれば、結晶欠陥の発生を防ぐことができる。

実施例２ 第８図（１）および（２）は本発明の他の実施例を示す
工程図である。実施例１と同様に、絶縁分離領域を開口
した３層膜を形成し、シリコン基板を少しエツチングし
た後、開口部の側壁を被覆する５ｉｓＮ４　を形成した
。ただし、この除５ｆｓＮ４３６の下には、第８図（１
）に示すようにパッド５ｉＱ２４０を設けた。（これは
結晶欠陥の発生を抑止するためである。）そして、シリ
コン溝深さのおよそ半分までエピタキシャル層４１を成
長した。続いて、５ｊｓＮ４３６とバッド５ｊ（ｈ４０
の底部を除去して、絶縁分離領域の輪郭部を開口し、シ
リコン基板をエツチングすることによって、第８図（２
）の構造を得た。以下、実施例１と同様に、微細溝を埋
め込み、絶縁分離構造を完成し１辷。

本実施例では、エピタキシャル層４１を形成すること（
でよって、５ｉＯｚ３７の端部が５Ｉ３Ｎ４３６の下部
にまわり込むことを完全に防止できるので、微細溝の幅
の制御性が向上する。エピタキシャル層４１は、ファセ
ットによる段差を太きくしないため、薄く形成すること
が望ましい。

以上の実施例では、絶縁分離領域表面の５ｊＯｚ３７を
微細溝３８よりも先に形成したが、この順を逆にした製
造法を以下に示す。

実施例３ 第９図（１）〜（４）は本発明の他の実施例を示す工程
図である。実施例１と同様に３層膜と側壁のＳｉ３Ｎ４
　を形成するが、このとき、第９図（１）に示すように
、シリコン基板ＩＫ浅い溝は形成せず、また５ｒＯ２４
２を薄く（例えば１００　ｎ　ｍ　）形成した。続いて
、５ｉｓＮ４３６を除去し、ＣＣｌ４と０２ガスの反応
性スパッタエツチングで１々細溝（例えば深さ３μｍ）
を形成した。軽く溝内を酸化した後、第９図（２）のよ
うに、５ｊ３Ｎ４４４で溝を充填した。５ｆｓＮ４４４
を膜厚分エツチングし、第９図（３）のように、溝内の
８ｉ３Ｎ４４５のみを残し、５ｉ０２４３の露出部をフ
ッ酸溶液で除去してシリコン面４６を露出した。シリコ
ン露出面４６を所定歌エツチングし、エツチング量だけ
体積膨張するように熱酸化して第９図（４）に示す絶縁
分離構造を得た。

なお、シリコン露出面のエツチングに、　ＣＣ１ａガス
の反応性スパッタエツチング、または、ヒドラジンなど
のアルカリ溶液でのエツチングを用いると、後述の第１
０図に示すように、エツチング側面金傾斜させることが
できる。このようにして、微細溝に接するところにシリ
コンのエッチ残り５０を形成しておくと、続いて行う熱
酸化によって形成される５ｊＯｚ膜の表面と微細溝の上
端部との整合性が向上し、平坦な絶縁分離領域が形成で
きる。

第１０図は、微細溝内面に直接８４ｓＮａ４８を被着し
た例であるが、このような場合、エッチ残り５０を形成
する方法は、表面平坦化に特に有効であった。（エッチ
残り５０がない場合には、微細溝近傍で熱酸化膜表面が
落ち込んで、段差を生じることがあった。） 第１１図は、微細濾を７字形にした例である。

このようにすると、第１０図に示したエッチ残り５０が
なくとも、熱酸化後の表面は平坦になる。

第１２図は、微細溝内面をＳ！５Ｎ４４８で薄く被覆し
ただけで、溝内を完全に充填せずに８１０２４７を形成
した例である。このようにするとＳ　ｒ　０２４７形成
時の応力がシリコン基板１に及びにくいため、結晶欠陥
の発生を抑止できる。したがって８ｉ０２４７を厚く形
成したい時に有利である。凍だ、この時にできる空洞５
１は、その後の各紳熱処理工程での応力緩和に役立つ。

第１３図（１）および（２）は、以上述べてきた本発明
の構造が、どのような分離荷幅にも適用可能なことを示
す図である。すなわち、任意に配置した活性領域に対応
するマスクパターン５２をもとにして、本発明の製造方
法を行った場合、パターン側壁に被着する５ＩｓＮａ３
５の膜厚の２倍よりも大きい分離領域５３．５４には本
発明の構造がそのまま形成され、５ｉ３Ｎ４３５膜厚の
２倍よりも小さい分離領域５５は自動的に１本の溝とな
る。微細な分離領域５５は、第１３図（１）のように５
ｉ３Ｎ４５５で埋め込まれてしまうためであるが、この
ような微細な分離領域は平坦化の上でもはやそれ以上微
細な溝に分けて形成する必要がないのである。第１３図
（２）は最終的な分離構造であるが、微細溝で分割でき
ガい分離領域に形成された溝５６も同時に埋め込むため
に、９細溝光填材５８の膜厚は微細溝５９０幅（溝５６
の幅の半分）以上としている。なお、このような構造を
各種半導体素子の分離に用いる場合、溝５６．５９の底
面、側面での宵生チャネルの発生を防止する必要がある
が、本発明の製造工程中に溝内面へイオン注入や不純物
拡散を行うことによってチャネル・カットは容易にでき
ることは言うまでもない。

本発明忙おいては、微細なシリコン溝を形成するエツチ
ング技術がＮ要であるが、このエツチング法について、
第１４図を用いて説明する。

ＣＣｔ４と０２の混合ガスを用いたエツチングでは、５
ｊＣｈやＳｉ３Ｎ４に対しシリコンを選択的にかつ垂直
にエツチングできることが例えば！庁願昭５５−２８１
５０に記載されている。寸り、このエツチングでは、エ
ツチング面上にＳ　Ｉ　＋　０　＋　ＣＬ等を含む堆積
物が生じ易く、エツチング面が４状に荒れたり、場合に
よってはエツチングが停止する。

ＣＣムへの０２混合率が高い場合（例えば混合率５０％
）やエツチングガス圧力カニ高い場ばには特に顕著であ
るが、そのような場合に本発明のような微細溝をエツチ
ングするとエツチングマスクが減少することなく非常に
深い溝が形成できた。これは次のような理由による。第
１４図（１）に示すように、反応性スパッタエツチング
を行っている際、気相（プラズマ）中からエツチング面
へ飛来する′付着粒子６０は、マスクパターンの厚みよ
りも幅の狭い開口部６３の底面へはあ１り付〃ｉできな
い。

通常、反応性スパッタエツチングはガス圧力０，０１〜
０、Ｉ　Ｔｏｒｒ程度で行うので、この時気相中から飛
来する粒子６０の平均自由工程は０．１　ｍｍ　桿ＩＪ
ｔとなり、マスクパターンの厚み（通常１μｍｎ程度）
より十分大きく、シたがってマスクパターンの陰になる
部分へは付着しにくい。このため、第１４図（２）に示
すように、陰になる部分以外は付着粒子の堆積膜６４が
できエツチングされないが、陰の部分ではエツチングさ
れる。特に、マスクパターン６１の厚さよりも狭い幅の
ところは堆積物にほとんど影響されることなく溝６５が
形成される。

このように、ＣＣｔ、と０２混合ガスの場合のように堆
積が顕著なエツチングでは、微細幅の溝を形成する場合
において、選択比が無限大のエツチングができるのであ
る。また、このエツチングにおいては、いったんシリコ
ン基板に幅対深さが１対１以上の溝を形成しておけば、
エツチングマスクはなくとも深い溝を形成できる。　“ 〔発明の効果〕 以上述べたように、本発明によれば、絶縁分離を行う微
細で深い溝と、寄生容量を低減する酸化膜との整合性の
良い構造を得ることができ、以下の効果がある。

（１）埋め込むべき溝が非常に微細であるため、平坦化
が容易である。

（２）微細溝と酸化膜は自己整合で形成でき、両者の接
合部で段差の発生がないので、さらに平坦化しなくとも
、後工程への悪影響がない。

（３）微細溝の深芒には制限がないので、深い構造の素
子分離を行うことができる。

（４〕　分離領域表面の酸化膜厚は微細溝深さ以下で自
由に選べるので、適用する素子に応じた寄生容量（配線
容量）の低減ができ乙。

（５）絶縁分離幅に関係なく適用できるので、素子のレ
イアウト（配置）を自由に行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図は従来の分離構造を示す断面図、第５
図は本発明の一実施例としての半導体装置の分離構造を
示す断面図、第６図から第１３図は本発明の他の実施例
としての半導体装置の製造工程を示す断面図、第１４図
は本発明に用いた微細溝エツチングの様子を示す断面図
である。 １・・・シリコン基板、８，１１，１７，２２，３７゜
４７．５７・・・分離領域表面の５ｊ０２．１０，１５
゜３２．３５，３６，４４，４５．４８・・・５ｉ３Ｎ
４（耐酸化性膜）、１２．４１・・・シリコンエピタキ
シャル層、２１．３Ｂ、５６，５９．６５・・・微細溝
、３１，３３，３９，４０，４２．４３・・・第　ｌ　
図 奉４図 椿　、、！５　口 慕　６　図 第　６　口 第　７　図 第　８　口 第　′７　図 第　７０　図 第１１口 ９ 第　１２　図 第　１３　ロ 第１頁の続き ０発　明　者　芝　健　夫　国分寺市東恋ケ１央研究所
内 年１丁目２８幡地　株式会社日立製作所中１６２−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁分離領域の輪郭部に絶縁膜で被覆もしくは充填
   された深い溝を配置し、該溝以外の絶縁分離領域は該溝
   と上端面を−にして接するシリコン酸化膜で被覆したこ
   とを特徴とする半導体装置。 ２、絶縁分離領域の輪郭部を残して絶縁分離領域のシリ
   コン基板に酸化膜を形成した後、異方性選択シリコンエ
   ツチングにより該シリコン酸化膜を残して該輪郭部のシ
   リコン基板にほぼ垂直な溝を形成し、残したシリコン酸
   化膜と該溝とによって絶縁分離領域を構成することを一
   詩徴とする半導体装置の製造方法。 ３　特許請求の範囲第２項に於いて、絶縁分離領域の輪
   郭部の７リコン基板に微細な溝を形成した後、該溝を耐
   酸化性膜で充填し、残りの絶縁分離領域のシリコン基板
   を所定深さまでエツチングした後光のシリコン基板表面
   まで体積膨張するよう酸化し絶縁分離領域を形成するこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。 ４、特許請求の範囲第２項において、シリコン基板に、
   幅が１μｍ以下で除きと幅の比が２以上の溝を形成した
   後、溝内部を乾燥酸素雰囲気で酸化し充填することによ
   って絶縁分離領域を形成することを特徴とする半導体装
   置の製造方法。 ５、特許請求の範囲第２項において、シリコン基板をエ
   ツチングして溝を形成する際、エツチングマスクとして
   溝幅寸法よりも厚さ寸法の方が大きいパターンを形成し
   た後、ＣＣｔ２と０２の混合ガスを用いた反応性スパッ
   タエツチングを行うことを特徴とする半導体装置の製造
   方法。