JP2006128328A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造技術に関し、特に、溝型素子分離領域で区画された半導体基板の素子形成領域に電界効果トランジスタを有する半導体装置及びその製造技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing technique thereof, and more particularly to a semiconductor device having a field effect transistor in an element formation region of a semiconductor substrate partitioned by a trench type element isolation region and a manufacturing technique thereof.
半導体装置に搭載される電界効果トランジスタとして、例えばMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)と呼称される絶縁ゲート型電界効果トランジスタが知られている。ゲート絶縁膜が酸化シリコン膜からなるMISFETにおいては、通常、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)と呼ばれている。 As a field effect transistor mounted on a semiconductor device, for example, an insulated gate field effect transistor called MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) is known. In a MISFET whose gate insulating film is made of a silicon oxide film, it is usually called a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
MISFETにおいては、ゲート電極の側壁に絶縁膜からなるサイドウォールスペーサが形成されており、その両端に不純物を打ち込んでソースやドレイン領域が形成されている。このソースやドレイン領域端部ではシリコン基板中に結晶欠陥が発生する場合が多くみられ、この結晶欠陥を防止する方法として、例えば特開平08−97210号公報には、図21(模式的断面図)に示すように、ゲート電極31の側面と、窒化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ34との間、並びにサイドウォールスペーサ34とその下のシリコン基板1との間に酸化膜33を介在させる構成が開示されている。図21中、30はゲート絶縁膜、32及び35は、ソース領域及びドレイン領域である一対の半導体領域である。
In the MISFET, side wall spacers made of an insulating film are formed on the side walls of the gate electrode, and impurities are implanted into both ends thereof to form source and drain regions. In many cases, crystal defects are generated in the silicon substrate at the ends of the source and drain regions. As a method for preventing such crystal defects, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-97210 discloses FIG. 21 (schematic cross-sectional view). As shown in FIG. 4, the
一方、半導体基板の主面の素子形成領域間を電気的に分離する素子分離技術の1つに、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)やSGI(Shallw Groove Isolation)と呼称される溝型素子分離技術が知られている。この溝型素子分離技術は、主に、半導体基板の主面を熱酸化してパッド酸化膜を形成し、その後、パッド酸化膜上に酸化防止膜として例えば窒化シリコン膜をCVD(Chemical Vapor Deposition)法で形成し、その後、前記窒化シリコン膜及びパッド酸化膜をパターンニングして、前記半導体基板の主面の素子形成領域上に前記窒化シリコン膜及びパッド酸化膜からなるエッチング用マスクを形成し、その後、前記エッチング用マスクの周囲における前記半導体基板の主面(溝形成領域)をエッチングして溝を形成し、その後、前記溝の内部を含む前記半導体基板の主面上に絶縁膜として例えば酸化シリコン膜をCVD法で形成し、その後、前記酸化シリコン膜が前記溝の内部のみに残るように前記酸化シリコン膜を例えばCMP(化学的機械研磨:Chemical Mechanical Polishing)法で除去することによって、隣り合う素子形成領域間を電気的に分離する技術である。この溝型素子分離技術においては、LOCOS(Local Oidation of Silicon)と呼称される素子分離技術と比較して、隣り合う素子形成領域間を電気的に分離する素子分離領域の微細化が可能なため、半導体装置の高集積化を図ることができる。 On the other hand, as one of element isolation techniques for electrically isolating element formation regions on the main surface of a semiconductor substrate, for example, a trench type element isolation technique called STI (Shallow Trench Isolation) or SGI (Shallw Groove Isolation) is used. Are known. In this trench type element isolation technique, a main surface of a semiconductor substrate is mainly thermally oxidized to form a pad oxide film, and then, for example, a silicon nitride film is formed on the pad oxide film as an antioxidant film by CVD (Chemical Vapor Deposition). After that, the silicon nitride film and the pad oxide film are patterned to form an etching mask made of the silicon nitride film and the pad oxide film on the element formation region of the main surface of the semiconductor substrate, After that, the main surface (groove forming region) of the semiconductor substrate around the etching mask is etched to form a groove, and then, for example, an oxidation film is formed on the main surface of the semiconductor substrate including the inside of the groove as an insulating film. A silicon film is formed by a CVD method, and then the silicon oxide film is made, for example, by CMP (Chemical Mechanical Research) so that the silicon oxide film remains only in the trench. This is a technique for electrically separating adjacent element formation regions by removing the material by a chemical mechanical polishing (Chemical) method. In this trench type element isolation technique, it is possible to miniaturize an element isolation region that electrically isolates adjacent element formation regions as compared with an element isolation technique called LOCOS (Local Oidation of Silicon). Therefore, high integration of the semiconductor device can be achieved.
なお、前記溝型素子分離技術については、例えば特開平11−177047号公報に記載されている。 The groove type element separation technique is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-177047.
本発明者は、上記特開平08−97210号公報に開示された構造では、ソース及びドレイン領域を含むアクティブ領域(素子形成領域)の基板に発生する結晶欠陥を十分抑制することはできないことを見出した。 The present inventor has found that the structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-97210 cannot sufficiently suppress crystal defects generated in the substrate of the active region (element forming region) including the source and drain regions. It was.
これは、結晶欠陥の発生がゲート電極の応力だけで決まるものではなく、素子分離(Shallow Trench Isolation)の応力(STI応力)も無視できないくらい大きく影響しているためである。 This is because the occurrence of crystal defects is not determined solely by the stress of the gate electrode, but the stress (STI stress) of element isolation (Shallow Trench Isolation) has a significant influence that cannot be ignored.
本発明の目的は上記のような不具合を解消でき、基板のソースやドレイン領域に生じる欠陥を抑制でき、さらに性能の良好な半導体装置及びそ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 semiconductor device and a method for manufacturing the same that can solve the above-described problems, can suppress defects generated in the source and drain regions of a substrate, and have better performance.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。 Of the inventions disclosed in this application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
上記目的を達成するために、本発明は、ゲート絶縁膜の形成に、ISSG酸化法と従来のウエット(wet)やドライ(dry)酸化法による2種類の方法を使用した。これにより、従来のwet酸化法やdry酸化法のみの単一の場合と比較して、STIの応力を小さくできるので、半導体基板の素子形成領域における結晶欠陥の発生を抑制することができる。具体的には、以下の構成を有することができる。 In order to achieve the above object, the present invention uses two methods for forming a gate insulating film: an ISSG oxidation method and a conventional wet or dry oxidation method. This makes it possible to reduce the stress of STI as compared with a single case of only the conventional wet oxidation method and the dry oxidation method, and thus it is possible to suppress the occurrence of crystal defects in the element formation region of the semiconductor substrate. Specifically, it can have the following configuration.
本発明の発明者は基板上に素子分離領域が形成されており、素子形成領域にゲート構造が形成されている場合で、さらにシリコン基板に砒素やりんなど不純物を高濃度で打ち込んだ場合に、結晶欠陥が発生しやすくなることについて検討を行った。その結果、基板に不純物が打ち込まれると、不純物が打ち込まれた領域(不純物形成領域)には高い応力(不純物起因応力)が生じ、この不純物起因応力がゲート構造や素子分離形成過程で生じる応力(STI応力)によって拘束されて結晶欠陥が生じることを突き止めた。このことから、この不純物応力を拘束しないように、素子分離領域の形成過程で生じる応力を低減することで結晶欠陥を防止できると考えた。 The inventor of the present invention has an element isolation region formed on a substrate, a gate structure is formed in the element formation region, and further when an impurity such as arsenic or phosphorus is implanted at a high concentration into a silicon substrate, We examined the possibility of crystal defects. As a result, when an impurity is implanted into the substrate, a high stress (impurity-induced stress) is generated in the impurity-implanted region (impurity formation region), and this impurity-induced stress is generated in the gate structure and the element isolation formation process ( It was ascertained that crystal defects occur due to restraint by (STI stress). From this, it was considered that crystal defects can be prevented by reducing the stress generated in the process of forming the element isolation region so as not to restrain the impurity stress.
素子分離はシリコン基板に溝を形成し、埋込み酸化膜を埋め込んだものである。トランジスタ形成過程では多くのシリコン基板酸化工程が存在する。酸化種となる酸素は溝内部にも埋め込み酸化膜を通して拡散するので、溝側壁にも酸化膜が成長する。SiからSiO2変化時に約2倍の体積膨張が生じる。この体積膨張は埋込まれた酸化膜によって拘束を受けるので、シリコン基板中には高い圧縮応力が生じる。この圧縮応力を低減するため、ゲート絶縁膜の形成に、ISSG酸化法と従来のwetやdry酸化法による2種類の方法を使用する。 In element isolation, a trench is formed in a silicon substrate and a buried oxide film is buried. There are many silicon substrate oxidation processes in the transistor formation process. Oxygen serving as an oxidizing species diffuses through the buried oxide film even inside the trench, so that the oxide film grows also on the trench sidewall. When Si is changed to SiO 2 , volume expansion of about twice occurs. Since this volume expansion is restricted by the buried oxide film, a high compressive stress is generated in the silicon substrate. In order to reduce this compressive stress, two types of methods, ISSG oxidation method and conventional wet or dry oxidation method, are used for forming the gate insulating film.
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。 The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
本発明によれば、半導体基板の素子形成領域における結晶欠陥の発生を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of crystal defects in the element formation region of the semiconductor substrate.
また、本発明によれば、MISFETを有する半導体装置の高性能化を図ることができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to improve the performance of a semiconductor device having a MISFET.
以下、図面を参照して本発明の実施形態の実施例について説明する。 Examples of embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本実施例1では、電界効果トランジスタとしてMISFETを有する半導体装置に本発明を適用した例について説明する。 In the first embodiment, an example in which the present invention is applied to a semiconductor device having a MISFET as a field effect transistor will be described.
図1乃至図16は、本発明の実施例1である半導体装置に係わる図であり、
図1は、半導体装置に搭載されたMISFETの概略構成を示す模式的断面図、
図2は、図1の一部を拡大した模式的断面図、
図2乃至図13は、半導体装置の製造工程を示す模式的断面図、
図14は、ISSG酸化法を説明するための図、
図15は、STI応力の発生メカニズムを示す図、
図16は、ウエット酸化法でゲート絶縁膜を形成した場合のSTI応力と、ISSG酸化法及びウエット酸化法でゲート絶縁膜を形成した場合のSTI応力との比較を示す図である。
1 to 16 are diagrams related to a semiconductor device which is
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a MISFET mounted on a semiconductor device.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view enlarging a part of FIG.
2 to 13 are schematic cross-sectional views showing a manufacturing process of a semiconductor device,
FIG. 14 is a diagram for explaining the ISSG oxidation method;
FIG. 15 is a view showing a generation mechanism of STI stress,
FIG. 16 is a diagram showing a comparison between the STI stress when the gate insulating film is formed by the wet oxidation method and the STI stress when the gate insulating film is formed by the ISSG oxidation method and the wet oxidation method.
図1(a)に示すように、本実施例1の半導体装置は、半導体基板として例えばp型の単結晶シリコンからなるシリコン基板1を主体に構成されている。シリコン基板1の主面(素子形成面,回路形成面)には、トランジスタ素子の形成領域として使用される素子形成領域(活性領域)1sを区画するための素子分離領域1aが選択的に形成されている。素子分離領域1aは、例えば周知のSTI(Shallow Trench Isolation)技術によって形成された溝型構造になっている。STI技術による素子分離領域1aは、シリコン基板1の主面に例えば300[nm]程度の深さの溝4を形成し、その後、シリコン基板1を熱酸化して溝4の内面に熱酸化膜(酸化シリコン膜)5を形成し、その後、シリコン基板1の主面上に絶縁膜として例えば酸化シリコン膜6をCVD(Chemical Vapor Deposition)で成膜し、その後、酸化シリコン膜6が溝4の内部に選択的に残るようにCMP(化学的機械研磨:Chemical Mechanical Polishing)法で平坦化することによって形成される。即ち、本実施例1の素子分離領域1aは、シリコン基板1の主面に形成された溝4、溝4の内面に沿って形成された熱酸化膜5、及び熱酸化膜5を介して溝4に埋め込まれた絶縁膜(酸化シリコン膜6)を含む構成になっている。ここで、溝4の内部に埋め込まれた酸化シリコン膜6を埋込み酸化膜6と呼ぶこともある。
As shown in FIG. 1A, the semiconductor device according to the first embodiment is mainly composed of a
素子分離領域1aで区画されたシリコン基板1の主面の素子形成領域1sには、p型ウエル領域7及びnチャネル導電型MISFET(以下、単にn型MISFETと言う)Q1が形成されている。
A p-
n型MISFET−Q1は、主に、チャネル形成領域、ゲート絶縁膜10、ゲート電極13、ソース領域及びドレイン領域を有する構成になっている。ゲート絶縁膜10は、シリコン基板1の主面の素子形成領域に設けられ、ゲート電極13は、シリコン基板1の主面の素子形成領域上にゲート絶縁膜10を介在して設けられ、チャネル形成領域は、ゲート電極13の直下におけるシリコン基板1の表層部に設けられている。ソース領域及びドレイン領域は、チャネル形成領域のチャネル長(ゲート長)方向において、チャネル形成領域を挟むようにしてシリコン基板1の表層部に設けられている。
The n-type MISFET-Q1 mainly includes a channel formation region, a
n型MISFET−Q1のソース領域及びドレイン領域は、エクステンション領域である一対のn型半導体領域(不純物拡散層)16、及びコンタクト領域である一対のn型半導体領域(不純物拡散層)18を有する構成になっている。n型半導体領域16は、ゲート電極13に整合してシリコン基板1の主面の素子形成領域に設けられている。n型半導体領域18は、ゲート電極13の側壁に設けられたサイドウォールスペーサ17に整合してシリコン基板1の主面の素子形成領域に設けられている。サイドウォールスペーサ17は、絶縁膜として例えば窒化シリコン膜で形成されている。
The source region and the drain region of the n-type MISFET-Q1 have a pair of n-type semiconductor regions (impurity diffusion layers) 16 that are extension regions and a pair of n-type semiconductor regions (impurity diffusion layers) 18 that are contact regions. It has become. The n-
コンタクト領域であるn型半導体領域18は、エクステンション領域であるn型半導体領域16よりも高不純物濃度になっている。即ち、本実施形態1のn型MISFET−Q1は、ドレイン領域のチャネル形成領域側の不純物を低濃度化したLDD(Lightly Doped Drain)構造になっている。
The n-
図1(b)に示すように、ゲート電極13は、これに限定されないが、例えば、抵抗値を低減する不純物が導入されたポリシリコン膜(ドープドシリコン膜)11と、ポリシリコン膜11上に設けられたタングステン膜12とを含む多層構造になっている。ゲート電極13の上面には、その上面を覆うようにして例えば窒化シリコン膜からなる絶縁膜14が設けられている。
As shown in FIG. 1B, the
ゲート絶縁膜10は、ISSG(In-situ Steam Generation)酸化法で形成された熱酸化膜(例えば酸化シリコン膜)8と、その他の酸化法で形成された熱酸化膜(例えば酸化シリコン膜)9とを含む構成になっている。その他の酸化法としては、ウエット酸化法やドライ酸化法などがあるが、本実施例1の熱酸化膜9はウエット酸化法で形成されている。熱酸化膜9は、シリコン基板1と熱酸化膜8との間に形成されており、熱酸化膜8よりも厚い膜厚で形成されている。本実施例1において、熱酸化膜8は例えば10[nm]程度の膜厚で形成され、熱酸化膜9は例えば15[nm]程度の膜厚で形成され、ゲート絶縁膜10としては例えば25[nm]程度の膜厚で形成されている。
The
ここで、ISSG酸化法とは、図14に示すように、半導体ウエハ24(シリコン基板1)が配置された成膜室(チャンバ)23の中に、H2(水素)及びO2(酸素)を直に導入し、成膜室23の中で水蒸気(H2O)を発生させて酸化膜を形成する方法である。
Here, the ISSG oxidation method, as shown in FIG. 14, includes H 2 (hydrogen) and O 2 (oxygen) in a film formation chamber (chamber) 23 in which a semiconductor wafer 24 (silicon substrate 1) is disposed. Is directly introduced and water vapor (H 2 O) is generated in the
図1(a)に示すように、シリコン基板1の主面上には、n型MISFET−Q1を覆うようにして、例えば酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜19が設けられている。n型半導体領域18上には、層間絶縁膜19の表面からn型半導体領域18に到達する接続孔20が設けられており、この接続孔20の内部には、導電性プラグ21が埋め込まれている。n型半導体領域18は、導電性プラグ21を介して、層間絶縁膜19上を延在する配線22と電気的に接続されている。導電性プラグ21は、例えば抵抗値を低減する不純物が導入されたポリシリコン膜で形成されている。
As shown in FIG. 1A, an
次に、半導体装置の製造について、図2乃至図13を用いて説明する。 Next, manufacturing of the semiconductor device will be described with reference to FIGS.
まず、半導体基板として、例えば比抵抗が10[Ωcm]程度のp型単結晶シリコンからなるシリコン基板1を準備し、その後、シリコン基板1の主面を熱酸化して厚さが5〜15[nm]程度の酸化シリコン膜からなるパッド酸化膜2を形成し、その後、パッド酸化膜2上に、酸化防止膜として例えば厚さが150[nm]程度の窒化シリコン膜3をCVD法で成膜し、その後、窒化シリコン膜3及びパッド酸化膜2を準備パターンニング(エッチング)して、シリコン基板1の主面の溝形成領域上における窒化シリコン膜3及びパッド酸化膜2を選択的に除去し、その後、シリコン基板1の主面の溝形成領域をエッチングして、図2に示すように、側壁面がシリコン基板1の主面に対して所定の角度を持つ溝4を形成する。パッド酸化膜2は、窒化シリコン膜3が直接シリコン主面に形成された場合にその表面に熱的歪みが残留し、結晶欠陥を引き起こすのを抑制するためのバッファ膜である。
First, as a semiconductor substrate, for example, a
次に、900℃〜1150℃範囲の酸化雰囲気中で溝4の側面及び底面を含む内面を熱酸化し、図3に示すように、溝4の内面に沿って厚さ数nm〜数十nmの酸化シリコン膜からなる熱酸化膜5を形成する。この熱酸化膜5の形成にはISSG法が好適である。
Next, the inner surface including the side surface and the bottom surface of the
次に、図4に示すように、溝4の内部を含むシリコン基板1の主面上に、絶縁膜として例えば酸化シリコン膜6をCVD法若しくはHDP(High Density Plasma)CVD法で成膜する。
Next, as shown in FIG. 4, for example, a
次に、酸化シリコン膜6が溝4の内部のみに残るように酸化シリコン膜6を例えばCMP(化学的機械研磨:Chemical Mechanical Polishing)法若しくはドライエッチング法で選択的に除去して平坦化する。この工程において、溝4の内部に酸化シリコン膜6が選択的に埋め込まれる。また、この工程において、酸化防止膜として用いた窒化シリコン膜3はエッチングストッパーとなり、窒化シリコン膜3下のシリコン基板1がエッチングされることを防止する働きを持つ。
Next, the
次に、900℃〜1150℃の窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、酸化雰囲気中で熱処理を施して、溝4の内部における酸化シリコン膜6をデンシファイ(焼き締め)し、その後、窒化シリコン膜3及びパッド酸化膜2を除去する。この工程により、図5に示すように、シリコン基板1の主面に形成された溝4、溝4の内面に沿って形成された熱酸化膜5、及び熱酸化膜5を介して溝4に埋め込まれた酸化シリコン膜6を含む素子分離領域1aが形成され、この素子分離領域1aによって素子形成領域1sが区画される。なお、溝4に埋め込まれた酸化シリコン膜6を埋込み酸化膜6と呼ぶこともある。
Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere of 900 ° C. to 1150 ° C., an argon atmosphere, and an oxidizing atmosphere to densify the
次に、シリコン基板1の表面(主面)を900〜1100℃の酸化雰囲気中で熱処理して膜厚が約10[nm]程度の熱酸化膜を形成し、その後、前記熱酸化膜をバッファ層として使用して、ドーズ量が1E13(1×1013[atoms/cm2])程度の条件で不純物(例えば隣(P))をイオン注入してp型ウエル領域7を形成する。前記バッファ層はパッド酸化膜2で代用してもかまわない。しかし、新たな酸化膜が形成されることで、この後に形成されるゲート絶縁膜の電気的信頼性が向上する場合があるので、パッド酸化膜2を除去して新たな熱酸化膜を形成するのが好ましい。この場合の酸化方法はISSG酸化法がSTI応力低減の観点から好ましい。その後、前記熱酸化膜(バッファ層)を希釈したHFにより除去する。
Next, the surface (main surface) of the
次に、図6に示すように、シリコン基板1の主面の素子形成領域1sに、熱酸化膜8及び熱酸化膜9を含むゲート絶縁膜10を形成する。ゲート絶縁膜10の形成は、まず、ISSG酸化法を使用し、約1050℃程度のISSG酸化雰囲気中(H2濃度5%)でシリコン基板1の主面の素子形成領域を酸化して熱酸化膜8を形成し、その後、例えばウエット酸化法を使用し、850℃〜950℃のウエット酸化雰囲気中でシリコン基板1の主面の素子形成領域を酸化して熱酸化膜9を形成することによって行う。本実施例1において、熱酸化膜8は、例えば約10[nm]程度の膜厚で形成し、熱酸化膜9は、例えば約15[nm]程度の膜厚で形成し、トータルで約25[nm]程度のゲート絶縁膜10を形成する。熱酸化膜9は、図6に示すように、シリコン基板1と熱酸化膜8との間に形成される。
Next, as shown in FIG. 6, a
次に、図7に示すように、シリコン基板1の主面の素子形成領域上に、ゲート絶縁膜10を介在してゲート電極13を形成する。ゲート電極13は、例えば、ゲート絶縁膜10上を含むシリコン基板1上の全面にポリシリコン膜11をCVD法で成膜し、その後、ポリシリコン膜11上にタングステン膜12をスパッタ法で成膜し、その後、タングステン膜12上に絶縁膜として窒化シリコン膜14をCVD法で成膜し、その後、これらの膜を順次パターンニングすることによって形成される。ポリシリコン膜11には、抵抗値を低減する不純物が導入されている。
Next, as shown in FIG. 7, the
次に、酸素雰囲気中で熱処理してシリコン基板1の主面の素子形成領域1sに例えば3〜10[nm]程度の膜厚の熱酸化膜(酸化シリコン膜)15を形成し、その後、熱酸化膜15をバッファ層として使用し、シリコン基板1の主面の素子形成領域に不純物(例えば砒素(As))をイオン注入して、図8に示すように、ゲート電極13に整合した一対のn型半導体領域(エクステンション領域)16を形成する。不純物イオン注入は、例えば、加速エネルギーが30〜50KeV程度、ドーズ量が1E13(1×1013([atoms/cm2])の条件で行う。
Next, a thermal oxide film (silicon oxide film) 15 having a film thickness of, for example, about 3 to 10 [nm] is formed in the
次に、ゲート電極13の側壁に例えば窒化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ17を形成する。サイドウォールスペーサ17は、シリコン基板1の主面上の全面に、絶縁膜として例えば窒化シリコン膜をCVD法で形成し、その後、窒化シリコン膜にRIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングを施すことによって形成される。サイドウォールスペーサ17は、ゲート電極13に整合して形成される。
Next,
次に、シリコン基板1の主面の素子形成領域に不純物(例えば砒素(As))をイオン注入して、図10に示すように、サイドウォールスペーサ17に整合した一対のn型半導体領域(コンタクト領域)18を形成する。不純物イオン注入は、例えば、加速エネルギーが30〜50KeV程度、ドーズ量が5E14(5×1014([atoms/cm2])〜3E15(5×1015([atoms/cm2])の条件で行う。この工程により、n型MISFET−Q1がほぼ完成する。
Next, an impurity (for example, arsenic (As)) is ion-implanted into the element formation region on the main surface of the
次に、n型MISFET−Q1上を含むシリコン基板1上の全面に、例えば酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜19をCVD法で成膜し、その後、図11に示すように、層間絶縁膜19の表面を例えばCMP法で平坦化する。
Next, an
次に、異方性のドライエッチングにより、層間絶縁膜19を部分的に除去して、図12に示すように、n型半導体領域18上に接続孔20を形成する。
Next, the
次に、接続孔20の内部に金属やポリシリコン等の導電物を埋め込んで、図13に示すように導電性プラグ13を形成し、その後、層間絶縁膜19上に配線21を形成する。この工程により、図1に示す構造となる。
Next, a conductive material such as metal or polysilicon is buried in the
次に、本発明の作用効果について説明する。
結晶欠陥の多くはこれまでの経験から、基板上に素子分離領域が形成され、素子形成領域にゲート構造が形成されている場合で、さらにシリコン基板に砒素やりんなど不純物が高濃度で打ち込まれた場合に発生しやすいことが分かっている。これは、不純物をシリコン基板に打ち込むと打ち込んだ原子によりシリコン基板表面がアモルファス状態となり、その後の熱処理により、このアモルファス層が下地のシリコン基板の原子配列にならい結晶化する。結晶欠陥はこの結晶化の際に外部からの力(応力)が作用した場合に、結晶配列が乱れて発生するものと考えられる。すなわち外部の応力が結晶欠陥を誘発していると考えられる。そのため外部の応力を低減することができれば再結晶化がスムーズに進行し、結晶欠陥を低減できると考えられる。外部応力として、ゲート電極の応力のほかに主なものとしてSTI応力が考えられる。このSTI応力のメカニズムは以下の通りである(図15参照)。
Next, the function and effect of the present invention will be described.
Many crystal defects are based on experience so far when an element isolation region is formed on a substrate and a gate structure is formed in the element formation region. Further, impurities such as arsenic and phosphorus are implanted at a high concentration into the silicon substrate. It is known that it is likely to occur when This is because when an impurity is implanted into the silicon substrate, the surface of the silicon substrate becomes amorphous due to the implanted atoms, and the subsequent heat treatment causes the amorphous layer to crystallize in accordance with the atomic arrangement of the underlying silicon substrate. It is considered that crystal defects occur when crystal forces are disturbed when an external force (stress) is applied during crystallization. That is, it is considered that external stress induces crystal defects. Therefore, it is considered that if external stress can be reduced, recrystallization proceeds smoothly and crystal defects can be reduced. As the external stress, STI stress can be considered as the main stress in addition to the stress of the gate electrode. The mechanism of this STI stress is as follows (see FIG. 15).
トランジスタ形成過程では多くのシリコン基板酸化工程が存在する。そのため、酸化種となる酸素は溝4の内部における埋込み酸化膜6を通して拡散し、溝4の側壁にも酸化膜が成長する。Siから酸化膜(SiO2)変化時に約2倍の体積膨張が生じ、この体積膨張が埋込み酸化膜6によって拘束を受ける。この拘束による反力の影響でシリコン基板1中の素子形成領域1sに高い圧縮応力が生じる。この圧縮の応力をSTI応力という。
There are many silicon substrate oxidation processes in the transistor formation process. Therefore, oxygen that becomes an oxidizing species diffuses through the buried
STI応力は溝4側壁の酸化が原因なので溝4側壁の酸化量を減少することができればSTI応力を減少できると考えられる。一般的にゲート絶縁膜形成に用いられているウエット酸化法は酸化膜中の酸化種の拡散レートが早いために、多くの酸化種が溝4の側壁や溝底に到達する。そのため、高いSTI応力を誘発する。
Since the STI stress is caused by oxidation of the side wall of the
一方、ISSG酸化法では酸化時間を多くしても約15[nm]以上の酸化膜厚の形成は比較的困難である。すなわち、ISSG酸化法では溝4の側壁の酸化量が従来のウエット酸化法に比べ小さくできる。このことから、半導体製造過程においてすべての酸化膜の形成をISSG酸化法とするとSTI応力はかなり減少するものと考えられる。しかし、入出力回路のような周辺回路においてはゲート電圧の関係からゲート絶縁膜を15[nm]以上の膜厚で形成しなくてはならない場合がある。この場合には、約15[nm]以上の酸化膜厚の形成が困難であるISSG酸化法は適用できない。そのため、例えばゲート絶縁膜を25[nm]の厚さで形成する場合に、ISSG酸化法で膜厚が10〜15[nm]程度の酸化膜を形成し、その後にウエット酸化法で酸化膜を形成して、トータルの膜厚が25[nm]の酸化膜を形成するようにする。
On the other hand, in the ISSG oxidation method, it is relatively difficult to form an oxide film thickness of about 15 [nm] or more even if the oxidation time is increased. That is, in the ISSG oxidation method, the amount of oxidation on the side wall of the
図16に、この効果の様子を酸化応力シミュレータを用いて解析した結果を示す。 FIG. 16 shows the result of analysis of this effect using an oxidation stress simulator.
ゲート絶縁膜厚25[nm]を、ISSG酸化10[nm]+ウエット(Wet)酸化16[nm]と、ウエット(wet)酸化のみ25[nm]とした場合を比較した。図16より、STI応力はゲート絶縁膜の形成をISSG酸化+wet酸化とすることで約200MPa程度減少することがわかる。この効果はWet酸化をドライ(dry)酸化に変えても同じ効果が得られるが、一般的にdry酸化法で形成したゲート絶縁膜の電気的信頼性はwet酸化に比べ悪いので、wet酸化法で行なうことが好ましい。また、言うまでもないが25[nm]の酸化膜のほとんどをISSG酸化で行なった方がSTI応力は減少する。ただし、ISSG酸化条件のH2濃度を大きくするとゲート絶縁膜の電気的信頼性が悪くなるので、H2濃度は33%以下、好ましくは20%以下、実用的には10%以下が好ましい。 The case where the gate insulating film thickness 25 [nm] was set to ISSG oxidation 10 [nm] + wet oxidation 16 [nm] and only wet oxidation 25 [nm] was compared. FIG. 16 shows that the STI stress is reduced by about 200 MPa by forming the gate insulating film by ISSG oxidation + wet oxidation. This effect can be obtained by changing the wet oxidation to dry oxidation. However, the electrical reliability of the gate insulating film formed by the dry oxidation method is generally lower than that of the wet oxidation. Is preferable. Needless to say, the STI stress decreases when most of the oxide film of 25 [nm] is subjected to ISSG oxidation. However, if the H 2 concentration in the ISSG oxidation condition is increased, the electrical reliability of the gate insulating film is deteriorated. Therefore, the H 2 concentration is preferably 33% or less, preferably 20% or less, and practically 10% or less.
周辺回路のゲート酸化膜厚を約25[nm](厚膜ゲート酸化膜)、論理回路やメモリ回路のゲート酸化膜厚を約8[nm](薄膜ゲート酸化膜)とした2種ゲートプロセスがある。この場合の形成方法は一般的に、シリコン基板表面を約20[nm]酸化させて、その後、薄膜ゲート酸化膜形成領域の厚膜ゲート酸化膜を除去し、薄膜ゲート酸化膜を8[nm]形成して、厚膜ゲート酸化膜25[nm]、薄膜ゲート酸化膜8[nm]を形成する。このような2種ゲート酸化膜を形成する場合でも本方法は有効である。はじめに、ISSG酸化法で10〜15[nm]の酸化膜を形成し、後に、wet酸化法で数nmの酸化膜を形成して、厚膜ゲート酸化膜と薄膜ゲート酸化膜を形成する。 There are two types of gate processes in which the gate oxide film thickness of the peripheral circuit is about 25 [nm] (thick film gate oxide film) and the gate oxide film thickness of the logic circuit and memory circuit is about 8 [nm] (thin film gate oxide film). is there. In general, the formation method in this case oxidizes the surface of the silicon substrate by about 20 [nm], and then removes the thick gate oxide film in the thin film gate oxide film formation region to form the thin film gate oxide film at 8 [nm]. Then, a thick gate oxide film 25 [nm] and a thin gate oxide film 8 [nm] are formed. This method is effective even when such a two-type gate oxide film is formed. First, an oxide film of 10 to 15 [nm] is formed by the ISSG oxidation method, and later, an oxide film of several nm is formed by the wet oxidation method to form a thick gate oxide film and a thin gate oxide film.
酸化膜の成長はSi/SIO2界面から成長するので、この場合の厚膜ゲート酸化膜の構成はSi基板表面から順にwet酸化膜、ISSG酸化膜となる。ISSG酸化膜の密度は他の酸化膜にくらべ高緻密であることがX線反射率測定法(GIXR)より明らかになっているので、この方法で密度を調べることにより、ゲート酸化膜形成をISSG酸化+wet酸化方式で行なっているかどうか判断できる。 Since the oxide film grows from the Si / SIO 2 interface, the thick gate oxide film in this case has a wet oxide film and an ISSG oxide film in this order from the Si substrate surface. Since the density of the ISSG oxide film is higher than that of other oxide films, it has been clarified by the X-ray reflectometry (GIXR). By examining the density by this method, the formation of the gate oxide film can be improved. It can be determined whether or not the oxidation + wet oxidation method is used.
STIの応力を低減させる方法として、図2に示すパッド酸化膜(熱酸化膜)2を形成した後にNOガス中で熱処理を行い、シリコン基板1とパッド酸化膜2界面にオキシナイトライドを形成する方法、また、窒素プラズマにさらして、パッド酸化膜2表面に酸窒化物を形成する方法、ゲート電極13を形成してSTI(溝型素子分離領域)を形成する方法等がある。これらの方法は、酸素の拡散を抑制して、又は、酸化量を低減してSTI応力を低減するものであるが、完全にはSTI応力をゼロとはできないので、これらを行った場合でも本方法は有効である。すなわち、STI起因で生じる応力が存在する場合、本方法は有効である。
As a method for reducing the stress of STI, heat treatment is performed in NO gas after forming the pad oxide film (thermal oxide film) 2 shown in FIG. 2 to form oxynitride at the interface between the
STI応力は酸化工程が多く、酸化量も多い、フラッシュメモリで大きくなる。そのため、本方法はフラッシュメモリで特に有効である。また、STI応力はSTI幅(溝幅w:図15参照)が0.2[μm]以下で急増する。そのため、本方法は特に0.2[μm]以下のSTI幅w(溝型素子分領域の幅)を保有する半導体装置で有効である。さらに、シリコン基板1中の結晶欠陥は不純物を打ち込まない場合でもSTI応力が大きくなると発生する。そのため、高濃度で不純物を打ち込まない半導体装置でも本方法は有効である。ISSG酸化法では15[nm]程度以上の良質な酸化膜形成が困難であるので、ゲート絶縁膜の膜厚が15[nm]以上の場合に特に有効である。
The STI stress increases in a flash memory having many oxidation steps and a large amount of oxidation. Therefore, this method is particularly effective for flash memory. The STI stress increases rapidly when the STI width (groove width w: see FIG. 15) is 0.2 [μm] or less. For this reason, this method is particularly effective for a semiconductor device having an STI width w (width of a trench type element region) of 0.2 [μm] or less. Furthermore, crystal defects in the
ゲート絶縁膜を形成するのに、熱酸化膜の上にCVD酸化膜(CVD法で成膜した酸化膜)を堆積したスタック型の酸化膜が存在する。この方法においても、CVD酸化膜は溝内部を酸化しないため、STI応力低減が図れる。しかし、この方法ではゲート絶縁膜の電気的な信頼性がISSG酸化法やwet酸化法に比べて悪くなるので、ISSG酸化+wet酸化方式はこの点で優れている。 In order to form the gate insulating film, there is a stack type oxide film in which a CVD oxide film (an oxide film formed by a CVD method) is deposited on a thermal oxide film. Also in this method, since the CVD oxide film does not oxidize the inside of the groove, the STI stress can be reduced. However, in this method, the electrical reliability of the gate insulating film is deteriorated as compared with the ISSG oxidation method and the wet oxidation method, so the ISSG oxidation + wet oxidation method is superior in this respect.
このように、本実施例1によれば、溝型の素子分離領域1aで区画されたシリコン基板1の主面の素子形成領域1sにおける結晶欠陥の発生を抑制することができる。
Thus, according to the first embodiment, it is possible to suppress the occurrence of crystal defects in the
また、シリコン基板1の主面の素子形成領域1sにおける結晶欠陥の発生を抑制することができるため、n型MISFET−Q1を有する半導体装置の高性能化を図ることができる。
In addition, since generation of crystal defects in the
本実施例2では、ゲート耐圧が異なる2水準のMISFETを有する半導体装置に本発明を適用した例について説明する。 In the second embodiment, an example in which the present invention is applied to a semiconductor device having two levels of MISFETs having different gate breakdown voltages will be described.
図17乃至図20は、本発明の実施例2である半導体装置に係わる図であり、
図17は、半導体装置に搭載されたMISFETの概略構成を示す模式的断面図、
図18乃至図20は、半導体装置の製造工程を示す模式的断面図である。
17 to 20 are diagrams related to a semiconductor device which is
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a MISFET mounted on a semiconductor device;
18 to 20 are schematic cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device.
図17に示すように、本実施例1の半導体装置は、半導体基板として例えばp型の単結晶シリコンからなるシリコン基板1を主体に構成されている。
As shown in FIG. 17, the semiconductor device according to the first embodiment is mainly configured by a
シリコン基板1の主面(素子形成面,回路形成面)は、素子分離領域(非活性領域)1aによって区画された素子形成領域(活性領域)1m及び1nを有し、素子形成領域1mには、p型ウエル領域7及びn型MISFET−Q1が形成され、素子形成領域1nには、p型ウエル領域7a及びn型MISFET−Q2が形成されている。
The main surface (element formation surface, circuit formation surface) of the
n型MISFET−Q1とQ2は、ゲート耐圧が異なっている。n型MISFET−Q1は、例えば10〜12[V]の電源電圧で駆動する高耐圧MISFETであり、n型MISFET−Q2は、例えば1.8[V]或いは3.3[V]の電源電圧で駆動する低耐圧MISFETである。n型MISFET−Q2は、基本的にn型MISFET−Q1と同様の構成になっているが、ゲート絶縁膜25がn型MISFET−Q1のゲート絶縁膜10よりも薄い膜厚で形成され、チャネル長(ゲート長)がMISFET−Q1よりも狭くなっている。本実施例2において、n型MISFET−Q1のゲート絶縁膜10は、例えば25[nm]程度の膜厚で形成され、n型MISFET−Q2のゲート絶縁膜25は、例えば15[nm]程度の膜厚で形成されている。
The n-type MISFETs Q1 and Q2 have different gate breakdown voltages. The n-type MISFET-Q1 is a high voltage MISFET that is driven by a power supply voltage of 10 to 12 [V], for example, and the n-type MISFET-Q2 is a power supply voltage of 1.8 [V] or 3.3 [V], for example. It is a low breakdown voltage MISFET driven by The n-type MISFET-Q2 has basically the same configuration as the n-type MISFET-Q1, but the
n型MISFET−Q1のゲート絶縁膜10は、図20に示すようにISSG酸化法で形成された熱酸化膜8と、例えばウエット酸化法で形成された熱酸化膜9とを含む構成になっている。n型MISFET−Q2のゲート絶縁膜25は、例えばウエット酸化法で形成された熱酸化膜9からなる。
As shown in FIG. 20, the
次に、厚さが異なるゲート絶縁膜の形成について、図18乃至図20を用いて説明する。 Next, formation of gate insulating films having different thicknesses will be described with reference to FIGS.
まず、前述の実施例1と同様の方法で、素子分離領域1a及びp型ウエル領域(7,7a)を形成した後、ISSG酸化法を使用し、約1050℃程度のISSG酸化雰囲気中(H2濃度5%)でシリコン基板1に熱処理を施して、図18に示すように、シリコン基板1の主面の素子形成領域(1m,1n)に熱酸化膜8を形成する。
First, after forming the
次に、図19に示すように、素子形成領域1nの熱酸化膜8を選択的に除去し、その後、例えばウエット酸化法を使用し、850℃〜950℃のウエット酸化雰囲気中でシリコン基板1に熱処理を施して、図20に示すように、シリコン基板1の主面の素子形成領域(1m,1n)に熱酸化膜9を形成する。この工程により、素子形成領域1mに、熱酸化膜8及び熱酸化膜9からなるゲート絶縁膜10が形成され、素子形成領域1nに、熱酸化膜9からなるゲート絶縁膜25が形成される。
Next, as shown in FIG. 19, the thermal oxide film 8 in the
この後、前述の実施例1と同様の工程を施して、ゲート電極13、n型半導体領域16、サイドウォールスペーサ17、n型半導体領域18等を形成することにより、図17に示す構造となる。
Then, the structure shown in FIG. 17 is obtained by forming the
このように、本実施例2においても、前述の実施例1と同様に、溝型の素子分離領域1aで区画されたシリコン基板1の主面の素子形成領域(1m,1n)における結晶欠陥の発生を抑制することができる。
As described above, also in the second embodiment, as in the first embodiment, the crystal defects in the element formation regions (1m, 1n) on the main surface of the
また、シリコン基板1の主面の素子形成領域(1m,1n)における結晶欠陥の発生を抑制することができるため、ゲート耐圧が異なるn型MISFET−Q1及びQ2を有する半導体装置の高性能化を図ることができる。
Further, since the generation of crystal defects in the element formation region (1m, 1n) on the main surface of the
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Of course.
例えば、前述の実施例1及び2では、nチャネル導電型のMISFETを有する半導体装置に本発明を適用した例について説明したが、本発明は、pチャネル導電型のMISFETを有する半導体装置、並びにnチャネル導電型のMISFET及びpチャネル導電型のMISFET(相補型MISFET)を有する半導体装置に適用することができる。 For example, in the first and second embodiments, the example in which the present invention is applied to a semiconductor device having an n-channel conductivity type MISFET has been described. However, the present invention relates to a semiconductor device having a p-channel conductivity type MISFET, and n The present invention can be applied to a semiconductor device having a channel conductivity type MISFET and a p channel conductivity type MISFET (complementary MISFET).
1…シリコン基板、1a…素子分離領域、1m,1n,1s…素子形成領域、2…パッド酸化膜、3…窒化シリコン膜、4…溝、5…熱酸化膜、6…酸化シリコン膜(埋込み酸化膜)、7,7a…p型ウエル領域、8,9…熱酸化膜、10…ゲート絶縁膜、11…ポリシリコン膜、12…タングステン膜、13…ゲート電極、14…窒化シリコン膜、15…熱酸化膜、16…n型半導体領域、17…サイドウォールスペーサ、18…n型半導体領域、19…層間絶縁膜、20…接続孔、21…導電性プラグ、22…配線、23…成膜室、24…半導体ウエハ、25…ゲート絶縁膜、Q1,Q2…MISFET。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記素子分離領域で区画された前記半導体基板の主面にゲート絶縁膜を形成する工程とを有し、
前記ゲート絶縁膜形成工程は、前記半導体基板の主面にISSG酸化法で第1の酸化膜を形成する工程と、前記半導体基板の主面にその他の酸化法で第2の酸化膜を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a trench in the main surface of the semiconductor substrate, and then embedding an insulating film in the trench to form an element isolation region;
Forming a gate insulating film on the main surface of the semiconductor substrate partitioned by the element isolation region,
In the gate insulating film forming step, a first oxide film is formed on the main surface of the semiconductor substrate by an ISSG oxidation method, and a second oxide film is formed on the main surface of the semiconductor substrate by another oxidation method. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step.
前記その他の酸化法は、ウエット酸化法又はドライ酸化法であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the other oxidation method is a wet oxidation method or a dry oxidation method.
前記第1の酸化膜は、前記第2の酸化膜よりも先に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first oxide film is formed before the second oxide film.
前記溝の幅は、0.2μm以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the groove has a width of 0.2 μm or less.
前記第1の酸化膜は、前記第2の酸化膜よりも膜厚が厚いことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first oxide film is thicker than the second oxide film.
前記ゲート絶縁膜の膜厚は、15[nm]以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the thickness of the gate insulating film is 15 [nm] or more.
前記素子分離領域で区画された前記半導体基板の主面上にゲート絶縁膜を介在してゲート電極が設けられた電界効果トランジスタとを有し、
前記ゲート絶縁膜は、ISSG酸化法で形成された第1の酸化膜と、その他の酸化法で形成された第2の酸化膜とを含むことを特徴とする半導体装置。 An element isolation region including a groove formed in a main surface of a semiconductor substrate and an insulating film embedded in the groove;
A field effect transistor having a gate electrode provided on a main surface of the semiconductor substrate partitioned by the element isolation region with a gate insulating film interposed therebetween;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film includes a first oxide film formed by an ISSG oxidation method and a second oxide film formed by another oxidation method.
前記第2の酸化膜は、ウエット酸化法又はドライ酸化法で形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
The semiconductor device, wherein the second oxide film is formed by a wet oxidation method or a dry oxidation method.
前記第2の酸化膜は、前記半導体基板と前記第1の酸化膜との間に形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
The semiconductor device, wherein the second oxide film is formed between the semiconductor substrate and the first oxide film.
前記第1の酸化膜は、前記第2の酸化膜よりも膜厚が厚いことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
The semiconductor device, wherein the first oxide film is thicker than the second oxide film.
前記ゲート絶縁膜の厚さは、[15]nm以上であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film has a thickness of [15] nm or more.
前記溝の幅は、0.2μm以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 7,
The width of the groove is 0.2 μm or less.
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| JP2007073657A (en) * | 2005-09-06 | 2007-03-22 | Elpida Memory Inc | Thick-film distribution control method and manufacturing method of semiconductor device |
| CN100583411C (en) * | 2006-06-13 | 2010-01-20 | 旺宏电子股份有限公司 | Method of forming isolation structures in a silicon substrate |
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2004
- 2004-10-28 JP JP2004313195A patent/JP2006128328A/en active Pending
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