JP2008166526A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トレンチの窪みを抑制し、かつＳＴＩの素子分離のための絶縁層の幅の制御性を確保することが可能な半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、半導体基板１０上に開口部２２を有する窒化シリコン膜１４を形成する工程と、窒化シリコン膜上および開口部の側面に酸化シリコン膜１５を形成する工程と、酸化シリコン膜をエッチングし、開口部の側面に側壁１６を形成する工程と、側壁および窒化シリコン膜をマスクに半導体基板にトレンチ２０を形成する工程と、トレンチ内に絶縁層を形成する工程と、を有する。そして、酸化シリコン膜の形成に、プラズマ酸化法またはラジカル酸化法を用いる半導体装置の製造方法である。
【選択図】図５

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に、ＳＴＩ法を用いた素子分離領域を有する半導体装置およびその製造方法に関する。

半導体装置の素子分離法として、高集積化を目的にＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法が用いられている。図１は従来例におけるＳＴＩ法による素子分離を説明するための断面図である。図１（ａ）を参照に、シリコン半導体基板１０上にパッド酸化膜１２および窒化シリコン膜１４を形成し、トレンチを形成すべき領域に開口部２２を設ける。図１（ｂ）を参照に、窒化シリコン膜１４をマスクに、半導体基板１０をエッチングし、半導体基板１０内にトレンチ２０を形成する。図１（ｃ）を参照に、トレンチ２０の内面の半導体基板１０を熱酸化法を用い酸化し、トレンチ酸化膜１８を形成する。図１（ｄ）を参照に、トレンチ２０内のトレンチ酸化膜１８上に絶縁膜３０として酸化シリコン膜を形成する。図２（ａ）を参照に、窒化シリコン膜１４を除去する。図２（ｂ）を参照に、全面エッチングしパッド酸化膜１２を除去する。この際、絶縁膜３０の上部もエッチングされる。これにより、トレンチ酸化膜１８と絶縁膜３０とより、トレンチ２０に埋め込まれた絶縁層３４が形成され、ＳＴＩが形成される。

従来例１においては、図１（ｃ）において、トレンチ酸化膜１８を形成する際に、窒化シリコン膜１４と半導体基板１０の界面のトレンチ２０側にバーズビークが生じてしまう。これにより、領域２４のようにトレンチ２０上部の半導体基板１０の面は傾斜してしまう。そして、図２（ｂ）のように、ＳＴＩの絶縁層３４が形成される際に、絶縁層３４の端部とバーズビークの発生しているトレンチ２０の端部が重なる。また、バッド酸化膜１２の除去は等方性エッチングを用いるため横方向のエッチングも進む。これらより、半導体基板１０と絶縁層３４とからなる窪み２６が発生してしまう。

従来例１において発生する窪み２６を抑制するため以下の技術が開示されている。特許文献１には、図１（ｃ）の後に、半導体基板１０をＨＦ(フッ酸)／グリセロールに浸漬させ、図３のように、窒化シリコン膜１４をサイドエッチングする技術が開示されている。また、特許文献２には、図１（ａ）の後に、窒化シリコン膜１４の開口部２２の側面にＣＶＤ法を用い酸化シリコン膜からなる側壁を形成する技術が開示されている。
特開平１１−１４５２７５号公報 米国特許５５２１４２２号明細書

特許文献１に開示されている技術においては、ＨＦ／グリセロールの窒化シリコン膜１４のエッチング速度は４．１ｎｍ／分と早く、例えば１０ｎｍをエッチングする時間は２．４分と非常に早い。このため、図３の窒化シリコン膜１４のサイドエッチング量Ｌ１は、ウェハ内や同時に処理したウェハ間でばらついてしまう。このように、窒化シリコン膜１４をサイドエッチングする方法は、窒化シリコン膜１４をサイドエッチングし後退させるため制御性が悪い。すなわち、窒化シリコン膜１４間の長さＬ２の制御性が悪いという課題がある。

一方、特許文献２に開示されている技術においては以下の課題がある。図１（ａ）において、窒化シリコン膜１４の開口部２２の側面は半導体基板１０の表面に対し垂直に形成されているように図示されているが、実際は、窒化シリコン膜１４を垂直にエッチングすることは難しい。よって、図４（ａ）のように、窒化シリコン膜１４の開口部２２の側面は半導体基板１０の表面に対し傾斜して形成されている。傾斜した窒化シリコン膜１４上にＣＶＤ法を用い酸化シリコン膜１５を形成すると、図４（ｂ）のように、開口部２２の側面には酸化シリコン膜１５が薄く形成されてしまう。よって、図４（ｃ）のように側壁１６の幅Ｌ３は薄くなってしまう。また、窒化シリコン膜１４の開口部２２の側面の半導体基板１０表面からの傾きは、ウェハ内やウェハ間で分布を有する。よって、開口部２２の側面の酸化シリコン膜１５の膜厚がばらついてしまう。さらに、ＣＶＤ法は酸化シリコン膜１５の成膜速度の分布が大きく、開口部２２の側面の酸化シリコン膜１５の膜厚は一層ばらついてしまう。よって、図４（ｃ）のように、側壁１６を形成した際、その幅Ｌ３のウェハ内およびウェハ間の分布が大きくなってしまう。すなわち、窒化シリコン膜１４間の距離Ｌ２の制御性が悪くなってしまう。

以上のように、特許文献１および特許文献２に開示された技術においては、窒化シリコン膜１４間の距離Ｌ２の制御性が悪い。窒化シリコン膜１４間の距離Ｌ２の制御性が悪いと、ＳＴＩの絶縁層３４の幅の制御性が悪くなってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、トレンチの窪みを抑制し、かつＳＴＩの絶縁層の幅の制御性を確保することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、半導体基板上に開口部を有する窒化シリコン膜を形成する工程と、前記窒化シリコン膜上および前記開口部の側面に酸化シリコン膜を形成する工程と、前記酸化シリコン膜をエッチングし、前記開口部の側面に側壁を形成する工程と、前記側壁および前記窒化シリコン膜をマスクに前記半導体基板にトレンチを形成する工程と、前記トレンチ内に絶縁層を形成する工程と、を有し、前記酸化シリコン膜を形成する工程は、プラズマ酸化法またはラジカル酸化法を用い、前記窒化シリコン膜を酸化する工程を含む半導体装置の製造方法である。本発明によれば、トレンチの窪みを抑制し、かつ絶縁層の幅の制御性を向上させることができる。

本発明は、半導体基板上に開口部を有する窒化シリコン膜および第１酸化シリコン膜を形成する工程と、前記第１酸化シリコン膜の上面および前記開口部の側面に第２酸化シリコン膜を形成する工程と、前記第１酸化シリコン膜を前記窒化シリコン膜上の前記第１酸化シリコン膜が残存するようにエッチングし、前記開口部の側面に側壁を形成する工程と、前記側壁および前記窒化シリコン膜をマスクに前記半導体基板にトレンチを形成する工程と、前記溝部内に絶縁層を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法である。本発明によれば、トレンチの窪みを抑制し、かつトレンチの幅や形状の制御性を向上させることができる。

上記構成において、前記第２酸化シリコン膜を形成する工程は、プラズマ酸化法またはラジカル酸化法を用い、前窒化シリコン膜を酸化する工程を含む半導体装置の製造方法とすることができる。この構成によれば、絶縁層の幅の制御性を向上させることができる。

上記構成において、前記半導体基板上にパッド酸化膜を形成する工程を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記側壁の膜厚は前記パッド酸化膜の膜厚より厚い構成とすることができる。この構成によれば、トレンチの窪みを効果的に抑制することができる。

上記構成において、前記トレンチの側面および底面を酸化する工程を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記絶縁層は素子分離のための絶縁膜である構成とすることができる。

本発明によれば、トレンチの窪みを抑制し、かつＳＴＩの素子分離のための絶縁層の幅の制御性を確保することが可能な半導体装置の製造方法を提供することできる。

以下、図面を参照に本発明の実施例を説明する。

図５（ａ）から図６（ｄ）を用い、実施例１に係る半導体装置の製造方法について説明する。図５（ａ）を参照に、シリコン半導体基板１０上に、厚さｔのパッド酸化膜１２を例えば熱酸化法を用い形成する。厚さｔとしては例えば３〜５ｎｍである。パッド酸化膜１２上に例えばＬＰ−ＣＶＤ法を用い窒化シリコン膜１４を形成する。窒化シリコン膜１４の膜厚は例えば１００ｎｍである。図５（ｂ）を参照に、窒化シリコン膜１４の所定領域を露光技術およびエッチング技術を用いエッチングし例えば幅が１００ｎｍの開口部２２を形成する。これにより、半導体基板１０上に開口部を有する窒化シリコン膜１４が形成される。

図５（ｃ）を参照に、プラズマ酸化法を用い、例えば４００℃の温度で、窒化シリコン膜１４の上面および開口部２２の側面に酸化シリコン膜１５を形成する。図５（ｄ）を参照に、酸化シリコン膜１５を全面エッチし、開口部２２の側面に例えば幅方向の膜厚Ｗが例えば１０ｎｍの側壁１６を形成する。窒化シリコン膜１４および側壁１６をマスクに半導体基板１０を例えば３００ｎｍエッチングしトレンチ２０を形成する。図５（ｅ）を参照に、トレンチ２０の側面および底面を熱酸化し、トレンチ酸化膜１８を形成する。

図６（ａ）を参照に、トレンチ２０内のトレンチ酸化膜１８および窒化シリコン膜１４上に、トレンチ２０が埋め込まれるように絶縁膜３１として酸化シリコン膜を例えば高密度プラズマ型のプラズマＣＶＤ法を用い形成する。図６（ｂ）を参照に、ＣＭＰ法を用い、窒化シリコン膜１４上の絶縁膜３１を研磨する。これにより、トレンチ２０内および側壁１６間に絶縁膜３０が形成される。図６（ｃ）を参照に、窒化シリコン膜１４を例えば燐酸を用い除去する。図６（ｄ）を参照に、例えばＨＦ水溶液を用い全面エッチングしパッド酸化膜１２を除去する。この際、絶縁膜３０の上部もエッチングされる。これにより、トレンチ酸化膜１８と絶縁膜３０とより、トレンチ２０に埋め込まれた絶縁層３４が形成され、ＳＴＩが形成される。

図７（ａ）は従来例１に係る製造方法で作製したＳＴＩ構造の半導体基板１０と絶縁層３４との境界付近のＳＥＭ画像の模式図である。半導体基板１０と絶縁層３４の境界付近の表面には深さ約１７．５ｎｍの窪みが形成されている。一方、図７（ｂ）は、実施例１に係る製造方法で作製されたＳＴＩ構造の半導体基板１０と絶縁層３４との境界付近のＳＥＭ画像の模式図である。半導体基板１０と絶縁層３４の境界付近の表面にはほとんど窪みが見られない。これは、図６（ｄ）のように、パッド酸化膜１２をエッチングする際、側壁１６によって、トレンチ２０の端部と絶縁層３４の端部がずれて形成されているためである。

図５（ｃ）において、酸化シリコン膜１５の形成をプラズマ酸化法を用いている。プラズマ酸化法は、窒化シリコン膜１４の側面と窒化シリコン膜上面とに均一に酸化シリコン膜１５を形成することができる。よって、窒化シリコン膜１４の開口部２２の側面の傾斜によって、特許文献２の技術のように側面の酸化シリコン膜１５の幅が分布することを抑制することができる。また、プラズマ酸化法を用いることによりＣＶＤ法に比べ窒化シリコン膜１５の膜厚の制御性を向上させることができる。よって、図６（ｄ）において、絶縁層３４の幅Ｌ３の制御性を向上させることができる。ラジカル酸化法も、窒化シリコン膜１４の側面と窒化シリコン膜上面に均一に酸化シリコン膜１５を形成することができる。よって、図５（ｃ）の酸化シリコン膜１５の形成に、プラズマ酸化法の代わりにラジカル酸化法を用いることもできる。プラズマ酸化法を用いた場合、窒化シリコン膜の酸化速度はシリコンの酸化速度の約７０％である。一方、ラジカル酸化法を用いた場合、窒化シリコン膜の酸化速度はシリコンの酸化速度の約３０％である。このように、プラズマ酸化法を用いる方が好ましい。

図６（ｄ）のパッド酸化膜１２のエッチングを実施例１のようにフッ酸水溶液を用いた場合、エッチングは等方性となる。そこで、図５（ａ）の側壁１６の幅方向の膜厚Ｗを図５（ａ）のパッド酸化膜１２の膜厚ｔより厚くする。これにより、従来例１の図２（ｂ）のように、絶縁層３４の端部とトレンチ２０の端部が重なり窪み２６が形成されることをより抑制することができる。

実施例２は窒化シリコン膜１４上に第１酸化シリコン膜２８を形成する例である。図８（ａ）から図９（ｄ）を用い、実施例２に係る半導体装置の製造方法について説明する。図８（ａ）を参照に、半導体基板１０上に実施例１の図５（ａ）と同様にパッド酸化膜１２および窒化シリコン膜１４を形成した後、窒化シリコン膜１４上に例えばＣＶＤ法またはプラズマ酸化法を用い第１酸化シリコン膜２８を形成する。図８(ｂ)を参照に、第１酸化シリコン膜２８および窒化シリコン膜１４に開口部２２を設ける。図８(ｃ)を参照に、窒化シリコン膜１４の開口部２２の側面をプラズマ酸化法を用い酸化し第２酸化シリコン膜２９を形成する。このとき、窒化シリコン膜１４上の第１酸化シリコン膜２８および開口部２２の底面のパッド酸化膜１２の膜厚も若干厚くなる。図８（ｄ）を参照に、全面を窒化シリコン膜１４上に第１酸化シリコン膜２８が残存するように異方性エッチングし、窒化シリコン膜１４の開口部２２の側面に、第２酸化シリコン膜２９より側壁１６ａを形成する。このように側壁１６ａを形成することにより、側壁１６ａの側面をより垂直に形成することができる。

図９（ａ）を参照に、第１酸化シリコン膜２８をマスクに半導体基板１０内にトレンチ２０を形成する。図９（ｂ）を参照に、実施例１の図５（ｄ）から図６（ｂ）と同様に、トレンチ２０内に絶縁膜３０を形成する。このとき、第１酸化シリコン膜２８は研磨の際、除去される。図９（ｃ）を参照に、実施例１の図６（ｃ）および図６（ｄ）と同様に、窒化シリコン膜１４およびパッド酸化膜１２を除去し、トレンチ２０内に絶縁層３４を形成する。

実施例２によれば、図８（ｄ）のように、窒化シリコン膜１４上に第１酸化シリコン膜２８が残存するように側壁１６ａを形成している。これにより、実施例１に比べ、側壁１６ａの側面を半導体基板１０に対し垂直に形成することができる。側壁１６の側面が傾斜していると、図９（ａ）の半導体基板１０をエッチングしてトレンチ２０を形成する際、トレンチ２０の幅や形状の制御性が悪くなる。実施例２においては、側壁１６ａの側面が垂直なため、トレンチ２０の幅や形状の制御性を向上させることができる。

図８（ｃ）における第２酸化シリコン膜２９の形成は、ＣＶＤ法等を用いた場合も、実施例２と同様に、トレンチ２０の幅や形状の制御性を向上させることができる。しかしながら、実施例１と同様に、プラズマ酸化法またはラジカル酸化法を用いることにより、絶縁層３４の幅の制御性を向上させることができる

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１（ａ）から図１（ｄ）は従来例１に半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は従来例１に半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。 図３は特許文献１に係る半導体装置の製造方法の課題を説明するための断面図である。 図４（ａ）から図４（ｃ）は特許文献２に係る半導体装置の製造方法の課題を説明するための断面図である。 図５（ａ）から図５（ｅ）は実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図６（ａ）から図６（ｄ）は実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。 図７（ａ）は従来例１に係る半導体装置の製造方法で製造した半導体装置の断面のＳＥＭ画像の模式図である。図７（ｂ）は実施例１に係る半導体装置の製造方法で製造した半導体装置の断面のＳＥＭ画像の模式図である。 図８（ａ）から図８（ｄ）は実施例２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図９（ａ）から図９（ｃ）は実施例２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。

符号の説明

１０ 半導体基板
１２ パッド酸化膜
１４ 窒化シリコン膜
１５ 酸化シリコン膜
１６ 側壁
１８ トレンチ酸化膜
２０ トレンチ
２２ 開口部
２８ 第１酸化シリコン膜
２９ 第２酸化シリコン膜
３０ 絶縁膜
３１ 絶縁膜
３４ 絶縁層

Claims (7)

1. 半導体基板上に開口部を有する窒化シリコン膜を形成する工程と、
   前記窒化シリコン膜上および前記開口部の側面に酸化シリコン膜を形成する工程と、
   前記酸化シリコン膜をエッチングし、前記開口部の側面に側壁を形成する工程と、
   前記側壁および前記窒化シリコン膜をマスクに前記半導体基板にトレンチを形成する工程と、
   前記トレンチ内に絶縁層を形成する工程と、を有し、
   前記酸化シリコン膜を形成する工程は、プラズマ酸化法またはラジカル酸化法を用い、前記窒化シリコン膜を酸化する工程を含む半導体装置の製造方法。
2. 半導体基板上に開口部を有する窒化シリコン膜および第１酸化シリコン膜を形成する工程と、
   前記第１酸化シリコン膜の上面および前記開口部の側面に第２酸化シリコン膜を形成する工程と、
   前記第１酸化シリコン膜を前記窒化シリコン膜上の前記第１酸化シリコン膜が残存するようにエッチングし、前記開口部の側面に側壁を形成する工程と、
   前記側壁および前記窒化シリコン膜をマスクに前記半導体基板にトレンチを形成する工程と、
   前記溝部内に絶縁層を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法。
3. 前記第２酸化シリコン膜を形成する工程は、プラズマ酸化法またはラジカル酸化法を用い、前窒化シリコン膜を酸化する工程を含む請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記半導体基板上にパッド酸化膜を形成する工程を有する請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記側壁の膜厚は前記パッド酸化膜の膜厚より厚い請求項４記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記トレンチの側面および底面を酸化する工程を有する請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記絶縁層は素子分離のための絶縁膜である請求項１から６のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
   
   

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