JP2011151241A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】分離トレンチ部分に発生する熱応力を緩和することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決方法】SOI層20の表面に酸化膜30を形成する工程を備える。酸化膜30の表面に窒化膜40を形成する工程を備える。分離トレンチ領域R2内のSOI層20、酸化膜30、窒化膜40を除去し、第1トレンチ52を形成する工程を備える。第1トレンチ52の側壁に露出しているSOI層20を熱酸化することで、第1トレンチ52を幅狭第1トレンチ52aに変化させると共に、内部が熱酸化膜60により充填されている分離トレンチ領域R2を形成する工程を備える。窒化膜40を除去する工程を備える。アモルファスシリコン層70を形成することで、幅狭第1トレンチ52aの開口部をアモルファスシリコン層により閉塞する工程を備える。アモルファスシリコン層70を、熱酸化により熱酸化膜71へ変質させる工程を備える。
【選択図】図7A method of manufacturing a semiconductor device capable of relieving thermal stress generated in an isolation trench is provided.
A step of forming an oxide film 30 on the surface of an SOI layer 20 is provided. A step of forming a nitride film 40 on the surface of the oxide film 30 is provided. A step of removing the SOI layer 20, the oxide film 30, and the nitride film 40 in the isolation trench region R2 to form a first trench 52 is provided. The SOI layer 20 exposed on the side wall of the first trench 52 is thermally oxidized to change the first trench 52 to the narrow first trench 52a and the inside is filled with the thermal oxide film 60. Forming a region R2. A step of removing the nitride film 40 is provided. The step of closing the opening of the narrow first trench 52a with the amorphous silicon layer by forming the amorphous silicon layer 70 is provided. There is a step of transforming the amorphous silicon layer 70 into a thermal oxide film 71 by thermal oxidation.
[Selection] Figure 7
Description
本願は、半導体基板に素子領域と素子分離領域が形成されている半導体装置の製造方法に関する。 The present application relates to a method of manufacturing a semiconductor device in which an element region and an element isolation region are formed on a semiconductor substrate.
トレンチによる素子分離を行なう方法として、シリコン基板にトレンチ(溝)を形成し、形成したトレンチに酸化シリコン膜を埋め込む方法が知られている。特許文献1には、トレンチ形成後にトレンチの側壁を熱酸化することで、トレンチ内部を熱酸化シリコン膜で充填する方法が開示されている。 As a method of performing element isolation by a trench, a method of forming a trench (groove) in a silicon substrate and embedding a silicon oxide film in the formed trench is known. Patent Document 1 discloses a method of filling the inside of a trench with a thermally oxidized silicon film by thermally oxidizing the sidewall of the trench after the trench is formed.
酸化シリコンは、シリコンより熱膨張係数が小さい。このため、トレンチ内部が酸化シリコン膜で埋め込まれている構造では、半導体装置形成プロセスでの熱処理過程において、熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力により、弾性変形しやすいシリコン側に歪みが発生する場合がある。シリコンに歪みが発生すると、歪みを緩和するためにシリコンに転位等の結晶欠陥が発生し、素子特性が劣化するおそれがある。 Silicon oxide has a smaller coefficient of thermal expansion than silicon. For this reason, in the structure in which the inside of the trench is embedded with a silicon oxide film, it is distorted on the silicon side that is easily elastically deformed due to thermal stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient during the heat treatment process in the semiconductor device formation process. May occur. When strain is generated in silicon, crystal defects such as dislocations are generated in the silicon to alleviate the strain, and there is a possibility that device characteristics are deteriorated.
本願の技術は、上記の問題を解決するために創案された。すなわち、本願は、半導体基板に素子形成領域と素子分離領域が形成されている半導体装置の製造方法において、分離トレンチ部分に発生する熱応力を緩和することが可能な技術を提供する。 The technology of the present application has been developed to solve the above problems. That is, the present application provides a technique capable of relieving thermal stress generated in an isolation trench portion in a method for manufacturing a semiconductor device in which an element formation region and an element isolation region are formed on a semiconductor substrate.
本願に開示される半導体装置の製造方法は、半導体基板に素子分離領域が形成されている半導体装置の製造方法である。この半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程を備える。また、酸化膜の表面に窒化膜を形成する窒化膜形成工程を備える。また、素子分離領域内の半導体基板、酸化膜、および窒化膜を除去することにより、第1トレンチを形成する第1のトレンチ形成工程を備える。また、第1トレンチの側壁に露出している半導体基板を熱酸化により第1熱酸化膜に変質させることで、第1トレンチの幅を狭くすると共に、第1トレンチを除いてその内部が第1熱酸化膜により充填されている分離トレンチを形成する第1熱酸化工程を備える。また、窒化膜を除去する窒化膜除去工程を備える。また、窒化膜を除去した後の半導体基板の表面にアモルファスシリコン層を形成することで、第1トレンチの開口部をアモルファスシリコン層により閉塞するアモルファスシリコン層形成工程を備える。また、アモルファスシリコン層を熱酸化により第2熱酸化膜へ変質させる第2熱酸化工程を備える。 The method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present application is a method for manufacturing a semiconductor device in which an element isolation region is formed on a semiconductor substrate. This method for manufacturing a semiconductor device includes an oxide film forming step of forming an oxide film on the surface of a semiconductor substrate. In addition, a nitride film forming step of forming a nitride film on the surface of the oxide film is provided. In addition, the semiconductor device includes a first trench formation step of forming a first trench by removing the semiconductor substrate, the oxide film, and the nitride film in the element isolation region. In addition, the semiconductor substrate exposed on the side wall of the first trench is transformed into the first thermal oxide film by thermal oxidation, so that the width of the first trench is narrowed and the inside of the first trench is removed except for the first trench. A first thermal oxidation step for forming an isolation trench filled with a thermal oxide film; Further, a nitride film removing step for removing the nitride film is provided. In addition, an amorphous silicon layer forming step of closing the opening of the first trench with the amorphous silicon layer by forming an amorphous silicon layer on the surface of the semiconductor substrate after removing the nitride film is provided. In addition, a second thermal oxidation process is provided for transforming the amorphous silicon layer into a second thermal oxide film by thermal oxidation.
この製造方法では、半導体基板の表面に酸化膜と窒化膜を形成し、これらの膜と半導体基板の一部を除去して第1トレンチを形成する。次いで、第1熱酸化工程により、第1トレンチの側壁に露出している半導体基板が熱酸化により酸化されることで、内部が第1熱酸化膜で充填されている分離トレンチが形成される。 In this manufacturing method, an oxide film and a nitride film are formed on the surface of a semiconductor substrate, and a part of the film and the semiconductor substrate is removed to form a first trench. Next, in the first thermal oxidation process, the semiconductor substrate exposed on the side wall of the first trench is oxidized by thermal oxidation, thereby forming an isolation trench filled with the first thermal oxide film.
半導体基板が酸化されると第1熱酸化膜となり、体積が膨張する。よって、熱酸化が進むにつれ、第1トレンチの両側壁から第1熱酸化膜がトレンチの中央へ向かって膨張し、第1トレンチの幅が狭くなっていく。そして第1熱酸化工程では、第1トレンチの両側壁から膨張してきた第1熱酸化膜同士が接合して第1トレンチが消滅してしまうことがないように、熱酸化を行う。すなわち、幅が狭くなった状態の第1トレンチが、分離トレンチ内に残存するように熱酸化が行われる。また第1熱酸化工程では、窒化膜により、分離トレンチを形成する領域以外の領域の半導体基板が熱酸化されることが防止される。 When the semiconductor substrate is oxidized, the first thermal oxide film is formed, and the volume expands. Therefore, as the thermal oxidation proceeds, the first thermal oxide film expands from both side walls of the first trench toward the center of the trench, and the width of the first trench becomes narrower. In the first thermal oxidation step, thermal oxidation is performed so that the first thermal oxide films that have expanded from both side walls of the first trench are not joined to each other and the first trench disappears. That is, thermal oxidation is performed so that the first trench having a reduced width remains in the isolation trench. In the first thermal oxidation step, the nitride film prevents the semiconductor substrate in the region other than the region where the isolation trench is formed from being thermally oxidized.
アモルファスシリコン層形成工程では、窒化膜を除去した後の半導体基板の表面にアモルファスシリコン層を形成することで、第1トレンチの開口部をアモルファスシリコン層により閉塞する。よって、分離トレンチの熱酸化膜内に、第1トレンチが空隙として存在している構造を形成することができる。そして第2熱酸化工程では、熱酸化により、アモルファスシリコン層を第2熱酸化膜に変質させる。 In the amorphous silicon layer forming step, an amorphous silicon layer is formed on the surface of the semiconductor substrate after removing the nitride film, thereby closing the opening of the first trench with the amorphous silicon layer. Therefore, it is possible to form a structure in which the first trench exists as a gap in the thermal oxide film of the isolation trench. In the second thermal oxidation step, the amorphous silicon layer is transformed into a second thermal oxide film by thermal oxidation.
この製造方法で製造された半導体装置では、第1トレンチにより形成される空隙によって、半導体装置形成時の熱処理により分離トレンチ部分に発生する熱応力を緩和することができる。よって、熱応力に起因してシリコンに結晶欠陥が発生することを抑制できるため、素子特性が劣化することを防止することができる。 In the semiconductor device manufactured by this manufacturing method, the thermal stress generated in the isolation trench portion by the heat treatment at the time of forming the semiconductor device can be relieved by the gap formed by the first trench. Therefore, the generation of crystal defects in silicon due to thermal stress can be suppressed, and deterioration of element characteristics can be prevented.
また、本願の半導体装置の製造方法では、第1熱酸化工程によって、分離トレンチを第1熱酸化膜で充填する工程と、分離トレンチの熱酸化膜内に幅の狭い第1トレンチを作成する工程を同時に行うことができる。よって、分離トレンチの熱酸化膜にトレンチを形成するための専用の工程を備える必要がないため、半導体装置の製造工程を簡略化することができる。 Further, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present application, a step of filling the isolation trench with the first thermal oxide film by the first thermal oxidation step, and a step of creating a narrow first trench in the thermal oxide film of the isolation trench Can be performed simultaneously. Therefore, since it is not necessary to provide a dedicated process for forming the trench in the thermal oxide film of the isolation trench, the manufacturing process of the semiconductor device can be simplified.
また、本願の半導体装置の製造方法で製造された半導体装置では、第1トレンチの開口部を第2熱酸化膜により閉塞することができる。熱酸化膜は、CVD法などによって堆積されるシリコン酸化膜などに比して、緻密な膜であり高耐圧性を有する。よって、半導体装置の耐圧を高めることが可能となる。 In the semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device of the present application, the opening of the first trench can be closed with the second thermal oxide film. The thermal oxide film is a dense film and has a high pressure resistance as compared with a silicon oxide film deposited by a CVD method or the like. Therefore, the breakdown voltage of the semiconductor device can be increased.
また、本願に開示される半導体装置の製造方法では、アモルファスシリコン層の厚さは、第1熱酸化工程によって狭くされた後の第1トレンチの開口部の開口幅の√2倍以上であることが好ましい。半導体基板の上面から見た場合に、第1トレンチが直角に屈曲した屈曲部を有するように形成される場合がある。この場合、第1トレンチの最大幅は、屈曲部の対角線長さ(直線部の幅の√2倍)となる。また、2本の直線状の第1トレンチが直交して、交差部を有する場合もある。この場合、第1トレンチの最大幅は、交差部の対角線長さ(直線部の幅の√2倍)となる。よって、アモルファスシリコン層の厚さを、狭くされた後の第1トレンチの開口部の開口幅(直線部の幅)の√2倍以上とすることで、確実に第1トレンチの開口部をアモルファスシリコン層で閉塞することが可能となる。 In the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present application, the thickness of the amorphous silicon layer is not less than √2 times the opening width of the opening of the first trench after being narrowed by the first thermal oxidation step. Is preferred. When viewed from the upper surface of the semiconductor substrate, the first trench may be formed to have a bent portion bent at a right angle. In this case, the maximum width of the first trench is the diagonal length of the bent portion (√2 times the width of the straight portion). In some cases, two linear first trenches are orthogonal and have an intersection. In this case, the maximum width of the first trench is the diagonal length of the intersection (√2 times the width of the straight portion). Therefore, by making the thickness of the amorphous silicon layer more than √2 times the opening width (width of the straight line portion) of the opening portion of the first trench after being narrowed, the opening portion of the first trench is surely made amorphous. It becomes possible to block with the silicon layer.
また、本願に開示される半導体装置の製造方法の第1のトレンチ形成工程では、1つの分離トレンチを形成する領域に複数の第1トレンチが形成され、複数の第1トレンチの各々の幅が等しくされていることが好ましい。サブミクロンオーダーの厚い熱酸化膜の形成においては、酸化速度は2乗速に従うため、必要酸化時間がシリコン膜厚の2乗に比例することになる。本願の半導体装置の製造方法では、1つの分離トレンチに対して複数の第1トレンチを形成することで、第1トレンチ同士の間に壁状に形成される半導体基板の幅を小さくすることができる。よって、熱酸化膜充填工程において酸化するシリコンの厚さを薄くすることができるため、熱酸化に必要な時間を短縮することが可能となる。 In the first trench formation step of the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present application, a plurality of first trenches are formed in a region where one isolation trench is formed, and the widths of the plurality of first trenches are equal. It is preferable that In forming a thick thermal oxide film on the order of submicron, the oxidation rate follows the square rate, so that the required oxidation time is proportional to the square of the silicon film thickness. In the semiconductor device manufacturing method of the present application, the width of the semiconductor substrate formed in a wall shape between the first trenches can be reduced by forming a plurality of first trenches for one isolation trench. . Therefore, since the thickness of silicon to be oxidized in the thermal oxide film filling step can be reduced, the time required for thermal oxidation can be shortened.
また、本願に開示される半導体装置の製造方法の第1のトレンチ形成工程では、1つの分離トレンチを形成する領域に複数の第1トレンチが形成されてもよい。このとき、第1トレンチの幅が、第1トレンチ同士の間に形成される壁部の壁厚を1.22倍した値よりも大きくされることが好ましい。1つの分離トレンチに対して第1トレンチを複数形成することで、第1トレンチ同士の間に半導体基板の壁部が形成される。そして、壁部を完全に第1熱酸化膜に変質させた場合、変質後の壁厚は水平方向へ2.22倍に膨張する。すなわち、壁部の両側面が、酸化前の壁厚の0.61倍ずつ、第1トレンチを狭くする方向へ膨張する。すると、壁部を完全に第1熱酸化膜に変質した場合に、第1トレンチが残存している状態とするためには、理論上、第1トレンチの幅を、壁部の壁厚の1.22倍の値よりも大きくすればよいことが分かる。 In the first trench formation step of the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present application, a plurality of first trenches may be formed in a region where one isolation trench is formed. At this time, it is preferable that the width of the first trench is larger than a value obtained by multiplying the wall thickness of the wall portion formed between the first trenches by 1.22. By forming a plurality of first trenches for one isolation trench, a wall portion of the semiconductor substrate is formed between the first trenches. When the wall is completely transformed into the first thermal oxide film, the altered wall thickness expands 2.22 times in the horizontal direction. That is, both side surfaces of the wall portion expand in the direction of narrowing the first trench by 0.61 times the wall thickness before oxidation. Then, in order to make the first trench remain when the wall portion is completely transformed into the first thermal oxide film, theoretically, the width of the first trench is set to 1 of the wall thickness of the wall portion. It can be seen that the value should be larger than .22 times.
また、本願に開示される半導体装置の製造方法では、フォトエッチング技術等によって、分離トレンチが形成されている領域の第2熱酸化膜上部にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程をさらに備えることができる。なお、フォトエッチング技術とは、フォトリソグラフィからRIE等のエッチングまでの一連の技術を意味する。フォトエッチング技術では従来公知の技術を用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。また、レジスト膜が形成されている領域以外の第2熱酸化膜を除去する第2熱酸化膜除去工程をさらに備えることができる。また、レジスト膜を除去するレジスト膜除去工程をさらに備えることができる。 The method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present application may further include a resist film forming step of forming a resist film on the second thermal oxide film in a region where the isolation trench is formed by a photoetching technique or the like. it can. The photoetching technique means a series of techniques from photolithography to etching such as RIE. Since a conventionally known technique can be used for the photoetching technique, a detailed description thereof is omitted here. In addition, a second thermal oxide film removing step of removing the second thermal oxide film other than the region where the resist film is formed can be further provided. Moreover, the resist film removal process of removing a resist film can be further provided.
分離トレンチが形成されている領域以外の領域には、トランジスタ等の各種素子を形成するための素子形成領域が存在する。そして、第2熱酸化膜除去工程によって、素子形成領域の表面を選択的に露出することができる。よって、以後の工程において、素子形成領域に素子を形成することが可能となる。 In regions other than the region where the isolation trench is formed, there is an element formation region for forming various elements such as transistors. Then, the surface of the element formation region can be selectively exposed by the second thermal oxide film removal step. Therefore, it is possible to form elements in the element formation region in the subsequent processes.
また、本願に開示される半導体装置は、半導体基板の素子分離領域に分離トレンチが形成されている半導体装置である。分離トレンチは、半導体基板の表面から所定の深さまでの範囲に形成されている第1熱酸化膜と、第1熱酸化膜の表面に形成されている第2熱酸化膜を有している。また、第1熱酸化膜には、第1熱酸化膜の幅より狭い幅のトレンチが形成されている。また、第2熱酸化膜が、第1熱酸化膜に形成されたトレンチの開口部を閉塞している。この半導体装置は、本願の半導体装置の製造方法によって具体化される半導体装置である。当該半導体装置では、第1熱酸化膜に形成されているトレンチによって、半導体装置形成時の熱処理により分離トレンチ部分に発生する熱応力を緩和することができる。また、第1熱酸化膜に形成されているトレンチの開口部が第2熱酸化膜で閉塞されているため、後の工程でトレンチ内に薬液等が進入することを防止することができる。 The semiconductor device disclosed in the present application is a semiconductor device in which an isolation trench is formed in an element isolation region of a semiconductor substrate. The isolation trench has a first thermal oxide film formed in a range from the surface of the semiconductor substrate to a predetermined depth, and a second thermal oxide film formed on the surface of the first thermal oxide film. In addition, a trench having a narrower width than the width of the first thermal oxide film is formed in the first thermal oxide film. The second thermal oxide film closes the opening of the trench formed in the first thermal oxide film. This semiconductor device is a semiconductor device embodied by the semiconductor device manufacturing method of the present application. In the semiconductor device, the trench formed in the first thermal oxide film can relieve the thermal stress generated in the isolation trench due to the heat treatment during the formation of the semiconductor device. In addition, since the opening of the trench formed in the first thermal oxide film is closed with the second thermal oxide film, it is possible to prevent a chemical solution or the like from entering the trench in a later process.
本願に開示される半導体装置の製造方法によれば、半導体基板に素子形成領域と素子分離領域が形成されている半導体装置を製造する場合において、分離トレンチ部分に発生する熱応力を緩和することが可能となる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present application, when manufacturing a semiconductor device in which an element formation region and an element isolation region are formed on a semiconductor substrate, thermal stress generated in the isolation trench portion can be reduced. It becomes possible.
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。
(特徴1)第1トレンチ52の側壁に露出しているSOI層20の熱酸化は、1100℃以上で行なわれる。
(特徴2)アモルファスシリコン層70の成膜は、スパッタ法により行なわれる。
(特徴3)アモルファスシリコン層70の成膜は、常圧CVD法により行なわれる。
The main features of the embodiments described below are listed.
(Feature 1) Thermal oxidation of the
(Feature 2) The
(Characteristic 3) The
本願の実施例について図面を参照しながら説明する。図1から図15を用いて、素子形成領域R1にSOI(Silicon On Insulator)層20を残し、分離トレンチ領域R2にトレンチ部を形成する工程を説明する。素子形成領域R1は、トランジスタ等の半導体素子を形成する領域である。分離トレンチ領域R2は、隣接する素子形成領域R1同士を電気的に分離するための分離トレンチを形成する領域である。なお、図1から図15は、素子形成領域R1および分離トレンチ領域R2の部分断面図である。
Embodiments of the present application will be described with reference to the drawings. A process of forming a trench portion in the isolation trench region R2 while leaving the SOI (Silicon On Insulator)
図1に示すように、SOI基板9は、埋込酸化膜10とSOI層20を備える。SOI層20は単結晶シリコンである。なお本実施例では、埋込酸化膜10の下部に存在する保持基板は省略して説明する。図1に示すように、まず、SOI層20の表面に酸化膜30が形成される。酸化膜30は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法による熱酸化膜堆積、もしくは熱酸化により形成される。なお、酸化膜30は、素子分離として広く用いられているLOCOS酸化膜であってもよい。次に、酸化膜30の表面にCVD法にて窒化膜40が形成される。窒化膜40は、後の熱酸化工程で、所望外のSOI層20が熱酸化してしまうことを防止するための膜である。よって窒化膜40の厚さは、酸化を防ぐために十分な厚さであればよく、例えば50(nm)とされる。
As shown in FIG. 1, the
図2に示すように、窒化膜40の表面にレジスト層50が形成される。そしてフォトエッチング技術にて、分離トレンチ領域R2の領域内のレジスト層50が除去され、開口部51が形成される。開口部51は、後述する第1トレンチ52を形成するためのマスク孔である。開口部51は、1つの分離トレンチ領域R2に対して、複数形成されることが好ましい。また、複数の開口部51の各々の開口幅は、等しくされることが好ましい。
As shown in FIG. 2, a resist
次に、図3に示すように、CF系のガスを用いたドライエッチングにより、窒化膜40および酸化膜30をエッチングする。続いて、シリコンに対してエッチング効果のあるガス(SF6など)を用いたドライエッチングにより、SOI層20をドライエッチングする。これにより、第1トレンチ52が、SOI層20に2つ形成される。また、第1トレンチ52同士の間にSOI層20の壁部53が形成される。
Next, as shown in FIG. 3, the
ここで、第1トレンチ52の幅をトレンチ幅W1と定義し、壁部53の厚さを壁厚W2と定義する。トレンチ幅W1と壁厚W2との比の決め方について説明する。後述する熱酸化工程(図5)において、壁部53が完全に熱酸化膜に変質されると、変質後の壁厚W2は2.22倍に膨張する。すなわち、壁部53の両側面が、壁厚W2の0.61倍の値ずつ、水平方向(図面左右方向)へ膨張する。同様に、壁部53と対向している第1トレンチ52の側壁も、壁厚W2の0.61倍の値だけ、水平方向に膨張する。すると、壁部53を完全に熱酸化膜に変質した後に、第1トレンチ52が分離トレンチ領域R2内に残存している状態とするためには、理論上、第1トレンチ52のトレンチ幅W1を、壁部53の壁厚W2の1.22倍の値よりも大きくなるように、レジスト寸法及びドライエッチング寸法を制御すればよいことが分かる。
Here, the width of the
図4に示すように、エッチング後に残存しているレジスト層50を除去する。除去方法は、硫酸と過酸化水素水と水の混合液であるSPM(Sulfuric acid/hydrogen Peroxide Mixture)によるウェットエッチングを用いてもよいし、アッシングを用いてもよい。
As shown in FIG. 4, the resist
図5に示すように、第1トレンチ52の側壁に露出しているSOI層20を、熱酸化によりシリコン単結晶から熱酸化膜60に変質させる。このとき、素子形成領域R1のSOI層20は、窒化膜40により、熱酸化されることが防止されている。SOI層20が熱酸化膜60に変質すると、体積が膨張する。よって、熱酸化が進むにつれ、第1トレンチ52の両側壁から熱酸化膜60が第1トレンチ52の中央へ向かって膨張し、第1トレンチ52の幅が狭くなっていく。そして、熱酸化工程が完了すると、第1トレンチ52が幅狭第1トレンチ52aに変化する。これにより、図5に示すように、分離トレンチ領域R2の内部が熱酸化膜60により充填されていると共に、分離トレンチ領域R2に幅狭第1トレンチ52aが存在している構造を形成できる。ここで、幅狭第1トレンチ52aの開口部の幅を開口幅W3と定義する。なお、図5における熱酸化工程は、熱酸化膜60の流動性による応力緩和を目的として、1100℃以上の高温で行なうことが望ましい。
As shown in FIG. 5, the
また、壁部53が完全に熱酸化膜60に変質した後も熱酸化工程を続行すると、分離トレンチ領域R2と素子形成領域R1の境界部に存在するSOI層20の熱酸化が進むため、幅狭第1トレンチ52aの側壁がさらに膨張する。すると、幅狭第1トレンチ52aの側壁を形成している熱酸化膜60同士が接合してしまい、幅狭第1トレンチ52aが消滅してしまう。よって、壁部53が完全に熱酸化膜60に変質した時点で熱酸化を終了するように、熱酸化量を調整する必要がある。熱酸化量の調整方法の例としては、壁部53の壁厚W2を完全に酸化するための酸化時間を算出し、算出した酸化時間を用いて熱酸化を行なう方法が挙げられる。
Further, if the thermal oxidation process is continued even after the
図6に示すように、窒化膜40が除去される。窒化膜40の除去には、熱燐酸によるウェットエッチングを用いてもよいし、ドライエッチングを用いてもよい。
As shown in FIG. 6, the
図7に示すように、窒化膜40を除去した後の表面に、スパッタ法によりアモルファスシリコン層70を成膜する。このとき、幅狭第1トレンチ52aの開口幅W3が狭くされている。また、スパッタ法は、減圧CVD法などに比して埋め込み性が良くない。よって、幅狭第1トレンチ52aの内部へアモルファスシリコンが埋め込まれにくくなるため、アモルファスシリコン層70が幅狭第1トレンチ52aの開口部を閉塞するように熱酸化膜60の表面部で成長する。これにより、分離トレンチ領域R2の熱酸化膜60内に、幅狭第1トレンチ52aが空隙として存在している構造を形成することができる。また、幅狭第1トレンチ52aの開口部をアモルファスシリコン層70で閉塞することにより、後の工程で幅狭第1トレンチ52a内に薬液等が進入することを防止することができる。
As shown in FIG. 7, an
ここで、アモルファスシリコン層70で幅狭第1トレンチ52aの開口部を確実に閉塞するためには、開口幅W3の値は、0.5(μm)以下が好ましい。また、幅狭第1トレンチ52aは高いアスペクト比を有していることがよく、アスペクト比が5〜10の範囲内であることが好ましい。アスペクト比は、トレンチの深さと幅の比である。アモルファスシリコン層70の成膜時に、幅狭第1トレンチ52a内部にもアモルファスシリコンが埋め込まれるが、アスペクト比を高くすることにより、幅狭第1トレンチ52a内部がアモルファスシリコンで完全に埋まってしまうことを防止することができる。よって、幅狭第1トレンチ52a内に空隙を存在させることができるため、熱応力を緩和すること可能となる。
Here, in order to reliably close the opening of the narrow
また、アモルファスシリコン層70の成膜は、スパッタ法に限らず、CVD法によって行なわれてもよい。なお、常圧CVD法の方が、減圧CVD法よりも、反応生成物が幅狭第1トレンチ52aの底部まで届きにくく、埋め込み性が悪い。よって、常圧CVD法を用いてアモルファスシリコン層70を成膜する方が、幅狭第1トレンチ52aの開口部をより閉塞しやすくなる。
Further, the formation of the
また、アモルファスシリコン層70の成膜厚さの決め方について、図12および図13を用いて説明する。図12に示すように、SOI基板9を上面から見た場合に、素子レイアウトの関係上、幅狭第1トレンチ52aが直角に屈曲した屈曲部A1を有するように形成される場合がある。この場合、幅狭第1トレンチ52aの最大開口幅W4は、屈曲部A1の対角線長さとなる。よって、最大開口幅W4は、幅狭第1トレンチ52aの開口幅W3の√2倍(約1.41倍)となる。また、図13に示すように、2本の直線状の幅狭第1トレンチ52aが直交して、交差部A2を形成する場合もある。この場合、幅狭第1トレンチ52aの最大開口幅W4は、交差部A2の対角線長さとなる。よって、最大開口幅W4は、幅狭第1トレンチ52aの開口幅W3の√2倍となる。
A method for determining the thickness of the
以上より、アモルファスシリコン層70の成膜厚さを、幅狭第1トレンチ52aの開口部の開口幅W3の√2倍以上とすることで、確実に幅狭第1トレンチ52aの開口部をアモルファスシリコン層70で閉塞することが可能となる。例えば、幅狭第1トレンチ52aの開口幅W3が0.5(μm)である場合には、アモルファスシリコン層70の厚さは、0.71(μm)以上にする必要がある。
As described above, the thickness of the
図8に示すように、最表層のアモルファスシリコン層70を熱酸化し、熱酸化膜71へ変質させる。これにより、分離トレンチ領域R2に充填されている絶縁体が、全てシリコン熱酸化膜とされている構造を作成できる。シリコン熱酸化膜は、CVD法などによって堆積されるシリコン酸化膜などに比して、緻密な膜であり高耐圧性を有する。よって、半導体装置の耐圧を高めることが可能となる。
As shown in FIG. 8, the outermost
なお、アモルファスシリコン層70の熱酸化時の酸化温度は、熱酸化膜71の流動性による応力緩和を目的として、1100℃以上の高温であることが望ましい。
The oxidation temperature during thermal oxidation of the
図9に示すように、フォトエッチング技術によって、分離トレンチ領域R2が形成されている領域の熱酸化膜71上部に、レジスト層90が形成される。そしてフォトエッチング技術にて、素子形成領域R1のレジスト層90が除去され、開口部が形成される。本処理は、素子形成領域R1のSOI層20の表面を露出するための前準備の処理である。
As shown in FIG. 9, a resist
図10に示すように、フッ酸によるウェットエッチングにより、レジスト層90の開口部の熱酸化膜71および酸化膜30がエッチングされる。エッチング時間を調整することで、素子形成領域R1部分のSOI層表面を完全に露出することができる。
As shown in FIG. 10, the
図11に示すように、エッチング後に残存しているレジスト層90を除去する。除去方法は、前述したSPMによるウェットエッチングを用いてもよいし、アッシングを用いてもよい。
As shown in FIG. 11, the resist
本願に係る半導体装置の製造方法の効果を説明する。本願の半導体装置の製造方法では、幅狭第1トレンチ52aにより形成される空隙によって、半導体装置形成時の熱処理時に素子形成領域R1および分離トレンチ領域R2に発生する熱応力を緩和することができる。よって、熱応力に起因して素子形成領域R1のSOI層20に結晶欠陥が発生することを抑制できるため、素子特性が劣化することを防止することができる。
The effects of the semiconductor device manufacturing method according to the present application will be described. In the manufacturing method of the semiconductor device of the present application, the thermal stress generated in the element formation region R1 and the isolation trench region R2 during the heat treatment during the formation of the semiconductor device can be relaxed by the gap formed by the narrow
また、本願の半導体装置の製造方法では、図5に示す熱酸化工程によって、分離トレンチ領域R2を熱酸化膜60で充填する工程と、幅狭第1トレンチ52aを作成する工程を同時に行うことができる。よって、分離トレンチ領域R2内に充填されている熱酸化膜60にトレンチを形成するための専用の工程を備える必要がないため、半導体装置の製造工程を簡略化することができる。
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present application, the step of filling the isolation trench region R2 with the
また、本願の半導体装置の製造方法では、1つの分離トレンチ領域R2に対して複数の第1トレンチ52を形成することで、第1トレンチ52同士の間に形成される壁部53の壁厚を小さくすることができる。サブミクロンオーダーの厚い熱酸化膜の形成においては、酸化速度は2乗速に従うため、必要酸化時間が膜厚の2乗に比例することになる。例えば、膜厚が0.5(μm)の熱酸化膜の形成時間に比して、膜厚が0.25(μm)の熱酸化膜の形成時間は、約1/4の時間となる。よって、熱酸化工程において酸化する壁部53の壁厚を薄くすることにより、熱酸化に必要な時間を短縮することが可能となる。
Moreover, in the manufacturing method of the semiconductor device of this application, the wall thickness of the
また、酸化膜をトレンチ深さの2〜3倍程度成膜し、さらにCMP(Chemical Mechanical Polishing)工程にて酸化膜除去および平坦化を実施することで素子分離構造を形成する方法に比して、本願の半導体装置の製造方法では、CMP工程を用いる必要がない。よって、低コストで素子分離構造を形成することができる。 Compared with the method of forming an element isolation structure by forming an oxide film about 2 to 3 times the depth of the trench, and further removing and planarizing the oxide film in a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process. In the semiconductor device manufacturing method of the present application, it is not necessary to use a CMP process. Therefore, an element isolation structure can be formed at low cost.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず特許請求の範囲を限定するものではない。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and has technical utility by achieving one of the purposes.
図7のアモルファスシリコン層70の成膜工程では、必ずしも熱酸化膜60の表面近傍のみにアモルファスシリコン層70が存在する必要はなく、幅狭第1トレンチ52aの内部にアモルファスシリコンが存在しても良い。幅狭第1トレンチ52aの内部のアモルファスシリコンは、図8の熱酸化工程によって必ずしも熱酸化しない。しかし、幅狭第1トレンチ52aの内部のアモルファスシリコンは、周囲を埋込酸化膜10、熱酸化膜60、71で覆われているため、高電圧素子間の耐圧を確保することが可能である。
In the step of forming the
本実施例では、SOI基板9を用いる場合を説明したが、これに限られない。シリコン単結晶のみからなる通常のシリコン基板を用いても、本願の半導体装置の製造方法を実施することが可能である。
In this embodiment, the case where the
また本実施例では、1つの分離トレンチ領域R2に複数の第1トレンチ52が形成される場合を説明したが、この形態に限られない。分離トレンチ領域R2の幅が狭い場合など、熱酸化速度を高める必要がない場合には、1つの分離トレンチ領域R2に1つの第1トレンチ52を形成してもよい。
Moreover, although the present Example demonstrated the case where the some
また、本願の半導体装置の製造方法では、1つの分離トレンチ領域R2に対して、任意の数の幅狭第1トレンチ52aを形成することができる。幅狭第1トレンチ52aの数は、分離トレンチ領域R2の幅や、高電圧素子間の耐圧確保のために必要な空隙の数などに応じて任意に設定することができる。
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present application, an arbitrary number of narrow
9 SOI基板
20 SOI層
30 酸化膜
40 窒化膜
52 第1トレンチ
52a 幅狭第1トレンチ
53 壁部
60、71 熱酸化膜
70 アモルファスシリコン層
R1 素子形成領域
R2 分離トレンチ領域
W1 トレンチ幅
W2 壁厚
W3 開口幅
9
Claims (6)
半導体基板の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
酸化膜の表面に窒化膜を形成する窒化膜形成工程と、
素子分離領域内の半導体基板、酸化膜、および窒化膜を除去することにより、第1トレンチを形成する第1のトレンチ形成工程と、
第1トレンチの側壁に露出している半導体基板を熱酸化により第1熱酸化膜に変質させることで、第1トレンチの幅を狭くすると共に、第1トレンチを除いてその内部が第1熱酸化膜により充填されている分離トレンチを形成する第1熱酸化工程と、
前記窒化膜を除去する窒化膜除去工程と、
窒化膜を除去した後の半導体基板の表面にアモルファスシリコン層を形成することで、第1トレンチの開口部をアモルファスシリコン層により閉塞するアモルファスシリコン層形成工程と、
アモルファスシリコン層を熱酸化により第2熱酸化膜へ変質させる第2熱酸化工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device in which an element isolation region is formed on a semiconductor substrate,
An oxide film forming step of forming an oxide film on the surface of the semiconductor substrate;
A nitride film forming step of forming a nitride film on the surface of the oxide film;
A first trench forming step of forming a first trench by removing the semiconductor substrate, oxide film, and nitride film in the element isolation region;
The semiconductor substrate exposed on the side wall of the first trench is transformed into a first thermal oxide film by thermal oxidation, so that the width of the first trench is reduced and the inside of the first trench is removed except for the first trench. A first thermal oxidation step to form an isolation trench filled with a film;
A nitride film removing step for removing the nitride film;
Forming an amorphous silicon layer on the surface of the semiconductor substrate after removing the nitride film, thereby closing the opening of the first trench with the amorphous silicon layer; and
A second thermal oxidation step for transforming the amorphous silicon layer into a second thermal oxide film by thermal oxidation;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the amorphous silicon layer is not less than √2 times the opening width of the opening of the first trench after being narrowed by the first thermal oxidation process. Production method.
複数の第1トレンチの各々の幅が等しくされている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 In the first trench formation step, a plurality of first trenches are formed in a region where one isolation trench is formed,
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein each of the plurality of first trenches has the same width.
ことを特徴とする請求項1ないし3の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。 In the first trench formation step, a plurality of first trenches are formed in a region where one isolation trench is formed, and the width of the first trench is the wall thickness of the wall portion formed between the first trenches. 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is made larger than 1.22 times.
レジスト膜が形成されている領域以外の第2熱酸化膜を除去する第2熱酸化膜除去工程と、
レジスト膜を除去するレジスト膜除去工程と
をさらに備えることを特徴とする請求項1ないし4の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。 A resist film forming step of forming a resist film on the second thermal oxide film in a region where the isolation trench is formed;
A second thermal oxide film removing step of removing the second thermal oxide film other than the region where the resist film is formed;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: a resist film removing step for removing the resist film.
前記分離トレンチは、
半導体基板の表面から所定の深さまでの範囲に形成されている第1熱酸化膜と、
第1熱酸化膜の表面に形成されている第2熱酸化膜を有しており、
第1熱酸化膜には、第1熱酸化膜の幅より狭い幅のトレンチが形成されており、
第2熱酸化膜が、第1熱酸化膜に形成されたトレンチの開口部を閉塞していることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device in which an isolation trench is formed in an element isolation region of a semiconductor substrate,
The isolation trench is
A first thermal oxide film formed in a range from the surface of the semiconductor substrate to a predetermined depth;
Having a second thermal oxide film formed on the surface of the first thermal oxide film;
In the first thermal oxide film, a trench having a width narrower than the width of the first thermal oxide film is formed,
A semiconductor device, wherein the second thermal oxide film closes an opening of a trench formed in the first thermal oxide film.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2015037166A1 (en) * | 2013-09-11 | 2015-03-19 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Semiconductor device |
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