JP2003258082A

JP2003258082A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2003258082A
Application number: JP2002056799A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Shibata; 英紀柴田; Hisami Okuwada; 久美奥和田; Atsuko Kawasaki; 敦子川崎; Satoshi Matsuda; 聡松田; Hisakazu Matsumori; 久和松森
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2003-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】素子分離溝への形状劣化のないシリコン酸化
膜埋め込みを可能とした半導体装置の製造方法を提供す
る。【解決手段】半導体基板１１上に耐エッチングマスク
１３を形成し、半導体基板１１をエッチングして素子分
離溝１５を形成する。素子分離溝１５が形成された半導
体基板１１に、過水素化シラザン重合体溶液の塗膜を形
成し、これを化学反応させてシリコン酸化膜１８を形成
する。形成されたシリコン酸化膜１８を素子分離溝１５
の内部に残して除去した後に、埋め込まれたシリコン酸
化膜１８を熱処理により緻密化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造方法に係り、特に素子分離構造の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の素子分離法として近年、Ｓ
ＴＩ（Shallow Trench Isolation）法が広く用いられて
いる。これは、半導体基板の素子分離領域に溝を形成
し、この溝に素子分離絶縁膜となるシリコン酸化膜等を
埋め込む方法である。素子分離溝への埋め込みには、埋
め込み性の優れた高密度プラズマＣＶＤ法（ＨＤＰ法）
によるシリコン酸化膜が一般に用いられてきた。しか
し、素子の微細化が進み、素子分離溝が０．１μｍ或い
はそれ以下になると、ＨＤＰ法でも十分に溝を埋めるこ
とが困難になってくる。

【０００３】これに対して、ＨＤＰ法に依らない溝の埋
め込み法として、塗布膜を用いる方法がある。例えば、
過水素化シラザン重合体溶液を用いたＳＴＩ溝埋め込み
法が提案されている（特許第３１７８４１２号、米国特
許第６１９１００２号参照）。この方法は、素子分離溝
が形成された半導体基板に過水素化シラザン重合体溶液
を塗布し、その塗膜を化学反応によりシリコン酸化膜に
変性させ、緻密化処理を行った後に、不要部分を除去し
て溝にシリコン酸化膜を埋め込むというものである。

【０００４】具体的に過水素化シラザン重合体溶液の塗
膜の化学反応は、塗膜中の溶剤を揮発させた後、水蒸気
雰囲気中での熱処理により行われる。過水素化シラザン
重合体［（ＳｉＨ₂ＮＨ）_n］はこの熱処理で、水蒸気が
分解して得られる酸素と反応してシリコン酸化膜に変性
して、アンモニアを発生する。シリコン酸化膜はその
後、不活性雰囲気中で７００℃〜１１００℃の熱処理を
行うことで、アンモニアや水分等の不純物が除去され、
緻密化される。

【０００５】この方法によれば、幅が０．１μｍ程度の
微細な素子分離溝の埋め込みに適用した場合にも、
（ａ）ボイドを発生することなくシリコン酸化膜を埋め
込むことができ、（ｂ）過水素化シラザン重合体からシ
リコン酸化膜への変性には体積収縮がないため、クラッ
クが生じることもなく、（ｃ）埋め込まれるシリコン酸
化膜はエッチング耐性が高いために、シリコン窒化膜等
のウェットエッチング工程で無用なエッチングによる窪
みが発生することもない、とされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した過水素化シラ
ザン重合体溶液を用いる素子分離溝埋め込み法は、今後
更に微細化が進むＬＳＩへの適用に有望であるが、本発
明者等の検討によれば、まだ解決すべき問題が残されて
いる。その一つは、素子分離溝に埋め込まれるシリコン
酸化膜のウェットエッチングに対する耐性に、溝の幅に
応じたばらつきが発生することである。

【０００７】具体的に、素子分離溝の幅が狭い箇所で
は、埋め込まれたシリコン酸化膜のウェットエッチング
でのエッチングレートが十分に下がらず、溝幅の広い部
分に比べて、埋め込まれるシリコン酸化膜の面位置が低
下する。従って、種々の幅の素子分離溝に一様な厚みで
シリコン酸化膜を埋め込むことができない。

【０００８】もう一つの問題は、化学反応により形成さ
れるシリコン酸化膜のシリコン窒化膜と接する部分のウ
ェットエッチング耐性が低いことである。シリコン窒化
膜は、素子分離溝の形成のマスクとして用いられ、その
後溝にシリコン酸化膜を埋め込むまで残される。過水素
化シラザン重合体溶液の塗膜は化学反応によりシリコン
酸化膜に変性され、その後緻密化されたシリコン酸化膜
は、ＣＭＰ処理により溝に埋め込まれる。その後、燐酸
によってシリコン窒化膜を除去し、更に緩衝フッ酸によ
ってシリコン酸化膜を除去する工程が入る。この緩衝フ
ッ酸によるウェットエッチング工程では、溝に埋め込ま
れたシリコン酸化膜のシリコン窒化膜に接していた部分
のエッチングレートが高く、素子分離領域境界部に窪み
が発生してしまう。

【０００９】具体的に図１５は、上述した従来法によ
り、異なる幅の素子分離溝に埋め込まれるシリコン酸化
膜４の様子を示している。シリコン酸化膜４は、反応後
に９００℃以下で緻密化処理を行って得られたものであ
る。図１５では、シリコン酸化膜４を緻密化処理した
後、ＣＭＰ処理により不要な部分を除去して平坦化し、
更に緩衝フッ酸によりエッチングした状態を示してい
る。図示のように、素子分離溝の幅に応じて、埋め込ま
れるシリコン酸化膜４の高さが異なってしまう。また、
０．１μｍという狭い幅の素子分離溝では、シリコン窒
化膜３に接する部分が大きくエッチングされて、窪みが
発生している。

【００１０】この発明は、素子分離溝への形状劣化のな
いシリコン酸化膜埋め込みを可能とした半導体装置の製
造方法を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明による半導体装
置の製造方法は、半導体基板上に耐エッチングマスクを
形成する工程と、前記耐エッチングマスクの開口を介し
て前記半導体基板をエッチングして素子分離溝を形成す
る工程と、前記素子分離溝が形成された半導体基板に、
過水素化シラザン重合体溶液の塗膜を形成する工程と、
前記塗膜を、溶媒を揮発させた後化学反応させてシリコ
ン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜を前記
素子分離溝の内部に残して除去する工程と、前記素子分
離溝に残されたシリコン酸化膜を熱処理により緻密化す
る工程と、を有することを特徴とする。

【００１２】この発明によると、過水素化シラザン重合
体溶液を化学反応させて得られたシリコン酸化膜の緻密
化工程を、素子分離溝のみに残して不要部分を除去した
後に行うことによって、狭い素子分離溝内であってもエ
ッチング耐性の優れたシリコン酸化膜として埋め込み、
その形状劣化を防止することがてきる。

【００１３】この発明において、素子分離溝形成のため
の耐エッチングマスクは、例えばシリコン窒化膜を含ん
で形成される。この場合、素子分離溝を形成した後、過
水素化シラザン重合体溶液の塗膜を形成する前に、シリ
コン窒化膜の表面にシリコン酸化膜を形成する工程を付
加することが好ましい。これにより、過水素化シラザン
重合体溶液を化学反応させて得られるシリコン酸化膜が
直接シリコン窒化膜に接する事態が防止され、素子分離
溝に埋め込まれるシリコン酸化膜の緻密化が均等に行わ
れる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態を説明する。［実施の形態１］図１〜図８は、一実施の形態による半
導体装置の素子分離工程を示している。図１に示すよう
に、シリコン基板１１の表面に熱酸化法によりシリコン
酸化膜１２を厚さ５ｎｍ程度形成し、その上に減圧ＣＶ
Ｄ法によりシリコン窒化膜１３を厚さ２００ｎｍ程度堆
積する。

【００１５】シリコン窒化膜１３は、シリコン基板１１
に素子分離溝を形成する際の耐エッチングマスクとして
利用するものである。リソグラフィ工程とＲＩＥによ
り、図２に示すように、シリコン窒化膜１３とシリコン
酸化膜１２を選択エッチングして、マスク開口１４を形
成する。この状態でシリコン基板１１をＲＩＥによりエ
ッチングして、図３に示すように素子分離溝１５を形成
する。

【００１６】この後熱酸化を行って、図４に示すよう
に、素子分離溝１５の内面にシリコン酸化膜１６を形成
する。このとき好ましくは、シリコン窒化膜１３の表面
にもシリコン酸化膜６を形成する。そのためにこの実施
の形態では、ラジカル酸化を利用している。シリコン窒
化膜１３の表面にまでシリコン酸化膜１６を形成してい
るのは、この後形成される過水素化シラザン重合体膜が
直接シリコン窒化膜に接する事態を避けるためである。

【００１７】この後、図５に示すように、スピンコーテ
ィングによって、基板上に過水素化シラザン重合体溶液
１７を塗布する。そして、不活性ガス雰囲気中で熱処理
を行って、過水素化シラザン重合体溶液１７中の溶媒を
揮発させた後、水蒸気等の酸化性雰囲気中で熱処理を行
って過水素化シラザン重合体を化学反応させて、図６に
示すようにシリコン酸化膜１８に変性させる。

【００１８】形成されたシリコン酸化膜１８は、緻密化
の熱処理を行う前に、ＣＭＰ法を用いて不要部分を除去
して、図７に示すように、素子分離溝１５内に埋め込
む。こうして素子分離溝１５のみに埋め込まれた状態
で、シリコン酸化膜１８を緻密化する熱処理を行う。こ
の緻密化の熱処理は、不活性雰囲気中で、９００℃〜１
１００℃の範囲で行うことが好ましい。

【００１９】その後、燐酸によるウェットエッチングで
シリコン窒化膜１３を除去し、更に緩衝フッ酸によるウ
ェットエッチングでシリコン酸化膜１２を除去して、図
８の状態を得る。

【００２０】この実施の形態によると、素子分離溝の幅
に依らず、一様な高さで素子分離絶縁膜を埋め込むこと
ができる。その理由は次の通りである。図６に示すよう
に、ＣＭＰ処理前に基板全面を厚くシリコン酸化膜１８
が覆った状態で緻密化処理を行った場合には、素子分離
溝の狭い箇所ではエッチングレートの低下が十分ではな
い。これに対してこの実施の形態では、図７に示すよう
に、ＣＭＰ処理により基板上の不要なシリコン酸化膜１
８を除去した後に、シリコン酸化膜１８の緻密化処理を
行うことによって、素子分離溝の狭い箇所でもシリコン
酸化膜１８のエッチングレートは十分に低くなる。

【００２１】図９は、この実施の形態により、異なる幅
の素子分離溝にほぼ均一な高さでシリコン酸化膜１８が
埋め込まれる様子を、図１５と対応させて示している。
またこの実施の形態の場合、シリコン窒化膜１３の表面
をシリコン酸化膜１６で覆って、過水素化シラザン重合
体溶液が直接シリコン窒化膜１３に接触しないようにし
ている。この結果、従来のようにシリコン窒化膜に接す
る部分のエッチングレートが高く、この部分で形状劣化
が生じるという事態が確実に防止される。

【００２２】［実施の形態２］図１０〜図１３を用いて
他の実施の形態を説明する。図１〜図３までは先の実施
の形態と同様である。素子分離溝５を形成した後にこの
実施の形態では、図１０に示すように、シリコン窒化膜
１３をウェットエッチングして、その開口端面を僅かに
後退させる処理を行う。この後、先の実施の形態と同様
の工程を行う。

【００２３】即ち、図１１に示すように、素子分離溝１
５の内面及びシリコン窒化膜１３の表面にシリコン酸化
膜１６を形成する。そして、過水素化シラザン重合体溶
液を塗布し、水蒸気雰囲気での熱処理によりこれを化学
反応させて、図１２に示すようにシリコン酸化膜１８に
変成させる。更に、ＣＭＰ処理を行って、図１３に示す
ようにシリコン酸化膜１８を素子分離溝１５に残して平
坦化した後、緻密化の熱処理を行う。

【００２４】この実施の形態によると、先の実施の形態
と同様の効果が得られる他、素子分離溝１５に埋め込ま
れたシリコン酸化膜１８がその後のウエットエッチング
工程でエッジ部がエッチングされることによる不都合が
回避される。即ち、シリコン窒化膜１３及びシリコン酸
化膜１２のウェットエッチング工程で、素子分離絶縁膜
であるシリコン酸化膜１８のある程度の後退が避けられ
ない。図１６は、従来法により埋め込まれるシリコン酸
化膜４のエッジ部が大きくエッチングされて、素子分離
領域境界に大きな窪みが発生した様子を示している。こ
れは、後に形成される素子のリークや短絡の原因にな
る。この実施の形態の場合、素子分離溝１５より広い範
囲をシリコン酸化膜１８が覆う形になるため、図１６の
ような状態をもたらすことなく、素子分離溝１５内を確
実にシリコン酸化膜１８で埋めることができる。

【００２５】［実施の形態３］上記実施の形態におい
て、シリコン窒化膜１３の表面にシリコン酸化膜１６を
形成する方法として、ラジカル酸化法を用いた。この他
にも、減圧ＣＶＤ法或いはプラズマＣＶＤ法を用いて、
図１４に示すように、素子分離溝１５の内面からシリコ
ン窒化膜１３の表面までシリコン酸化膜２１を薄く堆積
してもよい。但しこの場合も、素子分離溝１５の面には
予め熱酸化によるシリコン酸化膜１６を形成することが
好ましい。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、過
水素化シラザン重合体溶液を用いた素子分離溝埋め込み
において、形成されるシリコン酸化膜の緻密化処理を、
不要部分の除去後に行うことによって、形状劣化のない
シリコン酸化膜埋め込みが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態によるシリコン窒化膜堆
積工程を示す断面図である。

【図２】同実施の形態のシリコン窒化膜エッチングの工
程を示す断面図である。

【図３】同実施の形態の素子分離溝エッチングの工程を
示す断面図である。

【図４】同実施の形態の素子分離溝及びシリコン窒化膜
へのシリコン酸化膜形成工程を示す断面図である。

【図５】同実施の形態の過水素化シラザン重合体溶液の
塗布工程を示す断面図である。

【図６】同実施の形態の過水素化シラザン重合体溶液の
化学反応工程を示す断面図である。

【図７】同実施の形態のＣＭＰ処理と緻密化工程を示す
断面図である。

【図８】同実施の形態のシリコン窒化膜及びシリコン酸
化膜のウェットエッチング工程を示す断面図である。

【図９】同実施の形態による異なる幅の素子分離溝への
シリコン酸化膜埋め込みの様子を示す断面図である。

【図１０】他の実施の形態による素子分離溝形成後のシ
リコン窒化膜エッチング工程を示す断面図である。

【図１１】同実施の形態の素子分離溝及びシリコン窒化
膜へのシリコン酸化膜形成工程を示す断面図である。

【図１２】同実施の形態の過水素化シラザン重合体溶液
を用いたシリコン酸化膜形成工程を示す断面図である。

【図１３】同実施の形態のＣＭＰ処理と緻密化処理工程
を示す断面図である。

【図１４】他の実施の形態によるシリコン窒化膜へのシ
リコン酸化膜形成工程を示す断面図である。

【図１５】従来法による素子分離溝埋め込みの様子を示
す断面図である。

【図１６】従来法による素子分離絶縁膜の形状劣化を示
す断面図である。

【符号の説明】

１１…シリコン基板、１２…シリコン酸化膜、１３…シ
リコン窒化膜、１４…開口、１５…素子分離溝、１６…
シリコン酸化膜、１７…過水素化シラザン重合体溶液、
１８…シリコン酸化膜、２１…シリコン酸化膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川崎敦子神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者松田聡神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者松森久和神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内Ｆターム(参考） 5F032 AA35 AA44 AA45 AA69 AA77 DA03 DA04 DA10 DA23 DA24 DA33 DA53 DA74 5F058 BA02 BC02 BF46 BH02 BH07 BH20 BJ06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に耐エッチングマスクを形
成する工程と、前記耐エッチングマスクの開口を介して前記半導体基板
をエッチングして素子分離溝を形成する工程と、前記素子分離溝が形成された半導体基板に、過水素化シ
ラザン重合体溶液の塗膜を形成する工程と、前記塗膜を、溶媒を揮発させた後化学反応させてシリコ
ン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜を前記素子分離溝の内部に残して除
去する工程と、前記素子分離溝に残されたシリコン酸化膜を熱処理によ
り緻密化する工程と、を有することを特徴とする半導体
装置の製造方法。
【請求項２】前記耐エッチングマスクは、シリコン窒
化膜を含んで形成され、前記素子分離溝を形成した後、前記過水素化シラザン重
合体溶液の塗膜を形成する前に、前記シリコン窒化膜の
表面にシリコン酸化膜を形成する工程を有することを特
徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記耐エッチングマスクは、シリコン窒
化膜を含んで形成され、前記素子分離溝を形成した後、前記過水素化シラザン重
合体溶液の塗膜を形成する前に、前記シリコン窒化膜の
開口端面を後退させるエッチングを行った後、前記シリ
コン窒化膜の表面にシリコン酸化膜を形成する工程を有
することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造
方法。
【請求項４】前記シリコン窒化膜の表面にシリコン酸
化膜を形成する工程は、ラジカル酸化法、減圧ＣＶＤ
法、プラズマＣＶＤ法のいずれかであることを特徴とす
る請求項２又は３記載の半導体装置の製造方法。