JPH021123A - 分離酸化中シールされる界面のためのオキシナイトライドを形成する急速熱窒化方法 - Google Patents

分離酸化中シールされる界面のためのオキシナイトライドを形成する急速熱窒化方法

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JPH021123A
JPH021123A JP63260723A JP26072388A JPH021123A JP H021123 A JPH021123 A JP H021123A JP 63260723 A JP63260723 A JP 63260723A JP 26072388 A JP26072388 A JP 26072388A JP H021123 A JPH021123 A JP H021123A
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layer
silicon dioxide
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forming
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Steven Shao-Lun Lee
ステイーブン・シヤウールン　リー
Derryl Dwayne John Allman
デリル　ドウエイン　ジョン　オールマン
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Landscapes

  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Local Oxidation Of Silicon (AREA)
  • Element Separation (AREA)

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は集積回路電子装置の形成方法に関し、特にシ
リコン・ベースド基板を酸化して一般にフィールド酸化
領域として知られる二酸化シリコン誘電体から成る凹部
領域の形成方法に関する〇〔背景技術〕 フィールド酸化物が形成される熱酸化工程中、基板のア
クティブ領域は従来相当厚い窒化シリコン層でマスクさ
れた。一般にパーツビークと呼ばれるマスク窒化物層の
下の層に対するフィールド酸化物の侵食はそれに比例し
て使用可能なアクティブ領域を減少させる。そのように
して使用しうるアクティブ領域に対する直接的影響があ
るため、このパーツビークの減少或は除去はこの業界に
共通の目標である。
パーツビークを除去しようとする研究者は、パーツビー
クの形成に係わる主なものとしては、マスク窒化シリコ
ン層とシリコン基板との間に従来から置かれる相当薄い
二酸化シリコン層であることがわかった。この二酸化シ
リコンの６ノぐラド”又は技術層の目的は、さもなけれ
ばシリコン基板と窒化シリコン層との間の結合部に発生
し、シリコン基板のアクティブ領域に結晶欠陥を生じさ
せるような緊張の発生全緩和するこ吉である。そのため
、ノクツド／緩衝（バッファ）酸化物層がパージビーク
形成の支配的原因であるとの認識から結晶欠陥を生じさ
せずに緩衝層の使用を省略する方向に多くの技術的努力
が払われてきた。例えば、米国特許第４．３３１，７１
０号はシリコン基板の直接熱窒化を開示している。米国
特許第４，５７５，９２１号は窒素イオン・ミリングを
使用して基板表面に直接窒素種を注入してその表面を窒
化物化合物マスク層に変換することを教示している。最
近、マスク窒化物層の下に酸素が貫通するのを防ぐため
、種種の幾分精細な側壁窒化物マスク技術を含むより最
近の精密技術によシ緩衝層のためのよシ薄い層とマスク
層のだめのより厚い層との使用が提案された。
Ｈｕｉ＃Ｊかが開示した論文“高密度ＭＯ８用セレクテ
ィプ酸化技術”（ＩＥＥＥ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖ
ｉｃｅＬｅｔｔｅｒｓ＋　Ｖｏｌ、　ＥＤＬ−２＋　１
９８１年１０月）はマスク窒化物層とシリコン基板との
間の界面の方に向けられたより最近の研究のほとんどの
基礎を形成するものである。考慮しうる緩衝層の中でＨ
ｕｔほかは薄く成長したオキシナイトライド・フィルム
と反Ｓｒ窒化酸化物層によって形成されたオキシナイト
ライド・フィルムとをマスク窒化物層に関する緊張を緩
衝するものとして評価した。Ｈｕｔほかが考察した最大
見込みのある緩衝層は窒化物注入マスク層、ＬＰＣＶＤ
窒化物マスク層、プラズマ窒化物マスク層であり、これ
らは基板の結晶欠陥を生じさせずパーツビークを最少に
する観点のものであった。緩Ｓ層として反応炉成長又は
変換されたオキシナイトライドの使用は考慮されたが、
パーツビーク除去のためにはあまり見込みがないものと
して捨てられた。
又、最近の研究には、酸化物の窒化における一般的及び
特別な急速熱アニールが開示されている。
最近の最も適切な知識による急速熱アニールはダート酸
化物層の窒化に使用される。それはＨｏｒｉほかによる
論文６急速熱アニールによって作られたナノメートル範
囲の薄い窒化酸化物における界面状態及び固定チャージ
”に見ることができる（　ＩＥＥＥ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　＋　１９８６年１２
月）。
〔この発明が解決しようとする問題点〕しかしながら、
この論文は、そのような誘電体が５〜１２ナノメートル
の範囲の厚さで使用されたときに、信頼性のあるダート
絶縁材料の形成のだめの窒化方法の探研に向けられてい
るものであってこの発明の目的を達成するものではない
。
この発明の目的はパーツビーク効果を最少にするため、
単結晶シリコン基板と窒化シリコン又は同様なものから
成るパターン化フィールド酸化マスク層との間の界面を
シールする方法を提供することである。この方法は最少
の製造シーケンス精製法で他の方法と共に共通に使用さ
れているシリコン・フィールド酸化物形成の局部酸化方
法の状況で、又はシールド界面局部酸化方法で実施する
ことができる。
〔問題を解決するための手段〕
従って、この発明は次のようにして上記の問題を解決し
た。
この発明の好ましい実施例においては、アンモニア又は
窒素環境下で輻射（又は放射）源急速熱アニール動作を
含み、単結晶シリコン基板の上に置かれる薄い二酸化シ
リコン層の急速熱窒化を起させる。高温サイクルの期間
及び高さにより、二酸化シリコンの過渡的温度傾斜（勾
配）を発生し、ある最終構造のための酸化物−オキシナ
イトライド化合物勾配（傾斜）を発生して基板ドーパン
トの再分散効果を最少にする。薄いノクソド二酸化シリ
コン層の化合物層への変換は窒化シリコン・マスク層と
シリコン基板との間の熱膨張係数の違いを緩衝する一方
、その後のフィールド酸化物成長動作中の酸素種の拡散
のだめの通り路をほとんど除去するようになる。
急速熱窒化に続き、パッド・オキシナイトライド層はフ
ィールド酸化物成長の準備のため、シリコン基板の上の
層のマスク及びｉ４ターン・エツチングを受ける前に低
圧化学蒸着デポジッ）　（ＬＰＧＶＤ）で処理された窒
化物層とその他の希望する層によってカバーされる。
〔実施例〕
次に、１対の実施例によってこの発明の詳細な説明する
。すなわち、薄い酸化物層の急速熱窒化によって形成さ
れたオキシナイトライド層は化合物の傾斜を表わし、そ
れによって通常ノクツド酸化物によって与えられる熱膨
張係数緩衝特性を保持しながら窒化物マスク層の下にお
ける望ましくない酸素種の横拡散を防止する。その結果
、基板シリコン表面の破損及びパーツビークの形成が防
止される。その上、この方法は温度／時間感知基板ドー
パントの再分散効果なしに、最少の製造時間の追加を要
するｌ製造工程の追加のみでＬＯＣＯＳ又は５ＩＬＯタ
イプのフィールド酸化物製造シーケンスに組込むことが
できる。その上、侵食、すなわちパーツビークの長さと
フィールド酸化物の厚さとの間の割合は前述のＨｕｉほ
かによる論文によって評価され、捨てられたタイプのオ
キシナイトライド・・ぐラド層におけるものに比べて相
当改良されたことに注意を要する。
第１の実施例は、ＬＯＧＯ８技術に従ってフィールド酸
化物領域を製造するシーケンス”Ａ”を第１Ａ図乃至第
５Ａ図に示す。第２の実施例は第１Ｂ図乃至第５Ｂ図に
示すよりな５ＩＬＯ技術に従ってフィールド酸化物を形
成する方式であるＢ”シーケンスに示す。
第１Ａ図から始まるＬＯＣＯ８技術においては、単結晶
シリコン基板１の上には好ましくは熱酸化により比較的
薄い、すなわち公称１３〜１５ナノメートル厚の二酸化
シリコン層２を形成する。薄い酸化層２は、さもないと
窒化シリコン層４（第３Ａ図）から誘起されるようなス
トレスからシリコン基板ｌの表面３を分離する従来のノ
４ツド又は緩衝層である。シリコン基板１の表面３に対
する窒化シリコン層４の低圧化学蒸着（ＬＰＧＶＤ　）
による直接形成はシリコン基板に形成されたアクティブ
領域の実行性能を劣化させるだけ十分な性質の結晶の転
位線を生じさせることになる。そのストレスに対する実
質的寄与は熱膨張係数で異なる。他方、窒化物層と基板
層との間にパッド酸化物２が含有すると、０．３〜０．
４の範囲の侵食率でパーツピーク成長を生じさせるに十
分な性質及び程度のマスキングＬＰＧＶＤ窒化物層の下
の領域に対し酸化物に沿って酸素種の拡散を生じさせる
ことになる。
次の第２Ａ図の合成処理は一般に急激熱窒化と称する、
パッド酸化物２をオキシナイトライド層６に変換するよ
うにしたアンモニア中における急激熱アニール動作の導
入を含む。短期間の熱窒化工程はパッド酸化物２及びシ
リコン基板１を通して温度傾斜（勾配）を発生し、酸化
物及びオキシナイトライド合成物の傾斜を生じさせる。
酸化物２の厚さにおいて窒素密度は酸化物２がシリコン
基板１と出合う界面において最大となる。
窒素は酸化物２に導入される結合のミスマツチ・ストレ
子によってその界面に集められ、そのストレスが窒素に
使用可能な原子レベルのスペースを増加する。よシ厚い
酸化物層２は通常そのシリコン基板１の界面と外面５の
両方により高い窒素集中を有するであろう。薄い酸化物
層２、例えばｌ　Ｑ　ｎｍａ又はそれ以下の酸化物１０
は２２に述べる形式の急速熱窒化の後、比較的均質とな
るであろう。
急速熱窒化は１８０秒間表面５で約１１５０℃の温度を
発生するように構成動作するタングステン−ハロゲン・
ラング輻射エネルギ源を使用して行われる。熱サイクル
は大気圧の純アンモニア中で行われる。そのような急速
熱窒化はノクツド酸化物層２をシリコン基板１によシ高
い温度を期間を延長して受けさせることなく傾斜オキシ
ナイトライド６に変換するであろう。
第２Ａ図の急速熱窒化に続き、ナイトライド層６は公称
１００ナノメートル厚にデポジットされたＬＰＧＶＤ窒
化シリコン層４から変換される。その後、幾分ＬＯＣＯ
８製造方式を維持して、第３Ａ図の構造が写真のような
方法で処理され、マスク・ホトレジストの・ぞターンを
形成し、順次ＬＰＧＶＤ窒化物４、オキシナイトライド
層６及びシリコン基板１の公称３０ナノメートルを選択
的に除去するよう異方性エツチングを受けさせる。基板
１のエツチングによシ第４Ａ図に示すような凹部８を形
成する。好ましくは、このエツチング処理は当世のリア
クティブ・イオン・エツチング装置を使用して行われ、
その凹部の大体縦壁の形成を保証する。
例えば、そのエツチングはＣＨＦ３１０２ガスを使用し
た圧力約２５ｍトルのＲＦドライブ・プラズマ・エツチ
ングで達成することができる。
フィールド酸化物成長動作がそれに続き、それは約４５
分間にわたシ、温度的９５０℃、ウェット酸化中で行わ
れるのが好ましい。その後、従来方式によるＬＰＣＶＤ
窒化物４及びオキシナイトライド６層の除去が行、われ
る。それはＣＨＦ３１０２又は１０　：　Ｉ　ＮＨ４Ｆ
　：　ＨＦウェットエツチング剤でボイルしたＨ３ＰＯ
４酸又はＲＩＥ　７’ラズマ・エツチング剤を使用して
行われ、第５Ａ図に示すような、相当平坦且２大きなバ
ージビーク特性のないフィールド酸化物９の外形を形成
することができる。公称７００ナノメートル厚のフィー
ルド酸化物が形成されると共に、シーケンス″Ａ”につ
いて、侵食、すなわちバージビーク長とフィールド酸化
物層との比は公称０．１ということがわかった。・ぐラ
ド層分離又は緩衝は前記したように、オキシナイトライ
ド６の寄与を保証し、基板１のアクティブ領域表面１１
は今サブミクロン間が要求さｎている強調さｎた範囲に
おける転位は発生せず、高パホーマンスのアクティブ電
界効果又はバイポーラ装置を達成することができる。
急速熱窒化状態の選ばｎた組合わせによる製造シーケン
スで区別できる状態にある単一工程を含むことによって
多大なパーツビーク抑制の改良が得らｎたということに
特に注目するべきである。
他の実施例は、Ｂ”シーケンスとして図に示すように、
５ＩＬＯ処理を使用してフィールド酸化物を形成するも
のである。その製造は第１Ｂ図から始まり、そのシリコ
ン基板ｌはその上に非常に薄い二酸化シリコン層を有す
る。自然の酸化物層２１は公称１〜３ナノメートル厚で
あり、その名のとおり、シリコン基板ｌの簡単な酸化や
又は自然に形成さｎたものでよい。窒素又はアンモニア
の急速な熱アニールで大気圧が用いらｎ（第２Ｂ図に示
す）、自然の酸化物２１を薄いオキシナイトライド層２
２に変換する。
この急速な熱窒化は、チャンバが大気圧の窒素又はアン
モニア・ガスを約１．４リットル／分流している間に、
約４０秒間、温度約１１５０℃を酸化物２１表面にかけ
るよう動作するタングステン−ハロゲン・ランプを使用
して行うのが好ましい。
オキシナイトライド層２２は本来の厚さ１〜３ナノメー
トルのままである。
急速な熱窒化に続き、この製造シーケンスは、−船釣な
５ＩＬＯ処理に従い、公称１５〜１８ナノメートル厚の
ＬＰＧＶＤ窒化シリ窒化層９３フ続いて公称３５〜４０
ナノメートル厚のプラズマＣＶＤ又は低温酸化物（　Ｌ
ＴＯ　）層２４を形成し、公称１００ナノメートル厚の
ＬＰＣＶＤ窒化シリ窒化シリコ全層２６る。
第３Ｂ図の合成構造は、好ましくはりアクティブ・イオ
ン・エツチングのような前述の方法によるホトレゾスト
を使用したホトリソグラフ処理を受け、全体として第４
Ｂ図に示すようにシリコン基板１のフィールド酸化物領
域を露出する。シリコン基板ｌは再びその表面３の下公
称３０ナノメートルの溝をつける。又、リアクティブ・
イオン・エツチングの特性にあるように、シリコン基板
１の２７同様、連続層２２．２３，２４．２６の壁は大
体垂直である。
まだ、５ＩＬＯ処理に従い、次に第４Ｂ図のシリコン基
板１は約４５０分間、温度約９５０℃でウェット酸素気
中で酸化を受け、公称約７００ナノメートル厚のフィー
ルド酸化物領域２８（第５Ｂ図）を形成する。ＬＰＣＶ
Ｄ窒化物２３　、２６の比較的薄い多層は酸化中合成マ
スク層が持上るのを抑制する上、第５Ｂ図に示すように
いかなるパーツビーク効果をも制限するだけ十分な堅さ
を有する。再び、パーツビークの効果的な不存在は、第
４Ｂ図のＡ’ツド／緩緩衝ナトトラ４２層２２沿ったい
かなる酸素種の拡散の強制的な抑制に基本的に貢献しう
るものである。
第５Ｂ図は代表的なフィールド酸化物領域２８の断面図
であり、それはマスク層２２　、　２３　。
２４　、２６１ｒ従来方式で除去し、シリコン基板１の
アクティブ領域の表面２９全露出した後を示す。
薄いオキシナイトライド層２２のパッド／緩衝効果に従
い、シリコン基板表面２９の破損は除去される。非常に
薄いオキシナイトライド層２２はＬＰＣＶＤ窒化物層２
３とシリコン基板１との熱膨張係数の違いによる衝撃を
吸収するに十分な厚さである。厚いＬＰＣＶＤ窒化物層
２６も同様に酸化物層２４によって緩衝される。フィー
ルド酸化物のアクティブ領域に対する侵入はこの処理シ
ーケンスに従い有効に無視しうる程になった。しかし、
比較したとき、アクティブ領域表面２９にすぐ隣シ合う
フィールド酸化物２８の相対的急傾斜が与えられ、フィ
ールド酸化物２８はフィールド酸化物９（第５Ａ図のＬ
ＯＣＯＳシーケンス）より平坦でないということが明ら
かである。
再びパーツビークの異状な程の抑制に注目するべきであ
る。
輻射エネルギの急速な熱窒化の実行のための温度及び時
間的条件は上記の実施例で使用したものに限定されるべ
きでない。例えば、極く薄い酸化物のために、炉中温度
約１２５０℃で約１０秒の短い期間を使用することも可
能である。又、逆の極端な点では、比較的厚い・ゼット
／緩衝酸化物のために、３０分までの期間で約９００℃
の範囲の表面温度を使用することができる。正確な条件
の組合わせは次のように埋閂して選ばれるべきである。
すなわち、酸化物層３又は２１の外面に向けられた短期
間の高い強度の輻射エネルギ源は露出した酸化物の窒化
を容易にするストレス傾斜を有する過渡温度傾斜を発生
するものと信じられる。
これらの条件は２〜３時間に亘り、ランプ温度を上昇及
び下降させる場合の要時間の炉中窒化に明らかに対照で
ある。又、基板の炉又は対流型熱条件性はチャンバの清
掃を予め行ったとはいえ、相当長いランプ上昇時間、酸
化対窒化開始における低い温度、水から本来得られる酸
素種及びシリコン基板に予め吸収されていた酸素種のた
め望ましくない酸化を受ける。
本来の二酸化シリコンに比較して緩衝又は・ぐラド効果
を維持しながら、フィールド酸化物形成中酸素種の横拡
散を禁止するべく薄い二酸化シリコン・・ぐラド／緩衝
層の急速熱窒化は、多結晶又はアモルファス形シリコン
を含みシリコン基板を使用する各種の半導体製造処理一
般に使用されうろことは当業者間に疑いがない。
【図面の簡単な説明】
第１Ａ図乃至第５Ａ図は、この発明によりシリコン局部
酸化（ＬＯＣＯ８）製造シーケンスの前後関係を表わし
た簡略断面図、 第１Ｂ図乃至第５Ｂ図は、シールド界面局部酸化（５ｒ
Ｌｏ　）ｆｆ造クシ−ケンス前後関係を表わしたこの発
明の簡略断面図である。 図中、１・・・シリコン基板、２・・・パッド酸化物、
４　、２３−ＬＰＧＶＤ窒化物、６　、２２−オ＊シナ
イトライド、２１・・・自然の酸化物。 出願代理人　　斉　藤　　　勲 ＦＩＧ、　ＩＡ ＦＩＧ、　ＩＢ ＦＩＧ、　４Ａ ＦＩＧ、４Ｂ ＦＩＧ、　２Ａ ＦＩＧ、　２Ｂ ＦＩＧ、　５Ａ ＦＩＧ、　５Ｂ ＦＩＧ、　　３Ａ ＦＩＧ、　３Ｂ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）窒化シリコンと窒化シリコン・ベースド酸化マス
    ク層との間にパッド又は緩衝層を形成する方法であって
    、 シリコン基板上に薄い二酸化シリコン層を形成し、 前記二酸化シリコン層の周囲に窒化環境を与え、前記二
    酸化シリコンに対し二酸化シリコンの窒化に適した強さ
    の輻射エネルギ源に当て、前記二酸化シリコン層を通し
    て過渡的な熱傾斜を発生する各工程を含むことを特徴と
    するパッド層の形成方法。
  2. （２）前記輻射エネルギ源の強さは９００〜１１５０℃
    から変動する二酸化シリコン表面温度を発生する特許請
    求の範囲第１項記載の方法。
  3. （３）前記輻射エネルギ源に当てる期間は１０〜１８０
    ０秒から変化する特許請求の範囲第２項記載の方法。
  4. （４）前記窒化環境はアンモニア又は窒化ガスである特
    許請求の範囲第２項記載の方法。
  5. （５）前記窒化環境はアンモニア又は窒化ガスである特
    許請求の範囲第３項記載の方法。
  6. （６）シリコン基板に薄い二酸化シリコン層を形成し、 前記二酸化シリコン層に対し窒化物環境を与え、前記二
    酸化シリコンに対し二酸化シリコンを窒化するに適した
    強さの輻射エネルギ源を当て、前記二酸化シリコン層を
    通して過渡的な熱傾斜を発生し、 前記窒化された二酸化シリコン層の上に窒化シリコン・
    ベースド酸化マスク層を形成し、 前記窒化シリコン・ベースド酸化マスク層及び窒化され
    た二酸化シリコン層をエッチングして前記シリコン基板
    の領域を選択的に露出し、 上層の存在下で前記露出したシリコン基板を酸化する各
    工程を含むシリコン半導体基板にフィールド酸化物領域
    を形成する方法。
  7. （７）前記エッチング動作は前記シリコン基板に凹部を
    形成するよう継続される特許請求の範囲第６項記載の方
    法。
  8. （８）前記輻射エネルギ源の強さは９００〜１２５０℃
    から変化する二酸化シリコン表面温度を発生する特許請
    求の範囲第６項記載の方法。
  9. （９）シリコン基板上に非常に薄い第１の二酸化シリコ
    ン層を形成し、 前記第１の二酸化シリコン層に対し窒化環境を与え、 前記第１の二酸化シリコンに対し二酸化シリコンを窒化
    するに適した強さの輻射エネルギ源に当て、前記第１の
    二酸化シリコン層を通して過渡的な熱傾斜を発生し、 前記窒化された第１の二酸化シリコン層の上に第１の窒
    化シリコン・ベースド酸化マスク層を形成し 前記第１の窒化シリコン酸化マスク層の上に第２の二酸
    化シリコン層を形成し、 前記第２の二酸化シリコン層の上に第２の窒化シリコン
    ・ベースド酸化マスク層を形成し、前記窒化シリコン・
    ベースド及び二酸化シリコン層をエッチングして前記シ
    リコン基板の選択的領域を露出し、 上層の存在下で前記露出したシリコン基板を酸化する各
    工程を含むシリコン半導体基板に対するフィールド酸化
    物形成方法。
  10. （１０）前記エッチング動作は前記シリコン基板に凹部
    を形成するよう継続される特許請求の範囲第９項記載の
    方法。
JP63260723A 1987-10-19 1988-10-18 分離酸化中シールされる界面のためのオキシナイトライドを形成する急速熱窒化方法 Pending JPH021123A (ja)

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