JPH11186253A

JPH11186253A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH11186253A
Application number: JP13718398A
Authority: JP
Inventors: Tatsujin So; 達人荘; Giyu Jo; 義裕徐; Hakusho Cho; 博勝張
Original assignee: Nanya Technology Corp
Current assignee: Nanya Technology Corp
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 1999-07-09
Also published as: TW364204B

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】ＬＯＣＯＳ法におけるバーズビークの形成を防
ぎ再現性にも優れて厚さが均等な分離物を形成し、同時
に、この分離物が形成されても略平坦な表面を維持しつ
つ、分離物を形成するときに発生する応力や窒素成分の
拡散を大幅に抑制して、半導体素子の品質を向上させ
る。【解決手段】半導体基板２０上に形成された薄い酸化膜
２１とシリコン窒化膜２２のマスク層を選択的にエッチ
ングして開口部２３を形成し、素子間分離物を形成した
い部分の半導体基板２０を、開口部２３を介して露出さ
せる。この開口部２３の下方の半導体基板２０に酸素イ
オンを斜めに打ち込み、その範囲がマスク層端部の下方
に達するイオン注入領域２４を形成する。さらに、熱酸
化成長法を利用して、露出した部分の半導体基板２０に
素子間分離物となるフィールド酸化膜を形成する。さら
に、そのマスク層を除去して半導体素子の分離物形成工
程を完了する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体集積
回路の製造、特に半導体装置における素子分離法を用い
た半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路製造技術の発展に
ともない、ウェーハ１枚に搭載される半導体素子の数は
増加の一途をたどっている。このような高集積化が進む
につれて半導体素子自体も微細化を続けており、生産ラ
インで使用される配線幅はすでにサブミクロンオーダの
領域に入っている。しかし、このように、半導体素子が
如何に微細であっても、ウェーハ上の半導体素子の間が
適度に分離されていなければ良質な半導体素子を製造す
ることはできない。この技術は一般に素子分離技術（De
vice Isolation Technology）と呼ばれており、先ず、
半導体素子の間に分離物を形成し、続いて、その分離物
による素子分離効果を維持しながら分離物の面積を可能
なかぎり小さくして開口部をつくりだし、できるだけ多
くの半導体素子を載せることを主な目的としている。

【０００３】現在、半導体素子の分離技術として選択酸
化法（以下にＬＯＣＯＳ法という）が広く使用されてい
る。その理由は、このＬＯＣＯＳ法によって厚い酸化膜
からなる絶縁層を半導体素子間に形成することで半導体
素子間を有効に分離できるからである。その一例とし
て、図４（Ａ）および図４（Ｂ）の縦断面図を用いてＬ
ＯＣＯＳ法による一般的な半導体素子の分離プロセスを
以下に詳細に説明する。

【０００４】先ず、例えばシリコンウェーハなどの半導
体基板１０上に、マスク層として薄い酸化膜１１とシリ
コン窒化膜１２を順に形成する。続いて、図４（Ａ）に
示すように、光露光とエッチング処理を施すことによっ
てこれらの酸化膜１１とシリコン窒化膜１２に開口部１
３を形成することで、シリコン窒化膜１２と薄い酸化膜
１１のパターニングし、素子分離物を形成したい半導体
基板１０の部分を開口部１３から露出させる。

【０００５】続いて、図４（Ｂ）に示すように熱酸化成
長法を実施する。例えば図４（Ａ）に示すようなマスク
層（シリコン窒化膜１２＋酸化膜１１）が形成された基
板装置を高温炉内に入れてその内部温度を８００℃〜１
１００℃に設定し、その高温炉内に酸素を含んだガスを
流すことによって、開口部１３を介して露出したシリコ
ンウェーハに対して酸化反応を促して厚いフィールド酸
化膜１４を形成する。フィールド酸化膜１４を形成した
部分間に半導体素子のアクティブ領域が形成される。こ
のフィールド酸化膜１４の形成時に、シリコン窒化膜１
２は、その酸化速度が半導体基板１０のシリコンウェー
ハより遥かに小さいためマスクの役割を果たしており、
このためシリコン窒化膜１２で覆われていない半導体基
板１０の部分（開口部１３を介して露出した半導体基板
１０の部分）にフィールド酸化膜１４が形成されること
になる。最後に、シリコン窒化膜１２と薄い酸化膜１１
よりなるマスク層を除去して、フィールド酸化膜１４に
より素子分離が完了する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上に説明した従来の
ＬＯＣＯＳ法は、製造工程が簡単でしかも半導体素子の
分離効果に優れているため広く一般に採用されている。

【０００７】しかし、半導体素子の微細化が進みサブミ
クロンオーダの大きさを扱うような工程になると、上記
従来のＬＯＣＯＳ法では多くの欠点が生じる。

【０００８】まず、第１の欠点として、上記のようなフ
ィールド酸化膜１４を形成する際に、酸素の拡散作用の
ため酸化反応が起きる範囲が開口部１３から図４（Ｂ）
のように両横方向に拡大する。このため、フィールド酸
化膜１４はシリコン窒化膜１２と薄い酸化膜１１の端部
下方側にも形成され、フィールド酸化膜１４はその端部
に鳥のくちばしのような構造が形成される。これを、バ
ーズビーク（Bird's beak）という。

【０００９】また、第２の欠点として、このバーズビー
ク形成時にバーズビークからの圧力が原因で、シリコン
窒化膜１２の表面で圧縮応力が働く部分にある窒素を含
んだ成分が、すぐ下の薄い酸化膜１１と半導体基板１０
のシリコンウェーハとの界面上で引張り力が働く部分に
まで拡散し、シリコンとの作用を経てシリコン窒化膜１
５を形成してしまう。これは後に、半導体素子のゲート
酸化膜を成長させる際に、このシリコン窒化膜１５がマ
スクとして作用するため、その場所のゲート酸化膜が薄
くなってしまう。このシリコン酸化膜１５は、光学顕微
鏡で観察すると、半導体素子のアクティブ領域の端部で
白い帯状を呈しているため、ホワイトリボン（White ri
bbon）と呼ばれている。このホワイトリボン効果は半導
体素子の品質を左右する。

【００１０】さらに、第３の欠点として、フィールド酸
化膜１４の形成時に、シリコンが酸化されて二酸化シリ
コンになると体積が約２．２倍に増えるため、フィール
ド酸化膜１４が半導体基板１０のシリコンウェーハの表
面側から突出して非陥入表面（non-recessed surface）
を形成する。これは、平坦化の条件に反する。

【００１１】さらに、第４の欠点として、フィールド酸
化膜１４が形成される際にシリコンの体積が横方向にも
拡大するため、半導体素子のアクティブ領域にも大きな
応力が働いてバーズビーク付近に格子欠陥がたくさん生
じる。こうなると、その界面における電流の漏れが増え
て半導体素子の信頼性が低下する。

【００１２】さらに、第５の欠点として、熱酸化成長法
において、酸素を含んだガスのシリコンウェーハへの流
入速度は開口部１３の大きさによって異なるため、熱酸
化成長法による処理を同時間実施した場合、開口部１３
の開口が狭いほど、形成されるフィールド酸化膜１４の
厚さが薄くなる。このような再現性に優れない点もま
た、素子分離効果に影響をおよぼす欠点の１つである。

【００１３】そこで、第１〜第５に挙げたような従来の
ＬＯＣＯＳ法の欠点を改善する目的で半導体素子の分離
法が数多く開発され提案されている。例えば、米国特許
第４，２１１，５８２号には、Ｈｏｒｉｎｇらによる、
複数次のマスク技術を利用して２段階の酸化処理をおこ
なう素子分離法が記載されている。また、同じく米国特
許第４，８６８，１３６号には、Ｒａｖａｇｌｉａらに
よる、ＬＯＣＯＳ法と溝掘り技術とを組み合わせた素子
分離法が記載されている。しかし、これらのような改良
素子分離法を使用しても、生産率が低い、再現性に優れ
ない、製造工程が複雑である、表面が平坦でないなどの
欠点は依然として未解決のままである。

【００１４】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
で、半導体装置における素子分離プロセスに改良を加え
ることによって、従来のＬＯＣＯＳ法の欠点であるバー
ズビークの形成を防ぎ再現性にも優れて厚さが均等な分
離物を形成し、同時に、この分離物が形成されても略平
坦な表面を維持しつつ、分離物を形成するときに発生す
る応力や窒素成分の拡散を大幅に抑制することができ
て、半導体素子の品質を向上させることができる半導体
装置の製造方法を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、半導体素子の分離に使用されるＬＯＣＯＳ法
を用いた半導体装置の製造方法において、半導体基板の
表面上にマスク層を形成する工程と、マスク層を選択的
にエッチングしてマスク層に開口部を形成する工程と、
開口部下方の半導体基板に酸素イオンを斜めに打ち込ん
で、範囲が前記マスク層端部の下方に達するイオン注入
領域を形成する工程と、熱酸化成長法を利用して、開口
部を介して露出した半導体基板にフィールド酸化膜を形
成する工程とを有することを特徴とするものである。

【００１６】この構成により、酸素イオンの注入工程に
おいて、半導体基板に酸素イオンを斜めに打ち込んで、
酸素イオンがマスク層端部の下方にも分布するようにし
ている。続いて、ＬＯＣＯＳ法によって酸素イオンの注
入領域に分離物を形成する。このとき、前段階で打ち込
まれたマスク層端部下方部分の酸素イオンが半導体基板
のシリコンと作用し合うため、このマスク層端部下方部
分の反応速度も増すことで、分離物の厚さが均等にな
り、従来のようなバーズビークの形成が防止される。こ
のバーズビークの形成防止によって、バーズビーク形成
時に発生する応力や窒素成分の拡散が大幅に抑制可能
で、半導体素子の品質向上させることが可能となる。ま
た、予め酸素イオンが注入されているので、酸化反応時
間が短縮され、かつ、より奥深くにフィールド酸化膜が
形成されて、半導体基板表面の平坦度をより高めること
が可能となる。予め酸素イオン注入が為されているの
で、熱酸化成長法を実施する際の酸化速度を増すことが
可能で、開口部２３の開口の大きさの多少の変化でフィ
ールド酸化膜の厚さが変化する度合いが抑制されて、再
現性にも優れ分離物の厚さが均等になる。このようにし
て、従来のＬＯＣＯＳ法の多くの欠点が改善され得る。

【００１７】また、本発明の半導体装置の製造方法にお
けるマスク層は、少なくとも酸化膜とシリコン窒化膜を
有している。この場合、このマスク層は、酸化膜とシリ
コン窒化膜の２層構造か、または薄い酸化膜、ポリシリ
コン膜、シリコン窒化膜の３層構造であることが好まし
い。このようにして、薄い酸化膜とシリコン窒化膜との
間にポリシリコン膜を設けて３層構造とすれば、分離物
に働く応力がより効果的に緩和され得る。

【００１８】さらに、本発明の半導体装置の製造方法に
おいて、薄い酸化膜の厚さは５０Å〜２００Åで、シリ
コン窒化膜の厚さは５００Å〜２０００Åで、ポリシリ
コン膜の厚さは２００Å〜１０００Åであることが好ま
しい。

【００１９】さらに、本発明の半導体装置の製造方法に
おいて、酸素イオンを注入する工程は、その注入エネル
ギーが５０〜１５０ＫｅＶで、その注入量が１×１０¹⁵
〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²に設定されることが好
ましい。また、本発明の半導体装置の製造方法におい
て、熱酸化成長法の実施温度は８００〜１１００℃に設
定されることが好ましい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体装置の
製造方法の実施形態について図面を参照して詳細に説明
する。

【００２１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２（Ａ）およ
び図２（Ｂ）は本発明の一実施形態における半導体装置
の各製造工程の概略構成を示しており、図１（Ａ）はマ
スク層の形成工程における縦断面図、図１（Ｂ）は酸素
イオン注入工程における縦断面図、図２（Ａ）はフィー
ルド酸化膜の形成工程における縦断面図、図２（Ｂ）は
マスク層の除去工程における縦断面図である。

【００２２】図１（Ａ）に示すように、半導体基板２０
上に、薄い酸化膜（pad oxide layer）２１とシリコン
窒化膜２２の２層構造のマスク層を形成する。続いて、
このマスク層を選択的にエッチングしてマスク層が所定
のパターンとなるようにマスク層に開口部２３を形成す
る。

【００２３】例えば、この半導体基板２０のシリコンウ
ェーハの表面上に、化学蒸気法（ＣＶＤ法）または熱酸
化成長法を利用して厚さが５０〜２００Åの薄い酸化膜
２１を形成し、さらに、その薄い酸化膜２１の表面上に
ＣＶＤ法を利用して厚さが５００〜２０００Åのシリコ
ン窒化膜２２を堆積させる。続いて、光露光とエッチン
グ処理を施すことによってこれらの薄い酸化膜２１とシ
リコン窒化膜２２に開口部２３を形成して、シリコン窒
化膜２２と薄い酸化膜２１をパターン化する。このよう
にして、半導体素子間の分離物としての後述のフィール
ド酸化膜２５を形成したい部分の半導体基板２０を、開
口部２３を介して露出させる。

【００２４】次に、図１（Ｂ）に示すように、酸素イオ
ン（Ｏ⁺）を半導体基板２０の開口部２３を介して斜め
に打ち込んで酸素イオン注入領域２４を形成する。この
とき、酸素イオンの注入エネルギーと注入量は、各製造
工程の需要に見合うように調整するのが好ましい。例え
ば本実施形態では、酸素イオンの注入エネルギーは５０
〜１５０ＫｅＶで、また、その注入量は１×１０¹⁵〜１
×１０¹⁷ａｔｏｍ／ｃｍ²に設定されている。また、こ
のとき、酸素イオンは斜めに注入されるため、その分布
範囲は開口部２３を介してシリコンウェーハが露出した
部分から、例えば図１（Ｂ）における両横方向にまで拡
大してマスク層端部の下方位置に達している。

【００２５】続いて、図２（Ａ）に示すように、熱酸化
成長法を利用して、開口部２３を介して露出したシリコ
ンウェーハにフィールド酸化膜２５を形成する。例え
ば、図１（Ｂ）に示すような酸素イオン注入工程を終え
た基板装置を高温炉に入れて温度を８００℃〜１１００
℃に設定すると共に、この高温炉内に酸素を含んだガス
を流すことによって、開口部２３を介して露出したシリ
コンウェーハの酸化反応を促して、その露出した部分の
半導体基板２０に厚いフィールド酸化膜２５を形成し、
半導体素子のアクティブ領域の範囲が設定される。この
とき、フィールド酸化膜２５の形成において、拡散によ
って流入する酸素を含んだガスのほか、開口部２３を介
して半導体基板２０に打ち込まれた酸素イオンも酸化反
応に参加するため、全体の酸化速度を増すことができ
る。こうして、形成されるフィールド酸化膜２５の厚さ
は半導体基板２０の平面方向に均等になる。よって、マ
スク層下方の端部に形成されるフィールド酸化膜２５も
真ん中の部分と大よそ同じ厚さになるため、従来の図４
（Ｂ）のようなバーズビークは形成されない。

【００２６】最後に、マスク層である２層構造のシリコ
ン窒化膜２２と薄い酸化膜２１を順に除去して、略平坦
化されたフィールド酸化膜２５だけを残すことができ
る。例えば、熱した燐酸溶液で先ずシリコン窒化膜２２
を除去し、続いてフッ化水素酸を含んだ溶液で薄い酸化
膜２１を除去すれば、図２（Ｂ）に示されるようなフィ
ールド酸化膜２５で構成された半導体素子間の分離物の
形成が完成する。

【００２７】したがって、従来の技術と比較すると、本
発明による素子間分離物の形成工程には、以下のように
多くの長所がある。本発明の第１の長所として、素子間
分離物を形成したい部分（開口部２３を介して露出した
シリコンウェーハの部分）の半導体基板２０に酸素イオ
ンを注入して酸素イオン注入領域２４を形成しているた
め、熱酸化成長法を実施する際の酸化速度を増すことが
できる。しかも、酸素イオンを斜めに打ち込んでいるた
め、酸素イオン注入領域２４の端部はマスク層の下方位
置に達し、よって形成される素子間分離物の厚さは基板
平面方向に均等になり、従来のバーズビークの形成を防
ぐことができる。このバーズビークの形成防止によっ
て、バーズビーク形成時に発生する応力や窒素成分の拡
散が大幅に抑制可能で、半導体素子の品質向上を図るこ
とができる。

【００２８】また、本発明の第２の長所として、半導体
基板２０の開口部２３を介した露出部分には予め酸素イ
オンが注入されているため、酸化反応の時間を短縮で
き、かつ、半導体基板２０のより奥深くにフィールド酸
化膜１５を形成することができる。よって、半導体基板
２０表面の平坦度をより高めることができ、多層化工程
の応用に有利である。

【００２９】さらに、本発明の第３の長所として、予め
酸素イオン注入領域２４を形成しているため、熱酸化成
長法を実施する際の酸化速度を増すことができるので、
開口部２３の開口の大きさの多少の変化でフィールド酸
化膜２５の厚さが変化する度合いを抑制できて、再現性
にも優れて分離物の厚さが均等になる。

【００３０】さらに、本発明の第４の長所として、本発
明における改良素子分離法は現行の素子分離法と完全に
適合可能であり、酸素イオンを斜めに打ち込む工程を加
えるだけで公知技術の上記各種欠点を改善することがで
きる。よって、素子間分離物の各形成工程は複雑化せず
生産効率に影響なく、製造コストの大幅増加も避けられ
る。

【００３１】なお、以上は好ましい実施形態との関連の
基で本発明の説明を行ったが、本実施形態の内容は本発
明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
本実施形態は、本発明の基本原理と実例を最適な方法で
説明するために選択されたものであり、当該技術に熟知
した者であれば、本発明の精神と領域を脱しない範囲で
変更や潤色を加えることができるものである。したがっ
て、本発明の保護範囲は特許請求の範囲を基準とする。

【００３２】また、本実施形態では、図１（Ａ）に示す
ようにマスク層を、薄い酸化膜２１とシリコン窒化膜２
２の２層構造としたが、図３に示すようにマスク層を、
薄い酸化膜２１、ポリシリコン膜２６およびシリコン窒
化膜２２の３層構造とすることもできる。このように、
マスク層のシリコン窒化膜２２と薄い酸化膜２１の間に
厚さ約２００〜１０００Åのポリシリコン膜２６を形成
すると、その後の工程でフィールド酸化膜２５を形成し
た場合に、そのフィールド酸化膜２５を構成する素子分
離物に働く応力をより効果的に緩和することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、酸素イオ
ンの注入工程において、半導体基板に酸素イオンを斜め
に打ち込んだ後に、ＬＯＣＯＳ法によって酸素イオンの
注入領域に分離物を形成するため、マスク層端部下方部
分の反応速度も増すことで、分離物の厚さが均等にな
り、従来のようなバーズビークの形成を防止することが
できる。

【００３４】また、このバーズビークの形成防止によっ
て、従来、バーズビーク形成時に発生する応力や窒素成
分の拡散を大幅に抑制することができ、半導体素子の品
質を向上させることができる。

【００３５】さらに、このように、予め酸素イオンが注
入されているため、酸化反応時間を短縮でき、かつ、よ
り奥深くにフィールド酸化膜を形成できることで、半導
体基板表面の平坦度をより高めることができる。また、
予め酸素イオンが注入されているため、熱酸化成長法を
実施する際の酸化速度を増すことができて、開口部の開
口の大きさの多少の変化でフィールド酸化膜の厚さが変
化する度合いを抑制でき、再現性に優れ分離物の厚さを
均等にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における半導体装置の各製
造工程の概略構成を示しており、（Ａ）はマスク層の形
成工程における縦断面図、（Ｂ）は酸素イオン注入工程
における縦断面図である。

【図２】本発明の一実施形態における半導体装置の各製
造工程の概略構成を示しており、（Ａ）はフィールド酸
化膜の形成工程における縦断面図、（Ｂ）はマスク層の
除去工程における縦断面図である。

【図３】本発明の他の実施形態における半導体装置のマ
スク層の形成工程の概略構成を示す縦断面図である。

【図４】従来のＬＯＣＯＳ法を利用して素子間分離物を
形成する際の各工程の縦断面図である。

【符号の説明】

２０半導体基板２１酸化膜２２シリコン窒化膜２３開口部２４酸素イオン注入領域２５フィールド酸化膜２６ポリシリコン膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子の分離に使用される選択酸化
法を用いた半導体装置の製造方法において、半導体基板の表面上にマスク層を形成する工程と、前記マスク層を選択的にエッチングして前記マスク層に
開口部を形成する工程と、前記開口部下方の半導体基板に酸素イオンを斜めに打ち
込んで、範囲が前記マスク層端部の下方に達するイオン
注入領域を形成する工程と、熱酸化成長法を利用して、前記開口部を介して露出した
半導体基板にフィールド酸化膜を形成する工程とを有す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記マスク層は、少なくとも酸化膜とシ
リコン窒化膜を有した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。
【請求項３】前記酸化膜の厚さが５０Å〜２００Åで
あることを特徴とする請求項２に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厚さが５００Å〜
２０００Åであることを特徴とする請求項２または３に
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記マスク層はポリシリコン膜をさらに
有し、前記ポリシリコン膜の厚さが２００Å〜１０００
Åであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記酸素イオンを注入する工程は、その
注入エネルギーが５０〜１５０ＫｅＶで、その注入量が
１×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²で実施され
ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の
半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記熱酸化成長法は８００〜１１００℃
の温度で実施されることを特徴とする請求項１乃至６の
いずれかに記載の半導体装置の製造方法。