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JP2009099909A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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JP2009099909A JP2007272501A JP2007272501A JP2009099909A JP 2009099909 A JP2009099909 A JP 2009099909A JP 2007272501 A JP2007272501 A JP 2007272501A JP 2007272501 A JP2007272501 A JP 2007272501A JP 2009099909 A JP2009099909 A JP 2009099909A
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Abstract

【課題】半導体装置の製造プロセスの工数を低減することである。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板101上にアイソレーション溝106を形成する工程と、前記半導体基板101上に形成されたアイソレーション溝106のシリコン表面を露出させる工程と、TEOS/O/HO系CVDによって、前記半導体基板101に第1の絶縁膜108を埋め込む工程と、前記アイソレーション溝106に第2の絶縁膜109を埋め込む工程と、を具備する。
【選択図】図5

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、シャロートレンチアイソレーション(STI(Shallow Trench Isolation))を用いる半導体装置の製造方法に関する。
高集積化による素子の性能向上(動作速度向上及び低消費電力化)及び製造コストの抑制を目的として、LSIの微細化が積極的に進められている。近年、量産レベルでも最小加工寸法が65nm以下のフラッシュメモリが生産されるようになってきており、技術的難度は高まってきてはいるものの、今後も一層の微細化が進展していくことが予測されている。このような急激な素子の微細化のためには、素子面積の過半を占める素子分離領域の微細化が重要である。
近年、微細化に適した素子分離領域の形成方法として、異方性エッチングによって形成された溝に絶縁膜を埋め込むシャロートレンチアイソレーション技術(以下「STI(Shallow Trench Isolation)」という)が用いられ、アイソレーション溝の溝幅も90nmから70nm程度の0.1ミクロン以下の溝幅に達している。
しかし、素子分離領域の微細化に伴い、素子分離領域を形成する工程の困難性も急激に増している。なぜならば、素子間の分離は、隣接素子間の実効的距離、すなわち素子分離領域を迂回するときの最短距離で決まるが、デバイスを微細化し且つ絶縁性を低下させないためには、この実効的距離を維持する、すなわちSTIのトレンチ深さをほぼ一定に保つ必要があるからである。さらに、今後もLSIの微細化に伴ってSTIのトレンチ幅が細くなるにつれて、絶縁膜を埋め込む溝のアスペクト比は大きくなり、埋め込みの困難性も急激に増すことになる。その結果、半導体装置の製造プロセスの工数が増加するという問題がある。
特開2004−311487号公報
本発明の目的は、半導体装置の製造プロセスの工数を低減することである。
本発明の第1態様によれば、半導体基板上にアイソレーション溝を形成する工程と、前記半導体基板上に形成されたアイソレーション溝のシリコン表面を露出させる工程と、TEOS/O/HO系CVDによって、前記半導体基板に第1の絶縁膜を埋め込む工程と、前記アイソレーション溝に第2の絶縁膜を埋め込む工程と、を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、半導体装置の製造プロセスの工数を低減することができる。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、以下の実施例は、本発明の実施の一形態であって、本発明の範囲を限定するものではない。
はじめに、本発明の実施例1について説明する。本発明の実施例1は、TEOS/O/HO系CVDによって形成されたシリコン酸化膜を第1の絶縁膜として用い、SOD膜を第2の絶縁膜として用いることによって、フローティングゲート型フラッシュメモリのSTIを埋め込む例である。
図1〜5は、本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す工程断面図である。
はじめに、図1の構造を形成する工程について説明する。
半導体基板(例えば、シリコン基板)101上にゲート絶縁膜となるシリコン熱酸窒化膜102(8nm)、フローティングゲートとなるPドープ多結晶シリコン膜103(60nm)、CMPの研磨ストッパとなるシリコン窒化膜104(60nm)及びRIEのマスクとなるCVDシリコン酸化膜105(200nm)を形成し、さらに図示されないフォトレジスト膜を塗布する。
次に、リソグラフィ技術によってフォトレジスト膜を加工し、フォトレジスト膜をマスクとして用いるRIEによってCVDシリコン酸化膜105を加工し、ハードマスクを形成する。このとき、セル部のSTI幅は30nmである。
次に、アッシャー及び硫酸過酸化水素水混合液でのエッチングによってフォトレジストを除去する。
次に、加工されたCVDシリコン酸化膜105をハードマスクとして用いるRIEによってシリコン窒化膜104、Pドープ多結晶シリコン膜103、シリコン熱酸窒化膜102及び半導体基板101を順次加工して深さ220nmの溝を形成する。
次に、希弗酸処理を行うことによってRIE工程の反応生成物残を除去し、STIとなるアイソレーション溝106を形成する。このとき、アイソレーション溝106の内面には、HCl/H水溶液又はHCl/O水溶液中での洗浄工程において、CHEMICAL OXIDE107(1nm)が形成される。アイソレーション溝106の内面は、シリコンが剥き出しの状態にしておくことが、後述の絶縁膜埋め込み工程において、ボトムアップ型の埋め込みを行うために重要であるが、1nm程度のCHEMICAL OXIDE107は許容される。以上の工程を行うことによって、図1の構造が形成される。
次に、図2の構造を形成する工程について説明する。
図1の構造に対して、TEOS/O/HO系CVDによって、基板全面に第1の絶縁膜となるシリコン酸化膜108を形成する。TEOS/O/HO系CVDの成膜温度は400〜500℃であり、成膜圧力は400〜600Torrである。シリコン酸化膜108のデポ膜厚は半導体基板101上で220nmである。以上の工程を行うことによって、図2の構造が形成される。
TEOS/O/HO系CVDでは、良好なボトムアップ形状でシリコン酸化膜108の成膜が進行するため、上記成膜条件でシリコン窒化膜104の上部までメモリセル部が完全に埋め込まれる。また、周辺回路の広いSTIでは、半導体基板101に形成されたアイソレーション溝106がほぼ埋め込まれ、STIの側壁には、100nm以上の厚いシリコン酸化膜108が形成される。このように、周辺回路のアイソレーション溝106の側壁に厚いシリコン酸化膜108が形成されるので、後述のSOD膜109が熱収縮の際に剥離することを抑制し、半導体装置の歩留まりを改善することができる。また、成膜速度の遅いTEOS/O/HO系CVDのみによって埋め込む場合に比べて、ターンアラウンドタイムを短縮することができる。
次に、図3の構造を形成する工程について説明する。
図2の構造に対して、シリコン酸化膜108によって途中まで埋め込まれたアイソレーション溝106の上部に、第2の絶縁膜としてSOD膜109(例えば、ポリシラザン膜)を形成する。SOD膜109は流動性があるため、下地の欠陥や選択性崩れに起因してシリコン酸化膜108がオーバーハング形状になっている部位にもシーム/ボイドレスに埋め込まれる。
ここで、ポリシラザン膜のSOD膜109を形成するための成膜について説明する。
はじめに、平均分子量が2000〜6000の過水素化シラザン(パーハイドロシラザン)重合体[(SiHNH)n]をキシレン、ジブチルエーテル等に分散して過水素化シラザン重合体溶液を生成する。
次に、スピンコーティング法によって、過水素化シラザン重合体溶液を半導体基板101の表面に塗布する。例えば、スピンコーティング法の条件は半導体基板101の回転速度が1000rpmであり、回転時間が30秒であり、過水素化シラザン重合体溶液の滴下量は2ccであり、狙い塗布膜厚はベーク直後で250nmである。
既に、シリコン酸化膜108によって周辺回路の広いSTIが200nm以上底上げされているためにSOD膜109を単独で埋め込む場合に比べて塗布膜厚を薄くすることができるので、SOD膜109に起因する応力に伴う結晶欠陥の発生の抑制並びにSOD膜109に起因する不純物(C,N)が半導体基板101まで拡散し、反応して固定電荷を生成することによるトランジスタの閾値ずれの抑制が可能となる。
次に、SOD膜109が形成された半導体基板101をホットプレート上で150℃に加熱し、不活性ガス雰囲気中で3分間ベークすることにより、過水素化シラザン重合体溶液中の溶媒を揮発させ過水素化ポリシラザン膜を形成する。このとき、過水素化ポリシラザン膜中には、溶媒起因の炭素又は炭化水素が不純物として数パーセントから10数パーセント程度残存しており、過水素化ポリシラザン膜は残留溶媒を含んだ密度の低いシリコン窒化膜に近い状態にある。
次に、過水素化ポリシラザン膜を400℃の減圧水蒸気雰囲気中で半導体基板101の酸化量で0.6nmの条件下で酸化させてポリシラザン膜中の窒素が脱離させ、酸素が代わりに取り込まれ、ポリシラザン膜がシリコン酸化物に転換される。
次に、CMPによってSOD膜109加工する。以上の工程を行うことによって、ポリシラザン膜のSOD膜109が形成される。
なお、400℃ではSOD膜109中の不純物(C,N等)は、ほとんどシリコン酸化膜108中には拡散しないので、SOD膜109に起因する固定電荷も発生しない。
次に、図4の構造を形成する工程について説明する。
図3の構造に対して、アイソレーション溝106の内部にのみシリコン酸化膜108を残存させるために、シリコン窒化膜104をストッパとして用いるCMPによってSOD膜109、シリコン酸化膜108及びCVDシリコン酸化膜105を研磨する。
次に、窒素中で850℃・30分の熱処理を行い、SOD膜109を緻密化する。一般的には、このような高温の熱処理ではSOD膜109中の不純物(C,N)が拡散して固定電荷を形成し易いが、本発明の実施例1では、シリコン酸化膜108によってアイソレーション溝106が底上げされているので、CMPの後に残存するSOD膜109の大きさが十分に小さくなり、固定電荷の発生を極めて小さくすることができる。
表1は、一般的な熱処理(CMPの前に行われる熱処理)を適用した場合及び本発明の実施例1に係る熱処理(CMPの後に行われる熱処理)を適用した場合の最終的な周辺回路の高電圧回路部のオフリーク電流Ioffを示す図表である。
表1に示されるように、本発明の実施例1では、STIの固定電荷の影響を受け易いアクティヴエリアの幅(W)が狭いトランジスタのオフリーク電流(Ioff)が1桁以上低くなる。
Figure 2009099909
また、一般的な熱処理では、熱収縮に伴う応力に起因してSOD膜109が剥れる場合があるが、本発明の実施例1では、STI側壁に100nm以上の厚いシリコン酸化膜108が形成されるため、SOD膜109が剥れることはない。
また、本発明の実施例1では、水蒸気酸化の酸化量を十分小さくすることができ、フローティングゲートのキュア時のバーズビーク酸化を抑制することができる。
なお、本発明の実施例1では、より高温の水蒸気酸化を行う等のより改善されたSOD膜109のキュア手順を用いても良い。
次に、RIEによって、アイソレーション溝106内に残存するシリコン酸化膜108を50nmエッチバックする。
次に、リソグラフィ技術及びRIEによって、メモリセル部のSTIのみをさらに40nmエッチバックする。
次に、ホット燐酸中でシリコン窒化膜104を除去することによってSTI領域を形成する。以上の工程を行うことによって、図4の構造が形成される。
次に、図5の構造を形成する工程について説明する。
図4の構造に対して、電極間絶縁膜(IPD)となるONO膜110を形成する。一般的には、ONO膜110の形成の前処理ではフローティングゲートとなるPドープ多結晶シリコン膜103の表面の自然酸化膜除去のために弗酸系処理が必要であるが、本発明の実施例1では、セル部がボトムアップ形状に成長するTEOS/O/HO系CVDによって形成されたシリコン酸化膜108のみで埋め込まれており、シーム、ヴォイド及びウエットエッチング耐性の低いSOD膜109が存在しないので、ウエットエッチングに対してSTIの少なくとも一部が落ち込むような問題は起こらない。
次に、コントロールゲート電極となるPドープ多結晶シリコン膜111を形成する。
次に、リソグラフィ技術及びRIEによって、Pドープ多結晶シリコン膜111、ONO膜108及びPドープ多結晶シリコン膜103を順次加工し、コントロールゲート及びフローティングゲートを形成する。
次に、層間絶縁膜(ILD)112及びコンタクトプラグ113並びにその他の図示されない配線層を形成する。以上の工程を行うことによって、図5の構造が形成される。
なお、本発明の実施例1では、図1に代えて、図6に示されたように、HCl/H水溶液又はHCl/O水溶液中での洗浄工程においてアイソレーション溝106の内面にCHEMICAL OXIDE107を形成しても良い。
また、本発明の実施例1では、SOD膜109としてポリシラザン膜を形成する例について説明したが、HSQ膜、ポリシラン等を形成しても良い。
また、本発明の実施例1では、フローティングゲート型のフラッシュメモリのデバイス構造についての例を説明したが、MONOS型のフラッシュメモリのデバイス構造に適用しても良い。
本発明の実施例1によれば、埋め込み性が良く且つ成膜速度の速いTEOS/O/HO系CVDによって形成されたシリコン酸化膜108で狭いSTIを埋め込み、アイソレーション溝106の残りを埋め込み性の良いSOD膜109で埋め込むので、プロセス時間を短縮することができ且つ下地に起因するシリコン酸化膜108の埋め込み不良や埋め込み形状異常(例えば、凹凸の悪化)が発生した場合であっても良好なSTI耐圧を得ることができる。
次に、本発明の実施例2について説明する。本発明の実施例1は、フラッシュメモリのデバイス構造のSTIを埋め込む例であるが、本発明の実施例2は、ロジックデバイスのSTIを埋め込む例である。なお、本発明の実施例1と同様の内容についての説明は省略する。
従来の半導体製造プロセスでは、HDP−CVDシリコン酸化膜をSTI上部に形成するハイブリッド埋め込み工程において、O/TEOS膜やSOG膜等の第1の絶縁膜で最初にアイソレーション溝を埋め込み、CMPで一旦平坦化したあとに、RIE及びウエットエッチングによって所望の深さまで埋め込み絶縁膜をエッチバックし、改めて第2の絶縁膜としてHDP−CVDシリコン酸化膜を埋め込む方法が用いられている。
しかし、第1の絶縁膜のCMPやエッチバック工程が必要になるために半導体装置の製造プロセスの工数が増加するという問題だけでなく、第1の絶縁膜のエッチバック工程の制御及びCMPを2回行うためのCMPストッパのシリコン窒化膜の薄膜化、すなわちSTIの埋め込みが困難であるという問題がある。
図7〜12は、本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す工程断面図である。
はじめに、図7の構造を形成する工程について説明する。
半導体基板(例えば、シリコン基板)201上に犠牲酸化膜となるシリコン熱酸化膜202(4nm)、CMPの研磨ストッパとなるシリコン窒化膜203(100nm)及びRIEのマスクとなるCVDシリコン酸化膜を形成し、さらに図示されないフォトレジスト膜を塗布する。
次に、リソグラフィ技術によってフォトレジスト膜を加工し、フォトレジスト膜をマスクとして用いるRIEによってCVDシリコン酸化膜を加工し、ハードマスクを形成する。
次に、アッシャー及び硫酸過酸化水素水混合液でのエッチングによってフォトレジストを除去する。
次に、加工されたCVDシリコン酸化膜をハードマスクとして用いるRIEによってシリコン窒化膜203、シリコン熱酸化膜202及び半導体基板201を順次加工して深さ250nmの溝を形成する。
次に、DHF系ウエット処理によってCVDシリコン酸化膜及びRIE工程の反応生成物残を除去し、STIとなるアイソレーション溝204を形成する。このとき、アイソレーション溝204の内面には、HCl/H水溶液又はHCl/O水溶液中での洗浄工程において、CHEMICAL OXIDE205(1nm)が形成される。アイソレーション溝205の内面は、シリコンが剥き出しの状態にしておくことが後段の絶縁膜埋め込み工程でボトムアップ型の埋め込みを行うために重要であるが、1nm程度のCHEMICAL OXIDE205は許容される。
次に、TEOS/O/HO系CVDによって、基板全面に第1の絶縁膜となるシリコン酸化膜206(120nm)を形成する。TEOS/O/HO系CVDの成膜温度は450〜500℃であり、成膜圧力は400〜600Torrである。この条件下では、シリコン酸化膜206はコンフォーマルに10nm程度成膜され、ボトムアップ形状で成長し、STI幅が100nm未満の狭い領域では約240nm底上げされる。以上の工程を行うことによって、図7の構造が形成される。
次に、図8の構造を形成する工程について説明する。
図7の構造に対して、DHFでのウエットエッチングを行うことによってシリコン酸化膜206を10nm除去し、シリコン酸化膜206の成膜初期にコンフォーマルに形成された膜を除去する。この工程は、後述のHDP−CVDシリコン酸化膜208埋め込み工程において、STI側壁にのみシリコン酸化膜206が残存することを防ぐために行う工程である。以上の工程を行うことによって、図8の構造が形成される。
次に、図9の構造を形成する工程について説明する。
図8の構造に対して、高温で水素と酸素とを供給することによって水蒸気ラジカルを形成して酸化するISSG(In−Situ Steam Generation)酸化技術を用いて、半導体基板201、シリコン窒化膜203を5nm酸化してシリコン熱酸化膜207を形成する。その結果、シリコン窒化膜203がアクティヴエリア側面よりも後退した形状となるとともに、アクティヴエリア端部が酸化により丸まった形状となる。以上の工程を行うことによって、図9の構造が形成される。
次に、図10の構造を形成する工程について説明する。
図9の構造に対して、基板全面に第2の絶縁膜となるHDP−CVDシリコン酸化膜208を埋め込む。HDP−CVDシリコン酸化膜208の被覆率は下地形状に強く依存するが、シリコン酸化膜206によって狭いアイソレーション溝が底上げされているので、HDP−CVDシリコン酸化膜208を容易に且つボイドレスに埋め込むことができる。以上の工程によって、図10の構造が形成される。
次に、図11の構造を形成する工程について説明する。
図10の構造に対して、シリコン窒化膜203をストッパとして用いるCMP技術によって、HDP−CVDシリコン酸化膜208及びシリコン酸化膜206を研磨してアイソレーション溝204内部にのみ残存させる。
次に、バッファード弗酸でのウエットエッチバックによってSTIの高さを調整する。
次に、ホット燐酸中でシリコン窒化膜203を除去し、弗酸系でのウエットエッチングによってシリコン熱酸窒化膜202を剥離する。このとき、ISSG酸化によってシリコン窒化膜203がアクティヴエリア側面よりも後退した形状となっているので、STIが半導体基板201表面より落ち込むことを避けることができる。以上の工程を行うことによって、図11の構造が形成される。
次に、図12の構造を形成する工程について説明する。
図11の構造に対して、ゲート絶縁膜、ゲート電極、サイドウォールスペーサ及び拡散層を形成してトランジスタ209を形成する。
次に、層間絶縁膜(PMD/ILD)210〜212、配線213,214及びコンタクトプラグ215〜217を形成する。以上の工程を行うことによって、図12の構造が形成される。
なお、本発明の実施例2では、STI形成方法は、ロジックデバイスへの適用に限らず、STI形成後にゲート酸化膜及びゲート電極を形成するデバイスであれば、いかなるデバイス(例えば、DRAM,SRAM,PRAM,NORフラッシュ,NANDフラッシュ,MONOSなどのメモリデバイス)に適用しても良い。
本発明の実施例2によれば、TEOS/O/HO系CVDを用いてシリコン酸化膜206を形成するので、幅100nm以下のアイソレーション溝204内にほぼ一様なボトムアップ形状のシリコン酸化膜206を形成することができ、CMP及びエッチバック工程を省略してシリコン酸化膜206及びHDP−CVDシリコン酸化膜208のハイブリッド埋め込みを実現することができる。
また、本発明の実施例2によれば、STIの上部のみをHDP−CVDシリコン酸化膜208で埋め込むので、ゲート酸化膜を複数形成する際の複数回のウエットエッチング工程に対して高いウエットエッチング耐性を実現することができ且つ集積度を維持したまま微細なSTI埋め込みを実現することができる。
本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例1の変形例に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。 本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す工程断面図である。
符号の説明
101,201 シリコン基板
102 シリコン熱酸窒化膜
103,111 Pドープ多結晶シリコン膜
104,203 シリコン窒化膜
105 CVDシリコン酸化膜
106,204 アイソレーション溝
107,205 CHEMICAL OXIDE
108 シリコン酸化膜
109 SOD膜
110 ONO膜
112,210〜212 層間絶縁膜
113,215〜217 コンタクトプラグ
202 シリコン熱酸化膜
206 シリコン酸化膜
207 シリコン熱酸化膜
208 HDP−CVDシリコン酸化膜
209 トランジスタ
213,214 配線

Claims (5)

  1. 半導体基板上にアイソレーション溝を形成する工程と、
    前記半導体基板上に形成されたアイソレーション溝のシリコン表面を露出させる工程と、
    TEOS/O/HO系CVDによって、前記半導体基板に第1の絶縁膜を埋め込む工程と、
    前記アイソレーション溝に第2の絶縁膜を埋め込む工程と、を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記アイソレーション溝を形成する工程において、前記アイソレーション溝を形成する前に、少なくともメモリセルを構成するゲート絶縁膜及びフローティグゲート電極膜、又はゲート絶縁膜及び電荷蓄積膜の積層膜を形成し、前記積層膜を加工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。
  3. 前記シリコン表面を露出させる工程の後に、CHEMICAL OXIDEを形成する工程をさらに具備することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第1の絶縁膜を埋め込む工程の後に、アクティヴエリアを酸化する工程をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第2の絶縁膜を埋め込む工程において、前記アイソレーション溝にSOD膜を埋め込むことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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